Инженерная интуиция читателя кричит: шарики и ролики применяют в разных ситуациях! Но чем именно обоснован выбор шарика или ролика, в чем отличия механизма их работы? И не проще ли остановиться на чем-то одном, что проще производить? Давайте вместе разберемся и посмотрим картинки.
Многообразие шариков и роликов
Для начала поднимемся над схваткой и оценим всю сложность выбора тела качения. Поставим рядом шарик и ролик. Как ни странно, хотя свободные детали выглядят очень просто, их существует довольно много разновидностей, — хотя это справедливо скорее для роликов.
Шарики различаются размером и материалом изготовления, — это стремящиеся к идеальной форме металлические или керамические сферы. Пожалуй, принципиально отличаются от собратьев разве что полые шарики, исследования которых начались относительно недавно. Но внешне полый шарик от полнотелого не отличить.
С роликами ситуация иная! На них даже ГОСТов разных целых три штуки — отдельные стандарты для игольчатых роликов, длинных цилиндрических и коротких цилиндрических. На конические ролики отдельного ГОСТа нет (а на подшипники с такими роликами — есть).
Кроме того, ролики отличаются формой, профилем и конструктивными особенностями. Картина пестрая: ролики бывают цилиндрическими и коническими; симметричными и асимметричными; с различной величиной выпуклости (ее называют «бомбина»). Если сделать ролик просто цилиндром, его кромки будут «вспарывать» все, чего касаются — это называется «краевой эффект». Потому ролик плавно «сужается» к краям, и профили эти бывают разными.
Ради снижения веса ролики могут делать не полнотелыми, а полыми. Нечасто встречаются витые ролики — благодаря спиральной «канавке» на поверхности они не привередливы к качеству смазки и загрязнениям. И еще один диковинный вид — шариковый ролик. Получается он отсечением 15% объема от шарика с двух сторон.
И шарики, и ролики используются в подшипниках, способных воспринимать радиальные и осевые нагрузки и любые их комбинации. Радиально-упорные подшипники могут иметь и шарики, и ролики (разумеется, конструктивно они все будут различаться и речь именно о назначении по типу воспринимаемой нагрузки).
Отдельно оговоримся: тела качения отличаются еще и точностью изготовления. У шариков десять степеней точности, у роликов, в зависимости от конструкции, от трех до шести. Как и в любой другой отрасли, повышение точности значительно усложняет и удорожает производство.
Что сложнее изготовить — шарик или ролик?
Представим себе два завода, на одном делают всевозможные шарики, на другом — всевозможные ролики. Шарик с идеальной поверхностью выполнить технологически сложнее, но ролики — более разнообразны, потребуется больше оборудования. Ролики менее унифицированы, и сильно не похожи друг на друга даже в пропорциях, следовательно для изготовления роликов нужно больше сортов исходного металлопроката и индивидуальные настройки линий.
Как работают шарики?
Шарик перекатывается внутри подшипника по дорожкам качения. Катиться он (как, впрочем, и ролик), должен без проскальзывания — это крайне нежелательное явление, существенно повышающее износ деталей подшипника, причина опасных задиров металла.
В месте контакта шарика с кольцом он слегка «проминается»: за счет упругой деформации металла точка контакта превращается в эллипсовидное пятно. Площадь пятна контакта невелика, а следовательно трение в нем мало, а вот напряжения — очень велики, так как давление приходится на малую поверхность.
Как следствие, шариковые подшипники, хоть и являются рекордсменами по быстроходности, обладают весьма ограниченной грузоподъемностью.
Как работают ролики?
Ролик соприкасается с кольцами не в точке, а по линии. Да, площадь контакта выходит большой, как следствие — выше трение, но и воспринимаемые радиальные нагрузки тоже выше. Самые грузоподъемные и крупногабаритные подшипники среди всех подшипников качения имеют в качестве тел качения именно ролики. Ролик тяжелее шарика, его сложнее разогнать, он сильнее нагревается. Кроме того, в отличие от шарика, ролик чувствителен к перекосу: он не может катиться «любой» своей поверхностью. Перекошенный ролик попросту заклинит.
Смазывание шариков и роликов в подшипнике
Идеальный режим смазывания подшипников, это когда под огромным давлением в месте контакта образуется непрерывная масляная пленка. Этот микронный барьер — очень вязкий, как пластилин — полностью разделяет металлические части и исключает их контакт. Эластогидродинамическая пленка скрадывает шероховатости деталей, и подшипник работает плавно и бесшумно, тела качения не скользят, а перекатываются.
Как сказано выше, давление в точке контакта шарика с кольцом огромно, ведь площадь мала. Масляная пленка тонкая, ее легко может повредить инородная частица. Для высоких скоростей требуются менее вязкие смазочные материалы, а их может выбрасывать центробежными силами. Более «густые» составы в шарикоподшипниках часто применяются с ограничением по скорости.
Смазка для роликов используется более вязкая и к тому же заранее следует предусмотреть высокое тепловыделение при вращении роликов. При перегреве пластичные смазки превращаются в жидкость, перестают работать и необратимо теряют свойства.
Большое преимущество роликовых подшипников — возможность применения удобных густых смазок без сложных систем подачи и очистки. Если требуется смазывание шарикоподшипников жидкими маслами, устроить это значительно сложнее: масло нужно подавать, фильтровать и делать систему герметичных уплотнений, чтобы масло не вытекало.
Отвечаем на вопрос в заголовке
В машиностроении не счесть самых разнообразных задач, и подшипники подбираются исходя из множества вводных. Имеют значение скорости, нагрузки, температура эксплуатации, габаритные размеры валов и корпусов. Порой одного и того же результата можно добиться применяя и шариковый, и роликовый подшипник, — если перед проектантом не стоит специфическая задача. Тут уже свое слово скажут экономисты: логистика и рентабельность выйдут в свет софитов.
Отдельно упомянем игольчатые ролики: с ними подшипник хоть и не хвастает скоростями, зато очень компактен. С другой стороны, самые маленькие подшипники качения в мире — именно шариковые.
А конические радиально-упорные подшипники (на фото выше 27306 А FBC) вообще незаменимы c точки зрения устойчивости к огромным осевым нагрузкам, — шариковым подшипникам сопоставимых размеров там делать нечего.
«Общим знаменателем» можно считать такую формулировку: в тихоходных и нагруженных механизмах лучше себя проявят роликовые подшипники. Если же вал вращается быстро и нагрузки не запредельные, скорее всего инженеры поставят шариковые подшипники.
