Как работает подшипник — принцип работы подшипника

Без такого изделия как подшипник не может работать ни один механизм. Он незаменим в большом количестве вращающихся деталей разных машин. Продукция данного типа используется как в миниатюрной (домашней) технике, так и в огромных механизмах производственного назначения. На сегодняшний день ученные не придумали альтернативу данному изделию. Поэтому можно смело утверждать, что эффективную и безаварийную работу любого производственного комплекса можно организовать только в том случае, если своевременно заменять отработавшие свой срок службы, поставлять и монтировать новую продукцию. Для того, чтобы понять, как работает подшипник, необходимо знать его устройство. А эта продукция может быть представлена несколькими типами подшипников: качения, скольжения.

Подшипник качения

Данное изделие состоит из одной пары колец и тел качения. В роли тел качения могут быть использованы шарики, ролики и т.д. В наружном кольце (большего диаметра) имеется внутренний желоб, а во внутреннем (меньшего диаметра) – наружный. По этому желобу и катаются тела качения. Чтобы избежать блокировки, тела качения помещаются в сепаратор. Работа тут основана на трении качения. Потери в данной конструкции не большие и связаны с трением тел качения о сепаратор. Чем меньше площадь соприкосновения, тем меньше износ.

Достоинства:

1. Невысокая цена. Производство изделий этого типа массовое.
2. Трение сопровождается малыми потерями, нагрев незначительный.
3. Упрошенный ремонт и монтаж механизмов, так как изделия этого типа отличаются высокая степенью взаимозаменяемости.
4. Не требуется большого количества смазочного материала.
5. Минимальный уход.

Недостатки:

1. Жесткая конструкция чувствительна к ударам и вибрации.
2. Не используются в высокоскоростных механизмах.
3. Радиальные габариты большие.
4. Шумят при высоких скоростях.

Подшипники скольжения

Принцип работы подшипника данного типа основан на вращении двух сопряженных поверхностей. Как правило, одна из них подвижная, а вторая находится в состоянии покоя. Данное изделие служит для соединения двух валов с неподвижным корпусом механизма. Одна поверхность скользят в слое смазки по специальному желобу. Под наружным кольцом   расположен вкладыш. В зависимости от смазки эти изделия могут быть гидростатическими или гидродинамическими. Первый тип отличается тем, что смазка в них подается с внешней стороны. От скорости вращения это не зависит. Подача осуществляется гидронасосом. Второй тип предусматривает подачу смазки за счет самого подшипника. При работе между составными частями создается разница давлений. Этот подшипник принцип работы которого обеспечивает собственные потребности самостоятельно, так же широко используется в промышленности.

Достоинства:

1. Могут работать при высоких угловых скоростях.
2. Справляются с большими радиальными усилиями.
3. Позволяют использование в разъемных конструкциях.
4. Малые размеры.
5. Успешно работают в агрессивных средах.
6. Бесшумны.
7. Не боятся вибрации.
8. Упрощенный ремонт.

Недостатки:

1. В результате повышенного трения быстро изнашиваются вкладыши.
2. Нужен постоянный уход.
3. Большие потери при пуске.
4. Большие размеры.
5. Не изготавливаются массово.
6. Используют тогда, когда нельзя применить подшипники качения: требуется разъемный подшипник, большие нагрузки, сверхбыстроходные валы, работа в сильно загрязненной среде.

 

Как устроен подшипники качения и какие виды деталей существуют

Подшипник качения используется для создания опоры вращающихся элементов – осей, валов, колес,  также для передачи нагрузки между узлами оборудования. Детали обладают повышенной точностью и низким коэффициентом трения, поэтому они могут работать на высокой частоте вращения, и при этом не издавать избыточного шума и не подвергаться быстрому износу.

Как устроен подшипник качения

По сути, данное изделие представляет собой готовый стандартный узел, который состоит из тел качения (шариков и роликов разной формы), расположенных между внешним и внутренним кольцом.

Наружное кольцо является неподвижным и размещается в корпусе механизма, а внутреннее, обладающее подвижностью, находится на оси или валу. При работе оборудования ролики или шарики катятся по дорожкам качения. Для равномерного распределения тел качения между кольцами необходим сепаратор.

Также выпускаются модели без сепаратора. Их отличительной особенностью является наличие большего количества тел качения и более высокие показатели грузоподъемности. Но стоит учитывать, что предельная частота вращения у бессепараторных деталей будет гораздо ниже, чем у изделий с сепаратором, по причине повышенного сопротивления вращению.

Разновидности деталей

Итак, какие бывают подшипники качения? Есть несколько категорий, по которым классифицируют эти изделия. Так, по направлению принимаемой нагрузки подшипники могут быть упорными, радиальными и радиально-упорными.

В зависимости от способности самостоятельной установки выделяют самоустанавливающиеся и несамоустанавливающиеся модели.

По диаметру внешнего кольца выделяют следующие виды подшипников качения:

• сверхлегкий;
• особо легкий;
• легкий;
• средний;
• тяжелый.

Если механизм работает на высоких скоростях вращения и под воздействием небольших нагрузок, то в этом случае подойдут сверхлегкие и особо легкие модели. А вот если воздействия на узлы будут оказываться более серьезные, а частота вращения – повышенная, то стоит выбирать легкие и средние подшипники. Что касается деталей тяжелой серии, то они обычно применяются на специализированном промышленном оборудовании и станках.

Наиболее распространенным видом подшипника является шариковый радиальный однорядный. Он применяется для восприятия нагрузок по радиусу, но может выдерживать и осевые воздействия в пределах 70% от неиспользованного радиального, а также допускает перекос колец не более чем 0,25°. Модель обеспечивает фиксацию вала по оси в двух направлениях.

Преимущества и недостатки подшипников качения

Данные детали обладают следующими достоинствами:

• пониженное трение, и, соответственно, меньший нагрев;
• невысокие требования к смазочному материалу по сравнению с деталями скольжения;
• взаимозаменяемость;
• возможность использования в широком диапазоне температур;
• работа с низкими показателями тепловыделения и энергопотребления.

Как и любые изделия, подшипники качения имеют свои недостатки. Так, при значительном увеличении нагрузки ресурс детали уменьшается, и долговечность также снижается. Также стоит учитывать, что при использовании данного типа элементов потребуются минимальные погрешности установки валов.

Какую смазку рекомендуется применять для подшипников качения

Давайте разберемся, для чего нужно смазывать эти детали:

• уменьшение трения;
• отведение тепла;
• снижение шума при работе;
• защита от коррозии;
• заполнение зазоров в уплотнениях и создание герметизации подшипникового узла.

Для подшипников качения используют жидкие, твердые и консистентные смазочные материалы.

Жидкие смазки применяют в тех случаях, когда окружная скорость вала превышает 10 м/с. Обычно в эту категорию входят минеральные масла, а также масла с антифрикционными присадками – графит, дисульфит молибдена.

Твердые смазочные составы хорошо показывают себя в специальных средах и вакууме. Кроме того, они используются в условиях повышенных температур (от 140 до 275°C) в комплексе с массивными сепараторами.

Пластичная смазка имеет вид густой мази и эксплуатируются, когда окружная скорость вала составляет меньше 10 м/с. Корпус узла наполняется смазкой на треть его свободного пространства. Рекомендуется обратить внимание на литиевые составы: они хорошо удерживаются в узлах и не требуют наличия сложных уплотнений. Однако при повышенном выделении тепла их применять не стоит.

Таким образом, подшипники качения – это детали, которые нашли широкое применение в промышленном оборудовании и технике. Подобрать подходящие модели можно в нашем каталоге.

Как изготавливаются подшипники

С тех пор, как человеку стало необходимо перемещать предметы, он использовал круглые ролики, чтобы облегчить работу. Вероятно, первыми роликами были палки или бревна, что было большим улучшением по сравнению с перетаскиванием вещей по земле, но все же довольно тяжелой работой. Египтяне использовали бревна для скатывания огромных каменных блоков для пирамид. В конце концов, кому-то пришла в голову идея прикрепить каток к тому, что перемещается, и был построен первый «автомобиль» с «колесами». Однако у них все еще были подшипники, сделанные из материалов, трущихся друг о друга, а не катящихся друг о друга. Только в конце восемнадцатого века была разработана базовая конструкция подшипников. В 1794 февраля валлийский мастер по производству железа Филип Вон запатентовал конструкцию шарикоподшипников для поддержки оси вагона. Развитие продолжалось в девятнадцатом и начале двадцатого веков, чему способствовало развитие велосипеда и автомобиля .

Существуют тысячи размеров, форм и видов подшипников качения; шариковые подшипники, роликовые подшипники, игольчатые подшипники и конические роликовые подшипники являются основными видами. Размеры варьируются от достаточно маленьких, чтобы приводить в действие миниатюрные двигатели, до огромных подшипников, используемых для поддержки вращающихся частей на гидроэлектростанциях; эти большие подшипники могут иметь диаметр десять футов (3,04 метра), и для их установки требуется кран. Наиболее распространенные размеры можно легко держать в одной руке, и они используются в таких вещах, как электродвигатели.

В этой статье будут описаны только шарикоподшипники. В этих подшипниках вращающаяся часть представляет собой шарик, который катится между внутренним и наружным кольцами, называемыми дорожками качения. Мячи удерживаются клеткой, которая удерживает их на равномерном расстоянии вокруг гонок. В дополнение к этим деталям существует множество дополнительных деталей для специальных подшипников, таких как уплотнения, удерживающие масло или смазку и не допускающие попадания грязи, или винты, удерживающие подшипник на месте. Мы не будем беспокоиться об этих причудливых дополнениях.

Сырье

Почти все детали всех шарикоподшипников изготовлены из стали. Поскольку подшипник должен выдерживать большие нагрузки, он должен быть изготовлен из очень прочной стали. Стандартная отраслевая классификация стали для этих подшипников — 52100, что означает, что она содержит один процент хрома и один процент углерода (называемые сплавами при добавлении к основной стали). Эту сталь можно сделать очень твердой и прочной путем термической обработки. Там, где ржавчина может быть проблемой, подшипники изготавливаются из стали 440C  нержавеющая сталь.

Сепаратор для шариков традиционно изготавливается из тонкой стали, но в настоящее время в некоторых подшипниках используются формованные пластмассовые сепараторы, поскольку их изготовление обходится дешевле и вызывает меньшее трение.

Производство

Процесс

Стандартный шарикоподшипник состоит из четырех основных частей: наружного кольца, шариков качения, внутреннего кольца и сепаратора.

Гонки

• 1 Обе гонки сделаны практически одинаково. Поскольку оба кольца стальные, процесс начинается со стальных труб соответствующего размера. Автоматы, подобные токарным станкам, используют режущие инструменты для вырезания основной формы дорожки, оставляя все размеры немного большими. Причина того, что они оставлены слишком большими, заключается в том, что перед отделкой обоймы должны быть подвергнуты термической обработке, и сталь обычно деформируется во время этого процесса. После термической обработки они могут быть возвращены к их окончательному размеру.

   

   

• 2 Необработанные обоймы помещаются в печь для термообработки при температуре около 1550 градусов по Фаренгейту (843 градуса по Цельсию) на срок до нескольких часов (в зависимости от размера деталей), затем погружаются в масляную ванну, чтобы охладить их и придать им форму. очень сложно. Это закаливание также делает их хрупкими, поэтому следующим шагом будет их отпуск. Для этого их нагревают во второй печи примерно до 300 градусов по Фаренгейту (148,8 градусов по Цельсию), а затем дают остыть на воздухе. Весь этот процесс термообработки делает детали одновременно твердыми и прочными.
• 3 После термической обработки беговые дорожки готовы к чистовой обработке. Однако дорожки теперь слишком сложно резать режущими инструментами, поэтому остальную работу необходимо выполнять шлифовальными кругами .  Это очень похоже на то, что вы найдете в любом магазине для заточки сверл и инструментов, за исключением того, что для завершения гонок требуется несколько разных видов и форм. Почти каждое место на гонке обработано шлифовкой, в результате чего получается очень гладкая и аккуратная поверхность. Поверхности, где подшипник входит в машину, должны быть очень круглыми, а стороны — плоскими. Поверхность, по которой катятся шарики, сначала шлифуется, а затем притирается. Это означает, что очень мелкая абразивная суспензия используется для полировки качения в течение нескольких часов до получения почти зеркального блеска. На этом гонки закончены и готовы к сборке с мячами.

Мячи

• 4 Мячи сделать немного сложнее, хотя их форма очень проста. Удивительно, но шарики начинаются как толстая проволока. Эта проволока подается из рулона в машину, которая отрезает короткий кусок, а затем разбивает оба конца по направлению к середине. Этот процесс называется холодной высадкой. Его название происходит от того факта, что проволоку не нагревают перед тем, как разбить, и что первоначально этот процесс использовался для надевания шляпок на гвозди (что до сих пор делается). Во всяком случае, теперь шары выглядят как планета Сатурн с кольцом посередине, которое называется «вспышка».

   

• 5 Первый процесс обработки удаляет этот заусенец. Шариковые подшипники помещаются между поверхностями двух чугунных дисков, где они перемещаются по канавкам. Внутренняя часть канавок шероховатая, что отрывает заусенец от шариков. Одно колесо вращается, а другое остается неподвижным. Стационарное колесо имеет сквозные отверстия, чтобы шарики можно было вставлять и вынимать из канавок. Специальный конвейер подает шарики в одно отверстие, шарики гремят по желобку, а затем выходят из другого отверстия. Затем они подаются обратно на конвейер для многократных проходов через канавки колес, пока они не будут обрезаны до достаточно круглых размеров, почти до нужного размера, и облоя полностью не исчезнет. Опять же, шарики оставляют большего размера, чтобы их можно было измельчить до окончательного размера после термической обработки. Осталось на доводку стали немного; всего около 8/1000 дюйма (0,02 сантиметра), что примерно равно толщине двух листов бумаги.

• 6 Процесс термической обработки шариков аналогичен тому, который используется для обойм, поскольку используется та же сталь, и лучше всего, чтобы все детали изнашивались примерно с одинаковой скоростью. Как и беговые, шарики после термической обработки и отпуска становятся твердыми и жесткими. После термической обработки шарики снова помещают в машину, которая работает так же, как и устройство для удаления грата, за исключением того, что вместо режущих кругов используются шлифовальные круги. Эти колеса перемалывают шарики так, чтобы они были круглыми и имели размер в пределах нескольких десятитысячных дюйма от их конечного размера.
• 7 После этого шарики перемещаются в притирочный станок с чугунными колесами, в котором используется та же абразивная притирочная паста, что и на беговых дорожках. Здесь они будут притираться в течение 8-10 часов, в зависимости от того, для какой точности подшипника они изготавливаются. И снова в результате получается чрезвычайно гладкая сталь.

   

Клетка

• 8 Стальные клетки штампуются из довольно тонкого листового металла, как формочки для печенья, а затем сгибаются до окончательной формы в штампе. Матрица состоит из двух кусков стали, соединенных вместе, с отверстием в форме готовой детали, вырезанным внутри. Когда клетка помещается между ними и матрица закрывается, клетка изгибается по форме внутреннего отверстия. Затем штамп открывается, и готовая деталь вынимается, готовая к сборке.
• 9 Пластиковые сепараторы обычно изготавливаются методом литья под давлением. В этом процессе полая металлическая форма заполняется путем впрыскивания в нее расплавленного пластика и позволяет ему затвердевать. Форма открывается, и готовая клетка вынимается, готовая к сборке.

Сборка

• 10 Теперь, когда все детали готовы, нужно собрать подшипник. Во-первых, внутренняя обойма помещается внутрь внешней обоймы, только в одну сторону, насколько это возможно. Это делает пространство между ними на противоположной стороне достаточно большим, чтобы вставлять между ними мячи. Вставляется необходимое количество шариков, затем обоймы перемещаются так, чтобы они обе располагались по центру, а шарики равномерно распределялись по подшипнику. На этом этапе устанавливается клетка, удерживающая шары друг от друга. Пластиковые сепараторы обычно просто защелкиваются, в то время как стальные сепараторы обычно вставляются и склеиваются вместе. Теперь, когда подшипник собран, он покрыт средством от ржавчины и упакован для транспортировки.

Контроль качества

Изготовление подшипников — дело очень точное. Испытания проводятся на образцах стали, поступающей на завод, чтобы убедиться, что в ней содержится нужное количество легированных металлов. Испытания на твердость и ударную вязкость также проводятся на нескольких этапах процесса термообработки. По пути также проводится множество проверок, чтобы убедиться, что размеры и формы правильные. Поверхность мячей и места, где они катятся по беговым дорожкам, должны быть исключительно гладкими. Шарики не могут быть некруглыми более чем на 25 миллионных дюйма, даже для недорогого подшипника. Для высокоскоростных или прецизионных подшипников допускается только пять миллионных долей дюйма.

Будущее

Шариковые подшипники будут использоваться еще много лет, потому что они очень просты и стали очень недорогими в производстве. Некоторые компании экспериментировали с изготовлением мячей в космосе на космическом челноке. В космосе капли расплавленной стали можно выплюнуть в воздух, а невесомость позволяет им парить в воздухе. Капли автоматически превращаются в идеальные сферы, пока они остывают и затвердевают. Однако космические путешествия по-прежнему дороги, поэтому на земле можно сделать много полировки по цене одного «космического шара».

Однако на горизонте появляются и другие виды подшипников. Подшипники, в которых два объекта никогда не соприкасаются друг с другом, эффективны в эксплуатации, но их сложно изготовить. В одном из них используются магниты, которые отталкиваются друг от друга и могут использоваться для удержания предметов друг от друга. Так строятся поезда «маглев» (для магнитной левитации). Другой тип нагнетает воздух в пространство между двумя плотно прилегающими поверхностями, заставляя их парить друг от друга на подушке сжатого воздуха. Однако оба этих подшипника намного дороже в изготовлении и эксплуатации, чем скромный, надежный шарикоподшипник.

Как работают подшипники | Plant Engineering

Благодаря подшипнику многие машины, которые мы используем каждый день, становятся возможными. Без подшипников мы бы постоянно заменяли детали, которые изнашиваются от трения.

Предметы катятся легче, чем скользят. Колеса вашего автомобиля похожи на большие подшипники. Если бы у вас было что-то вроде лыж вместо колес, вашу машину было бы гораздо труднее толкать по дороге.

Когда объекты скользят, трение между ними вызывает силу, которая замедляет их. Но если две поверхности могут катиться друг по другу, трение значительно снижается.

Подшипники уменьшают трение за счет гладких шариков или роликов, а также гладких внутренних и внешних поверхностей, по которым шарики могут катиться. Эти шарики или ролики «несут» нагрузку, позволяя устройству плавно вращаться.

Нагрузки на подшипники

Подшипники обычно испытывают два вида нагрузки — радиальную и осевую. В зависимости от того, где используется подшипник, он может испытывать радиальную нагрузку, осевую нагрузку или их комбинацию.

Подшипники в комбинации электродвигателя и шкива воспринимают только радиальную нагрузку. Большая часть нагрузки приходится на натяжение ремня, соединяющего шкивы.

Подшипники в барных стульях и ленивых Сюзанах полностью нагружены. Вся нагрузка исходит от веса предметов.

Подшипник в ступице автомобильного колеса должен выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки. Радиальная нагрузка исходит от веса автомобиля; осевая нагрузка исходит от угловых сил, когда вы входите в поворот.

Шариковые подшипники

Шариковые подшипники являются наиболее распространенным типом подшипников (см. рисунок). Эти подшипники могут выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки и обычно применяются в тех случаях, когда нагрузка относительно мала.

В шарикоподшипнике нагрузка передается от наружного кольца к шарикам и от шариков к внутреннему кольцу. Поскольку мяч является сферой, он контактирует с внутренней и внешней обоймой только в точке, что помогает ему плавно вращаться. Но это также означает, что площадь контакта с такой нагрузкой невелика. Если подшипник перегружен, шарики могут деформироваться или треснуть, что приведет к разрушению подшипника.

Подшипники качения

Подшипники качения используются в таких устройствах, как ролики конвейерных лент, где они должны воспринимать большие радиальные нагрузки. В этих подшипниках ролик представляет собой цилиндр. Контакт между внутренней и внешней расой представляет собой линию, а не точку. Это распределяет нагрузку по большей площади, позволяя подшипнику выдерживать гораздо большие нагрузки, чем шариковый подшипник. Однако этот тип подшипника не предназначен для восприятия осевых нагрузок.

Игольчатый подшипник представляет собой разновидность роликового подшипника. В нем используются цилиндры, представляющие собой ролики очень малого диаметра. Это позволяет подшипнику поместиться в труднодоступных местах.

Шариковый упорный подшипник

Шариковые упорные подшипники в основном используются для низкоскоростных применений и не могут выдерживать большие радиальные нагрузки. Этот тип подшипника используется в вращающихся стульях и небольших ручных инструментах.

Упорный роликовый подшипник

Упорный роликовый подшипник может выдерживать большие осевые нагрузки. Они часто встречаются в зубчатых передачах автомобильных трансмиссий между шестернями и между корпусом и вращающимися валами. Косозубые шестерни, используемые в большинстве трансмиссий, имеют угловые зубья. Это вызывает осевую нагрузку, которая должна поддерживаться подшипником.

Конические роликоподшипники

Конические роликоподшипники могут выдерживать большие радиальные и осевые нагрузки.