Типы подшипников и их технические 1

Типы подшипников и их технические характеристики.Часть 1.

Инженеры-конструкторы могут выбрать наиболее подходящий подшипник для своих целей, исходя из большого количества различных типов и конструкций подшипников. При чем, для того чтобы сделать выбор, необходимо иметь некоторые знания о различных типах подшипников и их специфических характеристиках.

Выбор подшипников качения может быть сделан на основании следующих общих критериев:

А) По прокатной форме подшипников:Радиальные шарикоподшипники; радиально-упорные шарикоподшипники; цилиндрические роликоподшипники; конические роликовые подшипники; сферические роликовые подшипники; игольчатые роликовые подшипники.

Б) По направлению воспринимаемой нагрузки (т.е. радиальные, радиально-упорный, осевые и осевые силы.):радиальные шарикоподшипники; радиально-упорные шарикоподшипники; цилиндрические роликовые упорные; радиальные подшипники конические роликовые; сферические роликовые упорные.

В) В зависимости от использования стандартных подшипников или подшипников со специальными требованиями:

• выжимной подшипник
• подшипники тягового электродвигателя для железнодорожного транспорта
• подшипники скольжения и опорные ролики

• подшипники из нержавеющей стали
• шариковые и роликовые подшипники для применения при высоких температурах
• высокоточные подшипники для шпинделей станков
• подшипники шейки прокатного валка для стальных прокатных станов
• направляющие ролики
• подшипники вибрационного сита
• электрически изолированные подшипники

Г) На основании применения и сборки:

• Разъемные подшипники

(один или более компонентов подшипника могут быть установлены или демонтированы при сборке, например, конические роликовые, цилиндрические роликоподшипники, игольчатые подшипники, упорные шариковые и роликовые подшипники).

• Неразъемные подшипники

(подшипник монтируется и демонтируется как единое целое, например, радиальные шарикоподшипники, радиально-упорные шарикоподшипники и сферические роликовые подшипники).

Устройство подшипников качения

В общем случае подшипник качения состоит из наружного 1 и внутреннего 1 кольца, на которых могут быть выполнены беговые дорожки (канавки). Между кольцами расположены тела качения 3 (шарики, ролики). Для базирования тел качения внутри подшипника используется сепаратор. Внутренне кольцо устанавливается на валу, наружное — в корпусе (опоре).

Передача усилий от вала на опоры осуществляется через тела качения.

Осевые и радиальные нагрузки

В зависимости от типа, подшипники способны воспринимать радиальные и осевые нагрузки.

Радиальной называют нагрузку, направленную в радиальном направлении, то есть от центра к наружному диаметру.

Осевой называют нагрузку, действующую в направлении оси вала.

Основные типы подшипников

Типы и конструктивные исполнения подшипников стандартизованы в ГОСТ 3395-89.

Шарикоподшипники

Телом качения в подшипниках данного типа являются шарики, их контакт в идеальном случае — точечный. Шариковые подшипники более быстроходны, чем роликовые.

Однорядные радиальные шариковые подшипники

Подшипники этого типа предназначены для восприятия нагрузки в радиальном направлении.

За счет размещения шариков в желобе шариковые подшипники способны воспринимать кратковременную осевую нагрузку.

Благодаря точечному контакту между обоймой е телами качения подшипник обладает наименьшим трением и подходит для высоких частот вращения.

Двухрядные радиальные шариковые подшипники

Обладают повышенной грузоподъемностью по сравнению с однорядными подшипниками, но требуют более точной установки.

Двухрядные шариковые сферические подшипники

Самоустанавливающиеся подшипники, применяют в конструкциях где возможны смещения осей подшипников друг относительно друга или в случае отсутсвия возможности обеспечения соосности подшипников.

Обладают меньшей грузоподъемностью по сравнению с несамоустанавливающимися шариковыми подшипниками.

Шариковые радиально-упорные подшипники

Радиально-упорные подшипники предназначены для восприятия как осевых, так и радиальных усилий.

Одиночную установку шарикового радиально-упорного подшипника применяют редко, только в том случае если осевая нагрузка всегда действует только в одном направлении. Обычно шариковые радиально-упорные подшипники устанавливают парно, с затяжкой внутренних или внешних обойм.

Однорядные шариковые упорные подшипники

Предназначены для восприятия осевой нагрузки, действующей в одном направлении. Радиальную нагрузку воспринимать не могут.

Двухрядные шариковые упорные подшипники

Способны воспринимать осевую нагрузку, действующую в обоих направлениях. Частота вращения ограничена величиной центробежных сил, под действием которых шарики могут смещаться за пределы беговых канавок.

Упорно-радиальные шариковые подшипники

Способны воспринимать, как осевые, так и радиальные нагрузки.

Роликоподшипники

Телом качения в подшипниках этого типа являются ролики, поверхности ролика и обоймы контактируют по линии (если считать их абсолютно твердыми). Роликовые подшипники обладают большей грузоподъемностью, чем шариковые.

Радиальные роликовые подшипники

Роликовые подшипники данного типа способны воспринимать высокую нагрузку в радиальном направлении. Их несущая способность в 1,5 — 2 раза выше, чем у шариковых подшипников тех же размеров.

Подшипники с длинными роликами отличаются меньшими габаритами в радиальном направлении и большей несущей способностью.

Подшипники с витыми роликами обладают меньшей несущей способностью, но повышенной упругостью.

Игольчатые подшипники

Особый вид роликовых подшипников с длинными роликами малого диаметра. Игольчатые подшипники предназначения для восприятия очень высоких радиальных нагрузок при небольших частотах вращения.

Двурядные подшипники с бочкообразными роликами

Самоустанавливающиеся роликовые подшипники. Отличаются от шариковых сферических повышенной грузоподъемностью как в радиальном так и в осевом направлении.

Конические радиально упорные подшипники

Конические подшипники используют при высоких радиальных и осевых нагрузках. Угол конуса наружной беговой дорожки составляет 20-30 градусов. Осевое усилие вызывает высокие нагрузки на ролики.

Частота вращения конических подшипников ограничена, они требуют точно установки, для чего могут использоваться регулировочные шайбы, прокладки.

Увеличение угла конуса наружной беговой дорожки позволяет увеличить допускаемую осевую нагрузку.

Упорные подшипники с цилиндрическими роликами

Состоят из колец, роликов и центрирующего сепаратора. Упорные цилиндрические подшипники применяют при низких частотах вращения и высоких нагрузках.

Упорные с коническими роликами

Телом качения являются ролики, вершины которых сходятся на оси подшипника.

Сфероконические упорные

Самоустанавливающиеся подшипники, предназначенные для работы с большими радиальными и осевыми нагрузками. Профили тел качения — бочкообразные.

Назначение и схема установки радиально-упорных подшипников

Они находят свое применение в изделиях, для которых важны оба типа нагрузок. При этом далее смотрят на необходимую скорость, грузоподъемность, условия эксплуатации, наличие вибраций и ударов, потребность в самоустановке, направленность в одну или две стороны и прочие характеристики, чтобы подобрать модель из классификационного перечня, который мы сегодня привели.

Использование – в общетехнических отраслях повсеместно, в машиностроении, танкостроении, самолетостроении, химической отрасли и множественных других сферах.

Покажем схему распределения радиальной и осевой нагрузки:

Где используются

Упорные роликовые подшипники применяют для значительного количества устройств. Один из примеров – механизм конвейеров. В подобных устройствах легко увидеть особенности работы деталей такого типа. Ведь изделия могут выдерживать очень высокие осевые нагрузки, но не адаптированы к радиальным и комбинированным, применять которые запрещено. При этом механизм устройчив к ударам и физическим деформациям.
Изделия с роликовой конструкцией могут сильно разниться габаритами – от 10 мм до метра и более. А максимальная грузоподъемность габаритных моделей может превышать несколько тонн. Но чем больше механизм, тем ниже скорость вращения. В небольших конструкциях возможно достижения скорости до 10000 об/мин, а объемных – 100-200 оборотов за минуту.

Стоит учесть тот факт, что подшипники можно адаптировать к системе: к примеру, конструкция дает возможность разделить кольца и сепаратор, если деталь будет находиться на поверхности устройства.

В чем разница между подшипниками качения и подшипниками скольжения

В подшипниках качения главенствующую роль играет трение качения, т.к. трение скольжения между сепаратором и телами качения, как правило, невелико. Поэтому в подшипниках качения, по сравнению с подшипниками скольжения, наблюдаются значительно меньшие потери энергии, а также меньший механический износ.

Широкое применение подшипников качения обусловлено рядом их преимуществ по сравнению с подшипниками скольжения меньшим моментом сопротивления вращению, особенно в начале движения, а также при малых и средних частотах вращения; большей несущей способностью на единицу ширины подшипника; полной взаимозаменяемостью; простотой эксплуатации; меньшим расходом смазочных материалов и цветных металлов; более низкими требованиями к материалам и термообработке валов.

Конструкция радиальных подшипников

Радиальные подшипник качения состоит из внутреннего и нужного кольца, тел качения и сепаратора. Шариковый узел использует сферические тела качения, а роликовый – цилиндрические или бочкообразные. Перемещаются эти элементы по дорожкам на кольцах, конфигурация которых зависит от количества рядов и назначения детали. В рабочем положении тела качения удерживает сепаратор, не дающий шарикам или роликам собраться в одном месте или покинуть подшипник. Шариковый подшипники имеет меньшую грузоподъемность, но при этом поддерживают более высокие частоты вращения, чем роликовый. Такая разница связана с тем, что шары передают нагрузку через точку контакта с дорожкой, а роликовые – вдоль линии. Узел с роликами не только лучше переносит действие осевой нагрузки, но и легче выдерживает большие моментные усилия. Эксплуатация радиальных подшипников производится с учетом этой важной особенности – опорами с роликами комплектуют мощные агрегаты вал которых сильно нагружен, но вращается не слишком быстро. По количеству рядов узел может быть:

• Однорядный, с одним рядом тел качения;
• Многорядный – имеющий два и более ряда.

В случае с радиальными подшипниками, с количеством рядов увеличивается нагрузка, которую способен выдерживать подшипник. Кроме этого, увеличение рядности влияет на ширину колец детали и, соответственно, на продольную жесткость опоры. Наиболее стойким к осевой нагрузке и в тоже время самым жестким является игольчатый подшипник. Этот тип роликовой детали оснащен телами качения, диаметр которых относится к длине как 1 к 4. Из-за этого ролики похожи внешне на иглы, что и послужило поводом дать подшипнику такое название. Игольчатый радиальный подшипник купить можно для узлов вращения, расположенных в местах с ограниченным пространством. Нужно отметить, что этот вид может не иметь колец и состоять только из обоймы с роликами.

Виды подшипников

Первый «признак», по которому разделяют подшипники — это вид трения. Качение и скольжение требуют разного конструктивного оформления, условий смазывания и охлаждения.

Подшипники качения

Подшипник качения состоит из наружного и внутреннего колец, или обойм. Между ними установлен ряд тел качения — шариков или роликов. Они расположены по окружности с равным шагом. Чтобы тела качения не сходились вместе во время вращения, в подшипниках большинства типов есть еще один элемент — сепаратор. Детали, передающие нагрузку, изготавливаются из специальных подшипниковых сталей (ШХ-6, ШХ-15). Для изделий, работающих в агрессивных средах, применяются коррозионностойкие сплавы (95Х18). Сепараторы делают из латуни, бронзы или малоуглеродистых сталей.

Шариковые и роликовые подшипники: основные различия

Главными видами подшипников качения являются шариковые и роликовые подшипники. Основными характеристиками подшипников качения считаются способность выдерживать нагрузки (статическая и динамическая грузоподъемность) и коэффициент трения. Они взаимосвязаны, и изменение одного параметра неизбежно приводит к изменению другого.

Шариковые подшипники характеризуются наиболее низким коэффициентом трения из-за того, что дорожки качения и шарики имеют точечный контакт. С этой геометрической особенностью связана их сравнительно низкая грузоподъемность.

В роликовых подшипниках контакт между рабочими поверхностями выглядит в виде линии, что приводит к более высокой загрузочной способности. При проектировании опор с роликовыми подшипниками важно учитывать, что тепловыделение у них также оказывается выше, чем у шариковых. В механизмах, которые работают на высоких частотах вращения, часто приходится делать принудительное отведение тепла, вместо густой смазки использовать жидкую (с постоянной циркуляцией), устанавливать датчики температуры для защиты оборудования.

Классификация подшипников качения по направлению воспринимаемых нагрузок

Один из основных критериев выбора подшипников качения — вид воспринимаемых нагрузок. Они делятся на радиальные, упорные и радиально-упорные.

Радиальные подшипники качения (шариковые и роликовые) применяют в опорных узлах валов, которые передают нагрузку перпендикулярно продольной оси. Часто конструкция радиальных подшипников позволяет наружному кольцу смещаться относительно внутреннего. При этом ряд тел качения всегда «привязан» к одному из них. Такие радиальные подшипники используются в валах с «плавающими» опорами, например, в передачах шевронных редукторов, где нет нагрузок вдоль оси.

Упорные подшипники воспринимают только осевые нагрузки. Они отличаются по конструкции от радиальных — их кольца формой напоминают шайбы. Кольца различаются между собой по внутреннему диаметру: одно кольцо садится на вал с натягом, а другое — с зазором. Упорные подшипники устанавливают в один узел с радиальными, если вовремя работы механизма нагрузки в радиальном и осевом направлениях приблизительно одинаковы.

Чаще всего осевые усилия в 5-10 раз меньше радиальных. В таких случаях устанавливают радиально-упорные подшипники качения, и весь опорный узел оказывается меньше по размерам и массе, чем в случае с парой радиального и упорного подшипников.

Распространенные конструкции радиально-упорных подшипников:

• Роликовые конические однорядные — воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении, устанавливаются на концы вала зеркально (в распор или в растяжку), требуют тщательной регулировки зазора между наружным и внутренним кольцами.
• Роликовые конические двухрядные — состоят из одного наружного и двух внутренних колец, работают в двух осевых направлениях. Зазор отрегулирован производителем: между внутренними обоймами установлено дистанционное кольцо определенной ширины.
• Шариковые и роликовые сферические двухрядные — воспринимают нагрузки в обоих осевых направлениях. Поверхность качения наружной обоймы имеет сферическую форму и проворачивается на роликах в любом направлении, поэтому такие подшипники называют самоустанавливающимися. Допускается монтаж в не соосно установленные подушки, прогиб вала вовремя работы оборудования.

Особенности установки подшипников качения в станках с ЧПУ

Подшипники качения устанавливаются в опоры высоконагруженных металлообрабатывающих станков с ЧПУ: токарных, фрезерных, сверлильных, координатно-расточных. Наиболее высокие требования предъявляются к подшипникам в шпиндельной группе. Они должны иметь высокий класс точности (II-IV, ГОСТ 520-71). Это важно для минимизации радиального и торцевого биений, которое не должно превышать нескольких микрон. Для снижения люфтов радиально-упорные и упорные подшипники устанавливаются с преднатягом – зажимаются гайкой в осевом направлении.

В качестве опор для ходовых винтов некоторых станков применяются так называемые подшипниковые узлы. Они состоят из однорядного подшипника и корпуса, в котором есть сферический элемент, компенсирующий несоосность установки.

Подшипники скольжения

Эти подшипники представляют собой пару скольжения, состоящую из наружно и внутренней втулок. Применение подшипников скольжения в технике чаще всего обосновывается невозможностью установить аналогичные по нагрузочной способности подшипники качения из-за их сравнительно больших габаритов. В России действует ряд ГОСТы, описывающих конструкции узлов и требования к их геометрии. Однако во многих станках зарубежного производства установлены втулки, не попадающие под российские стандарты.

Выпускаются три типа подшипников скольжения:

• линейные (радиальные);
• упорные (подпятники);
• сферические радиально-упорные.

Часто роль внутреннего кольца подшипника скольжения выполняет шейка вала. Ее подвергают цементации и закалке для повышения износостойкости и полируют для снижения шероховатости, а вместе с ним и коэффициента трения.

Диапазон используемых материалов для наружной втулки достаточно широк:

• медьсодержащие сплавы (бронзы);
• мягкие сплавы (баббиты);
• полимеры (политетрафторэтилен);
• композиты (текстолиты);
• спекаемые керамические материалы.

Некоторые производители используют материалы собственной разработки, конструкция и состав которых защищены патентами.

Конструкции и смазка подшипников скольжения

Подшипники скольжения различаются конструктивным исполнением наружного кольца. Оно может быть изготовлено в виде цельной или свернутой втулки, двух вкладышей, трех и более сегментов.

Эффективность работы подшипника скольжения зависит от комбинации антифрикционного материала и условий смазывания. В некоторые конструкции смазка подается постоянно, другие периодически прокачиваются. Существуют спекаемые пористые втулки, в которых смазка содержится в порах материала – самосмазываемые подшипники.

Наиболее распространенные типы подшипников по виду смазывания:

• Полусухого и полужидкостного трения. Один из примеров – стальной вал и бронзовая втулка с периодически прокачиваемой густой смазкой. Конструкция отличается большим коэффициентом трения и тепловыделением, но проста в исполнении и эксплуатации.
• Жидкостного трения. Баббитовые вкладыши с постоянной подачей масла под давлением (гидростатические подшипники) или с нулевым избыточным давлением (гидродинамические). Во время работы механизма вал и втулка не контактируют между собой, а трение происходит в разделяющем их слое масла. По тепловыделению, КПД и нагрузочной способности такие подшипники превосходят аналоги с трением качения. Но они плохо переносят реверсивную работу, изменение скорости и ускорения. Один из примеров применения — опора шпинделя круглошлифовального станка.
• Воздушного трения. Аэростатические и аэродинамические подшипники при правильной эксплуатации имеют неограниченный срок службы, для них не существует ограничений по скоростям вращения. Опоры работают без вибрации и отличаются высокой точностью. Их применяют в узлах, где необходимо добиться точного позиционирования, например, в поворотных столах и консолях контрольно-измерительных машин.

Применение

Подшипники качения применяют во всех отраслях промышленности (в качестве опор вала двигателей, редукторов и т.п.), а также в устройствах бытового назначения и в устройствах, имеющих оси вращения.

Подшипник скольжения входит в конструкцию педали

Подшипники скольжения применяются:

Подшипники скольжения широко применяют в двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, насосах, компрессорах, центрифугах, прокатных станах, в тяжелых редукторах и других машинах.

1 — корпус; 2 — улитка турбины; 3 — улитка компрессора; 4 — крыльчатка турбины; 5 — вал; 6 — крыльчатка комрпессора; 7 — гайка; 8 — корпус сальника (сальник не показан); 9 — подшипники скольжения; 10 — распорная втулка; 11 — упорный подшипник; 12 — втулка упорного подшипника; 13 — стопорные кольца; 14 — резиновые уплотнения; 15 — стяжной хомут; 16 — уплотнительное кольцо; 17 — байпасный (перепускной) клапан

Применяемость подшипников

Зная диаметр подшипника, его конструкцию и размеры, а также форму качения: шарики или ролики, можно будет определить, насколько важен будет этот элемент для вращения пользователю. Особенно это важно тем, кто занимается каким-либо ремонтом техники. Например, автомобильной, тракторной или мототехнике. Но есть и другая применяемость подшипников, которая заключается в знании его размера.

Стоит более подробно остановиться на том, как обозначаются в таблицах подшипники. Обычно на каждом элементе для вращения написано что-то буквами и цифрами. Такие условные обозначения обозначают и диаметр в том числе. Насколько точно изготовлена деталь указывает буква, которая стоит перед цифрой.

Цифры указывают на размер отверстия, на то, что особенного есть в его конструкции, например, шариковые или роликовые формы тел. Обычно первые две цифры на детали для вращения указывают на диаметр. Но ведь даже диаметр может быть разный, поэтому стоит быть очень внимательными к цифрам.

Так, детали скольжения, которые необходимы для автомобильного строения, не очень строго относятся и к диаметру, и к тому, что используются шарики или ролики. Другое дело деталь для качения, где все должно быть строго инструкции.

Например, шариковая деталь скольжения широко применяется для изготовления запчастей автомобиля. Чтобы нагрузка в данном случае была больше, необходимо правильно использовать шарики. Стоит помнить, что желоб должен быть больше шарика. Кстати, шариковые детали позволяют их использование и под разными углами.

Но зато роликовые детали обеспечивают высокую скорость, которая необходима очень часто. Не стоит смешивать все типы подшипников, иначе потом при работе шарики будут мешать работе роликам и наоборот. Поэтому стоит следить за формой качения, если это шарик, то такую шариковую деталь необходимо использовать по назначению. В настоящее время шариковые детали для вращения используются намного чаще, чем все остальные.