Шарикоподшипник и радиальный шарикоподшипник: ключевые различия

Шарикоподшипник — это широкая категория: он относится к любому подшипнику качения, в котором используются сферические шарики для уменьшения трения между вращающимися и неподвижными компонентами. А радиальный шарикоподшипник — это особый, высокооптимизированный подтип в этой категории. Радиальный шарикоподшипник на сегодняшний день является наиболее широко используемой конструкцией шарикоподшипников в мире. , характеризующийся глубокими непрерывными канавками качения как на внутреннем, так и на внешнем кольцах, которые позволяют ему выдерживать радиальные нагрузки, осевые (осевые) нагрузки в обоих направлениях и комбинированные нагрузки — и все это в одном компактном блоке. Другие типы шарикоподшипников в более широкой категории включают радиально-упорные шарикоподшипники, упорные шарикоподшипники, самовыравнивающиеся шарикоподшипники и шарикоподшипники с четырехточечным контактом, каждый из которых оптимизирован для определенной геометрии нагрузки, с которой конструкция с глубокими канавками справляется менее эффективно.

В повседневной инженерной практике, когда кто-то говорит «шарикоподшипник» без дополнительных уточнений, он почти всегда имеет в виду радиальный шарикоподшипник. На радиальные шарикоподшипники приходится примерно 80–90% всех продаж шарикоподшипников в мире. , что делает их фактически синонимом концепции шарикоподшипников в большинстве применений. В этой статье объясняются точные технические различия, когда необходимы другие типы шарикоподшипников и как сделать правильный выбор для вашего конкретного применения.

Семейство шарикоподшипников: все типы и их различия

Чтобы понять, чем отличается радиальный шарикоподшипник, необходимо сначала понять весь спектр типов шарикоподшипников, каждый из которых предназначен для устранения определенных ограничений базовой концепции шарикоподшипника.

Что делает радиальный шарикоподшипник «глубоким»

Отличительной особенностью радиального шарикоподшипника является геометрия дорожек качения. Как внутреннее, так и наружное кольцо имеют непрерывные круговые канавки, обработанные на глубину, значительно больше, чем глубина канавки в стандартном шарикоподшипнике (с мелкой канавкой) . Такая более глубокая геометрия канавок является источником практически всех преимуществ радиальных шарикоподшипников по сравнению с другими типами шарикоподшипников.

Геометрия дорожки качения и ее последствия

В радиальных шарикоподшипниках радиус дорожки качения обычно составляет 51,5–53% диаметра шара. (выраженный как коэффициент соответствия). Такое точное соответствие между шаром и дорожкой качения означает большую площадь контакта между шаром и канавкой, что позволяет распределять нагрузку на большее количество стали и снижать контактные напряжения по Герцу. Глубина канавки означает, что осевые силы смещают угол контакта шарика внутри канавки, а не заставляют шар полностью выскальзывать из канавки, как это произошло бы с неглубокими дорожками качения.

Угол контакта в радиальном шарикоподшипнике при чистой радиальной нагрузке номинально равен 0° — нагрузка проходит через шар радиально. При осевой нагрузке эффективный угол контакта увеличивается примерно до 15–45° в зависимости от величины осевой силы относительно внутренней геометрии подшипника. Именно этот саморегулирующийся угол контакта дает радиальным шарикоподшипникам способность выдерживать комбинированные радиальные и осевые нагрузки в обоих направлениях с помощью одного подшипника — способность, с которой большинство других типов подшипников не могут сравниться без парных устройств.

Чем глубокая канавка отличается от мелкой

В ранних шарикоподшипниках использовались неглубокие канавки или даже плоские дорожки качения — это позволяло легко собирать, но обеспечивало минимальную осевую нагрузку, поскольку шарики не имели геометрии канавок, которая могла бы реагировать на осевые силы. Внедрение геометрии глубоких канавок в начале 20-го века (во многом благодаря работе по стандартизации FAG и SKF) резко увеличило как осевую, так и динамическую радиальную грузоподъемность шарикоподшипников того же физического размера, что позволило распространить шарикоподшипники практически во всех вращающихся механических устройствах.

Сравнение грузоподъемности: радиальные и другие типы шарикоподшипников

Грузоподъемность — как динамическая (вращающаяся), так и статическая — является основным инженерным критерием, позволяющим различать различные типы шарикоподшипников. Понимание различий в несущей способности объясняет, почему определенные типы подшипников выбираются для сложных условий эксплуатации, в то время как подшипники с глубокими канавками подходят для большинства общих применений.

Радиальная динамическая нагрузка (C)

Для данного отверстия подшипника и наружного диаметра радиальные шарикоподшипники обычно имеют самая высокая динамическая радиальная нагрузка среди всех типов шарикоподшипников . Это связано с тем, что геометрия канавок обеспечивает максимальное количество шариков (наибольшее количество шариков на подшипник) и самый глубокий контакт с каждым шариком. Типичный радиальный шарикоподшипник 6205 (диаметр внутреннего диаметра 25 мм, внешний диаметр 52 мм) имеет номинальную динамическую нагрузку C примерно 14,8 кН . Радиально-упорный подшипник 7205 эквивалентного размера имеет аналогичный или немного меньший радиальный номинал, но его преимущество заключается в осевой нагрузке и высокой точности работы.

Осевая нагрузка

Именно здесь становится практически важным наиболее существенное различие между радиальными и другими типами шарикоподшипников:

• Радиальные шарикоподшипники: Обычно может выдерживать осевые нагрузки до 50 % номинальной статической радиальной нагрузки (C0). в обоих направлениях. Для применений с небольшой нагрузкой это значение может увеличиться примерно до 70% от C0 в осевом направлении, что делает их подходящими для большинства применений с комбинированной нагрузкой.
• Радиально-упорные шарикоподшипники: Разработан специально для высоких осевых нагрузок в одном направлении на подшипник. Парные радиально-упорные подшипники (расположенные по схеме «спина к спине» или «лицо к лицу») выдерживают высокие комбинированные нагрузки в обоих осевых направлениях — они используются в шпинделях станков, коробках передач и системах прецизионного позиционирования, где осевая жесткость имеет решающее значение.
• Упорные шарикоподшипники: Разработаны исключительно для осевых нагрузок — они не могут выдерживать значительные радиальные нагрузки и не должны использоваться в качестве радиальных подшипников. Их осевая грузоподъемность значительно превышает таковую у радиальных подшипников эквивалентного размера.

Скорость: где превосходят радиальные шарикоподшипники

Скоростные характеристики являются одним из наиболее значительных преимуществ радиальных шарикоподшипников перед всеми другими типами подшипников, за исключением радиально-упорных подшипников. Предельная скорость (или опорная скорость) подшипника зависит от его внутренней геометрии, размера и количества тел качения, конструкции сепаратора и метода смазки.

Радиальные шарикоподшипники достигают очень высоких скоростей, потому что:

• Шарики создают значительно меньшую центробежную силу и гироскопическое напряжение, чем ролики в роликоподшипниках аналогичного размера.
• Низкий угол контакта (номинально 0° при радиальной нагрузке) сводит к минимуму скольжение шарика по дорожке качения на высоких скоростях.
• Шариковый комплект можно хранить плотно упакованным в легких полиамидных сепараторах, которые минимизируют массу и инерцию сепаратора.

Радиальный шарикоподшипник 6205 имеет опорную скорость примерно 15 000 об/мин со смазкой консистентной смазкой и до 26 000 об/мин со смазкой маслом . Эквивалентные цилиндрические роликоподшипники редко превышают 10 000 об/мин при одном и том же размере. Это преимущество в скорости делает радиальные шарикоподшипники универсальным выбором для электродвигателей, вентиляторов, турбин, центробежных насосов и высокоскоростных станков.

Варианты радиальных шарикоподшипников: однорядные, двухрядные и герметичные.

Сама конструкция радиального шарикоподшипника поставляется в нескольких подвариантах, которые расширяют его возможности для конкретных требований применения.

Однорядный радиальный шарикоподшипник

Однорядный радиальный шарикоподшипник (обозначение ISO серии 6000, 6200, 6300, 6400) имеет стандартную конфигурацию — один ряд шариков между одним внутренним и наружным кольцом. Это подшипник, описанный в стандарте ISO 15:2017 и представленный в подавляющем большинстве записей каталога подшипников. Однорядные радиальные шарикоподшипники являются эталонной конструкцией для расчета нагрузок, стандартизации размеров и спецификаций взаимозаменяемости.

Двухрядный радиальный шарикоподшипник

Двухрядные подшипники (серии 4200, 4300) содержат два ряда шариков в одной оболочке подшипника. Они обеспечивают примерно Радиальная нагрузка на 50–70 % выше. чем однорядный подшипник с эквивалентными внешними размерами и значительно более высокой осевой нагрузкой и моментным сопротивлением. Они используются там, где требуется жесткость вала против изгибающих моментов и где применение требует грузоподъемности двух однорядных подшипников, но ограниченное пространство не позволяет установить два отдельных подшипника.

Герметичные и экранированные варианты

Радиальные шарикоподшипники идеально подходят для интегрированного уплотнения — их геометрия канавок естественным образом подходит для контактного уплотнения с низким коэффициентом трения и бесконтактных защитных экранов:

• Одинарный экранированный (суффикс Z, например, 6205Z): Один металлический щит с одной стороны. Удерживает жир; обеспечивает частичную защиту от крупных загрязнений с одного направления.
• Двойное экранирование (суффикс ZZ, например, 6205ZZ): Металлические щиты с обеих сторон. Бесконтактный — минимальное увеличение трения; подходит для высокоскоростных чистых сред. Стандарт для подшипников электродвигателей.
• Одинарное уплотнение (суффикс RS, например, 6205RS): Одно резиновое контактное уплотнение с одной стороны. Обеспечивает превосходную защиту от загрязнений и удержание смазки по сравнению с защитными экранами. Увеличение трения от низкого до умеренного.
• Двойное уплотнение (суффикс 2RS, например, 6205-2RS): Наиболее широко используемая герметичная конфигурация. Контактные резиновые уплотнения с обеих сторон создают не требующий обслуживания подшипник, смазанный на весь срок службы подходит для большинства промышленных и бытовых применений. Скорость вращения снижается примерно на 20–30 % по сравнению с открытыми или экранированными вариантами из-за трения уплотнения.

Радиально-упорные шарикоподшипники: альтернатива, когда не хватает глубокой канавки

Область применения, в которой радиальный шарикоподшипник чаще всего заменяют радиально-упорным шарикоподшипником, связана с высокими комбинированными осевыми и радиальными нагрузками, требующими осевой жесткости, особенно в шпинделях станков, прецизионных коробках передач и узлах ступиц автомобильных колес.

Радиально-упорные шарикоподшипники имеют намеренно асимметричную дорожку качения — угол контакта (обычно 15°, 25° или 40° ) фиксируется геометрией дорожки качения, а не изменяется в зависимости от нагрузки, как в подшипнике с глубокими канавками. Этот фиксированный угол контакта означает:

• Повышенная осевая жесткость: Угол контакта заранее определен и не нуждается в «развитии» при увеличении осевой нагрузки — подшипник мгновенно реагирует на осевые силы с максимальной жесткостью конструкции. Критически важен для точности станка, где необходимо свести к минимуму осевые отклонения, вызванные температурой и силой резания.
• Одно осевое направление на подшипник: Радиально-упорный подшипник сопротивляется осевой силе только в направлении, определяемом его углом контакта. Противоположные осевые нагрузки требуют наличия второго подшипника по схеме «спина к спине» (DB), «лицо к лицу» (DF) или «тандем» (DT).
• Индуцированные осевые нагрузки: При радиальной нагрузке радиально-упорные подшипники создают индуцированные осевые нагрузки, на которые должен реагировать противоположный подшипник в сдвоенной конструкции, что усложняет конструкцию подшипникового узла, чего нет в радиальных шарикоподшипниках.

Для стандартного шпинделя станка с диаметром отверстия 25 мм подобранная пара радиально-упорных подшипников 7205, расположенных по схеме «спина к спине», обеспечивает осевая жесткость в 3–5 раз выше, чем у одиночного радиального подшипника 6205 — оправдание дополнительных затрат и сложности установки для прецизионных приложений.

Самоцентрирующиеся шарикоподшипники: решение проблемы смещения, с которым не может справиться глубокая канавка

Радиальные шарикоподшипники чувствительны к перекосу вала относительно корпуса — угловому смещению более 2–10 угловых минут (в зависимости от размера подшипника и зазора) вызывает неравномерную нагрузку на шарики, краевые напряжения и резко сокращает срок службы подшипника. В тех случаях, когда прогиб вала, смещение отверстия корпуса за пределы производственных допусков или термическая деформация приводят к смещению за пределами этого допуска, необходимы самоцентрирующиеся шарикоподшипники.

Самоустанавливающиеся шарикоподшипники имеют сферическую дорожку качения на наружном кольце. Наружная дорожка качения представляет собой часть сферы с центром на оси подшипника. Такая сферическая геометрия позволяет внутреннему кольцу, шарикам и сепаратору наклоняться относительно наружного кольца на величину до 2,5–3° без создания краевой нагрузки, которая могла бы возникнуть в подшипнике с глубокими канавками. Компромиссом является снижение грузоподъемности (меньшее количество шариков, менее благоприятная геометрия контакта) и меньшая осевая нагрузка по сравнению с подшипниками с глубокими канавками.

Самовыравнивающиеся шарикоподшипники широко распространены в сельскохозяйственном оборудовании, текстильном оборудовании, вентиляторах с гибким креплением вала и конвейерных системах, где невозможно точно контролировать выравнивание валов во время установки или поддерживать их во время эксплуатации.

Стандарты размеров и взаимозаменяемость

Одним из наиболее практически важных аспектов радиальных шарикоподшипников — и основной причиной их доминирования — является их глобальная стандартизация размеров в соответствии с ISO 15:2017, который определяет граничные размеры (отверстие, внешний диаметр, ширина) для всех стандартных серий радиальных шарикоподшипников. Это означает, что подшипник 6205 от SKF, NSK, FAG, NTN, Timken или любого другого производителя, соответствующего требованиям ISO, взаимозаменяем по размерам — на один и тот же вал и корпус можно установить подшипник 6205 любой марки без модификаций.

Система обозначений радиальных шарикоподшипников ISO имеет логическую структуру:

• Первая цифра(а) — серия: 6 = однорядная глубокая канавка (доминирующая серия). 62xx = шире, чем 60xx; 63xx = еще шире; 64xx = очень широкий. Серия определяет соотношение наружного диаметра и ширины к диаметру отверстия.
• Последние две цифры — код отверстия: Для подшипников с диаметром отверстия ≥20 мм умножьте на 5, чтобы получить диаметр отверстия в мм. 6205 = диаметр отверстия 25 мм; 6210 = диаметр отверстия 50 мм; 6220 = диаметр отверстия 100 мм.
• Суффиксные буквы — конфигурация: Z/ZZ (экранированный), RS/2RS (герметичный), C3 (увеличенный внутренний зазор), P5/P4 (класс точности), M (латунный сепаратор), N (паз под стопорное кольцо).

Практическое руководство по выбору: когда использовать радиальные шарикоподшипники по сравнению с другими шарикоподшипниками

Следующая схема принятия решений объединяет технические различия в практическое руководство по выбору:

Выбирайте радиальный шарикоподшипник, когда:

• Применение предполагает комбинированные радиальные и умеренные осевые нагрузки в обоих направлениях — глубокая канавка справляется с этой задачей в одном подшипнике без необходимости использования сложных парных устройств.
• Требуется высокая скорость вращения — электродвигатели, вентиляторы, насосы, небольшие турбины, бытовая техника.
• Низкий уровень шума и низкой вибрации являются приоритетами — герметичные радиальные подшипники являются стандартом для тихих электродвигателей и бытовой техники.
• Требуется решение, не требующее технического обслуживания — герметичные подшипники 2RS, не требующие смазки на весь срок службы, устраняют необходимость в обслуживании смазки.
• Минимизация затрат и простота цепочки поставок имеют важное значение: радиальные шарикоподшипники являются наиболее конкурентоспособным по цене и универсальным типом подшипников.

Выбирайте радиально-упорные шарикоподшипники, когда:

• Одновременно требуются высокие комбинированные нагрузки со значительной осевой составляющей И высокая осевая жесткость — шпиндели станков, прецизионные редукторы.
• Применение включает в себя подшипниковые узлы с предварительным натягом для обеспечения максимальной жесткости — обрабатывающие центры с ЧПУ, координатно-измерительные машины.
• Ступицы автомобильных колес, где поворотные силы создают большие комбинированные нагрузки.

Выбирайте самоустанавливающиеся шарикоподшипники, когда:

• Прогиб вала, перекос корпуса или погрешность установки превышает 0,25° (15 угловых минут) — конвейеры, сельскохозяйственная техника, текстильное оборудование
• Длинные гибкие валы поддерживаются в нескольких точках, поэтому ожидается изгиб, вызванный температурой или нагрузкой.

Выбирайте упорные шарикоподшипники, когда:

• Преобладают чистые осевые нагрузки с незначительной радиальной нагрузкой — вертикальные валы, крюки кранов, поворотные платформы, винтовые упоры.
• Скорость низкая, а осевая нагрузка на единицу размера является основным требованием.

Распространенные применения радиальных шарикоподшипников по сравнению с другими типами

Практическое применение радиальных шарикоподшипников в различных отраслях показывает, почему они доминируют в категории шарикоподшипников, а другие типы занимают определенные ниши.