Не только гул: почему ступичные подшипники такие дорогие и как они ломаются

Не только гул: почему ступичные подшипники такие дорогие и как они ломаются?

В Интернете слово «подшипник» часто коверкают до какого-то неведомого «подшибника». Я на месте подшипника, тем более ступичного, здорово на это обиделся бы. Деталь, может, и не слишком дорогая, но чрезвычайно важная, а её так обзывают… Это несправедливо. Поэтому сегодня будем восстанавливать доброе имя этой детали, вспоминая, зачем она нужна и почему она будет стоить всё дороже и дороже. И, конечно же, вспомним, как правильно проверить ступичный подшипник на автомобиле, и если он ещё цел, как продлить ему жизнь. Или хотя бы не сократить, ту, что отмерили ему на заводе.

Упереться и катиться​

Есть ли смысл рассказывать о том, что такое ступичный подшипник и зачем он нужен? Наверное, нет. Все знают, что это тот подшипник, на котором крутится колесо. Конечно же, это подшипник качения, а не скольжения. А вот по типу эти подшипники бывают разными. Их можно поделить на две большие группы: цилиндрические и конические радиально-упорные. По типу тел качения эти подшипники тоже отличаются. Они могут быть и роликовыми, и шариковыми. В чём отличия этих двух типов?

Грубо говоря, в возможности их регулировки. Цилиндрические подшипники регулировать нельзя, а вот конические – можно. Если в таким подшипнике появился люфт, его можно подтянуть. С одной стороны, это хорошо. С другой, эта регулировка может доставлять массу проблем.

Например, на первых Шевроле Нивах передние подшипники приходилось регулировать чуть ли не каждые десять тысяч пробега, что знатно выматывало нервы владельцам этих Нив (хотя, если честно, там много что мотало нервы – и эти подшипники, и расширительные бачки, и много что ещё). С другой стороны, есть множество автомобилей прошлого, в которых такие же конструктивно подшипники служили сотни тысяч километров, а владельцы могли даже не догадываться о том, что их надо постоянно регулировать. Например, об этом редко задумывались владельцы старых Mercedes-Benz W124 или Toyota Land Cruiser 100. Так что у меня есть подозрение, что тут дело в Ниве, а не в конструкции подшипника.

Думаю, некоторые обратили внимание на фразу «множество автомобилей прошлого». Почему это прошлого? Потому что в настоящем подход к ступичным подшипникам изменился. В первую очередь именно из-за отказа от регулируемых конических радиально-упорных подшипников в пользу нерегулируемых цилиндрических. К сожалению, конические радиально-упорные подшипники – штука довольно дорогая, так что от неё стали постепенно отказываться. Кроме того, изменилась культура обслуживания автомобилей. Скажите честно, есть ли у вас привычка после каждого заезда по трассе щупать все колёса и проверять, не греется ли одно из них? А ведь для регулируемых подшипников такая процедура может считаться обязательной.

Если диск греется, пора приниматься за регулировку. Иначе подшипник может перегреться, рассыпаться, а худшем случае – и вовсе заклинить колесо. Сейчас щупать колёса руками уже совсем не модно, так что более дешёвые в производстве, неразборные и необслуживаемые цилиндрические подшипники одержали верх. Немного даже жаль, потому что они менее стойки к нагрузкам, которых по-хорошему надо избегать, но которые часто неизбежны. Например, к ударам по боковине колеса.

На отказе от регулируемых подшипников (правда, пока ещё не везде) дело не остановилось. Далее пришла вторая волна оптимизации, и теперь ступичные подшипники можно поделить на ещё два больших класса: устанавливаемые отдельно от ступицы и устанавливаемые в сборе с ней.

Ещё проще, ещё дешевле

Итак, появилось новое понятие – ступичный узел. Это такая штука, которая включает в себя не только сам подшипник, но и фланец, через который крепится колесо. Крепится оно стандартно – болтами или шпильками. Поэтому во фланце могут быть либо эти самые шпильки, либо резьба под болты. У этого решения есть два совершенно противоположных результата: это одновременно и дешевле, и дороже. Парадокс? К сожалению, в век эффективных менеджеров в автомобилестроении – нет. Это норма. Объясню, почему так получилось.

Раньше замена ступичного подшипника могла сильно затянуться из-за необходимости выпрессовывать его из ступицы. Ладно, если в сервисе есть пресс. А если его нет, то за эту работу лучше и не браться. Потому что одной газовой горелки и молотка с мускулистыми руками могло и не хватить. А вот заменить подшипник в сборе со ступицей намного проще: достаточно открутить несколько болтов. Кроме того, в случае замены ступичного узла в сборе нет такого страха напортачить с установкой подшипника. Как-то не так его затянуть, переложить или недоложить смазки. То есть, меньше ответственности.

Вроде всё прекрасно, но есть одно «но»: ступица в сборе с подшипником стоит намного дороже отдельно подшипника. Разумеется, это очень радует производителей и продавцов запчастей, но сильно огорчает тех, кто вынужден для замены одного подшипника менять всю ступицу.

Да, раньше тоже иногда требовалась замена ступицы, а не одного подшипника, но для этого, как правило, сначала надо было убить в этой ступице несколько подшипников. И если он при установке уже не сидел в ней плотно, приходилось менять и ступицу. Теперь же её нужно менять постоянно. Одним словом, решение не самое однозначное и явно не сильно выгодное для автовладельцев.

Смирившись с тем, что придётся платить за замену «ступичного» больше, чем раньше, автовладельцы не сразу поняли, что доить их только начинают. Потому что почти сразу же догадались, что на ступичный узел можно поставить и ответную часть датчика ABS. Поэтому теперь иногда нужно менять дорогущий узел целиком в сборе не только из-за поломки подшипника, но и датчика ABS. Эффективные менеджеры торжествуют.

Хотя надо признать, что техническое преимущество у ступичного узла всё-таки тоже есть, и оно существенное: так как поверхность качения тут – сам корпус ступицы, узел в сборе стал заметно легче. А это приводит к снижению неподрессоренной массы. Да и радиальное биение при таком подходе всё же обычно ниже.

Станет ли когда-нибудь этот узел дешевле? Вряд ли. Сейчас уже вовсю планируется следующее поколение ступичного узла, в котором объединены не только ступица, подшипник и датчик ABS, но и ШРУС, и даже тормозной диск. И это, само собой, будет стоить ещё дороже. Не знаю, что в этом хорошего для конечного пользователя, но если эта система приживётся, я буду сильно расстроен.

Разумеется, классификацию и виды ступичных подшипников я перечислил далеко не полностью. Они отличаются ещё массой параметров, а их конструкции весьма разнообразны. Есть подшипники для ведущих управляемых осей, для ведомых управляемых, для неуправляемых ведущих и ведомых. Есть саморегулирующиеся и ещё многие другие. Тут можно говорить очень много, но это скучно и, скорее всего, не очень-то и надо. Лучше посмотрим, как проверить ступичный подшипник.

Руками и ушами

Начнём с обычного ТО. Если поставить машину на подъёмник, можно провести пару простых тестов. Самое простое – просто покрутить колёса в разные стороны. При этом слушать звук. Никаких хрустов или тресков быть не должно. Если они есть, то придётся искать причину: хрустеть или издавать другие звуки может и заклинивший суппорт, и просто грязь под защитными кожухами тормозных дисков.

Если колесо крутится хорошо, смотрим дальше. Рукой хватаемся за пружину подвески и крутим колесо. Часто при изношенном подшипнике пружина начинает вибрировать. Если рукой ничего необычного почувствовать не удалось, то всё прекрасно.

Конечно, в запущенных случаях не заметить гибель подшипника трудно. Передние обычно гудят в поворотах, задние – в каком-то диапазоне скорости, который постепенно растёт. Если дело совсем труба, то колесо вообще болтается. Но это уже надо быть совсем глухим пофигистом-самоубийцей, чтобы довести подшипник до такого состояния.

Можно ли ездить с воющим подшипником? Однозначно нет. Потому что он может выть и тысячи километров, а может очень быстро заклинить. Тут как повезёт, и если не повезёт, можно лечь отдыхать на крышу в кювете или выехать лоб в лоб с Камазом. Потихоньку съездить в сервис можно, а беззаботно кататься – нет. Ни в коем случае.

Хотя, конечно, бывает, что кто-то ездит поразительно бездумно – с люфтящим во все стороны колесом. Само собой, машина плохо управляется, но опаснее опять же возможный клин колеса. Ну, тут предупреждай – не предупреждай, всё бесполезно.

Долго и счастливо

У нас остался последний вопрос: почему подшипник умирает раньше срока? Есть несколько основных причин.

Первая – это, конечно, плохие дороги. Подшипник должен помогать колесу вращаться, а не скакать по ямам. Теоретически в хорошем подшипнике люфта нет, поэтому удары ему не слишком страшны, но это лишь в теории. На самом деле как только подшипник немного изнашивается, появляются зазоры. И после этого разрушение подшипника на плохих дорогах заметно ускоряется. Особенно сложно подшипники переживают удары в боковину колеса – они на это не рассчитаны абсолютно.

Вторая причина – езда по глубокой грязи и бродам. Без комментариев: если стоять по ступицы в луже, вымывается смазка, а в подшипник попадает вода.

Третья – это неправильный выбор дисков колёс. Слишком большой вылет диска – это практически приговор подшипнику. Но жертвам Need for Speed на это, конечно же, плевать. Нештатные шины и диски большого размера, увеличивающие нагрузку на ступицу, тоже сокращают ресурс подшипника. Так что сток – один из залогов долгой его жизни.

И обязательно проверяйте подшипники на каждом ТО. На раннем этапе они ещё не воют, а заклинить могут в любой момент. Так что в случае с ними лишнее внимание не помешает.

Виды сепараторов подшипников качения

Узлы, в которых используется трение качения благодаря установке шариков или роликов между опорными поверхностями оси или вала, получили название – подшипники качения. Они разделяются на роликовые подшипники и шарикоподшипники, купить которые не составит труда на современном рынке ввиду популярности таких изделий.

Легкость вращения подшипников качения определяется наличием тел качения — шариков или различного вида роликов, которые находятся между внешним и внутренним кольцами обоймы и катятся по их поверхностям. Сила трения качения значительно ниже, чем скольжения, поэтому подшипники этого вида очень распространены. Они работают под разными нагрузками — осевыми, диагональными, радиальными, комбинированными. Порой действующие на подшипник силы близки к разрушающим для данного материала.

Гарантировать работоспособность подшипника при разных нагрузках позволяют специальные вставки между обоймами — сепараторы. Они представляют собой кольцевые конструкции с гнездами, удерживающие тела качения на одинаковом расстоянии друг от друга и не позволяющие роликам и шарикам выпасть из обоймы.

Разнообразие подшипников является довольно значительным, именно поэтому сепараторы также отличаются большим ассортиментом. Они классифицируются по конструктивным особенностям и материалам изготовления.

Типы сепараторов подшипников

В стандартных подшипниках используется довольно ограниченное число типов сепараторов. Это:

• штампованные;
• массивные;
• с осями.

В свою очередь, они разделены на несколько десятков разновидностей. Например, самые распространенные штампованные производятся в составном, клепаном, оконном, защелкивающимся и других видах. Устанавливается сепаратор в зависимости от назначения подшипника и условий его эксплуатации.

Материалом изготовления штампованных сепараторов служат разные марки стали и латуни. Основные преимущества этого вида разделительных колец — легкость, небольшой размер, низкий коэффициент линейного расширения. Такие сепараторы не подвержены коррозии, отлично пропускают внутрь подшипника смазывающие вещества. Важной характеристикой служит также небольшой момент инерции, что очень востребовано в системах, работающих с высокими скоростями вращения в изменяющихся динамических режимах.

Массивные сепараторы применяются в подшипниках, работающих под высокими нагрузками. Материалы изготовления — сталь, латунь, текстолит, различные полимеры. По конструкции они бывают составными, литыми, цельными с механической обработкой, защелкивающимися, гребенчатыми, оконного типа. Каждый из видов массивных сепараторов имеет свои преимущества — полимерные отлично выдерживают недостаточное количество смазки, обладают небольшой собственной инерцией, стальные очень прочные… У каждого материала есть своя специфика. Общая черта всех таких деталей — способность работать при высокой скорости и разнонаправленных нагрузках.

Сепараторы с осями используются только в паре с роликами полого типа в одно или многорядных подшипниках большого размера. Они обеспечивают синхронность работы всей системы, состоящей из большого количества тел качения. В процентном отношении к общей массе подшипника, осевые — самые легкие из всех типов разделителей.

Разновидности сепараторов по материалу изготовления

Для стальных сепараторов – до 300 градусов по Цельсию.

Для латунных сепараторов – до 250 градусов по Цельсию.

Большой каталог подшипников с сертификатами соответствия представлен в магазине «Клинотекс» – первом в Беларуси поставщиком комплектующих для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Какие материалы используют для изготовления подшипников

Подшипники нужны в любых узлах, в которых используется вращательное движение. Есть множество их типоразмеров, а основными видами считаются шариковые, роликовые и роликовые конические. Подшипники работают в разных условиях, поэтому и материалы для их изготовления могут различаться химическим составом и характеристиками.

Подшипники разных видов и размеров

Как устроены подшипники

Подшипники состоят из пары колец (наружного и внутреннего), между которыми размещены тела качения: ролики или шарики. Во время работы они двигаются по дорожкам качения (желобам), выполненным на поверхности колец. Чтобы ролики или шарики не смещались с дорожек качения и сохранялось расстояние между ними, тела качения помещают в специальные обоймы (сепараторы). Такую конструкцию имеет большинство подшипников, но некоторые типы работают без сепараторов (они отличаются большим количеством тел качения и высокой грузоподъемностью, но низкой максимальной частотой вращения).

Из этих деталей состоит подшипник: 1 – корпус, 2 – тела качения, 3 – обойма (сепаратор), 4 – желоб для тел качения, 5 – внутреннее кольцо

Какие общие требования предъявляют к материалам

У сепараторов, колец и тел качения разные задачи, поэтому и требования к ним предъявляют разные. Так, сепараторы должны быть прочными, износоустойчивыми, хорошо выдерживать вибрационные и ударные нагрузки, иметь низкий коэффициент трения и высокую размерную стабильность. Для их изготовления чаще всего используют низкоуглеродистые или нержавеющие стали, латунь или полимерные материалы.

Кольца и тела качения должны быть твердыми, прочными, износоустойчивыми, сохранять свои размеры при эксплуатации, иметь высокую размерную стабильность, хорошо выдерживать ударные нагрузки. Материал для их изготовления подбирают с учетом условий эксплуатации.

Как изготавливают подшипники

Меньше всего по времени занимает изготовление сепараторов: до 5 дней. Для этого используют разные способы:

• Стальные чаще всего получают штамповкой (исключение составляют сепараторы для крупногабаритных подшипников, которые изготавливают механической обработкой). Для этого из листа вырезают заготовки, пробивают в них отверстия для тел качения, затем с помощью штампа придают нужную форму и шлифуют.
• Полимерные сепараторы получают литьем под давлением. Их главный плюс – сочетание упругости и прочности.
• Латунные сепараторы получают в результате механической обработки заготовки. Их достоинства – способность работать в тяжелых условиях или при высоких температурах.

Тела качения, в зависимости от точности исполнения, изготавливают до 25 дней. При этом шарики изготавливать сложнее, чем ролики. Сначала стальной пруток разрезают на части, затем заготовки обрабатывают с помощью пресса для придания им шарообразной формы, потом шлифуют и термообрабатывают.

На изготовление колец может уйти до 1 месяца. Для этого сначала нарезают стальную трубу для получения заготовок, затем их формуют, термообрабатывают, шлифуют и полируют.

Что ухудшает характеристики подшипников

Наиболее заметно характеристики подшипников ухудшают сера, фосфор и кислород. Они могут попадать в стали из руды или огнеупорных материалов плавильных печей и затем остаются в материале, вступая в реакцию с компонентами металла. Чтобы вывести вредные включения, подшипниковые стали подвергают дополнительной обработке. В этом плане хорошо себя проявили вакуумный или электрошлаковый переплавы.

Из каких материалов изготавливают подшипники

Выбор материала зависит от назначения и условий эксплуатации подшипников. При этом основного внимания требуют кольца и тела качения:

• Для эксплуатации при температуре до +120 °С в неагрессивных средах оптимальный вариант – высокоуглеродистые хромистые стали. Для повышения твердости их подвергают поверхностной или объемной закалке. Так, шарики всех размеров, кольца толщиной до 10 мм и ролики диаметром до 22 мм изготавливают из стали ШХ15.

Для получения колец большей толщины или роликов большего диаметра используют сталь ШХ15СГ или ШХ20СГ. Отдельно следует выделить железнодорожные подшипники: они подвергаются индукционной закалке и для их изготовления используют сталь ШХ4.

Если температура эксплуатации незначительно превышает +120 °С, стальную деталь понадобится подвергнуть специальной термообработке: стабилизации. Она позволяет избежать снижения твердости и изменения размеров деталей.

• Для подшипников, подвергающихся ударным нагрузкам, удобны низкоуглеродистые стали с поверхностной цементацией, имеющие вязкую сердцевину. К ним относятся, например, хромистая сталь 20Х, хромомолибденовая 20ХМ и никельхромомолибденовые 20ХН2М, 20Х2Н4А или 18Х2Н4МА.
• Для подшипников, эксплуатирующихся при температуре +150…500°С, важна способность сохранять свои свойства и размеры. Такими характеристиками обладают стали с высоким содержанием кремния, вольфрама и молибдена. Например, 8Х4М4В2Ф1-Ш или 8Х4В9Ф2-Ш. Вполне подойдет стальной нержавеющий жаропрочный круг.
• Для подшипников, эксплуатирующихся в агрессивных средах, необходимо использовать коррозионностойкие стали с высоким содержанием хрома. Например, 95Х18.
• Для изготовления подшипников с повышенными требованиями к надежности и долговечности используют стали, содержащие минимальное количество неметаллических включений. Например, ШХ15-Ш или ШХ15-ШД.

Выбор марки стали для деталей подшипника зависит от условий его эксплуатации

Для изготовления металлических сепараторов тоже есть несколько вариантов:

• Для штампованных стальных сепараторов хороший выбор – малоуглеродистые холодно- или горячекатаные стали. Например, 08кп, 10кп или 10пс.
• Для стальных сепараторов, способных противостоять агрессивным средам, используют нержавеющие стали. Например, 08Х18Н10. Подойдет стальной нержавеющий круг.
• Для стальных сепараторов, получаемых способом механической обработки, применяют конструкционные стали. Например, сталь 30.
• Для латунных сепараторов, получаемых способом механической обработки, используют латунные сплавы. Например, ЛС59-1 или ЛС59-1Л.

При подборе материалов для изготовления деталей подшипников существует много вариантов. Конечный выбор зависит от их назначения и условий эксплуатации.

Типы и конструкция подшипников

Подшипники – это существенный компонент любого вращающегося механизма. Подшипник – устройство, соответствующее трем пунктам:

• минимальное трение между поверхностями,
• ограничение движения внутри неподвижной части – корпусе;
• компенсация нагрузки, действующей на вал.

У этого насоса есть неподвижный корпус. В нём вращается вал и на обеих сторонах есть подшипники. Подшипники обычно устанавливаются в парах. Иногда больше, но их должно быть минимум два.

Подшипники на концах вала

Это – вал, который вытянут из насоса:

Он вращается внутри корпуса. Везде, где есть движение поверхностей, относительно друг друга, есть трение. Где есть трение – есть нагрев. Где есть нагрев – там износ. Поэтому нужно минимизировать это.

Во вторых, вал может бешено крутиться в корпусе или даже вылететь наружу. И нужно каким-то способом ограничить движение вала внутри корпуса, и закрепить его.

И третье – на вал действует много сил: гидравлические силы в рабочем колесе, либо вес вала, либо ещё что-то. Нужно каким-то способом компенсировать эту нагрузку.

Есть 2 вида нагрузки:

1. осевая нагрузка, перпендикулярная оси вала;
2. или осевая – параллельная его оси.

От того, какое значение нагрузки и какой её тип действует на вал, будет зависеть, какой вид подшипника следует использовать.

Категории подшипников

Есть две категории подшипников:

• гидродинамические, которые не больше чем рукав со смазкой, внутри которого вращается вал;
• антифрикционные подшипники.

Такие подшипники используют больше контакт-качение, чем контакт-скольжение.

Качение имеет маятник в центре трения, и вот почему подшипники качения так называются.

Между этими 2мя категориями подшипников очень много разного.

Антифрикционные подшипники

Все антифрикционные подшипники имеют четыре основных компонента:

1. внутреннее кольцо;
2. внешнее кольцо.

Эти кольца сделаны из закалённой стали, твердой снаружи и внутри. Они обработаны, отточены и отполированы до правильной формы и гладкой поверхности, что существенно для свойств подшипников.

• Внутри колец – пазы.
• В пазах – элементы качения.
• Элементы качения – внутри дорожек. Он называется сепараторомиликлеткой.

Некоторые подшипники могут иметь дополнительные свойства. Эти дополнительные принадлежности – обычно уплотнители и защита, защищающая ваши внешние компоненты подшипника от враждебного мира, полного грязи, коррозии и других неприятных вещей.

Шариковые подшипники

Из-за симметричного дизайна с пазом одной глубины, такой называется радиально-шариковым. Как предполагается из названия, он удерживает большую радиальную нагрузку, и немного осевой.

Для восприятия дополнительной нагрузки эти подшипники и много других видов имеют двухрядную конструкцию, которые имеют 2 паза и 2 ряда элементов качения внутри колец.

Это – тот же вид подшипника,но первый имеет сепаратор, сделанный из штампованной стали. Второй – из полиамида – вида синтетического материала.

Вот снова тот же подшипник, но заметен металлический экран, защищающий элементы подшипника. Это – одно из функциональных дополнений.

Другой вид подшипниковой защиты – резиновое уплотнение.

Экранированные уплотнённые подшипники заполнены смазкой на заводе и смазаны на весь срок его действия.

Угловые шариковые подшипники

Угловые шариковые подшипники могут выдерживать большую осевую нагрузку из-за асимметричной конструкции, которая обеспечивает большое пазовое плечо на внутреннем кольце, и большое пазовое плечо – на другой стороне внешнего кольца.

Тем не менее, конструкция подразумевает, что такой подшипник может выдерживать нагрузку только в одном направлении. Поэтому подшипники исползают в парах, располагая их друг другу. Эти подшипники имеют другой материал сепаратора – обработанный латунь.

Кроме шариковых элементов качения есть также 4 других вида элементов. В отличие от шариков, которые касаются дорожек в одной точке, ролики других видов касаются дорожек по всей длине. Увеличенная площадь контакта значит, что они могут воспринимать значительно большую нагрузку.

Цилиндрические подшипники

Цилиндрические подшипники могут воспринимать исключительно большие радиальные нагрузки. Хотя выдерживают только очень маленькие – осевые, потому что цилиндры не касаются дорожек своими основаниями.

Игольчатые подшипники

Игольчатые подшипники похожи на цилиндрические.

Но их больший коэффициент скольжения позволяет выдерживать большей нагрузки при меньших размерах. Они используются в установках, когда вес и размеры должны быть минимальными.

Конические подшипники

Конические подшипники решают проблему выдержки больших осевых усилий с помощью конических роликов – конических дорожках.

Хотя, как и в игольчатых подшипниках, осевое усилие должно быть направлено только в оном направлении.

Возможность выдерживать большие осевую и радиальную нагрузки, а так же большая точность и устойчивость, делают конические подшипники идеальными для таких машин как станки.

Сферический подшипник

Сферический подшипник сконструирован с барабанными роликами, движущимися в изогнутом внешнем кольце.

Их конструкция с двумя родами роликов, делает такие подшипники способными выдерживать огромное значение радиальной и осевой нагрузки, а также ударов, так как ролики могут свободно вращаться во внутренние дорожки. Поэтому они могут выдерживать небольшие смещения. Тем не менее, этот аспект конструкции даёт им не меньшую точность в сравнении с другими видами подшипников.