Что такое радиально-упорные шарикоподшипники? Полное руководство

Что такое радиально-упорные подшипники?

Радиально-упорные подшипники представляют собой шарикоподшипники, внутренние и внешние дорожки качения которых смещены относительно друг друга, поэтому шарики касаются каждой дорожки качения по линии, расположенной под углом к радиальной плоскости подшипника. Этот угол, называемый углом контакта, позволяет одному подшипнику нести радиальную и осевую (упорную) нагрузку в одном направлении одновременно, чего стандартный радиальный шарикоподшипник не может эффективно выполнять. Радиально-упорные шарикоподшипники (ACBB) имеют один приподнятый буртик на наружном кольце и один опущенный буртик, что создает асимметрию, необходимую для передачи осевой нагрузки через точку контакта шарика с дорожкой качения.

Стандартные углы контакта, используемые в подшипниковой промышленности, 15°, 25° и 40° , при этом 30° также присутствует в диапазонах некоторых производителей. Эмпирическое правило простое: больший угол контакта несет большую осевую нагрузку, но выдерживает меньшую скорость; меньший угол контакта вращается быстрее, но обеспечивает меньшую тягу. Поскольку однорядный радиально-упорный подшипник может противостоять давлению только в одном направлении, в большинстве случаев два подшипника устанавливаются как согласованная пара, чтобы выдерживать нагрузку, исходящую с обеих сторон вала.

Как работают радиально-упорные шарикоподшипники

Внутри радиального шарикоподшипника канавки дорожек качения симметричны, и шарик располагается по центру между ними — угол контакта практически равен нулю, поэтому подшипник в основном противостоит радиальной нагрузке. В радиально-упорном подшипнике канавка наружного кольца смещена в осевом направлении относительно канавки внутреннего кольца. Когда шар находится между двумя смещенными канавками, линия, соединяющая две его точки контакта, больше не перпендикулярна валу — она наклонена. Этот наклон и есть угол контакта (α). , и это то, что преобразует часть любого радиального давления в путь нагрузки, способный противостоять осевому давлению.

Свободные, статические и динамические углы контакта

В каталогах подшипников указан «свободный» или номинальный угол контакта (15°, 25°, 40°), измеренный при разгруженном и демонтированном подшипнике. Как только подшипник запрессовывается на вал, подвергается тепловому расширению и подвергается рабочей нагрузке и центробежной силе от вращения, фактический (или эффективный) угол контакта смещается от этого номинального значения. Если угол контакта увеличивается слишком сильно, шарик может вылететь за буртик дорожки качения и вызвать преждевременный выход из строя; если он упадет слишком низко, шарики могут застрять в дорожке качения или потерять предварительный натяг, что приведет к неустойчивому движению шариков и преждевременному износу. Вот почему инженеры по подшипникам рассчитывают как статические, так и динамические сдвиги угла контакта, прежде чем окончательно определиться со спецификациями посадки и предварительной нагрузки, а не полагаться только на угол из каталога.

Варианты угла контакта: 15°, 25° и 40° в сравнении

Выбор правильного угла контакта является наиболее важным решением при выборе радиально-упорного подшипника, поскольку он фиксирует компромисс между скоростью и осевой силой на протяжении всего срока службы. Пятнадцатиградусные подшипники максимизируют скоростные характеристики при меньшей осевой нагрузке и являются лучшим выбором для высокоскоростных шпинделей со скоростью выше примерно 15 000 об/мин, где осевая нагрузка остается умеренной. Двадцатипятиградусные подшипники являются универсальным и наиболее широко распространенным выбором, обеспечивающим балансировку скорости и осевой нагрузки в большинстве прецизионных редукторов, робототехнических соединений и среднескоростных шпинделей. Подшипники с углом поворота в сорок градусов максимизируют осевую грузоподъемность, но приводят к значительному снижению скорости.

Практический способ запомнить это: когда радиальная нагрузка доминирует в сценарии нагрузки, по умолчанию используется угол наклона 25°; при преобладании осевой (тяговой) нагрузки – шаг до 40°; когда вал должен вращаться быстро и осевая нагрузка невелика, уменьшите угол до 15°. Производители также кодируют угол в номере детали — например, NSK использует суффикс «A5» для обозначения угла 25°. , и многие бренды добавляют букву «B» к базовому номеру детали, чтобы указать 40 °, а не стандартные 30 °, поэтому всегда сверяйте код угла с каталогом конкретного производителя, а не предполагайте универсальную систему суффиксов.

Радиально-упорные подшипники в сравнении с радиальными шарикоподшипниками

Радиально-упорные и радиальные подшипники часто имеют одинаковый диаметр отверстия, внешний диаметр и ширину, что делает их взаимозаменяемыми на чертеже, но замена одного на другой в условиях реальной нагрузки может сократить срок службы подшипника L10 на 60–80% или, в худших случаях, вызвать заклинивание в течение нескольких часов после запуска. Разница полностью сводится к углу контакта и требуемой геометрии плеча.

Радиальный шарикоподшипник 6206 (отверстие 30 мм) выдерживает динамическую радиальную нагрузку примерно 19,5 кН, тогда как аналогичный радиально-упорный подшипник 7206 под углом 25° выдерживает около 17,8 кН в радиальном направлении — примерно на 9 % меньше. Радиально-упорный подшипник решительно вырывается вперед со стороны упора: тот же 7206 под углом 25° может выдерживать постоянную осевую нагрузку примерно до 8,5 кН, тогда как эквивалентный радиальный подшипник обычно ограничивается только 30–40 % своего динамического радиального номинала в осевом направлении и только на низких и средних скоростях. Для любого применения со значительным усилием — косозубые зубчатые зацепления, шарико-винтовые пары, угловые силы резания — радиальный подшипник просто исчерпывает осевую способность задолго до того, как это сделает радиально-упорный подшипник.

Визуальная идентификация

У радиального подшипника по обе стороны от шариковой канавки есть два равных буртика, а у радиально-упорного подшипника — один высокий буртик и один низкий буртик — высокая сторона является несущей поверхностью и при установке должна быть обращена к источнику осевой нагрузки. Нумерация деталей является еще одним важным моментом: радиально-упорные шарикоподшипники обычно имеют обозначение серии 7xxx, а радиальные шарикоподшипники — номера серии 6xxx.

Варианты монтажа: пояснения к DB, DF и DT

Поскольку один радиально-упорный подшипник противостоит нагрузке только в одном направлении, в большинстве реальных установок используются два (или более) подшипника, смонтированные как согласованная, предварительно отрегулированная пара. Подшипники могут располагаться так, чтобы передние поверхности наружных колец были вместе ( Х-образная, DF), задние поверхности вместе ( Х-образная, DB) или совмещены торцами в одном направлении (тандем, DT). Выбор неправильного распределения нагрузки является одной из наиболее распространенных и дорогостоящих ошибок в спецификации.

Спина к спине (БД)

При расположении «спина к спине» линии угла контакта двух подшипников расходятся внутрь, образуя О-образную форму, поэтому DB также называют О-образным расположением. Соединение DB обеспечивает максимальное сопротивление опрокидывающим моментам, поэтому это правильный выбор, когда радиальная нагрузка в сочетании с опрокидывающим моментом доминирует в сценарии нагрузки. Благодаря широкому эффективному расстоянию между центрами нагрузки пары DB являются стандартным выбором для торцов шпинделей и ступиц колес, которые должны противостоять опрокидывающим силам.

Лицом к лицу (DF)

При расположении «лицом к лицу» зазор находится между внешними, а не внутренними кольцами, и закрытие этого зазора при установке создает рабочую предварительную нагрузку. Соединение DF является правильным решением, когда осевая нагрузка может исходить с обоих направлений и узел должен термически компенсировать расширение вала, поскольку более узкое расстояние между центрами нагрузки более изящно переносит рост вала, чем DB. Компромиссом является более низкое сопротивление моментным нагрузкам, поэтому парам DF требуется достаточное осевое расстояние, если сопротивление смещению имеет значение.

Тандем (ДТ)

В тандемном расположении линии угла контакта обоих подшипников проходят параллельно, создавая очень тяжелую конфигурацию осевого усилия, которая не несет радиальной нагрузки и воспринимает осевое усилие только в одном направлении. Пара DT является выбором, когда однонаправленная осевая нагрузка слишком велика для одного подшипника, поскольку такое расположение накладывает осевую нагрузку на оба подшипника. Если в тандемной системе необходимо противодействовать тяге с обоих направлений, против тандемной пары необходимо добавить третий подшипник — один только DT не обеспечивает собственной осевой устойчивости без этой дополнительной предварительной нагрузки.

Распространенные типы радиально-упорных шарикоподшипников

Однорядные радиально-упорные подшипники

Базовая конструкция: один ряд шариков, одно приподнятое плечо, способное воспринимать радиальную нагрузку и осевую нагрузку в одном направлении. Используется отдельно только там, где тяга действительно однонаправленная; в противном случае монтируется в пару DB, DF или DT.

Двухрядные радиально-упорные подшипники

Двухрядные радиально-упорные подшипники, рассчитанные на высокую жесткость и комбинированные радиальные и осевые нагрузки в обоих направлениях, обычно используются в двигателях, насосах и компрессорах. Они функционируют как постоянная пара, расположенная по схеме «спина к спине», встроенная в один подшипник, выдерживая осевые нагрузки в обоих направлениях, а также воспринимая моментные нагрузки, и часто используются в качестве подшипника с фиксированным концом в системе вала.

Четырехточечные контактные подшипники

Подшипники с четырехточечным контактом имеют компактную конструкцию высокой жесткости, которая выдерживает осевые нагрузки в обоих направлениях с ограниченной радиальной грузоподъемностью и обычно встречаются в двигателях, коробках передач и насосах. При радиальной нагрузке шарики устанавливают четыре точки контакта с внутренним и наружным кольцами, а при чистой осевой нагрузке контакт уменьшается до двух точек, как в стандартном радиально-упорном подшипнике. Такая конструкция позволяет одному подшипнику заменить согласованную пару там, где осевое пространство ограничено.

Дуплексные (согласованная пара) радиально-упорные подшипники

Дуплексные подшипники — это два или более однорядных радиально-упорных подшипников, изготовленных и подобранных в виде комплекта с заданным зазором и предварительным натягом, а затем смонтированных вместе в конфигурации DB, DF или DT. Поскольку согласованные пары должны быть изготовлены в одной производственной партии, чтобы гарантировать постоянство характеристик, их никогда не следует смешивать с подшипниками из другого комплекта, даже если номера деталей кажутся идентичными.

Миниатюрные радиально-упорные подшипники

Миниатюрные радиально-упорные подшипники представляют собой компактные высокоточные версии стандартной однорядной конструкции, обычно с диаметром отверстия менее 10 мм, предназначенные для ограниченного пространства и критически важных применений, таких как стоматологические наконечники, оптические инструменты и небольшие сервоприводы.

Предварительный натяг: зачем он нужен радиально-упорным подшипникам

Радиально-упорные подшипники обычно собираются с предварительным натягом, приложенным между внутренним кольцом, шариками и внешним кольцом, что минимизирует или устраняет внутренний зазор между шариками и обеими дорожками качения. Без предварительного натяга радиально-упорный подшипник под небольшой или реверсивной нагрузкой может вызвать проскальзывание шариков, вибрацию и преждевременный износ, поскольку шарики на мгновение теряют постоянный контакт с дорожкой качения.

Предварительная нагрузка тесно связана как с углом контакта, так и с расположением пар, и ее правильная настройка особенно важна в высокоскоростных и высокоточных устройствах, таких как шпиндели и серводвигатели, где правильная предварительная нагрузка повышает жесткость и снижает вибрацию. Конкретный метод — предварительный натяг, устанавливаемый на заводе, предварительный натяг пружины или набор преднатяга с коническими шайбами ​​при установке — обычно определяется на этапе установки, а не фиксируется на этапе проектирования. Чрезмерная предварительная нагрузка является распространенной ошибкой: Избыточная сила зажима приводит к увеличению трения и нагрева, что может сократить срок службы подшипника так же, как и работа со слишком малым предварительным натягом.

Типичные области применения радиально-упорных шарикоподшипников

Радиально-упорные подшипники используются везде, где вал испытывает значительную осевую нагрузку наряду с радиальной нагрузкой, которая охватывает широкий спектр вращающихся механизмов. Несколько наиболее распространенных применений иллюстрируют, почему угол контакта и расположение монтажа имеют такое большое значение на практике:

• Шпиндели станков — от сверхточных шпинделей станков с ЧПУ, работающих со скоростью до 30 000 об/мин, где подшипники с углом наклона 15° обеспечивают скорость, необходимую для процесса.
• Ступицы автомобильных колес — двухрядные радиально-упорные подшипники являются стандартным выбором для ступиц колес современных автомобилей, легко справляясь с огромными осевыми нагрузками, возникающими при прохождении поворотов на высокой скорости.
• Центробежные насосы — рабочее колесо выталкивает жидкость вперед, создавая равную и противоположную силу тяги назад вдоль вала, а радиально-упорные подшипники с углом наклона 40° легко поглощают эту тягу.
• ШВП и линейные оси — прецизионная автоматизация требует нулевого люфта, а радиально-упорные подшипники, расположенные по схеме «спина к спине», обеспечивают жесткое осевое позиционирование, необходимое для точного движения робота.
• Велосипедные гарнитуры — в большинстве велосипедов в рулевой колонке используются радиально-упорные подшипники, поскольку действующие там силы действуют как в радиальном, так и в осевом направлении.
• Коробки передач и турбокомпрессоры — согласованные пары угловых контактов широко используются везде, где возникают двунаправленные осевые нагрузки, включая коробки передач, турбокомпрессоры и соединения роботов.

Как правильно выбрать радиально-упорный подшипник

Правильный выбор радиально-упорного подшипника сводится к последовательному соблюдению требований к направлению нагрузки, скорости и точности — пропуск любого из этих шагов является причиной большинства сбоев на стороне приложения.

1. Определите, является ли осевая нагрузка однонаправленной или двунаправленной. При однонаправленных нагрузках иногда может использоваться один подшипник; двунаправленные нагрузки всегда требуют согласованной пары или двухрядной конструкции.
2. Сравните величину радиальной и осевой нагрузки. Когда радиальная нагрузка превышает осевую, универсальным выбором является угол контакта 25°; когда осевая нагрузка превышает радиальную, увеличьте угол до 40° для увеличения тяги; а для высокоскоростных сценариев с небольшой нагрузкой предпочтителен угол 15°.
3. Подберите способ монтажа в соответствии с преобладающим типом нагрузки: DB «спина к спине» для радиальной нагрузки плюс опрокидывающий момент (самое сильное сопротивление опрокидыванию), DF «лицом к лицу», когда двунаправленная осевая нагрузка также должна компенсировать тепловое расширение вала, и DT «тандем», когда слишком большая однонаправленная осевая нагрузка требует совместной мощности нескольких подшипников.
4. Прежде чем окончательно определить угол контакта, проверьте предельную скорость (теоретический максимум в идеальных условиях), эталонную скорость (рекомендуемый верхний предел для стабильной долгосрочной работы) и фактическую рабочую скорость приложения с номинальными значениями подшипника.
5. Для высокоточной или высокоскоростной работы шпинделя укажите класс точности P5 или выше, поскольку эти классы обычно используются в главных шпинделях станков, где предварительная нагрузка регулируется в зависимости от условий эксплуатации с помощью специальной посадки.
6. Подтвердите соглашение производителя о коде угла (например, суффикс «A5» или «B») по конкретному каталогу, а не предполагайте, что он соответствует нумерации другого бренда.

Выполнение этих шести шагов сразу, а не использование знакомого номера детали по умолчанию, — вот что отличает подшипник, достигший номинального срока службы L10, от подшипника, который рано выходит из строя при нагрузке, которую он фактически никогда не пригоден для перевозки.