Весьма важным направлением в повышении качества опор трения качения является технологическое обеспечение рациональной геометрической формы их рабочих поверхностей: тел и дорожек качения. В работах В.М. Александрова, А.В. Королева [1], А.И. Лурье, А.В. Орлова, И.Я. Штаермана [2] и др. убедительно показано, что придание рабочим поверхностям упруго контактирующих деталей механизмов и машин рациональной геометрической формы позволяет существенно улучшить параметры упругого контакта и значительно повысить эксплуатационные свойства узлов трения.

При контакте поверхностей сложной формы начальный зазор можно описать уравнением:
z₁ - z₂= A·x^m+B·yⁿ, где показатели степени как раз и учитывают форму тел вдоль главных осей деталей.

Нами была решена данная задача [3], [4], [5]. Теперь появилась возможность рассчитывать все характеристики контакта в зависимости от формы тел. И наоборот, подбирая необходимые характеристики контакта задавать необходимую для этого форму тел.

Полученные нами выражения, при n = m = 2 вырождались в формулу Герца, а при n = m = 4 в выражение, полученные Штаерманом И.Я.

Ниже на рисунке представлен эпюр контактных напряжений, получаемой из теории Герца (слева) и для тел, начальный зазор которых описывается при m = 2, n = 6

Из рисунков видно, что для круговых тел (формулы Герца), максимальное контактное напряжение достигается в центре площадки контакта, где в случае опор трения качения возникает максимальное микропроскальзование (например, для шариков по стандартной дорожке качения), а, следовательно, и происходит максимальный износ подшипников.

Если же поперечный профиль дорожки качения изменить так, что бы начальный зазор вдоль поперечной оси описывался бы степенной функцией 6 степени (например, таким образом изменить, поперечный профиль дорожки качения подшипников), то как видно из рисунка, в центре площадки контакта напряжения значительно уменьшаются, а учитывая, что именно здесь происходит максимальное микропроскальзование, то существенно уменьшается и износ контактирующих тел. Кроме того, максимальные напряжения, возникающие в других точках контакта, в 2 раза меньше, чем на стандартном профиле, что также существенно влияет на долговечность и работоспособность подшипников.

Ниже показаны сравнительные графики стандартного профиля (рассчитанных по формулам Герца) и профиля для m = 2, n = 6:

Как видно из графиков, при оптимизированном профиле дорожке качения снижаются момент трения в центре площадки контакта, существенно снижается износ, а также момент вращения подшипников.

Ниже показаны результты стендовых испытаний подшипников, проводимых на базе ОАО "Саратовский подшипниковый завод".