Почему только шарикоподшипники на велосипедах?

В целом, шариковые подшипники применимы на более высоких скоростях из-за меньшей площади контакта и меньшей силы трения, но роликовые подшипники могут нести большие нагрузки, потому что нагрузка, приложенная к области контакта, создает меньшие контактные напряжения.
- Основы проектирования машиностроения, Любомир Димитров

В велосипедных приложениях нет ни высоких скоростей, ни высоких нагрузок (по сравнению с автомобилями или промышленными машинами). Однако я предполагаю, что «меньшие контактные напряжения» приведут к значительному увеличению срока службы подшипника, даже если вода и загрязняющие вещества проникают в подшипник. И все же единственный раз, когда я слышал о роликовых (булавочных) подшипниках велосипеда, это раскрученный Левша .

Почему шариковые подшипники используются исключительно в велосипедах, например, в гарнитуре, где небольшое трение не будет проблемой?

Я думаю, что некоторые из ваших предположений неверны:

1. нет высоких скоростей: ободные динамомашины вращаются довольно быстро, до 10 000 оборотов в минуту, и это требует усилий со стороны дизайнеров. Обычно ведущее колесо на них имеет радиус около 1 см или окружность 3 1/3 см и 30 оборотов на метр. При скорости 10 м / с (30 км / ч) это означает 300 об / мин или 18000 об / мин. Вот почему они издают такой высокий звуковой шум при использовании.
2. нет высокого крутящего момента: 100-килограммовый велосипедист, стоящий на 165-мм рукоятке, прикладывает около 1 кН на 0,165 м или 165 Нм. Это сопоставимый крутящий момент с автомобилем среднего класса. Я неоднократно зажимал 8-миллиметровый растягивающий болт в системе привода моего четырехколесного велосипеда с нагрузкой, и замена его на промышленные колеса свободного хода означала покупку двух самых высокопроизводительных агрегатов, которые я мог найти (немецкие детали конвейерной ленты, оцененные в 250 Нм)
3. Никаких высоких нагрузок: туристический велосипедист с 50 кг на задней стойке, плюс половина веса тела в 100 кг, нагружает 100 кг или 1 кг на полую заднюю ось диаметром 10 мм. Эти оси и выбрасывающие элементы, которые они несут, должны быть изготовлены из твердой стали, чтобы выдерживать нагрузку, тогда как несущие части автомобиля или грузовика обычно изготавливаются из более мягкой стали.
4. Используются только шариковые подшипники: современные герметичные нижние кронштейны обычно используют роликовые или игольчатые подшипники, как и многие гарнитуры. На втулках с внутренним зацеплением игольчатые подшипники используются уже много лет. Шелдон Браун, например, описывает роликовые подшипники в своем глоссарии .

Ответ заключается в том, что различные типы подшипников использовались в велосипедах и, вероятно, будут использоваться в будущем. И снова Шелдон обсуждает игольчатые подшипники в ступицах Shimano нескольких лет назад, и они все еще упоминаются в маркетинге .

Одна проблема, которая характерна не только для велосипедов, но особенно актуальна для них, заключается в том, что более точные подшипники более уязвимы как для песка, так и для повреждений. Поэтому особенно игольчатые подшипники должны быть тщательно защищены от пыли, песка и сил, выходящих за пределы их проектного диапазона. К сожалению, делать это внутри подвесного устройства сложно, и в прошлый раз, когда я смотрел, Кэннондейл не решил проблему (мой HeadShock не может быть исправлен только после примерно 10 мм, я видел, как несколько левых ударов терпели неудачу во время гонки из-за небольшого дождя и мелкого песка, вызывающего их истирать до бесполезности очень быстро)

Но внутри хаба или гарнитуры, например, они могут быть потрясающими. Я разговаривал с людьми, которые проехали 20 мм на Alfine 8, например, без проблем.

Во-первых, я не согласен с комментарием о высокой скорости. Подшипники с самой высокой скоростью - простые: подшипники коленчатого вала в полноразмерном двигателе автомобиля - простые, тогда как в радиоуправляемой модели используются шарикоподшипники. Там, где скорость (об / мин х диаметр) высока, масляный клин имеет тенденцию центрировать вал (гидродинамическая смазка). Это может быть дополнительно улучшено, если масло прокачано.

Прямые роликоподшипники хороши для поддержки радиальных нагрузок, но бесполезны для поддержки осевых нагрузок. Там, где нет осевой нагрузки (например, генератор, приводимый в движение двигателем, либо непосредственно через скользящий шлиц, либо через ременную передачу), они являются хорошим решением. В большинстве применений на велосипеде присутствуют осевые силы, поэтому необходимо учитывать 3 подшипника: ролик плюс осевое усилие в каждом из двух направлений. (в некоторых приложениях вы можете найти подшипник скольжения для небольшой осевой тяги, но я не могу вспомнить ни одного на велосипеде.)

Шариковые подшипники намного проще в изготовлении, а два шариковых подшипника образуют отличный универсальный шарнир. На велосипедном колесе два подшипника находятся на концах оси как можно дальше друг от друга, и именно в них мы нуждаемся, чтобы противостоять неосевому крутящему моменту, приложенному к колесу. В этом отношении центральная часть роликового подшипника ничего не будет делать, поэтому вам могут понадобиться два роликовых подшипника, по одному на каждом конце, плюс несколько дополнительных подшипников для осевой тяги (усложняется ли, не так ли?). Лучшее решение - иметь на каждом конце оси один шариковый подшипник конической формы , что позволяет ему противостоять как радиальным, так и осевым нагрузкам. Конические роликоподшипники существуют, но им нужна клетка для направляющих роликов, что устраняет необходимость в четырех подшипниках на колесе, но добавляет дополнительную сложность.

Наконец, гарнитура определенно нуждается в каком-то антифрикционном подшипнике. Существует огромный неосевой крутящий момент: ваш вес пытается толкать вилы вверх и вперед, за исключением случаев, когда вы нажимаете на тормоза, когда они будут отодвинуты назад. Чтобы правильно управлять, вам нужно плавное движение там. Любой, кто пытался ездить на велосипеде с поврежденной гарнитурой, будет знать, что это возможно, но неудобно и опасно.

Текущие ответы дают много технических причин для использования шарикоподшипников, отмечая, что другие виды подшипников иногда используются на велосипеде.

Однако они упускают самый важный фактор. Шариковые подшипники дешевы!

Вы увидите герметичные картриджные подшипники во многих нижних кронштейнах, в которых используются роликовые подшипники. Также часто встречается в наушниках. Шариковые подшипники использовались более 10 лет назад. Но все же часто встречается в педалях и ступицах.

Роликовые и шариковые подшипники эффективны. Если вы берете подшипники скольжения для колес, например, втулки из ПТФЭ, велосипед будет работать, но становится немного тяжелым для педалирования, что не так весело ... Пластиковые подшипники также делают велосипед менее жестким, что может вызывать неудобства, это может легко войти в саморезонанс и начать колебаться, если слишком низкая частота эгена, но эта часть во многом зависит от детализации проекта. Вы можете использовать металлические бронзовые подшипники, но они нуждаются в некоторой смазке.

Для гарнитуры также обычно используются шарикоподшипники. Я просто заменил на своем старом велосипеде опорные шарикоподшипники для гарнитуры на самодельные подшипники делрин (пластик Acetal), которые я сделал сам на токарном станке, потому что старый был ржавым, а новый нашел немного дороже ... Результат: Да, подшипники скольжения delrin отлично подходят для гарнитуры, и повернуть ее будет тяжелее, если вы захотите так же жестко, как с шарикоподшипниками, но это не проблема ... Это может быть небольшим скольжением с подшипниками скольжения в головке Например, это, вероятно, главная причина, по которой обычно используются шарикоподшипники - они жесткие и вращаются плавно - и вы почувствуете контроль.