Что такое радиально-упорный подшипник и как он работает?

Что такое радиально-упорный подшипник

Радиально-упорный подшипник — это тип шарикового или роликового подшипника, в котором дорожки качения расположены под углом смещения к оси подшипника, что позволяет ему поддерживать комбинированные радиальные и осевые (тяговые) нагрузки одновременно вместо того, чтобы выдерживать только один тип нагрузки, как стандартный радиальный подшипник. Это смещение, называемое углом контакта, обычно находится в диапазоне от 15° до 40° и определяет, какую осевую нагрузку может выдержать подшипник относительно радиальной нагрузки.

Радиально-упорные шарикоподшипники В частности, в качестве тела качения используются шарики, которые являются наиболее распространенной формой подшипников этого типа, широко используемых в шпинделях станков, насосах и коробках передач, где валы испытывают осевые силы из-за зацепления шестерен или давления жидкости наряду с обычными радиальными нагрузками. Подшипник с Угол контакта 40° может выдерживать примерно вдвое большую осевую нагрузку, чем подшипник с углом 15° при том же размере подшипника, поэтому выбор правильного угла контакта является первым решением в любом приложении.

Как работают радиально-упорные шарикоподшипники

Внутри стандартного глубокого подшипника внутренние и внешние дорожки качения выровнены таким образом, что контакт между шариком и дорожкой качения происходит непосредственно поперек радиальной плоскости. В радиально-упорном подшипнике дорожки качения отшлифованы асимметрично, поэтому линия, соединяющая точки контакта на внутреннем и внешнем кольцах, образует угол относительно радиальной плоскости подшипника.

Почему угол обеспечивает тяговую мощность

Поскольку путь нагрузки проходит через шар по диагонали, а не прямо поперек него, часть любой радиальной нагрузки преобразуется в осевую составляющую силы, и, наоборот, подшипник может противостоять осевым нагрузкам, толкающим вал в одном направлении. Вот почему радиально-упорные подшипники почти всегда монтируются парами или комплектами, поскольку один подшипник выдерживает нагрузку только в одном осевом направлении.

Ограничение однонаправленной тяги

Одиночный радиально-упорный подшипник может нести только осевую нагрузку, толкающую вал в сторону, где угол контакта «открывается». Обратная тяга не поддерживается, и это основная причина, по которой в реальных сборках эти подшипники обычно соединяются по схеме «спина к спине» или «лицом к лицу».

Классы углов контакта и их несущая способность

Производители производят радиально-упорные шарикоподшипники нескольких стандартизированных классов угла контакта, каждый из которых подходит для различного баланса скорости и осевой нагрузки.

Как правило, меньшие углы контакта поддерживают более высокие скорости поскольку меньшая часть контактной силы шара направлена в осевом направлении, что снижает выделение тепла, в то время как более высокие углы контакта обменивают некоторую скорость на большую поддержку осевой нагрузки.

Конфигурации подшипников и способы монтажа

Поскольку одиночный радиально-упорный подшипник воспринимает только однонаправленное усилие, производители поставляют его в предварительно подобранных комплектах, отшлифованных для соответствия друг другу с правильным внутренним зазором. Выбранная конфигурация влияет на жесткость, допуск на перекос и поддерживаемые направления нагрузки.

Схема «спина к спине» (DB) обычно предпочтительна для шпинделей станков, поскольку более широкое эффективное межосевое расстояние между двумя подшипниками обеспечивает значительно более высокая устойчивость к наклону вала при моментных нагрузках по сравнению с установкой «лицом к лицу».

Радиально-упорные подшипники по сравнению с другими типами подшипников

Инженеры часто сравнивают радиально-упорные шарикоподшипники с радиальными шарикоподшипниками и коническими роликоподшипниками, когда вал должен выдерживать как радиальные, так и осевые нагрузки.

Радиально-упорные шарикоподшипники занимают золотую середину: они выдерживают высокие скорости. примерно на 20-30% выше чем конические роликоподшипники сопоставимого размера из-за меньшего трения качения, при этом выдерживая значительную осевую нагрузку, которую не могут надежно выдерживать радиальные подшипники.

Распространенное применение радиально-упорных шарикоподшипников

Сочетание радиальной и осевой способности с хорошими высокоскоростными характеристиками делает радиально-упорные подшипники стандартным выбором в ряде отраслей.

• Шпиндели станков – Подшипники с углом контакта 15° в парах, расположенных спина к спине, поддерживают силы резания, сохраняя при этом точность вращения, необходимую для субмикронной точности.
• Ступицы передних колес автомобиля — подшипники с углом контакта 40° выдерживают осевые нагрузки на поворотах вместе с весом автомобиля.
• Центробежные насосы и компрессоры – подшипники 25–30° управляют осевым усилием, создаваемым перепадом давления рабочего колеса.
• Редукторы с косозубыми или коническими шестернями – комплекты угловых контактов поглощают осевое усилие, создаваемое этими типами шестерен во время зацепления.
• Шарниры роботизированных манипуляторов и поворотные столы — парные подшипники обеспечивают жесткость, необходимую для сопротивления опрокидывающим моментам в шарнире.

Выбор преднатяга и класса точности

Две дополнительные характеристики определяют, как будет работать радиально-упорный подшипник после установки: уровень предварительного натяга и класс точности.

Предварительная загрузка

Применение небольшой контролируемой внутренней нагрузки (преднатяга) при монтаже пары подшипников устраняет внутренний люфт и повышает точность вращения. Легкая предварительная нагрузка подходит для высокоскоростных шпинделей, тогда как тяжелая предварительная нагрузка используется там, где максимальная жесткость важнее максимальной скорости, например, в шпинделях шлифовальных станков.

Класс точности

Подшипники классифицируются по стандартам ISO или ABEC, с ABEC 7 или ABEC 9 (ISO P4/P2) классы предназначены для высокоточной работы шпинделя, а стандартные подшипники ABEC 1 (ISO P0) достаточны для общепромышленных редукторов и насосов, где не требуется исключительная точность вращения.

Лучшие практики установки и обслуживания

Поскольку подобранные комплекты подшипников шлифуются как пара, неправильное обращение во время установки является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода из строя.

1. Никогда не смешивайте подшипники из разных комплектов, так как внутренний зазор отшлифован специально для этой пары.
2. Перед установкой проверьте правильность маркировки ориентации (часто стрелку или букву на наружном кольце), так как перестановка подшипника в установке «спина к спине» приводит к непредвиденному расположению «лицом к лицу».
3. Равномерно приложите монтажное усилие по поверхности внутреннего кольца с помощью втулки или пресса, никогда не постукивая непосредственно по шарикам или сепаратору.
4. Убедитесь, что допуски вала и корпуса соответствуют рекомендациям производителя подшипника по посадке, поскольку слишком большое отверстие корпуса может снизить предполагаемую предварительную нагрузку.
5. Повторно смазывайте с интервалами, указанными производителем; высокоскоростные подшипники шпинделя часто требуют систем масло-воздушной смазки или смазки на весь срок службы, а не периодической ручной смазки.

Полевые данные от производителей подшипников неизменно показывают, что Неправильная настройка предварительного натяга является причиной значительной доли ранних отказов подшипников шпинделя. , это больше, чем дефекты материала или нормальный износ, поэтому процедуры установки с контролем крутящего момента имеют такое же большое значение, как и сам выбор подшипников.

Как правильно выбрать радиально-упорный подшипник

Выбор правильного подшипника сводится к тому, чтобы угол контакта, конфигурация и класс точности соответствовали фактическому профилю нагрузки и скорости применения.

• Рассчитайте ожидаемое соотношение осевой и радиальной нагрузки; Коэффициенты выше 0,5 обычно требуют угла контакта 30–40 °, а не 15 °.
• Выбирайте монтаж по схеме «спина к спине» (DB), когда сопротивление моментной нагрузке и жесткость имеют наибольшее значение, а монтаж по схеме «спина к спине» (DF), когда ожидается некоторая несоосность валов.
• Сопоставьте класс точности с требованиями к точности приложения, а не выбирайте по умолчанию самый высокий доступный класс, поскольку излишне высокая точность увеличивает значительные затраты без функциональной выгоды при общепромышленном использовании.
• Убедитесь, что номинальная скорость подшипника (часто выражаемая как значение dn, диаметр отверстия, умноженный на об/мин) значительно превышает рабочую скорость применения.
• Работайте с поставщиком, который предоставляет документацию по согласованному комплекту и четкую маркировку ориентации, поскольку немаркированные или несовпадающие подшипники сложно правильно установить в полевых условиях.

Правильный выбор этих вариантов на этапе проектирования позволяет избежать гораздо более дорогостоящей проблемы диагностики преждевременного выхода из строя подшипников после того, как машина уже введена в эксплуатацию.