ЦЕЛЬНЫЙ СЕПАРАТОР РОЛИКОПОДШИПНИКА Российский патент 2001 года по МПК F16C33/00 F16C33/46 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции цельного сепаратора роликоподшипника, изготавливаемого методом литья под давлением из пластмассы, и может быть использовано по прямому назначению в роликовых подшипниках качения, преимущественно для железнодорожного транспорта.

Известно, что сепаратор роликового подшипника качения выполняет несколько функций, из которых первая - собственно разделительная (сепарационная); вторая - обеспечение перемещения роликов, находящихся в свободном, ненагруженном состоянии вне зоны нагружения благодаря радиальному зазору и относительному смещению колец под нагрузкой; третья - принудительного заталкивания первоначально находящихся в свободном, ненагруженном состоянии роликов в зону нагружения, вход в которую представляет собой, как известно, сужающуюся полость, до состояния, когда они вступят во фрикционный контакт с обоими кольцами и получат принудительное вращение от них, а также и поступательное движение; четвертая - работа на растяжение и изгиб при передаче усилия от тех тел качения, которые выходят из зоны нагружения, находясь во второй половине зоны нагружения, в ее расширяющейся полости, к тем телам качения, которые принудительно заталкиваются в зону нагружения со стороны первой половины зоны нагружения, т.е. со стороны сужающейся полости зоны нагружения; пятая - работа в качестве подшипников скольжения, сопряженных соответствующими поверхностями с каждым роликом.

При упомянутом выше заталкивании роликов в зону нагружения всегда имеет место удар, который, если не сдемпфирован сепаратором, вызывает торможение ролика, что имеет неизбежным следствием повышенную скорость истирания поверхностей как роликов, так и дорожек качения, а сами по себе недемпфированные удары циклически нагружают в очень высокой степени сам сепаратор, вызывая усталостное (хрупкое) разрушение - разрыв кольцевого основания сепаратора. Отметим, что демпфирование практически невозможно при выполнении сепаратора из металла, ввиду весьма высокого модуля упругости последнего. Высокоэффективное демпфирование этих ударов возможно только при выполнении сепаратора из пластмасс, преимущественно термопластов, имеющих в 50-100 раз меньший, чем у металла, модуль упругости. Именно за счет возможности демпфирования пластмассовые сепараторы могут иметь напряжение материала (при правильно разработанной конструкции) и десятки и сотни раз меньше, чем у металлического сепаратора и намного меньше предела выносливости (усталости) пластмассы. Поэтому цельные пластмассовые сепараторы могут быть, в отличие от металлических, выполнены ажурными, имеющими минимизированную массу, причем при собственном сроке службы сепаратора, многократно превышающем срок службы тел качения, дорожек качения (таким образом, исключается сама возможность выхода из строя подшипника по причинам, связанным с поломкой сепаратора). Однако, по нашему мнению, потенциальные преимущества пластмассовых сепараторов в области демпфирования ударов роликов и соответственно снижению нагрузок довольно далеки от реализации в известных конструкциях, о чем свидетельствует нижеприводимый обзор.

Известен цельный пластмассовый сепаратор роликоподшипника (см. авт. свид. СССР N 1665121, кл. F 16 C 19/22, публ. 23.07.91, бюл. N 27) в виде перемычек, соединенных кольцом лишь по одному из торцов, таким образом, каждая перемычка представляет собой консольную балку, защемленную в кольце.

Недостатком известного цельного сепаратора является то, что демпфирующие свойства пластмассы, сами по себе весьма высокие, используются в очень малой степени, по-существу материал нагружен лишь в зоне перехода кольца в перемычку, поэтому сепаратор обладает неоправданно большой массой при недостаточной надежности из-за одновременного действия напряжений от сил как растягивающих кольцо, так и изгибающих перемычку в месте концентрации напряжений - в зоне перехода перемычки в кольцо.

Известен цельный пластмассовый сепаратор роликоподшипника (см. авт. свид. СССР N 1732044, кл. F 16 C 33/46, публ. 07.05.92, бюл. N 17), содержащий два кольцевых основания, соединенных перемычками, образующими гнезда под тела качения с выполненными на каждом кольцевом основании с внутренней стороны V-образными вырезами, расположенными посередине каждого гнезда под тело качения, образующего таким образом своеобразные "шарниры" с использованием в зоне "шарниров" демпфирующих свойств пластмассы (имеется в виду податливость в пределах упругой деформации), что обеспечивает незначительное демпфирование ударов и тем самым в какой-то степени предотвращение торможения тел качения с соответственным незначительным уменьшением износа тел и дорожек качения.

Недостатком известного цельного пластмассового сепаратора роликоподшипника является то, что демпфирующие свойства материала - пластмассы - используются полностью весьма локально - только в местах "шарниров", что заведомо определяет ограниченность демпфирующего эффекта. К тому же очевидно, что эффект от демпфирования ввиду незначительности не перекрывает явных негативных последствий, вытекающих из известного положения о весьма отрицательном влиянии как концентраторов напряжений резких ослаблений сечения (в данном случае V-образными выемками) в случае работы материала при циклических нагрузках, что характерно для сепараторов подшипников качения.

Известен цельный пластмассовый сепаратор роликоподшипника, выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по технической сущности (см. авт. свид. СССР N 1733750, кл. F 16 C 33/46, публ. 15.05.92, бюл. N 18), содержащий два кольца, соединенныx образующими гнезда под тела качения перемычками со средним участком, имеющим поверхности, предназначенные для взаимодействия с сопряженными поверхностями роликов, и участками, примыкающими к кольцам и несущими упомянутый средний участок, а также средства для демпфирования ударов роликов, причем в качестве средства для демпфирования использованы элементы-выступы на среднем участке перемычки, предназначенные для непосредственно взаимодействия с роликом, причем в начале взаимодействия лишь с краем элемента-выступа, предназначенного для демпфирования. Перемычки в целом и кольца выполнены весьма жесткими, таким образом, свойствами упругоподатливости, необходимыми для демпфирования, наделены лишь элементы-выступы на среднем участке перемычки.

Недостатком известного сепаратора является малый эффект демпфирования ввиду весьма малых по размерам элементов конструкции, специально предназначенных для демпфирования и несовершенства в выполнении средней частью перемычки и функции подшипника скольжения (ввиду того, что при выполнении одной функции - демпфирования - не выполняется другая функция - подшипника скольжения, т.к. нарушается сплошность разделительного масляного слоя в зоне слишком больших контактных давлений при ударе ролика заведомо именно о край демпфирующего элемента, предназначенного для взаимодействия с ним). Эти недостатки не позволяют заметно уменьшить торможение роликов при входе в зону нагружения, т.е. не позволяют заметно уменьшить износ как роликов, так и дорожек качения, а также не позволяют минимизировать массу сепаратора, поскольку недостаточное демпфирование ударов роликов многократно увеличивает силы, действующие на кольца сепаратора, что вынуждает заведомо увеличивать в несколько раз площадь сечения колец сепараторов.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание такой конструкции цельного пластмассового сепаратора роликоподшипника, получаемого методом литья под давлением из термопластов, которая обладает близким к максимально возможному уровнем демпфирования ударов роликов, что позволяет достичь следующего технического результата: предотвращать торможение роликов при входе их в зону нагружения и практически ликвидировать сопутствующее этому истирание поверхностей роликов и дорожек качения, а также конструкция сепаратора, обеспечивающая максимально эффективное демпфирование ударов роликов позволяет минимизировать массу сепаратора за счет того, что имеет место многократное уменьшение сил, действующих на кольца сепаратора. Это же обстоятельство гарантирует и при минимизированной массе такой срок службы сепаратора, который заведомо превосходит срок службы любого другого элемента подшипника (т.е. гарантируется, что выход из строя подшипника никогда не произойдет из-за поломки сепаратора).

Поставленная задача решена следующим образом.

Цельный сепаратор роликоподшипника, содержащий два кольца, соединенных образующими гнезда под тела качения перемычками со средним участком, имеющим поверхности, предназначенные для взаимодействия с сопряженными поверхностями роликов, и участками, примыкающими к кольцам и несущими упомянутый средний участок, а также средства для демпфирования ударов роликов, имеет согласно изобретению следующие отличительные существенные признаки: в качестве средства для демпфирования ударов роликов использованы несущие средний участок участки перемычки, выполненные упругоподатливыми. Кроме того, выполненные упругоподатливыми несущие средний участок участки перемычки выполнены каждый в виде балки швеллерного сечения или в виде балки коробчатого сечения, или в виде двух параллельных балок прямоугольного сечения.

Выполнение несущих средний участок участков перемычки упругоподатливыми является решением поставленной задачи, поскольку обеспечивает максимально возможную степень демпфирования ударов роликов за счет максимально возможного увеличения промежутка времени для заталкивания ролика и зону нагружения, т. е. устраняется удар, заменяемый плавно возрастающим нажимом на ролик, что согласно известным природным закономерностям приводит к уменьшению в сотни раз величин напряжений материала сепаратора, а это обеспечивает минимизацию массы сепаратора при максимальном росте гарантированного срока службы и сводит практически на нет торможениe тел качения и связанное с этим истирание тел и дорожек качения. Кроме того, возможность торможения ролика снижается еще и тем, что в предложенной конструкции одновременно обеспечено практически идеальное выполнение перемычкой функции подшипника скольжения в отношении ролика, а это вытекает из выполнения средней части перемычки весьма жесткой с отвечающей ролику формой контактирующих с ним поверхностей, что и обеспечивает сплошность разделительного слоя смазки при заведомой равномерности распределения незначительных ввиду распределенности давлений в зоне контакта ролик - отвечающая поверхность средней части перемычки.

На фиг. 1 изображен сепаратор с разрезом по оси симметрии; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1 и разрез Б-Б, иллюстрирующие вариант выполнения средств демпфирования в виде участков перемычки, выполненных упругоподатливыми в виде балки швеллерного сечения; на фиг. 3 - вид А и разрез В-В, иллюстрирующие вариант выполнения средств демпфирования в виде участков перемычки, выполненных упругоподатливыми в виде балки и коробчатого сечения; на фиг. 4 - вид А на фиг. 1 и разрез Д-Д, иллюстрирующие вариант выполнения средств демпфирования в виде участков перемычек, выполненных упругоподатливыми, каждый участок в виде двух параллельных балок прямоугольного сечения.

Цельный сепаратор роликоподшипника изготавливается методом литья под давлением из термопласта, выбранного из ряда термопластов, обычно применяемых для изготовления сепараторов подшипников качения, например термопласта "Полиамид 66КС стеклонаполненный" по ТУ 2224-001-13239004-98.

Сепаратор содержит два кольца 1, соединенных перемычками 2, образующими гнезда 3. Кольца 1 имеют прямоугольные выступы 4, выполненные на внутренней стороне колец 1, предназначенные для контактирования с торцами роликов (не показаны). Каждая перемычка 2 имеет средний участок 5 (62-66% от длины перемычки) с поверхностями 6, предназначенными для взаимодействия с сопряженными цилиндрическими поверхностями роликов (не показаны). Каждая перемычка 2 имеет несущие средний участок 5 участки 7, примыкающие к кольцам 1 (каждый участок 7 занимает 16-18% от длины перемычки), выполненные упругоподатливыми для использования в качестве средства демпфирования ударов роликов, для чего участок 7 выполнен или в виде балки швеллерного сечения 8 (см. фиг. 2), или в виде балки коробчатого сечения 9 (см. фиг. 3), или в виде двух параллельных балок 10 прямоугольного сечения (см. фиг. 4). Причем, с какой степенью упругоподатливости должен быть выполнен участок 7, может быть выявлено только эмпирическим путем для конкретного подшипника качения, что вытекает из признанного специалистами невозможности учета теоретическим путем действия десятков переменных составляющих, влияющих на величину сил, возникающих при ударах роликов (это и радиальный зазор, и точность выполнения деталей, и точность монтажа подшипникового узла в целом, и условия эксплуатации, и т.д. ), Согласно исследованиям автора (выводы из которых не могут претендовать на всеобъемлемость), величина податливости участков 7, в данном случае определяемая как отношение величины перемещения среднего участка перемычки под действием приложенной к последней силы, к величине приложенной силы, причем действующей через ролик, используемый при этих эксперимента, и по тому же направлению, как и реальный ролик в подшипнике, должна быть больше в 3-5 раз, чем податливость (определяемая таким же образом) при выполнении участка 7 максимально возможной жесткости, т.е. со сплошным максимально возможной площади сечением.

Сепаратор в подшипнике функционирует следующим образом.

В динамике каждый ролик заталкивается сепаратором в зону нагружения безударно, поскольку вместо мгновенно протекающего удара имеет место плавное заталкивание ролика за гораздо более длительный промежуток времени, начинающийся с того, что средний участок перемычки упирается в ролик и начинает отходить назад (против хода сепаратора) от исходного положения, "отставая" от сепаратора, а несущие средний участок участки перемычки 7 осуществляют демпфирование, будучи упругоподатливыми и претерпевая изгиб и растяжение в пределах упругой деформации, при этом сепаратор ударных нагрузок не испытывает, что обеспечивает снижение напряжений в сотни раз, а также ввиду отсутствия ударов не имеет места торможение роликов. В первой половине зоны нагружения средний участок 5 перемычки плавно "догоняет" сепаратор вслед за роликом, принудительно ведомым в зоне нагружения кольцами, возвращаясь в исходное положение, при этом несущие средний участок 5 участки 7 разгружаются, возвращаясь в исходное положение. Во второй половине зоны нагружения средний участок 5 плавно начинает уходить вперед (по ходу сепаратора) от исходного положения, "опережая" сепаратор, влекомый упершимся в него роликом, принудительно выталкиваемым из зоны нагружения, при этом несущие средний участок 5 участки 7 осуществляют, будучи упругоподатливыми, демпфирование, претерпевая изгиб и растяжение в пределах упругой деформации, и опять-таки сепаратор не испытывает ударных нагрузок, что обеспечивает снижение напряжений в сотни раз. Безударный ввод и вывод роликов исключает торможение роликов, что, с одной стороны, гарантирует прекращение истирания тел и дорожек качения по этой причине, с другой стороны, позволяет минимизировать массу сепаратора при максимальном росте гарантированного срока службы. Например, масса реально изготовленного сепаратора для подшипников железнодорожного транспорта составила 125 г и в настоящее время он успешно прошел все стадии испытаний в отличие от сепараторов прежней конструкции из того же термопласта и массой 250-300 г, показавших плохие результаты при испытаниях и не разрешенных к применению в подшипниках железнодорожного транспорта.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкции цельного сепаратора роликоподшипника, изготовляемого методом литья под давлением из пластмассы. Цельный сепаратор роликоподшипника содержит два кольца, соединенных образующими гнезда под тела качения перемычками со средним участком, имеющим поверхности, предназначенные для взаимодействия с сопряженными поверхностями роликов, и участками, примыкающими к кольцам и несущими упомянутый средний участок, а также средства для демпфирования ударов роликов. Несущие средний участок участки перемычки выполнены упругоподатливыми и могут быть выполнены в виде балки швеллерного сечения или в виде двух параллельных балок прямоугольного сечения, или в виде балки коробчатого сечения. Технический результат - уменьшение напряжений материала сепаратора, уменьшение массы сепаратора, рост срока службы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Цельный сепаратор роликоподшипника, содержащий два кольца, соединенных образующими гнезда под тела качения перемычками со средним участком, имеющим поверхности, предназначенные для взаимодействия с сопряженными поверхностями роликов, и участками, примыкающими к кольцам и несущими упомянутый средний участок, а также средства для демпфирования ударов роликов, отличающийся тем, что в качестве средства для демпфирования ударов роликов использованы несущие средний участок участки перемычки, выполненные упругоподатливыми. 2. Цельный сепаратор роликоподшипника по п.1, отличающийся тем, что выполненные упругоподатливыми несущие средний участок участки перемычки выполнены каждая в виде балки швеллерного сечения. 3. Цельный сепаратор роликоподшипника по п.1, отличающийся тем, что выполненные упругоподатливыми несущие средний участок участки перемычки выполнены каждая в виде двух параллельных балок прямоугольного сечения. 4. Цельный сепаратор роликоподшипника по п.1, отличающийся тем, что выполненные упругоподатливыми несущие средний участок участки перемычки выполнены каждая в виде балки коробчатого сечения.