РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК
ROLLER BEARING

Изобретение относится к роликовому подшипнику, в котором элементы качения, имеющие форму шариков, двигаются между двумя дорожками подшипника.
Известны роликовые подшипники, используемые в качестве конструктивных компонентов машинных частей. Варианты исполнения роликовых подшипников разнообразны, однако в любом случае они содержат элементы качения, двигающиеся между двумя дорожками подшипника. Дополнительные компоненты роликового подшипника могут включать в себя: разделители (сепараторы), удерживающие элементы качения на постоянном расстоянии друг от друга, у плотните льны е элементы и т.д.
Роликовые подшипники обеспечивают вращательное движение вала и, поддерживая постоянное положение оси его вращения, они также передают нагрузки, так что они могут быть охарактеризованы низким сопротивлением движению, стабильной работой, надежностью работы и сопротивлением износу, или высоким сроком службы. Для получения наименее возможных потерь энергии вследствие трения и снижения шума, возникающих в результате вибраций сопряженных компонентов, дорожки подшипника в конструктивных компонентах, которые сопрягаются с элементами качения, шлифуют, а затем подвергают окончательной отделке. Однако незначительные отличия в размерах элементов качения приводят к существенной проблеме. Изготавливаемые серийно элементы качения классифицируются по их размерам, однако достижение абсолютного единообразия размеров элементов качения на практике не представляется возможным. Например, шарики с диаметрами, отличающимися на значение до 2 мкм, вставляются в шариковый подшипник. В собранном таким образом подшипнике, который вращается, например, со скоростью 1000 об/мин, отдельные шарики, передвигающиеся по дорожкам, могут охватывать расстояния, отличающиеся даже на 20 мм за 1 минуту работы. Неравномерные нагрузки элементов качения подшипника приводят к дополнительным отличиям расстояния, охватываемого элементом качения. В роликовых подшипниках, передающих только поперечные нагрузки, двигаются элементы качения, которые не передают какую-либо нагрузку, что уравнивает охватываемое расстояние. В подшипниках, в которых все элементы качения нагружены, уравнивание расстояния, охватываемого элементами качения, имеет место вследствие проскальзывания элемента качения относительно дорожек подшипника. Для того, чтобы произошло проскальзывание, силы шарика, действующие на сепаратор или соседний шарик, должны быть увеличены до значений, превышающих силы трения скольжения. Чем выше нагрузка подшипника, тем выше силы трения скольжения. В таком случае, необходимым фактором, который обеспечивает корректное сопряжение, является смазка для смазывания роликовых подшипников. Отсутствие надлежащего смазывания является основным фактором износа подшипника. Роликовые подшипники, передающие только поперечные нагрузки, имеющие сепараторы, изготовленные из материалов с низким коэффициентом трения, могут работать без смазывания.
В описании международной заявки на получение патента № WO 2011105919 раскрыт подшипник, состоящий из двух колец, оснащенных дорожками подшипника, по которым перемещаются нагруженные элементы качения, причем на одной из дорожек подшипника расположена по меньшей мере одна канавка или выемка в направлении, поперечном направлению перемещения элементов качения. Поперечная канавка или выемка обеспечивает элементу качения возможность моментального выхода из сопряжения с одной из дорожек подшипника и движения, под действием силы сепаратора или силы соседнего элемента качения, за счет разных диаметров элементов качения и неравной нагрузки элементов качения подшипника. Отсутствие скольжения между элементом качения и дорожками, возникающее в результате использования подшипника, в соответствии с изобретением, с поперечной незаполненной канавкой или выемкой, обеспечивает возможность работы подшипника без смазывания.
Подшипники с канавками, в частности, поперечными канавками, или с вырезами или выемками в дорожках подшипника, также представлены в описаниях к следующим патентам: ЕР 375938, US 20080285903, US 1334027, JPH 07197937.
Роликовый подшипник, в котором элементы качения нагружены, оснащенный сепаратором, разделяющим элементы качения, причем на дорожке подшипника, по которой перемещаются элементы качения, расположена по меньшей мере одна канавка, согласно изобретению, характеризуется тем, что края канавки расположены под углом α от 4,5° до 80° относительно направления движения элементов качения. В сепараторе выполнены отверстия для элементов качения под наклоном, так что угол β между прямой линией, соединяющей центр сепаратора с центром отверстия для элемента качения, и касательной к элементу качения в точке контакта этого элемента с сепаратором, имеет значение β>arctg μ, где μ - это коэффициент трения скольжения при сопряжении материала элемента качения с материалом сепаратора.
Для подшипников, вращающихся в одном конкретном направлении, скосы на поверхностях контакта элемента качения с сепаратором в отверстии являются параллельными, тогда как для подшипников, вращающихся в обоих направлениях, скосы сужаются.
Предпочтительно, чтобы канавка была расположена таким образом, чтобы элемент качения мог двигаться в направлении большего диаметра дорожки подшипника.
Предпочтительно, чтобы одна из дорожек подшипника имела форму сектора сферического купола с радиусом на основе оси подшипника.
В подшипнике, в соответствии с изобретением, канавка, расположенная под наклоном относительно движения элементов качения по одной из дорожек подшипника, обеспечивает элементу качения возможность моментального выхода из сопряжения с дорожками и смещения, за счет скоса канавки, в направлении большего или меньшего диаметра дорожки подшипника. За счет этого факта, силы, прилагаемые дорожкой подшипника к элементу качения при выходе из канавки, уменьшаются. Отсутствие сил, прилагаемых дорожкой подшипника к элементу качения, обеспечивает возможность устранения сил между элементом качения и сепаратором, возникающих в результате различия расстояний, охватываемых элементами качения. Предпочтительно, чтобы смещение происходило в направлении большего диаметра дорожки подшипника, что способствует выходу элемента качения из канавки. После этого достигается увеличение срока службы подшипника приблизительно на 20%.
Расположение канавки под наклоном, по сравнению с поперечной канавкой, значительно снижает силы, прилагаемые дорожкой подшипника к элементу качения. Крутящий момент, сопротивляющийся движению, у подшипника с поперечной канавкой приблизительно в два раза больше чем у подшипника с наклонной канавкой.
В свою очередь, силы, возникающие между элементами качения и сепаратором со скошенными поверхностями отверстий для элементов качения, приводят к снижению сил, прилагаемых сепаратором к кольцу подшипника, направляющему сепаратор, что значительно уменьшает крутящий момент, сопротивляющийся движению, у подшипника. При вращающемся внутреннем кольце скорость сепаратора ниже чем скорость внутреннего кольца. Контактируя с внутренней дорожкой подшипника, сепаратор, разделяющий элементы качения, претерпевает ускорение и прижимает элемент качения. После этого, элемент качения входит в контакт с задней частью отверстия сепаратора. В зависимости от угла между направлением действия силы, прилагаемой сепаратором к элементу качения, и касательной к элементу качения в точке контакта элемента качения с сепаратором, распределение сил может быть благоприятным или неблагоприятным для работы подшипника. Возникает две силы: первая перемещает сепаратор в направлении от внутреннего кольца, а вторая представляет собой силу трения скольжения между сепаратором и элементом качения, прижимая сепаратор к внутреннему кольцу. Если сила, перемещающая сепаратор в направлении от внутреннего кольца, больше чем сила трения между элементом качения и сепаратором, то распределение сил является благоприятным для работы подшипника. Эта ситуация возникает, когда удовлетворено условие β>arctg μ, где μ - это коэффициент трения скольжения при сопряжении материала элемента качения с материалом сепаратора, а β - это угол между прямой линией, соединяющей центр сепаратора с центром отверстия сепаратора для элемента качения, и касательной к элементу качения в точке контакта этого элемента с сепаратором, или скосом сепаратора.
2
Подшипник, в соответствии с изобретением, имеет крутящий момент, сопротивляющийся движению, который в четыре-десять раз меньше чем у подшипника с поперечной канавкой и у смазанного подшипника. Подшипник, в соответствии с изобретением, предполагает возможность работы без смазывания, при этом сохраняя срок службы, сопоставимый с подшипниками, смазанными с помощью масла, жидкого смазочного материала или смазки. Компоновки подшипников с использованием двух роликовых подшипников, в соответствии с изобретением, непрерывно работали в течение более чем 20 тысяч часов, и они выполнили 2500 миллионов оборотов при продольной нагрузке 50 Н. В настоящее время, срок службы известных не смазанных подшипников, нагруженных продольной силой, составляет лишь несколько миллионов оборотов, а у смазанных смазками по типу Pb, MoS, при продольной нагрузке 50 Н, он не превышает 60 миллионов оборотов.
Конструктивное решение, в соответствии с изобретением, предполагает значительные эффекты в обычных шариковых подшипниках, конических шариковых подшипниках, магнитных шариковых подшипниках, четырехточечных шариковых подшипниках, шариковых подшипниках для поворотных цапф, нагруженных продольными и поперечными силами.
Объект изобретения проиллюстрирован на чертежах, на которых на Фиг. 1 показано поперечное сечение обычного шарикового подшипника с сепаратором, на Фиг. 2а и Фиг. 2b показано поперечное сечение варианта реализации канавки в направлении вправо и влево относительно направления движения элемента качения по дорожкам подшипника, на Фиг. 3а и Фиг. 3b показано смещение элемента качения в направлении большего диаметра, на Фиг. 4а, Фиг. 4b, Фиг. 5а, Фиг. 5b, Фиг. 6, Фиг. 7а и Фиг. 7b показан фрагмент сепаратора и силы, прикладываемые сепаратором к элементам качения, а на Фиг. 8 показан пример компоновки подшипника на двух подшипниках с канавками справа.
Вариант реализации подшипника, в соответствии с изобретением, который показан на Фиг. 1, представляет собой однорядный шариковый подшипник. Подшипник состоит из внешнего кольца 1, внутреннего кольца 2, элементов качения, имеющих форму шариков 3, и сепаратора 7. Элементы качения катаются по внешней дорожке 5 подшипника и внутренней дорожке 6 подшипника. Во внутренней дорожке 6 подшипника выполнена наклонная канавка 4. Канавка 4 расположена под наклоном относительно направления движения элементов 3 качения, при этом направление движения обозначено стрелкой на Фиг. 2а и Фиг. 2b. При попадании в область канавки 4, элемент 3 качения временно выходит из сопряжения с дорожками 5 и 6, и за счет скоса канавки 4 смещается в направлении дорожек подшипника большего диаметра от диаметра d1 к диаметру d2, как показано на Фиг. 3а и Фиг. 3b. Это обеспечивает возможность плавного начала сопряжения обеих дорожек 5 и 6, когда элемент 3 качения выходит из канавки 4.
1
2
1
2
Как показано на Фиг. 4а-7b, элементы 3 качения расположены в сепараторе 7 в отверстиях, выполненных под наклоном, а угол наклона скоса β между прямой линией ОО, соединяющей центр O сепаратора 7 с центром О отверстия для элемента 3 качения, и касательной к элементу 3 качения в точке контакта этого элемента с сепаратором 7 имеет значение β>arctg μ, где μ - это коэффициент трения сопряжения материала элемента 3 качения с сепаратором 7.
r
b
Как показано на Фиг. 4а, в сепараторе 7, который направляется по внутреннему кольцу 2, вращающемуся со скоростью вращения n, сила, поднимающая сепаратор 7 вверх, Fu=Fs sinβ, возникает в точке контакта между сепаратором 7 и элементом 3 качения. Цель этой силы заключается в уменьшении воздействия сепаратора 7 на кольцо подшипника, направляющее сепаратор 7. Эта сила должна быть больше чем сила Ft=Fn μ, которая представляет собой силу трения между элементом 3 качения, вращающимся со скоростью вращения n, и сепаратором 7, в точке контакта этих элементов, где Fn=Fs cosβ; Fs - это сила, прилагаемая сепаратором 7 к элементу 3 качения; μ - это коэффициент трения скольжения при сопряжении материала сепаратора 7 и материала элемента 3 качения. Условие β>arctg μ является результатом этих уравнений. В случае, когда сепаратор 7 изготовлен из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), а элементы качения изготовлены из стали 100Cr6, коэффициент трения скольжения между этими материалами составляет μ=0,4. Затем, в соответствии с формулой β>arctg μ, угол наклона скоса сепаратора должен составлять β>22°.
На Фиг. 4b показано распределение сил, когда моментальная угловая скорость сепаратора 7 больше чем угловая скорость элемент 3 качения.
На Фиг. 5а и Фиг. 5b показано распределение сил между сепаратором 7 и элементом 3 качения в случае вращения внутреннего кольца 2 подшипника в обоих направлениях.
r
На Фиг. 6 показано распределение сил между сепаратором 7 и элементом 3 качения в случае направления сепаратора 7 по внешнему кольцу 1, при этом внутреннее кольцо 2 вращается со скоростью вращения n.
r
На Фиг. 7а и Фиг. 7b показано распределение сил между сепаратором 7 и элементом 3 качения в случае направления сепаратора 7 по внешнему кольцу 1, при этом внутреннее кольцо 2 вращается в обоих направлениях со скоростью вращения n.
На Фиг. 8 показан пример компоновки подшипника на двух подшипниках с канавками 4 справа. Направления канавок 4 относительно элементов 3 качения, движущихся по дорожке подшипника, дают более предпочтительное распределение сил между элементом 3 качения и дорожками при прохождении через канавку 4. Для получения предварительной нагрузки подшипников используется пружина 8.