Что такое радиальный шарикоподшипник?

Если кто-то спросит, что такое радиальный шарикоподшипник в одном предложении, честный ответ будет таков: это рабочая лошадка общего назначения в мире подшипников, выбранная примерно для семидесяти процентов всех применений подшипников качения, поскольку он прост в установке, допускает перекосы в небольшом диапазоне, бесшумен в работе и способен работать на высокой скорости вращения, сохраняя при этом значительную нагрузку. Как только вы поймете геометрию канавок, которая дала подшипнику его название, все остальное, касающееся его поведения, кодов размеров и использования, станет само собой разумеющимся.

Описание радиального шарикоподшипника изнутри

Радиальный шарикоподшипник получил свое название из-за формы дорожки качения. И на внутреннем, и на внешнем кольце инженеры вырезали канавку, кривизна которой лишь немного больше кривизны самого шара. Поскольку эта канавка вырезана глубоко, а не мелко, шар находится в кармане, охватывающем большую часть его поверхности, чем позволяет неглубокая канавка. Этот дополнительный контактный слой позволяет подшипнику сопротивляться силе, толкающей вбок вдоль вала, а не только силе, давящей на него вниз.

Для чего используются радиальные шарикоподшипники

Люди ищут, что такое радиальные шарикоподшипники обычно пытаются выяснить, подходит ли этот тип подшипника к их машине. Честный ответ заключается в том, что он подходит практически к любому вращающемуся валу, которому не требуется выдерживать только тяжелую осевую нагрузку. Ниже приведена разбивка по отраслям, поскольку масштабы приложений сильно различаются, хотя принцип работы остается прежним.

Короче говоря, всякий раз, когда валу необходимо свободно вращаться, оставаясь в центре, и когда существует хотя бы некоторая вероятность небольшого бокового толчка вдоль вала, радиальный шарикоподшипник очень часто становится первым подшипником, к которому стремится инженер. Только когда осевая нагрузка становится доминирующей силой, например, в вертикальной упорной колонне, инженеры вместо этого переходят на упорный подшипник или радиально-упорный подшипник. Даже в машинах смешанного режима, которые сочетают в себе несколько направлений нагрузки одновременно, таких как коробка передач, которая воспринимает как боковую нагрузку зубчатого зацепления, так и легкую тягу от зубьев косозубой шестерни, радиальный шарикоподшипник правильного размера часто способен нести всю совокупную нагрузку самостоятельно, что позволяет снизить количество деталей и стоимость сборки машины по сравнению с конструкцией, построенной на двух или трех специальных типах подшипников.

Однорядный радиальный шарикоподшипник в сравнении с двухрядным шарикоподшипником

Однорядный радиальный шарикоподшипник — это версия, которую большинство людей представляет себе, когда слышат этот термин. Он имеет один ряд шариков, движущихся в одной канавке на каждом кольце, и подходит для подавляющего большинства общепромышленных и потребительских применений. Двухрядная версия просто удваивает комплект шариков рядом друг с другом внутри более широкого набора колец, что повышает номинальную радиальную нагрузку для данного размера отверстия без изменения семейства внешней геометрии.

Варианты уплотнения и экранирования

Помимо количества рядов, комплект открытых колец подшипника может быть дополнен щитком или уплотнением, при этом суффикс в номере детали меняется.

• ZZ Металлический экран вдавливается в канавку на каждой стороне наружного кольца, близко к внутреннему кольцу, но не касаясь его. Это предотвращает попадание крупного мусора и удерживает смазку, в то же время позволяя работать на очень высоких скоростях, поскольку отсутствует трущийся контакт. Подшипник 6202 ЗЗ является распространенным примером этой конструкции.
• РС или 2РС Резиновое уплотнение слегка контактирует с внутренним кольцом, обеспечивая более надежную защиту от пыли, брызг и влаги, чем экран, за счет небольшого дополнительного трения и немного более низкой максимальной скорости.
• Открыть Никакого экрана или уплотнения вообще, используется там, где сам корпус обеспечивает уплотнение, или там, где требуется доступ для повторной смазки, или где рабочая температура слишком высока для резинового материала уплотнения.
• С3, С4 Коды внутреннего зазора, которые указывают на немного более свободную посадку между шариками и канавками, чем стандартный зазор, который часто указывается для подшипников электродвигателей, которые нагреваются во время работы и требуют дополнительного места для расширения.

Распространенные размеры радиальных шарикоподшипников и их характеристики

Номера деталей подшипников на первый взгляд кажутся загадочными, но серия радиальных шарикоподшипников является одной из наиболее стандартизированных во всем каталоге подшипников. Цифра 6 в начале кода идентифицирует серию радиальных шарикоподшипников, следующие две цифры идентифицируют размерную серию, а последние две цифры, умноженные на пять, дают диаметр отверстия в миллиметрах для большинства стандартных размеров. Ниже приведена справочная таблица некоторых наиболее часто запрашиваемых размеров, включая подшипники 6208, подшипники 6306, подшипники 6301, подшипники 6206, подшипники 6207, подшипники 6302 и подшипники 6304.

Обратите внимание, что число отверстий серии 6300 растет быстрее по сравнению с размером отверстия, чем серия 6200. Это связано с тем, что серия 6200 принадлежит к семейству сверхлегких размеров, а серия 6300 относится к семейству средних размеров. Это означает, что подшипник 6304 имеет более толстые кольца и более широкое поперечное сечение, чем подшипник 6204, хотя оба имеют общее отверстие диаметром 20 мм. Именно поэтому префикс размерной серии имеет такое же значение, как и код отверстия, когда технический специалист ищет запасную часть.

Как на самом деле работает радиальный шарикоподшипник под нагрузкой

Когда вал вращается внутри радиального шарикоподшипника, шарики катятся по обеим дорожкам качения, а не скользят, что обеспечивает низкое трение и умеренное выделение тепла по сравнению с втулкой с плоским экраном. Радиальная нагрузка, то есть сила, действующая на вал прямо вниз или в сторону, передается через шарики, расположенные ближе всего к направлению нагрузки в любой момент, а затем распространяется по мере того, как сепаратор вращает шарик, установленный вокруг кольца.

Осевая нагрузка, то есть сила, пытающаяся протолкнуть вал вдоль его осевой линии, воспринимается по-другому. Поскольку канавка охватывает большую часть каждого шарика, чем неглубокая канавка, часть каждого шарика всегда находится в контакте с поверхностью, расположенной под достаточным углом, чтобы противостоять боковому толчку в любом направлении вдоль вала. Эта двойная способность, радиальная и осевая в обоих направлениях, является основной причиной, по которой этот тип подшипника стал выбором по умолчанию во многих отраслях. Конический роликоподшипник или радиально-упорный подшипник могут выдерживать большую осевую нагрузку в одном направлении, но обычно его необходимо соединить со вторым подшипником для работы в противоположном направлении, что увеличивает стоимость и сложность сборки, чего можно избежать при использовании одного радиального шарикоподшипника.

Скорость

Поскольку шарики катятся с чистым контактом качения и минимальным скольжением, радиальные шарикоподшипники хорошо переносят высокие скорости вращения. Открытые, неэкранированные версии с малым отверстием в прецизионных классах могут достигать десятков тысяч оборотов в минуту, поэтому этот тип подшипника используется в шпинделях, небольших двигателях и электроинструментах, где скорость имеет такое же значение, как и нагрузка.

Выделение тепла и коэффициент скорости

Каждый вращающийся подшипник выделяет небольшое количество тепла в результате внутреннего трения, и это тепло увеличивается как с нагрузкой, так и с увеличением скорости. В каталогах эта взаимосвязь выражается через коэффициент скорости, рассчитанный на основе размера отверстия и скорости вращения, поскольку подшипник большого диаметра, вращающийся с заданной скоростью, создает большее поверхностное трение, чем подшипник малого диаметра, вращающийся с той же скоростью. Это одна из причин, по которой небольшой подшипник 6202 ZZ может комфортно работать на гораздо более высоких оборотах, чем более крупный подшипник 6306, хотя оба они имеют одинаковую базовую геометрию канавок и внутреннюю конструкцию. Выбор смазки, материал сепаратора и внутренний зазор настраиваются производителем с учетом этого фактора скорости, поэтому замена необычного класса зазора или несовместимой смазки может незаметно снизить безопасную рабочую скорость подшипника правильного размера.

Преимущества и ограничения с первого взгляда

Выбор подходящего радиального шарикоподшипника для проекта

Правильный выбор подшипника позволяет избежать преждевременного выхода из строя и незапланированных простоев. Практический процесс отбора обычно проходит через следующие проверки по порядку.

1. Подтвердите диаметр отверстия вала и диаметр отверстия корпуса, поскольку они определяют код размера подшипника, прежде чем рассматривать что-либо еще.
2. Оцените радиальную нагрузку и любую осевую нагрузку, которую вал будет испытывать при нормальной работе, а затем сравните с номинальной динамической нагрузкой в каталоге производителя со встроенным запасом прочности.
3. Проверьте требуемую скорость вращения в соответствии с предельной скоростью подшипника, помня, что экранированные и герметичные версии работают несколько медленнее, чем полностью открытые версии.
4. Выберите тип уплотнения в зависимости от рабочей среды, выбрав экраны ZZ для чистых помещений и уплотнения 2RS для пыльных или влажных условий.
5. Выберите внутренний зазор, зазор C3 обычно указывается для электродвигателей, в которых во время работы происходит накопление тепла.
6. Убедитесь, что тип смазки и диапазон температур соответствуют ожидаемому рабочему циклу и условиям окружающей среды машины.

Руководство по установке и техническому обслуживанию

Хорошо выбранный радиальный шарикоподшипник все равно может рано выйти из строя, если он установлен неправильно. Следующие методы значительно продлевают срок службы.

• Прижимайте с усилием только к кольцу, имеющему посадку с натягом, но не через шарики, чтобы избежать повреждения дорожки качения бринеллированием.
• Аккуратно нагрейте внутреннее кольцо перед установкой на вал с натягом, а не забивайте его на место в холодном состоянии.
• Перед сборкой очищайте вал и корпус от песка, поскольку даже мелкие частицы, попавшие в дорожку качения, существенно сокращают усталостную долговечность.
• Наносите количество смазки, рекомендованное производителем, поскольку как недостаточное, так и избыточное заполнение герметичного подшипника приводит к повышению рабочей температуры.
• Проверьте соосность вала и отверстия корпуса, поскольку радиальный шарикоподшипник допускает лишь очень небольшое угловое смещение, прежде чем распределение нагрузки по шарикам станет неравномерным.
• Контролируйте рабочую температуру и шум во время ввода в эксплуатацию, поскольку их повышение обычно является самым ранним признаком проблемы со смазкой или центровкой.

Материалы и производство радиального шарикоподшипника

Характеристики радиальных шарикоподшипников зависят от сырья и процесса его формования задолго до того, как готовая деталь попадает к потребителю. Понимание производственной цепочки объясняет, почему два подшипника, которые внешне выглядят одинаково, могут вести себя совершенно по-разному после установки на работающую машину.

Материал колец и шариков

Большинство радиальных шарикоподшипников изготавливаются из хромистой стали сквозной закалки, часто обозначаемой по обозначению марки, которая обеспечивает хороший баланс твердости, усталостной прочности и стоимости для общепромышленного применения. Сначала кольцам придают грубую форму, что выравнивает внутреннюю структуру зерен вдоль пути нагрузки и обеспечивает лучшие усталостные характеристики, чем кольцо, просто изготовленное из прутка. После ковки кольца проходят токарную обработку, термообработку, шлифовку и хонингование, при этом каждая дорожка качения шлифуется до зеркального блеска, измеряемого долями микрона. Шары формируются из проволоки, затем шлифуются и притираются партиями до тех пор, пока каждый шарик в наборе не будет соответствовать остальным с очень жестким допуском по размеру, поскольку даже небольшое несоответствие размеров внутри одного подшипника вынудит горстку шариков нести почти всю нагрузку, в то время как остальные будут ездить почти свободно.

Для применений, где влажность или химическое воздействие вызывают беспокойство, доступны кольца и шарики из нержавеющей стали, в которых небольшая несущая способность компенсируется коррозионной стойкостью. Керамические гибридные версии, в которых используются керамические шарики, вращающиеся в стальных кольцах, используются при высокоскоростной работе шпинделя, где более легкая масса шариков снижает центробежную нагрузку при экстремальных скоростях вращения, хотя эта конструкция выходит далеко за рамки стандартного использования общего назначения.

Конструкция клетки

Клетка, которую иногда называют фиксатором или сепаратором, удерживает шарики на равном расстоянии по дорожке качения, чтобы они не сбивались вместе и не сталкивались. Прессованные стальные сепараторы являются наиболее распространенным выбором для стандартных подшипников, поскольку они недороги и достаточно прочны для типичных скоростей. Литые полимерные сепараторы, обычно из армированного стекловолокном нейлона, работают тише и выдерживают несколько более высокие скорости из-за их меньшей массы, поэтому они часто встречаются в подшипниках электродвигателей и двигателях бытовых приборов. Механически обработанные латунные сепараторы используются в тяжелых условиях эксплуатации или при более высоких температурах, когда формованный полимер размягчается, а прессованный сепаратор не сохраняет свою форму под нагрузкой.

Радиальный шарикоподшипник по сравнению с другими распространенными типами подшипников

Инженеры редко выбирают тип подшипника изолированно. Это помогает увидеть, как радиальный шарикоподшипник отличается от других семейств подшипников качения, с которыми его чаще всего сравнивают во время анализа конструкции.

Именно из-за этого сравнения радиальные шарикоподшипники продолжают занимать место по умолчанию во многих спецификациях материалов. Он редко выигрывает в какой-либо отдельной категории у специализированного типа подшипников, но это единственный распространенный тип, который одновременно хорошо справляется с радиальной нагрузкой, осевой нагрузкой и скоростью, оставаясь при этом одним из самых дешевых подшипников качения в производстве и хранении.

Выбор смазки и их влияние на срок службы

Инженеры по подшипникам часто описывают смазку как самый важный рычаг, влияющий на срок службы, опережающий номинальную нагрузку во многих реальных отказах. В радиальных шарикоподшипниках тонкая пленка смазки или масла отделяет шарики от поверхности дорожки качения в точке контакта, а недостаток смазки является одной из наиболее частых причин преждевременного выхода подшипника из строя в полевых условиях.

Приблизительно при планировании можно сказать, что закрытые радиальные шарикоподшипники, работающие в чистой среде с умеренной температурой, часто могут прослужить несколько лет непрерывно без какой-либо повторной смазки, тогда как открытые подшипники, работающие в более суровых условиях, могут нуждаться в плановой доливке смазки каждые несколько месяцев в зависимости от скорости, нагрузки и температуры окружающей среды. В каталогах производителей публикуются конкретные графики интервалов повторного смазывания, основанные на размере отверстия и коэффициенте скорости, и следование этому графику обходится намного дешевле, чем незапланированная замена подшипников.

Стандарты и классы точности

Размеры и допуски радиальных шарикоподшипников соответствуют международным стандартам, именно поэтому подшипник, купленный у одного производителя, обычно может заменить подшипник, купленный у другого производителя, без каких-либо изменений конструкции окружающего вала или корпуса. Граничные размеры, то есть отверстие, наружный диаметр и ширина, соответствуют стандартным размерам ISO, а классы допусков, охватывающие круглость, биение и посадку, соответствуют либо классам допусков ISO, либо шкале ABEC, которая чаще используется в Северной Америке.

Для подавляющего большинства применений, обсуждавшихся ранее в этом руководстве, включая двигатели, приборы, насосы и обычные редукторы, подшипники с нормальным классом допуска являются правильным и наиболее экономически эффективным выбором. Более высокие классы точности увеличивают затраты, которые окупаются только тогда, когда этого действительно требует точность вращения или работа на очень высоких скоростях.

Распространенные виды отказов и как их читать

Когда радиальный шарикоподшипник выходит из строя раньше, чем ожидалось, характер износа дорожки качения и шариков обычно указывает непосредственно на первопричину, что делает анализ неисправности полезным диагностическим шагом, а не просто исследованием после вскрытия.

• Гладкие, равномерно расположенные темные полосы на дорожке качения обычно указывают на недостаточную смазку или смазку, которая разрушилась из-за чрезмерной рабочей температуры.
• Плоские пятна на отдельных шариках или соответствующие углубления на дорожке качения, известные как бринеллирование, обычно возникают в результате ударной нагрузки во время установки или вибрации, когда вал был неподвижен.
• Дорожка качения, на которой наблюдается износ, сконцентрированный на одной стороне, а не равномерно распределенный по окружности, обычно указывает на несоосность вала или корпуса во время сборки.
• Ржавые питтинги на кольцах или шариках указывают на проникновение влаги, часто из-за неисправного уплотнения, конденсата или промывной среды, которая превышает номинальные характеристики уплотнения подшипника.
• Мелкие, равномерно распределенные питтинги, появляющиеся после длительного периода эксплуатации без каких-либо вышеперечисленных признаков, часто являются просто классической усталостью от контакта качения, которая является естественным механизмом окончания срока службы правильно установленного подшипника.

Краткий справочный глоссарий

Почему качество поставок так же важно, как и выбор правильной серии

Два подшипника с одинаковым номером детали, указанным на щите, могут работать по-разному в эксплуатации, поскольку твердость колец, округлость шариков, материал сепаратора и качество смазки не видны снаружи. Плохое качество дорожки качения и неравномерный внутренний зазор являются частыми причинами раннего шума и выхода из строя подшипников, и эти дефекты редко проявляются до тех пор, пока подшипник уже не установлен. Именно поэтому выбор производителя с постоянным контролем качества так же важен, как и выбор правильной размерной серии.

Часто задаваемые вопросы

Собираем все это вместе

Радиальный шарикоподшипник заслужил свое место в качестве стандартного подшипника качения во многих отраслях промышленности, поскольку он решает несколько проблем одновременно с помощью одного, простого и хорошо стандартизированного компонента. Он выдерживает радиальную нагрузку, он выдерживает умеренную осевую нагрузку в любом направлении, он работает бесшумно на высокой скорости и доступен в стандартной комплектации с диаметром отверстия, подходящим практически для любого вала, который может спроектировать инженер. Независимо от того, является ли требованием в таблице 6202 ZZ для небольшого двигателя вентилятора, подшипником 6208 для промышленного воздуходувки или подшипником 6306 для редуктора сельскохозяйственной техники, основная геометрия канавок и логика выбора, описанные в этом руководстве, остаются неизменными. Правильный размер отверстия — это отправная точка, согласование типа уплотнения с рабочей средой — второй шаг, а получение детали от производителя с постоянным контролем качества — это то, что фактически превращает правильную спецификацию на бумаге в подшипник, который работает так, как указано в каталоге, когда он вращается внутри реальной машины.

Номинальные нагрузки и размеры, указанные в данном руководстве, отражают обычно публикуемые каталожные значения для стандартных стальных радиальных шарикоподшипников и предназначены для общего сведения. Прежде чем приступить к окончательному проектированию, всегда сверяйте точные характеристики с текущим каталогом производителя, поставляющего деталь.