КОМБИНИРОВАННЫЙ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
COMPLEX CAGELESS BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Известны комбинированные подшипники качения с короткими цилиндрическими роликами. Например, №612888К, содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные из четырех рядов коротких цилиндрических роликов, и содержащий с двух сторон два кольца с дорожками качения для цилиндрических роликов, которые выполняют роль упорных подшипников.
К недостаткам известного подшипника относятся малая частота вращения, наличие трения качения с проскальзыванием тел качения, повышенный шум, низкая долговечность, высокая температура нагрева, например от 100°С и более.
Известны комбинированные подшипники качения с игольчатыми роликами, например №594000. Их недостатки аналогичны недостаткам подшипников, описанных выше.
Известен подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный - прототип по заявке №2006138364, содержащий однобортовое наружное и двухбортовое внутреннее кольца с дорожками качения, и размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов двухступенчатого типа, большая ступень роликов верхнего яруса, имеющая два участка контактирует только с дорожкой качения наружного кольца по линии, большие ступени роликов нижнего яруса, выполненные с тремя участками контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца по линии, а меньшие ступени верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса, а наружное кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, с постоянной и одинаковой частотой вращения в противоположные стороны в каждом из ярусов, при этом должно выполняться условие сборки подшипника качения:
а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, а в проточке меньших ступеней роликов нижнего яруса входят с зазором два участка больших ступеней роликов верхнего яруса, при этом диаметры трех участков больших ступеней нижнего яруса, контактирующих с тремя участками меньших ступеней роликов верхнего яруса, равны, и все ролики как верхнего, так и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой единый замкнутый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего яруса.
К недостаткам известного подшипника качения относится относительно невысокая грузоподъемность в радиальном направлении и малая, осевая, грузоподъемность, которая составляет, например, от 5 до 10% от неиспользованной радиальной нагрузки, при этом тела качения и борта колец подшипника нагреваются от трения скольжения. Это снижает долговечность подшипника.
Известные стандартные упорные подшипники качения с коническими роликами имеют основной недостаток - большое трение скольжения между торцами роликов и упорными бортами колец, когда под действием больших радиальных нагрузок борта изнашиваются и скалываются. Эти подшипники имеют малую допустимую частоту вращения, например скорости от 5 до 10 м/с, что и сдерживает их широкое применение.
Известен «Подшипник качения упорный с коническими роликами бессепараторный» - прототип по заявке №2007112894, содержащий свободное и тугое кольцо, расположенные между ними тела качения, выполненные в виде конических роликов, контактирующих с дорожками качения свободного и тугого кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, а на оси ролика расположен в расточке шар, контактирующий с упорным бортом кольца, шар опирается на подпятник, который состоит из комплекта шариков меньшего диаметра, в расточке шар зафиксирован запорным кольцом, а конические ролики расположены в два ряда и входят в контакт с дорожками качения колец и между собой по трем линиям, образуя единый замкнутый кольцевой комплект из роликов, при этом плоскость линейных контактов роликов одного ряда со вторым проходит, например, по продольной оси симметрии упорного подшипника.
К недостатку данного подшипника можно отнести отсутствие защитных шайб, которые бы защищали его тела качения от пыли, абразивных частиц, продуктов износа, например, от работающих шестерен.
Достоинством всех известных радиально-упорных подшипников качения являются их малые габариты. А недостатком их является наличие трения качения с проскальзыванием тел качения относительно дорожек качения подшипника, высокая температура нагрева, шум в подшипнике от 60 до 90 дБ. К недостатку относится невозможность качения тел качения сразу по двум различным по диаметрам дорожкам качения. При вращении внутреннего кольца, например, вправо, наружное кольцо должно вращаться влево от контакта с телами качения, а, как правило, оно защемлено. По этой причине тела качения скользят как по наружной, так и по внутренней дорожкам качения.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения;
- повышение грузоподъемности как осевой, так и радиальной;
- снижение шума, например, до 20…40 дБ;
- устранить перекосы и возможность заклинивания тел качения;
- обеспечить реверсивную работу;
- увеличить долговечность как недостаток, например, в 15…20 раз;
- защитить тела качения от попадания в зону качения пыли и продуктов износа от работающих узлов.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигается за счет того, что, по крайней мере, на трех или всех роликах верхнего яруса выполнены по оси ролика - подпятники сферического типа, например, с одной стороны, которые контактируют с бортом наружного кольца, при этом нижняя защитная шайба упорного участка подшипника выполнена, например, сильфонного типа, а ролики нижнего яруса выполнены короткими.
На фиг.1 изображен комбинированный подшипник качения бессепараторный. На фиг.2 приведено сечение Б-Б фиг.1 радиального участка подшипника с указанием направлений вращения тел качения и кольца подшипника, направление перемещения комплекта тел качения (если бы был сепаратор), а также точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой. На фиг.3 приведена развертка тел качения упорного участка подшипника, вид А фиг.1 с указанием стрелками направления вращения тугого кольца и тел качения, а точками показаны линейные контакты тел качения с дорожками качения и между собой и направление перемещения комплекта конических роликов относительно дорожек качения подшипника. На фиг.4 приведена развертка расположения роликов в радиальном участке подшипника.
Комбинированный подшипник качения состоит из наружного кольца 1, внутреннего кольца 2, тел качения - роликов 3 и 4, тугого кольца 5, конических роликов 6, защитных шайб 7 и 8, защитной шайбы 9 упорного подшипника сильфонного типа, замковой шайбы 10, кольца 11, подпятника 12, трех цековок 13 на тугом кольце и трех цековок 13 на наружном кольце. На внутреннем кольце 2 выполнены, например, три паза 14. На конических роликах 6 выполнены подпятники по оси роликов - сферического типа, последние контактируют с высоким бортом колец 1 и 5. Подпятники 12 сферического типа расположены по оси роликов 3 верхнего яруса и контактируют с бортом кольца 1. Нижняя защитная шайба 9 жестко установлена в кольцевой проточке кольца 1, а в контакте с тугим кольцом 5 проходит со скольжением в проточке, при этом контактное кольцо шайбы 9 выполнено, например, из полиамида или углепластика. Защитная шайба 7 содержит, например, пресс-масленку для подачи смазки в полость радиального участка подшипника.
Большие ступени роликов 3 верхнего яруса и четыре их участка контактируют только с дорожкой качения по линии наружного кольца 1. Большие ступени роликов 4 нижнего яруса контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца 2 по линии. При этом каждый из роликов 3 и 4 контактирует со своими дорожками качения и между собой в трех местах, контакты линейные.
Конические ролики 6 расположены в два ряда с шахматным расположением в рядах, контактируют по трем линиям каждый, с углом контакта, равным 120°.
Кольцо 11 выполняет роль дополнительной жесткости участка замковой шайбы 10 и может быть установлена, например, на точечной или роликовой сварке.
Комбинированный подшипник качения бессепараторный работает следующим образом. При вращении кольца 2 вправо (см. фиг.2) ролики 4 получают вращение влево, а ролики 3 вращаются вправо, обкатываясь без скольжения по дорожке качения кольца 1.
При этом комплект роликов 3 и 4 перемещается по кольцу влево (куда был должен перемещаться сепаратор). Кольцо 1 неподвижно. Тугое кольцо 5 получает вращение вправо (см. фиг.3), конические ролики 6, контактирующие с дорожкой качения кольца 5, получают вращение влево, а соседние ролики получают вращение вправо, обкатываясь без скольжения по дорожке качения кольца 1. При этом подпятники роликов 6 обкатываются по точке по поверхностям высоких бортов колец 1 и 5, последние воспринимают радиальную нагрузку по оси ролика. А весь единый замкнутый кольцевой комплект из роликов 6 перемещается по кольцу влево с частотой вращения, в два раза меньшей, чем частота вращения кольца 5.
Комплект роликов 3 и 4 перемещается влево также с частотой вращения в два раза медленнее, чем вращение кольца 2.
Вращение роликов в радиальном участке и упорном участке подшипника проходит во взаимно противоположные стороны - вращение в противофазе, а окружные скорости равны, что позволяет снизить шум, например, до 20…40 дБ. Частота вращения упорного участка по отношению к радиальному для тел качения - различна.
wm1
wm1
wm1
Надо отметить, что ролики 3 содержат четыре участка больших ступеней роликов и три участка - меньших ступеней с диаметром, равным D. Ролики 4 состоят из коротких цилиндрических роликов, которые контактируют своими большими ступенями с диаметром D нижнего яруса с тремя участками меньших ступеней роликов 3. При этом их диаметры равны (см. фиг.4) по диаметру равных D.
Защитная шайба 9 сильфонного типа позволяет тугому кольцу 5 перемещаться в осевом направлении в пределах упругих деформаций. Замковая шайба 10 не мешает перемещению, она закреплена на кольце 1, например, с помощью пуклевок. Подпятник 12 длинного ролика 3 выполняет роль фиксатора положения кольца 2 при монтаже подшипника. В радиальном участке подшипника должно выполняться условие сборки:
1m
где D - диаметр дорожки качения наружного кольца;
wm2
D - большая ступень ролика верхнего яруса;
1m
d - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
wm1
D - большая ступень ролика нижнего яруса.
Как пример, подшипник на фиг.1 в масштабе 1:2 имеет, например, радиальную нагрузку 30 т.с, а осевую нагрузку - 15 т.с.
Предварительный натяг наружного кольца 1 обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам 3 и 4. Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника.
Надежность комбинированного подшипника выступает в том, что каждый из участков выполняет свои прямые функции: упорный - воспринимает осевую нагрузку, радиальный - радиальную.
На кольцах 1 и 5 выполнены цековки 13, а на кольце 2, на его торце - пазы 14 для фиксации колец при монтаже. Если же кольца 1, 2 и 5 будут проскальзывать при вращении во время эксплуатации, то вместо чистого качения - тела качения будут скользить по дорожкам качения, так как нарушается кинематика.
В целом, получаем «пионерское изобретение», работающее на чистом качении с трением качения, например, от 0,0003 до 0,00003.
Комбинированный подшипник качения бессепараторный позволяет:
-1
- обеспечить более высокую частоту вращения, например, от 1000 до 3000 мин и более;
- повысить грузоподъемность на 80…100% за счет увеличения числа рабочих роликов в два раза;
- снизить шум, например, до 20…40 дБ за счет вращения роликов в противофазе с постоянной частотой в своих рядах и ярусах;
- устранить перекосы и возможность заклинивания роликов за счет контакта роликов между собой по трем линиям и контакта подпятников по оси роликов с ребордами колец;
- обеспечить реверсивную работу подшипника только за счет отсутствия сепаратора;
- увеличить долговечность подшипника, например, в 15…20 раз за счет отсутствия сепаратора и увеличения числа рабочих роликов и работы в условиях чистого качения;
- повысить надежность работы за счет оснащения подшипника защитными шайбами;
- обеспечить длительную работу в аварийных условиях без смазки, например, до 10 часов;
- заполнить еще свободную нишу подшипнику качения, работающему в условиях чистого качения.
Экономическая эффективность
Возможность работы при отсутствии радиального зазора в шпинделях металлорежущих станков с погрешностью центровки вала в пределах ±2 мкм в течение 3…10 лет без ремонта шпинделя.
Обеспечить надежную работу в качестве опор в ступицах грузовых и легковых автомобилей, автобусах, троллейбусах, вагонов скоростных магистралей без нагрева тел качения. Нагрев в подшипнике при эксплуатации находится в пределах, например, до 50°С. Сократить число аварий на дорогах. 30…40% от числа всех техногенных аварий приходится на стандартные подшипники «качения».
Новый комбинированный подшипник качения бессепараторный выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников «качения».