Упорный подшипник скольжения

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к упорным подшипниковым узлам скольжения, и может быть использовано в узлах трения машин и механизмов.
Известны упорные подшипники скольжения, предназначенные для восприятия больших осевых нагрузок, имеющие подшипниковый узел скольжения, содержащий корпус, упорный диск, смонтированный на валу и опирающийся на самоустанавливающиеся на радиальных ребрах сегменты, размещенные на промежуточных элементах с радиальными опорными выступами (патент США №3764, НПК кл. 308.160, 1973 г.; SU №562680, МПК F16С 17/04 от 13.08.73 г.; патент Японии №52-2050, МПК F16С 17/0; RU №1745004, МПК F16С 17/04, 1994 г.; RU №2162171, МПК F16С 17/04 от 20.01.2001 г.) и другие.
Недостатком такой конструкции является ее сложность и недостаточная плотность прилегания трущихся поверхностей, что снижает надежность работы подшипникового узла, а также то, что эти подшипники не могут воспринимать комбинированную внешнюю нагрузку.
Наиболее близким аналогом предполагаемого изобретения является упорный подшипник скольжения, содержащий два противоположных опорных кольца, воспринимающих внешнюю нагрузку, и расположенную между ними антифрикционную кольцевую прокладку (RU №2242645 МПК F16С 17/04 от 20.12.2004 - прототип). В качестве одного из колец служит металлическая ступица с фланцем, на котором закреплено сплошная антифрикционная кольцевая прокладка, а другое прижимное кольцо выполнено в виде самоустанавливающихся колодок с окнами для антифрикционных накладок, используемых в виде вкладышей и свободно расположенных в окнах прижимного кольца, причем рабочая поверхность антифрикционных вкладышей выступает над торцевой поверхностью прижимного кольца. За счет деформации маложестких самоустанавливающихся колодок под действием внешней нагрузки на подшипник обеспечивается плотное прилегание трущихся рабочих поверхностей подшипника.
Недостатком данного подшипника является сложность конструкции, что повышает затраты на его изготовление, и то, что подшипник имеет ограниченные эксплуатационные свойства, так как возможны перемещения и вибрации в поперечном направлении из-за наличия радиального зазора, подшипник не допускает действие на него комбинированной нагрузки.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение его эксплуатационных возможностей и упрощение конструкции.
Указанная техническая задача решается тем, что в упорном подшипнике скольжения, содержащим два противоположных опорных кольца, воспринимающих внешнюю нагрузку, и расположенную между ними антифрикционную кольцевую прокладку, рабочие поверхности опорных колец и антифрикционная прокладка имеют тороидальную форму, расположены аксиально относительно оси подшипника, радиус профиля выпуклой рабочей поверхности одного из опорных колец выполнен меньше радиуса вогнутого профиля рабочей части другого опорного кольца на толщину антифрикционной прокладки, а высота профиля вогнутой рабочей части опорного кольца определяется неравенством:
h≥0,1r,
где r - радиус профиля впадины рабочей части опорного кольца, мм;
h - высота его рабочей части, мм
Так как рабочие поверхности опорных колец и кольцевая антифрикционная прокладка имеют тороидальную форму и так как они расположены аксиально относительно оси подшипника, то прижимаясь одна к другой под действием внешней нагрузки они тем самым препятствуют возможности возникновения перемещения и вибрации в радиальном направлении подшипника, а также обеспечивают возможность воспринимать радиальную нагрузку. Это расширяет их эксплуатационные свойства. Этому способствует ограничение величины соотношения между высотой и радиусом профиля рабочей поверхности, так как при несоблюдении данного условия случайные радиальные силы, возникающие а процессе эксплуатации, могут вызвать смещение оси колец. А вследствие того, что подшипник имеет всего два опорных кольца и кольцевую прокладку между ними, то это упрощает конструкцию подшипника и снижает затраты на его изготовление.
Сущность технического решения поясняется чертежами, на которых изображено: на фиг. 1 - подшипник в поперечном разрезе; на фиг. 2 - выноска рабочей части подшипника.
На рисунках используются следующие обозначения:
1 - верхнее опорное кольцо подшипника;
2 - нижнее опорное кольцо подшипника;
3 - антифрикционная прокладка.
n
ν
n
Упорный подшипник скольжения содержит верхнее опорное кольцо 1, нижнее опорное кольцо 2, изготовленные из полиамида, и расположенную между ними антифрикционную кольцевую прокладку 3, изготовленную из фторопластового материала, например Ф4К15М5. Рабочие поверхности опорных колец и фрикционная прокладка расположены аксиально относительно оси подшипника и имеют тороидальную форму с концентрически расположенными профилями. Диаметр окружности центра профиля тороидальных поверхностей равен D. Толщина антифрикционной кольцевой прокладки равна δ. Рабочая часть нижнего опорного кольца 2 имеет выпуклый профиль радиусом r, рабочая часть верхнего опорного кольца имеет вогнутый профиль с радиусом r=r+δ. Высота вогнутого профиля рабочей части подшипника должна составлять:
где r - радиус профиля впадины рабочей части опорного кольца, мм.
Упорный подшипник скольжения работает следующим образом. Подшипник нагружают осевой силой А, а одному из опорных колец, например, верхнему кольцу 1, придают вращение или качание вокруг оси подшипника. При условии соблюдения выражения (1) под действием внешней осевой нагрузки А рабочие поверхности опорных колец 1 и 2 и поверхности антифрикционной кольцевой прокладки 3 создают устойчивое соединение, которое обеспечивает соосность контактирующих деталей, препятствует непреднамерн-ным перемещениям и вибрациям подшипника в радиальном направлении. При необходимости к подшипнику может быть приложена радиальная нагрузка R. Это расширяет эксплуатационные свойства подшипника.
Компенсацию погрешностей изготовления подшипника, препятствующих плотному прилеганию контактирующих рабочих поверхностей, более рационально, чем в известных аналогах, можно обеспечить за счет выбора материалов деталей подшипника с ограниченным модулем упругости. С этой целью опорные кольца 1 и 2 подшипника следует изготавливать из полиамида, а антифрикционную кольцевую прокладку 3 - из фторопласта, в том числе с различными антифрикционными наполнителями. Модуль упругости фторопластовых материалов колеблется в десятки раз, что позволяет обеспечить плотное прилегание контактирующих поверхностей при различной внешней нагрузки и обеспечить требуемую жесткость подшипника. Это существенно упрощает конструкцию подшипника и способствует снижению затрат на его изготовление.
Пример. Рассмотрим конструкцию подшипника 1118-2902840, используемого в верхней опоре передней подвести автомобилей семейства ВА3 - Калина, Приора, Гранта. Верхний и нижний опорные кольца изготовили из стеклонаполненного полиамида ПА6. Между кольцами установили кольцевую прокладку, изготовленную из фторопласта Ф4К15М5 с модулем упругости Е=800 МПа и коэффициентом Пуассона μ=0,4. Габаритные размеры подшипника: отверстие 61 мм, наружный монтажный диаметр 80 мм., высота Н - 12 мм. Осевая динамическая нагрузка на подшипник составляет А=9550 Н. Радиальная динамическая нагрузка равна R=1250 Н.
ν
n
ν
Антифрикционную кольцевую прокладку выполнили толщиной δ=1 мм. Профиль рабочей части верхнего опорного кольца выполнили вогнутым с радиусом профиля r=5 мм. Профили рабочей части нижнего опорного кольца выполнили выпуклым с радиусом профиля r=r-δ=4 мм. Диметр окружности центра профиля опорных колец и антифрикционной прокладки выполнили равным D=75 мм.
Так как на подшипник помимо осевой действует и радиальная нагрузка, то для предотвращения смещения верхнего опорного кольца относительно оси вращения подшипника под действием этой нагрузки его рабочая поверхность должна иметь высоту профиля, определяемую из равенства:
Выражение (2) получено исходя из равновесия сил, под действием которых опорное кольцо с вогнутой рабочей поверхностью может быть сдвинуто относительно оси подшипника под действием радиальной силы R, и сил препятствующих этому, возникающих под действием осевой нагрузки А. Подставляя в равенство (2) заданные параметры подшипника, имеем:
что составляет h=0,23r.
Таким образом, условие, выраженное зависимостью (1) соблюдается. Принимаем h=1,2 мм. По принятой высоте рабочего профиля определяем потребную ширину полоски контакта:
n
ν
Тогда антифрикционная прокладка должна иметь диаметры: наружный d=D+b=75+6,5=81,5 мм; и внутренний d=D-b=75-6,5=68,5 мм.
Если на подшипник не действует радиальная нагрузка, то высота профиля может быть меньше и определяться равенством (1). В этом случае обеспечивается надежное центрирование верхнего и нижнего опорных колец, предотвращаются вибрации и непредвиденное смещение осей колец подшипника под действием динамических факторов. Все это повышает и расширяет эксплуатационные свойства подшипника. Кроме того подшипник прост в конструкции и в изготовлении, что снижает затраты в производстве.
Упругие свойства фторопластовой антифрикционной прокладки обеспечивают компенсацию погрешностей изготовления подшипника. Например, если толщина прокладки будет меньше заданной и равной δ=0,9 мм, то начальный ее контакт с профилем впадины верхнего опорного кольца и с профилем выпуклости нижнего опорного кольца будет линейным. С учетом теории упругого контакта тел с начальным линейным контактом [Спришевский А.И. Подшипники качения. М. Машиностроение, 1968, 632 с.] находим для линейного контакта требуемый модуль упругости материала прокладки, при которой будет плотное прилегание деталей под действием внешней нагрузки:
k
n
где r=r+δ=4,9 мм.
Подставляя эти значения в формулу (3), найдем:
Как видно, модуль упругости выбранного нами материала вполне соответствует требованию компенсации указанной погрешности.
Таким образом, предложенная конструкция обеспечивает повышение эксплуатационных свойств подшипника и простоту изготовления, что соответствует поставленной задаче.