Что такое радиально-упорные шарикоподшипники и как они работают, типы и области применения?

Принцип работы радиально-упорных шарикоподшипников

Понимание принципа работы радиально-упорные шарикоподшипники начинается с углом контакта, ведь именно этот геометрический параметр принципиально определяет все остальные эксплуатационные характеристики подшипника. В стандартном радиальном шарикоподшипнике контакт между шариком и обеими дорожками качения приблизительно радиальный, то есть линия передачи нагрузки между внутренней точкой контакта дорожки качения, центром шарика и внешней точкой контакта дорожки качения почти перпендикулярна оси подшипника. Геометрия дорожек качения в таком подшипнике эффективно противостоит радиальным нагрузкам, но обеспечивает ограниченное сопротивление осевым нагрузкам, поскольку геометрия контакта шарика с дорожкой качения не имеет большой выступающей площади в осевом направлении, чтобы противостоять осевому усилию.

Значение угла контакта

В конструкция радиально-упорного подшипника Внутренние и внешние канавки дорожек качения расположены асимметрично вдоль оси подшипника, создавая смещение между центральными плоскостями внутренней и внешней канавок. Когда шарик находится в этих смещенных канавках, линия, соединяющая его внутренние и внешние точки контакта с дорожками качения, наклонена под углом контакта относительно радиальной плоскости. Этот наклон означает, что несущая способность подшипника распределяется между радиальным и осевым направлениями в зависимости от угла контакта: По мере увеличения угла контакта доля несущей способности подшипника, доступной в осевом направлении, увеличивается, в то время как радиальная грузоподъемность пропорционально уменьшается.

В частности, для подшипника с углом контакта альфа допустимая осевая нагрузка пропорциональна sin(альфа), а допустимая радиальная нагрузка пропорциональна cos(альфа). При угле контакта 15 градусов sin(15°) равен 0,259, а cos(15°) равен 0,966, что указывает на то, что подшипник в первую очередь оптимизирован для радиальных нагрузок с умеренной осевой нагрузкой. При угле контакта 40 градусов sin(40°) равен 0,643, а cos(40°) равен 0,766, что указывает на существенно более высокую долю несущей способности в осевом направлении. Угол контакта 40 градусов является стандартным выбором для применений, где осевые нагрузки являются основной движущей силой конструкции, например, шпиндели станков, работающие под большими силами резания в одном направлении, или упорные подшипники приводов винтового типа.

Вternal Raceway Displacement Along the Bearing Axis

Смещение между центральными плоскостями внутренней и внешней канавок в радиально-упорном шарикоподшипнике означает, что линия действия результирующей опорной силы проходит через подшипник в точке на оси подшипника, смещенной от геометрического центра подшипника. Эта смещенная точка приложения нагрузки называется центром давления или эффективным центром нагрузки подшипника. У однорядных радиально-упорных шарикоподшипников центр давления расположен за пределами ширины подшипника со стороны, с которой действует осевая нагрузка. Такое смещение центра давления имеет значительные последствия для конструкции подшипникового узла, особенно в парных конфигурациях подшипников, поскольку расстояние между центрами давления двух подшипников в системе определяет эффективный пролет подшипника и, следовательно, жесткость системы и реакции наведенного момента на валу.

Комбинированная радиальная и осевая нагрузка

Радиально-упорные шарикоподшипники воспринимают комбинированные нагрузки за счет наклона линии контактной нагрузки между каждым шариком и дорожками качения. Когда к подшипнику прилагается комбинированная радиальная и осевая нагрузка, результирующая сила в каждой точке контакта нагруженного шарика с дорожкой качения имеет как радиальную, так и осевую составляющие, которые решаются за счет наклонной геометрии контакта. Способность подшипника выдерживать комбинированные нагрузки количественно определяется эквивалентной динамической нагрузкой, которая представляет собой расчетную нагрузку по одной оси, обеспечивающую такой же усталостный срок службы подшипника, как и фактическая комбинированная нагрузка. Эквивалентная динамическая нагрузка P рассчитывается как P = X × Fr Y × Fa, где Fr — радиальная нагрузка, Fa — осевая нагрузка, а X и Y — коэффициенты радиальной и осевой нагрузки, которые зависят от угла контакта и соотношения осевой и радиальной нагрузки. Для угла контакта 40 градусов в условиях чистой осевой нагрузки коэффициент Y приближается к 0,6, что означает, что допустимая осевая нагрузка составляет примерно 67 процентов от базовой динамической нагрузки C, что значительно выше, чем коэффициент Y, равный примерно 1,0 для подшипника с углом контакта 15 градусов.

Типы радиально-упорных шарикоподшипников

Радиально-упорные шарикоподшипники производятся в нескольких конструктивных конфигурациях, каждая из которых оптимизирована для различных комбинаций направления нагрузки, пространственных ограничений и требований к монтажу. Понимание характеристик каждого типа необходимо для выбора правильного подшипника для конкретного применения.

Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники

однорядный радиально-упорный шарикоподшипник является основной и наиболее широко используемой конфигурацией в семействе радиально-упорных подшипников. Он состоит из одного ряда шариков, движущихся по смещенным внутренним и внешним канавкам дорожек качения, с сепаратором для сохранения расстояния между шариками и характерного угла контакта, который определяет распределение его грузоподъемности. Ключевые характеристики однорядных радиально-упорных шарикоподшипников:

• Высокая скорость: low mass and well defined contact geometry of the single row design, combined with precision manufacturing tolerances, allow operation at very high rotational speeds. The speed limit of a single row angular contact ball bearing is expressed as the product of the bore diameter in millimeters and the speed in rpm (the DN value), with values up to 3 million DN achievable in precision grade oil lubricated designs.
• Однонаправленная осевая нагрузка: Однорядный радиально-упорный шарикоподшипник может воспринимать осевые нагрузки только в одном направлении: в направлении, в котором шарики нагружаются на более высокий буртик внешней дорожки качения (или внутренней дорожки качения, в зависимости от ориентации подшипника). Если приложение требует поддержки осевой нагрузки в обоих направлениях, необходимо использовать два однорядных подшипника в паре или выбрать альтернативный тип подшипника.
• Точность и жесткость: Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники производятся с классами точности (ABEC 5, 7 и 9 или ISO P5, P4 и P2), которые обеспечивают точность размеров и точность вращения, необходимые для прецизионных шпинделей. При правильной предварительной нагрузке в парном расположении они обеспечивают исключительную жесткость и точность позиционирования.

Поскольку однорядный радиально-упорный шарикоподшипник может воспринимать осевые нагрузки только в одном направлении, практически во всех практических применениях его необходимо соединить с другим подшипником. Используются три стандартных схемы сопряжения:

• Расположение спина к спине (DB): two bearings are mounted with their high shoulders facing away from each other (back to back). This arrangement results in a wide effective span between the pressure centers, providing high tilting moment resistance and making the arrangement suitable for applications where overhanging loads create significant bending moments on the shaft.
• Расположение лицом к лицу (DF): two bearings are mounted with their high shoulders facing each other (face to face). This arrangement results in a narrow effective span and is more tolerant of shaft misalignment than the DB arrangement, making it suitable for shafts that may deflect under load or where mounting accuracy is limited.
• Тандемное расположение (DT): Оба подшипника установлены с одинаковой ориентацией, поэтому их допустимая осевая нагрузка суммируется в одном направлении. Эта конструкция используется там, где одного подшипника недостаточно для восприятия необходимой осевой нагрузки в одном направлении, и второй подшипник добавляется последовательно, чтобы удвоить допустимую осевую нагрузку. Тандемная конструкция не может воспринимать осевые нагрузки в противоположном направлении и должна быть объединена с другим подшипником для обеспечения осевого ограничения в обоих направлениях.

Двухрядные радиально-упорные шарикоподшипники

двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник включает два ряда шариков в одном корпусе подшипника, эффективно объединяя два однорядных подшипника, расположенных спиной к спине или лицом к лицу внутри одного и того же наружного кольца и отверстия. Такая конструкция обеспечивает значительные преимущества в тех случаях, когда ограниченное пространство не позволяет использовать два отдельных однорядных подшипника или где простота одного подшипникового узла желательна для облегчения установки и снижения сложности сборки. Двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник по своей природе воспринимает осевые нагрузки в обоих направлениях, поскольку его два ряда ориентированы с противоположными углами контакта. С точки зрения экономии пространства двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник обычно экономит от 30 до 40 процентов осевого пространства, необходимого для двух отдельных однорядных подшипников эквивалентной грузоподъемности, что делает его предпочтительным выбором для компактных конструкций шпинделей и инструментальных подшипников, где размеры корпуса имеют решающее значение.

Радиально-упорные шарикоподшипники с четырехточечным контактом

Радиально-упорные шарикоподшипники с четырехточечным контактом использовать уникальную конструкцию дорожки качения, в которой каждый шарик контактирует как с внутренней, так и с внешней дорожкой качения в двух точках одновременно, создавая четыре точки контакта на каждый шарик (две на внутренней дорожке качения и две на внешней дорожке качения). Такая конструкция достигается за счет использования профиля дорожки качения в виде готической арки с радиусом кривизны, немного меньшим радиуса шарика, что создает две отдельные точки контакта на каждой поверхности дорожки качения, а не один центральный контакт, как в стандартной канавке в виде дуги окружности. Конструкция с четырьмя точками контакта позволяет однорядному подшипнику воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях одновременно, чего не могут достичь стандартные однорядные радиально-упорные шарикоподшипники, сохраняя при этом очень компактную осевую зону. Допустимая осевая нагрузка четырехточечного контактного подшипника на единицу осевой ширины значительно выше, чем у стандартного однорядного радиально-упорного шарикоподшипника того же внутреннего диаметра и наружного диаметра, что делает эту конструкцию предпочтительным выбором для опорно-поворотных устройств, подшипников поворотных кругов и других применений, где высокие осевые нагрузки в обоих направлениях должны восприниматься в тонком поперечном сечении. Ограничением конструкции четырехточечного контакта является то, что одновременный двухточечный контакт на каждой дорожке качения создает более высокие внутренние напряжения в каждой точке контакта и выделяет больше тепла при высоких скоростях вращения, что ограничивает максимальную номинальную скорость по сравнению со стандартными однорядными конструкциями.

Серии радиально-упорных шарикоподшипников: 7000, 7200 и 7300.

dimensional series designation system for angular contact ball bearings follows the ISO bearing designation framework in which the first digit of the bearing number indicates the dimensional series (the relationship between bore diameter and outer diameter) and the contact angle is specified separately. The three main standard series for angular contact ball bearings in general industrial and precision applications are the 7000, 7200, and 7300 series, which represent light, medium, and heavy dimensional series respectively.

Радиально-упорные шарикоподшипники серии 7000 представляют собой высокоточные, высокоскоростные однорядные подшипники, разработанные с небольшим углом контакта, обычно около 15 градусов, что делает их идеальными для применений, где скорость и точность более важны, чем грузоподъемность. Их оптимизированная внутренняя геометрия снижает трение и выделение тепла, обеспечивая стабильную работу при очень высоких скоростях вращения, сохраняя при этом превосходную жесткость и стабильность размеров. Благодаря точности изготовления и высококачественным материалам эти подшипники работают с низким уровнем вибрации и шума, что делает их особенно подходящими для шпинделей станков с ЧПУ, прецизионных двигателей, медицинских инструментов и высокоскоростных систем автоматизации, где важны плавность и точность.

Радиально-упорные шарикоподшипники серии 7200 разработаны с большим углом контакта, обычно от 20 до 30 градусов, что обеспечивает сбалансированную производительность между осевой и радиальной нагрузкой. Такая конструкция позволяет подшипникам выдерживать значительные осевые нагрузки в обоих направлениях, сохраняя при этом стабильность в условиях высоких скоростей. Благодаря высокой жесткости, контролируемому тепловому расширению и точным уровням допуска серия 7200 надежно работает в сложных условиях, требующих как точности, так и долговечности. Эти подшипники широко используются в шпинделях высокоточных станков, промышленных двигателях, автоматизированных производственных линиях и роботизированных системах, где требуются комбинированные нагрузки и стабильная производительность.

Радиально-упорные шарикоподшипники серии 7300 предназначены для тяжелых условий эксплуатации и имеют большой угол контакта (около 30 градусов), что позволяет им выдерживать значительные осевые нагрузки и надежно работать в условиях высоких нагрузок. Их прочная конструкция в сочетании с высококачественной сталью и передовыми производственными процессами обеспечивает превосходную жесткость, усталостную прочность и длительный срок службы даже в суровых условиях эксплуатации. Эти подшипники сохраняют стабильную работу при высоких скоростях и температурах, что делает их идеальными для крупных станков, тяжелого промышленного оборудования, аэрокосмической техники и прецизионного оборудования, требующих как высокой грузоподъемности, так и долгосрочной эксплуатационной стабильности.

Серия	Размерная серия	Типичный угол контакта	Скорость	Характеристика нагрузки	Основные приложения
Серия 7000	Дополнительный свет (00)	15 градусов	Очень высокий (до 3 миллионов DN)	Высокая радиальная, умеренная осевая	Шпиндели с ЧПУ, прецизионные двигатели, медицинские инструменты
Серия 7200	Свет (02)	от 20 до 30 градусов	Высокая (до 2 миллионов DN)	Сбалансированная комбинированная нагрузка	Шпиндели станков, промышленные двигатели, робототехника
Серия 7300	Средний (03)	30 градусов	Средний (до 1,5 млн DN)	Высокая осевая нагрузка	Тяжелые станки, аэрокосмическая промышленность, промышленное оборудование

Технические характеристики радиально-упорных шарикоподшипников

Радиально-упорные шарикоподшипники производятся в соответствии с тщательно контролируемыми техническими спецификациями, которые определяют их размерную точность, точность хода, качество поверхности и свойства материала. Понимание этих спецификаций необходимо для выбора подшипников, которые будут соответствовать требованиям точности и производительности в сложных условиях эксплуатации.

Классы точности: стандарты ABEC и ISO

Радиально-упорные шарикоподшипники для прецизионного применения производятся в соответствии с классами точности, определенными ABEC (Комитетом инженеров по кольцевым подшипникам) в Северной Америке и ISO (Международной организацией по стандартизации) во всем мире. Класс точности определяет допуски на диаметр отверстия, наружный диаметр, ширину, радиальное биение внутреннего и наружного колец, а также осевое биение поверхностей подшипника. Стандартные классы точности в порядке возрастания точности:

• ABEC 1 (ISO нормальный или P0): Стандартная точность для общепромышленного применения, достаточная для большинства двигателей, насосов и общего оборудования, где точность позиционирования не является критическим требованием.
• ABEC 3 (ISO P6): Улучшенный класс точности с более жесткими допусками по точности размеров и точности вращения, используется в приложениях, требующих лучшего, чем стандартный, контроля размеров и уменьшенного радиального биения.
• ABEC 5 (ISO P5): Класс точности для шпинделей станков, прецизионных двигателей и других устройств, где точность вращения и повторяемость размеров имеют решающее значение. Подшипники ABEC 5 имеют допуск на радиальное биение внутреннего кольца порядка 5 микрометров.
• ABEC 7 (ISO P4): Высокий класс точности для требовательных шпинделей станков и прецизионных инструментов. Допуски радиального биения уменьшены примерно до 2,5 микрометров, а допуски отверстия и наружного диаметра соответственно ужесточены. Радиально-упорные шарикоподшипники ABEC 7 и ABEC 9 являются стандартной спецификацией для шпинделей высокоточных шлифовальных станков и координатно-измерительных машин, где требуется субмикронная точность позиционирования.
• ABEC 9 (ISO P2): Класс сверхточности для самых требовательных гироскопов, прецизионных приборов и сверхвысокоскоростных шпинделей с допусками радиального биения порядка 1 микрометра.

Материалы сепаратора: сталь, латунь и полиамид.

cage in an angular contact ball bearing maintains the circumferential spacing of the balls, guides the balls during rotation, and distributes lubricant within the bearing. Cage material selection has a significant effect on the bearing's speed capability, operating temperature range, and compatibility with different lubrication systems:

• Прессованный стальной сепаратор: most common cage material for standard and medium precision angular contact ball bearings. Steel cages are strong, dimensionally stable, and compatible with both grease and oil lubrication over a wide temperature range from approximately -40 degrees Celsius to 150 degrees Celsius. Their higher mass compared to polyamide cages limits their use in the highest speed applications.
• Латунный (механически обработанный) сепаратор: Механически обработанные латунные сепараторы используются в прецизионных радиально-упорных шарикоподшипниках для шпинделей станков и в условиях высоких температур. Латунь стабильна по размерам, обладает хорошей теплопроводностью и совместима со смазкой маслом при температуре до 200 градусов Цельсия. Масса латунных сепараторов выше, чем у полиамидных, но ниже, чем у стальных сепараторов аналогичного сечения.
• Сепаратор из полиамида (формованный): Вjection molded polyamide (nylon) cages are the preferred choice for very high speed applications because their low density (approximately one seventh that of steel) significantly reduces centrifugal loading on the cage and the ball to cage contact forces at high rotational speeds. Polyamide cages are compatible with grease lubrication and non aggressive oil lubrication up to approximately 120 degrees Celsius, limiting their use in high temperature applications.

Методы смазки: консистентная смазка или масляные системы

lubrication system of an angular contact ball bearing has a profound effect on its operating temperature, speed limit, and service life. Two primary lubrication methods are used in practice:

• Консистентная смазка: Радиально-упорные шарикоподшипники с консистентной смазкой проще предъявляют требования к опорной системе, поскольку им не требуется внешняя подача масла, насос или система рециркуляции. Используется высокоскоростная смазка прецизионного класса с низкой вязкостью базового масла (от 15 до 50 сСт при 40 градусах Цельсия) и подходящим загустителем (обычно литиевый комплекс или полимочевина). Консистентная смазка подходит для параметров скорости (величины DN) примерно до 1,5 миллиона для радиально-упорных шарикоподшипников, за пределами которых выделение тепла в смазке превышает ее способность рассеивать тепло, и смазка быстро разлагается. Подшипники, смазываемые консистентной смазкой, предварительно заполняются на заводе и не требуют технического обслуживания пользователем в течение обычного срока службы в типичных применениях, обычно срок службы составляет несколько тысяч часов, прежде чем потребуется повторная смазка.
• Масляная смазка (циркуляционное масло и воздушный масляный туман): Для очень высокоскоростных применений, таких как шлифовальные шпиндели и прецизионные обрабатывающие центры, работающие со скоростью выше предельной скорости смазки, требуется смазка маслом. Используются два метода смазки маслом: смазка масляным туманом, при которой тонкий туман из капель масла переносится в подшипник потоком воздуха; и масляно-воздушная смазка (также называемая смазкой минимальным количеством), при которой точно дозированные небольшие объемы масла подаются в подшипник через определенные промежутки времени с помощью сжатого воздуха. Системы воздушно-масляной смазки могут выдерживать значения DN от 2 до 3 миллионов в радиально-упорных шарикоподшипниках, что более чем в два раза превышает предел смазки консистентной смазкой, обеспечивая непрерывную подачу свежего масла, которое отводит тепло из зон контакта подшипников и предотвращает термическое разрушение смазочной пленки.

Применение радиально-упорных шарикоподшипников

combination of high speed capability, precision, and combined load bearing capacity makes angular contact ball bearings the standard choice across a wide spectrum of demanding rotating machinery applications. The following sections describe the principal application areas and the specific bearing requirements each presents.

Шпиндели станков

Шпиндели станков представляют собой наиболее технически сложную и наиболее коммерчески важную область применения прецизионных радиально-упорных шарикоподшипников. Шпиндель должен одновременно достигать очень высокой точности вращения (для изготовления прецизионных заготовок), работать на высоких скоростях вращения (для достижения оптимальных скоростей резания современными твердосплавными и керамическими режущими инструментами), противостоять комбинированным радиальным и осевым силам резания, возникающим во время обработки, сохранять стабильность размеров в широком диапазоне рабочих температур и достигать срока службы в десятки тысяч часов работы. Радиально-упорные шарикоподшипники при правильном выборе отвечают всем этим требованиям и используются практически во всех типах шпинделей станков: фрезерных, токарных, шлифовальных, сверлильных и расточных.

В a typical machining center spindle, two or three angular contact ball bearings in a DB or tandem face arrangement at the front, with a single floating bearing at the rear, provide the high rigidity and high speed support required. Front bearings are preloaded to maximize stiffness; the rear bearing floats axially to accommodate thermal expansion.

Насосы и компрессоры

В центробежных насосах и компрессорах используются радиально-упорные шарикоподшипники для поддержки валов рабочего колеса от комбинированных радиальных и осевых нагрузок, вызванных дисбалансом ротора, силами реакции жидкости и перепадами давления на рабочем колесе. В насосах, перекачивающих агрессивные жидкости, керамические гибридные радиально-упорные шарикоподшипники с шариками из нитрида кремния обеспечивают коррозионную стойкость, необходимую для надежной работы в агрессивных средах с жидкостью.

Автомобильные системы

Радиально-упорные шарикоподшипники выполняют важные функции во многих автомобильных подсистемах. В ступицах автомобильных колес (особенно в ступицах передних колес) радиально-упорные шарикоподшипники в двухрядной конфигурации выдерживают комбинированные радиальные нагрузки от веса транспортного средства и осевые нагрузки от поворотных сил, которые могут в несколько раз превышать статический вес автомобиля на нагруженном колесе. В подшипниках автомобильного генератора и электроусилителя рулевого управления используются прецизионные радиально-упорные шарикоподшипники, обеспечивающие сочетание низкого уровня шума, длительного срока службы и способности противостоять компонентам осевой нагрузки, создаваемым силами винтовых зубьев шестерни и нагрузками натяжения ремня.

Высокоскоростные двигатели и турбины

Высокоскоростные электродвигатели, газовые турбины и турбокомпрессоры работают на скоростях, на которых только радиально-упорные шарикоподшипники высочайшей точности и с оптимизированной смазкой обеспечивают надежную работу. Подшипники турбокомпрессора работают при частоте вращения вала до 300 000 об/мин, повышенных температурах со стороны выхлопных газов и значительном изменении радиальной и осевой нагрузки. Специализированные радиально-упорные шарикоподшипники с керамическими шариками из нитрида кремния стали стандартом в современных конструкциях турбокомпрессоров, поскольку меньшая масса и более высокая твердость керамических шариков снижают центробежную нагрузку и контактные напряжения, значительно продлевая срок службы по сравнению со всеми стальными конструкциями.

Выбор и обслуживание радиально-упорных шарикоподшипников

Правильный выбор радиально-упорные шарикоподшипники требует систематического инженерного анализа условий нагрузки приложения, требований к скорости, ограничений по пространству, требований к точности и условий окружающей среды. Неправильный выбор является наиболее распространенной причиной преждевременного выхода из строя подшипников при эксплуатации, и следующая схема описывает основные этапы правильного выбора.

Расчет эквивалентной динамической нагрузки

fundamental starting point for angular contact ball bearing selection is the calculation of the equivalent dynamic load, which converts the actual combined radial and axial load acting on the bearing into a single equivalent radial load that can be compared with the bearing's basic dynamic load rating. The formula is P = X × Fr Y × Fa, where X is the radial load factor and Y is the axial load factor from the bearing manufacturer's catalog for the specific contact angle and load ratio. Once the equivalent dynamic load P is calculated, the basic rating life L10 (in millions of revolutions) can be determined as L10 = (C/P)^3, where C is the basic dynamic load rating. For a required service life in hours, the required load rating can be back calculated to verify that the selected bearing provides adequate fatigue life at the operating speed and load.

Методы предварительной нагрузки для обеспечения жесткости

Предварительная нагрузка — это приложение внутренней осевой силы к паре радиально-упорных шарикоподшипников для устранения внутреннего зазора и создания сжимающей предварительной нагрузки на тела качения, увеличивающей контактную жесткость подшипниковой системы. Предварительная нагрузка необходима в прецизионных шпинделях, чтобы максимизировать жесткость системы и минимизировать отклонение вала при резающих нагрузках. Используются два метода предварительной загрузки:

• Позиционный предварительный натяг (жесткий преднатяг): preload is set by controlling the axial displacement between the inner and outer rings of the bearing pair through precise spacer lengths. Positional preload provides very high and well defined stiffness but can be affected by differential thermal expansion of the shaft and housing, which can increase the preload unpredictably at elevated temperatures. Positional preload is used in high precision grinding spindles and other applications where maximum stiffness is essential.
• Предварительная нагрузка пружины (предварительная нагрузка постоянной силы): Винтовая или тарельчатая пружина используется для приложения постоянной осевой силы к паре подшипников, поддерживая определенный уровень предварительной нагрузки независимо от температуры или отклонения вала. Предварительная нагрузка пружины более терпима к изменениям размеров во время работы и предпочтительна в тех случаях, когда термическая стабильность и постоянная предварительная нагрузка в диапазоне рабочих температур более важны, чем максимальная жесткость. Уровни предварительного натяга пружины радиально-упорных шарикоподшипников в шпинделях станков обычно находятся в диапазоне от 50 до 500 Ньютонов для прецизионных подшипников шпинделя с диаметром отверстия от 20 до 80 миллиметров, причем конкретное значение определяется компромиссом между жесткостью и выделением тепла, приемлемым для применения.

Вstallation Best Practices

Правильная установка так же важна, как и правильный выбор, для достижения ожидаемого срока службы подшипника. Основные методы установки радиально-упорных шарикоподшипников:

1. Обращайтесь с прецизионными подшипниками чистыми, сухими инструментами и работайте в чистой среде. Даже небольшие частицы загрязнений, попавшие во время установки, могут вызвать преждевременный износ и усталость точно обработанных поверхностей дорожек качения прецизионных подшипников.
2. Никогда не применяйте силу к телам качения во время установки. Монтажное усилие всегда должно прилагаться к запрессовываемому кольцу подшипника. Для посадки на вал с натягом приложите монтажное усилие к внутреннему кольцу. Для посадки с натягом в корпус приложите усилие к наружному кольцу. Приложение силы к телам качения приводит к образованию бринеллирования на дорожках качения, что ухудшает точность вращения и увеличивает вибрацию.
3. Проверьте правильность ориентации парных подшипников. Однорядные радиально-упорные шарикоподшипники маркируются идентификационным знаком на наружном кольце, указывающим направление угла контакта. Парные подшипники должны быть ориентированы правильно (спиной к спине, лицом к лицу или тандемом, как указано) для правильной работы устройства. Неправильно ориентированные пары будут сильно перегружены с одной стороны устройства и разгружены с другой.
4. Используйте индукционный нагрев для установки подшипников большего размера с посадкой с натягом. Для подшипников с диаметром отверстия более 60 мм индукционный нагрев для расширения внутреннего кольца примерно на 80–100 градусов по Цельсию выше температуры окружающей среды является стандартным методом установки на вал с посадкой с натягом, позволяющим избежать риска механического повреждения при напрессовке холодных колец на валы.

Мониторинг вибрации и температуры

Мониторинг состояния радиально-упорных шарикоподшипников в эксплуатации обеспечивает раннее предупреждение о развитии неисправностей до того, как они перерастут в отказ, что позволяет проводить плановые интервалы технического обслуживания, а не аварийные остановки. Используются два основных параметра мониторинга:

• Мониторинг вибрации: Акселерометры, установленные на корпусе подшипника, измеряют спектры вибрации, которые характерно изменяются по мере развития неисправностей подшипника. Характерные частоты дефектов радиально-упорных шарикоподшипников (частота прохождения шарика по наружному кольцу, частота прохождения шарика по внутреннему кольцу, частота вращения шарика и частота сепаратора) могут быть рассчитаны на основе геометрии подшипника и скорости вращения, а отслеживание тенденций этих частотных составляющих в спектре вибрации обеспечивает раннее обнаружение усталости поверхности дорожки качения, повреждения тел качения и износа сепаратора до того, как они приведут к катастрофическому отказу.
• Мониторинг температуры: Повышенная рабочая температура подшипника является надежным индикатором ухудшения качества смазки, чрезмерного предварительного натяга или развития механического повреждения. normal operating temperature of a well lubricated angular contact ball bearing in a machine tool spindle is typically 10 to 30 degrees Celsius above ambient, and a sustained temperature increase of more than 10 degrees Celsius above the established baseline should trigger investigation of the cause before the bearing is allowed to continue in service.

Часто задаваемые вопросы об радиально-упорных шарикоподшипниках

В чем разница между радиально-контактными и радиальными шарикоподшипниками?

fundamental difference between angular contact ball bearings and deep groove ball bearings lies in the raceway geometry and therefore in the direction and magnitude of loads each type can carry. Deep groove ball bearings have symmetrical, relatively deep raceways in which the ball contacts the inner and outer raceways nearly radially, giving good radial load capacity and the ability to carry moderate bidirectional axial loads from the self centering geometry of the deep groove. Angular contact ball bearings have asymmetrical, shallower raceways offset along the bearing axis to create the contact angle, giving higher axial load capacity in the direction of the contact angle but limiting axial load capacity in the opposite direction. Angular contact ball bearings are also capable of higher precision grades and are designed for preloaded paired arrangements that deep groove ball bearings generally are not, making angular contact designs the choice for applications requiring maximum system stiffness and positional accuracy.

Каков наилучший угол контакта для высокоскоростных приложений?

Для применений, где максимальная скорость вращения является основным требованием, наименьший доступный угол контакта обеспечивает наилучшую производительность. Угол контакта 15 градусов, используемый в серии 7000, сводит к минимуму гироскопические силы мяча, которые препятствуют вращению мяча и выделяют тепло на высоких скоростях. Меньшие углы контакта также приводят к более близкому к радиальному направлению контактной нагрузки, что сводит к минимуму дифференциальное скольжение между шариком и дорожкой качения при высоких скоростях вращения. При очень высоких значениях DN даже традиционная конструкция с углом 15 градусов заменяется специализированными конструкциями с керамическими шариками и оптимизированной геометрией сепаратора. Если на высоких скоростях также необходимо воспринимать значительные осевые нагрузки, угол контакта 25 градусов является лучшим компромиссом между осевой нагрузкой и скоростными характеристиками. Угол контакта 40 градусов следует использовать только в высокоскоростных приложениях, если требования к осевой нагрузке абсолютно этого требуют и результирующая более высокая рабочая температура приемлема.

Могут ли радиально-упорные шарикоподшипники выдерживать двунаправленные осевые нагрузки?

Однорядный радиально-упорный шарикоподшипник может выдерживать осевые нагрузки только в одном направлении: направлении, при котором шарики прижимаются к высокому выступу дорожки качения. Он не может противостоять осевым нагрузкам в противоположном направлении. Чтобы выдерживать двунаправленные осевые нагрузки, проектировщик должен использовать одну из трех альтернатив: согласованную пару однорядных радиально-упорных шарикоподшипников, расположенных спина к спине (DB) или лицом к лицу (DF), двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник, который объединяет два противоположных ряда в одном блоке, или радиально-упорный шарикоподшипник с четырьмя точками контакта, в котором используется профиль дорожки качения в стиле готической арки для обеспечения поддержки двунаправленной осевой нагрузки в однорядной конфигурации. Каждый из этих вариантов имеет разные характеристики с точки зрения жесткости, скоростных возможностей и требований к пространству, и выбор между ними должен основываться на конкретных требованиях к нагрузке, скорости и размерам приложения.

Как правильно выбрать радиально-упорные шарикоподшипники?

selection of angular contact ball bearings for a specific application follows a structured process that begins with defining the application requirements and progresses through a series of decisions to arrive at the correct bearing specification. The key selection steps are as follows:

Определите условия нагрузки: Определите величину и направление радиальных, осевых и моментных нагрузок, включая любое усиление динамической нагрузки от удара, вибрации или эксцентричной нагрузки, во всем диапазоне рабочих условий.

Выберите угол контакта: Выбирайте угол контакта в зависимости от соотношения осевой и радиальной нагрузки. Коэффициент нагрузки Fa/Fr ниже 0,35 обычно указывает на то, что подходящий угол контакта составляет от 15 до 20 градусов; соотношения от 0,35 до 0,75 указывают на угол от 25 до 30 градусов; Коэффициенты выше 0,75 указывают на то, что угол контакта 40 градусов следует оценивать на предмет его превосходной осевой грузоподъемности.

Выберите аранжировку: Решите, подходит ли однорядный парный, двухрядный или четырехточечный контакт, исходя из требований к направлению осевой нагрузки и доступного места для установки.

Проверьте возможности скорости: Рассчитайте значение DN для конкретного применения и убедитесь, что выбранная серия подшипников и метод смазки поддерживают требуемую скорость с достаточным запасом.

Проверьте срок службы подшипника: Рассчитайте базовый номинальный срок службы, используя эквивалентную динамическую нагрузку и базовую номинальную динамическую нагрузку из каталога производителя. Если расчетный срок службы не соответствует требованиям к сроку службы применения, выберите подшипник большего размера или серию с более высокой грузоподъемностью.

Ссылка:

Харрис Т. А., Котзалас М. Н. Анализ подшипников качения: основные концепции технологии подшипников. 5-е изд. Бока-Ратон: CRC Press; 2006.

Харрис Т.А., Котзалас М.Н. Анализ подшипников качения: передовые концепции технологии подшипников. 5-е изд. Бока-Ратон: CRC Press; 2006.

Вternational Organization for Standardization. ISO 15:2017: Rolling Bearings — Radial Bearings — Boundary Dimensions, General Plan. Geneva: ISO; 2017.

Вternational Organization for Standardization. ISO 281:2007: Rolling Bearings — Dynamic Load Ratings and Rating Life. Geneva: ISO; 2007.

Вternational Organization for Standardization. ISO 76:2006: Rolling Bearings — Static Load Ratings. Geneva: ISO; 2006.

Цзян Б., Чжэн Л., Ван М. Анализ характеристик радиально-упорных шарикоподшипников в условиях комбинированной радиальной и осевой нагрузки. Международная Трибология. 2014;75:112–121.

Джонс А. Б. Общая теория упруго закрепленных шариковых и радиальных роликоподшипников в условиях произвольной нагрузки и скорости. Журнал фундаментальной инженерии. 1960;82(2): от 309 до 320.

Лундберг Г., Палмгрен А. Динамическая способность подшипников качения. Acta Polytechnica: Серия «Машиностроение». 1947; 1(3): от 7 до 50.

Палмгрен А. Техника шариковых и роликовых подшипников. 3-е изд. Филадельфия: SKF Industries; 1959.

Группа СКФ. Каталог подшипников качения SKF. Гетеборг: Группа SKF; 2018.