Втулка VS подшипник. Что лучше выбрать для 3Д принтера или любого другого станка с ЧПУ?

Дорогие друзья приветствую! Эту статью хочется посветить вопросу – линейные подшипники или втулки? 

Давайте разбираться.

Первое с чего начнём так это принцип работы. Линейные подшипники работают по принципу качения. Внутри подшипника находятся стальные шарики, которые контактируя с поверхностью направляющей, катятся по ней. Втулка же работает по принципу скольжения. И здесь стоит заметит – из-за того, что используется принцип скольжения, втулку предпочтительнее использовать из другого материала, чем направляющую. В паре направляющая/втулка должны использоваться 2 разных материала и при этом один материал должен быть мягче другого. Это необходимо, чтобы снизить коэффициент трения при скольжении. В машиностроении это зачастую сталь + бронза. Яркий пример это червячный редуктор – из-за того, что в нём происходит постоянное трение, там как раз используется стальной червяк и бронзовое червячное колесо.

И так первая разница заключается в том, что линейный подшипник работает по принципу качения, а втулка по принципу скольжения. 

Следующее на чём нужно остановиться, так это площадь контактного пятна. Контактное пятно в подшипнике — это место контакта шарика с направляющей вовремя движения. И чем контактное пятно больше, тем лучше. Линейный подшипник в этом плане немного уступает втулке. Каждый шарик, который контактирует с поверхностью вала имеет почти точечное касание. И если суммировать контактные пятна всех шариков, всё равно общая площадь пятна у подшипника будет меньше, чем у втулки. Из-за того, что контактное пятно во втулке это всё отверстие, а само отверстие стремится повторить диаметр вала, то и площадь контакта будет большой (нов всё же контактное пятно не полностью покрывает всю площадь внутреннего отверстия втулки, его немного ограничивает погрешность овальности у отверстия и вала).

И так мы поняли, что площадь контактного пятна у них разная. И дальше следует важный момент. Если мы прикладываем одинаковую нагрузку, но площадь контактного пятна разная, тогда износ в двух системах будет разным.

Для примера рассмотрим шило, прокалывающее поверхность. На его острие площадь контакта очень маленькая. И при незначительном усилии, поверхность можно легко деформировать. Если же шило затуплено, и площадь контакта большая, тогда усилий для повреждения поверхности нужно больше.

И так вернёмся к направляющей – если во время перемещения подшипник переносит движущийся вес на вал точечно, то и вал будет изнашиваться быстрее. Это выражено в виде выкатанных борозд на направляющей.

И так из всего сказанного можно сделать вывод, что по принципу работы вал в паре с линейным подшипником подвержены более быстрому износу. НО!!! Это не значит, что на практике у втулки рабочий ресурс будет больше.

Сейчас важно затронуть ещё такую вещь как твёрдость поверхности. Если вал, по которому двигается подшипник, закалён и твёрдость его поверхности высокая, то такая система прослужит дольше "сырой стали". Но это при условии, если шарики в подшипнике так же будут иметь высокую твёрдость, а подшипник будет собран с малыми допусками – простыми словами, если подшипник высокоточный. В этом случае такая система проработает достаточно долго. Но!!! Это удовольствие не из дешёвых. Закалённые направляющие стоят дорого. С подшипником всё ещё сложнее – он собирается из большого количество комплектующих, которые должны быть высокоточными это раз, сборка самого подшипника должна быть высокоточной это два, и шарики в подшипнике должны быть закалены это три. Поэтому цена может отличаться Очень сильно между низкоточным и высокоточным подшипником. По итогу же, когда покупается ноунейм вал и подшипник, в этом случае не стоит рассчитывать на высокий рабочий ресурс.

Но проблемы могут быть так же и с втулками. Если покупать ноунем валы + втулки, то может быть и такое, когда диаметр вала больше, чем отверстие во втулке (система отверстие/вал - имеет натяг) и вместо правильной работы, втулку стопорит на месте. Притирание может происходить достаточно долго. С подшипником проблем с притиранием немного меньше. Если в системе подшипник/вал есть натяг, то подшипник быстро накатает лёгкие борозды на "сыром" валу и натяг пропадёт.

Так же важно отметить, что если точность соосности внешнего диаметра и внутреннего отверстия во втулке низкая, то установка двух втулок подряд может вызвать дополнительное время подгонки. Если установить две втулки вряд и в них низкая соосность, то система будет работать с повышенным трением или же вовсе не сможет двигаться. В безвыходных ситуациях даже придётся рассверливать втулки. Если же установить 2 подшипника с низкой соосностью вряд, то они быстрее притрутся чем втулки.

Но всё же чтобы сэкономить нервы и силы, лучше купить сразу длинную втулку или длинный подшипник.

Итак, если всё выше сказанное перенести на практику, то ситуация выглядит следующим образом. Рекомендуется покупать длинную втулку или подшипник, вместо двух коротких – это уменьшит время сборки и заедание узлов.

Для уровня "любитель" - можно ставить как втулки, так и подшипники. Разница в точности и ресурсе не велика. Ноунейм подшипники немного уступают ноунейм втулкам в ресурсе, но незначительно. Это связано с тем, что подшипник является сборной единицей, состоящей из большого количества элементов. А от сборки, ресурс разных подшипников может отличатся на несколько порядков ( по ресурсу имеется ввиду - разница в несколько нулей).

Для "полупрофессионального" уровня стоит рассмотреть покупку линейных подшипников высокого качества + закалённые направляющие.

Для уровня "профессионал" стоит рассмотреть высокоточные каретки + рельсовые направляющие по типу HIWIN или любого другого производителя с похожей системой. В таких направляющих шарик имеет большое контактное пятно с рельсой из-за формы самой рельсы. Но если брать такую систему ноунейм, то есть риск, что ресурс у неё окажется не таким уж большим. И не в коем случае не стоит забывать, что направляющие должны быть закалены.

Спасибо за внимание, надеюсь материал оказался полезным, желаю вам всего хорошего!