Радиальная и осевая нагрузка: в чём разница?

Что такое радиальная нагрузка?

Радиальная нагрузка — сила, действующая под прямым углом к оси вала, по радиусу. Простейший пример — вес горизонтального вала: он прижимается к нижней части отверстия подшипника. Натяжение ремня и цепи, распорная сила между прямозубыми колёсами, силы от неуравновешенности и реакция в пальце шарнира — всё это радиальные нагрузки.

В подшипнике скольжения радиальную нагрузку несёт цилиндрическая рабочая поверхность. Вал касается не всего отверстия, а опирается на нагруженную дугу, которую в расчёте заменяют проекцией: диаметр отверстия × длина. Поэтому удельная нагрузка на втулку записывается как p = F / (d × L): та же сила на более длинной втулке или во втулке большего диаметра даёт меньшее давление.

Что такое осевая нагрузка?

Осевая нагрузка, или упорная, действует параллельно оси вала: она стремится протолкнуть вал сквозь подшипник, а не сдвинуть поперёк. Её источники — реакция рабочего колеса насоса или гребного винта, осевая составляющая косозубых и червячных передач, усилие затяжки вдоль винта или шпинделя, вес вертикального вала.

Цилиндрическое отверстие осевую нагрузку не несёт: вал просто проскользит сквозь него. Осевую силу воспринимает плоская поверхность, перпендикулярная оси: упорная шайба между буртом вала и корпусом, фланец фланцевой втулки или торец втулки, в который упирается бурт вала. Удельная нагрузка здесь — сила, делённая на площадь рабочей поверхности, p = F / A, где A — площадь кольца шайбы или фланца за вычетом канавок.

Примеры радиальных и осевых нагрузок

В одной машине обычно присутствуют обе. Палец стрелы экскаватора несёт вес стрелы и реакцию копания радиально, а боковые усилия на ковше создают осевой упор на торцах пальца. Вал центробежного насоса получает радиальную нагрузку от гидравлической неуравновешенности рабочего колеса и осевую — от перепада давления на нём. Ступица колеса автомобиля несёт вес машины радиально, а боковые силы в повороте — в осевом направлении.

Комбинированная нагрузка и как её несут

В большинстве узлов обе нагрузки действуют одновременно. Несут их три схемы. Гладкая втулка с отдельной упорной шайбой оставляет каждой нагрузке свою поверхность: каждую можно рассчитать и заменить независимо, и для тяжёлой техники это обычное решение. Фланцевая втулка объединяет обе функции в одной детали: гильза несёт радиальную нагрузку, фланец — небольшую или умеренную осевую и заодно фиксирует втулку в корпусе. Третья схема — пара втулок с буртами на валу, распространённая в малых механизмах.

Фланец фланцевой втулки — не полноценный упорный подшипник. Он тонкий, его тыльная сторона обычно не смазывается, а площадь мала, поэтому он годится для фиксации и эпизодического упора, но не для постоянной осевой нагрузки. Если осевая составляющая значительна, закладывайте упорную шайбу.

Что каждая нагрузка делает с подшипником

Радиальная нагрузка определяет давление на стенку в нагруженной дуге, гидродинамическую плёнку в подшипнике с масляной смазкой и — через рабочий зазор — насколько вал смещается от центра. Избыток радиальной нагрузки для данного материала приводит к пластическому течению подшипникового слоя (бронза, биметалл), холодному течению полимера (PTFE, POM) или усталостному растрескиванию при циклической нагрузке. Перекос превращает распределённую радиальную нагрузку в кромочную на одном конце отверстия — это самая частая причина преждевременного выхода втулок из строя в шарнирах.

Осевая нагрузка определяет давление на упорной поверхности. Упорные поверхности малы, а скорость скольжения на них растёт с радиусом, поэтому при том же давлении они греются сильнее втулок; первым обычно превышается предел по pV, а не по нагрузке. Смазку на такую поверхность приходится подводить радиальными канавками: сбоку, как во втулку, она сюда не попадёт.

Удельную нагрузку p и скорость скольжения v проверяют по пределам материала p max, v max и (p·v) max по отдельности. Выход на один из пределов не оставляет запаса по остальным.

Что меняет распределение нагрузки

Номинальный расчёт исходит из того, что нагрузка равномерно распределена по проекции. На практике её распределение ухудшает несколько факторов.

• Перекос вала относительно корпуса сосредоточивает радиальную нагрузку на одном конце отверстия (кромочная нагрузка). Его уменьшают самоустанавливающиеся конструкции, более короткие втулки или сферическое гнездо.
• Отношение длины к диаметру: длинная тонкая втулка (L/d больше примерно 1,5) чувствительнее к перекосу; короткая (L/d меньше 0,5) несёт меньшую нагрузку и хуже удерживает смазку.
• Рабочий зазор: слишком малый зазор лишает плёнку питания и ведёт к заеданию; слишком большой позволяет валу смещаться от центра и бить при знакопеременной нагрузке.
• Жёсткость корпуса: тонкий или разрезной корпус даёт втулке деформироваться под нагрузкой, и отверстие теряет круглость.
• Удары и реверс: циклическая и знакопеременная нагрузка вызывает усталость подшипникового слоя при меньшем давлении, чем постоянная; расчёт ведут по динамическому пределу, а не по статическому.
• Тепловое расширение: при нагреве вал, втулка и корпус расширяются по-разному, и зазор меняется; его назначают на рабочую температуру, а не на температуру сборки.

Как рассчитать удельную нагрузку

Для втулки с внутренним диаметром d и длиной L, несущей радиальную силу F, удельная нагрузка p = F / (d × L). Для упорной шайбы с внутренним диаметром d₁ и наружным d₂ под осевой силой F площадь рабочей поверхности A = π (d₂² − d₁²) / 4 за вычетом канавок, и p = F / A. Скорость скольжения для вращающейся втулки v = π d n / 60 (d в метрах, n в об/мин); для шайбы берут средний диаметр (d₁ + d₂) / 2.

Пример: бронзовая втулка с отверстием 50 мм и длиной 60 мм под радиальной нагрузкой 60 кН работает при p = 60 000 / (50 × 60) = 20 Н/мм². При 30 об/мин скорость скольжения π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 м/с, откуда p·v = 1,6 Н/мм²·м/с. Оба значения затем сверяют с опубликованными пределами выбранного материала.

Наш калькулятор нагрузки на подшипник считает это для втулок и шайб. Если режим близок к пределу, приложите его к запросу — мы подтвердим материал под него.

Выбор элемента подшипника под нагрузку

При преимущественно радиальной нагрузке закладывайте цилиндрическую втулку и рассчитывайте её по p и p·v: бронза, биметалл или закалённая сталь со смазкой — для тяжёлого тихоходного режима; композит с PTFE, графитовая бронза или спечённая бронза — там, где шарнир невозможно шприцевать. При преимущественно осевой нагрузке — упорную шайбу из тех же материалов с подводом смазки на поверхность радиальными канавками. При комбинированной нагрузке — втулку с упорной шайбой, если упор постоянный, или фланцевую втулку, если он фиксирующий либо эпизодический.

Какой бы ни была схема, укажите в запросе направление, величину и цикл нагрузки. Чертёж показывает геометрию; только нагрузки говорят нам, какой материал в ней выживет.