Полое сферическое тело качения
HOLLOW SPHERICAL ROLLING ELEMENT

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству подшипников, а также может быть использовано в качестве свободных тел качения.
Современная и перспективная техника, использующая скорости перемещения 15-20 махов и более остро нуждается в высокооборотных подшипниковых узлах, способных обеспечить высокую надежность и долговечность транспортных систем (в том числе летательных аппаратов). Однако при частотах вращения десятки и даже сотни тысяч оборотов в минуту кольца подшипников испытывают огромные перегрузки за счет воздействия на них тел качения, формируется узкая область концентраторов напряжений, что приводит к их быстрому разрушению. Одним из перспективных направлений борьбы с этим явлением является изготовление облегченных тел качения, в частности, полых шариков. Кроме уменьшенной массы, полые шарики обладают пониженной жесткостью, что позволяет при воздействии на них рабочей нагрузки упруго деформироваться, увеличивая площадь пятна контакта с кольцами подшипника и более равномерно воспринимать эту нагрузку и распределять ее по поверхности колец подшипника. Однако тонкостенная конструкция полого шарика имеет ограничения по своей прочности, что зачастую является сдерживающим фактором их использования в подшипникостроении.
В качестве заготовок полых шариков в настоящее время предлагаются различные конструктивные разновидности. Так, например, известен способ получения заготовки полого шарика из двух полусфер с кромками и кольцевыми выточками для соединения полусфер с натягом [1]. Ширина выточек приблизительно равна половине толщины металла полусферы. С целью более равномерного распределения массы шарика по сравнению со сваркой полусфер, а также для снятия концентраторов напряжений после сборки шарика вдоль шва делается пайка. Для обеспечения однородности микроструктуры металла в соединении пайка производится при высокой температуре в вакууме. К основным недостаткам этой конструкции можно отнести явный дисбаланс вращения шарика, т.е. ориентированное вращение вокруг одной оси и невозможность воспринимать значительные нагрузки вследствие разрушения сварного (паяного) шва.
Такие же недостатки имеют конструкции полых шаров [3] и [4], имеющие, как минимум, один шов.
Известна конструкция [2] (прототип) полых литых монолитных шариков, состоящих из двух полусфер. Согласно описанию патента, внутренняя поверхность литейных форм должна быть выполнена ячеистой, либо в нее должен быть заложен сетчатый каркас. Внутрь полуформ необходимо загрузить расчетное количество металла в твердом состоянии, после чего полуформы соединяют между собой и разогревают до температуры плавления металла. Температура плавления материала литейной формы и сетчатого каркаса должна быть выше температуры разогрева системы. После достижения заданной температуры литейной форме необходимо задать сложное движение по расчетной траектории, что позволит равномерно распределить расплавленный металл по поверхности формы и обеспечить требуемую толщину стенок заготовки шарика при последующем охлаждении. При охлаждении ячеистая внутренняя поверхность формы или сетчатый каркас, по мнению автора, должна вызвать зарождение кристаллов и способствовать последующему процессу кристаллизации металла. После извлечения заготовки полого шарика из формы ее необходимо подвергнуть механической обработке до получения необходимых размеров и удаления сетчатого каркаса. Однако этот способ обладает целым рядом недостатков. Во-первых, после разогрева литейной формы до температуры плавления металла, заложенного в литейную форму, из расплава выделяются газы, отвести которые из герметичной формы нет возможности, а это может привести в последующем к разрыву тонкостенной конструкции шарика. Во-вторых, технически очень сложно выполнить равномерное трехосное вращение раскаленной литейной формы. В противном случае возникнет разностенность полого шарика, что недопустимо. В-третьих, при постепенном охлаждении формы до критической температуры высока вероятность неравномерного охлаждения стенок литейной формы, что неизбежно приведет к неравномерной толщине стенок шарика и соответствующему дисбалансу его работы в подшипниковом узле. Кроме того, известно, что поверхность заготовок, полученная литьем, имеет повышенную пористость и рыхлость по сравнению со штамповаными и коваными заготовками, что неизбежно отрицательно сказывается на их прочностных свойствах. Для ответственных высокоскоростных подшипниковых узлов это недопустимо, т.к. в поры поверхности могут попадать микроотходы работы подшипников, создавая, тем самым, дополнительный дисбаланс его работы и сокращая срок их службы.
Задача заявляемого технического решения вытекает из недостатков прототипа и направлена на устранение его недостатков.
Поставленная задача решается следующим образом.
Полое сферическое тело качения, состоящее из наружной тонкостенной оболочки с внутренней полостью, содержащей силовую армирующую структуру, отличающееся тем, что наружная тонкостенная оболочка выполнена бесшовной, а ее внутренняя полость имеет форму вписанного правильного или полуправильного многогранника, на ребрах которого построены плоские силовые элементы, образующие в совокупности ячеистую силовую структуру, в которой отдельные ячейки представляют собой пирамиду с вершиной, расположенной в геометрическом центре внутренней полости. Отдельные ячейки силовой структуры в качестве основания могут иметь либо плоские, либо сферические сегменты поверхности внутренней полости. Кроме того, отдельные ячейки силовой структуры либо имеют форму полной пирамиды и смыкаются вершинами в геометрическом центре полости, либо имеют форму усеченной пирамиды без вершины. Отдельные ячейки силовой структуры могут быть выполнены не с полным комплектом граней, образуя во внутренней полости зоны с отсутствием силовых элементов.
Наружную тонкостенную сферическую оболочку выполняют бесшовной, например, методом печати на 3D принтере. Внутреннюю полость тонкостенной сферической оболочки при этом выполняют в форме правильного или полуправильного выпуклого многогранника с числом граней n≥4, вписанного в сферу, имеющую радиус:
r=d/2-Δ,
где d - наружный диаметр тонкостенной сферической оболочки;
Δ - толщина тонкостенной сферической оболочки.
При n=4 внутренняя полость имеет форму тетраэдра, при n=6 внутренняя полость имеет форму гексаэдра (куба) и т.д. при n → ∞ форма внутренней полости приближается к сфере.
На ребрах правильного или полуправильного многогранника строят тонкостенные силовые элементы плоской формы, имеющие размер основания, равный длине ребра, и ширину, убывающую до нуля по мере приближения к геометрическому центру внутренней полости.
В практических целях, исходя из требуемой жесткости полого тела качения, целесообразно число граней выбирать из соотношения:
с округлением до целого значения,
1
где Δ - толщина тонкостенных силовых элементов плоской формы.
Тонкостенные силовые элементы в совокупности образуют ячеистую структуру, причем каждая отдельная ячейка этой структуры имеет форму пирамиды с вершиной, расположенной в геометрическом центре внутренней полости. Основание ячейки может иметь плоскую форму или вогнутую, сферическую, форму в виде многогранной фигуры.
1
При  плоские грани вырождаются по форме в стержни толщиной 2Δ.
В зависимости от требований к жесткости полого сферического тела отдельные или все ячейки внутренней силовой структуры могут быть выполнены в форме не полной, а усеченной пирамиды. Кроме того, отдельные или все пирамидальные ячейки могут быть выполнены не с полным комплектом граней, образуя во внутренней полости зоны с отсутствием силовых элементов.
В результате такого конструктивного решения тонкостенные силовые элементы ячеистой структуры воспринимают нагрузку совместно с прилегающей частью тонкостенной сферической оболочки. Это позволяет уменьшить суммарную величину площади свободной безопорной части тонкостенной оболочки, что снижает величину прогиба тонкостенной оболочки до уровня ниже критической деформации, приводящей к ее разрушению.
Предложенное конструктивное решение поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 изображен правильный многогранник - додекаэдр.
На фиг. 2 изображено в разрезе полое сферическое тело качения с полостью в виде правильного многогранника (додекаэдра) и силовой ячеистой структурой, построенной на его гранях.
Полое сферическое тело качения содержит тонкостенную сферическую оболочку 1 (фиг. 2) и внутреннюю ячеистую силовую структуру 2.
На фиг. 3 изображено в разрезе полое сферическое тело качения с тонкостенной сферической оболочкой 1 и внутренняя ячеистая силовая структура 2 в форме полной пятигранной пирамиды.
На фиг. 4 изображено в разрезе полое сферическое тело качения с тонкостенной сферической оболочкой 1 и внутренняя ячеистая силовая структура 2 в форме усеченной пирамиды.
На фиг. 5 изображено в разрезе полое сферическое тело качения с тонкостенной сферической оболочкой 1 и внутренняя ячеистая силовая структура 2 в форме полной пирамиды с неполным комплектом граней.
Предлагаемое конструктивное решение позволяет:
- получить конструкцию полого сферического тела качения, позволяющую нормировать его жесткость в зависимости от эксплуатационных (расчетных) нагрузок;
- обеспечить его высокую центральную симметричность, исключая, тем самым, его дисбаланс при эксплуатации;
- обеспечить упругое демпфирование при возрастании нагрузки, с увеличением площади пятна контакта с кольцами подшипника, исключающее чрезмерную концентрацию напряжений и последующее разрушение.
- более равномерно распределять рабочую нагрузку между телами качения и рационально распределять ее по поверхности колец подшипника.
Для реализации заявляемого устройства были спроектированы и изготовлены методом 3D принтинга образцы полых сферических тел качения с внутренней силовой ячеистой структурой.
На первом этапе была разработана электронная модель и внесена в программную среду устройства с числовым программным управлением, использующего метод послойной печати детали «Fortus-250mc». Затем при помощи программного обеспечения «Cura 3D» была сформирована управляющая программа для 3D-принтера на основании разбиения на слои толщиной 0,178 мм модели дюймового полого шарика с внутренней ячеистой силовой структурой. Процесс двухэкструдерной печати выполнялся по технологии fused deposition modeling (FDM). В качестве материала использовался синтетический полимер АБС (акрилонитрил, бутадиен, стирол), обладающий высокой степенью ударопрочности и эластичности.
Литература
1. Пат.3536368 США, МКИ F16C 33/00, И 21 о 53/10. Метод изготовления полых шариков для подшипников = Method of joining and fabrication hollow members for use in rolling bearings/ R/ Eklund Phillip, L. Campbell Gabe.
2. Пат.2212979 C1 RU 7B22D 13/06. Способ изготовления полых монолитных деталей / Бочкарев П.Ю.
3. Заявка на патент ФРГ AI 2018/082740.
4. Заявка на патент США US 2016/0346627 А1.