Подшипники с перекрестными роликами часто выбираются в тех случаях, когда один подшипник должен одновременно воспринимать радиальную нагрузку, осевую нагрузку и опрокидывающий момент. Их цилиндрические ролики расположены с интервалом в 90 градусов на одной дорожке качения, поэтому переменные ролики воспринимают нагрузку в разных направлениях. Такая компоновка позволяет компактному подшипнику вести себя как два отдельных подшипника, помещенных в один корпус. Понимание того, как ролики распределяют радиальные и осевые силы, помогает инженерам решить, является ли подшипник с перекрестными роликами правильным выбором и как правильно подобрать его размер. В разделах ниже объясняются пути передачи нагрузки внутри подшипника, факторы, ограничивающие его грузоподъемность, и конструктивные решения, определяющие его реальную производительность.
Почему расположение перекрещенных роликов изменяет поведение нагрузки
Стандартный шариковый подшипник хорошо справляется с радиальной нагрузкой, но обладает ограниченной осевой несущей способностью, если не имеет угла контакта. Перекрестный роликовый подшипник решает эту проблему геометрически, а не путем добавления второго ряда в отдельном корпусе.
Чередующаяся ориентация роликов под углом 90 градусов
Ролики расположены в V-образной дорожке качения с углом 90 градусов. Соседние ролики повернуты друг к другу на 90 градусов, так что линия нагрузки одного ролика перпендикулярна линии нагрузки соседнего. Поскольку каждая линия нагрузки расположена примерно под углом 45 градусов к оси вала, ролик может одновременно реагировать как на радиальную, так и на осевую составляющую силы. При чисто радиальной нагрузке примерно половина роликов нагружена сжатием вдоль одной диагонали; при осевой нагрузке зацепляется другая пара. Именно поэтому подшипник описывается как способный выдерживать нагрузки во всех направлениях с помощью одной пары дорожек качения.
Линейный контакт вместо точечного контакта
Цилиндрические ролики касаются дорожки качения вдоль прямой линии, а не в одной точке. По сравнению с шариком аналогичного размера, площадь контакта значительно больше, поэтому напряжение на единицу площади ниже при заданной нагрузке. Практический результат — более высокая радиальная и осевая жесткость и меньшее упругое прогибание при той же силе. Именно эта жесткость обычно является причиной, по которой конструктор переходит от шарикового подшипника к конструкции с перекрестными роликами.
Как распределяются радиальные нагрузки внутри подшипника
При приложении радиальной силы ролики, линии приложения нагрузки которых имеют вертикальную составляющую, воспринимают нагрузку и передают её на стенку корпуса. Равномерность этого процесса зависит от нескольких факторов:
- Радиальный внутренний зазор или предварительная нагрузка — подшипник с предварительной нагрузкой задействует больше роликов с самого начала и меньше отклоняется.
- Округлость дорожки качения и допуск на диаметр отверстия корпуса — некруглые седла концентрируют нагрузку на нескольких роликах.
- Важно обеспечить равномерность диаметра роликов и качество разделительных элементов — неравномерность диаметра роликов приводит к неравномерному распределению нагрузки.
- Жесткость вала и корпуса — упругая деформация окружающих конструкций может превышать собственное отклонение подшипника.
Поскольку зона нагрузки в подшипнике с перекрестными роликами шире, чем в аналогичном шариковом подшипнике, подшипник лучше выдерживает небольшое смещение или деформацию опорной конструкции, при условии, что смещение остается в пределах, указанных производителем.
Как осевые нагрузки распространяются по кабелепроводу
Осевая нагрузка поступает через боковую поверхность внутреннего или наружного кольца и передается на ролики, линии приложения нагрузки которых направлены под углом к направлению силы. Каждый задействованный ролик затем прижимается к боковым поверхностям V-образных пазов с обеих сторон, поэтому подшипник с перекрестными роликами может быть предварительно нагружен по оси без отдельной упорной шайбы.
Осевая жесткость и прогиб
Осевое отклонение в подшипнике с перекрестными роликами обычно невелико, поскольку осевая сила распределяется между множеством роликов, находящихся в линейном контакте. Для позиционирующих устройств, таких как поворотные столы, индексирующие головки и шарниры роботов, это низкое, предсказуемое отклонение часто важнее, чем заявленная грузоподъемность. Подшипник, достаточно прочный, но отклоняющийся неравномерно, все равно будет создавать ошибки позиционирования.
Комбинированная радиальная, осевая и моментная нагрузка
В большинстве реальных применений радиальные и осевые нагрузки не действуют изолированно. Моментная нагрузка, или опрокидывающий момент, возникает, когда сила прикладывается на некотором расстоянии от центра подшипника — например, на краю вращающегося стола. Подшипник с перекрестными роликами противостоит этому, поскольку ролики на противоположных сторонах кольца нагружены в противоположных направлениях, образуя внутреннюю пару сил.
Когда радиальные, осевые и моментные нагрузки действуют одновременно, их нельзя просто суммировать численно. Каждая из них вносит свой вклад в пиковое напряжение на наиболее нагруженном ролике, и суммарный эффект необходимо сравнивать со статическими и динамическими характеристиками подшипника. Это одна из причин, почему выбор следует основывать на фактическом варианте нагрузки, а не на одном каталожном номере. Такие поставщики, как PRS, обычно предоставляют кривые несущей способности, которые позволяют инженерам построить комбинированную точку нагрузки и убедиться, что она находится в пределах безопасного диапазона.
Что определяет реальную грузоподъемность?
Рейтинг по каталогу — это лишь часть ответа. В процессе эксплуатации пропускная способность ограничена самым слабым звеном в цепочке:
- Материал и твердость роликов и дорожек качения — предел усталости определяется марками стали, закаленной насквозь или поверхностно.
- Уровень предварительной нагрузки — предварительная нагрузка повышает жесткость, но расходует часть доступной мощности.
- Точность монтажа — плоскостность и перпендикулярность поверхностей сиденья напрямую влияют на распределение нагрузки.
- Смазка и герметизация — недостаточная смазка сокращает срок службы задолго до достижения предельной нагрузки.
- Рабочая скорость и режим работы — непрерывное вращение и ударные нагрузки требуют большего запаса прочности.
Точки выбора и установки, обеспечивающие защиту мощности.
Подшипник с перекрестными роликами работает должным образом только при наличии соответствующей поддержки со стороны окружающей конструкции. Обработанные посадочные поверхности должны соответствовать допускам на плоскостность и перпендикулярность, указанным для данной серии подшипников, а зажатые кольца должны быть затянуты равномерно, чтобы избежать деформации дорожки качения. В месте соединения подшипника — чаще всего это наружное кольцо, иногда внутреннее — соединение должно быть точно выровнено, поскольку ступенька в месте соединения прерывает траекторию движения роликов и создает локальный пик напряжения при каждом проходе.
Предварительное натяжение следует выбирать в соответствии с областью применения. Для систем позиционирования более высокое предварительное натяжение является преимуществом, поскольку оно уменьшает зазор и повышает жесткость. В приложениях с большими внешними нагрузками и ограниченным крутящим моментом привода может потребоваться меньшее предварительное натяжение для сохранения работоспособности.
Часто задаваемые вопросы
Может ли перекрестно-роликовый подшипник выдерживать чисто осевую нагрузку?
Да. Наклонные линии нагрузки означают, что осевая сила передается через те же V-образные канавки, что и для радиальной нагрузки. Допустимая осевая нагрузка, как правило, ниже допустимой радиальной нагрузки для данного типоразмера подшипника, поэтому осевое значение всегда следует проверять отдельно.
Увеличивает ли предварительная нагрузка грузоподъемность?
Нет. Предварительная нагрузка повышает жесткость и улучшает распределение нагрузки, но она использует часть несущей способности подшипника еще до приложения какой-либо внешней нагрузки. Поэтому полезная несущая способность для внешней нагрузки в предварительно нагруженном подшипнике несколько ниже.
Почему точность монтажа имеет такое большое значение?
Поскольку ролики работают в линейном контакте, небольшой наклон или смещение посадочного места перераспределяют нагрузку на узкую полосу роликов. Это концентрирует напряжение и снижает срок службы гораздо быстрее, чем такое же смещение в шарикоподшипнике.
Ключевое преимущество конструкции с перекрестными роликами заключается в возможности выдерживать радиальные и осевые нагрузки в одном компактном подшипнике, однако это преимущество зависит от правильного подбора размеров, разумного предварительного натяжения и жестких, точно обработанных монтажных поверхностей. Инженеры, которые оценивают комбинированный случай нагрузок, а не только радиальную нагрузку, получат предсказуемую жесткость, длительный срок службы и точность позиционирования, сохраняющуюся на протяжении многих лет эксплуатации.