УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ
ROLLING BEARING SEAL

Изобретение относится к уплотнению для подшипника качения, содержащему вращающуюся вместе с наружным кольцом подшипника или корпусом эластичную уплотнительную шайбу. По меньшей мере частично армированная уплотнительная шайба помещается с геометрическим замыканием в гнезде наружного кольца подшипника и образует с внутренней стороны мягкую на изгиб уплотнительную манжету, входящую в канавку внутреннего кольца подшипника. С этой целью уплотнительная манжета снабжена уплотнительной кромкой, которая в собранном состоянии располагается с осевым опиранием на стенку канавки.
Такого рода конструкция уплотнения известна, например, из описания к немецкому патенту DE № 1801894 С3, представляющего уплотнительные шайбы с различными вариантами уплотнительных манжет. Общим для всех этих вариантов выполнения является то, что уплотнительная шайба первой уплотнительной манжетой аксиально опирается на внутреннюю стенку канавки. Другая уплотнительная манжета сопрягается с сохранением кольцевого зазора с цилиндрическим участком внутреннего кольца подшипника, расположенным в осевом направлении перед канавкой. Эта конструкция уплотнения допускает в нерабочем положении подшипника качения попадание через расположенную с зазором уплотнительную манжету загрязнений в канавку во внутреннем кольце подшипника. В рабочем положении подшипника качения имеется опасность того, что загрязнения сместятся в зону уплотнения между уплотнительной кромкой внутренней уплотнительной манжеты и при этом преодолеют зону уплотнения и попадут внутрь подшипника качения. Кроме того, конструкция известного уплотнения имеет тот недостаток, что с увеличением числа оборотов скользящая внутренняя уплотнительная манжета опирается аксиально на стенку канавки с возросшим усилием прижатия. Это приводит к увеличению нежелательного трения между уплотнительной манжетой и кольцом подшипника, в связи с чем увеличивается нагрев подшипника качения. Высокие температуры подшипника приводят к потерям смазочного материала, что непосредственно сказывается на сроке службы подшипника качения.
Учитывая недостатки известного решения, задача изобретения состоит в том, чтобы создать уплотнение для подшипника качения, позволяющее обеспечить предварительное напряжение уплотнительных манжет в зависимости от частоты вращения.
Уплотнение согласно изобретению содержит две уплотнительные манжеты. При этом первая, наружная, уплотнительная манжета опирается с силовым замыканием на обращенную наружу стенку канавки. Вторая уплотнительная манжета, называемая также уплотнительным зубом (Dichtungssporn), располагается с зазором, то есть контактирует с сохранением уплотнительного зазора, относительно внутренней стенки канавки. Далее конструкция уплотнения согласно изобретению предусматривает, что в собранном положении обоих уплотнений задано осевое смещение между торцевой стороной уплотнительной шайбы и уплотнительной кромкой первой уплотнительной манжеты.
Для решения поставленной задачи согласно изобретению предусмотрено уплотнение, в котором наружная уплотнительная манжета со скольжением, то есть с силовым замыканием, прилегает к наружной стенке канавки. Эта конструкция уплотнения согласно изобретению эффективно препятствует попаданию загрязнений в канавку и, следовательно, внутрь подшипника качения. Далее такое конструктивное выполнение уплотнительной манжеты обеспечивает регулируемое центробежной силой и предварительно напряженное опирание наружной уплотнительной манжеты на стенку канавки. Этот принцип действия достигается за счет того, что вращающаяся вместе с наружным кольцом подшипника качения уплотнительная шайба при увеличении частоты вращения смещается таким образом, что возникает желательное сниженное контактное напряжение смятия между уплотнительной кромкой уплотнительной шайбы и стенкой канавки. Предпочтительным образом при этом снижается эффект трения, позволяющий избежать нежелательного нагрева подшипника, связанного с потерей смазочного вещества, что ведет к преждевременному износу подшипника качения и снижению срока службы подшипника качения.
Принцип действия согласно изобретению, обеспечивающий желательное регулируемое центробежной силой предварительное напряжение уплотнительных манжет, достигается за счет осевого смещения между торцевой стороной уплотнительной шайбы и уплотнительной кромкой первой уплотнительной манжеты. Согласно изобретению уплотнительные манжеты уплотнения в смонтированном положении расположены таким образом, что устанавливается радиальная, определяемая уплотнительной шайбой, опорная линия, при этом для первого уплотнения создается аксиально смещенный от опорной линии центр инерции. Действующая в центре инерции центробежная сила создает действующую по часовой стрелке составляющую силы. Этот принцип действия позволяет обеспечить желательное, сниженное с увеличением числа оборотов, контактное напряжение смятия между уплотнительной кромкой уплотнительной манжеты и стенкой канавки. Этому способствует также вторая уплотнительная манжета, которая от армированного участка уплотнительной шайбы под углом проходит к внутренней стенке канавки. Это конструктивное решение благоприятствует в рабочем положении, при вращающейся уплотнительной шайбе, тому, что поступающее на внутреннюю сторону второй уплотнительной манжеты смазочное вещество постоянно направляется на вращающееся наружное кольцо подшипника качения.
За счет определенной направленности и размеров уплотнительных манжет, эмпирически может быть определен диапазон частоты вращения для подшипника качения, при котором не возникает или возникает крайне незначительное контактное напряжение смятия. Уплотнительная манжета, например, может быть рассчитана таким образом, что для частоты вращения свыше 10000 оборотов в минуту уплотнительная манжета располагается почти бесконтактно относительно стенки канавки и, следовательно, уплотнение не вызывает нежелательный нагрев подшипника качения.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов 1-14 формулы изобретения.
Один из предпочтительных вариантов изобретения предусматривает согласование диаметра заплечика внутреннего кольца подшипника с внутренним диаметром второй уплотнительной манжеты. Внутренний диаметр выполненной как уплотнительный зуб второй уплотнительной манжеты предпочтительно меньше диаметра заплечика внутреннего кольца подшипника. Этот конструктивный принцип способствует тому, что выдавливаемое аксиально в результате контакта качения между телом качения и внутренним кольцом подшипника качения смазочное вещество направляется непосредственно из внешнего контура, соответственно от заплечика внутреннего кольца, на внутреннюю сторону второй уплотнительной манжеты. Благодаря этому устанавливается желательная циркуляция смазочного вещества от внутреннего кольца к наружному кольцу. Из наружного кольца смазочное вещество вновь забирается телом качения, вследствие чего создается желательный, оптимальный контур смазочного вещества в подшипнике качения.
Расчет второй уплотнительной манжеты происходит таким образом, что при максимальном числе оборотов подшипника качения сам по себе устанавливается осевой зазор «а»>0 между внутренней стенкой канавки и свободным концом второй уплотнительной манжеты. Таким образом? удается избежать нежелательного контакта уплотнительных манжет между второй уплотнительной манжетой и внутренним кольцом подшипника.
Для поддержания регулируемого центробежной силой предварительного напряжения уплотнительных манжет включенный в уплотнительную шайбу армирующий элемент снабжен на обращенном к внутреннему кольцу конце V-образным отгибом, коленом, направленным под углом в сторону канавки. Примыкающие к нему, выходящие от общего основания уплотнительные манжеты благоприятствуют осевому смещению относительно определяемой уплотнительной шайбой опорной линии. Это конструктивное решение усиливает при воздействующей центробежной силе эффект того, что с увеличением числа оборотов уменьшается опорное усилие, с которым первая уплотнительная манжета прилегает к стенке внутреннего кольца подшипника.
Далее изобретение предусматривает, что в смонтированном положении уплотнения уплотнительная кромка первой, наружной, уплотнительной манжеты смещается аксиально внутрь относительно торцевой стороны уплотнительной шайбы. Этот вариант выполнения обеспечивает, во-первых, осевое опирание уплотнительной манжеты на наружную стенку канавки. И, во-вторых, это смещение благоприятствует, в зависимости от частоты вращения, желательному уменьшающемуся предварительному напряжению, с которым уплотнительная манжета прилегает к стенке канавки.
Уплотнение согласно изобретению предусматривает, далее, определенное осевое смещение между обеими уплотнительными манжетами в смонтированном положении. Смещение рассчитано таким образом, что создается, с одной стороны, различное, обусловленное центробежной силой, смещение уплотнительных манжет одна относительно другой, и при этом одновременно не отмечается негативное воздействие на уплотнительные манжеты. Различное смещение уплотнительных манжет может происходить, например, за счет различия в толщине стенок уплотнительных манжет.
Для достижения увеличения массы наружной уплотнительной манжеты, снаружи, на обращенной ко второй уплотнительной манжете стороне, она снабжена утолщением. В смонтированном положении уплотнения утолщение подкрепляет обусловленный центробежной силой эффект, позволяющий при увеличении числа оборотов уменьшить опорное усилие наружной уплотнительной манжеты.
Другой признак выполнения уплотнения согласно изобретению состоит в том, что стенки канавки выполнены различными по высоте. Предпочтительный вариант конструкции предусматривает, что высота внутренней стенки канавки, определяемая высотой заплечика внутреннего кольца подшипника, рассчитывается таким образом, что она превышает как внутренний диаметр второй уплотнительной манжеты, так и диаметр участка внутреннего кольца подшипника, расположенного между канавкой и торцевой стороной внутреннего кольца подшипника. Такая конструкция обеспечивает простой, неразрушающий монтаж уплотнения, в частности внутренней уплотнительной манжеты, так как при осевом подводе уплотнения в подшипник качения она не входит в соприкосновение с внутренним кольцом подшипника. Разница в высоте между стенками канавки выбрана таким образом, что мягкая на изгиб наружная уплотнительная манжета также без разрушения, например, при помощи инструмента, входит в канавку.
Другой предпочтительный вариант выполнения наружной уплотнительной манжеты касается выполнения уплотнительной кромки. Чтобы не допустить состояния избыточного давления или для выравнивания перепадов давления между внутренней полостью и окружающей средой подшипника качения, в зоне уплотнительной кромки предусмотрен вентиляционный желобок. Размеры вентиляционного желобка, радиально или под углом помещенного в уплотнительной манжете в зоне уплотнительной кромки, позволяют, во-первых, избежать нежелательного попадания жидкости или загрязнений во внутреннюю полость подшипника качения и одновременно утечки смазочного вещества из подшипника качения. При необходимости изобретение включает также размещение нескольких, возможно меньших, распределенных по периметру вентиляционных желобков.
Уплотнение согласно изобретению может быть использовано, например, для подшипника качения, который предусмотрен в натяжном или направляющем ролике передачи гибкой связью. Для оптимизации конструкции предлагается, чтобы уплотнение сопрягалось непосредственно с упорным кольцом натяжного или направляющего ролика. С этой целью уплотнительная шайба соединена без возможности проворачивания с опирающимся на тяговый орган упорным кольцом, которое одновременно выполняет функцию вращающегося наружного кольца подшипника качения.
Далее, изобретение может быть перенесено на подшипник качения натяжного или направляющего ролика, в котором зажимной болт или несущий элемент выполняет одновременно функцию внутреннего кольца подшипника. В смонтированном положении установленный без возможности проворачивания зажимной болт или несущий элемент снабжен с этой целью канавкой для приема уплотнительных манжет уплотнения согласно изобретению.
Достаточная прочность или жесткость уплотнения достигается путем армирования, выполненного в значительной степени в виде шайбы и проходящего на большом участке тороидального промежутка между внутренним и наружным кольцами подшипника качения. Снабженное, по меньшей мере с наружной стороны, покрытием из уплотняющего материала уплотнения, армирование образует согласно изобретению снаружи прямоугольную отбортовку в зоне закрепления, предусмотренной на наружном кольце подшипника. На обращенном к уплотнительным манжетам внутреннем периметре армированный участок снабжен направленным в сторону канавки коленом, которое облицовано со всех сторон уплотнительным материалом и к которому непосредственно примыкает основание уплотнительных манжет.
Изобретение представлено на чертеже, из которого видно уплотнение согласно изобретению в собранном положении.
На чертеже представлена конструкция уплотнения 1 согласно изобретению для подшипника качения 2 в собранном положении.
Уплотнение 1 содержит уплотнительную шайбу 3, которая по наружной окружности упруго фиксируется в своем положении с геометрическим замыканием в кольцевом пазу 4 вращающегося наружного кольца 5 подшипника. Вращающаяся вместе с кольцом 5 подшипника уплотнительная шайба 3 закрывает тороидальное монтажное пространство 6 подшипника качения 2, в котором в сепараторе 7 тел качения расположены направляемые тела качения 8, которые направляются по дорожкам качения наружного кольца 5 и внутреннего кольца 9 подшипника. Изготовленная из уплотняющего материала уплотнительная шайба 3 снабжена для придания жесткости выполненным в форме шайбы армирующим элементом 10. В направлении наружного кольца 5 подшипника армирующий элемент 10 образует прямоугольно отбортованный борт 11. В направлении внутреннего кольца 9 подшипника армирующий элемент 10 замыкает наклоненное внутрь колено 12.
Как борт 11, так и колено 12 полностью облицованы уплотняющим материалом уплотнительной шайбы 3. К свободному концу колена 12 примыкает выполненное из уплотняющего материала основание 13 уплотнительных манжет. На основании 13 уплотнительных манжет базируются две уплотнительные манжеты 14, 15, которые связаны с расположенной во внутреннем кольце 9 подшипника канавкой 16. Уплотнительная манжета 14 опирается уплотнительной кромкой 17 на проходящую примерно радиально стенку 19 канавки 16. Другая уплотнительная манжета 15 проходит в продолжение колена 12 армированного участка 10 в направлении внутренней стенки 19 канавки 16. В собранном положении свободный конец уплотнительной манжеты 15 находится на расстоянии зазора «а» от внутренней стенки 19.
1
2
Другие отличительные признаки внутреннего кольца 9 подшипника в соединении с уплотнительными манжетами 14, 15 касаются соотношений диаметров, а также осевых зазоров. Диаметр заплечика «D» внутреннего кольца 9 подшипника по размеру превышает внутренний диаметр «D» внутренней уплотнительной манжеты 15, выполненной в виде уплотнительного зуба. Это конструкторское решение обеспечивает то, что выдавленное в результате контакта качения между телом качения 8 и внутренним кольцом 9 подшипника смазочное вещество аксиально направляется от кольца 9 подшипника на внутреннюю сторону 20 уплотнительной манжеты 15. Под воздействием центробежной силы смазочное вещество от вращающейся уплотнительной шайбы 3 и находящейся тем самым в соединении уплотнительной манжеты 15 подается на внутреннюю сторону наружного кольца 5 подшипника, прежде чем оно вновь попадает на тела качения 8.
1
Стенки 18, 19, которые в осевом направлении ограничивают канавку 16, различаются по высоте. Размер внутренней стенки 19 определяет диаметр «D» заплечика, причем этот диаметр больше диаметра радиально выступающего участка 21, который находится между канавкой 16 и торцевой стороной 22 внутреннего кольца 9 подшипника. Уплотнительная кромка 17 в собранном положении смещена в осевом направлении, что обозначено размером «b», который устанавливается между торцевой стороной 23 уплотнительной шайбы 3 и контактной поверхностью уплотнительной кромки 17 на наружной стенке 18. Разнесенные между собой уплотнительные манжеты 14, 15 образуют зазор «с», который выбран таким образом, что, с одной стороны, обеспечивается свободный, неразрушающий монтаж уплотнительной шайбы 3 и, с другой стороны, уплотнительные манжеты 14, 15 в собранном состоянии не создают помехи одна другой. Уплотнительная манжета 14 имеет снаружи, на обратной относительно уплотнительной кромки 17 стороне, утолщение 24, при помощи которого сознательно достигается увеличение массы уплотнительной манжеты 14 с ее наружной стороны. Утолщение 24 увеличивает массу уплотнительной манжеты 14 во внешней зоне. При этом получается центр инерции 25, расположенный с осевым смещением относительно радиальной, образованной уплотнительной шайбой 3, опорной линии. С увеличением частоты вращения подшипника качения, то есть вращения наружного кольца 5 подшипника в соединении с уплотнительной шайбой 3 и соответствующими уплотнительными манжетами 14, 15, приложенная в центре инерции центробежная сила создает действующее по направлению часовой стрелки, обозначенное стрелкой, составляющее усилие. В результате имеет место зависящее от числа оборотов и регулируемое центробежной силой предварительное напряжение уплотнительной манжеты 14, что приводит синхронно с увеличением числа оборотов к уменьшению опорного усилия уплотнительной манжеты 14 в зоне уплотнительной кромки 17. Кроме того, в зоне уплотнительной кромки 17 уплотнительная манжета 14 имеет вентиляционный желобок 26, который обеспечивает эффективное выравнивание давления между монтажным пространством 6 и атмосферой окружающей среды подшипника качения 2.
Позиции на чертеже
1. Уплотнение
2. Подшипник качения
3. Уплотнительная шайба
4. Кольцевой паз
5. Кольцо подшипника (наружное)
6. Монтажное пространство
7. Сепаратор тел качения
8. Тела качения
9. Кольцо подшипника (внутреннее)
10. Армирующий элемент
11. Борт
12. Колено
13. Основание уплотнительных манжет
14. Уплотнительная манжета
15. Уплотнительная манжета
16. Канавка
17. Уплотнительная кромка
18. Стенка
19. Стенка
20. Внутренняя сторона
21. Участок
22. Торцевая сторона
23. Торцевая сторона
24. Утолщение
25. Центр инерции
26. Вентиляционный желобок
а - зазор (между уплотнительной манжетой 15 и стенкой 19)
b - осевое смещение (между торцевой стороной 23 уплотнительной шайбы 3 и уплотнительной кромкой 17)
с - зазор (между уплотнительными манжетами 14, 15)
1
D - диаметр заплечика (внутреннего кольца 9 подшипника)
2
D - внутренний диаметр (внутренней манжеты 15)
3
D - диаметр отрезка 21 (между канавкой 16 и торцевой стороной 22 кольца подшипника 9).