Por que apenas rolamentos de esferas em bicicletas?

Em geral, os rolamentos de esferas são aplicáveis ​​em velocidades mais altas devido à menor área de contato e menor força de atrito, mas os rolamentos de rolos podem suportar cargas maiores porque a carga aplicada à área de contato produz menores tensões de contato.
- Princípios de projeto de engenharia mecânica, Liubomir Dimitrov

Em aplicações de bicicleta, não há altas velocidades nem altas cargas (em comparação com carros ou máquinas industriais). No entanto, eu assumiria que as "menores tensões de contato" resultariam em uma vida útil significativamente mais longa do rolamento, mesmo se água e contaminantes penetrarem no rolamento. E ainda assim, a única vez que ouvi falar de rolamentos de bicicleta (pino) é no Lefty .

Por que os rolamentos de esferas são usados ​​exclusivamente em bicicletas, por exemplo, no fone de ouvido, onde um pouco de atrito menor não seria um problema?

Eu acho que várias de suas suposições estão incorretas:

1. sem altas velocidades: os dínamos dos aro giram muito rápido, até 10.000 rpm, e isso exige esforço da parte dos projetistas. Normalmente, a roda motriz sobre eles terá um raio de cerca de 1 cm, ou uma circunferência de 3 1/3 cm e 30 rotações por metro. A 10m / s (30 km / h), isso significa 300rps ou 18000 rpm. É por isso que eles emitem um ruído agudo e agudo quando em uso.
2. sem torque alto: um ciclista de 100 kg de pé em uma manivela de 165 mm está exercendo cerca de 1 kN a 0,165 m, ou 165 Nm. Isso é torque comparável a um carro de gama média. Apertei repetidamente um parafuso de alta resistência à tração de 8 mm no sistema de tração da minha bicicleta de carga com quatro rodas e substituí-lo por rodas livres industriais significou a compra de duas das unidades com classificação mais alta que eu pude encontrar (peças da correia transportadora alemã com classificação de 250 Nm)
3. Sem cargas altas: um ciclista em turnê com 50 kg no rack traseiro, mais a metade do peso corporal de 100 kg, está colocando uma carga de 100 kg ou 1kN em um eixo traseiro oco de 10 mm de diâmetro. Esses eixos e as quedas que eles suportam devem ser feitos de aço duro para suportar a carga, onde as partes que suportam carga de um carro ou caminhão são tipicamente feitas de aço muito mais macio.
4. Somente rolamentos de esferas são usados: os suportes inferiores selados modernos geralmente usam rolamentos de rolos ou de agulhas, assim como muitos fones de ouvido. Os cubos de engrenagens internas usam rolamentos de agulha há muitos anos. Sheldon Brown descreve rolamentos de rolos em seu glossário , por exemplo.

A resposta é que vários tipos de rolamentos foram usados ​​em bicicletas e provavelmente continuarão sendo. Mais uma vez, Sheldon discute rolamentos de agulha nas engrenagens do cubo Shimano de alguns anos atrás e eles ainda são mencionados no marketing .

Um problema não exclusivo das bicicletas, mas especialmente relevante para elas, é que os rolamentos mais precisos são mais vulneráveis ​​à areia e também aos danos. Portanto, especialmente os rolamentos de agulhas precisam ser cuidadosamente protegidos contra poeira, areia e forças fora de sua faixa de design. Infelizmente, fazer isso dentro de uma unidade de suspensão é difícil, e da última vez que olhei para Cannondale não havia resolvido o problema (meu HeadShock é impossível de manter depois de apenas 10Mm, vi vários choques esquerdos falharem durante uma corrida por causa de chuva fraca e granulação fina, causando para que se tornem inúteis rapidamente)

Mas dentro de um hub ou fone de ouvido, por exemplo, eles podem ser incríveis. Conversei com pessoas que montaram 20Mm em um Alfine 8, por exemplo, sem problemas.

Em primeiro lugar, discordo do comentário sobre alta velocidade. Os rolamentos de velocidade mais alta são lisos: os rolamentos de eixo de manivela em um motor de carro de tamanho completo são lisos, enquanto que em um modelo controlado por rádio, são utilizados rolamentos de esferas. Onde a velocidade (rpm x diâmetro) é alta, o efeito da cunha de óleo tende a centralizar o eixo (lubrificação hidrodinâmica). Isso pode ser aprimorado ainda mais se o óleo for bombeado.

Os rolamentos de rolos retos são ótimos para suportar cargas radiais, mas são inúteis para suportar cargas axiais. Onde não há carga axial (por exemplo, um gerador acionado por um motor, diretamente através de uma ranhura deslizante ou via acionamento por correia), eles são uma boa solução. Na maioria das aplicações de bicicleta, forças axiais estão presentes, portanto, um total de 3 rolamentos deve ser considerado: rolo, mais impulso axial em cada uma das duas direções. (em algumas aplicações, você pode encontrar um mancal liso para um pequeno impulso axial, mas não consigo pensar em um em uma bicicleta.)

Os rolamentos de esferas são muito mais simples de fabricar, e dois rolamentos de esferas formam uma ótima articulação para todos os fins. Em uma roda de bicicleta, os dois rolamentos estão nas extremidades do eixo, o mais afastados possível, que é exatamente onde precisamos deles para resistir ao torque não axial aplicado à roda. Nesse aspecto, a parte central de um rolamento de rolos não faria nada; portanto, você pode querer dois rolamentos de rolos, um em cada extremidade, além de alguns rolamentos adicionais para o impulso axial (ficando complicado, não é?) A melhor solução é ter um único rolamento de esferas em cada extremidade do eixo, com uma forma cônica , que permita resistir às forças radiais e axiais. Existem rolamentos de rolos cônicos, mas precisam de uma gaiola para ajudar a guiar os rolos, o que evita a necessidade de quatro rolamentos em uma roda, mas acrescenta outra complexidade.

Finalmente, os fones de ouvido definitivamente precisam de algum tipo de rolamento antifricção. Há um enorme torque não-axial: seu peso está tentando empurrar os garfos para cima e para a frente, exceto quando você aplica os freios, quando eles são empurrados para trás. Para poder dirigir corretamente, você precisa de um movimento suave lá. Qualquer pessoa que tenha tentado andar de bicicleta com um fone de ouvido danificado saberá que é possível, mas desconfortável e perigoso.

As respostas atuais fornecem muitas razões técnicas para o uso de rolamentos de esferas, observando que outros tipos de rolamentos às vezes são usados ​​em bicicleta.

No entanto, eles perdem o fator mais importante. Rolamentos de esferas são baratos!

Você verá rolamentos de cartucho selados em vários suportes inferiores, que usam rolamentos de rolos. Também é comum em conjuntos de cabeças. Os rolamentos de esferas eram mais widley usados ​​até cerca de 10 anos atrás. Mas ainda é comum em pedais e hubs.

Rolamentos de rolos e rolamentos de esferas são eficientes. Se você usar mancais simples para as rodas, por exemplo, buchas de PTFE, a bicicleta funcionará, mas se tornará um pouco pesada para pedalar, não tão divertida ... Os mancais de plástico também tornam a bicicleta menos rígida, o que pode ser desconfortável, pode ser facilmente entre em auto-ressonância e comece a balançar se for baixa frequência de egen, mas essa parte depende muito do design detalhado. Você pode usar rolamentos de metal bronze, mas eles precisam de alguma lubrificação.

Para os fones de ouvido, também são usados ​​rolamentos de esferas. Acabei de substituir os rolamentos de esferas de confiança dos fones de ouvido da minha bicicleta antiga por rolamentos caseiros de delrin (plástico acetal). Eu me tornei no torno, porque os antigos estavam enferrujados e achei um novo um pouco caro ... Resultado: Sim, os rolamentos lineares Delrin funcionam bem para o fone de ouvido; será mais pesado girá-lo se você desejar da mesma forma rígida que os rolamentos de esferas, mas não há problema ... Pode ser um pouco de deslizamento com rolamentos simples na cabeça -set, esta é provavelmente a principal razão pela qual os rolamentos de esferas são geralmente usados ​​- é rígido e liso - e você sentirá o controle.