Конические роликовые подшипники: устройство, принцип работы и история развития
Tapered roller bearing
Конические роликовые подшипники: поддержка радиальных и осевых нагрузок. Устройство, преимущества (линейный контакт, высокая грузоподъемность) и применение.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип роликового подшипника, способный воспринимать осевые нагрузки.
Type of roller bearing which can support axial loads
Конические роликовые подшипники – это подшипники качения, которые могут воспринимать как осевые, так и радиальные нагрузки (то есть они хорошо подходят для работы как упорные подшипники).
Tapered roller bearings are rolling element bearings that can support axial forces (i. e., they are good thrust bearings) as well as radial forces.
Описание
Внутренние и внешние кольцевые дорожки являются сегментами конусов, а ролики имеют коническую форму, так что конические поверхности дорожек и оси роликов, если их спроецировать, сходятся в общей точке на главной оси подшипника. Такая геометрия обеспечивает коаксиальность движения конусов, исключая скольжение между дорожками и наружным диаметром роликов. Эта коническая геометрия формирует линейную контактную зону, позволяющую выдерживать более высокие нагрузки, чем сферические (шариковые) подшипники, имеющие точечный контакт. Благодаря этой геометрии тангенциальные скорости поверхностей каждого ролика совпадают со скоростями соответствующих дорожек по всей длине контактной зоны, что исключает дифференциальное трение. Ролики стабилизируются и удерживаются фланцем на внутреннем кольце, к которому прилегает их больший конец, предотвращая их выпадение из-за "эффекта семечка тыквы", обусловленного их конической формой. Чем больше полууглы этих конусов, тем большую осевую нагрузку может выдержать подшипник. Конические роликовые подшипники разбираются на конусный элемент и обойму. Неразборный конусный элемент состоит из внутреннего кольца, роликов и сепаратора, который удерживает и равномерно распределяет ролики. Обойма представляет собой просто внешнее кольцо. Внутренний зазор регулируется при монтаже путем изменения осевого положения конуса относительно обоймы, хотя часто используются предварительно нагруженные установки без зазора. Метрические конические роликовые подшипники соответствуют системе обозначений, определенной в ISO 355.
The inner and outer ring raceways are segments of cones and the rollers are tapered so that the conical surfaces of the raceways, and the roller axes, if projected, would all meet at a common point on the main axis of the bearing. This geometry makes the motion of the cones remain coaxial, with no sliding motion between the raceways and the outside diameter of the rollers. This conical geometry creates a linear contact patch which permits greater loads to be carried than with spherical (ball) bearings, which have point contact. The geometry means that the tangential speeds of the surfaces of each of the rollers are the same as their raceways along the whole length of the contact patch and no differential scrubbing occurs. The rollers are stabilized and restrained by a flange on the inner ring, against which their large end slides, which stops the rollers from popping out due to the "pumpkin seed effect" of their conical shape. The larger the half angles of these cones the larger the axial force that the bearing can sustain. Tapered roller bearings are separable into a cone assembly and a cup. The non separable cone assembly consists of the inner ring, the rollers, and a cage that retains and evenly spaces the rollers. The cup is simply the outer ring. Internal clearance is established during mounting by the axial position of the cone relative to the cup, although preloaded installations without clearance are common. Metric tapered roller bearings follow the designation system defined by ISO 355.
История
23 марта 1895 года Джон Линкольн Скотт, фермер и плотник из Уилмота, штат Индиана, подал в Патентное ведомство США заявку на патент на своё изобретение – роликовый подшипник, предназначенный для установки на "шпинделя и ступицы осей вагонов, экипажей или других колесных транспортных средств". Подшипник состоял из двух комплектов цилиндрических роликов, один из которых был больше в диаметре, чем другой, и устанавливался на плоские поверхности, обработанные на коническом шпинделе оси. В 1898 году Генри Тимкен получил патент на конический роликовый подшипник, в котором использовались конические ролики. В то время Тимкен был производителем экипажей в Сент-Луисе и владел тремя патентами на экипажные рессоры. Однако именно его патент на конический роликовый подшипник обеспечил успех его компании. Конические роликовые подшипники стали прорывом в конце XIX века, поскольку конструкция подшипников, используемых в колесных осях, практически не менялась с древних времен. Они состояли из цилиндрической посадочной поверхности на раме и части оси, заключенной в корпус или короб, содержащий смазочный материал. Эти подшипники назывались подшипниками скольжения и полагались на смазку для создания смазывающего слоя. При отсутствии достаточной смазки подшипники скольжения выходили из строя из-за чрезмерного нагрева, вызванного трением. Тимкену удалось значительно снизить трение в своих осевых подшипниках, добавив конические элементы, которые фактически катились, равномерно распределяя нагрузку от оси к раме через закаленные стальные внутренние и внешние кольца и ролики – его конический роликовый подшипник. Конический роликовый подшипник в сочетании с современными смазочными материалами отличается исключительной долговечностью и почти повсеместно используется в механизмах с вращающимися осями и валами трансмиссии. Долговечность подшипников настолько высока, что эти валы часто не требуют обслуживания на протяжении сотен тысяч километров эксплуатации.
On March 23, 1895, John Lincoln Scott, a farmer and carpenter from Wilmot, Indiana applied for a patent from the United States Patent Office for his invention of a roller bearing that fit on "the axle skeins and hubs of wagons, buggies, or other wheeled vehicles". The bearing was composed of two sets of cylindrical rollers, one set larger in diameter than the other, that fit on flats machined on the tapered axle skein. In 1898, Henry Timken was awarded a patent for the tapered roller bearing which used conical rollers. At the time, Timken was a carriage maker in St. Louis and held three patents for carriage springs. However, it was his patent for tapered roller bearings that allowed his company to become successful. Tapered roller bearings were a breakthrough at the end of the 19th century because bearings used in wheel axles had not changed much since ancient times. They consisted of a cylindrical seat on the frame and part of the axle enclosed in a case or box that held a lubricant. These were called journal bearings and relied on the lubricant to form a fluid bearing. Without adequate lubrication, journal bearings would fail due to the excessive heat caused by friction. Timken was able to significantly reduce the friction on his axle bearings by adding tapered elements which actually rolled while transferring the load evenly from axle to frame through the hardened steel inner and outer rings and the rollers his tapered roller bearing. The tapered roller bearing in combination with modern lubricants is extremely durable and is used almost universally in applications involving rotating axle and transmission shafts. Bearing durability is such that these shafts often require no maintenance for hundreds of thousands of kilometers of operation.
Приложения
Во многих применениях конические роликовые подшипники используются парами, расположенными "спина к спине", чтобы обеспечить равномерную поддержку осевых нагрузок в обоих направлениях. Пары конических роликовых подшипников применяются в колесных подшипниках автомобилей и транспортных средств, где они должны одновременно выдерживать большие вертикальные (радиальные) и горизонтальные (осевые) нагрузки. Конические роликовые подшипники обычно используются в приложениях средней скорости и высокой нагрузки, где требуется повышенная долговечность. Типичные области применения включают сельскохозяйственную, строительную и горнодобывающую технику, спортивные роботы-бойцы, системы осей, коробки передач, двигатели и редукторы, карданные валы, буксы железнодорожных осей, дифференциалы, ветровые турбины и т.д. Конический роликовый подшипник представляет собой узел, состоящий из конических дорожек качения (внутреннего и внешнего колец) и конических роликов. Конструкция предназначена для восприятия комбинированных нагрузок, таких как двунаправленные осевые и радиальные нагрузки. Ось подшипника – это точка, в которой проекции дорожек качения сходятся, что улучшает качество качения и снижает трение. Грузоподъемность можно увеличить или уменьшить, изменяя угол контакта. Чем больше угол, тем больше угол контакта. Они часто используются парами для лучшего восприятия радиальных нагрузок, а в некоторых особо тяжелых условиях эксплуатации могут быть объединены в один узел с двумя или четырьмя рядами роликов.
In many applications tapered roller bearings are used in back to back pairs so that axial forces can be supported equally in either direction. Pairs of tapered roller bearings are used in car and vehicle wheel bearings where they must cope simultaneously with large vertical (radial) and horizontal (axial) forces. Tapered roller bearings are commonly used for moderate speed, heavy duty applications where durability is required. Common real world applications are in agriculture, construction and mining equipment, sports robot combat, axle systems, gear box, engine motors and reducers, propeller shaft, railroad axle box, differential, wind turbines, etc. A tapered roller bearing is a unit that consists of both tapered raceways (inner and outer rings), and tapered rollers. The construction is intended for combination loads, such as dual acting axial and radial loads. The bearing axis is where the projected lines of the raceway combine at a common location to improve rolling, while reducing friction. The load capacity can be increased or decreased depending on the contact angle being increased or decreased. The higher the degree of angle, the greater the contact angle. They are commonly used in pairs for better radial load handling, and in some heavy duty applications, can be found in two or four rows combined in a single unit.