Шариковый подшипник — это тип подшипника качения, в котором используются шарики для сохранения зазора между дорожками качения подшипника.
Целью шарикоподшипника является уменьшение трения при вращении и поддержка радиальных и осевых нагрузок. Это достигается за счет использования как минимум двух дорожек для удерживания шаров и передачи нагрузки через шары. В большинстве случаев одна обойма неподвижна, а другая прикреплена к вращающемуся узлу (например, к ступице или валу). При вращении одной из обойм подшипника вращаются и шарики. Поскольку шарики катятся, они имеют гораздо более низкий коэффициент трения, чем если бы две плоские поверхности скользили друг по другу.
Шариковые подшипники, как правило, имеют меньшую грузоподъемность для своего размера, чем другие типы подшипников качения, из-за меньшей площади контакта между шариками и дорожками качения. Однако они могут допустить некоторое несовпадение внутренней и внешней расы.
Существует несколько распространенных конструкций шарикоподшипников, каждая из которых предлагает различные компромиссы в отношении производительности. Они могут быть изготовлены из различных материалов, в том числе из нержавеющей стали, хромистой стали и керамики (нитрид кремния (Si3N4)). Гибридный шарикоподшипник представляет собой подшипник с керамическими шариками и металлическими дорожками.
радиальный подшипник с глубоким желобом
Радиальный подшипник с глубокими канавками, размеры качения близки к размерам шариков, которые в нем вращаются. Подшипники с глубокими канавками выдерживают более высокие нагрузки, чем подшипники с более мелкими канавками. Как и радиально-упорные подшипники, радиальные подшипники воспринимают как радиальные, так и осевые нагрузки, но без выбора угла контакта, чтобы можно было выбрать относительную пропорцию этих грузоподъемностей.
Радиально-упорный шарикоподшипник
В радиально-упорных шарикоподшипниках используются осесимметричные дорожки качения. Осевая нагрузка проходит через подшипник по прямой линии, тогда как радиальная нагрузка проходит по наклонной траектории, которая разделяет дорожки качения в осевом направлении. Таким образом, угол контакта на внутреннем кольце такой же, как и на внешнем кольце. Радиально-упорные подшипники лучше выдерживают комбинированные нагрузки (нагрузки как в радиальном, так и в осевом направлениях), а угол контакта подшипника должен соответствовать относительным пропорциям каждого из них. Чем больше угол контакта (обычно в диапазоне от 10 до 45 градусов), тем выше воспринимаемая осевая нагрузка, но ниже радиальная нагрузка. В высокоскоростных устройствах, таких как турбины, реактивные двигатели и стоматологическое оборудование, центробежные силы, создаваемые шариками, изменяют угол контакта на внутреннем и внешнем кольцах. Керамика, такая как нитрид кремния, теперь регулярно используется в таких приложениях из-за их низкой плотности (40% стали). Эти материалы значительно снижают центробежную силу и хорошо работают в условиях высоких температур. Они также имеют тенденцию изнашиваться так же, как подшипниковая сталь, а не трескаться или разбиваться, как стекло или фарфор.
Осевой или упорный шарикоподшипник
В осевом или упорном шарикоподшипнике используются боковые кольца. Осевая нагрузка передается непосредственно через подшипник, в то время как радиальная нагрузка плохо воспринимается и имеет тенденцию к разделению дорожек качения, так что более высокая радиальная нагрузка может повредить подшипник.
Шариковый подшипник типа Conrad
Шариковый подшипник типа Конрада назван в честь его изобретателя Роберта Конрада, который получил британский патент 12 206 в 1903 году и патент США 822 723 в 1906 году. Эти подшипники собираются путем размещения внутреннего кольца в эксцентричном положении по отношению к наружному кольцу с два кольца соприкасаются в одной точке, что приводит к большому зазору напротив точки соприкосновения. Шарики вставляются через зазор, а затем равномерно распределяются по подшипниковому узлу, в результате чего кольца становятся концентричными. Сборка завершается установкой сепаратора на шары для сохранения их положения относительно друг друга. Без сепаратора шарики в конечном итоге сместятся во время работы, что приведет к выходу из строя подшипника. Клетка не несет никакой нагрузки и служит только для поддержания положения шара.
Подшипники Conrad имеют то преимущество, что они способны выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки, но имеют недостаток, заключающийся в более низкой грузоподъемности из-за ограниченного количества шариков, которые могут быть загружены в подшипниковый узел. Вероятно, наиболее известным промышленным шарикоподшипником является подшипник Конрада с глубокими канавками. Подшипник используется в большинстве механических отраслей промышленности.
Самоустанавливающиеся шарикоподшипники
Самоустанавливающиеся шарикоподшипники, такие как подшипник Wingqvist, показанный на рисунке, состоят из внутреннего кольца и шарикового узла, находящихся внутри наружного кольца со сферической дорожкой качения. Такая конструкция позволяет подшипнику выдерживать небольшое угловое смещение, возникающее в результате деформации вала или корпуса или неправильного монтажа. Подшипник использовался в основном в подшипниковых узлах с очень длинными валами, например, в трансмиссионных валах на текстильных фабриках.[6] Одним из недостатков самоустанавливающихся шарикоподшипников является ограниченная грузоподъемность, так как внешняя дорожка качения имеет очень малое соприкосновение (ее радиус намного больше радиуса шарика). Это привело к изобретению сферического роликоподшипника, который имеет аналогичную конструкцию, но использует ролики вместо шариков. Сферический упорный роликоподшипник — еще одно изобретение, основанное на открытиях Вингквиста.
Полностью керамические подшипники
В этих подшипниках используются как керамические шарики, так и дорожки. Эти подшипники не подвержены коррозии и редко требуют смазки, если вообще требуют. Из-за жесткости и твердости шариков и обоймы эти подшипники шумят на высоких скоростях. Жесткость керамики делает эти подшипники хрупкими и склонными к растрескиванию под нагрузкой или ударом. Поскольку и шарик, и кольцо имеют одинаковую твердость, износ может привести к выкрашиванию на высоких скоростях как шариков, так и кольца, что может вызвать искрообразование.
Приложения
Как правило, шарикоподшипники используются в большинстве приложений, связанных с движущимися частями. Некоторые из этих приложений имеют особые функции и требования:
Подшипники компьютерных вентиляторов и вращающихся устройств раньше были очень сферическими и считались лучшими сферическими промышленными формами, но это больше не относится к жестким дискам, и все больше и больше их заменяют жидкостными подшипниками.
В часовом деле компания Jean Lassale разработала часовой механизм, в котором использовались шарикоподшипники для уменьшения толщины механизма. Калибр 1200 с шариками диаметром 0,20 мм имел толщину всего 1,2 мм, что до сих пор является самым тонким механизмом для механических часов.
Аэрокосмические подшипники используются во многих устройствах коммерческих, частных и военных самолетов, включая шкивы, коробки передач и валы реактивных двигателей. Материалы включают инструментальную сталь M50 (AMS6491), углеродистую хромированную сталь (AMS6444), коррозионностойкую AMS5930, нержавеющую сталь 440C, нитрид кремния (керамику) и 440C с покрытием из карбида титана.
Колесо скейтборда содержит два подшипника, на которые действуют как осевые, так и радиальные изменяющиеся во времени нагрузки. Чаще всего используется подшипник 608-2Z (радиальный шариковый подшипник серии 60 с диаметром отверстия 8 мм).
Многие йо-йо, от начального до профессионального или соревновательного уровня, содержат шарикоподшипники.
Во многих игрушках-спиннерах используется несколько шарикоподшипников, чтобы увеличить вес и позволить игрушке вращаться.
В центробежных насосах.
Ось железнодорожного локомотива. Боковая тяга новейших высокоскоростных паровозов до того, как железные дороги были переведены на дизельные двигатели.
