Подшипник это запчасть или материал

Зачем нужны подшипники?

Как бороться с ненужным трением?

Вспомните: волочить какой-либо тяжелый предмет по скользкой, мокрой глине значительно легче, чем по сухому, шероховатому асфальту. А если приходится волочить по асфальту, то лучше подкладывать под предмет какие-нибудь катки. На языке техники это значит, что уменьшить трение можно, заменив сухое трение жидкостным трением скольжения или трением качения.
Опорные участки вала – их называют шипами или шейками – протачивают, шлифуют и помещают в специальные опоры – подшипники, которые разделяются на 2 основные группы: подшипники качения и подшипники скольжения.

подшипники скольжения состоят из корпуса с отверстием и запрессованной в него втулки, а чаще – из разъемного корпуса и вкладышей. При сборке вал кладется отшлифованными шейками на нижние половинки вкладышей и накрывается верхними половинками.

Благодаря тому, что трущиеся детали делают всегда из разных материалов ( валы – из черных металлов, вкладыши — из бронзы или другого сплава), трение значительно снижается. Но этого мало. На внутренней поверхности вкладышей имеются бороздки, по которым растекается смазка. Как только вал начинает вращаться, он затягивает под шейки частицы масла. Постепенно между валом и вкладышами образуется масляная пленка, она приподнимает вал, и он вращается, уже не касаясь поверхности вкладышей. Так сухое трение заменяется жидкостным.

При больших частотах вращения даже трение жидкостного скольжения вызывает сильный нагрев подшипника. Его надо охлаждать, и это обязанность также поручается маслу. В одних подшипниках устраивают масляную ванну, а на вал надевают кольца, которые, вращаясь, подают свежее масло из ванны на шейку вала. В другие подшипники непрерывно подают масло при помощи специальных насосов. Масло одновременно и смазывает трущиеся поверхности, и охлаждает их. Обеспечить надежную работу подшипников скольжения не просто: они требуют повседневного ухода.

Значительно надежнее и удобнее в эксплуатации подшипники качения. В таких подшипниках стальные шарики ( шариковые подшипники) или ролики ( роликовые подшипники) катятся по канавкам колец, поставленных между вращающимися валом и неподвижной опорой. На преодоление трения в шариковых подшипниках тратится всего несколько тысячных долей общей нагрузки на вал. Смазывать их надо густым маслом только при очередных ремонтах машин.

Решая вопрос о том, какому виду подшипников отдать предпочтение, надо учитывать, что подшипники скольжения плохо работают при трогании с места, пока не образовалась масляная пленка (к тому же при резких толчках на валу эта пленка легко нарушается). Подшипники качения, наоборот, хорошо работаю при трогании с места. Но и у них есть недостаток: они плохо переносят очень большие нагрузки, когда давление на шарики или ролики оказывается чрезмерно большим. Поэтому для каждого узла машины подбирается соответствующий тип подшипника. И это необходимо учитывать, когда строишь различные модели.

В обычных электродвигателях, как правило, устанавливают шариковые подшипники; в редукторах подъемных кранов, в колесных парах железнодорожных вагонов – роликовые. А в любом автомобиле много различных видов подшипников: коленчатый вал опирается на подшипники скольжения, полуоси передних колес – на шариковые, вал ведущей шестерни главной передачи – на конические роликовые и т.д.

Для мощных авиационных двигателей, гигантских прокатных станов и других машин, валы которых испытывают очень большие и часто изменяющиеся нагрузки, применяют игольчатые подшипники. У них между кольцами находятся обильно смазанные тонкие стальные иглы. Сначала такой подшипник работает как роликовый – иглы катятся по поверхности колец. При увеличении скорости вала иглы перестают катиться и вместе с маслом образуют внутренне кольцо, которое скользит между стальными кольцами подшипника. Игольчатый подшипник сочетает достоинства подшипников скольжения и подшипников качения.

Уменьшить трение можно и другими способами. Вы, вероятно, слышали о судах на воздушной подушке. Нагнетаемый сильным вентилятором поток воздуха поступает под днище судна и создает там давление, приподнимающее судно над водой. Увлекаемое воздушным винтом, такое судно легко скользит по поверхности воды как бы на воздушной подушке.

На опытах по электричеству в школе вам, наверное, приходилось видеть, как под действием магнитного поля металлическое кольцо приподнимается над сердечником сильного электромагнита. Оно как бы лежит на невидимой магнитной подушке.

Значит, воздушная и магнитная подушки могут уменьшать трение в различных механизмах. Подшипники с воздушным трением находят применение в небольших воздушных (или газовых) турбинах, приводимых в движение сжатым воздухом. Эти турбины имеют очень большие частоты вращения, необходимые для создания прочной воздушной подушки между вращающимися частями и опорой. Здесь воздух одновременно приводит в движение турбину, «смазывает» её и охлаждает.

Основные части подшипника

Такое техническое изделие как подшипник применяется во многих сферах человеческой деятельности. Благодаря ему любое вращательное или колебательное движение отдельных элементов механизма происходит со сниженным сопротивлением, вызываемым трением. Несмотря на разнообразие подшипников, все они имеют стандартный набор основных элементов, которые мы и рассмотрим более подробно.

Тела качения

В подшипниках используются:

Тела качения выполняют основную опорную и двигательную функции. Для их изготовления применяются подшипниковые марки стали, которые отличаются повышенной устойчивостью к истиранию, а также нержавеющую сталь и реже специально обработанную керамику.

Сепаратор

Одним из главных элементов любой разновидности подшипников является сепаратор. Эта часть удерживает тела качения, не допуская их трения друг о друга. То есть, это своего рода клетка для шариков и роликов.

Несмотря на то, что сепараторы не подвергаются большим нагрузкам, тем не менее они подвержены давлению, истиранию, деформациям и т.д. Поэтому в качестве материалов изготовления для них служит нержавеющая сталь, латунь, различные полимерные материалы – в зависимости от предназначения самого подшипника.

По своей структуре сепаратор может быть выполнен как отдельный элемент, так и составлять единое целое с внутренней обоймой.

Обойма

По своей сути обойма представляет собой стальное кольцо с обработанными поверхностями. Именно с ними контактируют тела качения. Различают внутреннюю и внешнюю обойму, которые выполняются из высокопрочных сплавов. Отметим, что некоторые разновидности подшипников не имеют наружной обоймы. В таких случаях ее заменяет та деталь, в которую вставляется подшипник.

На обойме располагаются дорожки качения, которые обеспечивают прохождение шариками (роликами, цилиндрами) определенной траектории. Таким образом, достигается точность передвижения и отсутствие перекосов.

Сальник (уплотнитель)

Представляет собой элемент, который предназначен для удержания внутри подшипника смазочного материала, а также предупреждения попадания на трущиеся поверхности различных загрязнений. Тем самым продлевается срок службы изделия.

Материалом для изготовления сальников служит закаленная резина, каучук, либо просто сталь различных марок. Для полной герметизации внутреннего пространства подшипника используются каучуковые или резиновые уплотнители. В тоже время для частичного ограждения изделий от воздействия загрязняющих элементов может использоваться металлическая шайба, которая не создает герметичности, но предупреждает попадание на трущиеся поверхности крупных частиц.

Смазывающий материал

Для эффективности работы трущиеся поверхности подшипников подлежат смазке. Для этих целей применяется синтетические или нефтяные составы, вязкость которых не уменьшается при различных температурных режимах.

Подшипник это запчасть или материал

Ваш обозреватель не поддерживает встроенные рамки или он не настроен на их отображение.

— в виде нанокомпозиционных покрытий: WC / C , MoS ₂ / C , WS ₂ / C , TiC / C и наноалмаза;

— в виде алмазных и алмазоподобных углеродистых покрытий: пленок из алмаза, гидрогенизированного углерода ( a — C : H ), аморфного углерода ( a -С), нитрида углерода ( C ₃ N ₄ ) и нитрида бора ( BN );

— в виде твердых и сверхтвердых покрытий из VC , B ₄ C _, Al ₂ O ₃ , SiC , Si ₃ O ₄ , TiC , TiN , TiCN , AIN и BN ,

— в виде чешуйчатых пленок из MoS ₂ и графита;

— в виде неметаллических пленок из диоксида титана, фтористого кальция, стекла, оксида свинца, оксида цинка и оксида олово,

— в виде пленки из мягких металлов: свинца, золото, серебра, индия, меди и цинка,

— в виде самосмазывающихся композитов из нанотрубок, полимеров, углерода, графита и металлокерамики,

— в виде чешуйчатых пленок из углеродных составов: фторированного графита и фторид графита;

— полимеры: PTFE, нейлон и полиэтилен,

— жиры, мыло, воск (стеариновая кислота),

— керамика и металлокерамика.

— Гидродинамическая смазка: толстослойная и эластогидродинамическая;
— гидростатическая смазка;
— смазка под высоким давлением.

— Смешанная смазка (полужидкостная);

Существует большое количество конструктивных типов подшипников скольжения : самоустанавливающиеся, сегментные, самосмазывающиеся и т.д.

б — типичный шарнирный подшипник с поверхностью скольжения типа » металл-металл «,

в — типичный шарнирный подшипник с самосмазывающейся поверхностью ,

г — благодаря возможности самоустановки и восприятия больших нагрузок шарнирные подшипники находят применение в узлах тяжелой техники (например , в гидроцилиндре экскаватора)

Шарнирные подшипники скольжения — одни из немногих типов подшипников скольжения , которые стандартизированы и выпускаются промышленностью серийно

Подшипники скольжения имеют следующие преимущества:

допускают высокую скорость вращения;

позволяют работать в воде, при вибрационных и ударных нагрузках;

экономичны при больших диаметрах валов;

возможность установки на валах, где подшипник должен быть разъемным (для коленчатых валов);

допускают регулирование различного зазора и, следовательно, точную установку геометрической оси вала.

а — двигатель шпинделя HDD c подшипником качения ,

б — двигатель шпинделя HDD c гидродинамическим подшипником скольжения ,

в — расположение гидродинамического подшипника скольжения в HDD (Hard Disk Drive)

Использование гидродинамических подшипников скольжения вместо подшипников качения в компьютерных HDD ( Hard Disk Drive ) дает возможность регулировать скорость вращения шпинделей в широком диапазоне (до 20 000 об/мин), уменьшить шум и влияние вибраций на работу устройств , тем самым позволив увеличить скорость передачи данных, обеспечить сохранность записанной информации и срок службы устройства в целом (до 10 лет), а также — создать более компактные HDD ( 0,8-дюймовые )

Сравнение типов подшипников используемых в шпинделях HDD (Hard Disk Drive)

Требования к HDD

Требования к подшипнику

Подшипник качения

Гидродинамический подшипник

Типичное применение

из твердого металла

из пористого материала*

Большой объем хранения данных

Персональный компьютер, сервер

Высокие скорости вращения

Низкий уровень шума

Низкий уровень шума

Пользовательский компьютер (нетбуки, SOHO)

Низкое потребление тока

Низкий крутящий момент

Мобильные компьютеры (ноутбуки)

Устойчивость к ударам

Устойчивость к ударам

Мобильные компьютеры (ноутбуки)

Устойчивость к заклиниванию

* — данные приведены для NTN BEARPHITE;

** — обозначения: ++ — очень хорошо, + — хорошо, о — посредственно.

Недостатки подшипников скольжения:

высокие потери на трение и, следовательно, пониженный коэффициент полезного действия (0,95. 0,98);

необходимость в непрерывном смазывании;

неравномерный износ подшипника и цапфы;

применение для изготовления подшипников дорогостоящих материалов;

относительно высокая трудоемкость изготовления.

Подшипники качения

Принципиальная схема опоры с подшипником качения

Подшипники качения работают преимущественно при трении качения и состоят из двух колец, тел качения , сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга, удерживающего на равном расстоянии и направляющего их движение. По наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного кольца (на торцевых поверхностях колец упорных подшипников качения) выполняют желоба – дорожки качения, по которым при работе подшипника катятся тела качения.

а)

б)

в)

а — с шариковыми телами качения , б — с короткими цилиндрическими роликами , в — с длинными цилиндрическими или игольчатыми роликами , г — с коническими роликами ,

д — с бочкообразными роликами

Примечание : приведены только некоторые виды тел качения

В подшипниках качения применяются тела качения различных форм

В некоторых узлах машин в целях уменьшения габаритов, а также повышения точности и жесткости , применяются так называемые совмещенные опоры: дорожки качения выполняются непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали. Некоторые подшипники качения изготовляют без сепаратора. Такие подшипники имеют большое число тел качения и, следовательно, большую грузоподъемность. Однако предельные частоты вращения бессепараторных подшипников значительно ниже вследствие повышенных моментов сопротивления вращению.

Для сокращения радиальных размеров и массы используются “безобоемные” подшипники

Сравнение подшипников качения по эксплуатационным характеристикам

Тип подшипника

Нагрузка

Высокая частота вращения

Восприятие перекоса

радиальная

осевая

комбинированная

Шариковый радиальный двухрядный сферический

Радиально-упорный однорядный шариковый

Радиально-упорные шариковые двухрядный и однорядный сдвоенный («спина к спине»)

Шариковый с четырехточечным контактом

С коротким цилиндрическими роликами без бортов на одном из колец

Упорный с коническими роликами

Упорно-радиальный роликовый сферический

* — обозначения: +++ — очень хорошо, ++ — хорошо, + — удовлетворительно, о — плохо, х — непригодно.

По сравнению с подшипниками скольжения имеют следующие преимущества:

значительно меньше потери на трение, а, следовательно, более высокий КПД (до 0,995) и меньший нагрев;

в 10. 20 раз меньше момент трения при пуске;

экономия дефицитных цветных материалов, которые чаще всего используются при изготовлении подшипников скольжения;

меньшие габаритные размеры в осевом направлении;

простота обслуживания и замены;

меньше расход смазочного материала;

невысокая стоимость вследствие массового производства стандартных подшипников;

простота ремонта машины вследствие взаимозаменяемости подшипников.

а — повреждение внутреннего кольца сферического роликового подшипника, вызванное чрезмерным натягом при посадке ;

б — фреттинг-коррозия внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием вибрации ;

в — повреждение внутреннего кольца радиального шарикового подшипника, вызванное действием чрезмерной осевой нагрузки ;

г — повреждение внутреннего кольца радиального роликового цилиндрического подшипника, вызванное действием чрезмерной радиальной нагрузки ;

д — следы ржавчины на поверхности ролика сферического роликового подшипника , вызванные попаданием воды внутрь подшипника ;

e — повреждение сепаратора роликового конического подшипника, вызываемое действием больших нагрузок и/или вибраций , и/или неправильным монтажом , и / или смазыванием , и/или работой на высоких частотах вращения

Повреждения подшипников качения

Недостатками подшипников качения являются:

ограниченная возможность применения при очень больших нагрузках и высоких скоростях;

непригодность для работы при значительных ударных и вибрационных нагрузках из-за высоких контактных напряжений и плохой способности демпфировать колебания;

значительные габаритные размеры в радиальном направлении и масса;

шум во время работы, обусловленный погрешностями форм;

сложность установки и монтажа подшипниковых узлов;

повышенная чувствительность к неточности установки;

Магнитные подшипники

Принцип работы магнитного подшипника (подвеса) основан на использовании левитации, создаваемой электрическими и магнитными полями. Магнитные подшипники позволяют без физического контакта осуществлять подвес вращающегося вала и его относительное вращение без трения и износа.

Детская игрушка Левитрон наглядно демонстрирует, на что способны электромагнитные поля

Электрические и магнитные подвесы, в зависимости от принципа действия, принято разбивать на девять типов:

на постоянных магнитах;

Принципиальная схема типичной системы на основе активного магнитного подшипника ( АМП )

Наибольшую популярность в настоящее время получили активные магнитные подшипники. Активный магнитный подшипник (АМП) — это управляемое мехатронное устройство, в котором стабилизация положения ротора осуществляется силами магнитного притяжения, действующими на ротор со стороны электромагнитов, ток в которых регулируется системой автоматического управления по сигналам датчиков перемещений ротора. Полный неконтактный подвес ротора может быть осуществлен с помощью либо двух радиальных и одного осевого АМП, либо двух конических АМП. Поэтому система магнитного подвеса ротора включает в себя как сами подшипники, встроенные в корпус машины, так и электронный блок управления, соединенный проводами с обмотками электромагнитов и датчиками. В системе управления может использоваться как аналоговая, так и более современная цифровая обработка сигналов.

Принципиальная схема управления типичной системы на основе активного магнитного подшипника

Основными преимуществами АМП являются:

относительно высокая грузоподъемность;

высокая механическая прочность;

возможность осуществления устойчивой неконтактной подвески тела;

возможность изменения жесткости и демпфирования в широких пределах;

возможность использования при высоких скоростях вращения, в вакууме, высоких и низких температурах, стерильных технологиях.

В чем разница между подшипниками скольжения и качения?

На сегодняшний день подшипники широко применяются в самых разных механизмах, так или иначе связанных с задействованием вращающихся элементов. Подшипники вращают детали в часовых механизмах, двигают валы в ДВС, шахтные турбины и даже знаменитый аттракцион «Колесо обозрения».

Говоря простыми словами, подшипник – это кольцо, которое надевается на цилиндрический предмет. Они могут быть самыми разнообразными как по конструкции, так и по функциональному назначению. Например, для удерживания автомобильного колеса используются радиальные подшипники. А для вращения офисных кресел применяются подшипники упорные. В зависимости от классификации подшипников насчитывается от 7 до 10 разновидностей. Так или иначе, каждый подшипник служит для выполнения трех основных задач.

• Удержание оси или вала в заданном положении.
• Снижение уровня сопротивления при контакте фиксирующей конструкции и вращающегося вала.
• Передача физической нагрузки от вращающегося элемента к другим конструкционным деталям, узлам и механизмам.

Самыми популярными видами подшипников на сегодняшний день являются подшипники скольжения и подшипники качения. Именно их мы и опишем далее, определив основные различия, конструкционные особенности и сферы применения.

Речь идет о кольцах, внутри которых размещаются валы или втулки. Кольцо фиксирует вал в необходимом положении и начинает вращаться в заданной плоскости. Выделяют разъемные и неразъемные подшипники скольжения. Неразъемный подшипник – это полное кольцо, в которое можно вставить втулку. Разъемный подшипник можно разделить на два компонента, один из которых фиксирует вал, а второй вставляется сразу после фиксации. С эксплуатационной точки зрения конструкция разъемного подшипника является более удобной, что и обуславливает большую распространенность данного варианта.

В процессе вращения, вал осуществляет непосредственное соприкосновение с подшипником скольжения, что создает трение в системе пары «вал-подшипник». Данный процесс в конечном итоге приводит к быстрому износу элементов данной системы, то влияет на резкое уменьшение скорости движения вала. Чтобы этого не допустить, применяются разные смазки, значительно снижающие уровень трения, что является одним из главных условий повышения уровня долговечности подшипника. Помимо увеличения срока службы подшипника и вала, смазка дополнительно влияет на уменьшение силы трения, гарантирует эффективный теплоотвод, а также снижает воздействие на механизмы внешней среды.

Существуют твердые, газообразные и жидкие смазки. Именно жидкий вариант используется в большинстве современных подшипников скольжения. Что касается твердых смазок, основу которых составляет графит, то их могут использовать в подшипниках скольжения, на которых приходится большая нагрузка. Например, если речь идет о подшипнике для поездов, удерживающих колесный вал, то здесь жидкая смазка будет просто выдавлена большим давлением. Газообразные смазки могут применяться на высокоточных производствах, где к использованию деталей предъявляются особые условия. Газообразная смазка должна воспрепятствовать физическому соприкосновению подшипника и вала.

Плюсы подшипников скольжения

• Редко выходят из строя.
• Могут выдерживать большие вибрационные и ударные нагрузки.
• Имеют меньший радиальный размер, в сравнении с подшипниками качения.
• Подшипники скольжения разъемного типа могут быть демонтированы без необходимости разбирать всю конструкцию.
• Малый уровень шумности.
• Возможность работы в водной среде.
• Между валом и поверхностью подшипника может быть зазор, что гарантирует их беспроблемное и высокоэффективное использование даже в паре с сильно изношенными элементами.
• Характеризуются высоким коэффициентом полезного действия даже в паре с крупными валами.

Минусы подшипников скольжения

• Обязательно требуют смазку.
• Если смазка низкого качества, то быстро изнашиваются вследствие трения.
• Большие расходы на смазку.
• Нужно постоянно контролировать рабочие условия.
• У подшипников качения более высокий КПД.
• Вал и подшипник изнашиваются с разной скоростью.
• Невысокая долговечность.
• При производстве подшипников скольжения задействуются более дорогие материалы, в сравнении с подшипниками качения.

Подшипники качения характеризуются более сложным устройством, в сравнении с предыдущим вариантом. Во-первых, их конструкция включает в себя сразу два кольца разного диаметра. Расхождения в диаметрах колец ровно такое, чтобы между ними точно разместились другие элементы подшипниковой системы. Чтобы обеспечить хорошее сцепление между кольцами, внутри большого кольца и снаружи маленького прорезаются желоба. Между кольцами можно поместить бочонки, иглы, шарики и другие тела качения, которые будут определять название подшипника и принцип его работы. Результатом соединения трех элементов в единое целое является достаточно надежная и эффективная конструкция, во внутреннее кольцо которой вставляется вал. Вращаясь, вал оказывает воздействие на маленькое кольцо, которое раскручивается и «тянет» за собой те тела качения, которые находятся между кольцами. Большое кольцо остается неподвижным, то есть статично. Тела вращения между кольцами гарантируют значительное снижение уровня трения между элементами системы.

Подшипники качения могут производиться с сепаратором или без сепаратора. Сепаратор – это широкое кольцо, в котором на равном расстоянии создаются отверстия. Указанные отверстия служат для размещения в них тел качения, что гарантирует повышение эффективности подшипника с одновременным уменьшением объема задействованных материалов. Подшипники качения, в большинстве своем, создаются именно с сепараторами. Впрочем, есть модели и без сепараторов, в которых размещается максимально возможное число тел качения, без необходимости учета расстояния между ними. Чем больше тел качения будет размещено в подшипнике, тем большей грузоподъемностью будет характеризоваться данный элемент. В то же время, подшипники без сепараторов отличаются более низким лимитом скорости валового вращения.

В соответствии с официальной классификацией, выделяют открытые и закрытые подшипники качения. Закрытые подшипники характеризуются наличием специальных проекторов, призванных предотвратить воздействие внешней среды на элементы подшипникового механизма. Это позволяет эксплуатировать закрытые подшипники без смены смазки и дополнительного обслуживания. Открытые подшипники качения более подвержены влиянию окружающей среды, что зачастую приводит к попаданию внутрь конструкции инородных тел с последующим разрушением подшипника.

Главным преимуществом использования подшипников качения считается минимизация трения при соприкосновении подшипника с поверхностью вала. Тела качения гарантируют снижение энергозатрат на преодоление сопротивления вала и кольца, что, в свою очередь, существенно снижает уровень износа и увеличивает КПД в сравнении с подшипниками скольжения.

Плюсы подшипников качения

• Возможность применения при высоких скоростях валового вращения.
• Возможность эффективного удерживания вала при серьезных вибрационных и ударных нагрузках.
• Бесшумность эксплуатации.
• Минимальные осевые размеры.
• Не нуждаются в смене смазки.
• Могут эксплуатироваться в высокотемпературном режиме.

Минусы подшипников качения

• Более высокая цена.
• Более сложный процесс создания.
• Увеличенный радиус.
• Чувствительность к повышенной влажности.
• Не могут применяться в паре с валами высокой загруженности.
• Менее надежны в сравнении с предыдущим вариантом.