Введение

Тип подшипника качения. Отдельные шарики, используемые в этом типе подшипника, которые иногда ошибочно называют самими "шариковыми подшипниками".

Шариковый подшипник – это тип подшипника качения, использующий шарики для поддержания зазора между обоймами подшипника. Назначение шарикового подшипника – снижение вращательного трения и восприятие радиальных и осевых нагрузок. Это достигается за счет использования как минимум двух обойм для удержания шариков и передачи нагрузки через них. В большинстве случаев одна обойма неподвижна, а другая закреплена на вращающемся элементе (например, на ступице или валу). При вращении одной из обойм шарики также начинают вращаться. Благодаря тому, что шарики катятся, коэффициент трения у них значительно ниже, чем при скольжении двух плоских поверхностей друг относительно друга. Шариковые подшипники, как правило, имеют меньшую грузоподъемность при тех же размерах, чем другие типы подшипников качения, из-за меньшей площади контакта между шариками и обоймами. Однако они допускают некоторое несоосность внутренних и внешних обойм.

История

Хотя подшипники известны с древних времен, первый задокументированный современный патент на шариковый подшипник был выдан Филиппу Воану, валлийскому изобретателю и владельцу железоделательного завода, который создал первый проект шарикового подшипника в Кармартене в 1794 году. Его конструкция стала первым современным дизайном шарикового подшипника, в котором шарики перемещались по канавке в узле оси. Жюль Сюрире, парижский велосипедный механик, разработал первый радиальный шариковый подшипник в 1869 году, который затем был установлен на велосипед Джеймса Мура, победившего в первой в мире велосипедной шоссейной гонке Париж — Руан в ноябре 1869 года.

Общие образцы

Существует несколько распространенных конструкций шариковых подшипников, каждая из которых предлагает различные компромиссы в производительности. Они могут быть изготовлены из множества различных материалов, включая нержавеющую сталь, хромированную сталь и керамику (нитрид кремния, Si3N4). Гибридный шариковый подшипник – это подшипник с керамическими шариками и металлическими обоймами.

Угловой контакт. Угловой контактный шариковый подшипник использует асимметричные обоймы по оси. Осевая нагрузка проходит по прямой линии через подшипник, в то время как радиальная нагрузка проходит по наклонной траектории, которая стремится разъединить обоймы по оси. Таким образом, угол контакта на внутренней обойме равен углу контакта на внешней обойме. Угловые контактные подшипники лучше выдерживают комбинированные нагрузки (нагрузки как в радиальном, так и в осевом направлениях), и угол контакта подшипника должен соответствовать относительным пропорциям этих нагрузок. Чем больше угол контакта (обычно в диапазоне от 10 до 45 градусов), тем выше выдерживаемая осевая нагрузка, но тем ниже радиальная нагрузка. В высокоскоростных применениях, таких как турбины, реактивные двигатели и стоматологическое оборудование, центробежные силы, создаваемые шариками, изменяют угол контакта на внутренней и внешней обоймах. Керамика, такая как нитрид кремния, теперь регулярно используется в таких применениях благодаря своей низкой плотности (40% от плотности стали). Эти материалы значительно снижают центробежную силу и хорошо работают в условиях высоких температур. Они также изнашиваются схожим образом со стальными подшипниками – вместо того, чтобы трескаться или разрушаться, как стекло или фарфор. Большинство велосипедов используют угловые контактные подшипники в рулевых колонках, поскольку силы, действующие на эти подшипники, направлены как в радиальном, так и в осевом направлении.

Осевой. Осевой или упорный шариковый подшипник использует обоймы, расположенные бок о бок. Осевая нагрузка передается непосредственно через подшипник, в то время как радиальная нагрузка поддерживается плохо и стремится разъединить обоймы, поэтому большая радиальная нагрузка может повредить подшипник.

Глубокий канав. В радиальном подшипнике с глубоким канавом размеры обойм близки к размерам шариков, которые в нем катятся. Подшипники с глубоким канавом выдерживают более высокие нагрузки, чем подшипники с мелким канавом. Как и угловые контактные подшипники, глубококанавные подшипники поддерживают как радиальные, так и осевые нагрузки, но без возможности выбора угла контакта для регулировки относительной пропорции этих нагрузочных способностей.

Предварительно нагруженные пары. Вышеуказанные основные типы подшипников обычно применяются в виде предварительно нагруженных пар, где два отдельных подшипника жестко закреплены на вращающемся валу друг напротив друга. Это улучшает осевое биение за счет устранения (предварительной нагрузки) небольшого зазора между шариками подшипника и обоймами. Использование пары также обеспечивает преимущество равномерного распределения нагрузки, почти удваивая общую грузоподъемность по сравнению с одним подшипником. Угловые контактные подшипники почти всегда используются в противоположных парах: асимметричная конструкция каждого подшипника поддерживает осевые нагрузки только в одном направлении, поэтому требуется противоположная пара, если применение требует поддержки в обоих направлениях. Сила предварительной нагрузки должна быть тщательно спроектирована и собрана, поскольку она уменьшает осевую грузоподъемность подшипников и может повредить подшипники при чрезмерном усилии. Механизм сопряжения может просто соединять подшипники напрямую или разделять их с помощью прокладки, втулки или элемента вала.

Типы конструкции

Конрад Шариковый подшипник в стиле Конрада назван в честь его изобретателя Роберта Конрада, которому были выданы британский патент № 12206 в 1903 году и патент США № 822723 в 1906 году. Эти подшипники собираются путем установки внутреннего кольца в эксцентричное положение относительно внешнего кольца, при этом два кольца соприкасаются в одной точке, создавая большой зазор напротив точки контакта. Шарики вставляются через этот зазор, а затем равномерно распределяются по всей сборке подшипника, в результате чего кольца становятся концентрическими. Сборка завершается установкой сепаратора для удержания шариков в заданном положении относительно друг друга. Без сепаратора шарики со временем сместятся во время работы, что приведет к выходу подшипника из строя. Сепаратор не воспринимает нагрузку и служит только для поддержания положения шариков. Подшипники Конрада обладают преимуществом – способностью выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки, однако их грузоподъемность ниже из-за ограниченного количества шариков, которые можно поместить в сборку. Наиболее распространенным промышленным шариковым подшипником, вероятно, является радиальный шариковый подшипник глубокого заполнения в стиле Конрада, который используется в большинстве отраслей машиностроения.

Заполнение паза В радиальном подшипнике с заполнением паза внутренние и внешние кольца имеют выточки на одной стороне, благодаря чему шарики можно вставить в образовавшийся паз при совмещении выточек для сборки подшипника. Подшипники с заполнением паза имеют преимущество в том, что в них можно установить большее количество шариков (вплоть до полного комплекта), что обеспечивает более высокую радиальную грузоподъемность по сравнению с подшипником Конрада тех же размеров и из того же материала. Однако подшипник с заполнением паза не может выдерживать значительные осевые нагрузки, а пазы создают разрыв в кольцах, который может незначительно снизить прочность.

Облегченное кольцо Облегченные шариковые подшипники, как следует из названия, имеют уменьшенный наружный диаметр внутреннего кольца или увеличенный внутренний диаметр внешнего кольца на одной стороне. Это позволяет установить большее количество шариков во внутреннее или внешнее кольцо, а затем запрессовать их в облегченную область. Иногда внешнее кольцо нагревают для облегчения сборки. Как и конструкция с заполнением паза, облегченная конструкция позволяет установить большее количество шариков, чем конструкция Конрада, вплоть до полного комплекта, что увеличивает грузоподъемность. Однако подшипник с облегченным кольцом может выдерживать значительные осевые нагрузки только в одном направлении («от» облегченного кольца).

Разлом кольца Другой способ установки большего количества шариков в радиальный шариковый подшипник – радиальный «разлом» (надрез) одного из колец по всей длине, загрузка шариков, повторная сборка расколотой части и затем использование пары стальных лент для удержания секций расколотого кольца вместе, обеспечивая их выравнивание. Это также позволяет установить большее количество шариков, включая полный комплект, однако, в отличие от конструкций с заполнением паза или облегченным кольцом, он может выдерживать значительные осевые нагрузки в любом направлении.

Ряды Существуют два типа конструкций: однорядные и двухрядные подшипники. Большинство шариковых подшипников имеют однорядную конструкцию, то есть один ряд шариков. Эта конструкция работает с радиальными и осевыми нагрузками. Двухрядная конструкция имеет два ряда шариков. Преимущества двухрядных подшипников по сравнению с однорядными заключаются в том, что они могут выдерживать радиальные и осевые нагрузки в обоих направлениях. Двухрядные шариковые подшипники с угловым контактом имеют крутой монтаж, который также может выдерживать опрокидывающие моменты. Другие преимущества двухрядных подшипников – их жесткость и компактность. Их недостаток заключается в том, что они требуют более точного выравнивания, чем однорядные подшипники.

Фланцевые Подшипники с фланцем на внешнем кольце упрощают осевое позиционирование. Корпус для таких подшипников может состоять из сквозного отверстия одинакового диаметра, но входная поверхность корпуса (которая может быть внешней или внутренней) должна быть точно перпендикулярна оси отверстия. Однако изготовление таких фланцев очень дорого. Более экономичным решением является наличие канавки для стопорного кольца на одном или обоих концах наружного диаметра, которое выполняет функцию фланца.

Сепаратор Сепараторы обычно используются для фиксации шариков в шариковом подшипнике в стиле Конрада. В других конструкциях они могут уменьшить количество шариков в зависимости от формы сепаратора, тем самым снижая грузоподъемность. Без сепараторов тангенциальное положение стабилизируется скольжением двух выпуклых поверхностей друг относительно друга. С сепаратором тангенциальное положение стабилизируется скольжением выпуклой поверхности в соответствующую вогнутую поверхность, что предотвращает образование вмятин на шариках и снижает трение. Сепараторные роликовые подшипники были изобретены Джоном Харрисоном в середине 18 века в рамках его работы над хронометрами.

Гибридные шариковые подшипники с керамическими шариками Керамические шарики могут весить до 40% меньше стальных, в зависимости от размера и материала. Это снижает центробежную нагрузку и пробуксовку, поэтому гибридные керамические подшипники могут работать на 20–40% быстрее, чем обычные подшипники. Это означает, что канавка внешнего кольца оказывает меньшее усилие внутрь на шарик при вращении подшипника. Это снижение силы уменьшает трение и сопротивление качению. Более легкие шарики позволяют подшипнику вращаться быстрее и потреблять меньше энергии для поддержания скорости. Керамические шарики обычно тверже, чем кольца. Из-за износа со временем они образуют канавку в кольце, что предпочтительнее износа шариков, который может привести к образованию плоских участков, значительно ухудшающих характеристики. Хотя гибридные керамические подшипники используют керамические шарики вместо стальных, они изготавливаются со стальными внутренними и внешними кольцами, что объясняет обозначение «гибридный». Хотя керамический материал сам по себе прочнее стали, он также более жесткий, что приводит к увеличению напряжений в кольцах и, следовательно, к снижению грузоподъемности. Керамические шарики являются электрическими изоляторами, что может предотвратить «пробой» при прохождении тока через подшипник. Керамические шарики также могут быть эффективны в средах, где смазка недоступна (например, в космических приложениях). В некоторых случаях на металлическом шариковом подшипнике используется только тонкое керамическое покрытие.

Полностью керамические подшипники Эти подшипники используют как керамические шарики, так и кольца. Они не подвержены коррозии и редко требуют смазки. Из-за жесткости и твердости шариков и колец эти подшипники шумные на высоких скоростях. Жесткость керамики делает эти подшипники хрупкими и склонными к растрескиванию под нагрузкой или ударом. Поскольку и шарики, и кольца имеют схожую твердость, износ может привести к сколам как шариков, так и колец на высоких скоростях, что может вызвать искрение.

Самоустанавливающиеся Самоустанавливающиеся шариковые подшипники, такие как подшипник Wingqvist, показанный на рисунке, имеют внутреннее кольцо и сборку шариков, заключенные во внешнее кольцо со сферической дорожкой. Эта конструкция позволяет подшипнику компенсировать небольшое угловое смещение, вызванное прогибом вала или корпуса или неправильной установкой. Подшипник в основном использовался в подшипниковых узлах с очень длинными валами, например, в передаточных валах текстильных фабрик. Одним из недостатков самоустанавливающихся шариковых подшипников является ограниченная грузоподъемность, поскольку внешняя дорожка имеет очень низкую осцилляцию (ее радиус намного больше радиуса шарика). Это привело к изобретению сферического роликового подшипника, который имеет аналогичную конструкцию, но использует ролики вместо шариков. Сферический роликовый упорный подшипник – еще одно изобретение, основанное на результатах, полученных Wingqvist.

Продолжительность жизни

Расчетный срок службы подшипника определяется нагрузкой, которую он несет, и скоростью его вращения. Отраслевой стандартный срок службы подшипника обратно пропорционален кубу нагрузки. Номинальная максимальная нагрузка подшипника рассчитана на срок службы в 1 миллион оборотов, что при частоте 50 Гц (то есть 3000 об/мин) соответствует 5,5 часам работы. 90% подшипников данного типа имеют как минимум такой срок службы, а 50% – срок службы, как минимум в 5 раз превышающий этот показатель. Расчет стандартного срока службы основан на работе Лундберга и Палмгрена, выполненной в 1947 году. Формула исходит из того, что срок службы ограничен усталостью металла и что распределение срока службы можно описать распределением Вейбулла. Существует множество вариантов формулы, учитывающих свойства материала, смазку и характер нагрузки. Учет нагрузки можно рассматривать как косвенное признание того, что современные материалы демонстрируют иную зависимость между нагрузкой и сроком службы, чем установили Лундберг и Палмгрен. Если требуется смазка жиром, ее состав следует адаптировать к действующим параметрам. При возможности предпочтение следует отдавать жирам с высокой скоростью отделения масла и низкой вязкостью базового масла.

Направление нагрузки

Большинство подшипников предназначены для восприятия нагрузок, перпендикулярных оси вращения ("радиальные нагрузки"). Способность подшипника воспринимать осевые нагрузки, и величина этих нагрузок, зависят от его типа. Опорные подшипники (часто используемые в поворотных механизмах) специально разработаны для осевых нагрузок. Аэрокосмические подшипники применяются во многих областях в коммерческой, частной и военной авиации, включая шкивы, редукторы и валы газотурбинных двигателей. Материалы включают инструментальную сталь M50 (AMS6491), углеродистую хромированную сталь (AMS6444), коррозионностойкую сталь AMS5930, нержавеющую сталь 440C, нитрид кремния (керамика) и 440C с карбид-титановым покрытием. Колесо скейтборда содержит два подшипника, подвергающихся как осевым, так и радиальным нагрузкам, изменяющимся во времени. Чаще всего используется подшипник 608 2Z (шариковый подшипник глубокого зазора серии 60 с диаметром отверстия 8 мм). Многие йо-йо, от начального до профессионального и соревновательного уровня, оснащены шарикоподшипниками. Многие игрушки-фиджет-спиннеры используют несколько шарикоподшипников для увеличения веса и обеспечения вращения. В центробежных насосах. В шейных подшипниках железнодорожных локомотивов. В боковой тяге новейших высокоскоростных паровозов до перехода железных дорог на дизельную тягу.

Назначение

Размер шарика увеличивается с ростом серии при любом заданном внутреннем или внешнем диаметре (но не одновременно обоих). Чем больше шарик, тем выше его грузоподъемность. Серии 200 и 300 являются наиболее распространенными.