Что такое радиальная и осевая нагрузка на подшипник?

Радиальная нагрузка действует поперёк оси вращения вала, а осевая — вдоль неё. Если обе составляющие присутствуют одновременно, нагрузку называют комбинированной. Направление определяют относительно вала: вертикальная сила может быть радиальной для горизонтального вала и осевой для вертикального. От этого различия зависит, какая конструкция подшипника способна передать усилие в корпус.

Сначала найдите ось, затем нарисуйте силы

Представьте горизонтальный вал со шкивом. Натяжение ремня тянет шкив в сторону и создаёт поперечную силу. Через вал эта сила передаётся подшипниковым опорам, поэтому у них появляется радиальная нагрузка. Вес ротора горизонтального электродвигателя тоже даёт радиальную составляющую. При этом слово «радиальная» не означает, что сила обязательно направлена вниз: она может действовать в любом направлении плоскости, перпендикулярной оси.

Теперь представьте винт, который перемещает рабочий стол станка. Сопротивление перемещению стремится сдвинуть винт вдоль собственной оси. Подшипниковая опора должна удержать его в этом направлении: она воспринимает осевую силу. В насосе похожую задачу может создавать гидравлическое усилие на рабочем колесе. Разворот стрелки вдоль оси меняет направление осевой нагрузки, и это необходимо учитывать отдельно.

Почему нагрузка на механизм не равна нагрузке одной опоры

Две опоры делят усилие в соответствии с положением точки приложения силы и расстоянием между ними. Если шкив расположен посередине между одинаково рассматриваемыми опорами, простая симметричная расчётная схема даёт равные радиальные реакции. Но если перенести шкив за одну из опор, равенство исчезнет. Ближайшая опора может получить существенно большую реакцию, чем ожидалось по одному весу детали.

Для реальной машины составляют схему вала со всеми силами и определяют реакции опор из условий равновесия. В неё включают вес деталей, усилия ремней, цепей и зубчатого зацепления, технологические силы. Нагрузку выражают в ньютонах или килоньютонах. Масса в килограммах сама по себе ещё не является силой, а мощность двигателя не описывает всю нагрузку подшипника.

Что меняется при комбинированном нагружении

У косозубого колеса возникают силы в нескольких направлениях. Для каждой опоры нужно знать и радиальную составляющую F_r, и осевую F_a, а также то, куда направлена осевая сила. Нельзя просто сложить их числа и назвать результат допустимой нагрузкой. Для расчёта долговечности используют эквивалентную нагрузку по правилам конкретного типа подшипника; об этом — материал о C, C0 и L10.

Как направление силы связано с конструкцией

Конструкция	Что проверить по нагрузке
Радиальный шариковый с глубокими дорожками	Радиальные и осевые силы в обе стороны; допустимое сочетание уточняют по каталогу
Однорядный радиально-упорный	Комбинированную нагрузку и осевое усилие в одном направлении; противоположную силу воспринимает другая опора или комплект
Цилиндрический роликовый N или NU	Радиальную нагрузку и возможность внутреннего осевого перемещения; осевую фиксацию организуют другой опорой
Одинарный упорный шариковый	Осевую силу в одном направлении; радиальную нагрузку должна воспринимать подходящая отдельная опора

Названия обозначают основное назначение, но не заменяют характеристики исполнения. Например, не каждый роликовый подшипник воспринимает осевую силу одинаково. Даже внутри семейства цилиндрических подшипников наличие и расположение бортиков меняют функцию опоры.

Момент и изменение нагрузки во времени

Если сила приложена с плечом, она создаёт момент, стремящийся наклонить вал. Его влияние часто воспринимает пара разнесённых опор: в одной реакция возрастает, в другой меняется. Для компактного узла могут требоваться специальные схемы подшипников, рассчитанные на момент. Само наличие двух колец не означает, что одиночный подшипник удержит любой наклоняющий момент.

Также важно различать постоянную работу, пуск, торможение и удар. Средняя нагрузка может выглядеть небольшой, а короткий пик оказаться определяющим для проверки контактных деформаций. Поэтому описание «нагрузка небольшая» полезно заменить схемой сил и перечнем режимов. Реверс вращения тоже не всегда означает реверс осевой силы: направление определяет механизм передачи усилия.

Короткая проверка исходных данных

• Отметьте ось вала и места расположения обеих опор.
• Укажите точки приложения внешних сил и их направления.
• Разделите силы на радиальные и осевые составляющие.
• Проверьте оба направления осевой силы, пики и остановленные режимы.
• Определите, какая опора фиксирует вал, а какая допускает его тепловое удлинение.

Частые вопросы

Радиальный подшипник воспринимает только радиальную силу?

Нет. Например, шариковый с глубокими дорожками воспринимает и осевые силы в обе стороны в пределах, установленных для его конструкции и условий работы.

Можно определить нагрузку только по размерам старого подшипника?

Нет. Размеры помогают идентифицировать деталь, но силы зависят от механизма, расположения опор и режима. Для новой задачи нужна расчётная схема.

Вес детали всегда делится пополам между двумя опорами?

Только в подходящей симметричной схеме без других влияющих сил. Консольный шкив, смещённый груз или момент изменяют распределение реакций.

Первичные источники

NTN — расчёт нагрузок на подшипники; NSK — радиальные шариковые подшипники и направления нагрузки.

Продолжить изучение

• Как работают радиально-упорные подшипники и угол контакта?
• Для чего нужны упорные подшипники и как их выбирать?
• Как связаны грузоподъёмность и ресурс подшипника: C, C0 и L10?
• Как подобрать подшипник? Пошаговый алгоритм выбора
• Какие подшипники применяют в насосах?
• Как выбрать подшипники для редуктора?
• Чем отличаются фиксирующая и плавающая опоры вала?

Как разобраться в подшипниках? Учебник от основ до заказа

Предыдущий урок: Подшипники: виды, устройство, маркировка и применение. Следующий урок: Чем шариковые подшипники отличаются от роликовых?.