Подшипник качения: конструкция, детали, принцип работы и применение

Подшипник качения — это стандартизированный узел, предназначенный для поддержания вращающегося вала или оси и восприятия действующих на него нагрузок при минимальном трении. Принцип работы основан на замене скольжения качением: между кольцами расположены тела качения — шарики или ролики, — которые перекатываются по специально обработанным дорожкам. Подшипники качения применяются практически во всех отраслях промышленности и в бытовой технике — от электромоторов и редукторов до стиральных машин и автомобилей.

Что такое подшипник качения

Подшипник качения является машиностроительным изделием, в котором нагрузка между соединяемыми деталями передаётся через тела качения — шарики, цилиндрические, конические, сферические, игольчатые или тороидальные ролики. Именно трение качения, которое значительно меньше трения скольжения, определяет главное преимущество таких подшипников: низкие потери энергии, малый нагрев и длительный ресурс без интенсивного обслуживания.

В отличие от подшипников скольжения, где вал опирается непосредственно на поверхность втулки через масляную плёнку, в подшипниках качения контакт осуществляется через тела качения. Это делает их менее зависимыми от вязкости смазки при пуске, более компактными по осевому размеру и, как правило, значительно более простыми в обслуживании.

Подшипники качения стандартизированы по международным стандартам ISO и отечественным ГОСТ. Основные размеры — диаметр отверстия d, наружный диаметр D и ширина B — унифицированы по ГОСТ 3478-79 (идентичен ISO 15), что обеспечивает полную взаимозаменяемость продукции разных производителей.

Назначение подшипников качения

Основное назначение подшипника качения — поддерживать вращающийся или качающийся элемент конструкции (вал, ось, шпиндель) относительно неподвижного корпуса или другой детали, воспринимая при этом действующие нагрузки и обеспечивая заданное положение оси вращения.

В зависимости от типа воспринимаемой нагрузки подшипники качения выполняют следующие функции:

• Восприятие радиальных нагрузок — сил, действующих перпендикулярно оси вращения. Типичные примеры: вес вала с насаженными на него шестернями, натяжение ремённой или цепной передачи.
• Восприятие осевых (упорных) нагрузок — сил, действующих вдоль оси вращения. Возникают в винтовых передачах, конических зубчатых парах, при ветровых или гравитационных нагрузках вдоль оси.
• Восприятие комбинированных нагрузок — одновременно радиальных и осевых. Характерно для большинства реальных машин и механизмов.
• Фиксирующая функция — фиксирующая опора удерживает вал от осевого перемещения в обоих направлениях. Нефиксирующая (плавающая) опора позволяет валу смещаться осевую при тепловом расширении.

Подшипники качения применяются в электродвигателях, насосах, вентиляторах, редукторах, компрессорах, металлообрабатывающих станках, сельскохозяйственных машинах, железнодорожном и автомобильном транспорте, авиационной и аэрокосмической технике, а также в бытовых приборах — стиральных машинах, пылесосах, электроинструменте.

Конструкция подшипника качения: из чего состоит

Стандартный подшипник качения состоит из четырёх основных элементов: двух колец, тел качения и сепаратора. В некоторых конструкциях одно из колец или сепаратор могут отсутствовать.

Внутреннее кольцо

Внутреннее кольцо насаживается на вал с натягом (неподвижная посадка) или с небольшим зазором (подвижная посадка) в зависимости от того, вращается ли внутреннее кольцо относительно направления нагрузки. Как правило, при вращающемся вале применяется посадка с натягом, чтобы исключить проворачивание кольца на валу. На наружной цилиндрической поверхности внутреннего кольца выполнена дорожка качения — точно обработанная канавка или беговая дорожка, по которой движутся тела качения.

Наружное кольцо

Наружное кольцо устанавливается в расточку корпуса или подшипниковой опоры. При неподвижном корпусе наружное кольцо обычно монтируется с небольшим натягом или зазором в зависимости от характера нагрузки. Дорожка качения выполнена на внутренней поверхности наружного кольца. Диаметр, ширина и координата фаски наружного кольца стандартизированы по ГОСТ 3478-79.

Тела качения

Тела качения — ключевой рабочий элемент подшипника. Именно через них передаётся нагрузка от одного кольца к другому. Форма тел качения определяет тип подшипника и его нагрузочную способность:

• Шарики — обеспечивают точечный контакт с дорожками; минимальное трение, высокая допустимая частота вращения, хорошее восприятие как радиальных, так и осевых нагрузок.
• Цилиндрические ролики — линейный контакт; значительно более высокая радиальная нагрузочная способность по сравнению с шарами при том же габаритном размере, но ограниченная осевая нагрузка.
• Конические ролики — линейный контакт под углом к оси; хорошо воспринимают комбинированные нагрузки.
• Сферические (бочкообразные) ролики — допускают самоустановку, воспринимают очень высокие нагрузки.
• Игольчатые ролики — очень малый радиальный габарит при высокой нагрузочной способности.
• Тороидальные ролики (CARB) — допускают одновременно угловое смещение и осевое перемещение.

Сепаратор

Сепаратор удерживает тела качения на равном расстоянии друг от друга по всей окружности, предотвращая их соударение и обеспечивая равномерное распределение нагрузки. Без сепаратора шарики или ролики скапливались бы в нагруженной зоне, что резко увеличивало бы трение и износ.

Стальные и латунные сепараторы применяются в высоконагруженных и высокотемпературных приложениях. Полиамидные (пластиковые) сепараторы — более лёгкие, снижают трение и шум при средних нагрузках и скоростях; они чувствительны к высоким температурам (выше +120 °C) и агрессивным средам. В некоторых исполнениях подшипников — игольчатых, некоторых упорных — сепаратор отсутствует: ролики заполняют всё пространство между кольцами. Такие подшипники называются полнокомплектными.

Дорожки качения: что это и какую роль играют

Дорожки качения (беговые дорожки) — это точно обработанные поверхности на внутреннем и наружном кольцах, по которым перекатываются тела качения. Именно качество дорожек определяет долговечность, уровень шума и вибрации подшипника.

Требования к дорожкам качения жёсткие: шероховатость поверхности составляет Ra = 0,1–0,2 мкм (это в 30–50 раз глаже, чем полированная деталь машиностроения общего назначения). Твёрдость после закалки и отпуска — 58–65 HRC. Геометрия — строго выдержанная форма канавки для шариков (радиус желоба составляет 51,5–53% диаметра шара) или цилиндрическая / коническая беговая поверхность для роликов.

Поверхности качения нагружены циклически: при каждом проходе тела качения через точку контакта возникают знакопеременные контактные напряжения. Именно усталостное разрушение поверхностного слоя дорожек — шелушение (спаллинг, питтинг) — является нормальным механизмом исчерпания ресурса подшипника при правильной эксплуатации.

Принцип работы подшипника качения

При вращении вала внутреннее кольцо вращается вместе с ним. Тела качения, опираясь на дорожки обоих колец, перекатываются между ними, увлекаемые вращением внутреннего кольца. Сепаратор направляет движение тел качения и удерживает их в равномерно распределённом положении.

Нагрузка от вала через внутреннее кольцо передаётся телам качения, а от них — наружному кольцу и далее в корпус. В каждый момент времени нагрузку воспринимает только та часть тел качения, которая находится в нагруженной зоне — обычно это нижняя половина подшипника при вертикальной нагрузке.

Смазка в зоне контакта тел качения с дорожками образует тонкую эластогидродинамическую масляную плёнку (ЭГД-плёнку), которая разделяет металлические поверхности и предотвращает их непосредственный контакт. Толщина этой плёнки составляет от десятых долей до нескольких микрометров. Пока плёнка не разрушается — износа практически нет, и подшипник работает в режиме ресурса усталостного разрушения.

Материалы подшипников качения

Кольца и тела качения изготавливают из высокоуглеродистой хромистой подшипниковой стали — марка ШХ15 по ГОСТ 801 (аналог AISI 52100, 100Cr6 по DIN). Сталь содержит около 1% углерода и 1,5% хрома, что после закалки обеспечивает твёрдость 60–65 HRC при достаточной вязкости. Для крупных и тяжелонагруженных подшипников применяют цементируемые стали (18ХГТ, 20Х2Н4А), у которых твёрдый поверхностный слой сочетается с вязкой сердцевиной.

Нержавеющая сталь (AISI 440C) применяется для подшипников, работающих в условиях коррозионной среды: пищевая промышленность, медицинское оборудование, насосы для перекачки химикатов.

Керамика (нитрид кремния Si3N4) используется в гибридных подшипниках для тел качения. Керамические шарики или ролики в 40% легче стальных, имеют более высокую твёрдость и модуль упругости, инертны к электрическому току и немагнитны. Это снижает центробежные нагрузки на дорожки при высоких скоростях, предотвращает электрокоррозию от блуждающих токов (актуально для электродвигателей с частотными преобразователями) и увеличивает допустимую частоту вращения.

Преимущества и недостатки подшипников качения

Подшипники качения имеют ряд существенных преимуществ перед подшипниками скольжения, однако в некоторых применениях уступают им.

Где применяются подшипники качения

Диапазон применения подшипников качения охватывает практически все области машиностроения и приборостроения.

• Электрооборудование. Электродвигатели от долей ватта (бытовые вентиляторы) до мегаваттных машин (тяговые двигатели) — повсеместно используют радиальные шарикоподшипники или цилиндрические роликоподшипники.
• Редукторы и трансмиссии. Конические и цилиндрические роликоподшипники обеспечивают восприятие радиальных и осевых нагрузок от зубчатых передач.
• Насосы и компрессоры. Радиальные шарикоподшипники и сферические роликоподшипники — для компенсации несоосности и нагрузок от рабочих колёс.
• Металлообрабатывающие станки. Шпиндели фрезерных, токарных и шлифовальных станков используют прецизионные радиально-упорные шарикоподшипники и цилиндрические роликоподшипники классов точности P4 и P2.
• Автомобильная промышленность. Ступичные узлы, коробки передач, рулевые механизмы — конические роликоподшипники, шариковые двухрядные ступичные подшипники.
• Железнодорожный транспорт. Буксовые узлы вагонов и локомотивов — сферические роликоподшипники и кассетные (конические) подшипники.
• Горнодобывающее оборудование. Вибрационные грохоты, конвейеры, дробилки — сферические роликоподшипники, рассчитанные на ударные нагрузки и перекосы.
• Сельскохозяйственная техника. Корпусные подшипниковые узлы (Y-подшипники) на работу в условиях загрязнения и редкого обслуживания.
• Бытовая техника. Стиральные машины, пылесосы, вентиляторы — стандартные радиальные шарикоподшипники серий 62xx и 63xx.
• Энергетика. Ветряные турбины, турбогенераторы — сферические роликоподшипники и тороидальные роликоподшипники CARB в качестве нефиксирующих опор.

Где купить подшипники качения

Заключение

Подшипник качения является одним из наиболее распространённых и важных стандартных изделий в машиностроении. Его конструкция — два кольца, тела качения и сепаратор — при всей простоте обеспечивает точную работу, длительный ресурс и полную взаимозаменяемость. Принцип замены скольжения качением даёт низкое трение, малый нагрев и минимальные потери энергии. Основные ограничения подшипников качения — чувствительность к загрязнениям, повышенный шум на высоких скоростях и сравнительно быстрый окончательный отказ при исчерпании ресурса. Правильный выбор типа, размера, посадки и смазки позволяет полностью реализовать расчётный ресурс и обеспечить надёжную работу оборудования.