Осевая жесткость радиальных шарикоподшипников: практическое руководство для инженеров

Шпиндель начинает оставлять слабый след при 8000 об/мин. Радиальный шарикоподшипник соответствует заявленной номинальной нагрузке, однако вал отклоняется в осевом направлении гораздо больше, чем позволяет проектный бюджет. Это знакомая ситуация в точном машиностроении: номер нагрузки проверялся, но число жесткости никогда не уточнялось. Осевая жесткость определяет, насколько перемещается вал, когда на него действует осевая сила, а в таком оборудовании, как небольшие двигатели, роботы и измерительные устройства, это движение имеет такое же значение, как и срок службы подшипников. В этой статье объясняется, что означает осевая жесткость, какие конструктивные переменные влияют на нее и как обеспечить, чтобы выбранный вами подшипник вел себя настолько жестко, насколько этого требует применение.

Что означает осевая жесткость в радиальном шарикоподшипнике

Осевая жесткость — это отношение приложенной осевой нагрузки к результирующему осевому отклонению, выраженное в ньютонах на миллиметр. Для радиального шарикоподшипника это соотношение не является постоянным. Прогиб между шариками и дорожками качения соответствует контактному поведению Герца: по мере увеличения нагрузки площадь контакта увеличивается, прогиб становится пропорционально меньшим, и подшипник становится более жестким. Другими словами, жесткость увеличивается с нагрузкой.

Для сравнения: небольшой радиальный шарикоподшипник размера 608 может иметь осевую жесткость в диапазоне от 30 до 80 Н/мкм в зависимости от его зазора и уровня нагрузки. Подшипник большего размера, например 6205, в тех же условиях может достигать нескольких сотен Н/мкм. Эти цифры не являются фиксированными рейтингами; они представляют собой снимки одной конкретной точки нагрузки на нелинейной кривой.

Радиальный шарикоподшипник симметричен в осевом направлении, что означает, что он может воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Однако эта симметрия имеет последствия, которые инженеры-проектировщики часто упускают из виду. Подшипник имеет внутренний радиальный зазор, поэтому шарики не соприкасаются с двумя буртиками дорожек качения одновременно. Под действием небольшой осевой силы вал почти свободно перемещается через зазор до тех пор, пока шарики не сядут на одно плечо. Осевая жесткость в этой области фактически равна нулю, и только после того, как этот зазор израсходован, подшипник начинает сопротивляться нагрузке со своей истинной контактной жесткостью.

Почему осевая жесткость важнее номинальной нагрузки

Номинальная нагрузка отвечает на один вопрос: какую нагрузку может выдержать подшипник? Осевая жесткость отвечает на другой вопрос: насколько точно подшипник будет удерживать вал? Для многих продуктов второй вопрос заключается в том, что определяет качество. Небольшой двигатель, допускающий смещение ротора, создает вибрацию и шум. Роботизированное соединение с чрезмерным осевым люфтом теряет повторяемость позиционирования. Прецизионный шпиндель, который отклоняется под действием силы резания, создает вибрацию и ухудшает качество поверхности.

Рассмотрим двигатель, ротор которого установлен на двух радиальных шарикоподшипниках. Если осевой зазор на заплечике дорожки качения оставляет 15 мкм свободного хода, ротор перемещается вперед и назад при каждом изменении направления магнитной силы. Возникающее в результате осевое движение напрямую приводит к слышимому шуму и повторяющимся микроударам между шариками и буртиком дорожки качения. Подшипник с предварительным натягом или подшипник с уменьшенным зазором устраняет такое поведение в самом начале.

Ни один из этих отказов не требует, чтобы подшипник находился где-то рядом с пределом нагрузки. Подшипник просто недостаточно жесткий для конструктивного контура машины. Вот почему данные о жесткости следует рассматривать как первоклассную спецификацию, а не как второстепенную информацию из таблицы данных. Когда узел спроектирован так, чтобы поддерживать осевое перемещение в пределах двух микрон, подшипник, который отклоняется на десять микрон под действием той же силы, делает бессмысленным любой другой прецизионный компонент в системе.

Ключевые факторы, контролирующие осевую жесткость

В таблице ниже перечислены параметры, которые наиболее непосредственно влияют на осевую жесткость радиального шарикоподшипника. Компромиссы имеют такое же значение, как и само улучшение жесткости.

Проблема с зазором и как помогает предварительная нагрузка

На практике наиболее распространенной причиной плохой осевой жесткости является не недостаточный диаметр шарика; это клиренс. Стандартные радиальные шарикоподшипники подразделяются на группы зазоров, такие как C2 (меньше обычного), CN (нормальный) и C3 (больше обычного). Больший зазор упрощает сборку и допускает тепловое расширение, но также расширяет зону осевого смещения. Для применений, где жесткость критична, зазор C2 или даже специально уменьшенный зазор часто является самым простым способом уменьшить осевой люфт без изменения геометрии подшипника.

Если приложение не может принять какой-либо осевой свободный ход, следующим шагом является предварительная нагрузка. Пружина, нажимающая в осевом направлении на наружное кольцо, постоянно прижимает шарики к дорожке качения, поэтому подшипник всегда работает на более жесткой части своей кривой отклонения. Жесткая предварительная нагрузка позволяет добиться того же результата, фиксируя оба кольца подшипника так, чтобы шарики всегда находились в контакте. Оба подхода уменьшают осевой люфт практически до нуля, но увеличивают трение и выделяют тепло, поэтому значения предварительной нагрузки необходимо тщательно рассчитывать для ожидаемой рабочей скорости и диапазона температур.

Радиальная и осевая жесткость на практике

Радиальные шарикоподшипники иногда называют радиально доминирующими, и это описание справедливо. Радиальная нагрузка передается по прямой через шарики и обе дорожки качения, тогда как осевая нагрузка должна передаваться через заплечики дорожек качения и вызывать увеличение угла контакта. Из-за такой геометрии радиальная жесткость радиального шарикоподшипника обычно выше, чем его осевая жесткость при той же нагрузке. Разница не является дефектом; это следствие конструкции подшипника.

Для вала, который должен быть расположен точно в обоих направлениях, практическим решением часто является пара подшипников или подшипник со встроенным фланцем. Варианты с фланцами фиксируют подшипник в осевом направлении относительно поверхности корпуса и упрощают сборку небольших электродвигателей и редукторов. руководство по выбору фланцевого подшипника объясняет, как положение фланца и посадка корпуса влияют на осевое расположение вала. В двигателях с ограниченным пространством рекомендуется использовать экранированный фланцевый подшипник, например F696ZZ фланцевый подшипник обеспечивает как осевую поддержку, так и простое расположение корпуса без дополнительного стопорного кольца.

Оптовый экранированный фланцевый подшипник F696ZZ обеспечивает плавную работу небольших двигателей Нинбо Чжэньхай Хуалей подшипниковая компания, ООО. Китайский оптовый поставщик экранированных фланцевых подшипников F696ZZ обеспечивает плавный ход малых двигателей... Посмотреть продукт →

Как проверить осевую жесткость перед покупкой

Теоретические расчеты жесткости являются отправной точкой, но реальная кривая отклонения нагрузки зависит от изготовленного зазора, профиля дорожки качения и округлости шара. Испытание на силовое отклонение является простым: поместите подшипник на жесткую опору, приложите постепенно осевую нагрузку с помощью калиброванного пресса и измерьте смещение вала с помощью датчика смещения. Построение зависимости нагрузки от прогиба дает кривую, наклон которой при рабочей нагрузке представляет собой касательную жесткость подшипника.

При использовании миниатюрных подшипников испытательную установку также необходимо уменьшить. Отклонение при осевой нагрузке в несколько ньютонов может составлять всего несколько микрометров, поэтому разрешение измерения более требовательно, чем для крупного промышленного подшипника. Именно здесь поставщик подшипников, обладающий собственными возможностями измерения, имеет значение, когда вы квалифицируете новый Компактный миниатюрный подшипник 688ZZ для точной сборки.

Оптовый радиальный шарикоподшипник 688ZZ имеет компактный дизайн, идеально подходящий для Lig Нинбо Чжэньхай Хуалей подшипниковая компания, ООО. Китайский оптовый радиальный шарикоподшипник 688ZZ имеет компактный дизайн, идеально подходящий для легких условий эксплуатации. Посмотреть продукт →

Обратите внимание, что испытание на прогиб при статической нагрузке измеряет статическую жесткость. В работающей машине подшипник также реагирует на динамические воздействия: поведение масляной пленки между шариками и дорожками качения, центробежные силы, действующие на шарики на высокой скорости, и тепловое расширение колец. Для большинства применений при скоростях ниже 60 процентов от номинальной скорости подшипника статическая жесткость является надежной основой для сравнения. Смягчение, связанное со скоростью, становится значительным главным образом в высокоскоростных шпинделях, где требуются прямые динамические испытания.

Практические шаги по выбору жестких подшипниковых узлов

Процесс выбора следует начинать с оценки осевого отклонения, а не с расчета нагрузки. Решите, какое перемещение вала может выдержать приложение при максимальной осевой силе. Затем сравните варианты подшипников по их прогнозируемому поведению под нагрузкой при данной конкретной силе, а не по одному значению жесткости, взятому из каталога. У жесткости нет универсального рейтинга; это функция нагрузки, зазора и предварительной нагрузки.

Для небольших двигателей, робототехники и медицинских инструментов направление нагрузки имеет такое же значение, как и ее величина. Миниатюрный подшипник из нержавеющей стали, такой как Подшипник SMR148-2RS из нержавеющей стали обеспечивает устойчивость к коррозии и плавность хода в средах, где двигатель подвергается воздействию влаги или чистящих средств. Там, где пространство крайне ограничено, компактная конструкция позволяет сохранить небольшой размер корпуса подшипника, сохраняя при этом предсказуемое осевое поведение благодаря тщательному выбору зазора.

Оптовые миниатюрные подшипники SMR148-2RS идеально подходят для небольших двигателей, роботов и техники. Нинбо Чжэньхай Хуалей подшипниковая компания, ООО. Китайский оптовый миниатюрный подшипник SMR148-2RS идеально подходит для небольших двигателей, роботов и механических машин. Посмотреть продукт →

Подшипники, выбранные по жесткости, также должны быть проверены в фактическом корпусе и посадке на валу. Посадка с натягом приводит к изменению внутреннего зазора после монтажа, а подшипник, который на испытательном стенде кажется жестким, может размягчиться после запрессовки в корпус. Включите условия монтажа в оценку жесткости, а не рассматривайте подшипник как изолированный компонент. Более подробную информацию о том, как маленькие подшипники поддерживают прецизионные системы, см. в нашем обзоре как миниатюрные подшипники приводят в действие точное машиностроение и высокоскоростное оборудование .