УЗЕЛ ВРАЩЕНИЯ

Узел вращения относится к области машиностроения и может быть использован в приводах, в частности, в приводах сканеров колебательного движения.
Известен узел вращения винтового компрессора по Авторскому свидетельству №730977, F 01 C 21/00, «Устройство для разгрузки подшипников винтового компрессора от осевых усилий». В упомянутом узле вращения разгрузочные элементы, взаимодействующие с торцами подшипников, на которых установлен вал вращения, выполнены в виде кольцевых камер с эластичными стенками, сообщенных с нагнетанием компрессора, и снабженных со стороны противоположной подшипнику, ограничителем перемещения. Работа данного устройства связана со спецификой работы компрессора, а именно - с нагнетанием воздуха. Для использования устройства по Авторскому св. №730977 в нашем приводе потребовалась бы подводка и нагнетание воздуха, что не оправдано сложно и не экономично, и привело бы к увеличению габаритов.
Известна «Опора качения вала» патент №2052680. которая содержит цапфу вала, два радиально-упорных подшипника качения, установленных по схеме «тандем», опора снабжена ступенчатой втулкой. Устройство распределения осевой нагрузки в опоре выполнено в виде замкнутой заполненной гидропластом камеры, образованной поверхностями кольцевых пазов соответствующих одноименных колец подшипников, торца ступени ступенчатой втулки и осевой канавки. Данное устройство не решает нашей задачи, оно выравнивает - перераспределяет осевую нагрузку между двумя подшипниками, но не осуществляет снижение осевой нагрузки. Устройство сложно в выполнении, необходимо изолировать подшипники от гидропласта, для этого формируют замкнутую камеру путем выполнения кольцевых пазов и осевых канавок на кольцах подшипников и установки ступенчатой втулки.
Известен «подшипниковый узел для приводов вращения» А. Св. №1059298 F 16 С 17/18, содержащий размещенные в корпусе и охватывающие цапфу вала основного привода две плавающие втулки, которые находясь на цапфе вращаются в
разные стороны автономным приводом, одна всегда в одну сторону, другая - в другую не зависимо от направления вращения основного вала. При этом направление вращения одной из втулок (либо той, либо другой в зависимости от направления вращения цапфы основного вала) совпадает с направлением вращения основного вала, а другой - направлено в противоположную сторону. При изменении направления вращения основного вала картина повторяется. Таким образом поддерживают постоянство момента трения путем стабилизации его переменной составляющей при изменении направления вращения основного привода. Данное изобретение относится к приводам требующим высокой стабильности и равномерности вращения на весьма малых скоростях, приводы антенн, локаторов, излучателей, в таких устройствах не стоит задача уменьшения момента трения при изменении направления вращения, а лишь задача его стабилизации - постоянства.
Наиболее близким, выбранным в качестве прототипа является узел вращения, выполненный в патенте №2137217 «Поворотный подшипник». Устройство содержит (см.Фиг.2 - патента №2137217), корпус (основание и крышка) с размещенными в нем двумя фиксированными - невращающимися опорами (220, 222), и валом вращенья (225) привода диска накопителя, по концам которого сформированы подшипники скольжения в виде одиночных шариков (201, 202), каждый из которых расположен в так называемом пространстве вложения шарика, фактически в конических выемках выполненных с одной стороны на концах вышеупомянутого вала и с другой - в каждой из невращающихся опор. Причем, скорость вращения шариков в зависимости от угла наклона поверхности вложения к оси вращения вала может быть от нуля до скорости вала. Следует обратить внимание, что «Поворотный подшипник» по патенту №2137217, является подшипником скольжения, поскольку при работе подшипника шарик контактирует с поверхностями вложения не в одной точке, а по окружности скольжения (см /1/, стр.529). Одна из невращающихся опор фиксирована в корпусе неподвижно (222), а другая (220) прикреплена к сжимающейся пружине (224) для обеспечения управляемой осевой предварительной нагрузки на узел вращения. В пространстве вложения шариков обеспечена смазка, пространство изолировано круглым кольцом, невращающиеся опоры выполнены с ограничителями перемещения (226, 227). Изобретение относится к области подшипников, используемых для поддержки вращающихся узлов компьютерных запоминающих устройств, в частности, накопителей на магнитных дисках, точнее к подшипникам, используемым в приводах и шпинделях
накопителя на дисках. Одной из главных целей изобретения является увеличение стойкости дисководов при наличии механических ударов и других воздействий. Также основной целью создания прототипа является миниатюризация устройства привода путем миниатюризации в частности и узла вращения.
Устройство работает следующим образом: вал вращения (225) привода (105) вращается на паре сферических шариков (201, 202) скользя по ним своими коническими выемками (221 и 223). Шарики удерживаются фиксированными не вращающимися опорами (220 и 222). Опора 220 прикреплена к сжимающейся пружине (224), которая расположена внутри рельефа во внутренней поверхности крышки (115). Опора (222) жестко прикреплена к основанию (104). Опоры содержат ограничители движения (226 и 227). Пара крутых колец (228 и 229) изолирует полости, в которых расположены шарики. Предварительная нагрузка подшипников обеспечена приложением осевой силы к опоре (220) с помощью сжимающейся пружины предварительной нагрузки (224) и дальнейшей передачей этого усилия к шарику (201), через вал к шарику (202) и опоре (222).
Как утверждают авторы прототипа, вопрос повышенной ударо-устойчивости решен за счет увеличения размера шарика по сравнению с меньшими по размеру шариками подшипников качения и за счет увеличения контактной области приложения к шарику осевого удерживающего усилия, создаваемого пружинящим элементом (если в подшипниках качения это отдельные точки соприкосновения шариков и вала, то в прототипе это окружность, длина которой зависит от угла наклона поверхности пространства вложения шарика).
Однако, следует отметить, что выигрывая в ударо-устойчивости, поворотный подшипник (прототип), несомненно, проигрывает по величине трения движения и трения трогания. При вращении, и изменении направления вращения вала, в случае применения подшипника скольжения в приводах, в частности в приводах сканеров колебательного движения - трение трогания возрастает по сравнению с применением подшипника качения. Оно и понятно, ведь, как поясняют авторы, контактная область приложения к шарику осевого удерживающего усилия увеличена в предлагаемом прототипом подшипнике скольжения по сравнению с подшипниками качения, в прототипе контактная область это окружность, диаметр которой зависит от наклона поверхности вложения к оси вращения, а в подшипниках качения - это точка. Для доказательства утверждения об уменьшении трения движения и трения трогания при использовании подшипников качения по сравнению с
прототипом, где использован подшипник скольжения, проведем расчет моментов трения качения и трения скольжения.
тр
r_
2
ш
Обратимся к источнику /1/, стр.490, момент трения шарикоподшипников качения: М=1,4 Fk(D/D+1), где.
тр
М - момент трения качения;
r_
F - радиальная нагрузка;
k - коэффициент трения качения;
2
D- диаметр внутреннего кольца;
ш
D - диаметр шариков.
r
Примем радиальную нагрузку при оценке моментов трения одинаковой для случая подшипника качения и далее подшипника скольжения и равной F=1, при известном коэффициенте трения качения равном k=0,0005 (см. /1/ M стр.490, 8-я строка снизу) и при отношении диаметра внутреннего кольца к диаметру шарика равном 6/1 (реальный подшипник качения), имеем следующее:
тр
М=1.4×1×0,0005×(6/1+1)=0,0049
Далее, для расчета момента трения скольжения (прототип) также обратимся к источнику /1/, стр.544 - момент трения сферической опоры (скольжения) от осевого усилия выражается следующим образом:
тp
p
M=μ(A/Sin α)(d/2)=μA/Sinα×Dcos α/2)
Где (см. Фиг.1,а)):
μ - это коэффициент трения, μ=0,16, (см. /1/ табл.9.31 на стр.531);
А - осевое усилие, как оговорено выше. примем А=1;
α - угол наклона поверхностей вложения шарика к оси вращения, предпочтительный угол, как отмечено в описании прототипа α=45 градусов;
p
d - диаметр окружности скольжения подшипника;
р
d=(2D)/2×Cos α=Dcos α, (см. построения Фиг.1а);
D - диаметр шарика, пусть D=4.
тр
Тогда М=0,16×1/Sin45°×(4Cos45°)/2=0,32
Как видим, момент трения скольжения более чем на два порядка превышает момент трения качения. Т.е. вопрос уменьшения момента трения движения и трогания при изменении направления движения - в прототипе не решен.
Приводы накопителей на дисках в силу компактной конструкции самих накопителей не обременены большими габаритами вала вращения, и поскольку,
одной из целей прототипа является миниатюризация изделия в целом, скорее наоборот, приводы и их валы вращения конструируют минимально возможными, кроме того, вопрос миниатюризации узла вращения в прототипе решают путем уменьшения габаритов и самого подшипника. Линейные изменения вала привода, обусловленные широким диапазоном рабочих температур не так заметны из-за малых габаритов самого вала. Следовательно, перед авторами прототипа не стояла задача разгрузки поворотного подшипника от осевых усилий, возникших в связи с линейными изменениями вала и корпуса привода, обусловленными широким диапазоном рабочих температур и габаритами самого вала (чем короче вал, тем меньше проблема возрастания осевых нагрузок). В прототипе не нужно было обеспечивать значительное осевое перемещение подшипника разгрузки, поэтому в прототипе введены ограничители движения подшипника (226, 227) оберегающие шарик от выпадения из пространства вложения. Т.е. проблема обеспечения разгрузки подшипников от осевых усилий в широком диапазоне рабочих температур перед разработчиками прототипа не стояла.
К приводам сканеров, и особенно сканеров колебательного движения, в которых направление вращения вала постоянно изменяется на противоположное, предъявлены жесткие требования по снижению трения движения и особенно трения, трогания, которое возникает в момент изменения направления вращения. Уменьшение трения обеспечивает, как доказывает проведенный расчет, использование в узле вращения подшипников качения.
Сканеры колебательного движения используются в различных областях науки и техники, например, для считывания текстов, для создания видео эффектов в шоу бизнесе, на транспортных средствах для ночного и тепловидения, в технологических пищевых установках, в устройствах наведения на цель летательных аппаратов и наземных передвижных средств, поэтому рабочий диапазон температур широкий (от -50 градусов Цельсия до +50 градусов Цельсия), в зависимости от области использования. Требования по части разгрузки поворотных подшипников от осевых усилий, возникающих в процессе эксплуатации сканера в таком широком температурном диапазоне сами по себе достаточно жесткие. Да еще эти требования усугубляются за счет увеличения длины вала привода, т.к. зачастую, как и в нашем случае, при определенном объеме сканера, выделенном для него в кабине летательного аппарата, или наземного средства, сечение корпуса ограничено по площади, т.е. для размещения всех рабочих блоков в корпусе он, а следовательно и вал привода, должны быть вытянуты в длину. Следовательно,
для разгрузки подшипников от осевых усилий должно быть обеспечено большее по абсолютной величине осевое перемещение установленного с возможностью перемещения подпружиненного подшипника по сравнению с прототипом.
В силу специфики конструкции подшипника качения, при непосредственном контактировании устройства разгрузки осевых усилий с торцом, установленного с возможностью осевых перемещений подшипника происходит затирание подвижной части подшипника пружинящим элементом и, как следствие, ненадежная работа устройства, и даже повреждение подшипника.
Целью разработки предлагаемой полезной модели является;
1. Снижение трения на валу вращения привода, что очень важно при колебательном движении вала привода сканера.
2. Увеличение диапазона разгрузки осевых усилий за счет увеличения осевого перемещения установленного с возможностью перемещения подпружиненного подшипника, что обеспечивает расширение температурного диапазона работы сканера,
3. Обеспечение надежной работы устройства для разгрузки подшипников качения от осевых усилий, в частности, за счет устранения возможности затирания подвижной части подшипника качения пружинящим элементом.
Поставленная цель достигается тем, что в узле вращения, содержащем корпус, размещенный в корпусе вал вращения привода установленный на подшипниках распределенных по его концам, содержащем также устройство разгрузки подшипников от осевых усилий, включающее пружинящий элемент, один из распределенных по концам вала вращения подшипников закреплен неподвижно в рельефе корпуса, а другой - установлен с возможностью осевого перемещения посредством подпружинивания упомянутым выше устройством разгрузки, причем подшипники выполнены в виде подшипников качения, а в устройство для разгрузки введена промежуточная деталь, выполненная в виде цилиндра с диаметром равным диаметру наружной (неподвижной) обоймы подпружиненного подшипника и состоящая из платформы и цилиндрической опоры, образованной концентрической выборкой также в форме цилиндра с диаметром более внутреннего, но менее внешнего диаметра наружной обоймы подшипника, посредством цилиндрической опоры промежуточная деталь установлена на наружную обойму подшипника, в то время как пружинящий элемент установлен
непосредственно на платформу промежуточной детали с одной стороны и закреплен в рельефную полость корпуса - с другой.
В промежуточной детали дополнительно может быть выполнено сквозное концентрическое отверстие с диаметром более диаметра цапфы вала вращения выступающей из подшипника качения, но менее установочного диаметра пружинящего элемента.
Высота стенок рельефной полости корпуса выполнена достаточной для размещения в ней пружинящего элемента, промежуточной детали, и подшипника с запасом на величину осевого перемещения подпружиненного подшипника.
Иными словами, путем замены подшипника скольжения на подшипник качения, содержащий внешнюю (в нашем случае - неподвижную) обойму, внутреннюю (подвижную) обойму, и шарики с сепаратором, расположенные между обоймами, в заявляемом узле вращения трение скольжения заменено на трение качения, которое значительно (не менее чем на порядок) меньше, что очень важно при колебательном движении вала привода сканера, т.к. особенно в момент остановки вала при изменении направления вращения (момент, когда вал привода должен стронуться в другую сторону) необходимо иметь минимальное трение трогания. Увеличение хода установленного с возможностью перемещения подпружиненного подшипника по сравнению с прототипом стало возможно при одинаковых размерах шарика в прототипе и в заявляемом устройстве также благодаря замене поворотного подшипника скольжения в прототипе на подшипник качения и отсутствию в заявляемом устройстве ограничителей осевого движения. В прототипе возможный ход подшипника менее 1/2 диаметра шарика, в противном случае произойдет выпадение шарика из пространства вложения (вылущивание), в заявляемом устройстве ход подшипника не менее толщины обоймы подшипника, (см. фиг.1, а) и б) т.е. более диаметра шарика. Это обеспечено конструкцией подшипника качения, и в отличие от прототипа, отсутствием дополнительных ограничителей осевого перемещения подшипника.
Кроме того, в устройство для разгрузки подшипников от осевых усилий, заявляемого узла вращения введена в данной полезной модели промежуточная деталь, защищающая подвижную часть подшипника от механического воздействия пружинящего элемента, а также от попадания загрязнений на подшипник.
При этом в заявляемом узле вращения, кроме решения поставленных задач, возможен дополнительный положительный эффект, заключающийся в возможности изготовления корпуса и вала - из материалов с разными коэффициентами
линейного расширения, т.е. из разных, обоснованных разработчиками материалов. При работе сканера в широком температурном диапазоне вал привода и корпус подвержены разному линейному расширению, это приводит к значительному возрастанию осевой нагрузки на подшипники удерживающие вал, в заявляемом узле вращения проблема разгрузки от осевого усилия решена за счет увеличения хода подпружиненного подшипника.
Заявляемое устройство представлено следующими чертежами,
Фиг.1. а) Разрез подшипника скольжения, б) Разрез подшипника качения.
Фиг.2. Сборочный чертеж устройства.
Фиг.3. Конструкция вариантов промежуточной детали.
Устройство заявляемого «Узла вращения» представлено на Фиг.2. Как и прототип, устройство содержит корпус (1), размещенный в нем вал вращения привода (2), установленный, как и в прототипе, на двух подшипниках. Как и в прототипе один из подшипников (3) закреплен неподвижно относительно корпуса в рельефе корпуса (4), а другой подшипник (5) подпружинен пружинящим элементом (6). В отличие от прототипа, вал вращения привода установлен на подшипники качения (так называемые шарико-подшипники), а не скольжения, это очень актуально для привода колебательного движения с точки зрения преодоления меньших сил трения в момент изменения направления вращения вала привода. В отличие от прототипа в разгрузочный элемент введена промежуточная деталь (7), в которой можно выделить две зоны (см. также Фиг.3) платформу (8) и цилиндрическую опору (9). Промежуточная деталь обеспечивает беспрепятственное подпружинивание, защищая подвижную часть подшипника от затирания пружинящим элементом, и, кроме того, защищает подшипник от попадания пыли и посторонних предметов. При необходимости, в случае конструкции вала привода с выступающей из подшипника цапфой (10), возможно выполнение промежуточной детали со сквозным отверстием (11). Устройство разгрузки и установленный с возможностью перемещения подшипник расположены в рельефной полости (12) корпуса.
Устройство работает следующим образом: в исходном положении до начала работы привода пружинящий элемент (6), обеспечивает предварительную осевую нагрузку в отличие от прототипа через промежуточную деталь (7) на подшипник (5), затем через вал (2) привода на подшипник (3). При подаче питания вал вращения (2) привода вращается на паре подшипников скольжения (3 и 5), в
одну и в другую сторону (колебательное движение). Снижение трения в момент (страгивания) изменения направления вращения вала, обеспечено тем, что трение скольжения используемое в «Поворотном подшипнике» заменено в заявляемом «Узле вращения» на значительно меньшее трение качения, что очень важно при колебательном движении привода сканера.
Подшипник (5) через введенную для эффективного и беспрепятственного контактирования пружинящего элемента с торцом подшипника (а точнее с торцом его внешней неподвижной обоймы) промежуточную деталь (7) взаимодействует с пружинящим элементом (6). При этом промежуточная деталь (7) предохраняет подвижную часть подшипника от затирания и попадания пыли, и при изменении осевой нагрузки в меньшую либо большую сторону пружинящий элемент либо разжимается (при уменьшении осевой нагрузки) либо сжимается (при увеличении осевой нагрузки) таким образом регулируя и оставляя постоянной осевую нагрузку подшипников и не препятствуя их вращению. Причем пределы регулирования осевой нагрузки значительно превышают возможности регулирования осевой нагрузки в прототипе, т.к. в предлагаемом устройстве осевой ход подпружиненного подшипника (5) определяется размером высоты наружной обоймы - Н (см. Фиг.1б)), на эту величину подпружиненный подшипник может перемещаться в рельефной полости корпуса (12), т.к. в заявляемом устройстве не предусмотрены ограничители осевого перемещения (в отличие от прототипа). Следует отметить, что на случай температурного уменьшения размеров вала вращения (2) высота стенок рельефной полости корпуса выполнена с расчетным запасом на ход подпружиненного подшипника, определяемый типом выбранных материалов вала и корпуса, а также интервалом рабочих температур.
Устройство может быть реализовано промышленным способом, посредством освоенных технологий, используемых в точном машиностроении, таких как токарная обработка, обработка давлением (штамповка, высадка).
Полезная модель «Узел вращения»
Источники принятые во внимание.
/1/ - «Справочник конструктора точного приборостроения», под общей редакцией д-ров техн. наук К.Н.Явленского, Б.П.Тимофеева, и канд. техн. наук Е.Е.Чаадаевой, Ленинград «машиностроение», 1989 г.
/2/ - Авторское св. №730977, F 01 C 21/00 «Устройство для разгрузки подшипников винтового компрессора от осевых усилий» - аналог-1.
/3/ - Авторское св. №2052680, «Опора качения вала» - аналог-2.
/4/ - Авторское Св. №1059298 «Подшипниковый узел для приводов вращения», F 16 C 17/18 - аналог-3.
/5/ - Патент №2137217 «Поворотный подшипник», F 16 C 19/50 - прототип.