Роликоподшипники против шарикоподшипников: 5 проверок перед спецификацией

Начните с направления нагрузки

Направление нагрузки исключает семейства до того, как величина нагрузки вообще получит голос. Линейный контакт распределяет радиальную нагрузку по большей площади, чем точечный, поэтому роликоподшипники в целом несут более высокие радиальные нагрузки в том же габарите^{4,11,15,23,24}.

Это преимущество — только радиальное. Роликоподшипник с цилиндрическими роликами несет радиальную нагрузку и ничего больше, тогда как конический роликоподшипник или радиально-упорный шарикоподшипник разрешает осевую составляющую в том же посадочном месте^2,4,17–20.

Шарикоподшипник с глубокими канавками — посередине, принимая умеренную осевую нагрузку в обоих направлениях^2,5. Поставьте подшипник с чисто радиальной нагрузкой в посадочное место с комбинированной нагрузкой, и отказ произойдет в контакте ролик/дорожка, а не от простого перегруза.

Возьмите вал шестерни редуктора: распорная сила шестерни радиальная, осевая тяга — осевая. Роликоподшипник с цилиндрическими роликами несет радиальную половину, поэтому осевая половина должна уйти коническому роликоподшипнику или радиально-упорному шарикоподшипнику в том же посадочном месте.

Это геометрическое решение, а не решение о грузоподъемности — цилиндрический подшипник может быть достаточно прочным и все равно быть неверной деталью. Прежде чем сравнивать любые рейтинги, запишите, радиальная ли у вас нагрузка, осевая или комбинированная, и удалите каждое семейство, которое не может нести это направление.

Если ваше посадочное место видит осевую нагрузку, вариант цилиндрического роликоподшипника выбывает из списка до открытия каталога.

Исключает ли скорость роликовый?

Проверьте скорость, прежде чем влюбиться в грузоподъемность. Точечный контакт выделяет меньше трения и тепла на оборот, поэтому шарикоподшипники в целом держат более высокую предельную частоту вращения и значение dN, чем роликовый сопоставимого размера^11,15,23,24.

Тот же линейный контакт, что распределяет нагрузку, выделяет и больше тепла на скорости, поэтому роликоподшипник, выбранный чисто по грузоподъемности, может перегреться на рабочей скорости, даже будучи достаточно прочным¹⁵. Один источник сообщает, что радиально-упорные шарикоподшипники с малым углом контакта 15° при масляном смазывании могут превышать 30 000 об/мин для определенных размеров²¹.

Ни один источник здесь не дает соответствующей скорости роликового на том же посадочном диаметре, поэтому считайте это число шариковым потолком для сверки, а не сравнением. Практическая последовательность: если рабочая скорость высока, семейства шариковых — умолчание, а кандидат-роликовый должен оправдать себя нагрузкой.

Если рабочая скорость умеренная, а нагрузка тяжелая, кандидат-роликовый остается. Отметьте также, что уплотненный вариант шарикоподшипника несет более низкий предел скорости, чем открытый, из-за сопротивления уплотнения⁵ — так что выбор уплотнения может утащить шарикоподшипник ниже скорости, которую вы думали, он достигнет.

Впишите рабочую частоту вращения и посадочный диаметр в лист выбора сейчас и попросите у поставщика предельную частоту вращения каждого выжившего кандидата на этом посадочном диаметре.

Может ли монтаж удержать перекос?

Перекос — та проверка, которая тихо обнуляет грузоподъемность. Грузоподъемность шариковых, конических роликовых и цилиндрических роликовых подшипников основана на допущении, что перекос не превышает 0,0005 радиан, или 0,03°¹⁶.

За этим краем контакта несет нагрузку, и ресурс L10 падает ниже расчетного значения¹⁶. Сферические роликоподшипники и самоустанавливающиеся шарикоподшипники построены, чтобы поглощать перекос, а специальные самоустанавливающиеся цилиндрические роликоподшипники могут взять 1,0°-1,5°^4,16,17.

Это разрыв более чем на порядок между базой рейтинга и тем, что терпит самоустанавливающийся тип. Возьмите стойку трансмиссионного вала с угловой ошибкой 1,0-1,5°: каждый несамоустанавливающийся кандидат выбывает на бумаге, как бы хороша ни выглядела его каталожная грузоподъемность, и требуется сферический роликоподшипник или самоустанавливающийся подшипник, потому что база 0,0005 рад превышена¹⁶.

Перекос приходит из двух мест — статически перекошенные корпуса и валы, прогибающиеся под нагрузкой¹⁶ — так что оцените оба, прежде чем доверять рейтингу. Если вы не можете удержать посадочное место внутри 0,0005 рад, вообще не сравнивайте грузоподъемности; выбирайте сначала из самоустанавливающихся семейств.

Спросите поставщика, на какой перекос оценен их кандидат, потому что источники дают только базу 0,0005 рад и особый случай 1,0-1,5°.

Нужна вам роликовая жесткость или хватит преднатяга?

Жесткость — там, где семейство шариковых дает отпор. Преднатяг устраняет внутренний зазор и оптимизирует контакт, поэтому радиально-упорный шарикоподшипник можно сделать жестче, чем подсказывает его точечная геометрия^2,21,22.

Поэтому шпиндели станков используют предназначенные радиально-упорные шарикоподшипники, а не исходят из того, что только ролики дают жесткость^2,21,22. Сравните два шариковых варианта по жесткости: у подшипника с глубокими канавками она низкая до умеренной, а у радиально-упорного — высокая, особенно с преднатягом^2,21.

Возьмите шпиндель станка: предназначенный радиально-упорный шарикоподшипник — предпочтительный выбор по жесткости, против подшипника с глубокими канавками, чья жесткость только низкая до умеренной^2,21,22. Преднатяг также регулируем, поэтому инженер может настроить жесткость и предотвратить проскальзывание шариков под конкретный режим²¹.

С этим идут два предостережения. Радиально-упорные подшипники имеют очень ограниченный допуск перекоса, обычно лишь 0,5-1 градус, а их осевая грузоподъемность — примерно 25-35% от C0²¹ (по данным поставщика).

Так что выигрыш по жесткости реален, но сужает ваш бюджет перекоса. Если бюджет прогиба тесен, а посадочное место хорошо выровнено, оцените по деньгам вариант предназначенного радиально-упорного, прежде чем считать ролик единственным жестким ответом.

Запросите у поставщика класс преднатяга и получающуюся жесткость, а не только номер подшипника.

Переживет ли смазочный маршрут режим?

Смазывание может опрокинуть выбор подшипника, верный по нагрузке и скорости. Смазка — умолчание для большинства применений подшипников качения, потому что проста в использовании, устойчива к утечкам и сравнительно дешева³.

Тяжелые условия ломают это умолчание: высокие температуры могут «зажарить» смазку, вызывая потерю вязкости, контакт металл-по-металлу и в итоге заклинивание, а растущие скорости вентиляторов производят тот же эффект через более высокую рабочую температуру³. Там, где это происходит, рекомендуется масло, потому что оно рассеивает тепло и вымывает загрязнения — грязь, пыль, влагу и металлы износа³.

Роликоподшипники выделяют больше трения и тепла, чем шариковые¹⁵, поэтому кандидат-роликовый толкает вас к масляному маршруту раньше. Уплотнение толкает в другую сторону: уплотненные варианты шарикоподшипников имеют сниженные пределы скорости из-за сопротивления уплотнений против открытых⁵.

Возьмите высокотемпературный, высокоскоростной или сильно загрязненный режим: смазка может потерять вязкость и допустить контакт металл-по-металлу, поэтому специфицируется масляное смазывание — а уплотненный вариант шарикоподшипника отвергается, потому что сопротивление уплотнения снижает его предел скорости^3,5. Это два независимых ограничения на одном чертеже.

Решите маршрут смазывания и уплотнения до выпуска выноски подшипника, потому что он может исключить только что выбранного кандидата. Спросите поставщика, оценен ли его кандидат на ваш метод смазывания при вашей рабочей температуре.

Какие кандидаты доживают до запроса (RFQ)?

Выбор только по габаритному размеру игнорирует динамическую грузоподъемность, предельную частоту вращения, коэффициент трения и допуск перекоса, которые реально задают ресурс^7,13,23. Подшипник, который вписывается в корпус, все равно может быть неверной деталью, потому что четыре цифры, решающие ресурс, не видны из посадочного и наружного диаметров.

Материал, стиль и тип сепаратора также могут управлять точностью вращения, прочностью и стоимостью изделия, поэтому варианты сепаратора принадлежат тому же разговору, а не позднейшей ревизии¹. Прогоните проверки в этом порядке для каждого выжившего кандидата.

• ✓Подтвердите направление нагрузки, которое реально видит посадочное место — только радиальное, только осевое или комбинированное — и удалите любое семейство, которое не может его нести.
• ✓Вытащите каталожную динамическую грузоподъемность Cr для каждого выжившего кандидата на нужном посадочном диаметре и сравните с вашей эквивалентной нагрузкой P.
• ✓Вытащите предельную частоту вращения и значение dN для кандидата на вашей рабочей скорости и проверьте, снижает ли уплотненный вариант рейтинг.
• ✓Сверьте перекос, который дает монтаж, с базой рейтинга 0,0005 рад, или переходите на самоустанавливающийся тип.
• ✓Вытащите из каталога коэффициент трения и допуск перекоса, поскольку ни то, ни другое здесь источниками не установлено.
• ✓Решите материал и стиль сепаратора рано, потому что они влияют на точность вращения, прочность и стоимость изделия.

Может ли закрыть его шарикоподшипник с глубокими канавками?

Прежде чем платить за роликовое или радиально-упорное решение, проверьте, не закрыт ли уже случай общего назначения. Массовое производство и стандартизация делают подшипник с глубокими канавками самым экономным типом подшипников качения для применений общего назначения^5,10.

Роликоподшипники обычно дороже шариковых при сопоставимой точности^15,22, а радиально-упорные шарикоподшипники дороже типов с глубокими канавками^2,22. Так что дешевое семейство часто также и верное — но только внутри его осевого предела.

Подшипник с глубокими канавками несет осевую нагрузку в обоих направлениях, и один источник оценивает эту грузоподъемность примерно в 20-30% статической радиальной грузоподъемности, тогда как другой — в 25-35% от C0^2,5,10.

Возьмите применение общего назначения с умеренной нагрузкой: подшипник с глубокими канавками его закрывает, при условии что осевая составляющая остается внутри этой полосы, против радиально-упорного шарикоподшипника, который лучше нес бы комбинированную нагрузку, но стоит дороже^2,5,10,22. Полоса важна, потому что два источника расходятся, поэтому проектируйте на нижнюю границу, пока каталог выбранного поставщика не подтвердит значение.

Если ваша осевая нагрузка близка к верху полосы, вариант радиально-упорного — более безопасное решение даже при большей стоимости. Сверьте осевую нагрузку с C0, прежде чем принять экономный ответ.

Цилиндрический или конический роликовый?

Когда семейство роликовых выбрано, следующий разлом — цилиндрический против конического. Под чистой радиальной нагрузкой роликоподшипники с цилиндрическими роликами выделяют меньше трения и тепла, чем конические роликоподшипники¹⁹.

Конические роликоподшипники могут выделять чуть больше тепла из-за своей конической конструкции, но лучше подходят применениям с комбинированной радиальной и осевой нагрузкой¹⁹. Таков компромисс: наказание по трению покупает способность к комбинированной нагрузке, и это свойство геометрии, а не дефект семейства роликовых.

Два типа также различаются регулировкой. Роликоподшипники с цилиндрическими роликами обычно имеют фиксированный зазор с ограниченной регулировкой при монтаже, тогда как коническая конструкция позволяет регулировать зазор при установке, давая гибкость оптимизации характеристик в разных условиях работы¹⁹.

Возьмите чисто радиальный роликовый режим: выбирается роликоподшипник с цилиндрическими роликами за меньшее трение и тепло. Дайте тому же посадочному месту осевую опору — и вместо него выбирается конический роликоподшипник с принятым чуть большим трением¹⁹.

Конические роликоподшипники также несут большие радиальные и осевые нагрузки по сравнению с шариковыми или цилиндрическими, потому что коническая геометрия увеличивает площадь контакта⁴. Так что вопрос не в том, какой роликовый лучше, — а в том, нужно ли вашему посадочному месту осевая способность.

Если да, примите трение и укажите конический; если нет, берите более холодный цилиндрический вариант.

Где источники расходятся

Два источника дают разные проценты осевой грузоподъемности для одного и того же подшипника, а рейтинги стоимости и скорости сформулированы не каждым источником одинаково. Спецификация, цитирующая одну цифру как факт, может быть опровергнута собственным каталогом поставщика, поэтому считайте каждую оспариваемую цифру диапазоном для подтверждения, а не числом для проектирования.

Таблица ниже держит обе стороны видимыми, чтобы вы видели, какую цифру проверять и как (по данным поставщика).

Чего источники не устанавливают

• Нет соотношения радиальной грузоподъемности для роликовых против шариковых при согласованных размерах
• Нет сравнительных цифр пределов скорости (об/мин или dN) для согласованных шариковых и роликовых размеров
• Нет значений коэффициента трения или момента для шариковых против роликовых подшипников
• Нет ценовых цифр или количественного сравнения стоимости между роликовыми и шариковыми подшипниками
• Нет допустимых углов перекоса по типам производителя сверх базы 0,0005 рад и особого самоустанавливающегося случая 1,0-1,5°
• Нет прямого сравнения жесткости (прогиба под нагрузкой) между роликовыми и шариковыми подшипниками
• Ни один источник не утверждает, что роликоподшипники требуют больше смазки или более частого обслуживания, чем шариковые
• Нет объяснения разницы в стоимости через сложность изготовления или материалы