Прочитав разные, в-основном положительные отзывы о переводе втулок на "промподшипники", я решил тоже этим заняться, но предварительно как-то изучить вопрос. Поскольку это совсем не моя специальность, пришлось прочитать довольно много всякого разного. В результате мои познания от нуля расширились настолько, что захотелось поделиться, вдруг еще кому будет интересно, а может даже и полезно.
Прежде всего название. Не знаю, кто их назвал "промподшипниками", но по-моему, он сильно ошибся. Понятно, что это было сделано для того, чтобы отличать их от велосипедных, но сделано неудачно.
Почему пром? Потому что они промышленного изготовления? А велоподшипники что, делаются вручную в гараже? Может это значит, что они применяются в промышленности? Опять нет, они везде применяются, не только в промышленности, а зато в промышленности встречаются такие удивительные экземпляры, что куда там велосипедным.
Правильнее называть их стандартные радиальные шарикоподшипники широкого применения, правда это длинновато.
Можно называть их по тем качествам, которые отличают их от велосипедных. Например, унитарные (цельные), в отличие от велосипедных, которые являются частью втулки или каретки и отдельно не существуют.
Или радиальные, в отличие от радиально-упорных велосипедных. Или подшипники с нулевым углом контакта. В-общем вариантов может быть много и промподшипники - самый неудачный. Ну это была лингвистика, переходим к подшипникам.
Подшипник качения состоит из внутреннего и наружного колец(обойм) и нескольких тел качения (шариков или роликов). На внешней стороне внутреннего кольца и на внутренней стороне наружного сделаны дорожки качения, по которым собственно и катятся шарики.
Сепаратор.В большинстве подшипников тела качения разделяются и фиксируются сепаратором, но есть подшипники и без сепараторов. Наличие сепаратора снижает трение и повышает максимальную частоту вращения. Дело в том, что диаметры шариков неодинаковы, в подшипниках высокого класса точности разность диаметров небольшая, в других - побольше, но она всегда есть. Из-за этого шарики движутся по дорожке качения с различной скоростью. И периодически "догоняют" один другого. Если при этом между шариками оказывается сепаратор, ничего плохого не происходит, площадь контакта (выделено красным) достаточно большая,
материал сепаратора намного мягче, чем шарика, да плюс еще смазка. А если сепаратора нет, то шарики соприкасаются друг с другом, контакт происходит на скорости вдвое большей, чем с сепаратором, причем не по поверхности, а в точке.
Давление в этой точке выдавливает смазку и шарики начинают друг друга интенсивно разрушать.
Угол контакта.Углом контакта α называется угол между линией, соединяющей точки контакта шариков на дорожках качения в радиальном сечении и линией перпендикулярной оси подшипника. В радиальном подшипнике угол контакта равен нулю, при увеличении угла контакта подшипник становится радиально-упорным, потом упорно-радиальным.
Вроде бы граница между радиально-упорными и упорно-радиальными это угол контакта 45 градусов, хотя точно не знаю. В упорном подшипнике угол контакта 90 градусов.
Грузоподъемность. В справочниках указывается два типа грузоподъемности подшипников - статическая и динамическая. Статическая - это максимальная статическая нагрузка на неподвижный подшипник, при которой давление в точке контакта не превышает 4200МПа. При этом остаточная деформация шариков и дорожек не должна превышать 0,0001 диаметра шарика. Можно предположить, что если при этой нагрузке подшипник будет вращаться, то остаточная деформация шариков будет меньше, т.к. шарик будет непрерывно "обжиматься" со всех сторон. И действительно, динамическая грузоподъемность оказывается примерно вдвое выше статической. Хотя определяется она не по остаточной деформации, а совсем иначе.
Упрощенно динамическая грузоподъемность равна максимально допустимой нагрузке на подшипник, при которой он может совершить миллион оборотов без появления признаков разрушения. Динамическая грузоподъемность нам не очень актуальна, потому что скорости велотехники не очень велики и часто нагрузка приходится на неподвижный подшипник.
Формула для расчета статической грузоподъемности очень простая и понятная. Берем из таблицы некий коэффициент, умножаем на число шариков, потом умножаем на квадрат диаметра шариков потом на косинус угла контакта(для радиальной) или на синус угла контакта(для осевой нагрузки).
Получаем, что если при прочих равных количество шариков в подшипнике увеличить вдвое, то грузоподъемность тоже удвоится. А если увеличить вдвое диаметр шариков, то грузоподъемность увеличится в четыре раза.
Отметим также, если угол контакта равен нулю(sinα=0), то расчетная осевая грузоподъемность тоже равна нулю. Тут возникает интересный вопрос, как же в таком случае радиальные подшипники выдерживают осевую нагрузку? Дело в том, что как только к подшипнику прикладывается осевая нагрузка, внутреннее кольцо смещается относительно наружного в сторону приложенной силы, угол контакта становится не равен нулю, и радиальный подшипник автоматически становится "немножко" радиально-упорным. Причем если подшипник изготовлен с большими зазорами, то смещение внутреннего кольца будет довольно большим и он сможет воспринимать значительно большие осевые нагрузки, чем подшипник с малыми зазорами. Однако вряд ли допустимые осевые нагрузки для радиальных подшипников будут больше, чем для радиально-упорных. Поэтому такие вот действия
Denis Silantiev писал(а):
мы отказались от 1" резьбовой рулевой в пользу серийных подшипников 1000904. Пытливые умы могут догадаться, что этот подшипник радиальный, но...
мне кажутся весьма ошибочными. Например в справочнике Орлова прямо написано, что в правильных конструкциях на радиальные подшипники должны действовать только радиальные силы.
По поводу конкретных значений допустимых осевых нагрузок на радиальные подшипники в справочниках я лично ничего не нашел. Иногда встречается фраза "до 70% от неиспользованной радиальной". Непонятно, что это значит, ведь 1% это тоже "до 70%".
Однако некоторые
торговые фирмы дают информации несколько больше., что позволяет сделать некоторые выводы о влиянии угла контакта на грузоподъемность.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные с расчетным углом контакта а = 12°. Подшипники имеют съемное наружное кольцо, что позволяет производить раздельный монтаж внутренних и наружных колец.
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник радиальное и осевое. Осевое только в одну сторону – до 30% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные неразъемные со скосом на наружном кольце и с расчетными углами контакта; а = 12°.
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник – радиальное и осевое только в одну сторону до 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные неразъемные со скосом на наружном кольце и с расчетными углами контакта; а = 26°.
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник – радиальное и осевое только в одну сторону до 150% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные неразъемные со скосом на наружном кольце и с расчетными углами контакта; а = 36°
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник – радиальное и осевое только в одну сторону до 200% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные с разъемным внутренним кольцом: с четырехточечным контактом.
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник – радиальное и осевое в обе стороны до 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые однорядные высокоскоростные со скосом на внутреннем кольце с расчетным углом контакта а = 15°.
Направление воспринимаемых нагрузок на подшипник – радиальное и осевое только в одну сторону – до 75% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки.
Подшипники радиально-упорные шариковые сдвоенные. Наружные кольца обращены друг к другу широкими торцами. Расчетные углы контакта: а = 12°.
Радиальная нагрузка в 1,8 раза больше, чем у соответствующего однорядного подшипника. Осевая нагрузка – такая же, как у соответствующего однорядного подшипника.Обратите внимание на последнюю фразу, фактически имеются два рядом стоящих подшипника а нагрузка почему-то возрастает не в два раза, а в 1.8. Об этом ниже. А пока отмечаем загадочное явление, по формулам получается одно значение осевой нагрузки, по факту - другое. А главное - везде написано ДО. Вот по радиальной нагрузке просто и понятно, даются значения в ньютонах. А осевая - до 70% от неиспользованной радиальной. Почему не 70%, или 50%, а именно "до 70"? Непонятно.
Спаривание подшипников.В чем проблемы установки рядом одинаковых подшипников? В ГОСТ 520-89 указывается, что для подшипников нулевого класса точности допустимые радиальные биения внутреннего кольца 0.01мм, внешнего - 0.015мм. Осевые биения соответственно 0.024мм и 0.04мм. То есть если плотно посадить подшипник на неподвижный вал, то в худшем случае получим на наружной поверхности внешнего кольца радиальные биения 0.01+0.015=0.025мм. 2.5 сотки - это заметная величина.
Теперь берем и ставим рядом второй такой же неудачный подшипник, с максимальными биениями внутреннего и наружного колец. По закону подлости он встанет в противофазе, то есть когда внешнее кольцо одного поднимается на 0.025мм, у второго будет опускаться на 0.025мм. И это еще не считая осевых биений. А мы их запрессовываем рядом в одно посадочное место. И получается, что при вращении даже без нагрузки, подшипники будут "бороться" друг с другом, и их суммарная грузоподъемность не только не увеличится вдвое, но может даже и уменьшиться по сравнению с грузоподъемностью одиночного подшипника.
Поэтому для парной установки рекомендуется использовать не какие попало, а специально подобранные по параметрам подшипники. Да и то, как видим грузоподъемность при этом не удваивается. При наличии достаточного числа одинаковых подшипников и соответствующего измерительного инструмента можно это сделать и самостоятельно, но это скажем так, не очень просто.
В то же время есть способы повысить грузоподъемность узла без спаривания подшипников. См. ниже раздел "доработка".
КПД и трение.У подшипников не бывает КПД. КПД это характеристика преобразователя энергии, например электродвигателя или коробки передач. На вход преобразователя подается одно количество энергии, а с выхода снимается другое(меньшее). Разделив одно на другое получаем КПД. У подшипника нет входа и выхода энергии, это просто узел, облегчающий вращение вала. Поэтому в подшипнике есть только потери на трение.
Наименьшим трением обладают радиальные подшипники. С увеличением угла контакта трение растет а максимальная скорость вращения снижается. Поэтому
теоретически при прочих равных условиях велосипедные подшипники имеют большее трение. Однако равных условий добиться практически невозможно, поэтому на практике бывает по-всякому.
Трение в подшипнике зависит от множества факторов:
1. правильности монтажа подшипника, перекос колец при установке может увеличить трение на несколько порядков;
2. типа подшипника, у шариковых трение меньше чем у роликовых, у радиальных меньше чем у радиально-упорных и т.д.;
3. величины предварительного натяга(см.ниже);
4. класса точности, чем выше точность изготовления, тем меньше трение, также больше ресурс, грузоподъемность и цена;
5. наличия и устройства сепаратора;
6. используемой смазки, при жидкой смазке трение и грузоподъемность меньше, а максимальная скорость выше;
7. наличия и типа уплотнений.
Поэтому невозможно заранее сказать, каким будет трение в конкретном случае, или какой из двух подшипниковых узлов будет иметь меньшее трение.
Натяг.Натяг - это нагрузка приложенная к подшипнику при сборке узла. Он может быть радиальным или осевым. Если внутреннее кольцо радиального подшипника напрессовать на вал, диаметр которого больше чем диаметр отверстия, кольцо расширится и возникнет радиальный натяг, а смещение внутреннего кольца относительно внешнего в осевом направлении создает осевой натяг. Это очень важный и при этом самый неясный вопрос во всей истории. Натяг очень сильно влияет на работу подшипника, при этом формул никаких нет, оптимальную величину натяга предлагается искать опытным путем, что для самодельщика практически невозможно. Здесь лучше процитировать справочник:
Оптимальное значение зазоров устанавливают экспериментально для каждого конкретного узла. Если подшипники собраны с большим зазором, то всю нагрузку воспринимает только один или два шарика или ролика (рис. 22, а). Условия работы подшипников при таких больших зазорах неблагоприятны, и поэтому такие зазоры недопустимы. Уменьшение зазоров приводит к более равномерному распределению нагрузки между телами качения, снижает вибрации, повышает жесткость опоры. Наличие некоторых осевых зазоров положительно сказывается на снижении момента сопротивления вращению. Обычные радиально-упорные подшипники регулируют так, чтобы осевой зазор при установившемся температурном режиме был бы близок к нулю. В этом случае под действием радиальной нагрузки находятся около половины тел качения (рис. 22, б).В некоторых узлах, например, в станкостроении для повышения жесткости опор, точности вращения вала и улучшения виброакустической характеристики узла применяют сборку подшипников с предварительным натягом. В этом случае более половины или все тела качения подшипника находятся под нагрузкой (рис.22, в).
Рис. 22. Распределение нагрузок на тела качения:
а - при повышенном зазоре; б - при нулевом зазоре;в - при предварительном натяге или при значительной осевой нагрузке
Рис. 23. Влияние зазоров и натягов на ресурс (L - ресурс в процентах от расчетного) Из последнего графика следует, что максимальный ресурс подшипнику обеспечивает небольшой преднатяг, при этом избыточный натяг хуже, чем недостаточный. А так как определить оптимальную величину можно только опытным путем, то видимо лучше "недотянуть" чем "перетянуть". Думаю, разумной рекомендацией будет максимально стремиться к нулевому зазору в подшипниках.
Доработка подшипников.Чтобы меня не обзывали теоретиком, немного практики
. Доработка подшипников может выполняться по-разному в зависимости от цели и имеющегося инструмента. Снизить трение в подшипнике можно повышением класса точности, что в принципе возможно, но в условиях "самодельщины" трудно реализуемо и скорее всего экономически невыгодно. Несложно заменить смазку, но вряд-ли эффект окажется заметным.
Поэтому далее будут рассмотрены доработки, имеющие целью повысить грузоподъемность подшипника. Собственно способов может быть всего два - увеличить диаметр шариков или их число. Как правило, чем больше размер подшипника, тем больше диаметр шариков. Так что если размер посадочного места уже определен, задача состоит в том, чтобы втиснуть туда наибольший из возможных подшипников. Для этого есть очевидный способ - обтачивание наружного кольца на токарном(или круглошлифовальном) станке, чтобы уменьшить его внешний диаметр или наоборот, растачивание внутреннего кольца для увеличения диаметра отверстия. Это все просто и понятно, но для большинства из нас не подходит.
А вот увеличить количество шариков в домашних условиях вполне реально.
Для того, чтобы что-то сделать с подшипником, лучше всего его разобрать. Кое-что можно сделать без разборки, но при этом всегда есть риск, что внутрь попадет грязь, абразив или стружка, и удалить все это будет весьма непросто. Так что начинаем с разборки. Сначала снимаем уплотнительные кольца, если они есть. Сейчас фоток нет, но могу сделать, если кому интересно. Потом сепаратор. Стальной сепаратор состоит из двух половин, соединенных "усиками" или заклепками. В первом случае тонкой острой отверткой отгибаем усики и все. С заклепками посложнее, но тоже реально. Опять же, подробности будут, если кому интересно.
Вынимаем половинки сепаратора, сдвигаем шарики в тесную группу и смещаем внутреннее кольцо в сторону образовавшегося пустого пространства(по стрелке).
Иногда подшипник рассыпается сразу, иногда требуется небольшое усилие. Если задача была просто промыть и заменить мазку, сборка производится в обратном порядке. Если надо получить более мощный подшипник, сепаратор выкидываем. Причем для увеличения грузоподъемности нужно разобрать два одинаковых подшипника.
После разборки надо обточить на точиле или болгарке внутреннее кольцо, для этого нужен какой-нибудь болт или стержень подходящего диаметра, на котором это кольцо может вращаться. Также на нем должна быть шляпка или какой-нибудь упор, чтобы кольцо не соскакивало. У меня вот такой нашелся.
Дальше нужно какое-то шлифовальное устройство, типа электроточила. Я привинтил болгарку к какой-то железке, а железку к табурету. Ну, тут у кого какая фантазия, непринципиально.
Цель работы - сточить один из буртиков внутреннего кольца. Если держать болт с кольцом под некоторым углом, шлифовальный круг будет одновременно стачивать и вращать кольцо, надо только придерживать его, чтобы не крутилось слишком быстро. Держать естественно надо двумя руками, это у меня фотоаппарат в другой руке был.
Не забываем об охлаждении, если на кольце появятся цвета побежалости, его можно выбросить.
Не буду говорить о технике безопасности, очках и т.д., идиотам это не поможет, а нормальные люди и сами знают.
Предварительный результат.
Окончательный результат.
На финальных стадиях работы надо быть очень осторожным, чтобы не испортить беговую дорожку и периодически проверять собираемость подшипника. В идеале, кольцо должно вставляться в подшипник с заметным усилием(щелчком), после чего подшипник уже не рассыпается в руках. Если снять слишком много, он будет легко собираться и так же легко рассыпаться, что вызовет сложности при монтаже.
В результате должен получиться подшипник с "полным комплектом" шариков.
Получившийся подшипник может воспринимать осевую нагрузку только в одном направлении, зато его грузоподъемность увеличилась в 1.67 раза, размер остался тот же, масса увеличилась на 3%, с 28.7 г до 29.6 г. А если поставить рядом два одинаковых, то размер удвоится, масса удвоится, а грузоподъемность увеличится максимум в 1.8 раз и то только при исключительном стечении обстоятельств.
Дальше осталось сделать сепаратор, например изогнув змейкой латунную полоску, или из подходящей пластмассовой втулки, но можно и не делать. У меня пока времени нет. Из четырех обычных подшипников таким образом можно сделать два усиленных для установки на вал симметрично с двух сторон.
В случае, когда подшипник совершает сравнительно медленные качательные движения, например в таких узлах
он может быть усилен другим способом. На внутреннем кольце протачивается поперечное углубление до середины дорожки качения (выделено красным), по глубине и форме совпадающее с дорожкой качения
аналогичное углубление делается на внешнем кольце, таким образом получаем канал для заталкивания шариков. После заполнения шариками, кольца разворачиваются так, чтобы проточки находились диаметрально противоположно друг другу, тогда шарики не будут выпадать при работе, при условии что подшипник не сделает полный оборот. Эта доработка сложнее, т.к. если внутреннее кольцо можно проточить болгаркой , то внешнее разве что алмазным полукруглым надфилем, не знаю.
Есть еще третий вариант доработки, подсмотренный в станке Schaublin, он может подойти например для увеличения грузоподъемности отжимного ролика, если там один подшипник. Внутреннее кольцо аккуратно разрезается строго по центру беговой дорожки, так что получаются два полукольца. В подшипник ставится полный комплект шариков, потом внутренние кольца стягиваются на оси для создания преднатяга. Такой подшипник за из-за трехточечного контакта может противостоять двусторонним осевым нагрузкам.
Правда для такой доработки лучше взять старый изношенный подшипник с большими зазорами, иначе шарики будут катиться по самому краю беговой дорожки, что плохо. В фирменном подшипнике такого нет, там дорожки на внутренних полукольцах имеют более подходящую форму.
Вот вроде бы все, что мне показалось интересным. Ждем вопросов и замечаний.