Роль подшипников в механизмах
Практически в каждой машине есть вращающиеся элементы: колёса, рычаги, барабаны. Одни свободно крутятся на осях, другие жёстко закреплены на валу и передают движение другим частям механизма. При вращении между деталями и их опорами возникает трение. Хотя в некоторых случаях, как в тормозах, оно полезно, чаще трение вредит: перегревает металл, вызывает износ и может вывести машину из строя. Как же инженеры решают эту проблему?
Способы уменьшения трения
Представьте: тянуть груз по мокрой глине легче, чем по сухому асфальту. А если всё же нужно перемещать по асфальту, лучше использовать катки. В технике это означает замену сухого трения скольжения на жидкостное трение скольжения или трение качения.
Основные типы подшипников
Опорные участки вала (шейки или шипы) тщательно обрабатывают и помещают в специальные опоры — подшипники. Они делятся на две основные группы: подшипники скольжения и подшипники качения.
Подшипники скольжения
Они обычно состоят из корпуса с запрессованной втулкой или из разъёмного корпуса с вкладышами. При сборке вал укладывается шейками на нижние вкладыши и накрывается верхними. Для снижения трения детали изготавливают из разных материалов (например, вал из стали, а вкладыши из бронзы). На внутренней поверхности вкладышей есть канавки для распределения смазки. При вращении вал затягивает масло под шейку, образуя масляную плёнку, которая приподнимает вал, и он вращается, не касаясь вкладышей. Таким образом, сухое трение заменяется жидкостным.
При высоких скоростях вращения даже жидкостное трение вызывает нагрев, поэтому подшипник нуждается в охлаждении. Для этого используют масляные ванны с кольцами на валу или системы принудительной подачи масла с помощью насосов. Масло одновременно смазывает и охлаждает поверхности. Подшипники скольжения требуют регулярного обслуживания.
Подшипники качения
Они более надёжны и удобны в эксплуатации. В них стальные шарики (в шариковых подшипниках) или ролики (в роликовых) катятся по дорожкам между вращающимся валом и неподвижной опорой. На преодоление трения в таких подшипниках тратится лишь тысячные доли передаваемой мощности. Смазывать их густым маслом нужно только во время планового ремонта.
Выбор подшипника для конкретной задачи
При выборе типа подшипника учитывают их особенности. Подшипники скольжения плохо работают в момент запуска, пока не образовалась масляная плёнка, которая к тому же может нарушаться при резких нагрузках. Подшипники качения, наоборот, хорошо себя показывают при старте, но плохо переносят экстремально высокие нагрузки, когда давление на шарики или ролики становится слишком большим. Поэтому для каждого узла машины подбирают оптимальный вариант.
Например, в обычных электродвигателях часто ставят шариковые подшипники; в редукторах кранов или колёсных парах вагонов — роликовые. В автомобиле можно встретить все виды: коленчатый вал опирается на подшипники скольжения, полуоси передних колёс — на шариковые, а вал ведущей шестерни главной передачи — на конические роликовые.
Специальные и перспективные решения
Для мощных авиадвигателей, прокатных станов и других машин с высокими и переменными нагрузками применяют игольчатые подшипники. В них между кольцами находятся тонкие стальные иглы, обильно смазанные маслом. При низких скоростях они работают как роликовые, а при увеличении скорости образуют вместе с маслом внутреннее кольцо, которое скользит. Таким образом, игольчатый подшипник сочетает преимущества обоих основных типов.
Существуют и другие способы борьбы с трением. Например, принцип воздушной подушки, используемый в судах на воздушной подушке. Мощный вентилятор нагнетает воздух под днище, создавая давление, которое приподнимает судно над водой. Затем, приводимое в движение воздушным винтом, оно легко скользит по поверхности, почти не испытывая сопротивления.