Что такое подшипник

Подшипник — механический узел, являющейся частью опор или упоров, которое фиксируют вал, ось, ротор или иную подвижную часть механизма с заданной жёсткостью, предоставляя ей совершение движений, разрешённых конструктором этого механизма в предусмотренных им степенях свободы.

Подшипник фиксирует положение в пространстве, допускает вращение, качение или линейное перемещение (для линейных подшипников) с наименьшим, учитывая физические свойства процесса перемещения, сопротивлением на преодоление сил трения.

Он воспринимает и передаёт нагрузку от подвижного узла на другие части конструкции (возможно – подвижные), чем обеспечивает целостность конструкции механизма, содержащего подвижные и относительно неподвижные части, и его безопасность для окружающих людей, животных и растений.

Понятие подшипника интуитивно. Трение – одно из важнейших свойств физического мира, окружающего нас. В ряде случаев трение необходимо, и человек использует его в своих интересах. Например, обычный гвоздь держится в древесине только за счёт трения. В случаях, когда используется подшипник, задача заключается в минимизации силы трения для того, чтобы обеспечить переход, например, электрической энергии в энергию движения с минимальными потерями.

Силы, нагружающие подшипник, подразделяют на:

· радиальные, действующие перпендикулярно оси подшипника;

· осевые, действующие параллельно оси подшипника.

Кроме того, подшипники подвергаются ударным нагрузкам, вибрациям, химическим и механическим (пыль и пр.) воздействиям со стороны окружающей среды.

Многообразие требований к подшипникам и факторов, воздействующих на них, приводит к огромному разнообразию типов подшипников, их размеров, материалов, используемых для изготовления, смазок и пр.

Ниже кратко описываются широко распространённые группы и типы подшипников.

Подшипники скольжения

Простейший способ создать опору для вала в узле вращения - обеспечить взаимное скольжение прилегающих частей. На этой идее, возраст которой составляет несколько десятков тысяч лет, основана конструкция подшипников скольжения.

Исторически первые подшипники скольжения появились очень давно, в одно время с колесом. Их изготавливали из дерева или камня. Когда появилась бронза, а затем железо, для изготовления подшипников стали использовать эти металлы. Бронзу и сталь используют до сих пор.

В эпоху промышленной революции началось массовое внедрение подшипников скольжения в станках и машинах. Технологии их производства начали быстро развиваться.

Современные подшипники скольжения - высокотехнологичные изделия, в них применяются современные достижения физики, химии, гидродинамики, новейшие материалы и методы обработки.

Потребности производства и народного хозяйства привели к появлению линейных подшипников скольжения.

Более подробное описание подшипников скольжения приведено в разделе

Подшипники скольжения

Подшипники качения

Подшипники качения состоят из:

· двух колец – внешнего и внутреннего, на которых выбраны дорожки – желоба для тел качения. Для упорных подшипников качения дорожки выбираются на торцевых поверхностях колец;

· тел качения. Это могут быть шарики, цилиндры, усечённые конусы, бочкообразные ролики, иглы – цилиндры с большим отношением длины к диаметру и, как правило, с торцами сферической формы; Примеры тел качения, используемых в подшипниках, приведены на рисунке П-1.

· сепаратора, который разделяет тела качения друг от друга, удерживает их на равном расстоянии друг от друга и направляет их движение. Некоторые типы подшипников не имеют сепаратора. Они имеют большее количество тел качения, что повышает их грузоподъёмность. Но допустимые частоты вращения бессепараторных подшипников заметно ниже из-за большего момента сопротивления вращению;

· уплотняющих шайб, которые защищают смазку тел качения, воздействия на них и желоба от факторов окружающей среды. Не все типы подшипников выпускаются с шайбами – уплотнителями.

Рисунок П-1. Формы тел качения, используемые в подшипниках качения.

В процессе работы тела качения катятся по желобам колец, одно из которых в большинстве случаев неподвижно относительно основного механизма. Нагрузка распределяется на тела качения неравномерно. Распределение нагрузки зависит от величины радиального зазора в подшипнике и от точности геометрической формы его деталей.

Подшипник качения – высокотехнологичное изделие, т.к. все его детали должны быть изготовлены с высочайшей точностью и из высококачественных материалов, что в совокупности гарантирует, что рабочие параметры подшипника некоторого типа будут стабильны для любого его экземпляра.

В некоторых механизмах для уменьшения габаритов, повышения точности и жёсткости конструкции используют совмещённые опоры, т.е. дорожки качения выполняют непосредственно на валу и (или) на поверхности корпусной детали.

Подшипник качения – это планетарный механизм. В нём преимущественно возникает трение качения. Потери, возникающие из-за трения скольжения между телами качения и сепаратором, малы.

При прочих равных условиях трение качения меньше, чем трение скольжения. Поэтому, при прочих равных условиях, потери на трение в механизме, использующем подшипники качения, будут меньше, а износ узлов установки валов будет ниже.

Закрытые подшипники качения (имеющие защитные уплотняющие шайбы или крышки), как правило, не требуют замены (пополнения) смазки в течение всего периода эксплуатации. Открытые подшипники качения чувствительны к загрязнениям, поступающим из окружающей среды и к попаданию инородных тел. Если требования к окружающей среде, в которой должен эксплуатироваться подшипник, нарушаются, то он может разрушиться существенно быстрее, чем это определено его рабочими характеристиками.

Подшипники качения: конструкция и классификация

Наиболее широко распространённые типы подшипников качения состоят из двух колец, элементов (тел) качения и сепаратора. В зависимости от направления основной нагрузки, которую несёт подшипник, их разделяют на радиальные и упорные. Если подшипник приспособлен для работы в условиях как радиальной, так и осевой нагрузок, то его называют радиально-упорным подшипником. В зависимости от формы элементов качения подшипники делятся на шариковые подшипники и роликовые подшипники. Применяются тела качения самых разнообразных форм, рисунок ПК-1.

Количество признаков, по которым осуществляется классификация подшипников качения, велико. Основными признаками являются следующие:

· По виду тел качения – шариковые и роликовые. Роликовые тела качения, в свою очередь могут быть цилиндрами, «бочками», усечёнными конусами, или иглами, т.е. цилиндрами с большим отношением длины цилиндра к его диаметру. В игольчатых подшипниках обычно используются цилиндры с торцами, которым придается форма полусферы.

· По типу воспринимаемой нагрузки – радиальные, радиально – упорные, упорно – радиальные, упорные, линейные. Радиальные подшипники в состоянии воспринимать только радиальные нагрузки. В случае возникновения осевой нагрузки радиальный подшипник не предотвращает смещения оси (внутреннего кольца, вала) подшипника относительно его внешнего кольца. Радиально – упорные подшипники фиксируют движущиеся части механизма в двух направлениях – по радиусу и вдоль оси вращения. Упорно – радиальные подшипники рассчитаны, прежде всего, на компенсацию усилий, действующих вдоль оси подшипника, в то же время они в состоянии воспринимать серьёзные усилия, действующие на механизм поперёк оси вращения. Упорные подшипники компенсируют усилия вдоль оси подшипника. Очевидно, что упорно – радиальные и упорные подшипники отличает «тонкая грань», заданная некоторым параметром; не может быть упорного подшипника, который не противостоит хотя бы небольшим радиальным нагрузкам. Линейные подшипники – обобщенное название механизмов, которые обеспечивают плавное управляемое движение каретки или втулки вдоль направляющего вала с малыми потерями энергии на трение между направляющей и кареткой. Такие подшипники находят всё более широкое применение в робототехнике, медицинском оборудовании и пр.

· По количеству рядов тел качения – однорядные, двухрядные, многорядные. Наиболее распространены однорядные и двухрядные подшипники.

· По способности компенсировать угловые отклонения валов (роторов). Любой вращающийся ротор создаёт радиальные биения в подшипниках, на которых он установлен. Если ротор массивен, например, состоит из дисков турбины, крайне трудно сбалансировать вращающуюся часть механизма (ротор или вал) относительно оси вращения. Другая трудность – обеспечить точную соосность колец подшипников и вала. При размещении «несбалансированного» ротора в «жестких» и к тому же несоосных подшипниках неизбежно возникнут вибрации и дополнительные напряжения на поверхностях трения тел качения и дорожек колец подшипников. Это ускоряет процесс выхода из строя подшипниковых узлов и всего механизма в целом. Поэтому, помимо обычных «несамоустанавливающихся» жестких подшипников, появились «самоустанавливающиеся». За счет двух рядов тел качения и специальной формы направляющих бороздок самоустанавливающиеся подшипники менее чувствительны к несоосности колец подшипника и вала, а также к его биению.

Классификацию можно продолжить – подшипники могут быть выполнены с сепараторами, обеспечивающими дополнительную фиксацию тел вращения между кольцами подшипника на равном расстоянии друг от друга в плоскостях, перпендикулярных оси вращения подшипника, подшипники могут иметь различную высоту колец, могут снабжаться уплотнителями, предохраняющими попадание на трущиеся поверхности механизма подшипника соединений и частиц из окружающей среды, а также сохраняющими в подшипнике смазку, уменьшающую трение. На кольцах могут быть выполнены пазы для обеспечения фиксации подшипника в подшипниковом узле и (или) отверстия для подачи и удаления смазки и пр.

Существуют десятки типов подшипников качения, тысячи их разновидностей, исполнений. Количество моделей исчисляется тысячами. Терминология, применяемая для обозначения деталей, входящих в состав подшипников, проиллюстрирована на рисунках П-3 – П-8. Классификация подшипников, в силу многообразия их видов и типов, является непростым делом. Один из вариантов классификации приведён в таблице П-1.

Таблица П-1. Классификация подшипников качения.

Тип тела вращения	Название вида подшипника	Количество рядов тел вращения
Шарикоподшипники	Радиальные шарикоподшипники	Однорядные
		Двухрядные
	Подшипники магнето
	Радиально- упорные шарикоподшипники	Однорядные
		Двухрядные
		Спаренные
	Шарикоподшипники с трёх- и четырехточечным контактом
	Самоустанавливающиеся шарикоподшипники
	Шарикоподшипники для подшипниковых узлов
Роликоподшипники	Цилиндрические роликоподшипники	Однорядные
		Двухрядные
	Подшипники с длинными роликами
	Игольчатые роликоподшипники
	Конические роликоподшипники	Однорядные
		Двухрядные
		Четырехрядные
	Сферические самоустанавливающиеся роликоподшипники с бочкообразными роликами
Шарикоподшипники	Упорные шарикоподшипники	Одинарные
		Двойные
	Упорно-радиальные шарикоподшипники
Роликоподшипники	Упорные цилиндрические роликоподшипники
	Упорные игольчатые роликоподшипники
	Упорные конические роликоподшипники
	Упорные сферические роликоподшипники
Специальные подшипники	Автомобильные подшипники для сцеплений
	Автомобильные подшипники для водяных насосов
	Железнодорожные буксовые подшипники
	Подшипники канатных блоков кранов
	Подшипники для цепных конвейеров
	Другие

В эту классификацию вошли не все виды подшипников качения. Например, сейчас всё более широкое применение находят линейные подшипники, в которых для соединения частей механизмов, перемещающихся относительно друг друга линейно, используют блоки, содержащие тела качения.

Линейные подшипники качения – обобщенное название механизмов, которые обеспечивают плавное управляемое движение каретки или втулки вдоль направляющего вала или рельса с малыми потерями энергии на трение между направляющей и кареткой. Используются также телескопические конструкции, в которых относительно друг друга линейно перемещаются рельсы, опираясь при этом на тела качения. Линейные подшипники находят всё более широкое применение в робототехнике, медицинском оборудовании и пр.

Распространённые типы линейных подшипников описаны в разделе

Устройства линейного перемещения

Приведённая классификация не является «Ортогональной», например, цилиндрические роликоподшипники могут быть упорными, а могут быть и радиальными.

Поэтому в качестве верхнего уровня классификации для систематизации описаний подшипников качения будем использовать нагрузочные характеристики, то есть разделим подшипники на три категории, предназначенные для восприятия:

· Радиальных нагрузок – радиальные подшипники.

· Радиальных и осевых нагрузок одновременно – это радиально – упорные и упорно – радиальные подшипники.

· Осевых нагрузок – упорные подшипники.

В этом случае классификация будет выглядеть, как показано на рисунке П-2.

Рисунок П-2. Классификация подшипников.

Более подробное описание подшипников качения приведено в следующих разделах:

Радиальные подшипники

Радиально-упорные подшипники

Упорные подшипники

Терминология, применяемая для обозначения деталей, входящих в состав подшипников

Рисунок П-3. Однорядные радиальные подшипники.

Рисунок П-4. Однорядные радиально-упорные подшипники.

Рисунок П-5. Цилиндрические подшипники.

Рисунок П-6. Конические подшипники.

Рисунок П-7. Сферические (самоустанавливающиеся) подшипники.

Рисунок П-8. Одинарные упорные подшипники.

Достоинства подшипников качения

Подшипники качения обладают следующими достоинствами:

· сравнительно низкая цена, т.к. технологический процесс производства доведён до совершенства и подшипники выпускаются большими тиражами;

· малые потери на трение и, как следствие, небольшой нагрев. Потери на трение в переходных режимах и в установившемся режиме работы почти одинаковы;

· высокая степень взаимозаменяемости, что упрощает и облегчает монтаж и ремонт механизмов;

· малый расход смазки;

· минимальные затраты на техническое обслуживание на этапе эксплуатации;

· малые размеры по оси;

Подшипникам качения присущи следующие недостатки:

· высокая чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, как следствие жесткости конструкции подшипника;

· низкая надёжность в скоростных приводах из-за перегрева и частого разрушения сепаратора под действием центробежных сил;

· относительно большие радиальные размеры;

· высокий уровень шума в скоростных приводах;

· меньшие допустимые радиальные и осевые нагрузки по сравнению с подшипниками скольжения.

Минимальная нагрузка

Для того чтобы все шарико- и роликоподшипники штатно работали, на них постоянно должна воздействовать определенная минимальная нагрузка. Это особенно важно, когда подшипники работают при высоких скоростях и когда силы инерции шариков и сепаратора, а также трение в смазочном материале могут оказывать отрицательное воздействие на условия качения в подшипнике и вызвать проскальзывание шариков по дорожке качения.

Другие виды подшипников

В классических подшипниках вращения присутствует трение между внешним кольцом и вращающимся элементом – шариком, цилиндром, усеченным конусом или иглой, а также вращающимся элементом и внутренним кольцом подшипника. Для уменьшения трения используются смазки разнообразных рецептур. Но в любом случае физический контакт поверхностей направляющих бороздок на кольцах и вращающихся элементов приводит к физическому износу их поверхностей. При достижении предельного износа подшипник необходимо заменить.

В определенных случаях можно использовать конструкции подшипников, в которых взаимное трение твёрдых поверхностей отсутствует.

Газостатические, газодинамические, гидростатические, гидродинамические подшипники, а также

магнитные подшипники и некоторые другие описаны в разделе

Другие виды подшипников