ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМИ РОЛИКАМИ И СЕПАРАТОР ДЛЯ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМИ РОЛИКАМИ
ROLLING BEARING WITH STEP ROLLERS AND CAGE FOR ROLLING BEARING WITH STEP ROLLERS

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
1m
wm1
1m
wn2
Известен подшипник качения, преимущественно крупногабаритных размеров, который содержит тела качения - ролики, выполненные двухступенчатыми. Большая ступень обкатывается только по дорожке качения наружного кольца подшипника, а меньшая ступень ролика, выполненная по меньшей мере с двумя участками, обкатывается только по дорожке качения внутреннего кольца подшипника с постоянной и одинаковой частотой вращения. Большая ступень ролика выполнена бочкообразной и контактирует с дорожкой качения наружного кольца подшипника по линии, а тела качения - ролики выполнены с отверстием, в котором расположена ось с зазором и два встроенных радиально-упорных подшипника качения. При этом должно выполняться условие сборки подшипника качения d/D=D/D=Const. Два диска выполняют роль сепараторов и не контактируют ни с телами качения, ни с кольцами основного подшипника (см. RU №2291330 МПК F16C 19/54, F16C 33/34, опубликовано 10.01.2007 г.).
1n
wm1
1m
wn2
Наиболее близким аналогом является подшипник гироскопа радиальный роликовый, который содержит внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора. Ролики выполнены двухступенчатыми. Больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника. 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 качения d/D=D/D=Const. Дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с проточкой для образования зазора с диаметром большей ступени ролика, которая выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической. При этом отношение диаметра большей ступени ролика к диаметру меньшей ступени ролика равно 2/1, а число роликов равно простому числу, например пяти (см. RU №2385422 МПК F16C 19/22, опубликовано 27.03.2010 г.).
1
1
1
2
1
2
1
2
1
2
Недостатком известного технического решения является то, что автор аналога представил подшипник с бочкообразной или круглой формой дорожки качения большей ступени ролика и соответствующей этой дорожке формы дорожки качения наружного кольца - фигур с переменными диаметрами поверхностей d и D, не дающими возможности любых исчислений. В аналоге соотношения диаметров D\D и d\d равны между собой и равны const (двум) - в действительности соотношение диаметров цилиндрических дорожек колец D\D имеет множество вариантов, соотношение диаметров цилиндрических ступеней ролика d\d имеет другое множество вариантов, а не одну общую для обоих соотношений const, равную двум. В аналоге нет формулы исчисления диаметров ступеней ролика - нет результата изобретения.
Наиболее близким аналогом сепаратора является металлический каркас для роликовых подшипников, состоящий из двух частей, расположенных по бокам роликов, между которыми обкатываются ролики, приводимые в движение множеством крепежных элементов, которые жестко соединяют несущие части каркаса и расположены параллельно осям вращения роликов, каждый из которых обкатывается между двумя крепежными элементами, которые лишены возможности вращения в боковых частях каркаса; все элементы находятся на расстоянии друг от друга (см. WO 2008040295 A1 МПК F16C 19\26, F16C 33\46, опубликовано 10.04.2008 г.)
Недостатком известного технического решения является то, что жестко привязанные к каркасу сепаратора оси трутся об тела качения, создавая дополнительный момент силы трения подшипника и приводя к износу осей сепаратора и тел качения подшипника.
Поставлена задача для подшипника с вращающимся наружным кольцом относительно неподвижного внутреннего кольца: расширить диапазон соотношений размеров диаметров дорожек колец между собой; вывести математическую формулу исчисления разных вариантов диаметров ступеней роликов для каждого из вариантов диаметров дорожек колец; повысить частоту вращения наружного кольца при прежней частоте вращения роликов по сравнению со стандартным подшипником; создать для подшипника сепаратор, снижающий трение скольжения между роликами и сепаратором.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что в подшипнике, содержащем наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, помещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнездах сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых обкатывают дорожку наружного кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра обкатывают дорожку его внутреннего кольца, диаметры дорожек наружного и внутреннего колец и диаметры большей и меньшей ступеней ролика находятся в пропорциональной зависимости, отношение D/D=d/kd=n, а отношение D/d=D/kd=m, при этом m=(n+1\k)/(n-1), где d - диаметр большей ступени ролика подшипника; d - диаметр меньшей ступени ролика подшипника; D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника (дорожки наружного кольца); D - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника (дорожки внутреннего кольца); k - произвольно выбранный коэффициент понижения частоты вращения роликов; ступени ролика и дорожек колец должны быть цилиндрическими, то есть с постоянными диаметрами.
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Приведенная зависимость m=(n+1/k)/(n-1) соотношения пар D/d=D/kd=m от соотношения пар D/D=d/kd=n позволила расширить диапазон соотношения размеров диаметров дорожек колец подшипника n, для которого можно исчислить подходящие диаметры ступеней ролика с учетом понижающего коэффициента k. Коэффициент k позволил расширить диапазон соотношения d/d, подходящего для любого из вариантов соотношения диаметров D/D. Кроме того, эта зависимость позволяет рассчитать диаметры ступеней роликов.
Задача уменьшения трения скольжения между телами качения и сепаратором решается тем, что трубки на осях сепаратора будут вращаться относительно собственных осей, приводимые во вращение телами качения. Внутреннее пространство между трубками и осями сепаратора заполнено твердым веществом с меньшим коэффициентом трения скольжения, чем коэффициент трения между телами качения и неподвижными осями сепаратора.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, он соответствует условиям патентоспособности изобретения - «изобретательский уровень» и «новизна».
Подшипник качения со ступенчатыми роликами поясняется чертежами:
Фиг.1 - геометрическая схема подшипника качения;
Фиг.2 - подшипник качения в разрезе.
Подшипник качения со ступенчатыми роликами состоит из наружного кольца 1; внутреннего кольца 2; ступенчатого ролика с большей ступенью 3 и меньшей ступенью 4, создающего редукционный эффект; сепаратора 5.
Ступенчатый ролик может быть монолитным телом или собранным из отдельных частей. Ступени 3 и 4 ролика жестко связаны между собой. Средний участок ролика с большим диаметром (большая ступень 3) катится по дорожке качения наружного кольца 1. Одновременно боковые участки ролика с меньшим диаметром (меньшая ступень 4) катятся по дорожке качения внутреннего кольца 2, разделенной по ширине на две дорожки с зазором между ними для прохождения между ними большей ступени 3 ролика.
Для разделения и приведения в движение ступенчатых роликов используется сепаратор. Каркас сепаратора выполнен в виде двух плоских шайб 5, расположенных по обеим сторонам большей ступени 3 роликов. Шайбы 5 выполнены с вырезами 6 для меньшей ступени 4 ролика. Вырезы 6 в шайбах 5 предназначены для сближения шайб на расстояние, достаточное для бесконтактного прохождения между шайбами 5 большей ступени 3 ролика. Размер и форма вырезов 6 значения не имеют.
Шайбы 5 сепаратора скользят по внутреннему кольцу 2, а между шайбами 5 и наружным кольцом 1 есть зазор 7. Можно использовать варианты, когда шайбы 5 скользят по обоим кольцам 1 и 2 одновременно, и когда шайбы 5 скользят по наружному кольцу 1, а между шайбой 5 и внутренним кольцом 2 есть зазор. Шайбы 5 сепаратора соединены между собой осями 8. Оси 8 жестко соединены с шайбами 5 сепаратора способами развальцовки концов осей 8 или сварки. Расстояние между шайбами 5 сепаратора (длина скрепляющих осей 8) выбирается достаточным для свободного вращения большей ступени 3 ролика. На скрепляющие оси 8 сепаратора надеты трубки 9 из прочного материала, свободно вращающиеся на оси 8. Пространство между осью 8 и трубкой 9 заполнено достаточно твердым материалом, имеющим минимальный коэффициент трения скольжения, выполняющим роль смазки. Боковые отверстия трубок можно закрыть пробками с отверстиями для оси 8.
За основу исчислений параметров подшипника со ступенчатыми роликами берутся наружный и внутренний диаметры роликового подшипника, по этим диаметрам определяются диаметры дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 с учетом присутствия ступенчатого ролика и по этим диаметрам исчисляются диаметры ступеней 3 и 4 ролика.
Чтобы ролик, совершив обкат одного оборота дорожки внешнего кольца относительно стационарной точки внешней дорожки (стационарная точка, жестко связанная с дорожкой - начало и конец одного оборота дорожки), совершил обкат одного оборота дорожки внутреннего кольца относительно стационарной точки внутренней дорожки, должно соблюдаться следующее условие: соотношение диаметров дорожек колец 1 и 2 между собой должно равняться соотношению диаметров ступеней 3 и 4 роликов между собой:
1
D - диаметр дорожки наружного кольца 1;
2
D - диаметр дорожки внутреннего кольца 2;
1
d - диаметр большей ступени 3 ролика;
2
d - диаметр меньшей ступени 4 ролика.
Внесем в формулу (1) коэффициент k, снижающий частоту вращения роликов относительно оси подшипника, равный от единицы до нескольких единиц и выбираемый самостоятельно:
2
2
<mrow><mtext>(</mtext><mrow><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mtext>d</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mtext>k</mtext></mrow><mtext>)</mtext></mrow>
Формула (2) равна формуле (1), для этого номинал d в формуле (2) уменьшили в k раз
одновременно с умножением d на k.
1
2
1
2
Указанное в формуле (2) соотношение n необходимо, но недостаточно. Диаметры d и d ступеней 3 и 4 ролика должны иметь строго определенные размеры, уникальные для каждого комплекса составляющих, включающего размеры диаметров D и D дорожек колец 1 и 2 и выбранный коэффициент k, только при соблюдении этих условий ролик может войти по своим размерам в конструкцию подшипника.
2
1
Нужно учесть, что применение ступенчатого ролика возможно в подшипнике с размерами колец 1 и 2 в пределах допустимого. Пределы допустимого - это пределы диаметра D дорожки качения внутреннего кольца 2 в сравнении с одним произвольно выбранным диаметром D дорожки качения наружного кольца 1 (для одного диаметра дорожки качения наружного кольца 1 подходит бесчисленное множество диаметров дорожки качения внутреннего кольца 2 в пределах максимально и минимально допустимых размеров, позволяющих конструктивно разместить между кольцами все ступенчатые функционирующие ролики).
1
1
2
2
1
2
1
2
Для исчисления необходимых диаметров ступеней 3 и 4 ролика выведена универсальная формула зависимости пропорции пар «отношение диаметра дорожки качения наружного кольца 1 к диаметру большей ступени 3 ролика» (D/d) и «отношение диаметра дорожки качения внутреннего кольца 2 к произведению диаметра меньшей ступени 4 ролика и понижающего коэффициента k» (D/kd) от пропорции пар «отношение диаметра дорожки качения наружного кольца 1 к диаметру дорожки качения внутреннего кольца 2» (D/D) и «отношение диаметра большей ступени 3 ролика к произведению диаметра меньшей ступени 4 ролика и понижающего коэффициента k» (d/kd).
Из формулы (2) следует, что отношение диаметра дорожки качения наружного кольца 1 к диаметру большей ступени 3 ролика равно отношению диаметра дорожки качения внутреннего кольца 2 к произведению диаметра меньшей ступени 4 ролика и понижающего коэффициента k:
Из фигуры 1 выведем равенство:
1
r - радиус большей ступени 3 ролика;
2
r - радиус меньшей ступени 4 ролика.
2
2
1
1
Преобразуем D и d через D и d, используя формулу (2):
1
1
Преобразуем D через d, используя формулу (3):
Запишем формулу (4), используя преобразования (5) и (6):
Преобразуем формулу (7):
Упростим формулу (8), умножив величины в скобках на n:
1
В формуле (9) сократим d и рассчитаем m - вторую из двух необходимых величин:
1
2
Зная m, D, D, выбранный понижающий коэффициент k, исчислим больший и меньший диаметры ролика, используя формулу (3):
1
2
1
2
В случае равенства коэффициента k единице при обкате большей ступенью 3 ролика с диаметром d одного оборота дорожки наружного кольца 1 меньшая ступень 4 ролика с диаметром d сделает обкат одного оборота дорожки внутреннего кольца 2, лишнего обката не будет, то есть частота вращения ролика снизится в n раз. При k более единицы меньшая ступень 4 ролика еще больше сократит длину обката дорожки внутреннего кольца. Вычисленные выше диаметры ступеней 3 и 4 ролика d и d удовлетворяют условиям сборки, обеспечивают хорошее сцепление между роликом и кольцами подшипника (большой коэффициент трения скольжения) не требующее смазки, тем самым исключая проскальзывание.
1
2
Для примера выберем произвольные размеры в любых единицах диаметров дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 подшипника D=116 и D=68, коэффициент k понижения частоты вращения ролика относительно оси подшипника, равный трем, и по ним рассчитаем диаметры большей и меньшей ступеней 3 и 4 ролика.
В соответствие с формулой (2) отношение диаметров колец 1 и 2 подшипника равно:
1
2
n=D/D=116/68=1,706
В соответствие с формулами (10) отношение диаметра наружного кольца 1 к диаметру большой ступени 3 ролика равно:
Используя формулы (11), рассчитаем диаметры большей и меньшей ступеней 3 и 4 ролика:
1
1
2
2
d=D\m=116\2,889=40,15 d=D\km=68\(3*2,889)=7,85
1
2
Пример расчета диаметров большей 3 и меньшей 4 ступеней роликов с использованием методики расчета и формул (2), (10), (11) с использованием выбранного понижающего коэффициента k показал предельную простоту расчета редукционного подшипника со ступенчатыми роликами с произвольными диаметрами D и D дорожек качения колец 1 и 2.
В результате работы подшипника без трения скольжения и лишнего пробега роликов по внутреннему кольцу, вызванному понижением частоты вращения роликов, он перестанет греться. Не будут меняться свойства металла и механические свойства подшипника, зависимые от температуры нагрева. Предсказуема экономия на фрикционной смазке для подшипника, ее можно исключить из компонентов обслуживания. Без трения скольжения снизится износ роликов и дорожек колец - не будут увеличиваться конструктивные зазоры. Без лишних зазоров не будет биения роликов о кольца подшипника, следовательно, и уровень шума упадет. Шум уменьшится и из-за отсутствия трения скольжения между кольцами и роликами подшипника и уменьшения длины и скорости пробега ролика по внутреннему кольцу. Так как уменьшится момент силы трения скольжения подшипника и лишний пробег роликов, будет снижена затрата электроэнергии на преодоление сил трения скольжения и лишний пробег роликов. В масштабах завода или режима многосменной работы подшипников экономия электроэнергии будет значительна. Ресурс работы подшипника со ступенчатыми роликами увеличится многократно по сравнению со стандартным подшипником - будет большая экономия денег и на приобретение запасных подшипников, их нужно будет менять значительно реже. Простои оборудования для ремонта или замены подшипников уменьшатся многократно - увеличится объем выпускаемой продукции и прибыли производства. Подшипник со ступенчатыми роликами может заменить дорогой подшипник для высокочастотного вращения.
Заявляемые технические решения обеспечивают расширение диапазона соотношения размеров диаметров колец подшипника, позволяющего конструктивно разместить между кольцами подшипника ступенчатые ролики с исчисленными диаметрами ступеней, позволяют повысить частоту вращения наружного кольца без повышения частоты вращения роликов относительно оси подшипника, понижают трение между сепаратором и роликами. Таким образом, технический результат достигнут.
Подшипник качения со ступенчатыми роликами может быть изготовлен на известном оборудовании с использованием современных материалов и технологий.