Существует некоторая путаница вокруг взаимосвязи между точностью подшипника, его производственными допусками и уровнем внутреннего зазора или «люфта» между дорожками качения и шариками. Здесь У Шичжэн, управляющий директор компании JITO Bearings, эксперта по малым и миниатюрным подшипникам, проливает свет на то, почему этот миф сохраняется и на что следует обратить внимание инженерам.
Во время Второй мировой войны на военном заводе в Шотландии малоизвестный человек по имени Стэнли Паркер разработал концепцию истинного положения, или то, что мы знаем сегодня как геометрические размеры и допуски (GD&T). Паркер заметил, что, хотя некоторые функциональные детали, изготавливаемые для торпед, были забракованы после проверки, их все равно отправляли в производство.
При ближайшем рассмотрении он обнаружил, что виновато именно измерение допуска. Традиционные допуски координат XY создавали квадратную зону допуска, из которой исключалась деталь, даже если она занимала точку в изогнутом круговом пространстве между углами квадрата. Далее он опубликовал свои выводы о том, как определить истинное положение, в книге под названием «Чертежи и размеры».
*Внутренний зазор
Сегодня это понимание помогает нам разрабатывать подшипники, которые демонстрируют определенный уровень люфта или люфта, иначе известный как внутренний зазор или, более конкретно, радиальный и осевой люфт. Радиальный люфт — это зазор, измеренный перпендикулярно оси подшипника, а осевой люфт — это зазор, измеренный параллельно оси подшипника.
Этот люфт заложен в подшипник с самого начала, чтобы позволить подшипнику выдерживать нагрузки в различных условиях, принимая во внимание такие факторы, как температурное расширение и то, как посадка внутреннего и наружного колец повлияет на срок службы подшипника.
В частности, зазор может влиять на шум, вибрацию, тепловую нагрузку, прогиб, распределение нагрузки и усталостную долговечность. Более высокий радиальный зазор желателен в ситуациях, когда ожидается, что внутреннее кольцо или вал во время использования станет более горячим и расширится по сравнению с наружным кольцом или корпусом. В этой ситуации люфт в подшипнике уменьшится. И наоборот, люфт увеличится, если внешнее кольцо расширится больше, чем внутреннее.
Более высокий осевой люфт желателен в системах, где имеется несоосность между валом и корпусом, поскольку несоосность может привести к быстрому выходу из строя подшипника с небольшим внутренним зазором. Больший зазор также может позволить подшипнику справляться с немного более высокими осевыми нагрузками, поскольку он обеспечивает более высокий угол контакта.
*Фурнитура
Важно, чтобы инженеры добились правильного баланса внутреннего зазора в подшипнике. Чрезмерно затянутый подшипник с недостаточным зазором приведет к избыточному нагреву и трению, что приведет к скольжению шариков по дорожке качения и ускорению износа. Аналогичным образом, слишком большой зазор приведет к увеличению шума и вибрации и снижению точности вращения.
Зазор можно контролировать, используя различные посадки. Технические посадки относятся к зазору между двумя сопрягаемыми деталями. Обычно это описывается как вал в отверстии и отражает степень герметичности или ослабления между валом и внутренним кольцом, а также между наружным кольцом и корпусом. Обычно это проявляется в свободной посадке с зазором или плотной посадке с натягом.
Плотная посадка между внутренним кольцом и валом важна для удержания его на месте и предотвращения нежелательной утечки или проскальзывания, которые могут вызывать нагрев и вибрацию и вызывать деградацию.
Однако посадка с натягом приведет к уменьшению зазора в шарикоподшипнике, поскольку оно расширяет внутреннее кольцо. Столь же плотная посадка между корпусом и наружным кольцом в подшипнике с малым радиальным люфтом сожмет наружное кольцо и еще больше уменьшит зазор. Это приведет к отрицательному внутреннему зазору — фактически делая вал больше отверстия — и приведет к чрезмерному трению и преждевременному выходу из строя.
Цель состоит в том, чтобы добиться нулевого рабочего люфта при работе подшипника в нормальных условиях. Однако первоначальный радиальный люфт, необходимый для достижения этой цели, может вызвать проблемы со скольжением или скольжением шариков, что приведет к снижению жесткости и точности вращения. Этот первоначальный радиальный люфт можно устранить с помощью предварительной нагрузки. Предварительная нагрузка — это средство приложения постоянной осевой нагрузки к подшипнику после его установки с помощью шайб или пружин, которые устанавливаются на внутреннее или наружное кольцо.
Инженеры также должны учитывать тот факт, что в подшипниках тонкого сечения легче уменьшить зазор, поскольку кольца тоньше и их легче деформировать. Как производитель небольших и миниатюрных подшипников, компания JITO Bearings советует своим клиентам проявлять больше осторожности при посадке вала в корпус. Округлость вала и корпуса также более важна для подшипников тонкого типа, поскольку вал некруглой формы деформирует тонкие кольца и увеличивает шум, вибрацию и крутящий момент.
*Допуски
Непонимание роли радиального и осевого люфта привело к тому, что многие запутались во взаимосвязи между люфтом и точностью, особенно точностью, которая является результатом более высоких производственных допусков.
Некоторые считают, что прецизионный подшипник должен почти не иметь люфта и вращаться очень точно. Для них свободный радиальный люфт кажется менее точным и создает впечатление низкого качества, хотя это может быть высокоточный подшипник, намеренно спроектированный с люфтом. Например, в прошлом мы спрашивали некоторых наших клиентов, почему им нужен высокоточный подшипник, и они говорили нам, что хотят «уменьшить люфт».
Однако это правда, что допуск повышает точность. Вскоре после появления массового производства инженеры поняли, что производить два абсолютно одинаковых продукта ни практично, ни экономично, если вообще возможно. Даже если все производственные переменные остаются неизменными, между одной единицей продукции и другой всегда будут незначительные различия.
Сегодня это стало представлять собой допустимую или приемлемую терпимость. Классы допусков для шарикоподшипников, известные как ISO (метрические) или ABEC (дюймы), регулируют допустимые отклонения и охватывают измерения, включая размер внутреннего и наружного колец, а также округлость колец и дорожек качения. Чем выше класс и чем жестче допуск, тем точнее будет подшипник после сборки.
Находя правильный баланс между посадкой и радиальным и осевым люфтом во время использования, инженеры могут добиться идеального нулевого рабочего зазора и обеспечить низкий уровень шума и точное вращение. При этом мы сможем устранить путаницу между точностью и люфтом и, подобно тому, как Стэнли Паркер произвел революцию в промышленных измерениях, фундаментально изменить наш взгляд на подшипники.
Время публикации: 04 марта 2021 г.
