ШАРИКОПОДШИПНИК И СЕПАРАТОРЫ ДЛЯ НЕГО Российский патент 2000 года по МПК F16C19/00 F16C19/02 F16C33/38 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к радиальным и радиально-упорным шариковым подшипникам качения.

Особенно эффективно его использование при изготовлении подшипников, работающих в условиях радиальных переменных нагрузок (ударов), например в подшипниках для ступиц колес автомобиля, валов отбора мощности в двигателях транспортных средств и т.п.

Известен радиальный однорядный шарикоподшипник [1] (см. А.И.Спришевский. Подшипники качения. М. Машиностроение, 1969 г. С.9-10), содержащий наружное и внутреннее кольца с обращенными друг к другу дорожками качения, в которых размещены шарики. Шарики дистанционируются друг от друга в дорожках качения с помощью сепаратора. Обычно радиус кривизны дорожек в кольцах подшипника незначительно больше, чем радиус шариков. В результате такой подшипник имеет некоторый зазор как в радиальном, так и в аксиальном направлении. Такой подшипник является источником шума и вибраций во время работы и допускает небольшие перекосы валов (не более 10^o).

Для случаев, когда соосность валов труднодостижима, или когда имеет место прогиб валов, используют сферические двухрядные шарикоподшипники [2] (см. В.М.Кошель. Подшипники качения. Мн. Навука i тэхнiка. 1993. С.8-9). Они состоят из двух рядов шариков, внутреннего кольца с двумя дорожками качения и наружного с одной сферической дорожкой качения.

Такая конструкция позволяет внутреннему кольцу с комплектом шариков поворачиваться вокруг центра подшипника, т.е. самоустанавливаться. Возможный допускаемый перекос осей в таких подшипниках достигает (2,5 - 3)^o. Сепараторы этих подшипников изготавливают, как правило, стальными штампованными. Вследствие значительной разницы в кривизнах поверхностей шариков и беговых дорожек наружных колец эти подшипники обладают меньшей грузоподъемностью, чем радиальные однорядные шарикоподшипники.

В большинстве конструкций радиальных подшипников беговые дорожки обеих колец довольно плотно прилегают к шарикам, т.е. разность между радиусами дорожек качения и шарика составляет < 3%, уменьшаясь с ростом быстроходности подшипника. Повышение скорости вращения подшипника обеспечивается также повышенным классом точности его изготовления.

Сепаратор в таком подшипнике может быть выполнен змейковым из двух штампованных полусепараторов, соединяемых заклепками, сваркой или усиками. Каждый полусепаратор (см.[1] с.26, С.364-366) представляет собой кольцевую деталь с равновеликими гнездами для шариков и перемычками. В перемычках полусепараторы крепятся друг с другом.

Известна также конструкция "корончатого" или "гребенчатого" сепаратора (см. там же), представляющего собой кольцевую деталь с гнездами для шариков. Гнезда выполнены в теле сепаратора и открыты с одной стороны. Шарики фиксируются в гнездах благодаря тому, что глубина гнезда несколько повышает радиус шарика. При эксплуатации такого подшипника в условиях систематических ударных радиальных нагрузках его долговечность сравнительно невелика, т.к. она уменьшается примерно пропорционально кубу нагрузки.

Одной из основных технико-эксплуатационных характеристик подшипников качения является его радиальный зазор. Чем меньше рабочий зазор в смонтированном подшипнике при установившейся рабочей температуре, тем меньше в нем шум и вибрации, тем при более высоких скоростях он может надежно работать. Рабочий зазор уменьшают, уменьшая начальный зазор в несмонтированном подшипнике и повышая класс точности его изготовления.

Однако добиться минимального рабочего зазора очень сложно, т.к. подшипник работает зачастую в различных температурных условиях, с различными натягами колец, и при малом начальном зазоре подшипник может заклиниться в рабочем режиме. То есть в каждом подшипнике существует поле допусков радиальных зазоров.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по техническому результату и существенным признакам является подшипник с шахматным расположением шариков, конструкция которого представлена в описании к патенту США N 4055371 от 25.10.1977 г. и направлена на устранение аксиального зазора. Гнезда сепаратора в этом подшипнике разнесены в аксиальном направлении таким образом, что центры шариков располагаются в двух аксиально разнесенных плоскостях, причем в каждом плоскости размещается одинаковое количество шариков. Центры смежных шариков располагаются в разных плоскостях. В таком шарикоподшипнике действительно возможно устранение аксиального зазора, вследствие чего в нем уменьшаются шум и вибрации, однако работа такого подшипника в условиях радиальных переменных нагрузок (ударов) будет неэффективной. Поскольку плоскости, образованные центрами двух групп шариков, будут параллельны, то при воздействии на наружное кольцо ударной нагрузки сила удара не гасится и воздействует на внутреннюю обойму подшипника точно так же, как и в традиционных подшипниках, приводя к его быстрому износу. Кроме того, в таком подшипнике остается проблема радиальных зазоров, особенно в ненагруженной зоне.

Задачей изобретения является создание шарикоподшипника, обладающего повышенной надежностью и долговечностью под воздействием ударных радиальных нагрузок. Эти характеристики обусловлены техническим результатом, который достигается изобретением, а именно минимальным рабочим зазором при любом классе точности изготовления подшипника и при любых условиях его эксплуатации.

Для решения этой задачи шарикоподшипник как и прототип содержит наружное и внутреннее кольца с дорожкой качения на каждом из них, шарики и сепаратор, размещенные в зазоре между кольцами. Шарики поочередно смещены в противоположные стороны в аксиальном направлении к краям дорожек качения и, в отличие от прототипа, упруго зафиксированы в этом положении.

В предлагаемом техническом решении смещение шариков к краям дорожек качения и упругая фиксация их в этом положении осуществляется сепаратором, который можно назвать "активным".

Для выполнения этой функции "активный" сепаратор может быть выполнен как змейковым, так и корончатым (гребенчатым). Змейковый штампованный сепаратор, как и прототип, выполнен из двух полусепараторов в виде колец с гнездами для шариков, соединенных перемычками. Полусепараторы в области перемычек соединены друг с другом. В отличие от прототипа соседние гнезда в каждом полусепараторе выполнены разной глубины, а полусепараторы соединены один с другим посредством штифта, подпружиненного по крайней мере с одной стороны. Для уменьшения сил трения между шариками и деталями сепаратора на дне гнезд меньшей глубины целесообразно поместить вставку из антифрикционного материала.

Возможна и другая конструкция змейкового активного сепаратора. Он как и прототип выполнен из двух штампованных полусепараторов в виде колец с гнездами для шариков, соединенных перемычками. Полусепараторы в области перемычек жестко соединены друг с другом. Соседние гнезда для шариков в каждом полусепараторе выполнены смещенными друг относительно друга в противоположные стороны в аксиальном направлении и в отличие от прототипа полусепараторы выполнены из упругой стали.

Для подшипников, предназначенных к эксплуатации в устройствах, где от подшипника требуется малый момент трогания (статический момент сил трения), например в электродвигателях, сепаратор последней конструкции целесообразно выполнить из материала с памятью формы, так, чтобы при рабочей температуре подшипника он имел разнесенные в аксиальном направлении гнезда, а при комнатной и более низкой температуре форма сепаратора была бы идентична обычному подшипнику.

Для уменьшения сил трения в змейковом сепараторе на дне гнезд, расположенных ближе к центральной плоскости сепаратора, выполнены вставки из антифрикционного материала.

Принцип действия предлагаемого подшипника с "активным" сепаратором иллюстрируется фиг. 1. Фиг.2 иллюстрирует конструкцию первого варианта змейкового сепаратора, а фиг.3 и 4 показывает принцип действия этого сепаратора в подшипнике без радиальной нагрузки (фиг.3) и под действием ударной радиальной нагрузки F (фиг.4). На фиг.5 показана конструкция второго варианта сепаратора. Такую же форму имеет сепаратор из материала с памятью формы при рабочей температуре подшипника. На фигурах обозначено: 1 - внешнее кольцо шарикоподшипника; 2 - дорожка качения во внешнем кольце; 3 - внутреннее кольцо подшипника; 4 - дорожка качения на внутреннем кольце 3.

На фиг. 1 ширина дорожек 2 и 4 показана большей, чем в действительности для более ясного изложения принципа действия подшипника, 5,6 - соседние шарики в подшипнике.

На фиг.1 сепаратор не изображен, показано только положение соседних шариков 5 и 6, которые под действием сепаратора раздвинуты по отношению к оси симметрии подшипника OO' на расстояние L в разные стороны. Змейковый сепаратор, осуществляющий эту функцию, изображен на фиг.2. Он состоит из двух полусепараторов 7 и 8. Каждый полусепаратор представляет собой кольцо с гнездами, соединенными перемычками 9. Соседние гнезда 10 и 11 выполнены с разной глубиной H1, H2. В местах перемычек 9 полусепараторы 7 и 8 соединяются друг с другом так, что меньшее гнездо 10 одного полусепаратора совпадает с большим гнездом 11 другого. Соединение полусепараторов 7 и 8 осуществляется с помощью штифтов 12 и пружин 13, которые сжимают полусепараторы друг с другом. На дне меньшего гнезда 10 закреплены вставки 14 из антифрикционного материала.

Змейковый сепаратор для предлагаемого подшипника может быть выполнен и так, как показано на фиг. 5. Здесь полусепараторы 15 и 16 выполнены с гнездами одинаковой глубины, но сами смежные гнезда для соседних шариков 5 и 6 смещены относительно друг друга в противоположные стороны. Соединение полусепараторов 15 и 16, выполненных из упругой стали, эдесь может осуществляться в области перемычек 9 любым из известных способов: клепкой или усиками.

Для уменьшения статического момента сил трения (момента трогания) сепаратор, изображенный на фиг. 5, выполняют из материала с памятью формы. При этом при рабочей температуре сепаратора он должен иметь форму, как на фиг.5 (то есть со смещенными гнездами), а при уменьшении температуры до комнатной и ниже сепаратор должен принимать классическую форму (прототипа).

На фиг. 6 представлены временные зависимости силы воздействия на детали подшипника - прототипа (кривая I) и предлагаемого подшипника (кривая II) при одной и той же мощности удара W.

Работает подшипник следующим образом. В начальном положении после сборки подшипника соседние шарики подшипника 5 и 6 в нем раздвинуты по ширине дорожек качения 2 и 4 за счет упругости сепаратора до положения, в котором полностью выбирается радиальный зазор между шариками и дорожкой качения. Таким образом даже при большом начальном зазоре подшипника и при невысоком классе точности его изготовления рабочий радиальный зазор будет практически нулевой. Мало того, начальный радиальный зазор можно специально увеличивать, чтобы упростить сборку подшипника.

При вращении колец 1 и 2 относительно друг друга соседние шарики 5 и 6 будут касаться поверхности дорожек качения в точках A' и B' соответственно. При нагреве подшипника в процессе работы размеры шариков 5 и 6 будут увеличиваться, и шарики будут стремиться занять положение ближе к оси симметрии ОО'' подшипника. Точки A' и B' будут сближаться друг с другом. То есть в любом режиме работы подшипник будет работать с нулевым зазором, и предлагаемый подшипник является подшипником с саморегулирующимся зазором. Это значительно уменьшает шум, вибрацию и повышает срок службы подшипника.

При воздействии на наружное кольцо 1 ударной нагрузки F1 (см. фиг.6) шарики 5 и 6 начнут смещаться к оси симметрии подшипника OO', преодолевая силу упругости сепаратора (пружины 13). Это перемещение займет некоторое время Т1 (см.фиг.6). При этом происходит гашение пиковой силы удара F2, воздействующей на детали подшипника. Таким образом, при ударных нагрузках детали предлагаемого подшипника будут испытывать гораздо меньшее воздействие, что, в свою очередь, продлевает срок его службы.

Сепаратор, изображенный на фиг.2, 3, 4, выполняет свою функцию следующим образом. В начальном положении под действием пружины 13 перемычки 9 полусепараторов 7 и 8 плотно сжаты. Малое гнездо 10 одного полусепаратора совместно с большим гнездом 11 другого образуют систему гнезд с шариками 5 и 6, раздвинутыми по краям дорожки качения 2. Величина сдвига L определяется начальными радиальным и осевым зазорами между шариками и дорожкой качения. При нагреве подшипника, или под воздействием радиальной нагрузки шарики 5 и 6 будут стремиться к оси симметрии OO'. На фиг.2 шарик 5 будет смещаться влево, а шарик 6 - вправо, при этом они будут давить на дно меньших гнезд 10 в полусепараторах 7 и 8 и будут стремиться раздвинуть их на некоторое расстояние, преодолевая сопротивление пружин 13 (так, как это показано на фиг. 4). При уменьшении нагрузки или температуры (т.е. при увеличении радиального зазора) шарики 5 и 6 будут вновь раздвинуты благодаря силе упругости пружин 13. Чтобы уменьшить трение шариков и гнезд сепаратора в каждом меньшем гнезде 10, на уровне оси вращения шарика закреплены антифрикционные вставки 14.

Т. о. предлагаемый подшипник при различных условиях эксплуатации будет работать в условиях минимального радиального зазора. Это позволит уменьшить количество разных конструктивных групп и номиналов подшипников и снизить требования к классу точности. Кроме того, такой подшипник, являясь однорядным, т.к. имеет по одной дорожке качения на кольцах, и обладая всеми его достоинствами, так же как двухрядный сферический может допускать небольшие перекосы валов.

Сепаратор, изображенный на фиг. 5, выполняет также функцию упругого раздвижения шариков 5 и 6. Роль пружин 13 здесь выполняют упругие свойства материала сепаратора.

Работа подшипника с "активным" сепаратором из материала с памятью формы отличается только тем, что в начальный момент при трогании подшипника его шарики 5 и 6 расположены в один ряд и имеют большие радиальные зазоры. В связи с этим у них понижен момент трогания. При выходе на рабочий скоростной, а следовательно, и температурный режим сепаратор изгибается, как на фиг. 5, раздвигает шарики 5 и 6 и полностью выбирает зазоры в подшипнике. В дальнейшем, под действием ударных нагрузок он действует так же, как и все предыдущие варианты сепараторов.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к шарикоподшипникам. Шарикоподшипник содержит два кольца и сепаратор с шариками в зазоре между кольцами. Шарики в подшипнике поочередно смещены в противоположные стороны в аксиальном направлении к краям дорожек качения и упруго зафиксированы в этом положении. Змейковый сепаратор состоит из двух штампованных полусепараторов в виде колец с гнездами для шариков и перемычками между гнездами. Гнезда полусепараторов через одно выполнены разной глубины, полусепараторы соединены в области перемычек посредством штифта, подпружиненного с одной стороны, или полусепараторы жестко скреплены в области перемычек друг с другом, соседние гнезда смещены друг относительно друга в аксиальном направлении, сепараторы выполнены из упругой стали. Или сепаратор выполнен из материала с памятью формы. Корончатый сепаратор, представляющий собой кольцевую деталь с гнездами для шариков, выполнен из упругого материала также со смещенными друг относительно друга в аксиальном направлении гнездами. Технический результат - упрощение изготовления подшипников, увеличение точности изготовления. 4 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Шарикоподшипник, содержащий наружное и внутреннее кольца с дорожкой качения на каждом из них, сепаратор и шарики, размещенные в зазоре между кольцами и поочередно смещенные в противоположные стороны в аксиальном направлении к краям дорожек, отличающийся тем, что шарики упруго зафиксированы в этом положении. 2. Сепаратор змейкового типа для шарикоподшипника, содержащий два штампованных полусепаратора в виде колец с гнездами для шариков и перемычками между ними, соединенных друг с другом в области перемычек, отличающийся тем, что в каждом полусепараторе гнезда двух разных глубин расположены поочередно так, что два соседних гнезда имеют разную глубину, полусепараторы соединены друг с другом посредством штифта, подпружиненного по меньшей мере с одной стороны. 3. Сепаратор по п.2, отличающийся тем, что на дне гнезд меньшей глубины выполнена вставка из антифрикционного материала. 4. Сепаратор змейкового типа для шарикоподшипника, содержащий два штампованных полусепаратора в виде колец с гнездами и перемычками между ними, жестко соединенных друг с другом в области перемычек, соседние гнезда для шариков в каждом полусепараторе смещены относительно друг друга в аксиальном направлении в противоположные стороны, отличающийся тем, что полусепараторы выполнены из упругой стали. 5. Сепаратор по п.4, отличающийся тем, что на дне гнезд, расположенных ближе к центральной плоскости сепаратора, выполнены вставки из антифрикционного материала. 6. Сепаратор змейкового типа для шарикоподшипника, содержащий два штампованных полусепаратора в виде колец с гнездами и перемычками между ними, жестко соединенных друг с другом в области перемычек, соседние гнезда для шариков в каждом полусепараторе смещены относительно друг друга в аксиальном направлении в противоположные стороны, отличающийся тем, что сепаратор выполнен из материала с памятью формы. 7. Сепаратор по п.6, отличающийся тем, что на дне гнезд, расположенных ближе к центральной плоскости сепаратора, выполнены вставки из антифрикционного материала.