История развития подшипников качения – это история борьбы человечества с трением. С незапамятных времён человек перемещал тяжести: камни и стволы деревьев для строительства жилища, дрова для очага, туши добытых на охоте животных, плоты и лодки между верховьями рек, товары для обмена и торговли с соседними племенами, собственное имущество при смене места обитания…. Однажды древние люди заметили, что катить круглые предметы легче, чем тащить волоком плоские, - и изобрели колесо. Согласно археологическим исследованием, это произошло около пяти тысяч лет назад, что можно считать моментом появления первого специализированного устройства, предшественником подшипников качения.
Первые документальные свидетельства – рисунки возрастом около 3500 лет – демонстрируют применения цилиндрических предметов для снижения трения при перемещении тяжестей при строительстве пирамид в Древнем Египте. Современная классификация отнесла бы такое приспособление к линейным роликовым бессепараторным подшипникам качения.
Сепаратор как элемент подшипника появился в 330 г. до н.э. в осадном орудии, автором которого считается древнегреческий изобретатель Диадес. Возвратно-поступательно движущийся таран опирался на деревянные ролики, катящиеся по деревянному желобу. Ролики размещались внутри специальной корзины, прообразе сепаратора, удерживающей ролики вместе и обеспечивающей их правильное взаимное положение.
Наиболее древние подшипники вращательного движения были обнаружены в конструкции судов, построенных древнеримскими мастерами ориентировочно в 40-50 гг до н.э. Одно опорно-поворотное устройство имело восемь бронзовых шаров, другое – восемь деревянных конических роликов на осях. На подшипники опирались круглые вращающиеся платформы неизвестного в точности назначения.
Первый похожий на современные упорный шарикоподшипник был описан в 1490 г. трудах Леонардо да Винчи. Великий изобретатель остроумно решил проблему трения шаров друг о друга, применив в качестве сепаратора профилированные вращающиеся на осях втулки.
Практическое использование подшипников качения началось в Европе в шестнадцатом веке. Первый известный истории полностью металлический подшипник был установлен в 1780 г. в Англии. Конструкция содержала два литых чугунных кольца и сорок шаров, также изготовленных из чугуна. Функционально подшипник представлял собой однорядное шариковое опорно-поворотное устройство ветряной мельницы.
Также в Англии в 1794 г. был получен первый патент на подшипник качения. Каретный мастер Филип Вогхем зарегистрировал изобретение радиального насыпного шарикоподшипника для снижения трения между осью и колесом кареты. Однако реальное применение изобретения на тот момент не состоялось по причине сложности и высокой стоимости изготовления металлических шариков.
Технологический прорыв был осуществлён в 1883 г. немецким инженером Фридрихом Фишером. Он изобрёл высокопроизводительную машину для шлифования стальных шариков, что позволило наладить массовое производство качественных и сравнительно недорогих шарикоподшипников. На базе этого изобретения в 1895 г. была основана компания FAG.
Примерно в то же время американский каретный мастер Генри Тимкен придумал конструкцию конического роликоподшипника для применения в качестве ступичного узла колёсных транспортных средств. Изобретение запатентовали в 1898 г, а уже через год была основана компания TIMKEN и налажено серийное производство конических роликоподшипников.
Подшипники качения, будучи первоначально применёнными в автотранспорте, вскоре привлекли внимание производителей железнодорожной техники. В 1903 г. немецкая компания Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken A.G. (DWF) изготовила первые специализированные буксы на шарикоподшипниках для вагонов. Испытания показали высокую эффективность такого решения сравнительно с традиционными железнодорожными подшипниками скольжения, что открыло новые горизонты для изготовителей вагонов и локомотивов.
Следующий шаг на пути эволюции подшипников был сделан в Швеции в 1907 г. Инженер Свен Вингквист предложил конструкцию самоустанавливающегося шарикоподшипника, малочувствительного к перекосам колец, что позволило устранить проблему высокой аварийности подшипников в опорах длинных гибких валов, прогиб которых часто приводил к перегреву и даже воспламенению подшипников всех известных на тот момент типов. На базе удачного и востребованного изобретения была основана компания SKF, в короткие сроки запустившая серийное производство самоустанавливающихся шарикоподшипников.
Чуть позже, в 1909 г. в Германии был запатентован цилиндрический роликоподшипник. Автором изобретения был Йозеф Кирнер, ведущий инженер компании Norma Compagnie, которая затем войдёт в состав SKF.
В 1919 г. инженер-исследователь компании SKF Арвид Палмгрен представил очередное изобретение - сферический двухрядный роликовый подшипник, также способный к компенсации перекоса колец, но значительно более грузоподъёмный, чем самоустанавливающийся шариковый. В дальнейшем двухрядные сферические радиальные роликоподшипники наряду с изобретёнными в 1939 г. сферическими упорными роликоподшипниками станут «визитной карточкой» компании SKF.
В 1950 г. в Германии был запатентован игольчатый роликоподшипник с сепаратором, компактный и грузоподъёмный. Автором патента являлся Георг Шэффлер, совладелец компании Industrie-Nadellager, более известной как INA.
В 1972 г. для применения ступицах транспортных средств компанией SKF была предложена концепция специализированных подшипниковых узлов, т.н. Hub Unit. Идея состояла в замене отдельных компонентов, таких как подшипники, уплотнения, корпус и т.д., требующих усилий и квалификации потребителя при применении узла, на изготовленную в заводских условиях полностью собранную и настроенную одноразовую конструкцию, не нуждающуюся в обслуживании и не подлежащую ремонту. Несмотря на более высокую стоимость сравнительно с парой отдельных подшипников, Hub Unit оказался экономически эффективным вследствие удобства применения и высокой долговечности.
Последним в обзоре и наиболее современным на текущий момент из массово производимых подшипников качения является тороидальный роликоподшипник. Он является лучшим решением для «плавающих» опор, поскольку может одновременно компенсировать перекос и осевое смещение колец, обладает высокой грузоподъёмностью и быстроходностью. Подшипник разработан и запатентован компанией SKF в 1995г.
Эволюция подшипников качения проявляется не только в разработке новых конструкций, но также в совершенствовании технологии производства и применении новых материалов, из которых наиболее востребованными оказались нитрид кремния и оксид циркония. Первые полностью керамические и гибридные – со стальными кольцами и керамическими телами качения – подшипники были изготовлены американской компанией Marlin Rockwell Corp. (MRC, вошла в состав группы SKF) в 60-х – 70-х годах прошлого века. Несмотря на высокую цену, подшипники имеют достаточно широкую область применения, определяемую их уникальными свойствами.
В результате длительных исследований было установлено, что практический ресурс подшипника качения весьма сильно зависит от уровня вредных примесей в металле, поэтому начиная с 50-х годов XX в. производители уделяют чрезвычайное внимание способам очистки и подготовки подшипниковой стали для колец и тел качения. На сегодняшний день сверхчистая сталь в подшипниках является необходимой компонентой качества для всех ведущих производителей подшипниковой продукции.
Как будут эволюционировать подшипники качения дальше, можно только предположить. Весьма перспективным представляется применение покрытий как на поверхности дорожек качения для уменьшения трения и износа, так и на посадочных поверхностях для защиты от коррозии или придания электроизоляционных свойств. В качестве основного конструкционного материала подшипников могут найти применение полимеры и лёгкие сплавы. Всё большее распространение получают узлы Hub Unit и необслуживаемые подшипники. Время от времени появляются новые конструкции, востребованные в узкоспециализированных машинах. И, поскольку технический прогресс движется с ускорением, а принципиальной альтернативы подшипникам качения пока не найдено, история развития подшипников качения продолжается непосредственно на наших глазах. Вы тоже можете принять в ней участие.
