РЕДУКЦИОННЫЙ РАДИАЛЬНЫЙ ПОДШИПНИК ПЕРВОГО ТИПА
REDUCING RADIAL BEARING OF THE FIRST TYPE

Изобретение относится к области высокоскоростного машиностроения и приборостроения и может быть использовано для создания высокоскоростных винтовых и турбореактивных двигателей авиации и околоземного ракетостроения или в разгонных модулях первой ступени космических кораблей.
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
Известен подшипник со ступенчатыми роликами, содержащий наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, помещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнезда сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых обкатывают дорожку наружного кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра обкатывают дорожку его внутреннего кольца, диаметры дорожек наружного и внутреннего колец и диаметры большей и меньшей ступеней ролика находятся в пропорциональной зависимости, отношение D/D=d/kd=n, а отношение D/d=D/kd=m, при этом m=(n+1/k)/(n-1), где d - диаметр большей ступени ролика подшипника; d - диаметр меньшей ступени ролика подшипника; D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника (дорожки наружного кольца); D - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника (дорожки внутреннего кольца); k - произвольно выбранный коэффициент понижения частоты вращения роликов; ступени ролика и дорожек колец должны быть цилиндрическими, то есть с постоянными диаметрами (см. RU №2553489 МПК F16C 19/22, F16C 33/36, опубл. 20.06.2015 г.).
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Наиболее близким аналогом является подшипник, содержащий наружное и внутреннее кольца с дорожками качения (с дорожками), помещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнезда сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых обкатывают дорожку внутреннего кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра обкатывают дорожку его наружного кольца, полный коэффициент понижения частоты вращения роликов находится в пропорциональной зависимости от соотношений диаметров D/D=n в пределах допустимого и d1/d2=k в пределах допустимого, произведение соотношения  является полным коэффициентом понижения частоты вращения роликов по наружному кольцу относительно оси подшипника, обусловленного геометрическими пропорциями диаметров дорожек колец между собой и диаметров ступеней ролика между собой, где: d - диаметр большей ступени ролика подшипника; d - диаметр меньшей ступени ролика подшипника; D - диаметр дорожки наружного кольца подшипника; D - диаметр дорожки внутреннего кольца подшипника; n - коэффициент отношения диаметра дорожки наружного кольца D к диаметру дорожки внутреннего кольца D; k - произвольно выбранный коэффициент понижения частоты вращения ролика по дорожке наружного кольца, являющийся коэффициентом пропорциональности соотношения диаметров ступеней ролика d/d, ограниченный размерами диаметров ступеней роликов в пределах возможности функционирования подшипника со ступенчатыми роликами, понижающий частоту вращения роликов по дорожке наружного кольца относительно оси подшипника по сравнению со стандартным подшипником, по сути, являющийся коэффициентом редукции ролика (см. RU №2554033 МПК F16C 19/22, F16C 33/36, опубл. 20.06.2015 г.).
Недостатком известного технического решения является неверное исчисление коэффициента редукции подшипника. Метод исчисления диаметров ступеней роликов не является неправильным, но здесь будет представлен другой метод исчисления диаметров ступеней роликов.
Для редукционного радиального подшипника 1-го типа с моделью вращения внутреннего кольца относительно неподвижного наружного кольца поставлена задача: в несколько раз повысить частоту вращения внутреннего кольца относительно наружного кольца, чтобы частота вращения роликов оставалась на прежнем уровне; вывести математическую формулу исчисления коэффициента редукции подшипника.
r
r
r
r
Поставленная задача решается тем, что в редукционном радиальном подшипнике 1-го типа, содержащем наружное и внутреннее кольца с дорожками качения, помещенные между ними тела качения, выполненные в виде установленных в гнезда сепаратора двухступенчатых роликов, ступени большего диаметра которых обкатывают дорожку внутреннего кольца подшипника, а ступени меньшего диаметра обкатывают дорожку его наружного кольца, применился метод исчисления диаметров ступеней роликов, описанный в первом аналоге, в котором диаметры дорожек наружного и внутреннего колец и диаметры большей и меньшей ступеней ролика находятся в пропорциональной зависимости, отношение D/d=D/kd равно n, а отношение D/D=d/kd равно m, при этом m равно (n+1/k)/(n-1), где
r
D - диаметр большей ступени ролика;
r
d - диаметр меньшей ступени ролика;
D - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника (дорожки наружного кольца);
d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца (дорожки внутреннего кольца);
k - произвольно выбранный дополнительный коэффициент понижения частоты вращения роликов.
r
r
r
r
r
r
Приведенная зависимость m=(n+1/k)/(n-1) соотношения пар D/D=d/kd=m от соотношения пар D/d=D/kd=n позволила расширить диапазон соотношения размеров диаметров дорожек колец подшипника n, для которого можно исчислить подходящие диаметры ступеней ролика с учетом произвольного в пределах допустимого понижающего коэффициента k. Коэффициент k позволил расширить диапазон соотношения D/d, подходящего для любого из вариантов в пределах допустимого соотношения D/d. Кроме того, эта зависимость позволила рассчитать диаметры ступеней роликов.
Исчисленный коэффициент редукции подшипника s=zkn позволил подобрать диаметры ступеней роликов по заданному коэффициенту редукции подшипника, изменяя коэффициент k в коэффициенте редукции ролика q.
Анализ известных технических решений, проведенный по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, он соответствует условиям патентоспособности изобретения - «изобретательский уровень» и «новизна».
Редукционный радиальный подшипник первого типа поясняется чертежами:
Фиг. 1 - геометрическая схема редукционного радиального подшипника первого типа;
Фиг. 2 - редукционный радиальный подшипник первого типа в разрезе.
Редукционный радиальный подшипник первого типа состоит из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2, ступенчатого ролика с большей ступенью 3 и меньшей ступенью 4.
Ступенчатый ролик может быть монолитным телом или собранным из отдельных частей. Ступени 3 и 4 ролика жестко связаны между собой. Средний участок ролика с большим диаметром (большая ступень 3) обкатывается только по дорожке внутреннего кольца 2. Одновременно боковые участки ролика с меньшим диаметром (меньшая ступень 4) обкатываются только по дорожке наружного кольца 1, разделенной по ширине проточкой на две части для прохождения между ними большей ступени 3 ролика.
Для приведения размеров редукционного радиального подшипника первого типа к размерам стандартных подшипников за основу исчислений берутся наружный и внутренний диаметры стандартного шарикового или роликового подшипника и ширина подшипника. По выбранным диаметрам стандартного подшипника определяются диаметры дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 редукционного подшипника с учетом присутствия между ними ступенчатых роликов и по этим диаметрам исчисляются диаметры ступеней 3 и 4 ролика с учетом выбранного коэффициента k, толщину внутреннего кольца рассматриваемого подшипника можно сделать меньше, чем у стандартного подшипника, учитывая минимизированный износ дорожки качения внутреннего кольца из-за отсутствия трения скольжения, присущего стандартным шариковым подшипникам, для расширения диапазона размеров диаметров колец и приближения их к диаметрам колец стандартного подшипника. Отсутствие трения скольжения между роликами и дорожками колец позволяет сделать ширину редукционного подшипника такой же, как ширина стандартного подшипника с такими же наружным и внутренним диаметрами колец.
Исчисление диаметров ступеней ролика
Чтобы снизить частоту вращения ролика в n раз, должно соблюдаться равенство
D - диаметр наружной дорожки;
d - диаметр внутренней дорожки;
r
D - диаметр большей ступени ролика;
r
d - диаметр меньший ступени.
В формулу (1) внесли коэффициент k, снижающий частоту вращения роликов еще в k раз
r
r
Формула (2) равна формуле (1), для этого номинал d в формуле (2) уменьшили в k раз  одновременно с умножением d на k.
Формула (2) после преобразования приняла вид
1
2
На Фиг. 1. схематически изображены дорожки качения колец и ступени ролика, где r - радиус большей ступени ролика; r - радиус меньшей ступени.
Из Фиг. 1 вывели равенство
r
Диаметры d и d, исчисленные из формулы (2), равны
Диаметр D, исчисленный из формулы (3), равен
Формула (4), записанная с использованием формул (5) и (6)
Формула (7) после преобразования приняла вид
Упрощенная формула (8), полученная умножением величины в скобках на n, равна
r
В формуле (9) сократили D и рассчитали коэффициент m
Зная m, D d, произвольно выбранный понижающий коэффициент k, исчислили диаметры большей и меньшей ступеней ролика с использованием формулы (3)
Исчисление коэффициента редукции редукционного радиального подшипника первого типа по сравнению со стандартным подшипником
Диаметр ролика в стандартном подшипнике равен
Частота вращения ступенчатого ролика относительно центральной оси подшипника, связанная с увеличением диаметра средней дорожки качения ролика (большей ступени) по сравнению со стандартным роликом, понизилась в z раз
Полная частота вращения ступенчатого ролика относительно центральной оси подшипника понизилась в s раз
s - коэффициент редукции редукционного радиального подшипника первого типа;
q - коэффициент редукции ступенчатого ролика редукционного радиального подшипника первого типа, равный отношению диаметра большей ступени ролика к диаметру меньшей ступени
Формула (14) с учетом формулы (15):
Для примера расчета диаметров ступеней роликов и коэффициента редукции подшипника выбрали произвольные размеры в любых единицах диаметров дорожек качения наружного и внутреннего колец 1 и 2 подшипника D=116 и d=68, коэффициент k понижения частоты вращения ролика, равный трем, и по ним рассчитаем диаметры большей и меньшей ступеней 3 и 4 ролика и коэффициент редукции подшипника.
В соответствии с формулой (2) отношение диаметров дорожек колец 1 и 2 подшипника равно
В соответствии с формулой (10) отношение диаметра наружного кольца 1 к диаметру большой ступени 3 ролика равно
Используя формулы (11), рассчитали диаметры большей 3 и меньшей 4 ступеней ролика:
Всоответствие с формулой (12) диаметр стандартного ролика равен
В соответствии с формулой (13) частота вращения ступенчатого ролика, связанная с увеличением диаметра большей ступени ролика, понизилась в z раз по сравнению со стандартным роликом:
В соответствии с формулами (14), (15) коэффициент редукции подшипника равен:
Для увеличения или уменьшения коэффициента редукции подшипника нужно увеличить или уменьшить коэффициент k.
Пример расчета диаметров большей 3 и меньшей 4 ступеней роликов с использованием методики расчета и формул (2), (10), (11); с использованием произвольно выбранного понижающего коэффициента k показал простоту расчета редукционного подшипника со ступенчатыми роликами с произвольными диаметрами D и d дорожек качения колец 1 и 2. Метод исчисления коэффициента редукции подшипника поможет подобрать коэффициент k для исчисления диаметров ступеней роликов, обеспечивающих необходимый коэффициента редукции подшипника.
В результате снижения частоты вращения роликов редукционного подшипника по сравнению со стандартным роликовым подшипником, вращающимся с такой же частотой, в редукционном подшипнике можно повысить предельную для стандартного подшипника частоту вращения в разы (в 8,54 раза для подшипника из примера). Повышение в разы частоты вращения подшипника позволит развивать сверхскоростное машиностроение.
Затраты энергии электричества или топлива на вращение редукционного подшипника тоже снизятся в разы, так как в разы снизится кинетическая энергия вращения ступенчатых роликов. Если предположить, что масса ступенчатых роликов подшипника из примера в два раза больше массы роликов стандартного подшипника с такими же диаметрами дорожек колец, то кинетическая энергия вращения ступенчатых роликов в редукционном подшипнике, вращающегося с частотой стандартного, снизится в 4,27 раза: (8,54 (s из примера):2=4,27).
Замена шариковых подшипников, предельная частота вращения которых выше, чем у стандартных роликовых, из-за постоянного проскальзывания шаров по дорожкам, способствующего повышению частоты вращения шариковых подшипников приблизительно в полтора раза по сравнению со стандартными роликовыми подшипниками, на редукционные тоже принесет экономию энергии, так как в редукционном подшипнике отсутствует трение скольжения тел качения по дорожкам, присущее шариковым подшипникам.
Отсутствие трения скольжения в редукционном подшипнике значительно уменьшит износ дорожек и тел качения (зазоры), присущий шариковым подшипникам, следовательно, уменьшится биение тел качения и вызванный этим шум.
Заявляемое техническое решение обеспечивает повышение частоты вращения внутреннего кольца редукционного подшипника относительно статичного наружного кольца в разы без повышения частоты вращения роликов по сравнению с аналогичным по размерам дорожек колец и частоте вращения внутреннего кольца относительно статичного наружного кольца стандартного подшипника. Диаметры ступеней ролика представленного подшипника и его коэффициент редукции исчисляются по выведенным формулам. Необходимый коэффициент редукции подшипника в пределах допустимого можно обеспечить соответственными диаметрами ступеней роликов. Таким образом, технический результат достигнут.
Редукционный подшипник первого типа может быть изготовлен на стандартном оборудовании с использованием современных материалов и технологий.