ОДНОРЯДНЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ
SINGLE-ROW SPHERICAL ROLLER BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в узлах машин и механизмов с повышенным перекосом валов для восприятия значительных внешних нагрузок.
Известен однорядный сферический роликовый подшипник [патент на полезную модель RU 96403, МПК F16C 19/22 (2006.01), F16C 19/34 (2006.01), F16C 23/08 (2006.01), F16C 33/36 (2006.01); Опубл. 27.07.2010 г., Бюл. №21], содержащий наружное кольцо с тороидальной дорожкой качения, внутреннее кольцо со сферической дорожкой качения, конические тела качения с вогнутым профилем, сопряженным с дорожками качения, сепаратор для разделения тел качения. Подшипник воспринимает в основном осевую и незначительную радиальную нагрузки.
Основным недостатком данного подшипника является ограниченная область применения вследствие восприятия в процессе эксплуатации в основном осевой нагрузки и незначительной радиальной, что обусловливает невысокую грузоподъемность при отсутствии возможности восприятия различных сочетаний радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующих на подшипник.
Известен однорядный сферический роликовый подшипник качения [патент на изобретение RU 2509235, МПК F16C 19/22 (2006.01), F16C 19/36 (2006.01), F16C 33/58 (2006.01); Опубл. 10.03.2014 г., Бюл. №7], принятый за прототип, содержащий наружное кольцо с тороидальной дорожкой качения, внутреннее кольцо со сферической дорожкой качения, центр которой смещен относительно центра тяжести подшипника вдоль продольной оси в зависимости от сочетания радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник, конические тела качения с вогнутым профилем, сопряженным с дорожками качения, сепаратор для разделения тел качения. Подшипник воспринимает любое сочетание осевой и радиальной составляющих внешней нагрузки.
Недостатками конструкции такого подшипника является следующее. Контакт поверхности конического тела качения с вогнутым профилем с тороидальной поверхностью дорожки качения наружного кольца при сборке подшипника может осуществляться по трем вариантам.
Первый вариант, когда кривизна тороидальной поверхности дорожки качения больше кривизны вогнутого профиля тела качения. В этом случае первоначальный контакт поверхности тела качения с поверхностью дорожки качения наружного кольца происходит в точке. Грузоподъемность подшипника в этом случае будет низкой в связи с неиспользованием при первоначальном контакте всей длины тел качения.
Второй вариант, когда кривизна тороидальной поверхности дорожки качения меньше кривизны вогнутого профиля тела качения. В этом случае первоначальный контакт поверхности тела качения с поверхностью дорожки качения наружного кольца будет происходить в двух периферийных точках. Грузоподъемность подшипника также будет низкой за счет появления кромочных давлений и недогруза средней части тел качения.
Третий вариант возможен при одинаковой кривизне тороидальной поверхности дорожки качения и вогнутого профиля тела качения. В этом случае первоначальный контакт поверхности тела качения с поверхностью дорожки качения наружного кольца будет происходить по линии с максимальной грузоподъемностью подшипника. Однако при нагружении подшипника осевой и радиальной составляющими внешней нагрузки в результате упругой деформации в месте контакта поверхности тела качения с поверхностью дорожки качения наружного кольца подшипника образуется эллипсоид, относительные скорости скольжения точек которого не могут быть одинаковыми в виду их разницы кривизны. Это приведет к повышению дифференциального скольжения в пятне контакта и увеличению износа поверхностей тел и дорожек качения.
Кроме того, в контакте поверхностей дорожек качения с поверхностями тел качения возникают касательные напряжения разного направления, неуравновешенность моментов, от действия которых, будут приводить к развороту тел качения и износу контактирующих поверхностей.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности функционирования однорядного сферического роликового подшипника качения путем увеличения его динамической грузоподъемности и снижения износа контактирующих поверхностей.
Поставленная задача решается тем, что в однорядном сферическом роликовом подшипнике качения, содержащим наружное кольцо с тороидальной дорожкой качения, внутреннее кольцо со сферической дорожкой качения, центр которой смещен относительно центра тяжести подшипника вдоль продольной оси в зависимости от сочетания радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник, конические тела качения с вогнутым профилем, сопряженным с дорожками качения, сепаратор для разделения тел качения, тороидальная поверхность наружного кольца имеет кривизну равную кривизне сферической поверхности дорожки качения внутреннего кольца, поверхность тел качения представляет собой коническую глобоиду, продольные оси которых пересекается в одной точке, лежащей на продольной оси подшипника, и описываемая уравнением:
1
1
1
где x, у, z - координаты точек лежащих на поверхности глобоиды, относительной собственных осей вращения тел качения;
α - угол наклона оси симметрии ролика к продольной оси подшипника;
γ - угол конусности глобоиды;
R - радиус кривизны сферической поверхности дорожек качения наружного и внутреннего колец подшипника;
а - расстояние от точки пересечения осей симметрии тел качения, лежащей на продольной оси подшипника до центра смещения внешней нагрузки относительно центра тяжести подшипника,
а длина тела качения определяется сочетанием радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник, при котором периферийные точки поверхностей тел качения, расположенные на линиях образующих конуса, описывающих глобоиду, контактируют с поверхностями дорожек качения.
Данная конструкция позволяет повысить эффективность функционирования однорядного сферического роликового подшипника качения за счет задаваемой конфигурации тороидальной поверхности дорожки качения наружного кольца, поверхности тел качения в виде конической глобоиды описываемой уравнением:
1
1
1
где x, у, z - координаты точек лежащих на поверхности глобоиды,
относительной собственных осей вращения тел качения;
α - угол наклона оси симметрии ролика к продольной оси подшипника;
γ - угол конусности глобоиды;
R - радиус кривизны сферической поверхности дорожек качения наружного и внутреннего колец подшипника;
а - расстояние от точки пересечения осей симметрии тел качения, лежащей на продольной оси подшипника до центра смещения внешней нагрузки относительно центра тяжести подшипника, длины тела качения, которая определяется сочетанием радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник, при котором периферийные точки поверхностей тел качения, расположенные на линиях образующих конуса, описывающих глобоиду, контактируют с поверхностями дорожек качения.
Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлен поперечный разрез однорядного сферического роликового подшипника качения и как осевая, так и радиальная составляющие внешней нагрузки.
Кроме того, на чертеже дополнительно обозначено следующее:
- Fa - осевая составляющая внешней нагрузки, действующей на подшипник;
- Fr - радиальная составляющая внешней нагрузки, действующей на подшипник;
- F - результирующая внешней нагрузки, действующей на подшипник;
- X, Y, Z - оси координат, относительно которых происходит вращение тел качения вокруг оси подшипника;
1
1
1
- X,Y,Z - оси координат, относительно которых происходит вращение тел качения вокруг собственной оси;
- α - угол наклона оси симметрии ролика к продольной оси подшипника;
- γ - угол конусности ролика;
- R - радиус кривизны сферической поверхности дорожек качения наружного и внутреннего колец подшипника;
- а - параметр (расстояние от точки пересечения осей симметрии роликов, лежащей на продольной оси подшипника до центра смещения внешней нагрузки относительно центра тяжести подшипника);
- О - центр линий симметрии тел качения лежащей на продольной оси подшипника;
1
- O - центр сферической поверхности дорожки качения внутреннего
кольца подшипника.
1
Однорядный сферический роликовый подшипник качения, содержит наружное кольцо 1 с тороидальной дорожкой качения, внутреннее кольцо 2 со сферической дорожкой качения, центр O которой смещен относительно центра тяжести подшипника вдоль продольной оси в зависимости от сочетания радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник. Тела качения 3 с вогнутым профилем, сопряжены с дорожками качения колец 1 и 2, сепаратор для разделения тел качения (на фигуре не указан). Тороидальная поверхность наружного кольца 1 имеет кривизну равную кривизне сферической поверхности дорожки качения внутреннего кольца 2, поверхность тел качения 3 выполнена в виде конической глобоиды 4, продольные оси 5 которых пересекаются в одной точке О, лежащей на продольной оси подшипника. Поверхность глобоиды 4 описывается уравнением:
1
l
l
где x, y, z - координаты точек лежащих на поверхности глобоиды, относительной собственных осей вращения тел качения;
α - угол наклона оси симметрии ролика к продольной оси подшипника;
γ - угол конусности глобоиды;
R - радиус кривизны сферической поверхности дорожек качения наружного и внутреннего колец подшипника;
а - расстояние от точки пересечения осей симметрии тел качения, лежащей на продольной оси подшипника до центра смещения внешней нагрузки относительно центра тяжести подшипника.
Длина тел качения 3 определяется сочетанием радиальной и осевой составляющих внешней нагрузки, действующей на подшипник, при котором периферийные точки 1 и 1', 2 и 2', 3 и 3', 4 и 4' поверхностей тел качения 3, расположенные на линиях 6 образующих конуса, описывающих глобоиду 4, контактируют с поверхностями дорожек качения колец 1 и 2.
Однорядный сферический роликовый подшипник качения работает следующим образом. При вращении вала совместно с ним вращается внутреннее кольцо 2 подшипника, увлекая во вращение тела качения 3, контактирующие с наружным кольцом 1, установленным в корпусе. Нагрузка, действующая на вал, передается на корпус через тела качения 3. При этом вся поверхность конической глобоиды 4 по длине тела качения 3 воспринимает соответствующую рабочую контактную нагрузку. Фиксируя положение вала относительно корпуса, подшипник обеспечивает его свободное вращение, а качение роликов 3 по сферической дорожке внутреннего кольца 2 подшипника исключает их защемление в случае перекоса вала под нагрузкой.