Шарикоподшипники или роликовые подшипники: как выбрать для вашего применения

Выбирайте роликоподшипники, когда ваше применение требует высокой радиальной нагрузки, ударопрочности или тяжелого промышленного использования. Выбирайте шарикоподшипники — и конкретно радиальные шарикоподшипники — когда необходима высокая скорость работы, комбинированная радиальная и осевая нагрузка, низкое трение и компактные размеры. Две родильные семьи не являются соперниками; они решают различные инженерные задачи, и понимание того, в чем каждый из них превосходен, предотвратит преждевременный выход из строя, сократит затраты на техническое обслуживание и значительно продлит срок службы машины.

С практической точки зрения: цилиндрический роликоподшипник может выдерживать На 60–70 % больше радиальная нагрузка чем радиальный шарикоподшипник аналогичного размера, при этом шарикоподшипник может работать на скоростях в два-три раза выше и выдерживать осевые нагрузки, которые могут повредить большинство типов роликов. В разделах ниже подробно описаны все аспекты этого сравнения с конкретными данными, примерами применения и рекомендациями по выбору.

Как работают роликовые и шариковые подшипники: принципиальная разница

Оба типа подшипников используют тела качения, расположенные между внутренним и внешним кольцами, чтобы уменьшить трение между вращающимися и неподвижными компонентами машины. Критическое инженерное отличие заключается в геометрии этих тел качения и типе контакта, который они создают с дорожками качения.

Шарикоподшипники: точечный контакт

В шарикоподшипнике используются сферические тела качения. Каждый шарик теоретически контактирует с дорожкой качения в одной точке, создавая то, что инженеры называют точечный контакт . Под нагрузкой эта точка упруго деформируется в небольшое эллиптическое пятно контакта, но площадь контакта остается небольшой по сравнению с диаметром шарика. Такая геометрия обеспечивает очень низкое трение, обеспечивает высокие скорости вращения и позволяет подшипнику одновременно воспринимать как радиальные нагрузки (перпендикулярно оси вала), так и осевые/осевые нагрузки (параллельно оси вала). Компромиссом является меньшая несущая способность на единицу размера по сравнению с роликовыми элементами.

Роликоподшипники: линейный контакт

В роликовых подшипниках используются цилиндрические, конические, игольчатые или сферические тела качения. Вместо точечного контакта каждый ролик контактирует с дорожкой качения по всей своей длине, создавая линейный контакт . Такая геометрия контакта распределяет приложенную нагрузку по гораздо большей площади, значительно увеличивая несущую способность. Цилиндрический роликоподшипник с заданным диаметром отверстия обычно имеет номинальную динамическую радиальную нагрузку. в 1,5–2,0 раза выше чем радиальный шарикоподшипник того же размера. Однако большая площадь контакта создает большее трение, ограничивая максимальную рабочую скорость и увеличивая выделение тепла при высоких оборотах.

Роликоподшипники и шарикоподшипники: прямое техническое сравнение

В таблице ниже сравниваются два семейства подшипников по критериям, которые имеют наибольшее значение при принятии решений по инженерному выбору.

Типы роликовых подшипников и их сильные стороны

Роликоподшипники — это не отдельный продукт, а семейство конструкций, каждая из которых оптимизирована для различных задач по нагрузке и геометрии. Выбор неправильного типа роликового подшипника столь же дорогостоящий, как и выбор неправильного семейства подшипников.

Цилиндрические роликовые подшипники

Самый распространенный тип роликовых подшипников. Цилиндрические ролики обеспечивают самую высокую радиальную нагрузку в семействе роликов и могут работать на относительно более высоких скоростях, чем другие типы роликов. Они предлагают отсутствие осевой нагрузки в базовой версии (типы NU и N) , но типы NJ и NF могут выдерживать ограниченную осевую нагрузку в одном направлении, а типы NUP/NF — в обоих направлениях. Типичное применение: подшипники главного шпинделя в тяжелых станках, радиальные нагрузки электродвигателей, большие валы редукторов. Динамические нагрузки для Цилиндрический роликоподшипник с диаметром отверстия 60 мм (например, NU 212) радиальные обычно достигают 95–110 кН.

Конические роликовые подшипники

Конические ролики наклонены под углом, что позволяет подшипнику воспринимать одновременную радиальную и осевую (упорную) нагрузку — единственный тип роликоподшипника, который напрямую конкурирует с радиально-упорными шарикоподшипниками в приложениях комбинированных нагрузок. Их необходимо использовать согласованными парами (спиной к спине или лицом к лицу) для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях. Крайне важен для ступиц автомобильных колес, подшипников шестерни дифференциала и подшипников промежуточного вала коробки передач. Типичный Конический роликоподшипник с диаметром отверстия 30 мм (например, 30206) имеет динамическую радиальную нагрузку ~43 кН и осевую нагрузку ~43 кН, что значительно превосходит шарикоподшипник того же диаметра при комбинированной нагрузке.

Сферические роликовые подшипники

Тип подшипника с самой высокой несущей способностью, доступный в стандартных каталогах, и уникальный тип роликов с лучшим допуском на перекос — до от ±1° до 2,5° перекос валов в зависимости от серии. Ролики бочкообразной формы на изогнутой внешней дорожке качения обеспечивают самоцентрирование подшипника. Незаменим в тех случаях, когда прогиб вала неизбежен: валки бумажных фабрик, приводы горных конвейеров, валы тяжелых вентиляторов, вибрационные грохоты. А Сферический роликоподшипник с диаметром отверстия 100 мм (например, 22220 E) выдерживает динамические радиальные нагрузки, превышающие 500 кН.

Игольчатые роликоподшипники

Игольчатые ролики имеют очень высокое соотношение длины к диаметру (обычно от 3:1 до 10:1), что обеспечивает очень высокую радиальную грузоподъемность при чрезвычайно компактном радиальном сечении — иногда без внутреннего кольца, используя поверхность вала непосредственно в качестве внутренней дорожки качения. Используется в компонентах автомобильной трансмиссии, шарнирах коромысел и поршнях гидравлических насосов, где радиальное пространство сильно ограничено. Нет осевой нагрузки в стандартных конфигурациях.

Тороидальные роликовые подшипники (CARB)

Относительно современная конструкция (подшипник SKF CARB, представленный в 1995 году), сочетающая в себе высокую радиальную грузоподъемность цилиндрического роликоподшипника с допуском на перекос сферического роликоподшипника и осевой свободой цилиндрического подшипника. Используется в качестве подшипника со «свободным концом» в конструкциях валов, где тепловое расширение должно компенсироваться без возникновения осевого напряжения.

Радиальные шарикоподшипники: наиболее широко используемые подшипники в мире

Среди всех типов подшипников — роликовых или шариковых — Радиальный шарикоподшипник (DGBB) является самым широко производимым и применяемым подшипником в мире. , что составляет примерно 30–35 % всех проданных подшипников качения (согласно рыночным данным SKF и Schaeffler). Понимание того, что делает его таким универсальным, важно для любого инженера или специалиста по техническому обслуживанию.

Что делает шарикоподшипник «глубокой канавкой»

В стандартном радиальном шарикоподшипнике глубина канавки дорожки качения относительно невелика, что ограничивает допустимую осевую нагрузку. В радиальных шарикоподшипниках внутренняя и внешняя дорожки качения имеют глубину канавок, примерно 25–32% диаметра шара . Эта более глубокая канавка позволяет шарику сохранять соответствующий контакт при более высоких углах контакта при приложении осевой нагрузки, что позволяет подшипнику выдерживать значительные осевые нагрузки в обоих направлениях — обычно до 25–50 % номинальной статической радиальной нагрузки. как непрерывная осевая нагрузка, зависящая от одновременно приложенной радиальной нагрузки.

Стандартная серия и размерная серия

Радиальные шарикоподшипники производятся в соответствии с ISO 15 (стандарты размеров) в нескольких сериях, отличающихся прежде всего соотношением наружного диаметра к диаметру отверстия:

• Сверхлегкая серия (61800/16000) — Наименьшее сечение; самая низкая грузоподъемность; используется там, где радиальное пространство имеет решающее значение, например, в медицинских инструментах и ​​небольших двигателях.
• Легкая серия (6200, 6300) — Самая распространенная серия общего назначения. А 6205 подшипник (диаметр диаметром 25 мм) имеет динамическую радиальную нагрузку 14,8 кН — широко используется в электродвигателях, насосах и вентиляторах.
• Средняя серия (6300) — Более тяжелое сечение, чем у 6200; более высокая грузоподъемность для того же отверстия. А 6305 подшипник (тот же диаметр отверстия 25 мм) имеет динамическую нагрузку 22,5 кН — на 52 % выше, чем у 6205.
• Тяжелая серия (6400) — Самые большие шарики и самое тяжелое сечение для максимальной радиальной нагрузки в шарикоподшипнике; менее распространены из-за размера, но предназначены для высоконагруженных насосов и выходных валов коробок передач.

Варианты уплотнения и экранирования

Радиальные шарикоподшипники доступны в трех конфигурациях, которые определяют смазку и защиту от загрязнения:

• Открытый (без суффикса) — Нет герметизации; требуется внешняя система смазки или смазочный ниппель. Используется в чистых средах с контролируемой смазкой (например, шпиндели прецизионных станков со смазкой масляным туманом).
• Экранированный (суффикс Z или ZZ) — Бесконтактные металлические экраны с одной или обеих сторон. Сохраняют смазку и исключают грубые загрязнения. Небольшой зазор между экраном и внутренним кольцом обеспечивает выравнивание — не полностью герметично. Скорость вращения не изменилась по сравнению с открытым подшипником.
• Герметичный (суффикс RS, 2RS, RSH) — Резиновые манжетные уплотнения с одной или обеих сторон, контактирующие с внутренним кольцом. Обеспечивает превосходную защиту от загрязнений и удержание жира в грязных, влажных или пыльных средах. Введите небольшое трение, уменьшив максимальную скорость примерно 20–30% по сравнению с открытым эквивалентом. Предварительно заполнена смазкой на весь срок службы — в стандартных условиях повторная смазка не требуется.

Номинальная нагрузка на радиальные шарикоподшипники: реальные цифры для определения технических характеристик

В каталогах подшипников указаны два значения грузоподъемности для каждого подшипника: динамическая нагрузка (С) , используемый для расчета усталостной долговечности L10 при вращающихся нагрузках, и статическая нагрузка (C₀) , используется, когда подшипник неподвижен или вращается очень медленно под большой нагрузкой. В таблице ниже приведены справочные данные для распространенных размеров радиальных шарикоподшипников, позволяющие оценить грузоподъемность в конкретной перспективе.

Для сравнения, цилиндрический роликоподшипник NU 210 (диаметр диаметром 50 мм, внешний диаметр аналогичен 6210) имеет динамическую радиальную нагрузку примерно 62–67 кН, что почти вдвое превышает 35 кН у 6210. Это преимущество роликовых подшипников по несущей способности в количественном выражении, достигаемое за счет нулевой осевой нагрузки и более низких пределов скорости.

Скорость: где доминируют радиальные шарикоподшипники

Скорость подшипника характеризуется значение ндм — произведение скорости вала (об/мин) на средний диаметр подшипника в миллиметрах (дм). Этот параметр предсказывает начало разрушения смазочной пленки, проскальзывание шариков и тепловую перегрузку.

Радиальные шарикоподшипники со смазкой маслом обычно достигают значений NDM от 1,5 до 2,0 × 10⁶ мм·об/мин в стандартных конфигурациях. Precision-grade DGBBs in high-speed spindle applications with oil-air lubrication reach 3,0 × 10⁶ мм·об/мин или выше . Напротив, цилиндрические роликоподшипники достигают примерно 1,0–1,3 × 10⁶ мм·об/мин с масляной смазкой, а конические роликоподшипники обычно ограничиваются 0,6–0,9 × 10⁶ мм·об/мин .

Практический пример: радиальный шарикоподшипник 6205 (dm ≈ 38,5 мм) внесен в каталог для 15 000 об/мин со смазкой и 22 000 об/мин с масляной смазкой. . Цилиндрический роликоподшипник аналогичного размера с тем же отверстием обычно ограничивается 9000–12000 об/мин со смазкой маслом. Вот почему в электродвигателях, турбокомпрессорах, стоматологических бормашинах (до 400 000 об/мин с керамическими шариками) и шпинделях станков в подавляющем большинстве используются шарикоподшипники, а не ролики.

Расчет срока службы подшипников: срок службы L10 и что это означает на практике

Срок службы как роликовых, так и шариковых подшипников при вращающейся нагрузке рассчитывается по формуле номинального срока службы ISO 281. Понимание этой формулы и того, как на нее влияют различные нагрузки двух типов подшипников, необходимо для принятия обоснованных решений при выборе.

Основная формула L10

L10 = (C/P)ᵖ × 10⁶ оборотов

Где C = номинальная динамическая нагрузка (кН), P = эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник (кН), а p = показатель зависимости нагрузки от ресурса ( 3 для шариковых подшипников, 10/3 ≈ 3,33 для роликовых подшипников. ). L10 представляет жизнь, которая 90% плодородной популяции достигнут или превысят при указанной нагрузке и скорости — это означает, что 10% выйдет из строя до этой точки.

Пример сравнения с практической жизнью

Рассмотрим вал, вращающийся со скоростью 1500 об/мин под радиальной нагрузкой 5 кН, выбрав между радиальным шарикоподшипником 6210 (C = 35,0 кН) и цилиндрическим роликоподшипником NU 210 (C ≈ 64 кН, одинаковое отверстие):

• 6210 ДГББ : L10 = (35/5)³ × 10⁶ = 7³ × 10⁶ = 343 × 10⁶ оборотов ≈ 3811 часов при 1500 об/мин
• Цилиндрический ролик NU 210 : L10 = (64/5)^(10/3) × 10⁶ = 12,8^3,33 × 10⁶ ≈ 3700 × 10⁶ оборотов ≈ 41 000 часов при 1500 об/мин

Этот расчет показывает, почему при умеренных скоростях и высоких радиальных нагрузках превосходная грузоподъемность роликового подшипника приводит к значительному увеличению срока его службы. Роликоподшипник в этом примере прослужит более чем в 10 раз дольше при той же радиальной нагрузке. Однако, если для того же применения также требуется выдерживать осевое усилие 3 кН, цилиндрический роликоподшипник не может использоваться в его базовой форме — радиальный шарикоподшипник становится правильным и необходимым выбором, несмотря на его более короткий расчетный срок службы.

Типы шарикоподшипников за пределами глубоких канавок: когда указывать каждый из них

В то время как радиальные шарикоподшипники являются выбором по умолчанию в семействе шарикоподшипников, четыре других типа шарикоподшипников рассчитаны на конкретные сценарии нагрузки и скорости, которые DGBB не могут оптимально обеспечить.

Радиально-упорные шарикоподшипники

Радиально-упорные шарикоподшипники имеют определенный угол контакта — обычно 15°, 25° или 40° — это позволяет им выдерживать более высокие осевые нагрузки в одном направлении, чем DGBB того же размера. Их следует использовать парами (спиной к спине или лицом к лицу) или комплектами для восприятия осевых нагрузок в обоих направлениях. Используется в шпинделях станков (где стандартным является угол контакта 15° или 25° в согласованных комплектах), насосах и винтовых приводах. Пара радиально-упорных подшипников 7210, расположенных по схеме «спина к спине», выдерживает как радиальные, так и двунаправленные осевые нагрузки на высоких скоростях — конфигурация, которую ни один тип роликоподшипника не может воспроизвести на эквивалентной скорости.

Самовыравнивающиеся шарикоподшипники

Имеет сферическую внешнюю дорожку качения, позволяющую Смещение вала ±3° . Используются в качестве подшипников со свободным концом в конструкциях валов, где существует неопределенность отклонения или соосности, хотя их грузоподъемность ниже, чем у стандартных DGBB того же размера. Область применения включает текстильное оборудование и сельскохозяйственное оборудование, где трудно поддерживать точное выравнивание валов.

Упорные шарикоподшипники

Рассчитан исключительно на осевые (осевые) нагрузки на малых скоростях. Состоят из двух шайб (вала и корпуса) с шариками и сепаратором между ними. Используется в упорных подшипниках вертикальных насосов, поворотных крюках кранов и упорах рулевой колонки. Не может нести радиальную нагрузку. — всегда должен быть в паре с радиальным подшипником, чтобы выдерживать вес вала и радиальные силы.

Шарикоподшипники с четырехточечным контактом

Однорядный подшипник, который может воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях одновременно, что делает его эквивалентным двухрядному радиально-упорному подшипнику в очень компактном осевом пространстве. Используется в подшипниках угла наклона и рыскания роторов ветряных турбин, опорно-поворотных устройствах в стрелах кранов и в приводах больших клапанов.

Общие примеры применения: какой тип подшипника используется и почему

Реальные приложения поясняют, почему выбор подшипников следует приведенным выше принципам. Следующие примеры взяты из стандартной инженерной практики в основных отраслях промышленности.

Рекомендации по материалу и точности

Как роликовые, так и шариковые подшипники изготавливаются из различных материалов и прецизионных классов, которые существенно влияют на производительность, и выбор класса должен соответствовать требованиям применения, чтобы избежать ненужных затрат или преждевременного выхода из строя.

Марки стали

Большинство подшипников качения используют хромистая сталь 52100 сквозной закалки (EN31 / 100Cr6) для колец и тел качения — закаленные до HRC 60–65 после термообработки. Этот материал обеспечивает наилучший баланс твердости, ударной вязкости и усталостной прочности для большинства применений. Для загрязненных сред или применений, подверженных воздействию воды, нержавеющая сталь 440C подшипники обладают коррозионной стойкостью, но примерно на Номинальная нагрузка на 20–30 % ниже. из-за меньшей твердости. Керамические (нитрид кремния, Si₃N₄) шарики в гибридных подшипниках уменьшают вес на 60 % по сравнению со стальными шариками, снижают центробежные силы на высоких скоростях, обладают электроизоляционными свойствами и обеспечивают превосходную коррозионную стойкость, что крайне важно в двигателях с инверторным приводом, где прохождение тока через стандартные стальные подшипники приводит к повреждению рифлений.

Прецизионные классы (ISO 492/ABEC)

Подшипники производятся в соответствии с классами точности размеров и хода, определенными стандартами ISO 492 (международный) или ABEC (американский). Сплавы от стандартного до сверхточного:

• Нормальный / ABEC 1 — Стандартная марка для общепромышленного применения. Большинство каталожных подшипников, роликовых и шариковых, относятся к обычному классу. Подходит для применений со скоростью до ~3400 об/мин для большинства размеров отверстий.
• P6 / ABEC 3 — Более жесткие допуски; используется в устройствах средней точности, таких как электродвигатели и насосы более высокого качества.
• П5/ЭКАБ 5 — Класс точности; используется в высокоскоростных двигателях, промежуточных компонентах станков и прецизионных инструментах.
• P4 / ABEC 7 и P2 / ABEC 9 — Сверхточные сплавы для шпинделей станков с ЧПУ, шлифовальных шпинделей, аэрокосмических гироскопов и стоматологических турбин. Допуски по радиальному биению такие же жесткие, как 1 мкм в классе P4.

Указание более высокого класса точности, чем требуется для приложения, увеличивает затраты без какого-либо выигрыша в производительности. ; указание более низкого класса, чем требуется, приводит к вибрации, шуму, выделению тепла и сокращению срока службы. Для большинства промышленных роликоподшипников подходит нормальная марка. Для прецизионных станков и высокоскоростных моторизованных устройств стандартными являются DGBB P5 или P4 или радиально-упорные подшипники.

Смазка: важнейший фактор срока службы подшипников

Исследования SKF и NSK неизменно показывают, что более 40% преждевременных отказов подшипников вызваны недостаточной или неправильной смазкой. — не из-за перегрузки или производственного брака. Выбор правильного типа смазочного материала и интервала повторного смазывания так же важен, как и выбор правильного типа подшипника.

Смазка против масляной смазки

• Консистентная смазка используется примерно 80–90% применений подшипников . Смазка удерживается в корпусе подшипника и не требует системы постоянной подачи. Подходит для большинства применений с роликовыми и шариковыми подшипниками на умеренных скоростях. Предварительно смазанные герметичные радиальные шарикоподшипники постоянно смазываются и не требуют технического обслуживания.
• Смазка маслом предназначено для высоких скоростей (когда взбивание смазки приводит к чрезмерному нагреву), высоких температур или когда масло выполняет двойную функцию: охлаждающую жидкость или трансмиссионную смазку. Цилиндрические роликоподшипники в высокоскоростных коробках передач и радиально-упорные подшипники шпинделя в станках обычно используют смазку циркулирующим маслом или масляно-воздушным туманом.

Выбор смазки для роликовых и шариковых подшипников

Вязкость базового масла является важнейшим параметром выбора смазки. Для роликовых подшипников, работающих на низких и средних скоростях в условиях тяжелых нагрузок, рекомендуется использовать смазку с вязкостью базового масла 150–220 сСт при 40 °C является типичным. Для высокоскоростных радиальных шарикоподшипников в электродвигателях используется смазка с более низкой вязкостью ( 40–100 сСт при 40°C ) уменьшает трение и нагрев при перемешивании. Загуститель на основе литиевого комплекса наиболее широко используется в общепромышленных подшипниках. Смазки с загустителем из полимочевины предпочтительны для высокотемпературных подшипников электродвигателей и герметичных DGBB с постоянной смазкой.

Распознавание режимов отказа: как роликовые и шариковые подшипники выходят из строя по-разному

Понимание того, как каждый тип подшипников выходит из строя при различных условиях, помогает инженерам по техническому обслуживанию выявить основные причины и предотвратить повторные отказы после замены.

Схема принятия решения о выборе: роликовый или шариковый подшипник?

Применяйте эту логику принятия решений при выборе подшипника для нового применения или при замене вышедшего из строя подшипника, если основная причина предполагает, что первоначальный выбор мог быть неверным.

1. Определите тип нагрузки. Радиальная нагрузка только на высокой скорости → радиальный шарикоподшипник или цилиндрический роликоподшипник. Радиальная нагрузка только при умеренной скорости и высокой величине → цилиндрический или сферический роликоподшипник. Комбинированный радиально-осевой → DGBB, радиально-упорный шарикоподшипник или конический роликоподшипник. Только чистая тяга → упорный шарикоподшипник или цилиндрический упорный роликоподшипник.
2. Оцените требования к скорости. Выше ndm = 1,0 × 10⁶ мм·об/мин → семейство шарикоподшипников. Ниже этого порога при высокой нагрузке → роликовый подшипник является жизнеспособным и предпочтительным из-за его несущей способности.
3. Проверьте несоосность. Если прогиб вала или смещение корпуса превышает 0,05° → сферический роликоподшипник или самоустанавливающийся шарикоподшипник. Если соосность контролируется в пределах ±0,02° → стандартный подшипник DGBB или цилиндрический роликоподшипник.
4. Оцените окружающую среду. Влажные, коррозийные или пищевые → шарикоподшипники из нержавеющей стали или гибридной керамики. Сильное загрязнение при большой нагрузке → герметичный сферический роликоподшипник. Чистая, контролируемая среда → стандартный стальной подшипник соответствующего типа.
5. Рассчитайте жизнь L10 для лучших кандидатов. Прежде чем завершить выбор, используйте фактическую нагрузку, скорость и значение C подшипника, чтобы убедиться в достижении целевого срока службы (обычно 20 000 часов для промышленного оборудования, 40 000 часов для критически важных или недоступных применений).
6. Убедитесь, что подшипник соответствует пространству и способу монтажа. Если радиальное пространство сильно ограничено → игольчатый роликоподшипник. Если осевое пространство ограничено → тонкий профиль DGBB. Если приложение требует взаимозаменяемости и минимальной сложности закупок → радиальный шарикоподшипник (самая широкая доступность и самая низкая стоимость в мире).

Радиальные шарикоподшипники выбираются по умолчанию в большинстве случаев применения в условиях умеренной нагрузки по одной важной практической причине: Ни один другой тип одиночного подшипника не выдерживает радиальные нагрузки, осевые нагрузки в обоих направлениях, высокие скорости и низкий уровень шума в таком компактном, доступном и универсальном корпусе. . Там, где пределы нагрузки этого пакета действительно превышаются, семейство роликовых подшипников — в зависимости от типа, соответствующего конкретной геометрии — обеспечивает грузоподъемность и удароустойчивость, с которыми не могут сравниться шарикоподшипники.