ПОДШИПНИК ГИРОСКОПА БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
CAGELESS 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 градус/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°C 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
1m
оборотов
1m
оборотов
Для примера возьмем радиальный шариковый стандартный подшипник качения №80200 по ГОСТ 7242-81 d10×D30×B9, 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 DN=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).
1m
1m
При вращении d вправо наружное кольцо D должно вращаться в противоположную сторону - влево. О чем говорит знак «-» (минус).
1m
Определим число оборотов «влево» наружного кольца, если d делает 25000 об/мин при отсутствии скольжения
B
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 радиальный роликовый бессепараторный - ПРОТОТИП (см. патент RU 2334137C2 от 20.09.2008. Бюл. №26), содержащий 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 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:
,
1m
где D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;
wm2
D - диаметр большей ступени ролика верхнего яруса;
1m
d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
wm1
D - диаметр большей ступени ролика нижнего яруса,
а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, при этом 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 яруса.
К недостатку известных подшипников относится отсутствие сепаратора. Казалось бы нет сепаратора - нет проблем. Но это далеко не так. Проблемы и парадоксы всегда есть. Иначе наступила бы полная деградация техники и науки. Надо заметить, что борьба с потерями от трения и износа машин в большинстве развитых стран стала государственной задачей. Во всем мире идет борьба за увеличение коэффициента трения колесного транспорта с дорогой, которое повышает тяговую способность и увеличивает эффективность торможения, а подшипники решают параллельную задачу - как снизить трение.
Цель изобретения:
- преобразовать известный подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный (по патенту №2334137) в подшипник гироскопа бессепараторный;
- обеспечить чистое качение без проскальзывания тел качения в подшипнике гироскопа;
- снизить шум в подшипнике гироскопа, например, от 20 до 40 дБ;
- увеличить долговечность подшипника, например, в 10…15 раз;
- заполнить нишу еще одним подшипником чистого качения, работающего при малом расходе смазки на частоте вращения, например, от 300000 до 1200000 об/мин;
- преодолеть тотальную неконкурентноспособность подшипников чистого качения, зачем ждать 500 лет;
- остановить тупиковый путь развития стандартных подшипников «качения» - постепенно;
- преодолеть застой и стагнацию в развитии машиностроения и 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 диаметры больших ступеней роликов нижнего яруса, имеющие один участок, контактируют с диаметром меньшей ступени ролика верхнего яруса, расположенного в средней части ролика, а наружное кольцо содержит дополнительное внешнее однобортовое кольцо, а наружное кольцо содержит, например, от трех до пяти магазинов для смазки, выполненных в виде отверстий конического типа, в которые установлены сетки-стаканчики, заполненные металлокерамикой типа цеолита, магазины заполнены, например, кремнийорганической смазкой типа ПМС, в стаканчиках располагают микропроцессоры многофункционального типа.
На фиг.1 изображен подшипник гироскопа бессепараторный. На фиг.2 - сечение А-А фиг.1. На фиг.3 приведена развертка положения тел качения - роликов в подшипнике гироскопа.
Подшипник состоит из однобортового наружного кольца 1, внешнего кольца 2 с дополнительным бортом, тел качения 3, выполненных в виде роликов верхнего яруса двухступенчатого типа, роликов 4 нижнего яруса, двухбортового внутреннего кольца 5 и магазина для смазки 6.
wm2
wm1
Большая ступень роликов 3 верхнего яруса D, имеющая два участка, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца 1 по линии, а большие ступени роликов 4 нижнего яруса, выполненные с одним участком, контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца по линии. Меньшие ступени верхнего яруса D, выполненные с одним участком, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса.
Наружное кольцо 1 и 2 установлено на тела качения 3 и 4 с предварительным натягом. Диаметры больших ступеней роликов нижнего яруса и контактирующих с ними диаметров меньших ступеней роликов верхнего яруса - равны. Все ролики верхнего и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой замкнутый единый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего ярусов.
При этом должно выполняться условие сборки подшипника:
.
Подшипник гироскопа бессепараторный работает следующим образом (см. фиг.2).
wm1
1m
wm2
1m
При вращении кольца 5 вправо ролики 4 своими большими ступенями с диаметром D обкатываются только по дорожке качения внутреннего кольца d. Последние сообщают вращение влево через два своих линейных контакта меньшим ступеням роликов 3, а большие ступени с диаметром D обкатываются только по дорожкам качения D наружного кольца 1. Комплект роликов 3 и 4 перемещается влево (куда должен был перемещаться сепаратор), совершая круговое вращение по дорожкам качения подшипника. Предварительный натяг при сборке обеспечивает обкатку всем роликам с постоянной и одинаковой частотой вращения. Окружные скорости роликов 3 и 4 равны. А вращение роликов происходит во взаимно противоположные стороны - в противофазе. Шум взаимоуничтожается. Получаем снижение шума, например, от 20 до 40 дБ.
При резком торможении вала кольцо 5 останавливается, при этом детали кольца 1 и 2 защемлены, ролики 3 и 4 продолжают по инерции обкатываться по дорожкам качения подшипника без скольжения, но с затухающей скоростью.
Отсутствие сепаратора устраняет вибрацию от вращения последнего, а также устраняет возможность скольжения тел качения 3 и 4 о поверхность сепаратора. Отсутствует и шум от скольжения сепаратора при его контакте с кольцами подшипника.
Данное расположение роликов 3 - верхнего яруса и роликов 4 - нижнего яруса обеспечивает всем роликам рабочий контакт по трем линиям. Предварительный натяг обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам подшипника. Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника. Радиальный зазор в подшипнике отсутствует, что обеспечивает повышенную центровку вала. Эффект юлы - вращение вала по двум конусам - отсутствует.
-1
Работа подшипника гироскопа бессепараторного в условиях чистого качения без скольжения и проскальзывания тел качения обеспечивает более высокую частоту вращения, например от 300000 до 1200000 мин.
А вращение роликов 3 и 4 в противофазе снижает шум, например, от 20 до 40 дБ.
В целях обеспечения сборки подшипника с наружными кольцами 1 и 2 комплект роликов 3 и 4 с кольцом собирают на гладком фальшкольце. Последнее выпрессовывается при сборке на кольце 1. После чего собирают внешнее кольцо 2 по посадке на кольцо 1.
Кольцо 1 содержит от 3 до 5 магазинов для смазки, расположенных по продольной оси подшипника, а отверстия выполнены в кольце конического типа. В отверстия устанавливается сетка-стаканчик, например, с отверстиями до 2…3 мкм, стаканчик 6 заполняют металлокерамикой или алюмосиликатными гранулами типа цеолита. Данные магазины - стаканчики заполняют смазкой, например кремнийорганической жидкостью типа ПМС 500…50000.
При работе подшипника смазка подается порционно 2…3 капли в месяц. При остановке гироскопа избыток смазки собирают на себя стаканчики 6 в ячейки металлокерамики. В ответственных узлах гироскопах в данных стаканчиках 6 могут располагать микропроцессоры, которые управляют через центральный пульт системой и расходом смазки, а также контролируют как число оборотов вала, так и температуру узла.
При работе подшипника гироскопа бессепараторного можно наблюдать ПАРАДОКС. Если наружному кольцу сообщить частоту вращения, равную частоте вращения вала, в ту же сторону, в какую вращается вал (см. фиг.2), тела качения ролики 3 и 4 будут вращаться вокруг собственных осей, а вращение роликов по кольцу всего комплекта будет остановлено (условие кинематически остановленного сепаратора).
Технический результат: снижение шума, повышение частоты вращения, долговечность, а также повышение надежности работы подшипника гироскопа.
Для подшипника безразлично, какое кольцо вращается, вращаться могут сразу и оба кольца в одну сторону или в разные. Впервые в подшипнике гироскопа перемещаются ролики в качестве тел качения. Впервые применяется двухъярусная схема сборки тел качения. Впервые применяется трехопорная схема нагрузки с линейными контактами тел качения в подшипнике чистого качения.