ПОДШИПНИК ГИРОСКОПА РАДИАЛЬНЫЙ РОЛИКОВЫЙ
ROLLING RADIAL BEARING OF GYROSCOPE

Изобретение относится к области приборостроения систем автоматизации и механизации производства.
Известны стандартные подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде шариков, установленных в гнездах сепаратора.
Одним из недостатков известных подшипников качения является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения при их эксплуатации.
Неравномерность абразивного изнашивания двух шарикоподшипников одной опоры в пределах всего 0,05 мкм вызывает уход гироприбора с гиромотором, имеющим кинетический момент Н=0,2 Н·м·с, со скоростью около 0,1 град./ч.
-9
Однако использование в качестве скоростных опор шарикоподшипников позволяет обеспечивать стабильность положения центра масс гиромоторов на уровне сотых долей мкм при частоте вращения ротора до 60000 об/мин и более в диапазоне рабочих температур от минус 60° до 70°С и в вакууме до 10 Па недолго.
Существует еще несколько хронических недостатков в стандартных подшипниках качения радиальных и радиально-упорных - малая предельная частота вращения, невысокая долговечность, причиной которых является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения, невозможность определения числа оборотов тел качения. Почему? Тела качения не могут одновременно катиться по двум диаметрам, в контакте с которыми они участвуют, по наружной и внутренней дорожкам качения без скольжения.
w
1m
1m
w
lm
оборотв
1m
оборотов
Для примера возьмем радиальный шариковый стандартный подшипник качения №80200 по ГОСТ 7242-81 dl0×D30×В9, D=5,953, z=6, d=14,047, D=25,953. За один оборот вала шарик D делает по дорожке качения d внутреннего кольца N=14,047/5,953=2,359, а по дорожке качения наружного кольца D N=25,953/5,953=4,359.
Таким образом, шарик делает на два оборота больше по дорожке наружного кольца, чем по дорожке внутреннего кольца, это говорит о наличии проскальзывания.
Рассмотрим подшипник качения как планетарный механизм по схеме сборки 2К-Н, работающий в качестве редуктора без скольжения (проскальзывания). Определим передаточное число наружного кольца (в) при вращении внутреннего (а) при остановленном водиле (Н) (сепараторе).
lm
1m
При вращении d вправо наружное кольцо D должно вращаться в противоположную сторону - влево. О чем говорит знак «-» (минус).
lm
Определим число оборотов «влево» наружного кольца, если d делает 25000 об/мин при отсутствии скольжения
в
n=-25000/1,847=-13535 об/мин.
Все шесть шариков подшипника должны скользить относительно дорожки качения наружного кольца. На практике тела качения скользят и по дорожке качения внутреннего кольца. Почему скользят тела качения? Да потому, что наружное кольцо подшипника защемлено и не вращается.
Вот почему греются и изнашиваются тела качения и дорожки качения обоих колец подшипника, почему растет радиальный зазор, подвержены износу и гнезда сепаратора. А трение скольжения к трению качения относится как 500/1 и 10000/1. А смазка необходима подшипнику для снижения коэффициента трения скольжения тел качения, выноса продуктов износа от скольжения из зоны трения и для снижения температуры нагрева подшипника. Есть случаи оплавления шариков вследствие «масляного голодания» (см. А.М.Зайцев, Р.В.Коросташевский, стр.238. «Авиационные подшипники качения». Оборонгиз. 1963).
Определим передаточное отношение сепаратора (Н) при остановленном (в) и подвижном (а):
Тогда как для подшипников чистого качения  по теории качения для подшипников качения.
В трудах института №3, 1983, ВНИПП под редакцией доктора наук Л. В. Черневского, стр.46, отмечается «…в подшипниках на симметричных роликах максимальное скольжение в 1,4-1,8 раза больше, чем на несимметричных».
Известен подшипник качения - Прототип (см. патент RU 2232926 от 20.07.2004. Бюл. №20, Фиг.2), содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора, тела качения - ролики выполнены двухступенчатыми, больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а 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:
1m
где d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
wm1
D - диаметр меньшей ступени ролика;
1m
D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;
wm2
D - диаметр большей ступени ролика,
а по меньшей мере одна дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с по меньшей мере одной проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, при этом ступень тела качения - ролика с большим диаметром выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической.
К недостатку известных подшипников относится наличие сепаратора.
Важным фактором в подшипнике гироскопа остается снижение его влияния на надежность и долговечность. Необходимо максимально снизить массу сепаратора и величину его трения скольжения с телами качения и дорожками качения подшипника.
Цель изобретения:
- преобразовать известный сферический радиальный подшипник качения (по Патенту №2232926, фиг.2) в подшипник гироскопа радиальный роликовый;
- обеспечить чистое качение без проскальзывания тел качения в подшипнике гироскопа;
- снизить шум в подшипнике гироскопа, например, до 20…60 дБ;
- увеличить долговечность подшипника, например, в 10…15 раз;
- заполнить свободную нишу еще одним подшипником чистого качения, работающим при малом расходе смазки на частоте вращения, например, от 25000 до 60000 об/мин и более;
- преодолеть тотальную неконкурентноспособность подшипников качения;
- остановить тупиковый путь развития стандартных подшипников качения - постепенно;
- преодолеть застой и стагнацию в развитии машиностроения, станкостроения, моторостроения, космической техники, авиапрома, морского флота, автопрома, ж/д транспорта, атомной энергетики, отраслей нефте- и газовой добычи, …, - всех отраслей промышленности;
- преодолеть неконкурентноспособность изделий всех отраслей промышленности только за счет установки новых подшипников чистого качения в данные изделия, в шпиндели станков, ступицы авто и шасси… и выйти на передовые рубежи как на мировом рынке, так и на внутреннем рынке. Для справки: только 80 фирм SKF Швеции выпускают более 10 млрд подшипников в год. Последние подшипниками «качения» не являются, даже если они называются прецизионными.
Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что отношение диаметра большей ступени ролика к диаметру меньшей ступени ролика равно:
wm2
wm1
D/D=-2/1, а число роликов равно простому числу и, например, равно пяти.
На фиг.1 изображен подшипник гироскопа радиальный роликовый. На фиг.2 приведено сечение подшипника по его продольной оси симметрии.
Подшипник состоит из наружного кольца 1, тел качения 2, внутреннего кольца 3, сепаратора 4 и заклепок 5.
Направление воспринимаемых нагрузок радиальное.
wm2
wm1
lm
wm2
Дорожка качения наружного кольца 1 выполнена сферической. Тела качения - ролики 2 выполнены двухступенчатыми. Больший диаметр ступени ролика D, выполненной сферической или бочкообразной, имеет один участок и контактирует в точке только с дорожкой качения наружного кольца 1 подшипника. А меньшие диаметры ступеней ролика D, выполненные с двумя участками, контактируют только с дорожками качения d внутреннего кольца 3. Внутренняя дорожка качения выполнена с проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика D. Сепаратор 3 выполнен, например, из композитного материала РЕЕКС с добавками полимерных материалов и пудры титана (металла). Условие сборки подшипника гироскопа:
Данное условие сборки позволяет телам качения 2 обкатываться по дорожкам качения подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения, чем и достигается чистое качение роликов 2 без проскальзывания.
wm1
lm
Подшипник гироскопа радиальный роликовый работает следующим образом: при вращении вала получает вращение кольцо 3 подшипника, ролик 2 своими диаметрами меньших ступеней ролика D обкатывается только по дорожкам качения d кольца 3 с контактом по двум линиям.
wm2
Диаметр большей ступени ролика D обкатывается только по дорожке качения наружного кольца 1 с контактом в точке. Вращение роликов 2 происходит в условиях чистого качения без скольжения тел качения относительно дорожек качения, так как условие сборки выполняется.
Следует отметить, что сборка подшипника ведется с предварительным натягом, что включает в работу все ролики одновременно. Сепаратор 4 выполняет роль поводка и состоит из двух колец. С диаметрами меньших ступеней ролика 2 сепаратор 4 контактирует по двум линиям в зоне среднего диаметра роликов 2 и в двух точках с торцовыми поверхностями большей ступени ролика. На фиг.2 стрелками показаны направления вращения кольца 3, роликов 2 и пунктиром стрелкой показано направление реакции от контакта ролика с дорожкой качения кольца 1. Кольцо 1 защемлено. Ролики 2 и сепаратор 4 перемещаются вправо при вращении внутреннего кольца 3. Точками обозначены места контактов ролика 2.
Предварительный натяг в подшипнике делает эпюру нормальных напряжений окружностью с осью в центре вращения подшипника. Натяг обеспечивает всем роликам одинаковые условия по нагрузке, когда отсутствует радиальный зазор. Следует заметить, что в стандартных шарикоподшипниках эпюра практически всегда работает в резонансном режиме, генерируемом неидеальными шарикоподшипниками.
Подшипник гироскопа состоит, например, из пяти двухступенчатых роликов, которые никогда не применялись в гироскопах, причем отношение большего диаметра ступени ролика к диаметру меньшей ступени ролика имеет отношение:
wm2
wm1
D/D=2/1.
A Const по условию сборки равна трем. Получили параметры идеального подшипника чистого качения. Число роликов, равное 5, - простое число. Числа Const=3 и число роликов Z=5 позволили создать условия для рождения подшипника гироскопа - идеального подшипника чистого качения, в котором передаточное отношение сепаратора
В данном подшипнике не важно какое кольцо вращается 1 или 3, или оба одновременно. Есть и встреча с ПАРАДОКСОМ. Если оба кольца вращаются с одинаковой частотой вращения, но во взаимно противоположные стороны, то
- сепаратор остановлен кинематически;
- ролики 2 вращаются вокруг собственной оси и не перемещаются по кругу.
Ролики 2 могут быть изготовлены из металлокерамики, если условия работы требуют высоких температур от +350 до +900°С, сепаратор 4 тоже. Однако срок службы подшипника будет ограничен, например, до 500 часов.
В целях увеличения частоты вращения, например, до 1 200000 об/мин ролики 2 могут быть изготовлены, например, из титановых сплавов, а смазкой для подшипника должна служить кремнийорганическая жидкость типа ПМС 500…50000. Масло недопустимо. Титан горит в масле. А величина смазки для подшипника гироскопа снижается, например, в 15 раз от первоначальных. Нужны, практически, 1…2 капли ПМС в месяц.
Отсутствие проскальзывания при работе подшипника гироскопа снижает и шум, например, до 20…60 дБ. Шум снижается и от присутствия смазки, при ее избытке подшипник греется. Необходимо отработать нормальный режим эксплуатации и параллельно решить не один десяток парадоксов. Только применение фрикционной смазки позволяет роликам и дорожкам качения восстановить свою кристаллическую решетку, потерянную из-за «масляного голода», как и участнику вращения - сепаратору.
Одна из опор подшипника гироскопа может быть нагружена и осевой силой, вторая - может быть свободной. Радиальный роликовый подшипник допускает использовать его в качестве радиально-упорного.
Подшипник гироскопа может быть использован в качестве барометра, высотомера, глубиномера, сейсмографа, измерителя температуры до 0,000001°С, других приборов, которым еще нет названий. Так как число оборотов гироскопа не может быть константой, оно будет меняться от воздействия окружающей среды пропорционально этому воздействию. Можно замерить высоту Эвереста с точностью до мкм, если это необходимо.
Предложенный подшипник гироскопа радиально-роликовый, по сравнению со стандартными шарикоподшипниками имеет преимущества:
-1
- возможность работы на более высоких частотах вращения, например до 1 200000 мин;
- раскрыть после исследований скрытые возможности подшипника гироскопа;
- повысить долговечность подшипника в 10…15 раз;
- обеспечить чистое качение без скольжения роликам подшипника при обкатке по дорожкам качения;
- снизить шум при работе гироскопа;
- повысить конкурентноспособность приборов на мировом и внутреннем рынках;
- применить впервые трехопорную схему вращения ролика по дорожкам качения взамен двухопорной для шарика и ролика;
- значительно снизить число степеней свободы для ролика, тогда как у шарика число степеней свободы -∞;
- резко повысить надежность подшипника вместе с повышением износостойкости и рационального конструирования.