ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЙ РОЛИКОВЫЙ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
ROLLING RADIAL THRUST CAGELESS BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
z
Известны радиально-упорные двухрядные шарикоподшипники с разъемным наружным кольцом и двумя сферами по внутреннему диаметру, типа SKd×D, имеющими две встречные конические или сферические поверхности с вершиной посередине. Подшипники выполняют с предварительным натягом, предназначенным для восприятия комбинированных радиальных и осевых нагрузок при любом направлении действующих сил.
К недостаткам известных шарикоподшипников относится наличие двух составляющих трения, трения качения и трения скольжения в местах контакта тел качения с дорожками качения, а также трения скольжения тел качения в контакте с сепаратором. Путь скольжения шарика относится к пути качения как 10/1 до 48/1. А коэффициенты трения различны и могут достигать отношения 500/1… и 50/1. По этой причине тела качения подвержены абразивному износу. Подшипник греется, растет радиальный зазор, нарастает вибрация, сепаратор выходит из строя.
Известны двухрядные радиально-упорные подшипники качения с телами качения, выполненными в виде конических роликов, с одним внутренним и двумя наружными кольцами.
К основному недостатку данного типа подшипников относится то, что тела качения в контакте с дорожками качения имеют одну точку качения, а все остальные поверхности работают с трением скольжения. Конические ролики, дорожки качения и поверхности контакта роликов с сепаратором подвержены износу. Подшипник греется.
А если осевая нагрузка велика, подшипник подклинивает или заклинивает всеми роликами по причине самозаклинивания, так как углы конуса роликов малы и не являются несамотормозящими: α=30'; 1°; 1°30'; 2°; 2°30'; … - они все самотормозящие. Подшипник выполняет роль муфты сцепления. А при эксплуатации выполняет роль машины трения. Работают на нагрев и на износ. Если авторы могут так жестко критиковать конический подшипник, значит, они знают, каким должен быть подшипник.
Известен подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный, по заявке №2006138364, который является прототипом. Подшипник содержит однобортовое наружное и двухбортовое внутреннее кольца с дорожками качения и размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов двухступенчатого типа, большая ступень роликов верхнего яруса, имеющая два участка, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца по линии, а большие ступени роликов нижнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца по линии, а меньшие ступени верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса, а наружное кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, с постоянной и одинаковой частотой вращения в противоположные стороны в каждом из ярусов, при этом должно выполняться условие сборки подшипника качения:
а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, а в проточки меньших ступеней роликов нижнего яруса входят с зазором два участка больших ступеней роликов верхнего яруса, при этом диаметры трех участков больших ступеней нижнего яруса, контактирующих с тремя участками меньших ступеней роликов верхнего яруса, равны, и все ролики как верхнего, так и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего ярусов.
К недостаткам данного подшипника относится возможность только односторонней передачи осевого усилия в радиальном роликовом подшипнике, при этом передача усилия осуществлена с трением скольжения.
На суд экспертизы предлагается подшипник качения радиально-упорный роликовый бессепараторный, который является «пионерским» изобретением.
Цель изобретения:
- обеспечить двухстороннюю передачу осевого усилия;
- обеспечить чистое трение качения при передаче как осевых усилий, так и радиальной нагрузки;
-1
- обеспечить повышенную частоту вращения, например, равную 10000 мин;
- заполнить нишу еще одним подшипником качения, работающим на трении чистого качения.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что на наружном кольце подшипника выполнены две расточки треугольного типа под дорожки качения двух сферических участков, выполненных на внешней стороне больших ступеней роликов верхнего яруса, которые контактируют с пятном контакта в зоне расточек треугольного типа - по дорожкам качения, равным по диаметру дорожке качения наружного кольца, при этом по оси роликов нижнего яруса установлены два подпятника, выполненных, например, в виде шарика, которые расположены в стаканчиках, выполненных, например, из углепластика, и контактирующих с поверхностями высоких бортов внутреннего кольца и упорного кольца.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиально-упорный роликовый бессепараторный. На фиг.2 дано сечение А-А фиг.1, на котором стрелками показано направление вращения комплекта роликов, перемещение комплекта и направление вращения внутреннего кольца при защемленном наружном кольце. На фиг.3 приведена развертка роликов 2 и 3.
Подшипник качения радиально-упорный роликовый бессепараторный состоит из наружного кольца 1, роликов 2 верхнего яруса, роликов 3 нижнего яруса, внутреннего кольца 4 с одним бортом, плоского упорного кольца 5, двух защитных шайб 6 и закладных шариков 7, расположенных в отверстиях роликов 2 нижнего яруса.
Кольцо 1 выполнено с кольцевыми проточками в средней части, кольцо содержит цилиндрическую поверхность под дорожку качения, два участка расточки треугольного типа - дорожки качения сферических участков ролика 2 и с внешних сторон две расточки под крепление защитных шайб 6. Ролик 2 верхнего яруса содержит три участка меньших ступеней ролика с диаметрами Dwm1, два участка цилиндрического типа с диаметром Dwm2, последние содержат два сферических участка, которые выполнены на 3…4 мм больше диаметров Dwm2. Большие диаметры ступеней роликов 2 контактируют только с дорожкой качения кольца 1 по линии, а два сферических участка контактируют с пятном контакта в зонах расточек треугольного типа - по дорожкам качения, равным диаметру Dwm2.
Три участка меньших ступеней ролика 2 с диаметром Dwm1 контактируют по линии только с большими диаметрами Dwm1 ролика 3 нижнего яруса. В свою очередь три большие ступени ролика 3 контактируют по линии только с дорожкой качения внутреннего кольца 4.
Ролики 3 нижнего яруса содержат две проточки - меньших ступеней ролика, в которые с зазором входят два участка больших ступеней ролика 2 с диаметром Dwm2.
Следует отметить, что большие ступени роликов 3 нижнего яруса с диаметром Dwm1, три его участка и три участка меньших ступеней роликов 2 верхнего яруса равны. Каждый из роликов верхнего яруса 2 и нижнего яруса 3 контактирует друг с другом и дорожками качения по (см. фиг.2) трем линиям и двум точкам, образуя силовой замкнутый единый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего яруса. Кольцо 4 содержит плоское упорное кольцо 5. Высокий борт кольца 4 и упорное кольцо 5 контактируют с подпятниками 7, выполненными в виде шариков и расположенными в расточках по оси ролика 3. Шарики располагаются в стаканчиках расточек, выполненных, например, из углепластика (суперкарбона). С внешней стороны подшипник закрыт двумя крышками 6.
При этом должно выполняться условие сборки подшипника:
,
где D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика верхнего яруса;
d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
Dwm1 - диаметр большей ступени ролика нижнего яруса.
Подшипник качения радиально-упорный роликовый бессепараторный работает следующим образом. При вращении кольца 4 ролики 3 своими большими ступенями с диаметром Dwm1 обкатываются только по дорожке качения внутреннего кольца по d1m. Ролики 3 передают вращение через два своих линейных контакта меньшим ступеням ролика 2, а большие ступени ролика 2 с диаметром Dwm2 обкатываются только по дорожкам качения D1m наружного кольца 1 и в двух точках своими сферическими участками по диаметрам D1m.
Наружное кольцо 1 установлено на телах качения 2 и 3 с предварительным натягом. Радиальный зазор отсутствует, а осевой зазор может присутствовать в одну сторону. Вращение роликов 3 по дорожке качения d1m проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Ролики 3 передают вращение роликам 2 в противоположную сторону с постоянной и одинаковой частотой вращения. Окружные скорости роликов 3 и 2 равны. Главный парадокс подшипника.
Известно, что при наложении колебаний в противофазе шум взаимоуничтожается. Получаем снижение шума от 20 до 60 дБ.
Отсутствие сепаратора устраняет вибрацию от вращения последнего, а также устраняет возможность скольжения тел качения 3 и 2 о поверхность сепаратора. Отсутствует и шум от скольжения сепаратора при его контакте с кольцом подшипника.
Данное расположение роликов 2 верхнего яруса и роликов 3 нижнего яруса обеспечивает всем роликам рабочий контакт по трем линиям при радиальной нагрузке и по трем точкам при осевой нагрузке.
Предварительный натяг обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам подшипника. Получаем встречу с третьим парадоксом - эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника. Радиальный зазор в подшипнике отсутствует, что обеспечивает повышенную центровку вала. Данное исполнение позволяет увеличить грузоподъемность подшипника, например, в два, в три раза.
-1
-1
Работа подшипника качения в условиях чистого качения без скольжения и проскальзывания тел качения и при реверсивных режимах работы обеспечивает более высокую частоту вращения, например от 3000 мин до 10000 мин.
-1
Примечание: при числе роликов, равном 5, и размере подшипника D≈30 мм возможна частота вращения до 100000 мин.
Расположение роликов 2 и 3 двухступенчатого типа, их взаимные контакты полностью устраняют возможность перекосов и заклинивание роликов с бортами нижнего кольца, обеспечивают роликам самоустановку, чему также способствуют и точечные контакты ролика 2 при осевых нагрузках.
Как пример, контакт ролика 2 с роликом 3 составляет угол 127°, а контакт ролика 3 с роликом 2 составляет угол 149°.
Все это позволяет увеличить долговечность подшипника, например, до 10000 часов и еще столько же, но с переводом подшипника на один класс ниже.
Однако следует заметить, что трение покоя составляет fs от 100 до 1, а начало вращения подшипника должно пройти через ближайшее трение скольжения fcк от 0,15 до 0,18, и только после этого подшипник вступает в фазу качения с трением качения fкач. от 0,002 до 0,004.
Всегда есть опасность у подшипника качения после состояния покоя «свалиться» в состояние скольжения. Что и происходит с подшипниками качения, например, на прокатных станах.
Чтобы подшипник не «свалился» в скольжение, необходимо повысить коэффициент сцепления роликов с дорожками качения и роликами и довести коэффициент сцепления, по крайней мере, до единицы. В смазку требуется добавить корунд с размером частиц, например, от 5 до 10 мкм и только тогда, повернувшись на один радиан, ролики переходят во вращение с трением чистого качения.
Подшипник качения радиально-упорный роликовый бессепараторный может работать и в аварийных условиях при отсутствии смазки, например, до 120 минут.
Подшипник может быть использован и без внутреннего кольца. Его собирают с фальшкольцом, которое выпрессовывают в процессе установки его на вал.
-1
Данный подшипник может заполнить свободную нишу радиально-упорных подшипников, работающих на трении чистого качения, оставаясь холодным, бесшумным и работающим с частотой вращения, например, более 10000 мин, способным работать длительно в экстремальных условиях без смазки и бесшумно.
Экономическая эффективность.
Победа над трением дает значительную экономию топлива на двигателях, способствует увеличению скоростей, повышает надежность, безопасность, а отсутствие сепаратора позволяет работать в реверсивных режимах, повышает грузоподъемность, долговечность в два, в три раза, экономит миллионы тонн черного и цветного металла, сокращает показатель техногенных катастроф, который приходится на подшипники от 30 до 40%.
Только в автомобилях сжигается свыше 400 млн тонн топлива. В мире расходуется более 100 млн тонн смазочных материалов в год для снижения трения.
При работе бессепараторного подшипника качения можно наблюдать еще один парадокс. Если наружному кольцу сообщить частоту вращения, равную частоте вращения вала (см. фиг.2), в ту же сторону, в какую вращается вал, тела качения - ролики будут обкатываться вокруг собственных осей, а вращение по кольцу всего комплекта роликов будет остановлено (условие кинематически остановленного сепаратора).
«…Только в США, где автотранспорт поглощает 7,5% всей потребляемой энергии, экономический эффект от снижения потерь на трение может составить 11 млрд долларов в год».
Экономия смазочных материалов имеет место быть. С увеличением вязкости смазочного материала вообще уменьшается интенсивность изнашивания, а подшипник работает в условиях чистого качения без проскальзывания, количество смазки уменьшается, например, в пять раз, которая нужна для образования граничных пленок, нет необходимости выносить продукты износа из контактных зон подшипника большим количеством смазки.