Глубокие канавки и обычные подшипники: различия и когда использовать каждый из них

Радиальные шарикоподшипники не являются особой категорией, отдельной от «обычных» подшипников — это наиболее распространенный тип существующих шарикоподшипников, и в большинстве случаев именно их имеют в виду инженеры, когда говорят «нормальный подшипник». Основное различие между радиальными шарикоподшипниками (DGBB) и другими типами подшипников, такими как радиально-упорные подшипники, цилиндрические роликоподшипники, игольчатые подшипники и конические роликоподшипники. Подшипник с глубокими канавками имеет глубину канавки дорожки качения, которая значительно больше, чем в мелкой конструкции или конструкции «Conrad-lite» — эта более глубокая канавка позволяет подшипнику одновременно выдерживать как радиальные, так и умеренные осевые (осевые) нагрузки, что делает его выбором по умолчанию для подавляющего большинства вращающихся механизмов. Понимание того, когда достаточно радиального подшипника, а когда требуется другой тип, является практическим инженерным решением, к которому относится данное сравнение.

Что такое радиальные шарикоподшипники и почему они доминируют

Радиальный шарикоподшипник состоит из внутреннего кольца, наружного кольца, набора стальных шариков и сепаратора — все они отшлифованы с соблюдением жестких допусков. Определяющей особенностью является канавка дорожки качения: канал, прорезанный в обоих кольцах и направляющий шарики, имеет глубину, обычно равную 25–32% диаметра шара . Эта глубина больше, чем в конкурирующих конструкциях, и создает соответствующую геометрию контакта, которая позволяет подшипнику противостоять силам в нескольких направлениях.

На радиальные шарикоподшипники приходится примерно 30–40% всего производства подшипников в мире по объему, согласно оценкам крупнейших производителей, включая SKF, NSK и FAG/Schaeffler. Они используются в электродвигателях, коробках передач, насосах, вентиляторах, конвейерах, ступицах автомобильных колес, бытовой технике, электроинструментах и ​​тысячах других устройств, поскольку они предлагают сочетание возможностей, с которыми не может сравниться ни один другой тип подшипника: способность выдерживать умеренную радиальную нагрузку, способность выдерживать двунаправленную осевую нагрузку, высокую скорость, низкое трение, низкий уровень шума и доступность в герметичных/смазанных конфигурациях, которые не требуют обслуживания на месте.

Глубокие канавочные и радиально-упорные шарикоподшипники

Радиально-упорные подшипники представляют собой наиболее прямое сравнение с радиальными подшипниками и представляют собой наиболее распространенную альтернативу в приложениях с большими нагрузками или в прецизионных приложениях.

Структурная разница

В подшипнике с глубокими канавками линия силы контакта между шариком и дорожкой качения приблизительно перпендикулярна оси подшипника (угол контакта 0°) при чистой радиальной нагрузке. В радиально-упорном подшипнике дорожки качения смещены так, что контактная сила действует под определенным углом — обычно 15°, 25° или 40° к оси подшипника. Этот преднамеренный угол контакта делает радиально-упорные подшипники значительно превосходящими в плане восприятия осевых (осевых) нагрузок, но означает, что они могут противостоять осевым нагрузкам только в одном направлении на каждый подшипник. Поэтому одинарные радиально-упорные подшипники почти всегда используются парами, монтируемыми «лицом к лицу» (О-образное расположение) или «спина к спине» (Х-образное расположение).

Нагрузочные и скоростные характеристики

Для данного размера корпуса подшипника радиально-упорный подшипник с Угол контакта 40° несет примерно 2–3× осевая нагрузка эквивалентного радиального подшипника. Однако радиальный подшипник выдерживает двунаправленные осевые нагрузки, не требуя сопряженного подшипника, и работает на более высоких скоростях — радиально-упорные подшипники с углом контакта 40° имеют значительно более низкие номинальные скорости, чем радиальные подшипники того же размера из-за повышенного скольжения шарика при более высоком угле контакта. Например, радиальный подшипник SKF 6208 имеет предельную скорость 9500 об/мин , тогда как аналогичный радиально-упорный подшипник 7208 при угле 40° рассчитан приблизительно на 6300 об/мин .

Когда использовать каждый

• Глубокая канавка: электродвигатели, вентиляторы, насосы, конвейеры, приборы — любое применение с преимущественно радиальной нагрузкой и умеренной двунаправленной осевой нагрузкой.
• Угловой контакт: шпиндели станков, выходные валы коробок передач с косозубыми шестернями, ступицы автомобильных колес, осевые компрессоры — приложения с постоянной большой осевой нагрузкой в определенном направлении

Глубокие канавки и цилиндрические роликоподшипники

Цилиндрические роликоподшипники заменяют шарики DGBB цилиндрическими роликами, которые обеспечивают линейный контакт с дорожками качения, а не точечный контакт. Это фундаментальное различие в геометрии приводит к появлению подшипника с значительно более высокой радиальной грузоподъемностью, но ограниченной или нулевой осевой нагрузкой.

Линейный контакт цилиндрических роликов распределяет радиальную нагрузку на гораздо большую площадь, чем точечный контакт шариков. Цилиндрический роликоподшипник в том же корпусе, что и радиальный шарикоподшипник, обычно несет в себе 3–5× радиальная нагрузка . Компромисс заключается в том, что большинство конструкций цилиндрических роликоподшипников (типов NU и N) вообще не могут выдерживать осевые нагрузки. Типы NJ и NUP воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении. Это делает цилиндрические роликоподшипники идеальным выбором для тяжелых радиальных нагрузок — больших электродвигателей, коробок передач, прокатных станов, железнодорожных осей — где осевые нагрузки воспринимаются отдельно упорным или радиально-упорным подшипником на другой опоре вала.

Подшипники с глубокими канавками, напротив, обрабатывают оба направления в одном блоке. Для применений, где комбинированная радиальная и осевая нагрузка незначительна, подшипник с глубокими канавками полностью устраняет необходимость во втором подшипнике.

Глубокие канавочные и конические роликоподшипники

В конических роликоподшипниках между коническими внутренним и наружным кольцами используются конические ролики. Геометрия означает, что линии контакта всех роликов сходятся в одной точке на оси подшипника, создавая подшипник, который воспринимает комбинированные радиальные и осевые нагрузки одновременно, аналогично подшипникам с глубокими канавками, но с гораздо более высокой грузоподъемностью.

Конический роликоподшипник определенного размера вала несет 2–4× совокупная номинальная нагрузка эквивалентного радиального шарикоподшипника. Они являются стандартом для автомобильных ступичных подшипников, осей грузовых автомобилей, трансмиссионных валов с коническими или гипоидными передачами, а также тяжелых промышленных коробок передач, где нагрузки превышают возможности любого практичного шарикоподшипника. Ограничениями являются более высокое трение (из-за скольжения при контакте ролика с фланцем), более высокая рабочая температура, необходимость точной регулировки осевого предварительного натяга во время сборки и более низкая максимальная скорость по сравнению с подшипниками с глубокими канавками.

Как и радиально-упорные подшипники, конические роликоподшипники обычно используются согласованными парами, поскольку каждый подшипник воспринимает осевую нагрузку только в одном направлении. Подшипниковый узел должен быть тщательно спроектирован для установки правильного предварительного натяга — недостаточный предварительный натяг приводит к проскальзыванию и быстрому усталостному разрушению, а чрезмерный предварительный натяг приводит к перегреву и сокращает срок службы подшипника ниже расчетных значений.

Глубокие канавочные и игольчатые роликоподшипники

В игольчатых роликоподшипниках используются ролики с очень высоким соотношением длины к диаметру (обычно от 3:1 до 10:1 ), что позволяет разместить подшипник очень тонкого сечения с высокой радиальной нагрузкой в минимальном радиальном пространстве. Их применяют там, где диаметр вала велик по отношению к имеющемуся радиальному пространству — шатунные подшипники в поршневых двигателях, шарниры коромысла, крестовины карданного шарнира, толкатели кулачков.

Радиальные шарикоподшипники требуют гораздо большего поперечного сечения для эквивалентного внутреннего диаметра. Игольчатый подшипник для вала диаметром 30 мм может иметь внешний диаметр всего 38–40 мм , тогда как эквивалентный радиальный подшипник (6006) имеет внешний диаметр 55 мм . Когда радиальное пространство ограничено, игольчатые подшипники являются единственным практичным выбором: радиальные подшипники просто не подходят. Компромисс заключается в том, что большинство игольчатых подшипников не несут осевой нагрузки, требуют закаленной и шлифованной поверхности вала в качестве внутренней дорожки качения (что увеличивает производственные затраты) и имеют очень ограниченные номинальные скорости.

Комплексное сравнение типов подшипников

Преимущество глубины канавки: почему «глубина» имеет значение

Конкретное инженерное преимущество более глубокой канавки в DGBB поддается количественной оценке. В подшипниках с мелкой канавкой (иногда называемой конструкцией с «заполняющей прорезью», где прорезь в кольце позволяет нагружать больше шариков, но уменьшает глубину канавки) площадь контакта шарика со стенками канавки уменьшается. При осевой нагрузке этот неглубокий контакт означает, что нагрузка концентрируется на краю канавки, а не распределяется по стенке канавки — состояние, которое создает высокое контактное напряжение Герца и ускоряет усталость.

В правильно спроектированном радиальном подшипнике радиус кривизны канавки обычно составляет 51,5–53% диаметра шара. (называемый коэффициентом соответствия или соприкосновением). Такое точное соответствие увеличивает площадь контакта между шаром и дорожкой качения, снижая максимальное контактное напряжение. Например, радиальный подшипник ISO 6208 с диаметром отверстия 40 мм имеет статическую осевую нагрузку примерно 6550 Н - грузоподъемность, для достижения которой при сопоставимом размере подшипник с мелкими канавками или радиально-упорный подшипник потребует значительного угла контакта.

Герметичные и экранированные радиальные подшипники в сравнении с открытыми конструкциями

Внутри самого семейства радиальных подшипников существуют важные варианты, определяемые способом закрытия сторон подшипника:

• Открытые подшипники (суффикс: нет) — обе стороны открыты; требует внешней смазки (смазка или масло) и герметичного корпуса для исключения загрязнения; используется в коробках передач и устройствах со смазкой в ​​масляной ванне; допускает повторную смазку во время обслуживания
• Экранированные подшипники (суффикс: Z или ZZ) — одна или обе стороны снабжены стальным штампованным щитком, не контактирующим с внутренним кольцом; низкое сопротивление, но не полностью герметичен; подходит для умеренно чистых помещений; обеспечивает базовую защиту от загрязнений без значительного увеличения трения
• Подшипники с уплотнениями (суффикс: RS, 2RS или RZ) - одна или обе стороны снабжены резиновым контактным уплотнением, прилегающим к внутреннему кольцу; полностью заполнены смазкой на весь срок службы ; отличная защита от загрязнений и влаги; умеренное увеличение трения на высоких скоростях; доминирующий выбор для двигателей, бытовой техники и оборудования общего назначения, доступ к техническому обслуживанию которых ограничен; резиновое уплотнение разрушается примерно выше 120°С , требующие открытых или герметичных подшипников для работы в условиях повышенных температур.

Ни один другой распространенный тип подшипников не предлагает такого же диапазона предварительно смазанных и герметичных конфигураций в различных размерах и ценовых категориях, доступных в радиальных шарикоподшипниках — эта доступность является основной практической причиной их доминирования.

Расчет срока службы подшипника: как тип нагрузки влияет на срок службы L10

Формула срока службы подшипников ISO 281 рассчитывает срок службы L10 — количество оборотов, при которых 90% идентичных подшипников по-прежнему будут работать — как:

L10 = (C/P)³ × 10⁶ оборотов (для шарикоподшипников)

Где C — номинальная динамическая нагрузка, а P — эквивалентная динамическая нагрузка на подшипник (сочетание радиальных и осевых сил). Для радиального шарикоподшипника эквивалентная динамическая нагрузка P рассчитывается с использованием коэффициентов, учитывающих как радиальную нагрузку (Fr), так и осевую нагрузку (Fa). Когда Fa/Fr превышает пороговое значение (называемое коэффициентом e, обычно 0,19–0,44 в зависимости от серии подшипника) применяется штрафной коэффициент, снижающий эффективную грузоподъемность.

Это означает, что радиальный подшипник, работающий при умеренной осевой нагрузке (Fa/Fr ниже порога e), практически бесплатно переносит ее — без сокращения срока службы. Но когда осевая нагрузка становится доминирующей, срок службы быстро сокращается, и именно тогда переход на радиально-упорный или конический роликоподшипник дает значительное инженерное преимущество. Практические рекомендации SKF и NSK: если осевая нагрузка превышает 50–60 % радиальной нагрузки оцените, обеспечат ли радиально-упорные подшипники значительно больший срок службы, прежде чем переходить к использованию глубоких канавок.

Распространенные ошибки при выборе и как их избежать

• Использование радиального подшипника там, где большая осевая нагрузка является основной: Самая распространенная ошибка. Если приложение выдерживает осевую нагрузку, значительно превышающую радиальную нагрузку (например, вентилятор с натяжением ремня плюс осевое усилие воздушного потока), радиально-упорный подшипник или спаренный подшипник с глубокими канавками обеспечивают гораздо более длительный срок службы. Одиночный подшипник с глубокими канавками, находящийся под длительной большой осевой нагрузкой, демонстрирует характерное усталостное повреждение дорожки качения на одном плече канавки.
• Использование радиального подшипника там, где экстремальная радиальная нагрузка требует использования роликового подшипника: Точечный контакт Герца шарикоподшипников ограничивает допустимую радиальную нагрузку по сравнению с роликоподшипниками с линейным контактом. Тяжелые радиальные нагрузки в шарикоподшипнике вызывают быструю подповерхностную усталость. Если расчеты нагрузки показывают, что срок службы L10 ниже допустимых пределов для DGBB, цилиндрический или сферический роликоподшипник в том же диапазоне обычно решает проблему.
• Замена экранированного подшипника герметичным подшипником в высокоскоростных приложениях: Контактное уплотнение подшипника 2RS увеличивает момент трения, что повышает рабочую температуру и снижает номинальную скорость. В высокоскоростных двигателях (более 10 000 об/мин для небольших подшипников) замена 2RS на экран ZZ или открытый подшипник может привести к перегреву, даже если скорость находится в пределах максимального значения, указанного в каталоге.
• Считать все подшипники серии 6000 эквивалентными, независимо от класса допуска производителя: Стандартные подшипники изготавливаются в соответствии с классом точности ISO Normal (PN). Для прецизионных шпинделей радиальные подшипники с допусками ABEC 5 (P5) или ABEC 7 (P7) обеспечивают значительно уменьшенное радиальное биение — P5 ограничивает биение до ≤5 микрон по сравнению с ≤18 микронами для PN — что имеет решающее значение для станков и прецизионных приборов.
• Игнорирование выбора внутреннего зазора: Подшипники с глубокими канавками доступны с классами зазора C2 (меньше нормального), CN (нормальный), C3 (больше нормального) и C4. Для высокотемпературных применений требуется C3 или C4, чтобы предотвратить предварительную тепловую нагрузку. При установке с запрессовкой требуется C3, чтобы компенсировать закрытие с натягом. Использование стандартного зазора CN в обеих ситуациях приводит либо к заеданию (слишком тугому), либо к чрезмерной вибрации (слишком слабому).

Практическое руководство по выбору: когда радиальные подшипники — правильный выбор

Используйте радиальные шарикоподшипники в качестве выбора по умолчанию, когда применяются следующие условия:

1. Радиальная нагрузка является основной — нагрузка преимущественно перпендикулярна оси вала, при этом осевые нагрузки не превышают примерно 50 % радиальной нагрузки при эксплуатации.
2. Осевая нагрузка двунаправленная — подшипник должен противостоять осевым нагрузкам в обоих направлениях без спаренного подшипникового узла; Глубокая канавка решает эту проблему в одном подшипнике.
3. Требуется высокая скорость — приложение работает на скоростях, приближающихся к предельным значениям скорости альтернативных роликовых подшипников или превышающих их; Подшипники с глубокими канавками имеют самые высокие показатели скорости среди всех стандартных типов подшипников для данного размера отверстия.
4. Низкий уровень шума и низкая вибрация имеют важное значение. — электродвигатели, бытовая техника и потребительские товары выигрывают от бесшумной и плавной работы, достигаемой благодаря высококачественным радиальным подшипникам (например, с маркировкой малошумного класса, такой как акустические спецификации SKF «E» или FAG «P6Q»).
5. Предпочтительна работа без обслуживания. — герметичные, предварительно смазанные радиальные подшипники не требуют смазки на месте и доступны практически для любого размера отверстия от от 3 мм до 200 мм .
6. Экономическая эффективность имеет значение — радиальные подшипники являются самым дешевым типом прецизионных подшипников на единицу мощности из-за больших объемов производства; Для экономичных применений, отвечающих требованиям по нагрузке и скорости, ни один другой тип подшипников не может предложить сопоставимую ценность.