ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F16C19/22 F16C33/34 

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, а также может быть использовано во всех отраслях промышленности.

Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде шариков или роликов, установленных в гнездах сепаратора.

Основным недостатком известных подшипников качения является наряду с трением качения присутствие трения качения с проскальзыванием тел качения относительно дорожек качения:

- проскальзывание тел качения относительно дорожек качения, вызванное сдвиговой деформацией материала в точке контакта;

- скольжение тел качения, относительно дорожек качения, при нарушении качения в результате сдвигов и перекосов колец подшипников под нагрузкой (см. П.И.Орлов кн.2. Основы конструирования, -М.: Машиностроение, 1977 г., с.453...460).

Для примера возьмем подшипник качения радиально-упорный шариковый однорядный с разъемным наружным кольцом с четырехточечным контактом №116220 по ГОСТ 8995-75, у которого d100×D180×B34; Dw25.4; Z=14; α=26°; Nk=4000 мин^-1; Nж=5000 мин^-1. Шарик ⊘25,4 обкатывается по хорде с ⊘23 мм по дорожкам качения подшипника. По наружным дорожкам качения с ⊘163 мм шарик обкатывается за один оборот вала:

Nоборотов=π163/π23=7,086.

А по дорожкам качения внутреннего кольца с ⊘117 мм шарик делает за один оборот вала:

Nоборотов=π117/π23=5,086.

То есть по дорожкам качения наружного кольца подшипника шарик делает на два оборота больше, чем по дорожкам качения внутреннего кольца подшипника. Эта величина равна величине проскальзывания шарика в подшипнике только за один оборот вала. А шариков - Z=14 и каждый проскальзывает по два оборота за один оборот вала.

И, если подшипник делает 4000 мин^-1, все шарики за минуту сделают лишних оборотов:

N=14×(4000×2)=112000 мин^-1.

Данные лишние обороты шариков в подшипнике требуют значительного расхода масла на поддержание работоспособности и других устройств для снижения температуры узла. В целом данное положение снижает срок эксплуатации подшипника.

Аналогами для данного предлагаемого изобретения являются заявки №2001119832 и №2002107654.

Цель изобретения:

- Обеспечение чистого качения тел качения при обкатке их по дорожкам качения как внутреннего, так и наружного колец подшипника;

- повышение предельной частоты вращения подшипника качения, например, до 50000 мин^-1 и более;

- в целом повысить долговечность подшипника, только за счет устранения проскальзывания тел качения;

- обеспечить работоспособность подшипника в экстремальных условиях при отсутствии подачи смазки, например, до 90 мин.

Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что меньший диаметр ступеней ролика выполнен цилиндрическим, а к своим торцам содержит сферические участки, последние контактируют с дорожками качения внутреннего кольца подшипника под углом β, а в экстремальных условиях подшипник способен работать и при отсутствии подачи смазки, например, до 90 мин, обусловленных паспортом для каждого подшипника качения.

На чертеже изображен подшипник качения радиально-упорный однорядный с разъемным наружным кольцом с четырехточечным контактом тел качения с дорожками качения. Направление воспринимаемых нагрузок - радиальное и осевое в обе стороны до 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. При данном радиальном зазоре обуславливается наименьший осевой зазор подшипника.

Подшипник качения данного типа был разработан, например, для применения в гироскопах. Подшипник качения состоит из разъемного наружного кольца 1, тел качения 2, сепаратора 3, внутреннего кольца 4. Тела качения 2 выполнены в виде одноступенчатого ролика, больший диаметр большей стороны ролика выполнен сферическим и контактирует только с дорожками качения D_1m наружного кольца 1 в двух точках по диаметру ролика D_wm2 с углом контакта α (α равен от 12° до 36°). А меньший диаметр ступеней ролика 2 выполнен цилиндрическим, а к своим торцам имеет сферические участки, последние контактируют по точкам (в двух местах) только с дорожками качения внутреннего кольца 4 на диаметре d_1m своими диаметрами D_wm1 с углом контакта β (β от 12° до 36°, как пример). При этом на внутреннем кольце 4 выполнена кольцевая проточка для образования зазора с большим диаметром большей ступени ролика 2, а также для обеспечения торцевых зазоров с боковыми поверхностями большего диаметра большей ступени ролика 2. Последнее условие необходимо, чтобы не допустить контакта с трением скольжения между роликом и кольцом 4.

Подшипник качения, изображенный на чертеже, работает следующим образом. При вращении вала получает вращение внутреннее кольцо 4, ступенчатый ролик 2 своим меньшим диаметром меньших ступеней D_wm1 обкатывается по дорожкам качения с диаметром d_1m внутреннего кольца 4. Больший диаметр большей ступени ролика 2 обкатывается своим диаметром D_wm2 по дорожкам качения с диаметром D_1m наружного кольца 1. При этом необходимо, чтобы выполнялось условие сборки:

D_1m/D_wm2=d_1m/D_wm1=Const.

Здесь следует отметить, что данное условие позволяет телам качения 2 обкатываться по наружной и внутренней дорожкам качения с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания.

Следует отдельно заметить, что величина Const должна лежать в пределах от 2 до 3+Δ для подшипников качения, например, используемых в гироскопах.

Почему? С тем, чтобы в подшипнике работало меньшее число тел качения, когда Z равно от 5 до 7. И еще раз почему? Малое значение Const от 2 до 3+Δ позволяет снизить значение максимального контактного давления за счет увеличения диаметров D_wm2 и D_wm1. Увеличение значения Const, например, от 7 и более выравнивает величины D_wm2 и D_wm1 диаметров ступенчатого ролика 2, растет нагрузка, растет число тел качения, падает частота вращения.

Данный подшипник качения может быть использован в узле гироскопа.

Традиционно гироскоп устанавливается на двух, а то и на четырех, подшипниках качения. Предлагаем устанавливать один подшипник под диск гироскопа, а цапфы (консоли) вала устанавливать неподвижно. Такое решение значительно сократит габариты узла гироскопа в целом.

Частота вращения в предложенном подшипнике может быть и значительно повышена, например от 50000 до 150000 мин^-1 и более, если в подшипниковых опорах создать вибрацию с большой частотой и малой амплитудой.

"...Известно, что при вибрации момент трения в опорах снижается от 3 до 10 раз. Момент трения тем меньше, чем больше частота и меньше амплитуда колебаний при вибрации (момент трения уменьшается в 100...200 раз...)..."(см. Ю.Д.Первицкий. Расчеты и конструирование точных механизмов". Изд. Машиностроение, Москва, 1965, Ленинград, с.404, 405).

В экстремальных условиях подшипник качения способен работать продолжительное время и при отсутствии подачи смазки, только благодаря наличию трения качения при обкатке тел качения по дорожкам качения без проскальзывания. Данное положение должно быть подтверждено испытаниями по конкретному подшипнику и занесено в паспорт на подшипник, например, 90 минут. Паспортизации подлежат все подшипники, которые устанавливаются в ответственных узлах: винт самолета, шасси самолета, редукторе вертолета, двигателе, газовой турбине, электродвигателе 40М Вт...

Отсутствие проскальзывания тел качения значительно увеличивает срок службы подшипника благодаря уменьшению тепловыделения и шумности работы (а при наличии шариков в качестве тел качения неизбежно "рысканье" шарика, и он меняет постоянно свою дорожку качения). Шум работы снижен за счет радиального зазора, который равен ≈ 0 в радиально-упорном подшипнике. Тела качения в подшипнике не имеют контакта скольжения своими торцами с боковыми поверхностями кольцевой проточки внутреннего кольца подшипника.

Снижена величина упругого гистерезиса в зоне контакта большего диаметра большей ступени ролика за счет снижения величины Const (равной от 2 до 3+Δ). Следует отметить, что углы контакта α и β могут быть выполнены равными по величине, но могут быть и различными, что зависит от условий эксплуатации, например α=β, a>b и α<β.

Наличие трения скольжения ролика с материалом сепаратора сохранилось, но, по возможности, оно сведено к минимальным потерям за счет введения в конструкцию сепараторов-центров. Ролики могут быть выполнены из минералов (сапфира, фианита и др.) для немагнитных подшипников качения.

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть применено во всех отраслях промышленности. Подшипник качения радиально-упорный однорядный содержит внутреннее и разъемное наружное кольца, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде одноступенчатых роликов, установленных в сепараторе. Больший диаметр большей ступени ролика, выполненный сферическим, контактирует только с двумя дорожками качения разъемного наружного кольца подшипника в двух точках под углом контакта α, а меньший диаметр ступеней ролика контактирует только с двумя дорожками качения внутреннего кольца подшипника в двух точках для обеспечения обкатывания тел качения по наружной и внутренней дорожкам качения с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с кольцевой проточкой и образует зазоры с большим диаметром большей ступени ролика. Меньший диаметр ступеней ролика выполнен цилиндрическим, а к своим торцам содержит сферические участки, контактирующими с дорожками качения внутреннего кольца подшипника под углом контакта β. Технический результат - повышение долговечности подшипника за счет устранения проскальзывания тел качения. 1 ил.

Подшипник качения радиально-упорный однорядный, содержащий внутреннее и разъемное наружное кольца, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде одноступенчатых роликов, установленных в сепараторе, больший диаметр большей ступени ролика, выполненный сферическим, контактирует только с двумя дорожками качения разъемного наружного кольца подшипника в двух точках под углом контакта α, a меньший диаметр ступеней ролика контактирует только с двумя дорожками качения внутреннего кольца подшипника в двух точках, при этом выполняется условие сборки подшипника:

D_1m/D_wm2=d_1m/D_wm1=Const,

где D_1m - диаметр дорожек качения наружного кольца подшипника;

D_wm2 - больший диаметр большей ступени ролика;

d_1m - диаметр дорожек качения внутреннего кольца подшипника;

D_wm1 - меньший диаметр ступеней ролика,

для обеспечения обкатывания тел качения по наружной и внутренней дорожкам качения с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания, а дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с кольцевой проточкой и образует зазоры с большим диаметром большей ступени ролика, отличающийся тем, что меньший диаметр ступеней ролика выполнен цилиндрическим, а к своим торцам содержит сферические участки, контактирующие с дорожками качения внутреннего кольца подшипника под углом контакта β.