Подшипники в велосипеде. Часть 1: виды, материалы

Во время ремонта своего велосипеда многие сталкивались с такой, очень деликатной, темой, как подшипники. Не уверен, что всех при этом интересует, какой вид подшипника расположен в том или ином узле… Но мы решили пролить свет на эту тему и рассказать всё самое необходимое и важное. Материал получился большой и мы разделили его на две части.

• Часть 1: Виды подшипников и из чего они сделаны?
• Часть 2: Где, какие и почему используются?

Зачем нужны подшипники?

Начать стоит с того, что подшипники всегда располагаются в подвижных узлах и соединениях. Служат они для того, чтобы эти самые узлы и соединения двигались и вращались с минимальными энергозатратами и с минимальными коэффициентами трения. 

Если, например, вы поднимите свой велосипед и придадите некоторое вращение колесу, то какое-то время оно будет вращаться по инерции. Остановка колеса не будет внезапной, сначала произойдет замедление, а потом плавная остановка. Плавность вращения обусловлена наличием внутри втулки подшипника. Сейчас мы не будем углубляться в вид применяемого там подшипника, а просто зафиксируемся на том, что он в колесе есть.

Вращение руля, педалей и шатунов (каретки) обладает плавностью, опять же, благодаря наличию внутри подшипников. Элементы подвески двухподвесного МТБ велосипеда реализованы на подшипниках всё ради той же плавности движения. Возможно, вы будете удивлены, но подшипники используются в амортизированных вилках, задних амортизаторах и телескопических подседельных штырях (дропперпостах). Принцип работы там несколько другой, но суть одна – снизить энергозатраты на перемещение элементов конструкции путем снижения коэффициента трения.

Допускаю, что еще больше вы удивитесь, когда узнаете, что манетки (рычаги переключения передач), тормозные ручки, тормозные калиперы с механическим приводом, цепи и переключатели скоростей напичканы подшипниками. То есть, любой подвижный элемент конструкции велосипеда содержит в себе подшипники. Их много. Очень много. Поэтому, кстати, обслуживание велосипеда в мастерской, порой, стоит довольно дорого. Ведь почти каждый подшипник требуется снять, разобрать, почистить, дефектовать, заменить/собрать, смазать, установить на место и грамотно собрать узел. Звучит долго, а на деле еще дольше. Такие дела.

Как работает подшипник?

Итак, мы разобрались, что для вращения требуется подшипник. А что будет без подшипников, колеса перестанут вращаться? Без подшипников не будет вращения, да. Почти. Ответ кажется очень банальным. Чтобы понять причины проведите простой эксперимент. Положите на стол книгу, например, и попробуйте сдвинуть этот предмет с места упираясь в его торец. Теперь положите под книгу два сравнительно одинаковых цилиндрических предмета параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Сойдет пара канцелярских ручек или, если вы технарь, пара сверел. Толкните теперь книгу перпендикулярно ручкам и вы почувствуете, что сдвинуть с места книгу в этот раз оказалось намного легче. Думаю, что она даже могла сама покатиться, пока все настраивали. Кстати, если вы технарь и у вас есть свёрла – не понимаю, зачем вы всё это читаете.

Когда книга лежит на столе и вы ее двигаете, возникают силы трения, которые мы ощущаем, как сопротивление движению. Когда под книгой лежит две ручки, то трения больше нет, предмет движется практически свободно. То же самое происходит и с узлами велосипеда, в которых расположены подшипники.

Однако вместо сил трения в игру теперь вступают силы сопротивления качению. Они значительно меньше по своим величинам, нежели силы трения, поэтому элементы перемещаются легче. Формируются силы сопротивления качению из возможности или невозможности упругой деформации тела качения и поверхности по которой оно катится.

Чем меньше у контактных поверхностей и тела качения упругость (чем они тверже), тем меньшее возникает сопротивление качению. По этой причине мы с вами пользуемся железной дорогой. Железные колеса катятся по железным рельсам – всё очень твердое, сопротивление качению минимальное. Среднестатистический человек самостоятельно может довольно легко толкнуть стоящий на ровной поверхности вагон весом более 20 тонн.

Вот и с подшипниками та же история, твердые сплавы металлов позволяют телам качения катиться по поверхности качения с минимальными энергозатратами, так как упругая деформация практически отсутствует.

Теперь, когда мы понимаем принцип работы подшипников, мы можем плавно перейти к их разновидностям. Информации много, она не всегда мною линейно излагается, но надеюсь, что в итоге все будет ясно.

Разновидности подшипников по направлению нагрузки

Радиальные

Радиальные подшипники в своем названии содержат всю суть. Как можно нагрузить подшипник вращения? Закрепить его, например в колесе и вставит в него ось. Ось эту мы можем нагрузить своим весом. Для этого нам потребуется поставить колесо ровно и равномерно с обеих сторон надавить на ось вращения. Получится, что нагрузка будет направлена строго вниз, вдоль радиуса колеса, а значит и вдоль радиуса подшипника. Другими словами, нагрузка будет прикладываться радиально. И всё, так вот просто. Применяются подшипники именно этого типа почти во всех узлах велосипеда. Исключение, в большинстве случаев, составляет рулевой стакан и втулки колес.

Радиально-упорные

Собственно, а вот и те исключения, где радиальный подшипник применяется реже. Давайте теперь представим, что колесо с подшипником и осью мы положим на бок и давим на нашу ось вдоль оси ее вращения (простите за тавтологию). Подшипник сможет вращаться, возможно, так же легко, но нагрузка с радиальной сменилась на упорную. То есть, вдоль радиуса подшипника мы уже не прикладываем силы, мы в него упираемся вдоль оси его вращения, то есть сбоку. Поднимаем колесо теперь так, чтобы оно оказалось под углом 45 градусов относительно пола. На ось воздействуем уже привычным способом, давим на нее в направлении пола и получается, что половина нагрузки радиальная, а половина упорная. Вот и она – радиально-упорная нагрузка.

Такие нагрузки постоянно возникают в колесах (при поворотах), каретке шатунов, рулевом стакане. В общем-то она есть везде, просто величина её в некоторых ситуациях допустима. В случае же с рулевым стаканом требуется особая конструкция, которая лучше справляется с боковыми нагрузками не разрушая рабочей поверхности подшипника, поэтому идеальное решение – радиально-упорная схема. Напомню, что нагрузка в рулевом стакане на подшипник приходится вдоль его оси вращения, перпендикулярно радиусу. Колеса в этом плане менее нагружены, так как в отличие от рулевого стакана радиально-упорные силы часто заменяются только радиальными (когда ровно едешь).

Подшипники скольжения

Бушинги, Plain bearing, Bushing

Название довольно странное, и тем не менее, подшипники именно этого типа располагаются в вилках, амортизаторах, тормозах, манетках, цепях, переключателях и реже в педалях. Подшипники скольжения выполняются в виде двух трущихся поверхностей, между которыми существует минимальный слой смазки. Слой смазки не дает этим двум поверхностям друг с другом соприкасаться и трение снижается. Сопротивление движению теперь создается самой смазкой. Чем она более жидкая, тем легче будут скользить поверхности. При этом слой жидкой смазки больше подвержен разрушению в сравнении с консистентной, так как у жидкой устойчивый к разрушению слой более тонкий. По этой причине в дешевых вилках при разборке вы обнаружите некоторое количество очень вязкой смазки. То же самое вы обнаружите при разборке дешевых педалей, которые вращаются на подшипниках скольжения.

Зачастую такие узлы выполняются из специальных материалов, коэффициент трения которых довольно низкий.

Говоря о вилках, амортизаторах и дропперпостах среднего и верхнего сегмента, мы подразумеваем наличие специальных анодировок и метализаций поверхностей ног. Внутри вилки всегда располагаются ответные поверхности трения омываемые жидким маслом. Их две, выполняются они в виде колец запрессованных на некоторой глубине в штанах – бушинги. Вилки начального уровня выполняются с не очень твердым покрытием ног и с бушингами из обычного пластика смазанного вязкой смазкой. Так все и работает. Пластик довольно быстро разбивается, а металлизированное покрытие стирается. В вилках, дропперпостах и заднем амортизаторе подшипники скольжения работают с возвратно-поступательными движениями.

Система рычагов бюджетного двухподвесного велосипеда, к сожалению, часто реализуется на подшипниках скольжения. В соединениях рычагов вы обнаружите пластиковые или латунные втулки, которые под нагрузкой довольно быстро деформируются, а под натиском грязи стираются. Как итог – снижение жесткости заднего треугольника, он начинает весь гулять. С дешевыми педалями, параллелограммами переключателей, механизмами манеток и с моделями большинства тормозов та же история. Они разбалтываются и быстро выходит из строя.

Подшипники скольжения имеют по определению больше сопротивления при вращении или поступательных движениях, нежели они были бы реализованы на телах качения. Собственно, по этой причине минимальное количество таких подшипников вы встретите на профессиональной технике.

С другой стороны есть колеса Mavic, которые при внушительной стоимости в своих колесах использовали подшипник скольжения в барабане. В нем всего два подшипника. Один поближе к дропауту, а второй поближе к центру колеса. Тот, что ближе к дропауту, ходит очень долго, так как сделан на телах вращения. А вот тот, что ближе к центру колеса сделан в виде капролоновой (или фторопластовой) втулки. Я понимаю, инженеры хотели снизить вес и лучше распределить нагрузку по оси, чтобы кассета держала хороший момент вращения. Но. Обратная сторона медали – втулка эта очень плохо защищена от воздействия окружающей среды, в нее попадает пыль, которая довольно быстро делает свою абразивную работу. В результате на барабане появляется люфт. А корпус втулки колеса, ребята, сделан из алюминия, который стирается, чуть медленнее того капролона в барабане. То есть, стирается капролоновая вставка на барабане и тело корпуса втулки колеса. Ремкомплект есть в продаже, но он стоит денег, а установка требует навыков. Правда, установка ремкомплекта не всегда помогает. Диаметр поверхности скольжения корпуса втулки становится меньше из-за абразивного воздействия и восстановлению не подлежит. Народ выходит из положения устанавливая туда подшипники качения, хотя и проделывается такая операция не без токарей.

Немного за рамками темы получится, но не лишним будет сказать и следующее. Подшипники скольжения для обеспечения вращения в рамках велосипеда используются редко, так как нет больших нагрузок, шарики или ролики прекрасно справляются со своими задачами. Те же, что на велосипед таки устанавливаются, обладают отвратительным качеством (в основном в бюджетных моделях), поэтому уважение к ним испытать проблематично. В то же время автомобильные моторы, их коленчатые валы, вращаются именно на подшипниках скольжения – вкладышах. Преимущество перед шариковыми заключается в большей площади контакта, что позволяет переваривать большие нагрузки. При грамотной эксплуатации мотора ходить они могут весьма и весьма долго.

И еще раз закрепляем, подшипники скольжения позволяют, как вы уже поняли, работать, как с вращательными, так и с возвратно-поступательными движениями.

Виды подшипников по виду тел качения

Во всех подшипниках (кроме подшипников скольжения) используются вращающие элементы обеспечивающие трение.

Роликовые подшипники

Встретить роликовые подшипники в современном велосипеде довольно сложно. Но уж если они там и появляются, то только в рулевом стакане и каретках шатунов. Суть конструкции роликового подшипника в том, что между двумя кольцами из высокопрочной стали находятся ролики из такой же твердой стали. Внешнее кольцо, например, закрепляется в кареточном узле, а во внутренне вставляется ось шатунов. Редко встречаются такие подшипники потому, что их вес и стоимость, в сравнении с другими типами, довольно высокие и рассчитаны они под очень серьезные нагрузки. Говоря про высокие нагрузки я пытаюсь сказать, что даже такие дисциплины, как BMX, например, роликовые подшипники не используют. Встречаются они чаще на тяжелой технике, совсем не велосипедной.

Однако в порядке исключения мне однажды попался в руки МТБ велосипед из 1980-х годов, собран он был на топовых запчастях тех лет. Я был очень удивлен, когда в рулевой колонке вместо привычных шариковых обнаружил роликовые подшипники. Что же до кареточных узлов, то такой эксперимент я видел тоже лишь однажды. В новостях, в начале января 2021-го года. То есть, массово роликовые подшипники на велосипедах не используются по вышеперечисленным причинам.

Роликовые подшипники могут быть радиальными и радиально-упорными. Обязательным условием в конструкции радиально-упорного варианта является наличие конусовидных поверхностей качения. То есть, поверхности качения расположены под некоторым углом относительно оси вращения. Внешние силуэты корпуса могут оставаться цилиндрическими.

Есть еще роликовые подшипники для линейных перемещений, они используются в вилках Lefty, о чем мы подробно рассказывали.

Шариковые подшипники

Подшипники данного типа наиболее распространенные, на современном велосипеде располагаются практически во всех узлах, где это только возможно. Конечно, речь идет о среднем и верхнем ценовых диапазонах.

Кроме колес, рулевой колонки, педалей и кареток, шариковые подшипники часто размещаются в роликах заднего переключателя и в рычагах задней подвески двухподвесного велосипеда. В качестве исключения, на шариковых подшипниках реализуются некоторые модели тормозов V-Brake. Рычаг тормоза с колодкой вращается не на втулке пивота, а на шариковом подшипнике. Стоит ли говорить, что ручка там ходит просто идеально?

Еще одно исключение встречается в некоторых моделях МТБ манеток высокого уровня, там один из рычагов также реализован на шариковом подшипнике.

Виды шариковых подшипников по конструкции

Насыпные подшипники с сепаратором

К данному типу относятся шариковые и роликовые подшипники. Сепаратор – это элемент внутренней конструкции подшипников, в виде кольца из металла или пластика с посадочными местами для шариков или роликов. Его цель заключается в соблюдении одинакового расстояния между телами качения в любой момент времени. Сепараторные подшипники бывают насыпные и неразборные (промышленные, промы).

Неразборные выглядят так, как выглядят самые обычные промышленные подшипники. Они бывают без пыльников и с пыльниками выполненными из стали или металлического кольца покрытого резиной. В большинстве случаев на велосипеде применяются модели подшипников с обрезиненным пыльником и внутренностей его не разглядеть. Если пыльник аккуратно снять, то вы сразу увидите шарики или ролики разделенные между собой сепаратором. Разумеется, если модель не предусматривает наличие пыльника, то сепаратор буден виден без лишних телодвижений.

Насыпные сепараторные подшипники выглядят…. даже не знаю как и рассказать. Вот когда разбираете рулевую колонку, снимаете проставочные кольца, потом распорное разрезное конусное кольцо, затем пыльник, то вашему взору предстает внутренняя часть насыпного сепараторного подшипника. Там лежит металлическое кольцо с шариками в чашке рулевой колонки. Вот нижняя часть этой чашки, где кольцо и лежит, является одной из поверхностей качения. Её обрабатывают термически особым образом, чтобы придать в этом месте металлу высокую твердость. Если вытащить кольцо и протереть все от старой смазки, то вы увидите беговую дорожку тех самых шариков подшипника. Она очень тонкая и выделяется повышенным блеском.
Вторая часть подшипника, которая прижимает шарики в сепараторе к чашке, имеет форму конуса и выполняется в виде отдельного кольца или совмещенной с пыльником. Если вытащить шток вилки, положить сепаратор обратно в чашку и сверху его прижать конусным кольцом, то получится собранный насыпной сепараторный подшипник.

Сепаратор с шариками должен укладываться определенной стороной, иначе конструкция работать не станет. Насыпные сепараторные подшипники в велосипеде выполняются радиально-упорными. Когда вы смотрите внутрь чашки, то вы можете обратить внимание, что беговая дорожка шариков расположена не на ровной её части, а смещена немного выше. То есть при прижиме конусом шарики пытаются как бы раздавить чашку. Конусное кольцо, в свою очередь также позволяет увидеть, в какую сторону направлены усилия прижима. А направлены они не вдоль оси вращения, но и не перпендикулярно ей. Другими словами, прижим направлен не строго вниз и не строго в сторону, но под каким-то определенным углом.
В рулевой колонке начального уровня такие подшипники применяются чаще всего, так как обладают довольно низкой стоимостью. Велосипеды подороже комплектуются промышленными подшипниками, которые неразборные с пыльником.

Насыпные подшипники без сепаратора

Loose bearing; Насыпь

Разборка колес на самом обычном среднестатистическом велосипеде обязательно столкнет вас насыпными подшипниками без сепаратора. Схема работы у них радиально-упорная, а отсутствие сепаратора позволяет разместить больше шариков увеличивая таким образом срок службы узла. Чем больше шариков, тем больше площадь контакта, тем меньше деформаций происходит во время качения.

Суть их конструкции точно такая же, как и в сепараторных насыпных вариантах из рулевой колонки. Рассматривая пример колеса, можно также обнаружить чашку и прижимной конус. Там все тоже самое, только диаметры шариков и конуса другие.В общем-то, не вижу смысла повторяться.

И, да, в чашку рулевого стакана можно насыпать шарики без сепаратора, тогда их там уместится больше, только обслуживать будет неудобно. Но если сильно надо, то можно..

Из чего делают подшипники

Подшипники скольжения изготавливаются из разных металлов, сплавов. полимеров и баббитов. Основное условие для этих материалов – низкий коэффициент трения. Среди прочего встречается чугун, алюминий, бронза, медные сплавы, серебро, фторопласт (тефлон), капролон, графит (он же карбон). На дешевых велосипедах, повторюсь, за качество таких подшипников переживают не сильно, поэтому в качестве материала иногда используется пластик. Вилки, дропперпосты и задние амортизаторы внутри конструкции содержат по два кольца на одну ногу. Тело колец выполняется из алюминия, а поверхность скольжения из какого-то полимера. К сожалению, не нашел информации по этому поводу, бытует мнение, что наносится туда тефлон.
Ноги перечисленных узлов покрываются хромосодержащим материалом или специальными анодировками.

Анодировка – контролируемый процесс окисления поверхности детали. Покрытие нанесенное методом анодировки обладает высокой твердостью и низким коэффициентом трения. По опыту могу сказать, что при желании зашлифовать в каком-то месте анодированную ногу вилки мелкой наждачкой вас ждет серьезное разочарование.

Подшипники качения изготавливаются из углеродистых и хромистых сталей, если говорить о кольцах. Примеси позволяют с помощью термической обработки цементировать поверхности качения. Цементация металла – особая термическая обработка в специальной среде повышающая твердость поверхности, а не всей детали. Шарики выполняются из нержавеющей или углеродистой стали.

Подшипники качения также выполняются из карбидов и оксидов циркония или алюминия, встречаются модели из нитрида кремния. Основная особенность керамических подшипников заключается в их чрезвычайной твердости, что сулит невероятно малый коэффициент сопротивления качению. Кроме того, керамические подшипники требуют либо очень небольшое количество смазки, либо могут обходиться и вовсе без нее. Стоит сказать также, что из керамики выполняются и подшипники скольжения.