ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЙ С КОНИЧЕСКИМИ РОЛИКАМИ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
CAGELESS RADIAL-STOP ROLLING BEARING WITH CONIC ROLLERS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Подшипники качения радиально-упорный с коническими роликами однорядный, двухрядный, четырехрядный - известны.
Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца, с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде конических роликов, установленных в гнездах сепаратора.
Одним из недостатков известных стандартных подшипников качения при их эксплуатации является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения. Отношение пути скольжения к пути качения тел качения в подшипнике относится по величине как 15/1…60/1 и более, и отношение трения скольжения к трению качения имеет величину 500/1 и 10000/1.
Кроме этого при вращении внутреннего кольца подшипника, например, вправо, наружное кольцо должно вращаться влево, но, как правило, оно защемлено. По этим причинам подшипник греется от 100 до 700°С.
Углы конуса на конических роликах часто составляют от 30° до 3° - данные углы самотормозящие. При осевом перемещении наружного кольца подшипник подклинивает или заклинивается - по этой причине происходят аварии на дорогах по причине «юза» передних колес, установленных на двух подшипниках с коническими роликами. Так как упругий гистерезис не дает роликам возможность сделать ход назад по дорожкам качения двух колец подшипника.
Имеются случаи поломки сепараторов при реверсивных работах подшипников. Тела качения претерпевают высокую температуру нагрева в контакте торцов роликов с силовым бортом внутреннего кольца, до цветов побежалости с нагаром смазывающего материала… Конический ролик, как правило, катится по внутренней дорожке качения кольца одной точкой, все остальные точки и поверхности - скользят.
К недостатку подшипников с коническими роликами относится и малая допускаемая скорость от 5 до 15 м/с.
Потери в машиностроении от износа и трения достигают 4…5% национального дохода. Сопротивление от трения поглощает в мире 30…40% вырабатываемой в течение года энергии. 80…90% отказов машин происходит от износа узлов и деталей машин … 30% рабочих от числа всех рабочих заняты на ремонте машин. Горят скаты машин от нагрева букс на грузовых машинах, автобусах, … троллейбусах.
Известен подшипник качения с коническими роликами по патенту RU №2232926, фиг.7 - однорядный. Подшипник качения состоит из наружного кольца, тел качения - роликов, выполненных двухступенчатыми конического типа, равномерно расположенных в гнездах сепаратора, внутреннего кольца, при этом большие ступени роликов контактируют только с дорожкой качения наружного кольца, а два участка меньших ступеней контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца, с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника:
а, по меньшей мере, одна дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена, по меньшей мере, с одной проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, а больший диаметр ступени ролика и его два участка с меньшим диаметром выполнены коническими.
Условие сборки выполняется, и в результате имеем чистое качение тел качения как по наружной, так и по внутренней дорожкам качения колец подшипника.
Нагрузка на сепаратор снижается в 500 раз даже при реверсивной работе подшипника.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения, например, до скорости 30…50 м/с;
- обеспечение чистого качения телам качения без проскальзывания;
- обеспечить повышенную грузоподъемность, например, на 50%;
- обеспечить надежность и долговечность, как недостаток, например, до 20000 часов;
- снизить шум при работе подшипника до 30…50дБ;
- обеспечить работу в аварийных условиях без смазки, например, до 10 часов.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что элемент опорного торца принадлежит кольцу, установленному, например, на цилиндрическом участке наружного кольца по посадке и содержит защитную шайбу, которая несет лабиринтное уплотнение, выполненное, например, из скользкой резины, и контактирует с участком внутреннего кольца, при этом меньшие ступени роликов верхнего яруса равны по размеру диаметрам сферических шариков нижнего яруса, а, по крайней мере, часть сферических шариков или все выполнены со средним соединительным звеном, которое жестко соединяет их, например, при помощи лазерной сварки.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиально-упорный с коническими роликами бессепараторный. На фиг.2 дано сечение А-А с указанием точек и линий контакта тел качения с дорожками качения наружного и внутреннего колец подшипника, а также указаны стрелками направления качения тел качения, кольца подшипника и перемещение комплекта тел качения по дорожкам качения. На фиг.3 приведена развертка положения тел качения.
Подшипник качения радиально-упорный с коническими роликами бессепараторный состоит из наружного кольца 1 конического типа, тел качения 2, расположенных в верхнем ярусе, выполненных в виде конических роликов, на которых выполнены две радиусные проточки, тел качения 3 и 4, выполненных в виде сферических шариков и расположенных в нижнем ярусе с диаметрами Dwm1 и Dwm2, внутреннего кольца 5, у которого на внешней стороне конического типа выполнены две дорожки качения радиусного типа. При этом конический ролик 2 тремя своими участками контактирует по линии только с дорожкой качения наружного кольца 1, а тела качения 3 и 4 контактируют только с дорожками качения внутреннего кольца 5, а каждый из сферических роликов 3 и 4 дополнительно контактирует двумя точками с соседними роликами верхнего яруса.
Таким образом, ролик 2 верхнего яруса имеет контакт в семи местах - три линейных с дорожкой качения наружного кольца и четыре пятна контакта со сферическими шариками 3 и 4 нижнего яруса.
Следует заметить, что сферические шарики 3 и 4 контактируют по трем точкам.
На большем диаметре по оси ролика 2 в расточке установлен подпятник 6, выполненный, например, из шарика, последний содержит обойму 7 и тарельчатую пружину 8.
Подпятник 6 контактирует с опорным торцом высокого борта, выполненного на кольце 9, который установлен по посадке на цилиндрическом участке наружного кольца 1. Кольцо 9 содержит защитную шайбу 10, которая жестко установлена, а снизу она содержит лабиринтное уплотнение, выполненное, например, из скользкой резины, и контактирует с участком внутреннего кольца 5.
Подпятник 6 воспринимает осевую нагрузку от конического ролика 2. Тарельчатая пружина 8 выполнена, например, из бериллиевой бронзы, а обойма 7 выполнена, например, из углепластика. При этом должно выполняться условие сборки подшипника:
1m
где d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
wm1
D - диаметр шарика 3 нижнего яруса;
2m
d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
wm2
D - диаметр шарика 4 нижнего яруса;
2m
D - диаметр дорожки качения наружного кольца;
wm3
D - большая ступень ролика верхнего яруса.
Надо заметить, что конический ролик 2 содержит больший диаметр ролика, равный Dwm3, и два участка - меньших ступеней ролика с диаметрами Dwm1 и Dwm2, последние равны по величине диаметрам сферических роликов Dwm1 - диаметру шарика 3 и Dwm2 - диаметру шарика 4.
Угол α между образующей ролика 2 верхнего яруса и образующей сферических роликов 3 и 4 нижнего яруса равен, например, от 10° до 20° и является не самотормозящим.
А, по крайней мере, часть шариков 3 и 4 или все могут быть выполнены со средним соединительным звеном 11 (см. фиг.3), которое жестко соединяет их, например, при помощи лазерной сварки, что устраняет возможность потери продольной устойчивости роликом 2.
Подшипник необходимо устанавливать на вал, обеспечивая тепловой зазор в осевом направлении, например, равный от 15 мкм до 25 мкм.
Подшипник качения на фиг.1, 2 и 3 работает следующим образом: при вращении вала кольцо 5 получает вращение вправо, шарики 3 и 4 обкатываются без скольжения по дорожкам качения кольца 5 влево. Конические ролики 2 от контакта с шариками 3 и 4 получают вращение вправо и обкатываются без скольжения по дорожке качения наружного кольца 1 своими тремя участками с линейными контактами без проскальзывания.
Весь комплект роликов 2 и шариков 3 и 4 перемещается влево ровно в два раза медленнее, чем вращение кольца 5. Тела качения 2, 3 и 4 вращаются с одинаковой и постоянной частотой вращения. Окружные скорости роликов 2 и шариков 3 и 4 равны в силу выполнения условия сборки подшипника.
Равенство окружных скоростей и вращение роликов и шариков во взаимно противоположные стороны - в противофазе, снижает шум, например, до 30…50 дБ.
Отсутствие сепаратора позволяет подшипнику работать и в условиях реверса с более высокой скоростью, например, 30…50 м/с и более, а коэффициент трения качения в подшипнике будет находиться в пределах, например, от 0,0003 до 0,00003.
Предложенный подшипник качения с коническими роликами бессепараторный позволяет:
- обеспечить чистое качение телам качения без проскальзывания;
- устранить скольжение торца ролика с силовым бортом кольца, за счет установки подпятника по оси ролика, и контактирующего с силовым бортом в точке;
- обеспечить более высокую частоту вращения даже в условиях реверса, например, до скорости 30…50 м/с;
- обеспечить повышенную грузоподъемность как радиальную, так и осевую, например, на 50%, за счет увеличения длины ролика, двух рядов шариков нижнего яруса и увеличенного числа контактов роликов и шариков между собой, устранить нагрев тел качения, за счет отсутствия сепаратора и увеличенного числа рабочих тел качения;
- снизить шум при работе подшипника до 30…50 дБ, за счет работы с постоянной и одинаковой частотой вращения тел качения и вращением их в противофазе;
- снизить количество смазки в пять раз, так как нет необходимости выносить из зоны работы тел качения продуктов износа при скольжении большим количеством смазки, последняя предназначалась и для снижения температуры нагрева, а по сути увеличивала температуру нагрева, увеличивала и сопротивление качению тел качения;
- обеспечить работу подшипнику и в аварийных условиях без смазки, например, до 10 часов.
Впервые предложено «пионерское изобретение» на конический подшипник радиально-упорный с коническими роликами, который обеспечивает чистое качение подшипнику с коэффициентом трения качения, равного, например, 0,0003…0,00003, и решающего сразу множество проблем и парадоксов при отсутствии сепаратора. Новый подшипник выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников «качения».
Новый подшипник может заполнить еще свободную нишу подшипников качения радиально-упорных с коническими роликами и бессепараторных, почетную нишу среди бессепараторных, работающих на трении чистого качения без проскальзывания.
Экономическая эффективность
Есть альтернативная замена стандартному коническому подшипнику с коническими роликами.
Данный подшипник можно устанавливать на вал навстречу друг другу как и радиально-упорные подшипники качения, обеспечивая радиальное биение вала в пределах ±2 мкм, чем повысить точность установки и центровки валов шпинделей станков и шлифовальных головок с высокой надежностью и долговечностью, например, до 20000 часов и более, что устранит возможность заклинивания и аварий при эксплуатации, увеличить и межремонтные циклы до 20000 часов. Новый подшипник качения позволят значительно снизить нагрев подшипника, например, до 50…60°С.