Подшипники упрощали
жизнь человека уже многие тысячи лет назад хотя выгладели они тогда иначе и конструктивно были проще чем современные. Основную роль в процессе возникновения и дальнейшего совершенствования подшипника сыграло
изучение процессов трения а также сопровождающих его явлений. О существовании трения человечество
знало со времен глубокой древности: первобытный человек быстро
вращая палку добывал огонь трением, таким образом используя явление перехода кинетической энергии трения
в тепловую.
Первые еще примитивные подшипники скольжения впервые обнаруживаются в раскопках,
относящихся к эпохе неолита, в это время люди только овладели умением
сверления в камне отверстий. Изготавливались эти подшипники из камня и применялись в
первобытных сверлильных приспособлениях а также прядильных веретенах. В более время подобные подшипники стали использоваться в разнообразных
простейших конструкциях, в первую очередь таких как колесница и гончарный круг.
Прежде чем подшипник качения достиг формы,
приблизительно схожей с современной, он прошел разнообразнейшие этапы
совершенствования. Почти до II века до н.э. его предшественники – обыкновенные
деревянные бревна (в современном понимании – ролики) – применялись для
уменьшения силы трения при транспортировке очень тяжелых предметов: огромных
каменных блоков для строительства, осадных машин. Такие методы широко
использовались в древнем Египте и в Азии. Сходный способ замены трения
скольжения трением качения использовали также в местности Буген (Нубия), где
построили крепость с передвигающимся на роликах разводным мостом.
Первая конструкция, которую действительно можно считать
настоящим прототипом подшипника качения, была разработана древнегреческим
инженером Диадом около 330 г.
до н.э. Это была головка осадной вышки для разрушения крепостных стен. В
конструкции Диада таран устанавливался на роликах, которые передвигались по
желобкам, прорезанным в основании. Ролики были схвачены общей корзиной, которая
управлялась с помощью канатов, перекинутых через неподвижные блоки. Канаты
крепились к концам корзины. Интересно, что в таком решении в первый раз
использовали не только принцип действия современных подшипников, но и ввели
способ передачи движения через стык качения, который сейчас часто используется
во фрикционных бесступенчатых передачах.
Возникновение первых прототипов современных продольных
(упорных) шариковых подшипников традиционно относят к позднему этапу правления
императора Калигулы. Археологами были найдены изготовленные в это время
поворотные круги, механизмы которых являются самыми ранними примерами
использования роликовых цилиндрических и конических, а также шариковых
подшипников. Это первый известный случай использования элемента качения
шарообразной формы. Уже тогда люди сумели оценить, что в продольных (упорных)
подшипниках шарообразная форма элемента качения является более выгодной, чем
цилиндрическая.
Современный подшипник качения, являющийся, по сути,
производной от изобретения колеса, прошел длинную дорогу от древнейшего
прототипа до современной формы через множество изобретений-посредников.
Например, и в те далекие времена для борьбы с силой трения, поглощающей большое
количество энергии, и, соответственно, уменьшения нагрева, в подшипниках
применялась смазка. Правда, раньше в этих целях использовали масла
растительного происхождения. Для смазки осей телег, например, использовались
разнообразные мази, которые получали из смолы деревьев. Однако растительным
маслам свойственна очень низкая вязкость и, что еще более важно, склонность к
высыханию. Значительно эффективнее было применение животных жиров, которые
обогащались минеральными сгустителями. А на территориях, где на поверхность
земли вытекали нафты (нефть, каменное масло), мази получали, нагревая эти
субстанции.
В древних гробницах были найдены колесницы правителей с
сохранившимися на осях остатками смазки. Проведенный учеными анализ показал
наличие в ее составе животного жира, смешанного с минеральными сгустителями
(температура плавления около 50 ºС). Плиний Старший (23–73 гг. н.э.) привел
список различных растительных масел и жиров, используемых для смазки. Такие
смазочные материалы доминировали практически до времен изобретения первой
паровой машины. Минеральные масла получили достаточно широкое применение только
в начале XX века.
С начала нашей эры и до эпохи Возрождения отсутствует
какая-либо информация о развитии конструкции подшипников качения. Только
Леонардо да Винчи во многих своих изобретениях использовал опоры качения, и
именно его с полным на то основанием можно назвать изобретателем подшипника
качения. Леонардо да Винчи создал рисунок идеальной цапфы подшипника. Его мысль
нашла применение в конструкции шарикоподшипника, состоящего из внутреннего и
внешнего колец, между которыми размещены вращающиеся шарики.
Первый металлический подшипник качения был установлен в
опоре ветряка, построенного в 1780 году в Англии, в Спровстоне. Подшипник
состоял из двух литых из чугуна дорожек качения, между которыми находилось 40
чугунных шаров.
В XIX веке продолжалось совершенствование конструкции
подшипников качения, а также расширение их применения в машинах и механизмах.
Однако лишь на исходе столетия внедрение технологии абразивной обработки
позволило достичь достаточной твердости и точности элементов подшипника. До
этого в производстве шариков использовали круглые стальные прутья, которые
формировали и обрабатывали вручную. Несовершенство такой технологии приводило к
деформации подшипников из-за неравномерных нагрузок. Перелом произошел
благодаря изобретениям 34-летнего техника Фридриха Фишера, который построил
первый подшипниковый велосипед (1853
г.) и изобрел первый полностью автоматический фрезерный
станок. Он сконструировал машину, которая позволила шлифовать стальные
закаленные шарики и придавать им желаемую форму с большой точностью.
Однако шариковые подшипники подходили не для всех инженерных
решений. В 1907 году молодой шведский инженер Свен Вингквист создал эскиз
первого в мире качающегося подшипника. После Первой мировой войны начался
процесс повсеместного вытеснения подшипников скольжения подшипниками качения. В
начале 20-х годов прошлого века появились роликовые подшипники, которые выдерживали
повышенные нагрузки. Вскоре были разработаны их новые разновидности –
игольчатые, а позднее и конические подшипники.
По-сути, в эти годы подшипники приняли вид, который
эти незаменимые детали имеют и в наши дни. Дальше развитие шло по пути многочисленных
усовершенствований конструкции, направленных на получении характеристик,
отвечающих требованиям все усложняющейся техники. Но и в «новейшей истории» развития
подшипника было немало революционных, прорывных решений.
Большую роль в совершенствовании
подшипников скольжения сыграли О. Рейнолдс и Н.П. Петров. Независимо друг от
друга они исследовали так называемый гидродинамический эффект. Суть этого эффекта
заключалась в том, что при достаточной частоте вращения вала в масле
автоматически вырабатывается давление, которое поддерживает вал как бы в
невесомости без необходимости его соприкосновения с металлом подшипника.
Изучение этого эффекта сделало возможным конструирование подшипников скольжения
с очень малым трением. Позднее, для тихоходных машин или машин, имеющих тяжелый
ротор, ввели гидростатические подшипники скольжения, где масло под давлением
подается снаружи.
Около 1945 г. благодаря
использованию металлокерамики появились безмаслянные подшипники скольжения. Они
состояли из пористого металла насыщенного смазкой или со сплава бронзы и
графита, которые в небольших машинах могут хорошо работать долгое время. В
быстроходных центрифугах и гироскопах смаром является воздух (пневматический
подшипник). Следующим новшеством, которое нашло широкое применение, являются
гибридные подшипники. Обычно, увеличение прочности быстроходных подшипников
происходит в результате применения желобчатых шариков или шариков с небольшой
массой. Альтернативой для такого типа решений является соединение
шарикоподшипника с гидростатическим подшипником. Реальное разделение нагрузки
между шарикоподшипником и гидростатическим подшипником составляет 50%, что
может дать десятикратное увеличение прочности такого подшипника по сравнению с
обычным шариковым подшипником, работающим в тех же условиях. В предложенном
решении внешняя дорожка шарикоподшипника находится в стационарном корпусе, а
внутренняя дорожка смонтирована на промежуточной втулке, которая может свободно
вращаться относительно вала.
В самом процессе производства
подшипников появляется много новшеств, дающих возможность создания более
точных, быстрых и недорогих решений. Одним из них стала технология уменьшения
вращающегося момента, примером которой может быть разработанный железнодорожный
подшипник с низким моментом вращения. Оказалось, что такое решение позволяет
экономить большое количество топлива. Однако наиболее важным переломным моментом
в проектировании подшипниковых узлов стала компьютерная техника, позволяющая
анализировать подшипниковый узел практически во всех отношениях. Созданные с
помощью компьютерной техники виртуальные подшипники могут быть тщательно
проверены без необходимости приведения в действие целого технологического
процесса. Современные компьютерные программы позволяют ввести для виртуальных
подшипников и подшипниковых узлов любые параметры – как внешние, так и
внутренние. Таким методом был спроектирован микроподшипник для
микроэлектроники, используемый в жестких дисках.
Почти до конца XX века обычным
материалом для подшипников была сталь, которая проходила очередные модификации,
в зависимости от требований. Однако сталь навязывала конструкторам определенные
рамки применения своими основными свойствами. К главным характеристикам надо
отнести тепловую расширяемость, большую плотность, склонность к коррозии,
электрическую и магнетическую проводимость и относительно большой коэффициент
трения, даже при тщательной завершающей обработке. Материалом, который дал
новые возможности, оказался нитрид кремния, один из керамических синтетиков.
Поначалу из керамического материала изготавливали только элементы качения.
Идеальным примером этого могут служить гибридные быстроходные наклонные
шарикоподшипники. Однако уже через несколько лет конструкторы начали разработку
подшипников, составляющие элементы которых изготовлены из керамических
материалов (керамические подшипники), пример – однорядные быстроходные
цилиндрические подшипники. Для сравнения, упомянутый керамический
цилиндрический подшипник развивает почти 2-кратно большую скорость вращения,
чем его стальной аналог.
|
