РОТОРНЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ
ROTARY ROLLING BEARING

Изобретение относится к отрасли машиностроения и может быть использовано в высоко нагруженных подшипниковых узлах, в частности в энергетическом, шахтном оборудовании, в машинах морских и речных судов, для восприятия больших осевых и радиальных нагрузок.
Известен подшипник качения, состоящий из наружного и внутреннего колец, между которыми расположены ролики, рабочие поверхности колец и роликов выполнены в виде винтовых выпуклых или вогнутых каналовых поверхностей, расположенных с постоянным шагом, причем все винтовые каналы имеют цилиндрическую или коническую форму и одинаковые углы подъема на соответствующих начальных поверхностях (Авт. свид. СССР №125979, кл.47в, 12 - 1957 г.).
Недостатком настоящего изобретения является наличие концентраторов напряжения в местах сопряжения выпуклой и вогнутой частей, способствующих разрушению элементов подшипника и снижению его нагрузочной способности.
Известен другой роликоподшипник с каналовыми рабочими поверхностями колец и роликов, причем рабочие каналовые поверхности колец и роликов выполнены выпукло-вогнутыми, одинаковыми для колец и роликов (Авт. свид. СССР №188231, кл.47в, 12 - 1964 г.).
Данный подшипник имеет повышенную нагрузочную способность, снижает шум, но он не лишен недостатков предыдущего и имеет такие же концентраторы напряжения, снижающие нагрузочную способность подшипника.
Известен радиально-упорный подшипник, принятый за прототип, в котором более конкретно материализован замысел М.Л.Новикова по упомянутому изобретению №125979, содержащий внешнее и внутренние кольца, расположенные между ними ролики, выполняющие функцию тел качения с возможностью передачи радиальных и осевых сил от одного элемента подшипника к другому. Схематично он может рассматриваться как элементарный планетарный механизм со снятым водилом: внешнее и внутреннее кольца подшипника соответствуют в данном примере эпициклу и солнечному колесу, а витые ролики - сателлитам.
Внутреннее кольцо представляет коническое колесо внешнего зацепления с криволинейными зубьями, а внешнее - зубчатый венец внутреннего зацепления с аналогичными криволинейными зубьями, при этом зубья и впадины образуют каналовые поверхности. Ролик представляет коническую деталь с двухзаходными винтовыми лопастями. Конус колец и ролика выполнен по закону логарифмической спирали. Внешнее кольцо служит одновременно и сепаратором, для чего в нем выполнены конические гнезда с предусмотренными уплотнителями, образуя камеры для газовой среды, в которых размещены ролики. Камеры связаны с внешним источником энергии сжатой газовой среды. Вершины трех конических гнезд (камер) связаны между собой кольцевой герметично замкнутой проточкой, выполненной в корпусе изделия, в котором смонтирован подшипник. Для фиксации роликов в осевом направлении предусмотрены упоры-штифты, закрепленные в корпусе изделия и контактирующие с торцом основания конуса роликов (Пат. РФ №2247876, 7 F16С 19/50, 2002 г.).
Недостатком данного подшипника, в котором профиль зубьев очерчен по эвольвенте окружности, создает в корне ножки зуба высокие концентрации напряжения изгиба, снижающие нагрузочную способность подшипника.
Роль смазочного материала выполняет газ, плотность которого ниже плотности масел. Отсутствие масленого клина в зацеплении способствует более интенсивному абразивному износу, снижению нагрузочной способности, повышению коэффициента трения.
Поэтому такой подшипник используется в малонагруженных опорах, в частности ветросиловых установках, мультипликаторах и т.п., что снижает его потребительские свойства.
Другим недостатком, по нашему мнению, является сложность конических гнезд, образующих сепаратор, и их система уплотнения. Кроме того, для подачи в гнезда газа под давлением требуется дополнительный индивидуальный компрессор. Так, для упомянутого в патенте шлифовального станка требуются два энергоносителя, что удорожает систему.
Характерное для эвольвентного профиля касание по линии, о чем указано в патенте, приводит к неравномерному распределению контактных напряжений, превышающих предел текучести при отсутствии остаточных деформаций.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение нагрузочной способности и долговечности работы подшипника.
Решение поставленной задачи достигается тем, что роторный подшипник качения содержит выполненные в виде конических косозубых колес внешнее и внутреннее кольца, размещенные между ними роторы в виде конических косозубых шестерен с осевыми отверстиями и сепаратор, взаимосвязанный с роторами.
Отличие заявленного подшипника заключается в том, что в торцевом сечении колец и роторов головки зубьев и межзубовые впадины сопрягаемых зубьев образованы одинаковыми радиусами окружностей, а в нормальном сечении головки зубьев и межзубовые впадины сопрягаемых зубьев образованы полуэллиптическим профилем, у которого косинус угла подъема винтовой линии равен отношению малой полуоси эллипса к его большой полуоси, расположенной радиально к оси вращения подшипника.
Образующая конусов колец и роторов затухает (уменьшается) по закону спирали Архимеда.
Сепаратор смонтирован со стороны основания конуса внутреннего или внешнего кольца и шарнирно связан с цапфами роторов, размещенных в кольцевой проточке сепаратора.
Еще одним отличием подшипника является его снабжение размещенными в межроторном пространстве и попарно охватывающими роторы уплотнительными башмаками, поршни которых смонтированы в сепараторе, а межпоршневое пространство сообщено с кольцевой проточкой сепаратора.
Заявленный профиль имеет большие радиусы закруглений в ножке зуба, которые исключают концентрацию напряжений и тем самым повышают его прочностные характеристики и нагрузочную способность.
В связи с тем что образующей фигурой для зуба и впадины является в торцевом сечении полуокружность, а в нормальном полуэллипс, сопрягаемые по среднему диаметру, то угол профиля будет равен нулю, поэтому контакт между зубьями колец и ролика будет не по линии, а по площади поверхности зуба, т.е. заявленный подшипник качения обладает дополнительно и качествами подшипника скольжения, а именно выдерживает большие на порядок удельные нагрузки.
Роторы вместе с внешним и внутренним кольцами нагнетают масло из нижней части подшипника, создавая избыточное давление, которое образует масляный клин между контактными поверхностями, обеспечивая снижение коэффициента трения, повышение КПД и долговечности.
Перечисленные преимущества позволяют сделать вывод о создании подшипника с качествами, присущими подшипникам качения и скольжения.
На фиг.1 показан поперечный разрез подшипника; на фиг.2 - вид по стрелке А без сепаратора с частичным вырывом и показом башмака; на фиг.3 показан профиль зубьев и впадин при виде с торца на подшипник; на фиг.4 - ротор подшипника с криволинейными выступом и впадиной.
Роторный подшипник качения, выполненный согласно изобретению, представляет собой конический роликовый подшипник, который содержит внешнее кольцо 1, выполненное в виде конического косозубого колеса с внутренним зацеплением, внутреннее кольцо 2, также выполненное в виде конического косозубого колеса с наружным зацеплением. Между упомянутыми кольцами размещены роторы 3, выполненные в виде конических косозубых шестерен с цапфами 4 и осевыми отверстиями 5, с отводными канальцами 6 у вершины 7 конуса шестерни и канальцами 8 у основания цапфы 4. Со стороны основания конуса 9 внутреннего кольца 2 смонтирован сепаратор 10, жестко связанный с кольцом 2. В сепараторе выполнена кольцевая проточка 11 с расточками под цапфы 4. Канальцы 8 своими выходами сообщаются с кольцевой проточкой 11 и таким образом все роторы 3 связаны между собой. В межроторном пространстве смонтированы башмаки-уплотнители нижний 12 и верхний 13 и обеспечивают разделение зон высокого и низкого давления масла, создавая в гидросистеме высокое избыточное давление масла, следствием которого является образование масляного клина в системе ротор-колеса. Поршни 14 башмаков 12 и 13 размещены в сепараторе 10 и имеют каналы 15, сообщающиеся с кольцевой проточкой 11. В подшипнике согласно изобретению головки зубьев 16, 16А и 16Б, межзубовые впадины 17, 17А и 17Б колец 1, 2 и ротора 3 образованы одинаковыми радиусами окружностей, при этом в нормальном сечении головки зубьев 16, 16А и 16Б и межзубовые впадины 17, 17А и 17Б образованы полуэллиптическим профилем, у которого косинус угла подъема винтовой линии равен отношению малой полуоси эллипса к его большой полуоси, расположенной радиально к оси вращения подшипника. Образующая конусов колец 1 и 2 и ротора 3 от основания к вершине затухает по закону спирали Архимеда. В предложенном варианте внешнее кольцо 1 неподвижно, внутреннее 2 - приводное. В другом исполнении, на чертеже не показано, приводным может быть внешнее кольцо 1, тогда сепаратор крепится к внешнему кольцу, а кольца могут быть выполнены в виде прямозубых конических колес.
Предлагаемый роторный подшипник качения работает следующим образом.
Действие предлагаемого роторного подшипника качения рассмотрим на примере его работы, когда приводным элементом подшипника служит внутреннее кольцо.
Внутреннее кольцо 2 жестко насаживается на вал и приводится во вращение от приводного источника (на чертеже не показано). При вращении, например, против часовой стрелки роторы 3 обкатываются, вращаясь по часовой стрелке, образуют планетарный механизм. В связи с тем что винтовые поверхности зубьев и впадин ротора 3 и колец 1 и 2 образованы полуэллиптическим профилем, они имеют большую площадь контакта сопрягаемых поверхностей. В процессе вращения роторы с кольцами работают как шестеренчатые насосы, захватывая масло в нижней части подшипника, и от основания конуса под давлением продавливают его вдоль оси, создавая масляный клин между сопрягаемыми поверхностями. Одновременно в результате совместного вращения элементов 1, 2 и 3 дополнительно создается избыточное высокое давление масла в зоне вершины конуса и через канальцы 6, отверстие 5 масло под давлением попадает в кольцевую проточку 11 сепаратора 10 и поступает в верхние роторы 3. Таким образом поддерживается избыточное давление масла во всех роторах, удерживая масляный клин между сопрягаемыми поверхностями ротор-кольца, что исключает трение качения между ними и повышает его КПД.
Башмаки-уплотнители нижний 12 и верхний 13 от воздействия масла под давлением на поршни 14 перемещаются в противоположные стороны и обеспечивают разделение зон высокого и низкого давлений масла, благодаря чему в гидросистеме создается высокое избыточное давление масла, что и создает масляный клин.
Поставленная задача повышения нагрузочной способности и долговечности работы подшипника в заявленном изобретении обеспечивается профилем выступов и впадин винтовых конических поверхностей сопряжения системы ротор-кольца, созданием постоянного масляного клина между указанными поверхностями сопряжения. Вместе с тем, указанные характеристики роторного подшипника качения достигаются на порядок меньшими габаритами подшипника. Это позволяет уменьшить габариты машин с использованием заявленного подшипника.