ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F16C19/00 F16C19/34 

Настоящее изобретение относится к массовому продукту подшипниковой промышленности - шариковому подшипнику качения.

Уровень техники
В развитии машиностроения и приборостроения подшипниковая промышленность занимает одно из важнейших мест, так как надежность и ресурс эксплуатации современных высокооборотных машин в значительной степени определяются эксплуатационными характеристиками подшипников.

Дальнейшие улучшения конструкций подшипников качения направлены, с одной стороны, на повышение их грузоподъемности, долговечности и надежности, точности и скорости вращения, с другой же - на уменьшение веса и шумности.

Основные конструктивные типы подшипников качения - это радиальные, радиально-упорные и упорные с шариковыми или роликовыми телами качения. Кроме того, подшипники качения могут конструктивно отличаться по числу n точечных контактов, образуемых одиночным телом качения с наружным и внутренним кольцами. По этому признаку известны конструкции трех типов - 2-точечные (n = 2), 3-точечные (n = 3) и 4-точечные (n = 4).

Наиболее близкими по конструкции являются радиально-упорные шариковые подшипники, имеющие 4-точечный контакт шариков с кольцами. Для сравнения с прототипом необходимо выделить основные геометрические характеристики таких подшипников.

При n = 2 каждое тело качения образует с каждым кольцом одноточечные ("одиночные") контакты, при n = 3 каждое тело качения образует с одним из колец двухточечный ("двойной") контакт, а с другим кольцом образует одиночный контакт; при n = 4 каждое тело образует с каждым из колец двойные контакты. Геометрической характеристикой двойного контакта служит "угол двойного контакта", который равен внутреннему углу между двумя лучами, имеющими начало в центре тела качения и проходящими через две точки контакта этого тела с одним кольцом, т.е. точки контакта находятся на средней линии дорожки качения. Если сближать точки двойного контакта или дорожки качения, то при их совмещении "двойной контакт" превращается в одиночный, а угол двойного контакта становится равным нулю. Таким образом, подшипники с 3-точечным контактом характеризуются одним углом двойного контакта β, а подшипники с 4-точечным контактом характеризуются двумя углами β₁ и β₂ - двумя двойными контактами с наружным и внутренним кольцами соответственно.

Прототипом является 4-точечный подшипник качения с симметричной парой углов двойного контакта: β₁= β₂ = 44 - 52^o (Книга А.И.Спришевский "Подшипник качения". Изд. Машиностроение, М., 1969, с. 97-118). Работа такого 4-точечного подшипника качения при высоких оборотах даже в условиях легкого периодического соприкосновения шариков с ненагруженной стороной дорожки качения может вызвать повреждения дорожки качения или шарика и возникновение дополнительных сил, действующих на сепаратор. Полностью избежать этого в данной конструкции подшипников нельзя ввиду гироскопических явлений при эволюциях системы, где установлен подшипник.

Сущность изобретения
В основу изобретения положена идея уменьшения центробежных сил, действующих на тела качения, с целью создания высокооборотных и высокоресурсных подшипников качения.

Ресурс работы подшипника качения определяется центробежными силами, действующими на тела качения, так как именно от этих сил зависит режим трения тел качения с наружним кольцом и, следовательно, режим износа контактирующих поверхностей при допредельных оборотах. Предел высокооборотности определяется той величиной центробежных сил, когда режим износа катастрофически переходит в режим разрушения контактных областей.

Поставленная задача решается посредством 4-точечного подшипника качения с разными углами двойных контактов, один из которых предлагается выбирать в пределах от 40^o до 140^o, а другой - в пределах от 60^o до 180^o, при этом разница в углах дорожек на разных кольцах составляет от 20^o до 140^o.

Указанная разность углов в пределах от 20^o до 140^o между средними линиями дорожек качения обеспечивает уменьшение частоты вращения сепаратора и пропорционально этому уменьшению увеличивает частоту вращения подшипника, не изменяя центробежные силы на тела качения и, как следствие, повышая ресурс работы подшипника.

Угол двойного контакта тел качения брать меньшим 60^o нецелесообразно, так как ширина дорожки будет практически совпадать с шириной дорожки качения при известном угле прототипа, равном 52^o.

При угле, большем 180^o, дорожка качения перестает служить опорой для тела качения. Наиболее целесообразно, чтобы разность углов между средними линиями дорожек качения на кольцах находилась в пределах от 50^o до 120^o.

При угле, меньшем 90^o на наружном кольце, нет существенного уменьшения центробежных сил, а угол, больший 160^o, технически трудно выполним из-за возможного заклинивания тел качения за счет центробежных сил и нагрузок.

Конструктивно оправдано и технологически целесообразно, чтобы подшипник имел по меньшей мере одно отверстие в каждом кольце, выполненное между дорожками.

Наличие отверстий гарантирует эффективный подвод смазки к местам контакта тел качения с дорожками качения колец и сепаратором, то есть в полость подшипника, а также отвод избытка смазки.

Краткое описание чертежей
В последующем настоящее изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера его выполнения со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором изображен подшипник качения согласно изобретению, продольный разрез вдоль оси вращения подшипника.

Вариант осуществления изобретения
Предлагается подшипник качения, в качестве которого представлен шариковый подшипник. Предлагаемый подшипник качения содержит кольца - подвижное 1 и неподвижное 2, имеющие дорожки 3, 3' и 4, 4' качения. Между кольцами 1 и 2 в сепараторе 5 размещены тела 6 качения, контактирующие с одним из колец, в данном случае с вращающимся кольцом 1, в двух точках A и B, при этом точки A и B расположены на дорожках 3 и 3' кольца 1, средние линии которых расположены под углом двойного контакта β₁, равным от 40^o до 140^o и имеющим вершину в центре K вращения тела 6 качения, и с другим - неподвижным кольцом 2 в двух точках C и D. При этом точки C и D расположены на дорожках 4 и 4' кольца 2, средние линии которых расположены под углом двойного контакта β₂, равным от 60 до 180^o и имеющим вершину в центре K вращения тела 6 качения.

Частота вращения сепаратора 5 с телами 6 качения находится в прямой зависимости от cos(β₂/2) и cos(β₁/2), так как отношение длины r₁ или r₂ перпендикуляра, опущенного из точки B или C контакта тела 6 качения с дорожкой 3 или 3' на кольцах 1 и 2 на ось O-O вращения тела 6 качения, к половине диаметра d/2 наибольшего сечения тела 6 качения является cos(β₂/2) и cos(β₁/2) соответственно.

Частота вращения подшипника обратно пропорциональна частоте вращения сепаратора при тех же центробежных силах на телах качения, что можно доказать следующей зависимостью:
n = (1+d/D)(cos(β₂/2)-cos(β₁/2))/2,
где n - частота вращения сепаратора,
d - диаметр наибольшего сечения тела качения,
D - диаметр окружности, проходящей через центры вращения тел качения.

Согласно приведенной формуле при углах β₂= 90^°, β₁= 40^° частота вращения подшипника возрастает в 1,3 раза по сравнению с подшипником, имеющим углы β₂= β₁= 52^°, при одних и тех же центробежных силах на телах качения.

При угле β₂= 160^° частота вращения подшипника возрастает в 5 раз при тех же условиях.

При угле β₂= 60^° частота вращения возрастает на 10%.

При угле β₂= 180^° центробежные силы практически равны 0, и поэтому частота вращения подшипника определяется силами трения в подшипнике.

Подшипник имеет по меньшей мере по одному отверстию в каждом кольце - для подвода смазки в полость подшипника к местам контакта тел качения с дорожками качения и отвода избытка смазки. В данном случае подшипник имеет в кольцах 1 и 2 отверстия 7, выполненные между дорожками 3 и 3', 4 и 4' вдоль образующей поверхности качения тела 6 качения, а каждое из колец контактирует с телом 6 качения по двум точкам A, B и C, D.

В качестве предлагаемого подшипника качения могут быть также представлены упорные шариковые и роликовые подшипники, радиально-упорные шариковые и роликовые подшипники и радиальные роликовые подшипники.

Предлагаемый подшипник качения работает следующим образом.

При расположении дорожек 4 и 4' качения на кольце 2 (при условии, что это кольцо неподвижно) под углом β₂= 160^° к поверхности тела 6 (шарика) качения, а дорожек 3 и 3' на кольце 1 (подвижном) под углом β₁= 40^° к поверхности тела 6 (шарика) качения частота вращения сепаратора понижается в 5 раз и соответственно частота вращения кольца 1 повышается в 5 раз, достигая этой же центробежной силы на телах качения. Если ось O-O вращения подшипника совпадает с осью колец 1, 2, то подшипник воспринимает радиальные нагрузки, если перпендикулярна плоскости колец 1, 2, то подшипник воспринимает осевые нагрузки (как упорный).

Предлагаемый подшипник качения имеет предельную частоту вращения в 5 раз выше, чем у подшипников такого же размера при одинаковой долговечности (ресурсе) и обладает меньшим в несколько раз моментом трения и моментом трогания по сравнению с известным подшипником качения.

Подшипники качения предлагаемой конструкции могут быть изготовлены как радиальные, радиально-упорные и упорные всех серий размеров и углов и иметь отношение диаметра вала к диаметру отверстия и ширине подшипника как у обычных серий подшипников.

Предлагаемые подшипники удобны для циркуляционного смазывания и для смазывания консистентными смазками, найдут широкое применение в станкостроении и приборостроении при частотах вращения 100-200 тыс. об/мин, а также в авиационной промышленности и, кроме того, перспективны для использования в механизмах с очень малыми частотами вращения.

Промышленная применимость
Настоящее изобретение с наибольшим успехом может быть применено в скоростных механизмах (газовые турбины, гироскопы, центрифуги, шпиндели станков).

Кроме того, изобретение может найти применение во всех механизмах, где используются подшипники качения.

Предлагаемый подшипник качения относится к подшипниковой промышленности, в частности к приборным и авиационным подшипникам, шпиндельным подшипникам для станкостроения. Сущность изобретения заключается в том, что тела качения соприкасаются с одним кольцом по дорожкам качения, расположенным под углом двойного контакта β₁ = 40 - 140^o к поверхности качения тел качения, а с другим кольцом по дорожкам качения, расположенным под углом двойного контакта β₂ = 60 - 180^o к поверхности качения тел качения. Технический результат - возможность использования подшипника в механизмах как с малыми, так и большими частотами вращения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Подшипник качения, содержащий кольца (1 и 2), имеющие дорожки (3, 3' и 4, 4') качения и размещенные между кольцами (1,2) тела (6) качения, контактирующие с одним из колец (1) в точках (А,В) на его дорожках (3,3'), у которых средние линии расположены под углом β₁, имеющим вершину в центре (К) вращения тела (6) качения, а с другим - (2) - в двух точках (C,D) на его дорожках (4,4'), у которых средние линии расположены под углом β₂, имеющим вершину в центре (К) вращения тела (6) качения, отличающийся тем, что угол β₁ между средними линиями дорожек (3 и 3') качения кольца (1) 40 - 140^o и что угол β₂ между средними линиями дорожек (4,4') качения кольца (2) 60 - 180^o. 2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что угол β₁ между средними линиями дорожек (3,3') качения кольца (1) 40 - 90. 3. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что угол β₂ между средними линиями дорожек качения (4 и 4) кольца (2) 90 - 160^o. 4. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одно отверстие (7) в кольце (1), контактирующем с телом (6) качения по двум точкам (А и В), выполненное между дорожками (3 и 3'). 5. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере одно отверстие (7) в кольце (2), контактирующем с телом (6) качения по двум точкам (C и D), выполненное между дорожками (4 и 4').