Осевая и радиальная нагрузки в радиальных шарикоподшипниках: руководство по выбору

Если вы выбираете радиальный шарикоподшипник для двигателя, насоса или коробки передач, первый вопрос заключается не в том, «какой марки», а в том, «какую радиальную и какую осевую нагрузку выдержит подшипник». Радиальная нагрузка обычно определяет размер подшипника; осевая нагрузка определяет, является ли стандартный радиальный шарикоподшипник безопасным выбором. На практике сочетание этих двух сил является наиболее распространенной причиной преждевременного выхода из строя подшипников.

Что на самом деле означают радиальные и осевые нагрузки

Радиальная нагрузка действует перпендикулярно валу. Ремень, натягивающий шкив, вес ротора или сила зацепления шестерни — все это создает радиальную нагрузку. Осевая нагрузка действует параллельно валу. Примеры включают тягу косозубой шестерни, магнитное притяжение электродвигателя или вдавливание вала в корпус во время сборки.

Радиальный шарикоподшипник оптимизирован для радиальной нагрузки, поскольку его дорожки качения глубокие, а шарики имеют небольшой угол контакта. Такая геометрия позволяет подшипнику воспринимать определенную осевую нагрузку в обоих направлениях, но есть практический предел. Если осевая составляющая слишком велика, шарики скользят, а не катятся, и эллипс контакта смещается к краю дорожки качения.

Какую осевую нагрузку может выдержать радиальный шарикоподшипник?

Общедоступные технические данные от производителей подшипников дают полезное практическое правило: для стандартных однорядных радиальных шарикоподшипников допустимая осевая нагрузка часто составляет 10–30 % от номинальной статической радиальной нагрузки. Тонкие и миниатюрные подшипники, как правило, располагаются на нижнем конце, поскольку их дорожки качения более мелкие, а шарики меньше.

Номинальная статическая радиальная нагрузка C0 является эталонным значением нагрузки, вызывающей остаточную деформацию определенного размера. Номинальная динамическая нагрузка C используется для расчета срока службы. Когда инженеры сравнивают осевую нагрузку с радиальной, им следует проверять соотношение по C0, а не по C. Превышение рекомендуемого соотношения осевой и радиальной нагрузки не означает, что подшипник мгновенно остановится. Это означает, что распределение напряжений становится неравномерным, смазочная пленка разрушается и подшипник теряет ресурс быстрее, чем предсказывает стандартный расчет L10.

6205ZZ Радиальный шарикоподшипник для двигателей и насосов Экранированный подшипник размером 25×52×15 мм из стали GCr15, подходящий для средних радиальных нагрузок в промышленном оборудовании. Его двойные металлические экраны защищают от пыли и влаги, обеспечивая надежную работу двигателей, насосов и оборудования. Посмотреть продукт →

Для промышленного оборудования наш подшипник 6205ZZ обычно используется для двигателей, насосов и механизмов, но перед окончательным выбором он все равно требует проверки осевой нагрузки.

Что происходит, когда осевая нагрузка слишком высока?

Когда осевая нагрузка превышает практический предел подшипника, тела качения и дорожки качения ведут себя по-другому. Угол контакта локально увеличивается, и шарики прижимаются к краю дорожки качения. Это создает краевую нагрузку, которая представляет собой состояние концентрированного напряжения, которое может вызвать раннее отслаивание, вмятины и вибрацию.

В двигателе вы можете заметить повышенную температуру и шум. В вентиляторе или небольшом электрическом устройстве подшипник может стать грубым после непродолжительного периода эксплуатации. Неисправность не всегда очевидна снаружи, поскольку пломба все еще выглядит неповрежденной. Только при разборке системы можно увидеть неравномерный износ внутреннего и наружного колец.

Это также риск закупок. Если в спецификации на закупку указан только номинал радиальной динамической нагрузки C и игнорируется осевая нагрузка, фактический срок службы подшипника в полевых условиях может быть значительно короче расчетного срока службы. Это приводит к неожиданным простоям, доработкам и претензиям по гарантии.

Выбор радиального шарикоподшипника для комбинированных радиальных и осевых нагрузок

Практический процесс начинается с данных приложения. Определите радиальную силу и ее направление, затем осевую силу и ее направление. Для комбинированных нагрузок рассчитайте эквивалентную динамическую нагрузку, используя стандартное соотношение P = XFr YFa. Для радиальных шарикоподшипников, когда соотношение осевой и радиальной нагрузки невелико, вы можете упростить расчет и рассматривать радиальную нагрузку как определяющий фактор. При увеличении осевой доли в расчет необходимо включать более высокую эквивалентную нагрузку.

1. Оцените радиальную нагрузку по натяжению ремня, силе передачи или весу ротора двигателя.
2. Оцените осевую нагрузку на основе осевых сил, центровки вала или методов сборки.
3. Проверьте соотношение Fa/Fr на соответствие предельным значениям подшипника.
4. Сравните эквивалентную нагрузку P с номинальной динамической нагрузкой C и отрегулируйте скорость и смазку.
5. Рассмотрите подшипниковые конструкции, которые улучшают осевое позиционирование, такие как подшипники с фланцами или пружинными кольцами, без увеличения реальной осевой нагрузки.

Еще один момент – внутренний зазор. Подшипник с зазором C3 может выдерживать несколько более высокую осевую нагрузку до появления краевой нагрузки, но может работать более шумно. Для тихой работы вентиляторов выбирайте нормальный зазор или даже С2. Вот почему ваш поставщик подшипников должен знать требования как к нагрузке, так и к шуму.

Например, фланцевые радиальные шарикоподшипники упрощают осевое расположение в небольших двигателях и насосах. Фланец действует как фиксирующий элемент, но не увеличивает номинальную осевую нагрузку. То же самое относится и к подшипникам со стопорным кольцом: кольцо предотвращает движение вала, но дорожка шарика остается конструкции с глубокими канавками.

F696ZZ Фланцевый подшипник для небольших двигателей и прецизионных инструментов Фланцевый подшипник размером 6×15×5 мм со встроенным фланцем для осевого позиционирования в компактных узлах. Он обеспечивает плавное вращение и стабильность, идеально подходит для микродвигателей, электроники и прецизионных устройств, где пространство ограничено. Посмотреть продукт →

В компактном двигателе или небольшом электроинструменте наш экранированный фланцевый подшипник F696ZZ помогает фиксировать положение вала, сохраняя при этом плавное вращение для небольших двигателей.

Практические сценарии: двигатели, вентиляторы и насосы

Типичный электродвигатель имеет радиальную нагрузку от силы тяжести и, зачастую, от приводного ремня. Осевая нагрузка обычно невелика, если только двигатель не приводит в движение косозубую или червячную передачу. В этих случаях радиальный шарикоподшипник все равно может выдерживать нагрузку, если осевая сила остается ниже рекомендуемого процента от статического номинала.

В вентиляторах и электронных устройствах часто используются компактные подшипники, такие как 6901ZZ. Эти подшипники должны вращаться тихо и плавно на высокой скорости. Небольшая осевая нагрузка допустима, но большая осевая нагрузка сделает подшипник шумным и недолговечным.

Компактный шарикоподшипник 6901ZZ для вентиляторов и электронных устройств Тонкий подшипник размером 12×24×6 мм, предназначенный для ограниченного пространства, обеспечивает низкий уровень шума и стабильную работу при легких и средних нагрузках. Его двойные экраны предотвращают попадание пыли, что делает его пригодным для вентиляторов, небольших двигателей и прецизионного оборудования. Посмотреть продукт →

Наш компактный шарикоподшипник 6901ZZ предназначен для вентиляторов, двигателей и электронных устройств, где пространство ограничено и плавная работа на высокой скорости имеет решающее значение.

В насосах и промышленном оборудовании обычно используются более тяжелые подшипники, такие как 6205ZZ, или радиальные шарикоподшипники увеличенного размера. Здесь радиальная нагрузка значительна, но осевая составляющая также может увеличиваться из-за тяги рабочего колеса или несоосности муфты. В таких ситуациях инженеры часто добавляют отдельный упорный подшипник или выбирают подшипник большего размера, чтобы поддерживать эквивалентную нагрузку значительно ниже номинальной.

Скорость также влияет на осевую грузоподъемность. На высокой скорости центробежная сила, действующая на шарики, изменяет угол контакта и давление масляной пленки. Подшипник 6901ZZ, работающий со скоростью 10 000 об/мин, не воспринимает ту же осевую нагрузку, что и тот же подшипник, работающий со скоростью 1 000 об/мин, хотя радиальная нагрузка может быть ниже.

Справочная таблица: поведение радиальной и осевой нагрузки

Используйте эту таблицу в качестве быстрой проверки работоспособности на начальном этапе выбора подшипника.

Роль несущих конструкций и материалов

Фланцевые подшипники и подшипники с пружинным стопорным кольцом не изменяют грузоподъемность радиальных шарикоподшипников; они меняют удобство монтажа. Фланец позволяет установить подшипник в корпусе без отдельного посадочного кольца. Стопорное кольцо может удерживать подшипник на валу или в отверстии. Эти функции особенно полезны в компактных сборках, где дополнительные компоненты могут сделать конструкцию слишком громоздкой. Если вам нужно понять различия, у нас есть подробное руководство по выбор фланцевого подшипника который охватывает функции, типы и, конечно же, компромиссы.

Выбор материала имеет значение для коррозионной стойкости. Подшипники из нержавеющей стали являются практичным вариантом для пищевого оборудования, медицинского оборудования и наружного оборудования. Однако нержавеющая сталь обычно имеет немного меньшую грузоподъемность, чем стандартная хромированная сталь. Если приложение также имеет высокую осевую нагрузку, следует принять во внимание этот меньший резерв.

Заключительные рекомендации для покупателей и инженеров-проектировщиков

Начните с радиальной нагрузки, затем проверьте осевую нагрузку. Не думайте, что, поскольку подшипник «сверхмощный» или «промышленный», он может воспринимать большие осевые силы без посторонней помощи. Всегда запрашивайте точные размеры и данные нагрузки у производителя подшипника, особенно если осевая нагрузка превышает 20 % радиальной нагрузки. Для проектов OEM и ODM укажите рабочие нагрузки, скорость и температуру. Непосредственный производитель может затем адаптировать внутренний зазор, тип уплотнения и материал в соответствии с реальным применением. Такой подход снижает риск ранних сбоев и сохраняет низкую совокупную стоимость владения.

Если ваша осевая нагрузка постоянно превышает 30% радиальной нагрузки, рассмотрите возможность использования радиально-упорного подшипника или парного подшипника. Но если пространство слишком ограничено, специальный радиальный шарикоподшипник с измененным размером шарика и кривизной дорожки качения иногда может увеличить осевую нагрузку в пределах той же области. Здесь может помочь OEM-производитель с опытом работы с нестандартными подшипниками.