ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ROLLING BEARING AND PROCEDURE FOR ITS FABRICATION

Изобретение относится к области машиностроения и деталей машин, в частности - к радиальным и радиально-упорным подшипникам качения с шариковыми и роликовыми телами качения.
Известен подшипник качения, являющийся опорой для валов или осей, воспринимающий от них радиальные, осевые и радиально-осевые нагрузки и обеспечивающий их свободное вращение за счет размещения между опорой и поверхностью вращения тел качения (шариков или роликов), состоящий из наружного и внутреннего колец, между которыми размещены тела качения, удерживаемые по периметру окружности между кольцами на определенном расстоянии один от другого сепаратором (см. книгу: Политехнический словарь / Ред. кол.: Ишлинский А.Ю.(гл. ред.) и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. Энциклопедия, 1989. - с.395).
Недостатком данного подшипника является невозможность компенсации переменных статических и динамических пиковых нагрузок, возникающих при пуске или торможении валов и осей, которые резко возрастают при достижении резонансного режима системы, состоящей из валов, подшипников и их опор в корпусах, либо при других видах дополнительных динамических и статических нагрузках пикового характера.
Устранение указанных недостатков является главной задачей, решенной в предлагаемой заявке на изобретение. Ее решение обеспечивается путем:
1) установки тел качения (шариков или роликов) с упором на пружины или упругие кольца с возможностью хода в гнездах или в канавках колец в направлении действия сил, создаваемых резонансными и другими пиковыми динамическими и статическими дополнительными нагрузками, возникающими в системе вал-подшипник-корпус, с ограничением величины этого хода за счет жесткости упругих элементов, которая компенсирует действие резонансных и других дополнительных динамических или статических пиковых нагрузок;
2) размещения гнезд, тел качения и пружин в наружном и внутреннем кольцах, или в сепараторе, или в упругих элементах между ними, в различных комбинациях и вариантах их конструктивных исполнений;
3) выполнения наружного и внутреннего колец полыми и упругими.
При этом повышается плавность работы системы вал-подшипник-корпус, особенно в момент ее запуска и торможения, или при других дополнительных динамических и статических нагрузках пикового характера, что улучшает условия эксплуатации изделий и повышает их долговечность.
Конструкции предлагаемых подшипников, размещенных в них тел качения и пружин, установленных в гнездах и отверстиях, выполненных в наружном и во внутреннем кольцах или в сепараторе, или между сепараторами, в различных вариантах конструктивных исполнений, показаны на чертежах.
отв
т.к.
отв
т.к.
1
1
1
На фиг.1 показан подшипник, состоящий из наружного кольца-корпуса 1 и внутреннего кольца 2. В корпусе, выполняющем также функции сепаратора, параллельно его продольной оси выполнены гнезда 3 диаметра d с лысками l, срезанными отверстием сепаратора, в которых установлены тела качения 4 с диаметром d, (d>d>l), с упором на введенные в радиальные отверстия 5, перпендикулярные к гнездам 3, пружины 6, которые за счет своей жесткости обеспечивают компенсацию нагрузок при нормальной работе подшипника и возможность смещений тел качения под действием на подшипник резонансных и других дополнительных динамических и статических пиковых нагрузок. На наружной поверхности внутреннего кольца может быть выполнена двубортная 7 или однобортная 8 канавка для удержания и направления тел качения. При этом максимальный диаметр окружности, образованной выступающими из сепаратора вершинами тел качения, должен быть меньше диаметра окружности впадины канавки на величину амплитуды А возможных колебаний системы, а между кольцом и сепаратором должен быть выполнен такой же величины зазор с≥A. Для радиально-упорных подшипников направление отверстий под пружины может быть выполнено совпадающим или близким к направлению равнодействующей радиальных и осевых сил, например, под стандартным углом 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а направление гнезд выполнено под такими же углами к продольной оси подшипника.
На фиг.2 показаны варианты удержания пружин по периферии кольца-сепаратора. Оно может быть выполнено опорной поверхностью отверстия, в которое введен подшипник (исполнение 1), или пробками 9, 10, которые могут быть либо запрессованными (исполнение 2), либо завинченными (исполнение 3) в корпус, или охватывающим этот корпус напрессованным, навинченным, припаянным или приваренным, например контактной, диффузионной или иной сваркой, бандажом 11 (исполнение 4). Контакт тел качения 4 с пружинами 6 может быть выполнен напрямую по ободку (исполнение 1), что целесообразно для тел качения в виде шариков, или через промежуточные опорные элементы 12, 13, 14 с плоской (исполнение 5), выпуклой (исполнение 6) или вогнутой (исполнение 7) формой головки, что допускает их применение как для шариков, так и для роликов.
Другие варианты исполнения пружин для удержания тел качения в гнездах, приведены в таблице.
В отличие от прототипа в предлагаемом подшипнике тела качения установлены с возможностью их вращения в гнездах сепаратора на пружинах, обеспечивающих возможность смещения тел качения вместе с внутренним кольцом подшипника в направлении действия на них дополнительных сил, превышающих нормальные рабочие силы, что позволяет исключить передачу поперечных колебаний от вала к наружному кольцу и опоре подшипника, и разорвать их, как общую систему колебаний, особо опасных при достижении резонансного режима. Выполнение предлагаемых гнезд и установка в них подпружиненных тел качения позволяет компенсировать и другие статические или динамические дополнительные (пиковые) нагрузки, возникающие в процессе пуска, работы и торможения подшипника. Количество размещаемых в сепараторе тел качения может быть равным их количеству у стандартных подшипников, в т.ч. в радиальном и радиально-упорном исполнениях.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в размерах наружного кольца и в его конструкции, имеющей продольные гнезда с лысками под тела качения и перпендикулярные к гнездам отверстия под пружины, а при необходимости - в использовании пробок и бандажей для удержания в отверстиях пружин и в использовании промежуточных опор контактирующих с телами качения.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь наличием продольных гнезд под тела качения, радиальных отверстий под пружины и введением в них самих пружин. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в разрыве системы колебаний, в т.ч. резонансных, за счет компенсации дополнительных (пиковых) статических или динамических нагрузок, возникающих в процессе работы подшипника.
Дальнейшее развитие предлагаемой конструкции подшипника связано с варьированием расположения колец, гнезд под тела качения, отверстий под пружины и самих пружин.
отв
т.к.
отв
т.к.
2
2
2
На фиг.3 показан подшипник, состоящий из внутреннего кольца-корпуса 15 и наружного кольца 16 с двубортной 7 или однобортной 8 канавкой на его внутренней стороне, для удержания и направления в ней тел качения. В этом корпусе, выполняющем также функции сепаратора, в гнездах 3 с диаметром d, срезанных по лыскам l наружным диаметром сепаратора, установлены тела качения 4, имеющие диаметр d, (d>d>l), с упором на введенные в отверстия 5 пружины 6, которые за счет жесткости обеспечивают компенсацию рабочих нагрузок при нормальной работе подшипника, а также возможность смешений тел качения в гнезде под действием на них резонансных и других динамических или статических дополнительных пиковых нагрузок. При этом максимальный диаметр окружности, охватывающей выступающие из корпуса вершины тел качения, должен быть больше диаметра окружности впадины канавки на величину амплитуды А возможных колебаний системы, а между наружным кольцом и сепаратором должен быть выполнен такой же величины зазор с≥А. Удержание пружин 6 по периферии внутреннего кольца может быть выполнено опорной поверхностью вала, на который насажен подшипник, или отверстия под пружины могут быть выполнены глухими, либо заглушены пробками, либо введенным вовнутрь отверстия корпуса-сепаратора бандажом подобно предыдущим вариантам исполнений подшипника (фиг.2, исполнения 1…4). Контакт тел качения 4 с пружинами 6 может быть выполнен напрямую по ободку или через промежуточные опорные элементы подобно предыдущему варианту исполнения подшипника (фиг.2, исполнения 1, 5…7). При этом также возможны все варианты исполнения пружин, приведенные в таблице. Для радиально-упорных подшипников направление отверстий под пружины может быть выполнено совпадающим или близким к направлению равнодействующей радиальных и осевых сил, например, под стандартным углом 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а направление гнезд выполнено под такими же углами к продольной оси подшипника.
В отличие от прототипа в новом предлагаемом подшипнике тела качения установлены на внутреннем кольце-корпусе, который одновременно является сепаратором, с возможностью их вращения в гнездах корпуса-сепаратора на пружинах, обеспечивающих возможность их смещения вместе с корпусом в направлении действующих на подшипник сил, превышающих нормальные рабочие силы, что позволяет компенсировать колебания внутреннего кольца с валом и разорвать их как систему колебаний относительно наружного кольца и опор подшипника, особенно опасных при достижении резонансного режима. Выполнение предлагаемых гнезд и подпружиненных тел качения позволяет компенсировать также другие статические или динамические дополнительные (пиковые) нагрузки, возникающие в процессе работы подшипника. Количество устанавливаемых в корпусе-сепараторе тел качения может быть равным их количеству у стандартных подшипников.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в размерах внутреннего кольца и в его конструкции, имеющей продольные гнезда с лысками под тела качения и нормальные к гнездам отверстия под пружины, а также при необходимости в использовании пробок или бандажей для удержания в отверстиях пружин и в использовании промежуточных опорных элементов для тел качения.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, неочевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь наличием продольных гнезд под тела качения, радиальных отверстий под пружины и введением в них самих пружин. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в разрыве системы колебаний, в т.ч. резонансных, за счет компенсации дополнительных (пиковых) статических или динамических нагрузок, возникающих в процессе работы подшипника, особо опасных при запуске или торможении всей системы.
Однако приведенные конструкции подшипников исключают возможность кругового движения тел качения в канавках колец, что не отвечает принципам работы подшипников качения и ухудшает показатели по снижению их трения.
Для устранения указанного недостатка предложены новые конструкции подшипников с вращающимся сепаратором, конструкции которых показаны на чертежах.
отв
т.к.
отв
т.к.
отв
отв
т.к.
т.к.
1
2
1
1
2
2
На фиг.4 показан подшипник, состоящий из внутреннего кольца 2, наружного кольца 16 и корпуса-сепаратора 17, у которого продольные осевые гнезда 3 диаметром d, срезанные по лыскам l, выполнены попарно как по наружному, так и по внутреннему диаметрам сепаратора, в которые попарно установлены тела качения 4, с диаметром d, где d>d>l, с упором на введенные в радиальные отверстия 5 между гнездами, пружины 6, жесткость которых обеспечивает возможность компенсации нагрузок при нормальной работе подшипника и возможность смещений пар тел качения в гнездах под действием на подшипник резонансных или других пиковых дополнительных динамических или статических нагрузок. На наружном и внутреннем кольцах могут быть выполнены двубортные 7 или однобортные 8 канавки, служащие для направления и удержания в них тел качения. Для улучшения компоновки и условий работы подшипника диаметры и лыски гнезд и диаметры тел качения на наружной и внутренней поверхностях сепаратора могут быть выполнены разной величины, соответственно: d' и d'', d' и d'', l' и l''. При этом максимальные диаметры окружностей, созданные выступающими наружу и внутрь сепаратора вершинами тел качения, должны быть больше диаметров впадин канавок колец на величину амплитуды А и А возможных колебаний системы, а между опорными кольцами и сепаратором должны быть выполнены зазоры с≥A и с≥А. Для радиально-упорных подшипников направление отверстий под пружины может быть выполнено совпадающим или близким к направлению равнодействующей радиальных и осевых сил, например, под углом 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а направление гнезд выполнено под такими же углами к продольной оси подшипника.
В отличие от предыдущих вариантов исполнения подшипников в новом варианте обеспечивается возможность вращения сепаратора с телами качения, что полностью удовлетворяет условиям работы данного класса подшипников. Количество устанавливаемых в сепараторе тел качения может быть равным их количеству у стандартных радиальных и радиально-упорных подшипников.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в размерах наружного кольца и в конструкции сепаратора, имеющего на своем внутреннем и наружном диаметре продольные гнезда под тела качения и перпендикулярные к гнездам отверстия под пружины, а также парные тела качения.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь наличием корпуса-сепаратора с продольными гнездами под тела качения, радиальными отверстиями под пружины и введением в них самих пружин. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в качении сепаратора с телами качения по кольцам подшипника, что снижает трение.
На фиг.5 показано дальнейшее развитие предыдущей конструкции, у которой для уменьшения габаритов сепаратора 18 гнезда 3 с телами качения 4 и отверстия 5 с пружинами 6 выполнены в шахматном порядке. Все остальные конструктивные элементы и зазоры адекватны предыдущим вариантам. Для радиально-упорных подшипников направление отверстий под пружины может быть выполнено совпадающим или близким к направлению равнодействующей радиальных и осевых сил, например, под углом 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а направление гнезд выполнено под такими же углами к продольной оси подшипника.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в размерах наружного кольца и в конструкции сепаратора, имеющего на своем внутреннем и наружном диаметре продольные гнезда под тела качения и радиальные отверстия под пружины, а также тела качения, выполненные в шахматном порядке.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь наличием сепаратора с выполненными в шахматном порядке гнездами под тела качения и отверстиями под пружины и размещенными в них телами качения и пружинами. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов подшипника.
отв
т.к.
к
т.к.
к
отв
отв
т.к.
т.к.
к
к
На фиг.6 показано развитие предыдущей конструкции, состоящей из внутреннего кольца 2, наружного кольца 16 и сепаратора 19, для уменьшения габаритов которого гнезда 3, расположенные в шахматном порядке, выполнены удлиненными или увеличенными до диаметров d''', перекрывающих средний диаметр сепаратора, а по нему между гнездами выполнена кольцевая канавка 20, проходящая через впадины гнезд на расстоянии d-с-t от наружной и внутренней цилиндрических поверхностей сепаратора (где d - диаметр тел качения 4, с - зазоры между кольцами и сепаратором, t - глубина двубортных 7 или однобортных канавок 8 для удержания и направления в них тел качения), в которую введена плоская или плоская с выемками кольцевая пружина 21, контактирующая с тыльными вершинами тел качения 4. При этом остальные конструктивные параметры и зазоры подшипника адекватны предыдущим вариантам исполнений, в т.ч. с различными величинами диаметров гнезд d''' и d'''', диаметров тел качения d' и d'' и глубины канавки t' и t''. Для радиально-упорных подшипников канавки под пружину могут быть выполнены под наклоном, близким к равнодействующей радиальных и осевых сил, например, в 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а сама пружина может быть выполнена с таким же углом конуса.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в размерах наружного кольца и в конструкции сепаратора, имеющего на своем внутреннем и наружном диаметре увеличенные гнезда под тела качения, расположенные в шахматном порядке, а также введенные в них тела качения, при этом между гнездами выполнена кольцевая канавка, проходящая через впадины гнезд, а в нее введена плоская или иной формы кольцевая пружина, контактирующая с тыльными вершинами тел качения.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь наличием сепаратора с выполненными в шахматном порядке гнездами под тела качения и введенными в них телами качения, а также выполнением между гнездами кольцевой канавки, проходящей через впадины этих гнезд, в которую введена плоская кольцевая пружина, контактирующая с тыльными вершинами тел качения. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов подшипника.
На фиг.7 показано дальнейшее развитие предыдущих конструкций, при этом для улучшения условий эксплуатации подшипника между наружным кольцом-сепаратором 1 и внутренним кольцом-сепаратором 15, с гнездами 3, телами качения 4 и пружинами 6 введено промежуточное рабочее кольцо 22 с двубортными 7 или однобортными 8 канавками, служащими для удержания и направления тел качения. Все остальные конструктивные элементы и зазоры У радиально-упорных подшипников направление отверстий под пружины может быть выполнено близким к суммарному вектору действия радиальных и осевых сил, например, под углом 15°, 25° и т.д. к торцовой плоскости подшипника, а гнезда выполнены под такими же углами к продольной оси подшипника, адекватно предыдущим вариантам, в т.ч. с разными диаметрами тел качения.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в исполнении наружного кольца-сепаратора с гнездами, телами качения и пружинами и внутреннего кольца-сепаратора с гнездами, телами качения и пружинами в сочетании с рабочим кольцом, размещенным между этими телами качения.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь в исполнении наружного кольца-сепаратора с гнездами, телами качения и пружинами и внутреннего кольца-сепаратора с гнездами, телами качения и пружинами в сочетании с промежуточным рабочим кольцом, размещенным между телами качения внутреннего и наружного колец-сепараторов. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в возможности быстрой замены промежуточного кольца после его износа.
На фиг.8 показано развитие двух предыдущих конструкций, образующих подшипник, состоящий из внутреннего кольца 2, наружного кольца 16, двух сепараторов 23 и 24, например, стандартного типа, удерживающих тела качения 4, между которыми введена плоская тонкостенная гибкая кольцевая пружина 25, охватывающая выступающие поверхности обоих рядов тел качения. Для удержания кольцевой пружины со стороны торцов подшипника могут быть установлены упорные кольца 26 или 27, размещенные соответственно внутри (исполнение 1) и вне подшипника (исполнение 2). Остальные конструктивные параметры адекватны предыдущим вариантам исполнений подшипников, в т.ч. с разными диаметрами тел качения. У радиально-упорных подшипников торцовые упорные кольца могут быть размещены внутри наружного и внутреннего колец и контактировать с боковыми сторонами тел качения, а их жесткость выбирают исходя из потребности компенсации величины осевой силы.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в выполнении друг над другом двух рядов сепараторов с телами качения, разделенных между собой плоской тонкостенной кольцевой пружиной, охватывающей выступающие поверхности обоих рядов тел качения, которая размещена между установленными у торцов подшипника упорными кольцами.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь установкой друг над другом двух рядов сепараторов с телами качения, разделенных между собой плоской тонкостенной гибкой кольцевой пружиной, охватывающей выступающие поверхности обоих рядов тел качения, которая размещена между установленными у торцов подшипника упорными кольца. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов и в упрощении конструкции подшипника.
На фиг.9 показано дальнейшее развитие предыдущей конструкции, у которой плоская тонкостенная гибкая кольцевая пружина 28, введенная между верхним и нижним рядами тел качения 4, одновременно является сепаратором, в котором выполнены отверстия 29, удерживающие вершины тел качения в шахматном порядке. Все остальные конструктивные элементы подшипника адекватны предыдущим вариантам исполнений, в т.ч. с разными диаметрами тел качения. Для радиально-упорных подшипников торцовые упорные кольца могут быть размещены внутри между наружным и внутренним кольцами и контактировать с боковыми сторонами тел качения, а их жесткость должна компенсировать величину возникающей в работе осевой силы.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в выполнении между кольцами установленных друг над другом в шахматном порядке двух рядов тел качения, разделенных между собой и удерживаемых плоской тонкостенной кольцевой пружиной с отверстиями, охватывающими вершины обоих рядов тел качения, которая размещена между установленными у торцов подшипника упорными кольцами.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь выполнением между кольцами установленных в шахматном порядке друг над другом двух рядов тел качения, разделенных между собой и удерживаемых плоской тонкостенной кольцевой пружиной с отверстиями, охватывающими вершины обоих рядов тел качения, и служащей сепаратором, размещенным между установленными у торцов подшипника упорными кольцами, которые у радиально-упорных подшипников могут быть размещены внутри наружного и внутреннего колец и контактировать с боковыми сторонами тел качения, а их жесткость должна компенсировать величину возникающих при работе осевых сил. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов и в упрощении конструкции подшипника.
Дальнейшее усовершенствование подшипника связано с уменьшением его габаритов и в минимизации отличий от стандартных конструкций.
На фиг.10 показана новая конструкция подшипника, у которого наружное кольцо выполнено в виде полой коробчатой пружины 30 с опорным основанием цилиндрической, конической, сферической или другой формы, двубортной 7 или однобортной 8 канавками для удержания тел качения 4 и боковой полостью, сформированной либо шлифованием канавки (исполнение 1), либо обжатием (накатыванием) листовой заготовки кольца вокруг легкоплавкой вставки (исполнение 2), удаляемой при нагреве кольца под закалку. При этом для уменьшения коробления кольца в процессе нагрева и закалки оно может быть установлено в кольцевой технологический корпус, а в полость, полученную после удаления легкоплавкой вставки, перед закалкой может быть введено распорное кольцо, которое затем удаляют. Окончательное формирование поверхностей кольца после закалки обеспечивают шлифовкой по аналогии с обработкой колец базовых подшипников.
Аналогичное исполнение возможно для внутреннего кольца подшипника 31 (исполнение 3) или для их обоих вместе (исполнение 4). При этом внешняя форма и размеры колец 30, 31, а также тел качения 4 и сепаратора 32 могут быть стандартными, в т.ч. для радиально-упорного исполнения.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в выполнении боковых выемок в теле колец для обеспечения им жесткости, компенсирующей величину сил при нормальной нагрузке подшипника и обеспечивающей упругие деформации при появлении дополнительных пиковых динамических либо статических нагрузок, или в обжатии (накатывании) листовой заготовки кольца вокруг легкоплавкой вставки, удаляемой при нагреве кольца под закалку, которую для уменьшения коробления выполняют при установке кольца в технологический корпус, что позволяет классифицировать данное техническое решение как устройство и способ его изготовления.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь выполнением боковых выемок в теле колец, формируемых шлифованием либо накатыванием листовой заготовки кольца на легкоплавкую вставку и выполнением закалки в технологическом корпусе. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов и в упрощении конструкции подшипника.
На фиг.11 показана новая конструкция подшипника, у которого наружное кольцо выполнено в виде полой коробчатой пружины 33, имеющей опорное основание, боковые стороны и двубортную 7 или однобортную 8 канавки для удержания тел качения 4, разделенную по впадине канавки прорезью, которая обеспечивает доступ к полости. Такое кольцо может быть сформировано при обжатии (накатывании) листовой заготовки, например, вокруг легкоплавкой вставки (исполнение 1), удаляемой при нагреве кольца под закалку, например, через технологическое отверстие 34, выполненное в основании или на боковой поверхности кольца. При этом для уменьшения коробления кольца в процессе нагрева и закалки его могут установить в кольцевой технологический корпус. Окончательное формирование кольца после закалки обеспечивают шлифовкой по аналогии с обработкой колец базовых подшипников.
Аналогичное исполнение возможно для внутреннего кольца подшипника 35 (исполнение 2) или для их обоих вместе (исполнение 3). При этом внешняя форма и размеры колец 33, 35, а также тел качения 4 и сепаратора 32 могут быть стандартными, в т.ч. для подшипников радиально-упорного исполнения, а технологическое отвесите 34 в основании внутреннего кольца может быть выполнено со стороны прорези канавки.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в выполнении и в закалке полых пружинных колец коробчатой формы с опорным основанием, двумя боковыми сторонами и канавкой для размещения и направления тел качения, которая разделена по впадине канавки прорезью, обеспечивающей доступ к полости, что позволяет классифицировать данное техническое решение как устройство и способ его изготовления. При этом разомкнутая прорезью коробчатая форма кольца обеспечивает жесткость, компенсирующую величину сил, действующих на подшипник при нормальной нагрузке, и обеспечивает возможность упругой деформации при появлении дополнительных (пиковых) динамических или статических нагрузок.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь выполнением упругих полых коробчатых наружных и внутренних колец с прорезью по впадине канавки, обеспечивающей ему упругие свойства и доступ к полости, а также выполнением технологического отверстия для удаления легкоплавкой вставки. При этом возникает новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов и повышении упругости подшипника.
На фиг.12 показана новая конструкция подшипника, у которого наружное кольцо выполнено в виде пружины 36 коробчатой формы, полой со стороны основания и имеющей две боковые стороны с двубортной 7 или однобортной 8 канавками для удержания и направления тел качения 4 (исполнение 1). При этом полость кольца может быть получена шлифованием в закаленном цельном кольце или обжатием (накатыванием) листовой заготовки вокруг разъемной вставки, удаляемой после закалки, с последующим шлифованием.
Аналогичное исполнение возможно для внутреннего кольца подшипника 37 (исполнение 2) или для их обоих вместе (исполнение 3). При этом внешняя форма и размеры колец 36, 37, а также тел качения 4 и сепаратора 32 могут быть стандартными, в т.ч. для радиально-упорного исполнения.
кр
Развитием предыдущих конструкций подшипника является исполнение 4. Для увеличения опорной поверхности колец возможно также исполнение на наружном 38 или внутреннем 39 кольцах, или на обоих кольцах, выступов 40, полученных за счет поднутрения колец шлифованием, через разделяющую их основания прорезь. При этом параметры шлифовального круга 41, его диаметр D, радиус округления вершины r и угол установки α подбираются из условия размещения внутри кольца подшипника, в следующих пределах:
кр
D - 0,5…2,5 ширины кольца подшипника,
r - 0,25…0,5 толщины кольца,
α - 25…50°.
вн
Базовым является внутренний диаметр впадины D, выбираемый из условия прочности и долговечности работы подшипника.
Для снижения трудоемкости данной обработки на опорных поверхностях наружного и внутреннего колец может предварительно шлифоваться кольцевая канавка-прорезь, в которую затем вводят шлифовальный круг 41, приводимый во вращение относительно своей центральной оси. Кольцо при этом совершает круговые движения, а шлифовальному кругу обеспечивается подача врезания. Обработки поднутрений на другой стороне кольца осуществляется аналогично при переустановке кольца вокруг своей продольной оси.
Возможно также исполнение наружного 42 и/или внутреннего 43 колец в виде полой коробчатой пружины, разделенных по основаниям колец прорезью. Такие кольца могут быть сформированы при обжатии (накатывании) листовой заготовки, например, вокруг легкоплавкой разъемной вставки, удаляемой затем при нагреве кольца под закалку, и вытекания ее через прорезь. При этом для уменьшения коробления кольца в процессе нагрева и закалки его могут установить в разъемный кольцевой технологический корпус. Окончательное формирование кольца после закалки обеспечивают шлифовкой по аналогии с обработкой колец базовых подшипников.
Дальнейшим развитием предлагаемого способа обработки подшипника является шлифовка выемок на наружном и внутреннем кольцах у подшипника в сборе. При этом его устанавливают необрабатываемым на данной операции внутренним (или наружным) кольцом на оправку, например, цанговую, а затем к обрабатываемой поверхности наружного (или внутреннего) кольца подводят с одной стороны вращающийся шлифовальный круг, а с другой - прижимают вращающийся ролик, обеспечивающий этому кольцу круговую подачу, которая может быть встречной или попутной. Для увеличения относительной скорости резания между вращающимся навстречу друг другу шлифовальным кругом и обрабатываемым кольцом, последнее может вращаться прижимным роликом со скоростью, близкой к скорости вращения шлифовального круга.
Установка и работа предлагаемых подшипников не отличается от работы и установки базовых. Отличия имеются лишь в выполнении пружинных колец, полых со стороны основания, имеющих двубортные или однобортные впадины для размещения тел качения, параметры которых обеспечивают им жесткость, компенсирующую величину сил, действующих на подшипник при нормальной нагрузке, и обеспечивают возможность упругой деформации при появлении дополнительных (пиковых) динамических или статических нагрузок, что дает созможность классифицировать данное техническое решение как устройство и способ его изготовления.
Совокупность данных признаков является новым техническим решением, не очевидным из базового уровня техники, их воплощение возможно в условиях реального производства, т.к. предлагаемые подшипники отличаются от базовых лишь выполнением полых со стороны основания пружинных наружных и внутренних колец. При этом обеспечивается новый положительный эффект, заключающийся в уменьшении габаритов, а также в упрощении конструкции и технологии изготовления подшипника.
Все приведенные выше варианты конструкций подшипников могут быть выполнены двухрядными.
Реальные варианты исполнения предлагаемых подшипников возможны во всем диапазоне стандартных наружных или внутренних диаметров и зависят от характера их работы. При этом привязка конструктивных параметров колец и тел качения к стандартным значениям облегчает их выбор, конструирование и изготовление, однако окончательная толщина стенок коробчатых колец может быть подобрана по результатам испытаний.
Достаточно простой из приведенных конструкций подшипников является конструкция с размещенными между его наружным и внутренним кольцами телами качения, установленными в два ряда друг над другом в шахматном порядке, разделенными между собой и удерживаемыми плоской тонкостенной кольцевой пружиной с отверстиями, которые охватывают верхние участки обращенных друг к другу тел качения, что делает пружину сепаратором, а для исключения осевых подвижек этой пружины у торцов подшипника могут быть размещены упорные кольца.
1
2
Такую конструкцию наиболее просто получить путем переделки двух близких по ширине стандартных подшипников различных серий с кратным количеством шариков, при этом используют кольца наибольшего наружного и наименьшего внутреннего диаметров из пар колец, а промежуточные кольца удаляют. Например, для радиальных шарикоподшипников 117 легкой серии и 409 тяжелой серии, у которых ширина колец соответственно равна 22 и 29 мм, внутренние диаметры равны 85 и 45 мм, наружные диаметры равны 130 и 120 мм, количество шариков 14 и 7 с диаметрами 13,5 и 23,02 мм, возможна их состыковка при удалении промежуточных колец и сепараторов, а из верхнего подшипника - и шариков через один, с последующим размещением остальных шариков в шахматном порядке между шариками нижнего подшипника, что ведет к образованию окружностей, охватывающих вершины размещенных друг между другом верхнего и нижнего рядов шариков, в диапазоне диаметров от D=130-(130-85)/2-13,5=94,0 мм, до D=45+(120-45)/2+23,02=105,52 мм, между которыми возможна установка пружинного кольца-сепаратора.
Такой сепаратор можно изготовить из упругого кольца толщиной 0,5 мм со средним диаметром 100 мм, обеспечив в нем получение отверстий, например, шлифованием, электроэрозионной или иной обработкой, при охвате кольца сепаратором от верхнего подшипника с установленными в нем инструментами, имеющими соответственно диаметр 11,54 мм, адекватный углублению верхних шариков на 3,25 мм от наружного диаметра кольца, и соответственно диаметр 15,50 мм, адекватный углублению нижних шариков на 3 мм от внутреннего диаметра кольца.
1
2
Более упрощенной является переделка двух подшипников стандартных конструкций разных серий с использованием большего наружного и меньшего внутреннего колец, близких по ширине, и двух сепараторов с телами качения, кратных по количеству, между которыми размещено кольцо, в виде гибкой тонкостенной пружины. Например, таким требованиям могут удовлетворять радиальные шариковые подшипники 112 легкой серии и 405 тяжелой серии, у которых ширина колец соответственно 18 и 21 мм, внутренние диаметры 60 и 25 мм, наружные диаметры 95 и 80 мм, количество шариков 12 и 6 диаметром 11,11 и 16,67 мм. Это позволяет состыковать подшипники при удалении в парах внутреннего и наружного колец, перекрывающих друг друга, а из верхнего сепаратора - и шариков через один, с последующим размещением остальных шариков в шахматном порядке между шариками нижнего сепаратора, что ведет к образованию волновой поверхности, охватывающей вершины размещенных друг между другом шариков верхнего и нижнего рядов, в диапазоне диаметров от D=95-(95-60)/2-11,11=66,39 мм, до D=25+(80-25)/2+16,67=69,17 мм. Для исключения осевых подвижек пружины у торцов подшипника могут быть размещены упорные кольца.
При этом затраты на переделку подшипников состоят из суммы затрат на приобретение двух пар стандартных подшипников, удаление у одного из них верхнего, а у другого - нижнего кольца, удаление из верхнего сепаратора шариков через один, изготовление пружинного кольца, двух боковых опорных колец и последующую сборку всей конструкции, которые можно оценить в 300% от стоимости базовых подшипников, что для приведенных примеров составляет около 50 у.е.
При изготовлении специальных подшипников предлагаемых конструкций возможна точная увязка формы и размеров шариков и колец во всем диапазоне, обусловленном конкретными конструкциями валов и опор, а затраты на их изготовление уменьшаются с ростом партии подшипников до 150…200% по сравнению с базовым вариантом.
Наиболее простыми в изготовлении являются подшипники с кольцами, полыми со стороны основания, т.к. их получение возможно из стандартных подшипников любых размеров при вышлифовке требуемых полостей, форма которых повторяет форму впадины кольца, а глубина полости может составлять от 1/3 до 2/3 толщины кольца, что не повышает затрат более чем на 50% от исходной стоимости подшипников. При этом технологические режимы для предлагаемых способов изготовления данных подшипников не отличаются от типовых режимов шлифования исходных колец, а затраты на их выполнение не превышают 0,1…0,25 стоимости базового подшипника.
Эффективность предлагаемых подшипников заключается в улучшении условий работы системы вал-подшипник-опора за счет исключения при пуске и торможении резонансных режимов, что повышает надежность, долговечность и другие качественные показатели их работы. При этом затраты на переделку подшипников окупаются достигаемыми качественными показателями из всех указанных выше, среди которых важнейшим является уменьшение вероятности поломки при прохождении резонансных режимов, однако их учет в денежном выражении затруднен. При этом их можно оценить условно как 0,1…0,2 цены системы. Например, для турбин ценой от 100 тыс. до 1 млн у.е. они составят от 10 до 200 тыс. у.е., что значительно перекрывает затраты на изготовление подшипников и обеспечивает такой же экономический эффект от 10 до 200 тыс. у.е.
Учитывая годовую потребность в подобных подшипниках около 1 тысяч штук, суммарный экономический эффект может составить свыше 10 млн у.е. Кроме этого обеспечивается социальный эффект за счет уменьшения поломок системы, упрощения ее обслуживания, снижения потребностей в производстве и утилизации, что в свою очередь снижает давление на окружающую среду.
Совокупность всех приведенных данных подтверждает целесообразность широкого применения предлагаемых конструкций подшипников и способов их изготовления.
В настоящее время экспериментальная партия данных подшипников испытывается на АО "Херсонские комбайны" и Николаевском НПО "Заря".