Чому тільки кулькові підшипники на велосипедах?

Як правило, кулькові підшипники застосовні з більшою швидкістю через меншу площу контакту та меншу силу тертя, але роликові підшипники можуть переносити великі навантаження, оскільки навантаження, прикладена до зони контакту, створює менші контактні напруги.
- Принципи проектування машинобудування, Любомир Димитров

У велосипедних додатках немає ні високих швидкостей, ні великих навантажень (порівняно з автомобілями чи промисловими машинами). Однак я б припускав, що "менші контактні напруги" призведуть до значно більшого терміну служби підшипника, навіть якщо вода та забруднення проникнуть у підшипник. І досі єдиний раз, коли я чув про підшипники велосипедних роликів (штифтів), є в роздутому Лефті .

Чому кулькові підшипники використовуються виключно в велосипедах, наприклад, у гарнітурі, де незначне тертя не буде проблемою?

Я думаю, що кілька ваших припущень є невірними:

1. відсутність високих швидкостей: динамос обода крутиться досить швидко, до 10000 об / хв, і це вимагає зусиль з боку дизайнерів. Зазвичай привідне колесо на них буде мати радіус близько 1 см, або окружність 3 1/3 см і 30 обертів на метр. При 10 м / с (30 к / с) це означає 300 об / хв або 18000 об / хв. Ось чому вони роблять такий високий гучний тьмяний шум під час використання.
2. немає високого крутного моменту: велосипедист вагою 100 кг, що стоїть на кривошипі 165 мм, спрацьовує близько 1 кН на 0,165 м або 165 Нм. Це порівнянний крутний момент з автомобілем середнього класу. Я неодноразово затискав 8-мм високий натяжний болт в системі приводу мого чотириколісного навантажувального велосипеда, і заміна цього на промислових вільних колесах означала придбання двох найвищих рейтингових агрегатів, які я міг знайти (німецькі деталі конвеєрних стрічок, оцінені до 250 нм)
3. Немає високих навантажень: велосипедист, який їде на велосипеді, з 50 кг на задній стійці, плюс половина їх маси вагою 100 кг прикладає вагу 100 кг або 1 кН на порожню задню вісь діаметром 10 мм. Ті осі та падіння, які вони несуть, повинні бути виготовлені з твердої сталі, щоб витримати вантаж, де деталі, що несуть вантаж автомобіля чи вантажівки, як правило, виготовлені із значно м'якшої сталі.
4. Використовуються лише кулькові підшипники: сучасні герметичні нижні кронштейни зазвичай використовують роликові або голчасті підшипники, як і багато гарнітури. Втулки з внутрішнім приводом вже багато років використовують голчасті підшипники. Шелдон Браун, наприклад, описує роликові підшипники у своєму глосарії .

Відповідь полягає в тому, що в велосипедах використовуються різні типи підшипників і, швидше за все, це буде. Знову Шелдон обговорює голчасті підшипники в шестірнях маточини Shimano ще кілька років тому, і вони все ще згадуються в маркетингу .

Одна з проблем, не властива велосипедам, але особливо актуальна для них, полягає в тому, що більш точні підшипники більш вразливі до стиску, а також до пошкоджень. Тому особливо голкові підшипники повинні бути ретельно захищені від пилу, піску та сил, що не входять до їхнього діапазону. На жаль, зробити це всередині блоку підвіски важко, і в останній раз, коли я подивився, Cannondale не вирішив проблему (мій HeadShock незрозумілий лише через 10 мм, я бачив, як багато горілих поштовхів виходять з ладу під час гонки через невеликий дощ та дрібну піску їх дуже швидко зривати з непотрібності)

Але всередині концентратора або гарнітури вони можуть бути дивовижними. Наприклад, я спілкувався з людьми, які їхали на 20 мм на Alfine 8, без проблем.

По-перше, я не згоден з коментарем щодо високої швидкості. Підшипники з найвищою швидкістю є звичайними: підшипники колінчастого вала у повнорозмірному двигуні автомобіля прості, тоді як в радіокерованій моделі застосовуються кулькові підшипники. Там, де швидкість (об / хв діаметр) велика, масляний клиновий ефект має тенденцію до центру валу (гідродинамічне мастило). Це можна додатково підвищити, якщо масло буде закачано.

Прямі роликові підшипники чудово підходять для підтримки радіальних навантажень, але марні при підтримці осьових навантажень. Якщо немає осьового навантаження (наприклад, генератор, що приводиться в рух двигуном, безпосередньо через ковзаючу шпонку або через ремінний привід), вони є хорошим рішенням. У більшості застосувань для велосипедів є осьові зусилля, тому необхідно враховувати 3 підшипника: роликовий, а осьовий поштовх у кожному з двох напрямків. (у деяких програмах ви можете знайти звичайний підшипник для невеликої осьової тяги, але я не можу придумати його на велосипеді.)

Кулькові підшипники набагато простіше виготовити, а два кулькові підшипники утворюють чудовий універсальний шарнір. На велосипедному колесі два підшипника знаходяться на кінцях осі, якнайдалі одна від одної, що саме там нам потрібно, щоб протистояти неаксиальному моменту, застосованому до колеса. У цьому відношенні центральна частина роликового підшипника нічого не робитиме, тому вам можуть знадобитися два роликових підшипника, по одному на кожному кінці, а також додаткові підшипники для осьової тяги (ускладнюється чи не так?) Кращим рішенням є мати один кульковий підшипник на кожному кінці осі, конічної форми , що дозволяє йому чинити опір як радіальній, так і осьовій силам. Конічні роликові підшипники існують, але для керування роликами їм потрібна клітка, що дозволяє уникнути необхідності чотирьох підшипників на колесі, але додає інших складностей.

Нарешті, гарнітура, безумовно, потребує певного антифрикційного підшипника. Існує величезний неоксиальний крутний момент: ваша вага намагається штовхати вилки вгору і вперед, за винятком випадків, коли ви застосуєте гальма, коли вони будуть відштовхуватися назад. Щоб мати змогу правильно керувати, потрібен плавний рух там. Кожен, хто спробував їздити на велосипеді з пошкодженою гарнітурою, буде знати, що це можливо, але незручно і небезпечно.

Поточні відповіді дають безліч технічних причин використання кулькових підшипників, зазначаючи, що інші типи підшипників іноді використовуються на велосипеді.

Однак вони пропускають найважливіший фактор. Кулькові підшипники дешеві!

Ви побачите герметичні підшипники картриджа в багатьох нижніх кронштейнах, в яких використовуються роликові підшипники. Також часто зустрічається в наборах для голови. Кулькові підшипники використовувались більше, ніж приблизно 10 років тому. Але все ще поширений в педалях і маточинах.

Роликові підшипники та кулькові підшипники ефективні. Якщо ви візьмете прості підшипники для коліс, наприклад, втулки PTFE, велосипед буде працювати, але стає трохи важким для педалі, не так весело ... Пластикові підшипники також роблять велосипед менш жорстким, що може відчувати себе незручно, він може легко потрапляйте в саморезонанс і починайте коливатися, якщо занадто низька частота егенів, але ця частина залежить від детальної конструкції. Можна використовувати металеві бронзові підшипники, але вони потребують деякого змащення.

Для гарнітури зазвичай використовуються кулькові підшипники. Я щойно замінив кульові підшипники для гарнітури на своєму старому велосипеді домашніми підшипниками delrin (Acetal plastic), які я зробив на токарному верстаті, тому що старий був іржавий, і я знайшов нові трохи дорогішими ... Результат: Так, дельфінові підшипники delrin чудово спрацьовують для гарнітури, важче повернути його, якщо ви хочете так само жорстко, як і з кульковими підшипниками, але це не проблема ... Це може бути трохи ковзання з звичайними підшипниками в голові -набір, це, мабуть, головна причина, чому зазвичай застосовуються кулькові підшипники - він жорсткий і він гладкий - і ви відчуєте контроль.