Каждый подшипник качения имеет угол контакта, под которым передаются нагрузки в подшипнике. Простейшим примером этого является радиальный шарикоподшипник. В этом случае угол контакта для исключительно радиальных нагрузок равен 0°. Для сравнения, радиально-упорный шарикоподшипник всегда имеет угол контакта больше 0°.

Чем больше угол контакта, тем выше осевая грузоподъёмность подшипника качения. В крайних случаях угол контакта составляет 90°, которым характеризуются исключительно упорные подшипники. Таким образом, радиально-упорные шарикоподшипники занимают промежуточное положение между исключительно радиальными и исключительно упорными подшипниками. Соответственно, они способны воспринимать комбинированные радиальные и осевые нагрузки.

Больше вариантов с меньшим углом контакта и оптимизированным сепаратором

Недавно SKF выпустила расширенную линейку однорядных радиально-упорных шарикоподшипников с латунным сепаратором, угол контакта которых меньше 40°. Ниже приведён обзор новой линейки радиально-упорных шарикоподшипников с углом контакта 25° (суффикс AC):

Меньший угол контакта немного снижает осевую грузоподъёмность, но даёт другие преимущества. Например, в определённых условиях такие подшипники могут работать с частотой вращения на 20 % выше, чем подшипники с углом контакта 40°. Этому способствуют более благоприятные кинематические условия в подшипнике, которые сокращают скольжение деталей подшипника, благодаря чему снижается тепловыделение. Кроме того, меньший угол контакта обеспечивает большую радиальную жёсткость, что предпочтительно в узлах с преимущественно радиальной нагрузкой.

SKF также оптимизировала латунный сепаратор для исполнений с углом контакта как 25°, так и 40°. Сепаратор стал ещё надёжнее благодаря более прочному материалу и улучшенной форме, а также позволяет работать с более высокими частотами вращения.

Несмотря на эти улучшения характеристик, сепаратор обладает меньшими габаритами, чем его предшественник, поэтому для смазки доступно больше объёма внутри подшипника, что позволяет увеличить интервалы смазывания. Кроме того, новый латунный сепаратор снижает уровень вибрации и шума на 15 %.

Области применения и конструкции

Типичными примерами использования радиально-упорных шарикоподшипников являются насосы, компрессоры и электродвигатели. Это оборудование, оснащённое радиально-упорными шарикоподшипниками SKF с улучшенными характеристиками, может работать гораздо более плавно и достигать более длительного срока службы.

В таком оборудовании однорядные радиально-упорные шарикоподшипники обычно устанавливаются (как минимум) парами. Это объясняется тем, что когда радиально-упорный шарикоподшипник подвергается полностью осевой или полностью радиальной нагрузке, угол контакта неизбежно приводит к возникновению соответствующей радиальной или осевой силы. Ввиду такой конструкции осевые силы могут восприниматься только одним подшипником в одном направлении. Если нагрузить его в противоположном направлении, он может разрушиться.

Поскольку осевые силы в обоих направлениях возникают в большинстве областей применения, противоположные силы должны восприниматься опорным подшипником. Простейшей формой спаренных подшипников является двухрядный радиально-упорный шарикоподшипник с компоновкой по O-образной схеме (названа так по форме, образуемой линиями проекции углов контакта). Одиночные радиально-упорные шарикоподшипники для универсального монтажа также могут быть объединены различными способами — как по O-образной, так и по Х-образной схемам.

Спаренные радиально-упорные шарикоподшипники

Когда радиально-упорные шарикоподшипники устанавливаются парами, доступны различные варианты установки — с заданным преднатягом или зазором подшипника. Наиболее распространённым методом является использование так называемых подшипников для универсального монтажа. Преимущество подшипников для универсального монтажа в том, что они уже подобраны друг к другу на заводе, благодаря чему при их монтаже в корпус достигается заданный преднатяг/зазор. Начальный зазор между внутренним или наружным кольцами подшипников закрывается прижатием подшипников.

Для достижения точной силы преднатяга/зазора подшипника требуется очень ограниченный допуск всего в несколько микрометров для компенсации постороннего влияния.

Поэтому подшипники для универсального монтажа значительно упрощают сборку. Другие традиционные методы сборки связаны со значительно более высокими усилиями. Например, преднатяг подшипника также можно регулировать, используя специальные проставочные кольца в корпусе или на валу. Однако при использовании этого метода приходится прилагать большие усилия по измерению параметров подшипника, и для каждой пары подшипников должны изготавливаться отдельные проставочные кольца.

Для снижения затрат на сборку новые радиально-упорные шарикоподшипники AC с углом контакта 25° уже выпускаются в спаренных исполнениях в соответствии с классом SKF Explorer. По запросу также могут быть реализованы различные классы преднатяга и зазора подшипников.

Смешанные комплекты подшипников

Часто осевое усилие в радиально-упорных шарикоподшипниках действует преимущественно в одном направлении. Это может относиться, например, к вентиляторам или насосам, в которых вращение в основном происходит в одном направлении. В таких случаях радиально-упорный шарикоподшипник воспринимает осевое усилие, в то время как второй радиально-упорный шарикоподшипник, так называемый «опорный подшипник», разгружен.

Однако для подшипников качения всегда требуется определённая минимальная нагрузка для работы без трения, и существует высокий риск того, что нагрузка на разгруженный подшипник будет меньше этой требуемой минимальной нагрузки. Это может привести к нарушению работы шариков при качении (с проскальзыванием в контакте качения). В результате образуются задиры, что приводит к повышению температуры и преждевременному выходу подшипника из строя из-за повреждения поверхности и/или разрушения сепаратора.

Преимущества смешанных комплектов подшипников

Ранее комплекты подшипников, состоящие из двух идентичных одиночных подшипников с углом контакта 40°, часто устанавливались в оборудовании, в котором осевая нагрузка действует преимущественно в одном направлении. Однако такой способ не является оптимальным, так как при большом угле контакта (40°) подшипники более подвержены проблемам минимальной нагрузки, когда они разгружены.

Новая серия подшипников с углом контакта 25° теперь позволяет производить асимметричные комплекты из подшипников с углом контакта 40° и 25°. Эта пара подшипников даёт большие преимущества. В асимметричном комплекте подшипников преобладающая осевая сила воспринимается большим углом контакта (B = 40°), а разгруженный подшипник с меньшим углом контакта (AC = 25°) снижает риск образования задиров, увеличивая порог подъёмной силы. Подъёмная сила — это внешняя осевая сила, при которой опорный подшипник в комплекте подшипников с преднатягом полностью разгружается, и требуемое минимальное нагружение больше не гарантируется.

Это означает, что при меньшем угле контакта, равном 25°, опорный подшипник разгружается меньше при той же внешней нагрузке. Это значительно снижает риск преждевременного выхода подшипников из строя, что, в свою очередь, повышает эксплуатационную надёжность.

Отклонение и распределение сил в асимметричных комплектах подшипников с преднатягом

Преимущества асимметричного комплекта подшипников в отношении распределения внутренней нагрузки можно проиллюстрировать на примере комплекта подшипников с преднатягом, состоящего из двух радиально-упорных шарикоподшипников, установленных по O-образной схеме, который подвергается полностью осевой силе F (красная стрелка). Подшипник с углом контакта 40° воспринимает осевую силу, а подшипник с углом контакта 25° разгружается осевой силой.

Система координат представляет собой отклонение по оси x и силу по оси y. Зелёная кривая соответствует подшипнику с углом контакта 25°, а синяя — подшипнику с углом контакта 40°. Позиция 1 соответствует соотношению нагрузок без внешней нагрузки. Позиция 2 соответствует соотношению нагрузок при наличии внешней осевой силы F₁ на уровне подъёмной силы подшипника с углом контакта 40°. Позиция 3 соответствует соотношению нагрузок при наличии внешней осевой силы F₂ на уровне подъёмной силы подшипника с углом контакта 25°.

Позиция 1: Соотношение нагрузок после сборки без внешней нагрузки

На пересечении синей и зелёной линий (точно по оси y) внешняя сила не прилагается. Оба подшипника нагружены только заданным преднатягом. В этом примере для упрощения предполагается, что сила преднатяга F_{преднатяга} = 1.

Позиции 2 и 3 в общем случае: Соотношение нагрузок при приложении внешней осевой силы в дополнение к преднатягу

При приложении внешней осевой силы F в дополнение к преднатягу мы смещаемся от пересечения двух кривых в центре диаграммы вправо. Сила F нагружает подшипник с углом контакта 40° (синяя линия) в дополнение к заданной силе преднатяга, поэтому синяя кривая поднимается. В то же время сила F разгружает подшипник с углом контакта 25° (зелёная линия), поэтому зелёная кривая опускается. Как только зелёная кривая касается оси x, преднатяг более не действует, и подшипник разгружается. Этого необходимо избегать любой ценой.

Пунктирная серая кривая приведена для сравнения с опорным подшипником с углом контакта 40°. Она показывает отклонение в случае обычного комплекта подшипников с одинаковыми углами контакта (40°+40°).

Подробное описание позиции 2: сила F₁(40°) и сила F₁(25°)

Здесь разница между обычным комплектом (40°+40°) и асимметричным комплектом (40°+25°) становится особенно очевидной. Внешняя сила в обоих случаях одинакова (F₁(40°) = F₁(25°) = 2,8 x F_{преднатяга}). Однако комплекты подшипников отклоняются по-разному.

Сила F₁(40°) представлена пунктирной линией, сила F₁(25°) — сплошной линией. В случае обычного комплекта из двух подшипников с углом контакта 40° подъёмная сила уже разгрузила бы подшипник в этой точке. На это указывает пересечение пунктирной серой кривой, отображающей отклонение опорного подшипника с углом контакта 40°, с осью x. Здесь преднатяг исчерпан (пересечение пунктирных линий в жёлтом квадрате). Сила, действующая в этой точке, примерно в 2,8 раза превышает силу преднатяга.

Однако при приложении той же силы к асимметричному комплекту подшипников всё ещё сохраняется некоторый остаточный преднатяг. В этом случае зелёная кривая всё ещё находится выше оси x (пересечение сплошных линий в жёлтом квадрате).

Подробное описание позиции 3: сила F₂

Это точка, в которой подъёмная сила разгружает опорный подшипник с углом контакта 25°. Видно, что сила F₂ значительно больше силы F₁. Если говорить конкретно, то сила, действующая в этой точке, примерно в 5,2 раза превышает силу преднатяга. Это означает, что по сравнению с комплектом одинаковых подшипников асимметричный комплект подшипников может воспринимать почти вдвое большие осевые силы без разгрузки опорного подшипника.

Поэтому подшипник с углом контакта 25° гораздо лучше подходит в качестве опорного подшипника.

Заключение

Новое поколение радиально-упорных шарикоподшипников SKF с углом контакта 25° представляет собой идеальное решение для опорного подшипника. Особенно рекомендуется включать асимметричный подшипник в конструкцию узлов, где осевая сила действует преимущественно в одном направлении, чтобы предотвратить проблемы из-за требуемой минимальной нагрузки и избежать преждевременных выходов подшипников из строя.

Кроме того, подшипники с углом контакта 25° могут также использоваться в тех случаях, когда требуются высокие частоты вращения и/или повышенная радиальная жёсткость.