Радиально-упорный подшипник

Радиально-упорный подшипник — это тип подшипника качения, предназначенный для восприятия комбинированных нагрузок, действующих одновременно в радиальном и осевом направлениях. Основной конструктивной особенностью, отличающей его от радиального подшипника, является наличие угла контакта между телами качения и дорожками качения колец, что обеспечивает возможность передачи осевой нагрузки.

Конструкция и принцип работы

Радиально-упорный подшипник состоит из наружного и внутреннего колец, тел качения (шариков или роликов) и сепаратора, который разделяет тела качения и удерживает их на равном расстоянии друг от друга. Решающей характеристикой является угол контакта α (альфа) — угол между линией, соединяющей точки контакта тела качения с дорожками качения, и плоскостью, перпендикулярной оси подшипника. Чем больше этот угол, тем выше осевая грузоподъёмность подшипника.

При работе подшипника нагрузка передаётся от одного кольца к другому через тела качения. Из-за наличия угла контакта, под действием осевой силы тела качения прижимаются к дорожкам качения, создавая радиальную составляющую, которая уравновешивается реакцией опоры. Осевая нагрузка, таким образом, воспринимается за счёт упора тел качения в борта колец.

Классификация по типу тел качения

В зависимости от формы тел качения радиально-упорные подшипники делятся на два основных типа:

• Шариковые радиально-упорные подшипники — наиболее распространённый тип. Используют шарики в качестве тел качения. Отличаются высокой скоростью вращения и относительно невысокой стоимостью. Выпускаются однорядными и двухрядными, с различными углами контакта (обычно 12°, 15°, 25°, 30°, 40°). Двухрядные шариковые радиально-упорные подшипники по конструкции близки к двум однорядным, установленным спина к спине, и способны воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях.
• Роликовые радиально-упорные подшипники — используют ролики конической или цилиндрической формы. Конические роликовые подшипники (часто называемые просто коническими) являются наиболее характерным представителем этого типа. Они способны воспринимать значительно большие нагрузки, чем шариковые, но работают при меньших частотах вращения. Цилиндрические роликовые радиально-упорные подшипники встречаются реже и применяются в специфических узлах (например, в шпинделях металлорежущих станков).

Конструктивные разновидности

• Однорядные — воспринимают осевую нагрузку только в одном направлении. Для восприятия двусторонней осевой нагрузки применяются в парах.
• Двухрядные — конструктивно представляют собой два однорядных подшипника, объединённых в один корпус. Воспринимают осевые нагрузки в обоих направлениях, что упрощает монтаж.
• Четырёхточечные — подшипники с канавками на внутреннем и наружном кольцах, имеющими форму, приближающуюся к дуге окружности. Шарик контактирует с дорожками качения в четырёх точках. Позволяют воспринимать двустороннюю осевую нагрузку, занимая меньше места, чем пара однорядных.

Основные характеристики

Основными параметрами, определяющими работоспособность радиально-упорного подшипника, являются:

• Динамическая грузоподъёмность (C) — нагрузка, которую подшипник может выдержать в течение номинального срока службы (1 млн оборотов).
• Статическая грузоподъёмность (C0) — максимальная статическая нагрузка, не вызывающая недопустимых пластических деформаций тел и дорожек качения.
• Угол контакта (α) — определяет соотношение между радиальной и осевой грузоподъёмностью.
• Предельная частота вращения — максимальная частота вращения, при которой подшипник может работать без перегрева и потери долговечности.
• Класс точности — согласно ГОСТ 520-2011, подшипники делятся на классы точности (0, 6, 5, 4, 2, Т). Более высокий класс точности (меньшее число) означает меньшие допуски на геометрические отклонения и более высокую плавность хода.

История

Первые подшипники качения были известны ещё в античности, однако принцип радиально-упорного подшипника был реализован значительно позже. В конце XIX века, с развитием машиностроения (велосипеды, автомобили, станки), потребовались подшипники, способные воспринимать не только радиальные, но и значительные осевые нагрузки. Одним из пионеров в этой области стала шведская компания SKF, основанная в 1907 году. Инженеры SKF разработали и запатентовали конструкцию шарикового радиально-упорного подшипника с разъёмным внутренним кольцом, что позволяло увеличить количество шариков и, соответственно, грузоподъёмность.

Конические роликовые подшипники были впервые запатентованы в США в 1895 году Генри Тимкеном. Технология их производства требовала высокой точности обработки, поэтому массовое распространение они получили лишь в начале XX века, с развитием автомобильной промышленности. Компания The Timken Company, основанная в 1899 году, стала мировым лидером в производстве конических роликовых подшипников.

В СССР серийное производство радиально-упорных подшипников началось в 1930-х годах на заводах, созданных в рамках индустриализации. Первый Государственный подшипниковый завод (ГПЗ-1) в Москве, запущенный в 1932 году, освоил выпуск подшипников различных типов, включая радиально-упорные.

Применение

Радиально-упорные подшипники широко используются в узлах, где требуется высокая точность вращения и восприятие комбинированных нагрузок:

• Автомобилестроение: ступицы колёс, коробки передач, редукторы ведущих мостов, шкворни поворотных кулаков, насосы гидроусилителя руля. Конические роликовые подшипники являются стандартом для ступиц ведущих колёс грузовых автомобилей и автобусов.
• Станкостроение: шпиндели металлорежущих станков, где требуется высокая жёсткость и точность вращения. Здесь часто применяются двухрядные цилиндрические роликовые подшипники с коническим отверстием или шариковые радиально-упорные подшипники высокой точности.
• Авиационная и космическая техника: турбины двигателей, редукторы, элементы трансмиссии вертолётов.
• Железнодорожный транспорт: буксовые узлы вагонов и локомотивов (шариковые и роликовые радиально-упорные подшипники).
• Энергетика: генераторы, турбины, насосы.
• Робототехника и промышленное оборудование: поворотные опоры, редукторы, конвейерные системы.

В большинстве случаев радиально-упорные подшипники устанавливаются в парах (схемы «O» — лицом к лицу, или «X» — спина к спине) или в комплектах для восприятия двусторонней осевой нагрузки и обеспечения требуемой жёсткости узла.

Маркировка

Маркировка подшипников в Российской Федерации регламентируется ГОСТ 3189-89. Для радиально-упорных подшипников она может содержать:

• Тип подшипника: цифра 6 (шариковый радиально-упорный однорядный), 7 (роликовый конический однорядный) или 8 (шариковый радиально-упорный двухрядный).
• Серия диаметров и ширин.
• Конструктивные особенности: например, буквенное обозначение угла контакта (А — 25°, Б — 30°, В — 40°), наличие конического отверстия, разъёмного кольца.
• Класс точности (буквенное обозначение после номера, например, 5 — класс точности 5).

Пример: 36208К5 — подшипник шариковый радиально-упорный, серия диаметров 2, серия ширин 3, внутренний диаметр 40 мм (08*5), с коническим отверстием (К), класс точности 5.

Особенности монтажа и эксплуатации

• Регулировка осевого зазора — один из ключевых этапов монтажа. Для конических роликовых подшипников осевой зазор или предварительный натяг устанавливается с помощью гаек, прокладок или резьбовых колец. Слишком малый зазор (чрезмерный натяг) приводит к перегреву и заклиниванию, слишком большой — к повышенному износу и вибрациям.
• Посадка колец — обычно наружное кольцо устанавливается с зазором (скользящая посадка), а внутреннее — с натягом (прессовая посадка). Это обеспечивает правильную самоустановку роликов под нагрузкой.
• Смазка — используются пластичные (консистентные) смазки или жидкое масло. Тип смазки выбирается в зависимости от условий работы (температура, частота вращения, нагрузка).
• Взаимозаменяемость — конические роликовые подшипники, в отличие от шариковых, часто не являются полностью взаимозаменяемыми по осевому зазору даже в пределах одного типоразмера, поэтому они поставляются партиями с заданным допуском на ширину.

Литература и стандарты

• ГОСТ 520-2011 «Подшипники качения. Общие технические условия»
• ГОСТ 3189-89 «Подшипники шариковые и роликовые. Система условных обозначений»
• ГОСТ 18855-2013 «Подшипники качения. Динамическая грузоподъемность и номинальный срок службы»
• ИСО 76:2006 «Подшипники качения. Статические номинальные нагрузки»
• «Подшипники качения. Справочник» (ред. Нарышкин В.Н., Коросташевский Р.В.) — М.: Машиностроение, 1984
• SKF Rolling Bearings Catalogue (2018)