В XIX веке началась эпоха массового производства подшипников, благо область их применения в промышленности, да и в повседневной жизни была очень широкой. Однако в нерельсовом транспорте заменить обычную ступицу колеса на подшипниковую было проблематично из-за высоких радиальных нагрузок. А, попросту говоря, «чрезмерное боковое давление на колесо при движении по неровной поверхности, когда колесо действует как мощный рычаг, который сгибает и ломает ось; именно это действие, а не прямой вес, в конечном счёте приводит к поломке многих осей».
Закавыченная выше цитата – из патента 1878 года на «Улучшение конструкции колес». В этой конструкции изобретатель Томас Кинг предусматривает в ступице колеса подшипник с зубчатыми роликами, «благодаря которым можно уменьшить или полностью устранить вероятность поломки оси, возникающую из-за боковых нагрузок на колесо».
Насчет «полностью устранить», наверное, слишком сильно сказано, а радиальную нагрузку на ось действительно можно было таким подшипником снизить. Но при зубчатых роликах это происходило только вместе потерей скорости вращения колеса и увеличения тягового усилия, а в итоге укорочения срока износа такого подшипника. Кардинальным решением проблемы стало изобретение почти 20 лет спустя гладкого конического подшипника качения. Это изобретение любопытно не только сутью, но и своей историей.
В марте 1895 года фермер из Уилмота, штат Индиана, Джон Линкольн Скотт подал заявку, на изобретение «Подшипника для колес транспортного средства» и в декабре того же года получил на него патент США №552008. В преамбуле заявки на свое изобретение он писал, что его целью было «упрощение и улучшение конструкции антифрикционных подшипников, их адаптация, в частности, для колесных транспортных средст��, что позволяет компенсировать осевую нагрузку и уменьшить вызванное ею трение; создание отдельных и независимых подшипников для выдерживания веса транспортного средства и его груза, а также создание двойного замка для конца оси и внешнего конца ступицы колеса, что позволяет быстро и легко регулировать их».
С этой целью изобретение представляет собой сужающуюся буксу, состоящую из двух или более цилиндрических частей в сочетании с независимыми рядами роликов… Диаметр этих частей уменьшается к их внешнему концу, образуя буртик, на который надевается пара шайб или круглых подшипниковых пластин, между которыми расположен ряд антифрикционных шариков; детали фиксируются на месте в правильном положении.
В августе 1897 года Генри Тимкен и Реджинальд Хайнцельман подают заявку на изобретение «Роликового подшипника для транспортных средств» и в июне 1898 года получают на него патент. «Наше изобретение относится к роликовым подшипникам для транспортных средств и направлено на снижение трения, обеспечение возможности регулировки роликовых подшипников, обеспечение возможности. снятия колеса со шпинделя без повреждения роликовых подшипников и в целом на улучшение конструкции роликовых подшипников», пишут они в преамбуле своего патента. Если оставить в стороне замок подшипника в ступице колеса, который позволял снимать колесо с оси проще, чем у Скотта, и сравнить оба эти патента, то получится нечто вроде игры «найди десять различий». Иными словами, принципиальных отличий в этих двух патентах нет.
Зато сразу бросается глаза то, с чего начинается этот патент – с имен тех, кому принадлежит право на изобретение: «Henry Timken and Redginald Heinzelman of St. Louis, Missuori, assignors of one-half to William Timken and Henry II Timken, of same place» (Генри Тимкен и Реджинальд Хайнцельман из Сент-Луиса, штат Миссури, передающие половину прав Уильяму Р. Тимкену и Генри II Тимкену их тех же мест). Что касается Хайцнцельмана, то он, похоже, историков подшипников не очень-то интересует, про него известно лишь то, что он был изобретателем и предпринимателем и тоже из первого поколения немецких мигрантов в Америку, как и Генри Тимкен, только вдвое его моложе. Уильям и Генри II Тимкены были сыновьями Генри Тимкена-старшего. После смерти отца они возглавили основанную им Timken Roller Bearing Co., Генри руководил ее подразделением по производству подшипников, Уильям – подразделением по торговле ими и прочими автомобильными запчастями.
Сам же Генри Тимкен-старший – персона в истории американского изобретательства известная, его имя присутствует в тамошнем Национальном зале славы изобретателей, но главное – он один из тех, кому удалось осуществить «американскую мечту». Семи лет от роду он попал с родителями в Америку, в 16 лет пошел работать подмастерьем в каретной мастерской, в 24 года уже владел собственной мастерской, а в 36 лет изобрел рессору для колясок и вагонов, которую назовут «рессорой Тимкена» и которая принесла ему богатство и славу.
Этим его изобретением (патент США №197689 от ноября 1877 года с приоритетом от октября того же года) можно иллюстрировать афоризм «все гениальное просто». Его рессоры были поперечными, от одной стенки вагона до другой и соединялись друг с другом перекрещенными в виде буквы Х планками. Только побороться за свою «американскую мечту» Тимкену пришлось всерьез. Это было довольно громкое в свое время патентное судебное разбирательство с апелляциями, длившееся с 1881 по 1894 год, пока окружной суд не признал патент Тимкена действительными, а Верховный суд не подтвердил это.
Но в случае с его патентом на конический роликовый подшипник обошлось без суда, Джон Скотт не оспаривал у него свой приоритет, по крайней мере в судебном порядке. Историки пишут, что, возможно, Скотт и обратился к Тимкену как к уже известному в Америке производителю колясок и вагонов с предложением профинансировать свое изобретение или купить у него права на него, и дело у них закончилось отступными, заплаченными Тимкеном Скотту, но сами же считают эту версию маловероятной.
Но как бы там ни было, а год спустя, в 1899 году, в Сент-Луисе была зарегистрирована Timken Roller Bearing Axle Company, производившая конические роликовые подшипники для железнодорожных вагонов, заменявшие там традиционные подшипники скольжения. А два года спустя, в 1901 году, компания переехала в штат Огайо поближе к Детройту и Кливленду – центрам нарождавшейся автомобильной промышленности, где в отличие от вагоностроения конические роликовые подшипники нашли самое широкое применение.
Также рядом был Питтсбург, Steel City (Стальной город), как его называли, – колыбель американской сталелитейной промышленности, и компания Тимкена организовала собственное производство особо прочной стали для своих подшипников, сейчас это называют вертикальной интеграций бизнеса. В итоге, если первый патент Генри Тимкена на его рессору для экипажей был всего лишь прелюдией к исполнению его «американской мечты», то патент на конический роликовый подшипник был ее финалом. Он стал не просто богатым, а очень богатым человеком. Его Timken Company жива и поныне, производит те же подшипники и прекрасно себя чувствует с годовым оборотом в 4,6 млрд долларов.
Что касается подшипников скольжения, то самым заметным изобретением XIX века в этой области несомненно был «баббит» – антифрикционный сплав олова и/или свинца с добавлением меди, сурьмы и других легирующих металлов. Сплав мягкий, но он включал в себя кристаллы более твердых металлов, рассеянных в более мягком олове (или свинце). Эти кристаллы и образуют фактическую поверхность скольжения, а более мягкое олово (свинец) при нагрузках плавится и действует как смазка. Фактически это была баббитовая прокладка из «металлической смазки» между корпусом подшипника скольжения и вращающимся в нем вале.
Назван «баббит» по имени его изобретателя Исаака Баббита. Он родился в американском городе Тонтон в 1799 году, где был один из самых первых металлургических заводов в Америке. Но к началу ХХ века Тонтон был уже известен как «Серебряный город», столько здесь было серебряных мастерских. Правда, делали в них не столько ювелирные украшения из стерлингового серебра (925-й пробы), сколько посуду из «британского» (или, как его еще называли «белого») металла – сплава олова (85–93%), меди и цинка. Фамильное серебро и камердинер-англичанин в ливрее считались в Америке того времени признаком состоятельности и высокого общественного положения семьи. Но если батлер – настоящий англичанин стоил дорого, то «фамильное серебро» тонтонского производства было вполне по карману среднему классу, так что товар местных ювелиров хорошо расходился на Восточном побережье и приносил хорошую прибыль.
Этим бизнесом решил заняться молодой Баббит и к 23 годам уже был совладельцем Babbitt, Crossman & Company, специализировавшейся на посуде из «британского металла». Однако из-за отсутствия надежного основного капитала конкуренции она не выдержала, обанкротилась и перешла в другие руки (эти руки в итоге тоже, кстати, обанкротились, но намного позже, в 2015 году). Исаак Баббит еще почти 10 лет служил в Тонтоне управляющим бывшей своей компании, а потом уехал в Бостон, где устроился управляющим на тамошний литейный завод Сайруса Элджера. который и сам был не чужд изобретательству и получил патент на метод литья особо прочных чугунных валков. Здесь Баббиту и пришла в голову мысль, что «британский металл» в иной пропорции его составляющих и с иными легирующими добавками можно было бы использовать в подшипниках скольжения. Не сразу пришла, а спустя еще пять лет.
«Семнадцатого июля тысяча восемьсот тридцать девятого года от Рождества Христова и шестьдесят четвертого года независимости Соединенных Штатов Америки» он получил патент США №1252 на «Способ изготовления букс для осей и штифтов». В нем было сказано, что «он, Исаак Бэббит из города Бостон, штат Массачусетс, изобрел новый и усовершенствованный способ изготовления втулок, внутри которых вращаются рычаги или цапфы для механизмов в целом, а также оси железнодорожных вагонов, локомотивных двигателей и оси колясок и экипажей и при таком способе изготовления букс, или подшипников предотвращается их нагрев и истирание, которые могут возникнуть при обычном способе их изготовления, и, следовательно, повышается их долговечность».
Букса для его подшипника была сборная из трех частей, «изготовленная из любого вида металла или металлической смеси, которые обладают достаточной прочностью и которые можно залудить, и крепилась болтами к основанию. <…> Ее внутренняя поверхность покрыта любым из материалов, известных под названием “британский металл”, или оловянным материалом, основой которого является блочное олово». «Для этой цели я приготовил превосходный состав, взяв примерно пятьдесят частей олова, пять частей сурьмы и одну часть меди, но я не собираюсь ограничиваться этим конкретным составом, – писал в патентной заявке Исаак Баббит.
К этому можно добавить лишь то, что 17 июля 1839 года Исаак Баббит «принес присягу в том, что он является гражданином Соединенных Штатов; что он искренне верит, что он является единственным и первым изобретателем, или первооткрывателем указанного усовершенствования, и что оно, насколько ему известно, ранее не было известно или использовалось; внес в казну Соединенных Штатов сумму в размере тридцати долларов и подал ходатайство уполномоченному по патентам, выразив желание приобрести исключительное право собственности на упомянутое усовершенствование и молясь о том, чтобы для этой цели ему был выдан патент».
Присяга, молитва и, главное, 30 долларов убедили секретаря штата Джона Форсайта и первого комиссара Патентного ведомства США Генри Эллсворта принять у Баббита заявку на изобретение. Тридцать долларов были тогда весьма приличные деньги. Если помните, Марк Твен в «Приключениях Тома Сойера» писал: «Времена тогда были простые — за доллар с четвертью в неделю мальчик мог иметь стол и квартиру, мог учиться, одеваться да еще стричься и мыться за те же деньги», а когда Том с Геком Финном все-таки откопали клад разбойников и стали богачами, получавшими от банка, где хранилось их золото, по доллару каждый день, а в воскресенье полдоллара, они сильно заскучали, не зная куда тратить такие деньжищи и решили сбежать в пираты.
Сам же патент Баббит дополнял и дописывал еще год, и в окончательном виде он был опубликован 4 сентября 1840 года. Патент был выдан на 7 лет, а потом после ходатайства Баббита и уплаты им пошлины в 10 долларов был продлен еще на 7 лет до 17 июля 1853 года. Ходатайствовать о продлении срока действия его патента Баббит начал заранее, в самом начале 1840-х годов. Среди прочих причин важности своего изобретения он упоминал и то, что «в Соединенных Штатах строились или только что были построены пароходы "Миссисипи" и "Принстон", и что было обнаружено, что невозможно обеспечить их сколько-нибудь удовлетворительную работу без использования его изобретения». И что, «хотя они достроены без него, впоследствии главная палуба была разобрана с целью установки его патентованных подшипников».
В результате, «после значительных усилий и больших затрат с его [Баббита – Ред.] стороны правительство Соединенных Штатов было уполномочено Конгрессом заключить с ним контракт на право производить и использовать его изобретение везде, где оно [правительство – Ред.] пожелает; этими полномочиями в сентябре воспользовался министр военно-морского флота. И весной 1843 года сумма в размере 20 000 долларов была выплачена упомянутому Бэббиту Соединенными Штатами за их право на изготовление [его сплава – Ред.] и использование его упомянутого патента».
С началом ХХ века на первый план выходит теория подшипника, как говорят физики, его трибология – наука о взаимодействии твердых деформируемых тел при их контактном перемещении относительно друг друга, трении, изнашивании и смазки. В 1901 году профессор физико-металлургического факультета берлинского Имперского технологического института Рихард Штрибек публикует статью «Kugellager für beliebige Belastungen» («Шариковые подшипники при любых нагрузках»,), а следующем 1902 году выходит его статья Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager («Основные характеристики подшипников скольжения и роликовых подшипников», где выводит формулу зависимости коэффициента трения в подшипнике от скорости вращения при наличии смазки. «Формула Штрибека», или она же «кривая Штрибека» была первой, но не последней в созданном в прошлом веке математическом аппарате для прогнозирования и управления трением и износом подшипников.
Но попутно продолжалась и практическая изобретательская и инженерная работа по созданию новых, более совершенных подшипников всех видов – качения (шариковых и роликовых) и скольжения, и особенно широко она велась в области последних. На сегодня ее итогом можно считать сенсорные подшипники (сообщающие о своем самочувствии) и самый продвинутый их вариант – «умные, интеллектуальные подшипники» (smart или intelligent bearings), те уже сами контролируют свое здоровье.
Закончить историю подшипника хотелось бы только двумя его типами – подшипником Конрада и подшипником Вингквиста.
И не потому, что радиальный шарикоподшипник Конрада до сих пор, пожалуй, самый распространенный промышленный шарикоподшипник, который используется в большинстве отраслей машиностроения, а самоустанавливающийся шарикоподшипник Вингквиста породил шведскую, а ныне международную компанию AB SKF с годовым доходом в 8,9 млрд долларов (данные 2021 г.), а потому, что за всю многовековую историю подшипника и на фоне сотен обладателей патентов на самые разнообразные подшипники только эти два его конструктивных типа были названы именами своих изобретателей. Справедливо ли это, вопрос риторический. Гораздо интереснее, кто из нынешних и будущих изобретателей подшипника станет третьим.
О сервисе Онлайн Патент:
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
Опции ускоренного оформления услуг;
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
Мониторинги новых заявок по критериям;
Онлайн‑поддержку специалистов.
