ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМИ РОЛИКАМИ Российский патент 2015 года по МПК F16C19/22 F16C33/36 

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

Известен подшипник качения, преимущественно крупногабаритных размеров, который содержит тела качения - ролики, выполненные двухступенчатыми. Большая ступень обкатывается только по дорожке качения наружного кольца подшипника, а меньшая ступень ролика, выполненная по меньшей мере с двумя участками, обкатывается только по дорожке качения внутреннего кольца подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения. Большая ступень ролика выполнена бочкообразной и контактирует с дорожкой качения наружного кольца подшипника по линии, а тела качения - ролики выполнены с отверстием, в котором расположена ось с зазором и два встроенных радиально-упорных подшипника качения. При этом должно выполняться условие сборки подшипника качения d_lm/D_wm1=D_lm/D_wm2=Const. Два диска выполняют роль сепараторов и не контактируют ни с телами качения, ни с кольцами основного подшипника (см. RU №2291330 МПК F16C 19/54, F16C 33/34, опубликовано 10.01.2007 г.).

Наиболее близким аналогом является подшипник гироскопа радиальный роликовый, который содержит внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора. Ролики выполнены двухступенчатыми. Больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника. Меньший диаметр ступени, выполненный с двумя участками, контактирует только с дорожками качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения. При этом должно выполняться условие сборки подшипника качения d_lm/D_wm1=D_lm/D_wm2=Const. Дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с проточкой для образования зазора с диаметром большей ступени ролика, которая выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической. При этом отношение диаметра большей ступени ролика к диаметру меньшей ступени ролика равно 2/1, а число роликов равно простому числу, например пяти (см. RU №2385422 МПК F16C 19/22, опубликовано 27.03.2010 г.).

Недостатком известного технического решения является неверная модель вращения внутреннего кольца относительно наружного кольца подшипника, вызывающая в конструкции аналога повышение частоты вращения роликов относительно оси подшипника по сравнению со стандартным подшипником с такими же моделью вращения и размерами диаметров дорожек качения наружного и внутреннего кольца; в аналоге простые дроби, в которых используются переменные диаметры большей ступени ролика D_wm2, выполненной в круглой или бочкообразной форме, и дорожки качения наружного кольца D_lm, соответствующей по форме большей ступени ролика, не имеют ответа вообще и не равны const в частности, как дроби с переменными компонентами; отсутствует способ расчета диаметров ступеней роликов.

Для радиального подшипника с моделью вращения внутреннего кольца относительно неподвижного наружного кольца поставлена задача: повысить частоту вращения внутреннего кольца относительно наружного кольца при прежней частоте вращения роликов по сравнению со стандартным подшипником и аналогами; вывести математическую формулу исчисления диаметров ступеней роликов, позволяющую снизить частоту вращения роликов.

Поставленная задача решается тем, что в подшипнике, содержащем наружное и внутреннее кольца с дорожками качения (с дорожками), помещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнездах сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых обкатывают дорожку внутреннего кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра обкатывают дорожку его наружного кольца, полный коэффициент понижения частоты вращения роликов находится в пропорциональной зависимости от соотношений диаметров D₁\D₂=n в пределах допустимого и d₁\d₂=k в пределах допустимого, произведение соотношений $$\frac{D1}{D2}\ast \frac{d1}{d2}=nk$$ является полным коэффициентом понижения частоты вращения роликов по наружному кольцу относительно оси подшипника, обусловленного геометрическими пропорциями диаметров дорожек колец между собой и диаметров ступеней ролика между собой, где:

d₁ - диаметр большей ступени ролика подшипника;

d₂ - диаметр меньшей ступени ролика подшипника;

D₁ - диаметр дорожки наружного кольца подшипника;

D₂ - диаметр дорожки внутреннего кольца подшипника;

n - коэффициент отношения диаметра дорожки наружного кольца D₁ к диаметру дорожки внутреннего кольца D₂, величина 1\n показывает, какую часть дорожки наружного кольца обкатит ролик одновременно с обкатом одного оборота дорожки внутреннего кольца относительно стационарной точки дорожки внутреннего кольца (1\n - частота вращения ролика по дорожке наружного кольца относительно оси подшипника) в стандартном подшипнике; пределы допустимого n - это размер диаметра дорожки внутреннего кольца D₂, имеющего максимально и минимально допустимые размеры, подходящего к внешнему кольцу с произвольным диаметром дорожки D₁, когда размеры диаметров колец позволяют разместить между кольцами ступенчатые функционирующие ролики;

k - произвольно выбранный коэффициент понижения частоты вращения ролика по дорожке наружного кольца, являющийся коэффициентом пропорциональности соотношения диаметров ступеней ролика d₁\d₂, ограниченный размерами диаметров ступеней роликов в пределах возможности функционирования подшипника со ступенчатыми роликами, понижающий частоту вращения роликов по дорожке наружного кольца относительно оси подшипника по сравнению со стандартным подшипником, по сути являющийся коэффициентом редукции ролика;

стационарная точка дорожки кольца или дорожки ступени ролика - это точка поверхности указанной дорожки, жестко привязанная к дорожке и перемещающаяся вместе с дорожкой;

ступени роликов и дорожек колец подшипника должны быть

цилиндрическими, то есть диаметры дорожек колец и ступеней роликов должны быть постоянными для каждой дорожки или ступени.

Приведенная зависимость $$\frac{D1}{D2}\ast \frac{d1}{d2}=nk$$ полного коэффициента понижения частоты вращения роликов относительно оси подшипника во время обката роликом наружного кольца позволила выбрать и исчислить частоту вращения роликов относительно оси для подшипника с известными диаметрами дорожек наружного и внутреннего колец в пределах допустимого и подобрать (исчислить) диаметры ступеней ролика в соответствие с выбранным коэффициентом редукции k.

Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, он соответствует условиям патентоспособности изобретения - «изобретательский уровень» и «новизна».

Подшипник качения со ступенчатыми роликами поясняется чертежами:

Фиг.1 - геометрическая схема подшипника качения;

Фиг.2 - подшипник качения в разрезе.

Подшипник качения со ступенчатыми роликами состоит из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2, ступенчатого ролика с большей ступенью 3 и меньшей ступенью 4.

Так как ступенчатый ролик большей ступенью обкатывает дорожку качения внутреннего кольца, а меньшей ступенью обкатывает дорожку качения наружного кольца и предназначен для модели вращения внутреннего кольца относительно наружного кольца подшипника, что является противоположным в сравнении с известными моделями вращения наружного кольца относительно неподвижного внутреннего кольца подшипников со ступенчатыми роликами, то настоящий подшипник будет называться подшипник со ступенчатыми роликами второго типа; подшипник с моделью вращения наружного кольца относительно неподвижного внутреннего кольца будет называться подшипник со ступенчатыми роликами первого типа.

Ступенчатый ролик может быть монолитным телом или собранным из отдельных частей. Ступени 3 и 4 ролика жестко связаны между собой. Средний участок ролика с большим диаметром (большая ступень 3) обкатывает дорожку внутреннего кольца 2. Одновременно боковые участки ролика с меньшим диаметром (меньшая ступень 4) обкатывают дорожку наружного кольца 2, разделенную по ширине на две дорожки с зазором между ними для прохождения между ними большей ступени 3 ролика.

Для приведения размеров подшипника со ступенчатыми роликами к размерам стандартных подшипников за основу исчислений берутся наружный и внутренний диаметры стандартного шарикового или роликового подшипника и ширина подшипника. По выбранным диаметрам стандартного подшипника определяются диаметры дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 подшипника с учетом присутствия между ними ступенчатых роликов и по этим диаметрам согласуются произвольно выбранные диаметры ступеней 3 и 4 ролика; толщину внутреннего кольца рассматриваемого подшипника можно сделать меньше, чем у стандартного подшипника, учитывая минимизированный износ дорожки качения внутреннего кольца из-за отсутствия трения скольжения, присущего стандартным подшипникам, для расширения диапазона размеров диаметров колец и приближения их к диаметрам колец стандартного подшипника. Отсутствие трения скольжения между роликами и дорожками колец позволяет сделать дорожки колец и ступени роликов рассматриваемого подшипника значительно уже дорожек колец и тел качения стандартного подшипника, зауживание ширины дорожек и ролика не повысит трение скольжения, но приблизит ширину рассматриваемого подшипника к ширине стандартного подшипника.

При обкате большей ступенью ролика одного оборота дорожки внутреннего кольца относительно стационарной точки дорожки внутреннего кольца ролик совершает D₂\d₁=n₁ оборотов по дорожке внутреннего кольца относительно стационарной точки дорожки внутреннего кольца.

При обкате большей ступенью ролика n₁ оборотов относительно стационарной точки дорожки качения внутреннего кольца меньшая ступень ролика совершит обкат дорожки качения наружного кольца на n₁ оборотов. Длина дорожки качения наружного кольца, пройденная меньшей ступенью ролика от стартовой точки касания до конечной точки касания меньшей ступенью ролика дорожки наружного кольца при прохождении n₁ оборотов, равна n₁πd₂, что в d₁\d₂ раза меньше, чем при условном обкате n₁ оборотов по дорожке качения наружного кольца роликом с диаметром d₁(n₁πd₁). Коэффициент редукции ролика k=d₁\d₂ в k раз снизил длину обката дорожки качения наружного кольца - в k раз снизил частоту вращения роликов по дорожке наружного кольца относительно оси подшипника

Из Фиг.1 геометрической схемы подшипника выведем равенство

r₁ - радиус большей ступени 3 ролика;

r₂ - радиус меньшей ступени 4 ролика.

Для удобства вывода формул еще раз запишем найденное выше соотношение диаметров ступеней роликов:

Используя формулу (2), выразим d₁ через d₂:

Запишем формулу (1) с использованием формулы (3)

Из формулы (4) найдем d₂:

По формуле (3) исчислим диаметр d₁.

Произвольно выбранные размеры диаметра D₂ и коэффициента редукции k должны согласовываться с диаметром D₁ и между собой для приведения подшипника в функционирующую конструкцию. Согласованные указанные компоненты удовлетворяют формулу (1).

Вычисленные выше диаметры d₁ и d₂ ступеней 3 и 4 ролика удовлетворяют условиям сборки подшипника с диаметрами дорожек колец D₁ и D₂, коэффициентом редукции k ролика, вместе с отсутствием смазки обеспечивают хорошее сцепление между роликом и кольцами подшипника, исключают проскальзывание роликов и понижают частоту вращения роликов относительно оси подшипника в k раз по сравнению со стандартным подшипником (коэффициент n понижает частоту вращения роликов по наружному кольцу из-за разности длин дорожек наружного и внутреннего кольца в стандартном и подшипнике со ступенчатыми роликами).

При обкате большей ступенью 3 ролика с диаметром d₁ дорожки внутреннего кольца 2 частота вращения ролика по наружному кольцу 1 относительно оси подшипника снизится в k раз по сравнению со стандартным подшипником.

Применение подшипника со ступенчатыми роликами позволяет повысить частоту вращения внутреннего кольца относительно статичного наружного кольца подшипника в k раз по сравнению со стандартным подшипником с такими же диаметрами D₁ и D₂ дорожек колец, частота вращения ступенчатых роликов по дорожке наружного кольца относительно оси подшипника останется такой же, как у стандартного подшипника.

Если подшипник со ступенчатыми роликами использовать не как подшипник с высокочастотным вращением одного кольца относительно другого, а как стандартный подшипник со средней частотой вращения, то срок его эксплуатации повысится до k раз по сравнению со стандартным подшипником.

Для примера расчета выберем произвольные размеры в любых единицах диаметров дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 подшипника D₁=116 и D₂=68, коэффициент редукции k, равный трем, и по ним рассчитаем диаметры большей и меньшей ступеней 3 и 4 ролика.

Исчислим диаметр меньшей ступени ролика, используя формулу (5):

d₂=(D₁-D₂)\(к+1)=(116-68)\(3+1)=12.

Исчислим диаметр большей ступени ролика, используя формулу (3):

d₁=kd₂=3*12=36.

Расчет диаметров большей 3 и меньшей 4 ступеней роликов с использованием методики расчета, выбранного коэффициента k, формул (5), (3) показал простоту расчета подшипника второго типа со ступенчатыми роликами с произвольным диаметром D₁ дорожки наружного кольца 1 и согласованными с D₁ коэффициентом k и диаметром D₂ дорожки внутреннего кольца 2. Можно выбрать размер диаметра D₂ и согласовать с ним размер диаметра D₁ и коэффициент k.

В результате работы подшипника без трения скольжения и лишнего пробега роликов по наружному кольцу, вызванному понижением частоты вращения роликов, он будет меньше греться. Не будут меняться свойства металла и механические свойства подшипника, зависимые от температуры нагрева. Предсказуема экономия на фрикционной смазке для подшипника, ее можно исключить из компонентов обслуживания. Без трения скольжения снизится износ роликов и дорожек колец - не будут увеличиваться конструктивные зазоры. Без лишних зазоров не будет биения роликов о кольца подшипника, следовательно, и уровень шума упадет. Шум уменьшится и из-за отсутствия трения скольжения между кольцами и роликами подшипника и уменьшения длины и скорости пробега ролика по наружному кольцу. Так как уменьшится момент силы трения скольжения подшипника и лишний пробег роликов, будет снижена затрата электроэнергии на преодоление сил трения скольжения и лишний пробег роликов. В масштабах завода или режима многосменной работы подшипников экономия электроэнергии будет значительна. Ресурс работы подшипника со ступенчатыми роликами увеличится многократно по сравнению со стандартным подшипником - будет большая экономия денег и на приобретение запасных подшипников и замене подшипников, их нужно будет менять значительно реже. Простои оборудования для ремонта или замены подшипников уменьшатся многократно - увеличится объем выпускаемой продукции и прибыли производства. Замена подшипника высокочастотного вращения, изготовленного из дорогих материалов с применением дорогих технологий, на подшипник со ступенчатыми роликами тоже принесет прибыль.

Заявляемое техническое решение обеспечивает повышение частоты вращения внутреннего кольца подшипника относительно статичного наружного кольца без повышения частоты вращения роликов относительно оси подшипника, либо повышение срока работы подшипника по сравнению с аналогичным по размерам дорожек колец и частоте вращения внутреннего кольца относительно статичного наружного кольца стандартным подшипником. Диаметры ступеней ролика представленного подшипника исчисляются по выведенным формулам. Таким образом, технический результат достигнут.

Подшипник качения со ступенчатыми роликами может быть изготовлен на известном оборудовании с использованием современных материалов и технологий.

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности. Подшипник качения со ступенчатыми роликами содержит наружное кольцо (1) и внутреннее кольцо (2) с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнездах сепаратора двухступенчатых роликов, диаметр большей ступени (3) которых контактирует с дорожкой качения внутреннего кольца (2) подшипника, а диаметр меньшей ступени (4) контактирует с дорожкой качения его наружного кольца (1). Диаметры дорожек качения колец (1) и (2) и диаметры большей и меньшей ступеней (3) и (4) ролика находятся в пропорциональной зависимости. Соотношение d₁\d₂=k равно любому числу в пределах допустимого, при этом диаметры ступеней роликов подшипника определяют из соотношения: d₂=(D₁-D₂)\(k +1) и d₁=kd₂, где d₁ - диаметр большей ступени (3) ролика подшипника; d₂ - диаметр меньшей ступени (4) ролика подшипника; D₁ - диаметр дорожки качения наружного кольца (1) подшипника; D₂ - диаметр дорожки качения внутреннего кольца (2) подшипника; k - понижающий редукционный коэффициент, выбираемый пользователем. Технический результат заключается в повышении в k раз частоты вращения внутреннего кольца подшипника относительно его неподвижного наружного кольца при прежней частоте вращения роликов по наружному кольцу относительно оси подшипника или повышении ресурса времени работы подшипника до k раз при прежней частоте вращения внутреннего кольца, в снижении проскальзывания роликов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Подшипник качения со ступенчатыми роликами, содержащий наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, установленные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнездах сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых контактируют с дорожкой качения внутреннего кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра контактируют с дорожкой качения его наружного кольца, диаметры дорожек качения наружного и внутреннего колец и диаметры большей и меньшей ступеней ролика находятся в пропорциональной зависимости, отличающийся тем, что соотношение d₁\d₂=k и равно любому числу в пределах допустимого, при этом диаметры ступеней роликов подшипника определяют из соотношений: d₂=(D₁-D₂)\(k+1) и d₁=kd₂, где
d₁ - диаметр большей ступени ролика подшипника;
d₂ - диаметр меньшей ступени ролика подшипника;
D₁ - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;
D₂ - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
k - коэффициент редукции ролика, уменьшающий частоту вращения ступенчатого ролика относительно оси подшипника во время обката роликом дорожки качения наружного кольца подшипника по сравнению со стандартным подшипником, равный от единицы до нескольких единиц, выбираемый самостоятельно по потребностям.

2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что ступени ролика и обкатываемые ими дорожки качения колец должны иметь цилиндрическую форму, то есть постоянные диаметры.