ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ РАДИАЛЬНО-УПОРНЫЙ С КОНИЧЕСКИМИ РОЛИКАМИ ДВУХЪЯРУСНЫЙ
TWO-STAGE 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 10 000/1.
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.
Можно предположить, что явление «шимми» на переднем носовом колесе самолета происходит по вине двух подшипников качения с коническими роликами, когда последние подклинивают и расклиниваются поочередно при вращении колеса, где подключается в работу расклинивания еще и торсионный момент на оси колеса.
От высокой температуры нагрева букс колес вагонов 55% от общего числа вагонов из составов отбраковываются на замену подшипников. При работе в реверсивном режиме на прокатных станах первыми выходят из строя сепараторы на 4-рядных подшипниках качения с коническими роликами, подшипники продолжают работать, но уже на трении скольжения без качения тел качения. 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…
Потери в машиностроении от износа и трения достигают 4…5% национального дохода.
Сопротивление трения не просто теряется, а превращается в теплоту, нагревая узлы машин, что поглощает в мире 30…40% вырабатываемой в течение года энергии. От 30…40% от числа всех техногенных катастроф приходится на стандартные подшипники «качения», а 80…90% отказов машин происходит от износа узлов и деталей машин, …30% рабочих от числа всех рабочих заняты на ремонте машин.
От нагрева букс горят скаты на грузовых машинах, автобусах, троллейбусах. Допускаемая скорость от 5 до 15 м/с.
Известны подшипники качения с коническими роликами по патенту RU №2232926 фиг.7 и 8 однорядный и двухрядный. 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 с, 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 уменьшается в 500 раз даже при реверсивной работе подшипника.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения, например, до скорости 25…50 м/с;
- обеспечить чистое качение телам качения без проскальзывания двум ярусам роликов при обкатывании по дорожкам качения подшипника;
- обеспечить радиальное биение, например, ±2 мкм.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что угол между образующей ролика нижнего яруса и образующей большей ступени ролика верхнего яруса равен, например, от 18 до 30°, при этом радиальное биение подшипника составляет, например, ±2 мкм.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиально-упорный с коническими роликами двухъярусный. В нижнем ярусе подшипника расположены тела качения конического типа в один ряд, а в верхнем ярусе тела качения выполнены двухступенчатыми конического типа, расположенными в один ряд.
На фиг.2 дано сечение А-А, на котором стрелками даны направления вращения колец, тел качения и сепараторов как в нижнем, так и в верхнем ярусах. Приведены точками поверхности линейных контактов тел качения с дорожками качения.
Подшипник качения радиально-упорный с коническими роликами двухъярусный состоит из наружного кольца 1, тел качения 2 двухступенчатого типа, выполненных в виде конических роликов, конических роликов 3 нижнего яруса, нижнего кольца 4 с дорожкой качения и высоким бортом, среднего кольца 5, выполненного с двумя бортами и двумя дорожками качения, в верхнем ярусе ролики 2 содержат подпятник 6, выполненный в виде шарика и обоймы, а в нижнем ярусе ролики 3 содержат по два подпятника 7, установленных по оси вращения роликов 2 и 3, контактирующих с высокими бортами колец 4 и 5. Ролики 2 и 3 равномерно расположены в гнездах сепараторов 8 и 9.
Большие ступени роликов 2 контактируют только с дорожкой качения наружного кольца 1, а два участка меньших ступеней ролика 2 контактируют только с дорожкой качения среднего кольца 5, которая содержит кольцевую проточку для расположения с зазором большей ступени ролика 2. Контакт большей ступени и двух участков меньших ступеней роликов 2 проходит по линии с ответными дорожками качения кольца 1 и 5. Контакт роликов 3 проходит по линии с ответными дорожками качения колец 4 и 5. Следует отметить, что число роликов 2 в верхнем ярусе, например, может быть равно числу роликов в нижнем ярусе или быть больше, чем достигается повышенная грузоподъемность и снижается нагрузка на подпятники 6 в верхнем ярусе роликов. При этом должно выполняться условие сборки подшипника:
где d1m - диаметр дорожки качения нижнего кольца 4;
Dwm1 - больший диаметр ролика 3;
D1m - диаметр дорожки качения среднего кольца 5;
Dwm2 - меньший диаметр ролика 2;
D2m - диаметр дорожки качения наружного кольца 1;
Dwm3 - больший диаметр ролика 2.
Следует отметить, что для подшипника может быть достаточным условие сборки верхнего яруса:
.
А для ролика 3 нижнего яруса достаточным будет выбор конусности. Данный угол должен быть не самотормозящим и равным 8°…10°, как пример.
Условием надежной работы подшипника выступает угол α, угол между образующей большей ступени ролика 2 и образующей ролика 3. Данный угол должен быть не самотормозящим и равным, например, 18°…24°…30°, что устраняет возможность самозаклинивания роликов 2 и 3 при работе подшипника.
Самозаклинивание ролику 3 не грозит, так как он зафиксирован, однако малый угол α влияет на момент трения при начале вращения подшипника.
Подшипник качения на фиг.1 и 2 работает следующим образом: при вращении вала получает вращение кольцо 4, ролики 3 обкатываются без проскальзывания по дорожкам качения кольца 4 и кольца 5. Кольцо 5 получает вращение в противоположную сторону (см. фиг.2) по отношению к направлению вращения кольца 4.
Меньшие ступени, два их участка, роликов 2 получают вращение от контакта с дорожкой качения среднего кольца 5 в противоположную сторону по отношению к вращению роликов 3, а большие ступени роликов 2 обкатываются только по дорожке качения наружного кольца 1 с постоянной и одинаковой частотой вращения в верхнем ярусе.
Следует отметить, что осевую нагрузку в верхнем ярусе несут подпятники 6, установленные по оси вращения ролика 2 и контактирующие в точке с высоким бортом кольца 5. А нижний ролик 3 жестко зафиксирован с двух сторон высокими бортами, контактирующими с двух сторон с подпятниками 7 ролика 3. При работе подшипника ролики 3 и 2 лишены возможности осевой податливости. Угол конусности ролика 3 и 2 должен быть равен, например, 8°…10°…12°, быть не самотормозящим.
В данном подшипнике работа роликов 2 проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения.
Подшипник качения радиально-упорный с коническими роликами двухъярусный воспринимает радиальную нагрузку и осевую нагрузку в одну сторону.
Если подшипники установить навстречу друг другу, то они будут воспринимать осевую нагрузку в обе стороны.
Данный подшипник является «пионерским изобретением» и впервые может называться подшипником качения с коническими роликами двухъярусным, работающим в условиях чистого качения с коэффициентом трения качения, равным, например, 0,0003. А до этого подшипника «качения» не было, была муфта трения, муфта сцепления, машина трения, работающая с очень низким КПД и с нагревом до 700°С.
Подшипник качения нового типа по сравнению со стандартными подшипниками имеет преимущества:
- обеспечивает чистое качение без скольжения тел качения относительно дорожек качения колец подшипника;
- обеспечивает осевую нагрузку через подпятник, который установлен на оси ролика и воспринимает нагрузку в точке;
- снижает нагрев подшипника до 50°С…80°С;
- уменьшает расход смазки в пять раз;
- уменьшает шум, например, до 60 дБ только за счет вращения роликов в противофазе, когда окружные скорости вращения роликов различны, а при выполнении условия сборки:
,
окружные скорости роликов первого и второго ярусов равны, шум составит от 20 до 40дБ;
- долговечность, как недостаток, возрастет в десять - пятьдесят раз;
- повышает мощность приводов, например, до 20%;
- дает возможность подшипнику занять почетную нишу среди подшипников качения, работающих в условиях чистого качения, бесшумно, и в аварийных условиях, без смазки до 20 часов;
- сокращает расход топлива на грузовых и легковых автомобилях, например, до 20% и более;
- новый подшипник выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников «качения».
- Впервые предложено «пионерское изобретение» подшипника качения радиально-упорного с коническими роликами двухъярусного, который при резком экстренном торможении вала не изнашивается, а его тела качения продолжают обкатываться по инерции, но с затухающей скоростью.
Экономическая эффективность
Подшипник качения нового типа позволяет экономить млн тонн металла;
повышает долговечность и надежность, предотвращает аварии и катастрофы на дорогах, в морском и воздушном флотах, сокращает число ремонтных бригад и ремонтных мастерских, депо;
улучшает центровку валов, радиальное биение в пределах ± 2 мкм;
улучшает экологию - шум не более 30дБ;
экономит смазку в пять раз.
Подшипник допускает экстренное торможение, среднее кольцо работает как маховик, ролики продолжают обкатываться без скольжения - износ по роликам отсутствует.
В стандартных подшипниках абразивный износ присутствует даже при работе в масле.