Что такое двухрядный радиально-упорный подшипник?

А двухрядный радиально-упорный подшипник представляет собой подшипник качения, который содержит два ряда шариков, расположенных рядом внутри одного наружного кольца, причем оба ряда соприкасаются со своими дорожками качения под определенным углом контакта - обычно 25° или 30° — а не под углом 90° к оси подшипника. Такая геометрия радиально-упорного контакта позволяет подшипнику одновременно воспринимать радиальные нагрузки (перпендикулярно валу) и осевые нагрузки (вдоль оси вала) в обоих направлениях, а двухрядная компоновка обеспечивает значительно более высокую грузоподъемность и большую жесткость против опрокидывающих моментов, чем однорядный радиально-упорный подшипник того же наружного диаметра.

С практической инженерной точки зрения двухрядный радиально-упорный подшипник заменяет то, что в противном случае потребовало бы двух отдельных однорядных радиально-упорных подшипников, установленных по схеме «лицевая сторона» или «спина к спине», при этом в более узком осевом пространстве и без необходимости согласованной предварительной нагрузки во время сборки. Это делает его высокоэффективным подшипником для применений, в которых сочетаются тяжелые комбинированные нагрузки с ограниченным пространством, в первую очередь для шпинделей станков, ступиц автомобильных колес, коробок передач и насосов.

Принцип углового контакта: почему важен угол контакта

Определяющей особенностью любого радиально-упорного подшипника — однорядного или двухрядного — является угол контакта: угол между линией, соединяющей точки контакта шарика с внутренней и внешней дорожками качения, и плоскостью, перпендикулярной оси подшипника. В радиальном шарикоподшипнике этот угол фактически равен нулю в условиях холостого хода; в радиально-упорном подшипнике это расчетная фиксированная геометрия.

Как угол контакта влияет на грузоподъемность

Угол контакта определяет соотношение допустимой осевой и радиальной нагрузки. Больший угол контакта увеличивает допустимую осевую нагрузку по сравнению с радиальной; меньший угол контакта приводит к противоположному результату. Зависимость приблизительно линейна в пределах практического диапазона углов контакта, используемых в коммерческих подшипниках:

• Угол контакта 15° — относительно высокая радиальная грузоподъемность, умеренная осевая грузоподъемность; используется там, где преобладают радиальные нагрузки и необходима некоторая поддержка осевой нагрузки
• Угол контакта 25° — сбалансированная радиальная и осевая мощность; наиболее распространенный угол в двухрядных радиально-упорных подшипниках для станков общего назначения и насосов.
• Угол контакта 30° — более высокая осевая грузоподъемность; используется в приложениях со значительными постоянными осевыми нагрузками, например, в некоторых коробках передач и компрессорах.
• Угол контакта 40° или 45° — очень высокая осевая грузоподъемность; встречается в специализированных приложениях с преобладанием тяги; реже встречается в двухрядной конфигурации

Эффект вызванной осевой нагрузки

А single-row angular contact bearing loaded radially generates an internal axial force component as a consequence of its contact angle—this is the induced axial load. When two single-row angular contact bearings are paired, they are arranged so that their induced axial loads oppose each other and cancel. In a double row angular contact bearing, this balance is achieved internally within the single bearing unit because the two rows have their contact angles opposed: one row carries axial force in one direction, the other row carries axial force in the opposite direction. The result is a bearing that is inherently balanced for bidirectional axial load without any special mounting arrangement.

Структура и внутренняя геометрия двухрядного радиально-упорного подшипника

Понимание внутренней конструкции двухрядного радиально-упорного подшипника объясняет как его эксплуатационные преимущества, так и особые эксплуатационные требования.

Внешнее кольцо

Наружное кольцо представляет собой цельный компонент с двумя канавками дорожек качения, обработанными до точной кривизны, необходимой для указанного размера шарика и угла контакта. Цельная конструкция обеспечивает идеальную концентричность между двумя дорожками качения и обеспечивает структурную жесткость, которая придает двухрядному подшипнику устойчивость к опрокидывающему моменту - способность, отсутствующая в парных однорядных конструкциях, где два кольца являются независимыми компонентами.

Внутреннее кольцо: цельное или разделенное.

Внутреннее кольцо двухрядного радиально-упорного подшипника может быть цельным или разъемным (двухчастным). Цельное внутреннее кольцо обеспечивает максимальную жесткость и используется в большинстве стандартных двухрядных конструкций. Разъемное внутреннее кольцо, в котором внутреннее кольцо состоит из двух разделяемых половин, позволяет собирать более крупные комплекты шариков, увеличивая грузоподъемность; однако разъемное соединение представляет собой потенциальный источник концентрации напряжений и ограничивает максимальную скорость, при которой подшипник может надежно работать.

Шаровой комплект и клетка

Каждый ряд двухрядного радиально-упорного подшипника содержит полный комплект шариков — максимальное количество шариков, которое может быть размещено при сохранении необходимого минимального расстояния между соседними шариками. Сепаратор (фиксатор) поддерживает равномерное расстояние между шариками внутри каждого ряда, предотвращает контакт шариков с шариками и направляет шарики через ненагруженную зону при вращении подшипника. Сепараторы для двухрядных радиально-упорных подшипников обычно изготавливаются из прессованной стали, полиамида (нейлона) или обработанной латуни, в зависимости от рабочей скорости, температуры и условий смазки.

Предварительная загрузка

Двухрядные радиально-упорные подшипники изготавливаются с определенной внутренней предварительной нагрузкой — предварительным сжатием, применяемым к шарикам между дорожками качения внутреннего и наружного кольца во время производства, до приложения какой-либо внешней нагрузки. Этот предварительный натяг устраняет внутренний зазор, увеличивает жесткость подшипника и значительно повышает точность вращения. Предварительная нагрузка определяется как легкая (C), средняя (CA) или тяжелая (CB) и является критическим параметром для шпинделей станков, где требуется точность биения субмикрометра. А bearing with excessive preload will overheat and fail prematurely; insufficient preload produces vibration and reduced accuracy under load.

Эксплуатационные характеристики: грузоподъемность, жесткость и скорость.

Эксплуатационные характеристики двухрядных радиально-упорных подшипников определяются их геометрией, размерами, а также материалом и качеством их компонентов. Следующие количественные соотношения имеют решающее значение для понимания того, когда и почему следует выбирать этот тип подшипника.

Динамическая и статическая нагрузка

Номинальная динамическая нагрузка (C) двухрядного радиально-упорного подшипника — нагрузка, при которой теоретический срок службы подшипника составляет один миллион оборотов — составляет примерно от 1,6 до 1,8 раза номинальная динамическая нагрузка сопоставимого однорядного радиально-упорного подшипника того же диаметра отверстия и серии. Это увеличение отражает дополнительный ряд шариков, распределяющий приложенную нагрузку. Номинальная статическая нагрузка (C₀), определяющая максимальную нагрузку, которую подшипник может выдержать, не вызывая остаточной деформации дорожек качения или шариков, демонстрирует аналогичное пропорциональное увеличение по сравнению с однорядными эквивалентами.

Жесткость и устойчивость к опрокидывающему моменту

Жесткость подшипника — сопротивление упругому прогибу под нагрузкой — является критическим параметром в шпинделях станков, где прогиб напрямую приводит к погрешности размеров обрабатываемой детали. Цельное наружное кольцо двухрядного радиально-упорного подшипника обеспечивает фиксированное известное расстояние между точками контакта двух рядов, создавая стабильный моментный рычаг, который противостоит наклону вала под нависающими нагрузками от инструмента или эксцентричными силами заготовки. Сопротивление опрокидывающему моменту является одной из основных причин, по которой двухрядные радиально-упорные подшипники являются стандартным выбором в шпинделях станков как для ручного, так и для токарных, фрезерных и шлифовальных станков с ЧПУ.

Ограничения скорости

Максимальная рабочая скорость двухрядного радиально-упорного подшипника ниже, чем у аналогичного однорядного радиально-упорного подшипника, из-за большего выделения тепла от двух рядов тел качения и более высоких внутренних напряжений, связанных с работой с предварительным натягом. В каталогах подшипников обычно указываются два ограничения скорости:

• Тепловое ограничение скорости — скорость, с которой выделение и рассеивание тепла достигают равновесия при нормальных условиях смазки; превышение этого предела приводит к постепенному повышению температуры, что приводит к ухудшению качества смазочного материала и ускорению износа подшипников.
• Механическое ограничение скорости — скорость, с которой центробежные силы сепаратора и шара достигают конструктивных пределов материала сепаратора; обычно выше температурного предела для большинства подшипников со смазкой

Для типичного двухрядного радиально-упорного подшипника с диаметром отверстия 70 мм ограничения скорости находятся в диапазоне от 5000 до 12000 об/мин являются общими в зависимости от серии, материала сепаратора, метода смазки и уровня предварительного натяга. Масляный туман или струйная смазка позволяют увеличить достижимую скорость за пределы теплового предела, допускаемого консистентной смазкой.

Двухрядные радиально-упорные подшипники в сравнении с альтернативными конструкциями подшипников

Чтобы понять, где двухрядные радиально-упорные подшипники наиболее подходят, их сравнение с наиболее распространенными альтернативами позволяет выявить их конкретные преимущества и ограничения.

Основные области применения двухрядных радиально-упорных подшипников

Особое сочетание свойств, предлагаемых двухрядными радиально-упорными подшипниками, делает их оптимальным решением для ряда требовательных применений, где альтернативы либо неадекватны, либо менее эффективны.

Шпиндели станков

Шпиндели станков — токарных, фрезерных, шлифовальных станков и обрабатывающих центров — требуют подшипников, которые одновременно были бы очень жесткими, очень точными, способными выдерживать комбинированные радиальные и осевые силы резания и достаточно компактными, чтобы поместиться в картридже шпинделя. Двухрядные радиально-упорные подшипники, соответствующие классам точности ISO P5, P4 или P2 (эквивалентным ABEC 5, 7 или 9), достигают значений радиального биения всего от 1 до 3 микрометров в самых высоких классах точности, обеспечивая качество поверхности и допуски на размеры обрабатываемых деталей, которые невозможны при использовании подшипниковых узлов более низкой точности.

Аutomotive Wheel Hubs

В современных неприводных ступичных узлах передних колес (а в некоторых конструкциях и в сборе задних колес) в качестве центрального силового элемента используются двухрядные радиально-упорные подшипники. Вес автомобиля действует как большая радиальная нагрузка, поворотные силы добавляют двунаправленную осевую составляющую, а торможение и ускорение создают наклонные моменты в ступице колеса — комбинация, которая делает двухрядный радиально-упорный подшипник естественным выбором. Подшипники ступиц колес, соответствующие автомобильным спецификациям, обычно представляют собой герметичные узлы со встроенными фланцами для крепления колес и тормозных дисков, не требующие регулировки смазки на месте в течение всего срока службы, составляющего обычно От 150 000 до 250 000 км. .

Насосы, компрессоры и вентиляторы

Центробежные насосы и вентиляторы создают значительные радиальные нагрузки из-за веса рабочего колеса и гидравлических/аэродинамических сил в сочетании с осевыми нагрузками из-за разницы давлений и несоосности ремня или муфты. Двухрядные радиально-упорные подшипники в корпусах подшипников этих машин эффективно справляются с этими комбинированными нагрузками, обеспечивая при этом точность хода, необходимую для надежного уплотнения вала, что является критически важным требованием, поскольку неисправности уплотнения вала являются основной причиной простоя насоса в большинстве записей по техническому обслуживанию предприятий.

Коробки передач и редукторы

В конических и косозубых передачах геометрия шестерни одновременно создает на валу как радиальные, так и осевые силы. Одиночный двухрядный радиально-упорный подшипник может воспринимать эти комбинированные нагрузки на валу шестерни, заменяя то, что в противном случае потребовало бы двух однорядных подшипников в пролетном исполнении. Это упрощает конструкцию корпуса коробки передач, уменьшает количество деталей и сокращает время сборки — все это способствует снижению производственных затрат для разработчика коробки передач.

Робототехника и прецизионные вращающиеся соединения

Соединения промышленных роботов и прецизионные поворотные позиционирующие устройства требуют подшипников с очень высокой жесткостью, низким биением и способностью воспринимать моментные нагрузки от консольного рычага и полезной нагрузки. Двухрядные радиально-упорные подшипники тонкого сечения, характеризующиеся очень тонким поперечным сечением относительно диаметра отверстия, используются в соединениях роботов, где каждый миллиметр осевого пространства имеет решающее значение, и подшипник должен обеспечивать полную нагрузочную способность обычного подшипника глубокого сечения в пределах доли осевой ширины.

Обозначение и характеристики: считывание кодов подшипников

Двухрядные радиально-упорные подшипники обозначаются стандартизированными кодами обозначения, которые кодируют основные параметры подшипника. Понимание этих кодов позволяет инженерам определять, выбирать источники и перекрестно ссылаться на подшипники разных производителей.

А typical double row angular contact bearing designation follows this structure:

• Обозначение типа - префикс или ведущий номер, идентифицирующий подшипник как двухрядный радиально-упорный подшипник (например, 32, 33, 52, 53 в системах обозначения ISO/DIN, где 52 и 53 обозначают двухрядные радиально-упорные подшипники с цельным внутренним кольцом)
• Код отверстия - две цифры, обозначающие диаметр отверстия (например, 08 = 40 мм, 10 = 50 мм, 12 = 60 мм в системе 5× для кодов отверстия 04 и выше)
• Серия ширины - цифра, обозначающая осевую ширину относительно диаметра отверстия.
• Суффикс-коды — буквы, обозначающие угол контакта (А = 30°), уровень предварительного натяга (С, СА, СВ), класс точности (Р5, Р4, Р2), уплотнение (RS, 2RS) и тип сепаратора (М = латунь, ТН = полиамид).

Например, подшипник, обозначенный 3206 А-2РС представляет собой двухрядный радиально-упорный подшипник с диаметром отверстия 30 мм, углом контакта 30° и двусторонними резиновыми уплотнениями для удержания смазки и исключения загрязнений в герметичных системах на весь срок службы.

Рекомендации по смазке, уплотнению и техническому обслуживанию

Правильная смазка необходима для достижения номинального срока службы любого подшипника качения, а к двухрядным радиально-упорным подшипникам предъявляются особые требования, которые отличаются от более простых типов подшипников.

Консистентная смазка для стандартных применений

Большинство двухрядных радиально-упорных подшипников общепромышленного назначения смазываются консистентной смазкой. Полость подшипника при сборке заполняется смазкой примерно до От 30 до 50% объема свободного пространства — переполнение приводит к выделению тепла в результате взбалтывания и может привести к преждевременному выходу подшипника из строя. Для подшипников, работающих при умеренных скоростях и температурах, подходит высококачественная литиевая комплексная смазка с консистенцией NLGI 2 и температурным диапазоном от -30°C до 120°C. Для работы на более высоких скоростях используются смазки с более низкой вязкостью и низкими потерями при сбивке.

Масляная смазка для высокоскоростных станков

В шпинделях станков, работающих вблизи или при предельных скоростях подшипника, вместо смазки можно использовать смазку масляным туманом, масляно-воздушную смазку или масляную струйную смазку. Эти методы обеспечивают непрерывное пополнение смазки и активное охлаждение подшипника, что позволяет работать на скоростях, на 20–50 % превышающих температурный предел скорости для смазки консистентной смазкой. Вязкость смазки выбирается исходя из параметра рабочей скорости подшипника (n·dm, где n — скорость в об/мин, а dm — средний диаметр подшипника в мм), при этом масла с более низкой вязкостью используются при более высоких параметрах скорости.

Закрытые и открытые подшипники

Двухрядные радиально-упорные подшипники доступны в открытой (неэкранированной), экранированной (металлические экраны, обозначение 2Z) и герметичной (резиновые уплотнения, обозначение 2RS) конфигурациях. Подшипники с уплотнениями предварительно заполнены смазкой на весь срок службы и не требуют повторной смазки — они являются стандартным выбором для ступиц автомобильных колес и для промышленного применения в загрязненных средах, где замена подшипников более практична, чем периодическая смазка. Открытые подшипники используются в шпинделях станков и других прецизионных устройствах, где система смазки является частью конструкции станка, а загрязнение контролируется другими средствами (лабиринтные уплотнения, положительное давление воздуха).