Кіріспе
Дөңгелекті элементтің түрі – осы типтегі подшипниктерде қолданылатын жеке шарлар, кейде оларды қате түрде өзі "шарлы подшипниктер" деп атайды. Шарлы подшипник – бұл подшипник жарықтары арасындағы аралықты сақтау үшін шарларды пайдаланатын дөңгелекті элементтің бір түрі. Шарлы подшипниктің мақсаты – айналу кезіндегі үйкелісті азайту және радиалды және осьтік жүктемелерді көтеру. Ол кемінде екі жарықты пайдаланып, шарларды ұстап тұру және жүктемені шарлар арқылы беру арқылы осы мақсатқа жетеді. Көптеген жағдайларда, бір жарық тұрақты болады, ал екіншісі айналатын құрылымға (мысалы, доңғалақ торабы немесе білікке) бекітіледі. Бір жарық айналғанда, шарлар да айналады. Шарлардың домалануының арқасында, олардың үйкеліс коэффициенті екі тегіс бет бір-біріне сырғанағандағыдан әлдеқайда төмен болады. Шарлы подшипниктердің шарлар мен жарықтар арасындағы кішірек контактілік ауданына байланысты олардың өлшемдеріне шаққанда жүктемелеу қабілеті басқа дөңгелекті элементтерге қарағанда төмен болады. Дегенмен, олар ішкі және сыртқы жарықтардың белгілі бір дәрежеде бұрылысына төзімді.
individual balls used in this kind of bearing that are sometimes incorrectly called "ball bearings" themselves
A ball bearing is a type of rolling element bearing that uses balls to maintain the separation between the bearing races. The purpose of a ball bearing is to reduce rotational friction and support radial and axial loads. It achieves this by using at least two races to contain the balls and transmit the loads through the balls. In most applications, one race is stationary and the other is attached to the rotating assembly (e. g., a hub or shaft). As one of the bearing races rotates it causes the balls to rotate as well. Because the balls are rolling they have a much lower coefficient of friction than if two flat surfaces were sliding against each other. Ball bearings tend to have lower load capacity for their size than other kinds of rolling element bearings due to the smaller contact area between the balls and races. However, they can tolerate some misalignment of the inner and outer races.
Тарих
Түйіршіктер ежелгі заманнан бері дамыған болса да, шарлы подшипниктерге алғашқы заманауи патент Уэльстің өнертапқышы және темір өндірушісі Филипп Воганға 1794 жылы Кармартенде жасаған алғашқы дизайны үшін берілді. Оның шарлы подшипнигі – бұл шары осьтің жиналымындағы ойыста қозғалатын алғашқы заманауи конструкция болды. Париждік велосипед шебері Жюль Сурей 1869 жылы алғашқы радиалды шарлы подшипникті жобалады, ол кейіннен Джеймс Мурдың 1869 жылдың қараша айында Парижде өткен әлемдегі алғашқы велосипед жарысында жеңіске жеткен велосипедіне орнатылды.
Ортақ үлгілер
Шарлы подшипниктердің бірнеше кең таралған конструкциясы бар, олардың әрқайсысы әртүрлі өнімділік мүмкіндіктерін ұсынады. Олар тот баспайтын болат, хром болат және керамика (силиций нитриді, Si3N4) сияқты көптеген материалдардан жасалуы мүмкін. Гибридтік шарлы подшипник – керамикалық шарлары және металл жүзу жолдары бар подшипник. Бұрыштық контактілі Бұрыштық контактілі шарлы подшипник осьтік асимметриялы жүзу жолдары қолданады. Осьтік жүктеме подшипник арқылы түзу сызықта беріледі, ал радиалдық жүктеме жүзу жолдарының осьтік бөлінуіне себеп болатын көлбеу жолмен өтеді. Сондықтан ішкі жүзу жолының контакт бұрышы сыртқы жүзу жолының контакт бұрышымен бірдей болады. Бұрыштық контактілі подшипниктер радиалдық және осьтік бағыттардағы біріктірілген жүктемелерді жақсырақ көтереді, ал подшипник жүзу жолының контакт бұрышы әр жүктеменің салыстырмалы пропорциясына сәйкес болуы керек. Контакт бұрышы неғұрлым үлкен болса (әдетте 10-45 градус аралығында), осьтік жүктеме көтеру қабілеті жоғарырақ, бірақ радиалдық жүктеме көтеру қабілеті төмендейді. Турбиналар, реактивтік қозғалтқыштар және стоматологиялық жабдықтар сияқты жоғары жылдамдықтағы қолданыстарда шарлардың тудыратын центробегтік күші ішкі және сыртқы жүзу жолдарындағы контакт бұрышын өзгертеді. Кремний нитриді сияқты керамикалық материалдар төмен тығыздығы (болаттың 40%) болғандықтан мұндай қолданыстарда жиі қолданылады. Бұл материалдар центробегтік күшті айтарлықтай азайтады және жоғары температурада жақсы жұмыс істейді. Олар сондай-ақ шыны немесе фарфор сияқты жарылудың орнына, болатты тозу сияқты тозады. Көптеген велосипедтер гарнитураларда бұрыштық контактілі подшипниктерді қолданады, өйткені бұл подшипниктерге түсетін күштер радиалдық және осьтік бағыттарда болады. Осьтік Осьтік немесе итермелі шарлы подшипник қатар орналасқан жүзу жолдары қолданады. Осьтік жүктеме тікелей подшипник арқылы беріледі, ал радиалдық жүктеме нашар қолдау табады және жүзу жолдарының бөлінуіне бейім, сондықтан үлкен радиалдық жүктеме подшипникке зақым келтіруі мүмкін. Терең ойысты Темен ойысты радиалды подшипникте жүзу жолының өлшемдері оның ішінде қозғалатын шарлардың өлшемдеріне жақын. Терең ойысты подшипниктер терең емес ойысты подшипниктерге қарағанда жоғары жүктемелерді көтереді. Бұрыштық контактілі подшипниктер сияқты терең ойысты подшипниктер де радиалдық және осьтік жүктемелерді қолдайды, бірақ осы жүктемелердің салыстырмалы үлесін таңдауға мүмкіндік беретін контакт бұрышын таңдау мүмкіндігі жоқ. Алдын ала жүктелген жұптар Жоғарыда аталған негізгі типтегі подшипниктер әдетте алдын ала жүктелген жұптар түрінде қолданылады, онда екі жеке подшипник айналатын білік бойымен бір-біріне қарама-қарсы бекітіледі. Бұл шарлар мен жүзу жолдары арасындағы қажетті кішкене бос орынды алып, осьтік орындалуды жақсартады. Жұптастыру жүктемені тең бөлу артықшылығын ұсынады, жалпы жүктеме көтеру қабілетін бір подшипникке қарағанда екі есеге жуық арттырады. Бұрыштық контактілі подшипниктер әрқашан қарама-қарсы жұптарда қолданылады: әр подшипниктің асимметриялық конструкциясы тек бір бағытта осьтік жүктемелерді қолдайды, сондықтан қолданыс екі бағытта да қолдауды қажет етсе, қарама-қарсы жұп қажет. Алдын ала жүктеме күшін мұқият жобалау және құрастыру керек, өйткені ол подшипниктердің осьтік жүктеме көтеру қабілетін азайтады және шамадан тыс қолданған жағдайда подшипниктерге зақым келтіруі мүмкін. Жұптастыру механизмі подшипниктерді тікелей бір-біріне қаратып немесе оларды шим, втулка немесе білік элементімен бөлу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін.
Құрылыстың түрлері
Конрад Конрад стиліндегі шарлы подшипник өз ойлап тапқан Роберт Конрадтың атымен аталады, оған 1903 жылы 12 206 британдық патент, ал 1906 жылы 822 723 АҚШ патенті берілген. Бұл подшипниктер ішкі сақинаны сыртқы сақинаға қатысты эксцентрикалық күйге қойып құрастырылады, екі сақина бір нүктеде жанасады, нәтижесінде жанасу нүктесіне қарама-қарсы үлкен саңылау пайда болады. Шарлар саңылау арқылы салынып, содан кейін подшипник жинағының бойымен тең бөліседі, бұл сақиналардың бір-біріне қатысты концентрлі болуына әкеледі. Құрастыру шарлардың бір-біріне қатысты орналасуын сақтау үшін тор орнату арқылы аяқталады. Тор болмаса, шарлар жұмыс істеу кезінде орнынан жылжып, подшипник бұзылуына себеп болады. Тор ешқандай жүктеме алмайды және тек шардың орнын сақтауға қызмет етеді. Конрад подшипниктерінің артықшылығы – олар радиалды және осьтік жүктемелерге төтеп бере алады, бірақ подшипник жинағына орналастырылатын шарлардың саны шектеулі болғандықтан жүктемеге төзімділігі төмен. Ең танымал өнеркәсіптік шарлы подшипник – терең ойысты Конрад стилі. Бұл подшипниктер механикалық өнеркәсіптің көп бөлігінде қолданылады. Тесік толтыру Тесік толтыру радиалды подшипнігінде ішкі және сыртқы сақиналар бір жағынан ойылады, сондықтан ойықтар тізбектелген кезде шарларды подшипник құрастыру үшін пайда болатын тесікке енгізуге болады. Тесік толтыру подшипнігінің артықшылығы – көбірек шарларды құрастыруға болады (соның ішінде толық жиынтық конструкцияны жасауға мүмкіндік береді), нәтижесінде радиалды жүктемеге төзімділігі бірдей өлшемдер мен материалдардан жасалған Конрад подшипнігінен жоғары болады. Алайда, тесік толтыру подшипнігі айтарлықтай осьтік жүктемені көтере алмайды, ал тесіктер сақиналардағы үздіксіздікке әкеледі, бұл беріктікке аз, бірақ кері әсер етеді. Сақинадан босату Сақинадан босату шарлы подшипнігі аталатын болғандай, ішкі сақинаның сыртқы диаметрін бір жағынан кішірету немесе сыртқы сақинаның ішкі диаметрін бір жағынан үлкейту арқылы "сақинадан босатылады". Бұл ішкі немесе сыртқы сақинаға көбірек шарларды орналастыруға мүмкіндік береді, содан кейін босатуға сәйкес келеді. Кейде құрастыруды жеңілдету үшін сыртқы сақина қыздырылады. Тесік толтыру конструкциясы сияқты, сақинадан босату конструкциясы Конрад конструкциясына қарағанда көбірек шарларды орналастыруға мүмкіндік береді, толық жиынтыққа дейін, ал қосымша шарлар саны қосымша жүктемеге төзімділікті арттырады. Алайда, сақинадан босату подшипнігі тек бір бағытта ("сақинадан босатылғаннан алыс") айтарлықтай осьтік жүктемелерді ғана көтере алады. Бөлшек сақина Радиалды шарлы подшипникке көбірек шарларды орналастырудың тағы бір жолы – шарларды салып, сынған бөлігін қайта құрастырып, содан кейін сынған сақина бөліктерін бірге ұстап тұру үшін екі болат лента қолданып, шарлардан біреуін радиалды түрде "бөлшектеу" (кесіп) болып табылады. Бұл тағы да көп шарларды, соның ішінде толық шарларды орналастыруға мүмкіндік береді, бірақ тесік толтыру немесе сақинадан босату конструкцияларынан айырмашылығы, ол екі бағытта да айтарлықтай осьтік жүктемені көтере алады. Қатарлар Екі қатарлы конструкциялар бар: бір қатарлы подшипниктер және екі қатарлы подшипниктер. Көптеген шарлы подшипниктер бір қатарлы конструкция болып табылады, яғни бір қатар шарлар бар. Бұл конструкция радиалды және итермелі жүктемелермен жұмыс істейді. Екі қатарлы конструкцияда екі қатар шарлы подшипниктер болады. Бір қатарлыға қарағанда екі қатарлы подшипниктердің артықшылықтары олардың радиалды және осьтік жүктемелерді екі бағытта да көтере алатындығын қамтиды. Екі қатарлы бұрыштық контактілі шарлы подшипниктер тік орнатуға ие, олар да еңкейту әсерін көтере алады. Екі қатарлы подшипниктердің басқа да артықшылықтары – олардың қаттылығы мен тығыздығы. Олардың кемшілігі – бір қатарлы подшипниктерге қарағанда жақсы сәйкестендіру қажет. Фланцтық Сыртқы сақинадағы фланцтық подшипниктер осьтік орналасуды жеңілдетеді. Мұндай подшипниктердің корпусы біркелкі диаметрлі тесіктен тұруы мүмкін, бірақ корпустың кіру беті (сыртқы немесе ішкі бет болуы мүмкін) тесіктің осьтеріне сәйкес қалыпты өңделуі керек. Алайда мұндай фланцтарды өндіру өте қымбат. Ұқсас артықшылықтарға ие подшипник сыртқы диаметрінің бір немесе екі шетіндегі шұңқыр сақинасы болып табылады. Шұңқыр сақинасы фланцтың қызметін атқарады. Торлы Торлар әдетте Конрад стиліндегі шарлы подшипніктегі шарларды бекіту үшін қолданылады. Басқа конструкция түрлерінде олар белгілі бір тор пішініне байланысты шарлар санын азайтуы мүмкін, соның салдарынан жүктемеге төзімділігі төмендеуі мүмкін. Торлар болмаса, жанамалық орналасу екі дөңес беттердің бірін-бірі сығуы арқылы тұрақтандырылады. Тормен жанамалық орналасу сәйкес келген ойыс бетте сығу арқылы тұрақтандырылады, бұл шарлардағы ойыстарды болдырмайды және үйкелісті азайтады. Торлы роликті подшипниктерді Джон Харрисон 18 ғасырдың ортасында хронографтар бойынша жұмысының бөлігі ретінде ойлап тапқан. Гибридтік шарлы подшипниктер керамикалық шарларды пайдалану Керамикалық шарлы подшипниктердің салмағы мөлшеріне және материалға байланысты болаттықтардан 40%-ға дейін жеңіл болуы мүмкін. Бұл центробектік жүктемені және сырғанауды азайтады, сондықтан гибридтік керамикалық подшипниктер дәстүрлі подшипниктерден 20%-ға дейін 40%-ға дейін жылдам жұмыс істей алады. Бұл подшипник айналғанда сыртқы сақина ойығы шарға кіретін күшті азайтады. Күштің азаюы үйкелісті және домалақ кедергіні азайтады. Жеңіл шарлар подшипникке жылдам айналуға мүмкіндік береді және оның жылдамдығын сақтау үшін аз қуат қолданады. Керамикалық шарлар әдетте сақинадан қаттырақ болады. Тозуға байланысты, олар уақыт өте сақинада ойыс жасайды. Бұл шарлардың тозуына қарағанда жақсырақ, бұл оларды өнімділікке зиян келтіретін тегіс жерлермен қалдыруы мүмкін. Керамикалық гибридтік подшипниктер болаттықтардың орнына керамикалық шарларды пайдаланса да, олар болаттық ішкі және сыртқы сақиналармен жасалған, сондықтан гибридтік атауы бар. Керамикалық материалның өзі болаттан мықтырақ болғанымен, ол сонымен қатар қатаңрақ, бұл сақиналардағы кернеудің артуына және, демек, жүктемеге төзімділіктің төмендеуіне әкеледі. Керамикалық шарлар электрлік оқшаулағыш болып табылады, бұл егер ток подшипник арқылы өтіп кетсе, "құсқын" ақауларын болдырмауға мүмкіндік береді. Керамикалық шарлар майлаудың болмауы мүмкін жағдайларда да тиімді болуы мүмкін (мысалы, ғарыш қолданыстарында). Кейбір жағдайларда металл шарлы подшипник үстіне керамиканың жұқа қабаты ғана қолданылады. Толығымен керамикалық подшипниктер Бұл подшипниктерде керамикалық шарлар мен сақиналар қолданылады. Бұл подшипниктер коррозияға төзімді және мүлдем майлауды қажет етпейді. Шарлар мен сақиналардың қатаңдығы мен қаттылығына байланысты бұл подшипниктер жоғары жылдамдықтарда шулы болады. Керамиканың қатаңдығы бұл подшипниктерді жүктеме немесе соққы кезінде жарылуға бейім етеді. Шарлар мен сақиналардың қаттылығы бірдей болғандықтан, тозу жоғары жылдамдықтарда шарлар мен сақиналардың екеуінің де сынықтарына әкелуі мүмкін, бұл ұшқындануға себеп болуы мүмкін. Өзін-өзі реттеу Өзін-өзі реттеу шарлы подшипниктер, суретте көрсетілген Wingqvist подшипнігі сияқты, ішкі сақинасы және шарлы жинағы сфералық жолға ие сыртқы сақинаның ішінде орналасқан конструкциямен жасалған. Бұл конструкция подшипникке шахта немесе корпус деформацияларынан немесе дұрыс емес орнатудан туындаған шағын бұрыштық теңсіздікті көтеруге мүмкіндік береді. Подшипник негізінен ұзақ шахталары бар арандатуларға, мысалы, тоқыма фабрикаларындағы беру шахталарына қолданылды. Өзін-өзі реттеу шарлы подшипниктерінің бір кемшілігі – жүктемеге төзімділігі шектеулі, өйткені сыртқы жолдың өте төмен оскуляциясы бар (оның радиусы шар радиусынан әлдеқайда үлкен). Бұл Wingqvist-тің табыстарынан туындаған сфералық роликті подшипниктің ойлап табуына әкелді, ол ұқсас конструкцияға ие, бірақ шарлардың орнына роликті пайдаланады. Сфералық итермелі роликті подшипник Wingqvist-тің табыстарынан туындаған тағы бір ойлап табу болып табылады.
Өмір сүру ұзақтығы
Подшипник үшін есептелген қызмет мерзімі оның көтеретін жүктемесіне және жұмыс жылдамдығына негізделеді. Өнеркәсіптік стандарт бойынша қолданылатын подшипник қызмет мерзімі подшипник жүктемесінің кубына кері пропорционал. Подшипниктің номиналды ең жоғары жүктемесі 1 миллион айналымға арналған, бұл 50 Гц (яғни 3000 айн/мин) жиілігінде 5,5 сағаттық жұмыс уақытына тең. Осы типтегі подшипниктердің 90% кем дегенде осы қызмет мерзіміне ие, ал 50% кем дегенде 5 есе ұзақ қызмет етеді. Өнеркәсіптік стандарттағы қызмет мерзімін есептеу 1947 жылы Лундберг пен Палмгреннің жүргізген зерттеулеріне негізделген. Формула қызмет мерзімінің металлдың шаршауымен шектеледі және қызмет мерзімінің таралуын Вейбулл таралымы арқылы сипаттауға болады деп есептейді. Формуланың көптеген нұсқалары бар, олар материалдың қасиеттері, майлау және жүктеме факторларын қамтиды. Жүктеме факторларын ескере отыру – қазіргі заманғы материалдардың жүктеме мен қызмет мерзімі арасындағы қатынасы Лундберг пен Палмгрен анықтағаннан өзгеше екенін жасырын мойындау болып табылады. Егер майлау қажет болса, оның құрамын қолданылатын параметрлерге сәйкес келтіру керек. Мүмкіндігінше, жоғары қан кету жылдамдығымен және төмен базалық май тұтқырлығымен майларды таңдаған жөн.
Жүктің бағыты
Көптеген подшипниктер оське перпендикуляр жүктемелерді ("радиалдық жүктемелерді") қабылдауға арналған. Олар осьтік жүктемелерді де қабылдай алады ма, және егер қабылдай алса, қаншалықты – бұл подшипник түріне байланысты. Итеру подшипниктері (көбінесе жалқау сузандарда кездеседі) нақты осьтік жүктемелерге арналған. Ғарыш подшипниктері коммерциялық, жеке және әскери ұшақтарда, соның ішінде шкивтерде, редукторларда және реактивті қозғалтқыштардың біліктерінде көптеген қолданыстарда қолданылады. Материалдарға M50 құралдық болат (AMS6491), көміртекті хром болат (AMS6444), коррозияға төзімді AMS5930, 440C тот баспайтын болат, кремний нитриді (керамика) және 440C титан карбидімен жабылған болат кіреді. Скейтборд дөңгелегінде екі подшипник болады, олар уақыт өте келе өзгеріп отыратын осьтік және радиалдық жүктемелерге ұшырайды. Көбінесе 608 2Z подшипнигі қолданылады (60 сериясының терең ойықты шарлы подшипнигі, 8 мм тесік диаметрімен). Көптеген йо-йолар, бастауыш деңгейден кәсіби немесе жарыс деңгейіне дейін, шарлы подшипниктерді қамтиды. Көптеген фиджет спиннер ойыншықтары салмақты арттыру және ойыншықтың айналуын қамтамасыз ету үшін бірнеше шарлы подшипниктерді пайдаланады. Орталықтан тепкіш сорғыларда. Теміржол локомотивтерінің біліктері. Теміржол дизельдік локомотивтерге ауыстырылғанға дейін, ең жаңа жоғары жылдамдықты бу локомотивтерінің бүйірлік таяқшаларында қолданылады.
Many yo yos, ranging from beginner to professional or competition grade, incorporate ball bearings. Many fidget spinner toys use multiple ball bearings to add weight, and to allow the toy to spin. In centrifugal pumps. Railroad locomotive axle journals. Side rod action of newest high speed steam locomotives before railroads were converted to diesel engines.
Тағайындау
Шақтың мөлшері серияның өсуімен бірге ұлғаяды, белгілі бір ішкі диаметр немесе сыртқы диаметр үшін (бірақ екеуі бірдей емес). Шақ неғұрлым ірі болса, жүк көтеру қабілеті де соғұрлым жоғары болады. 200 және 300 сериялары ең көп қолданылады.