ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ РАДИАЛЬНЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ
RADIAL SPHERICAL CAGELESS ROLLING BEARING

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, выполненные в виде роликов с безбортовым наружным кольцом без сепаратора.
Недостатками известных стандартных подшипников качения являются малая частота вращения, наличие трения-качения с проскальзыванием тел качения, повышенный шум, низкая долговечность, высокая температура нагрева, например от 100°С и более. Низкая долговечность подшипников обусловлена повышенным скольжением тел качения - роликов от контакта друг с другом и дорожками качения.
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, а 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 проточки 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 ярусов.
К недостаткам прототипа можно отнести относительно невысокую частоту вращения подшипника качения, если применить его в качестве подшипника гироскопа или механизированного инструмента, например, в электродрелях, ножницах и т.д.
Цель изобретения:
- обеспечить более высокую частоту вращения подшипника;
- остановить тупиковый путь развития стандартных подшипников качения;
- заполнить свободную нишу еще одним подшипником качения, работающим на трении чистого качения, например, равного 0,0003.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что тела качения нижнего яруса выполнены в форме шара, а, по крайней мере, часть роликов верхнего яруса или все содержат коаксиальное отверстие, закрытое с двух сторон стаканчиками, заполненными пенопластом, а в средней части свободно расположены детали вибратора - кольцо разрезное и ролик, в зоне разреза на кольце выполнены с внутренней стороны две фаски.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиальный сферический бессепараторный. На фиг.2 дано сечение А-А фиг.1, на фиг.3 приведена развертка положения роликов. На фиг.4 показано сечение ролика верхнего яруса, на фиг.5 приведен разрез Б-Б фиг.4.
Подшипник качения радиальный сферический бессепараторный состоит из наружного кольца 1, роликов верхнего яруса 2, тел качения 3 нижнего яруса, внутреннего кольца 4, двух запорных шайб 5 и содержит две защитные шайбы 6. Шайбы 6 содержат два кольца 7, выполненные, например, из металлокерамики, и содержат смазку. Часть роликов 2 или все содержат сквозное коаксиальное отверстие, которое с двух сторон закрыто стаканчиками 8, заполненными пенопластом, а в средней части отверстия расположены свободно детали вибратора - кольцо разрезное 9 и ролик 10, а полость заполнена, например, кремнийорганической жидкостью ПМС-50000.
Ролики 2 выполнены двухступенчатого типа, большая ступень ролика выполнена с двумя участками и контактирует по линии только с дорожкой качения наружного кольца 1, а один участок меньшей ступени ролика 2 выполнен с проточкой радиусного типа и контактирует по точке в двух местах (см. фиг.2) с наружным диаметром тел качения 3, выполненных в форме шара. При этом меньшая ступень ролика 2 с диаметром Dwm1 равна большей ступени шара 3. Последние контактируют только с дорожкой качения внутреннего кольца 4 по точке.
На внутренних кольцах 4 выполнено два участка сферического типа (OR), которые контактируют с защитными шайбами 6.
Каждый из роликов 2 верхнего яруса и шарики 3 нижнего яруса контактируют друг с другом и дорожками качения в трех местах, образуя силовой замкнутый единый кольцевой комплект из роликов верхнего и шариков нижнего яруса. При этом должно выполняться условие сборки подшипника:
,
где D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика верхнего яруса;
d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
Dwm1 - диаметр большей ступени тел качения нижнего яруса.
д
ш
ш
Однако следует отметить, что проточка радиусного типа на ролике 2 верхнего яруса и дорожка качения внутреннего кольца 3 выполнены r≈1,03r; где r - равно радиусу шара - Dwm1/2.
Подшипник качения радиальный сферический бессепараторный работает следующим образом. При вращении кольца 4 шарики 3 своими Dwm1 обкатываются только по дорожке качения d1m внутреннего кольца 4. Шарики 3 сообщают вращение через два своих пятна контакта меньшим ступеням ролика 2, а большие ступени роликов с диаметром Dwm2 обкатываются только по дорожкам качения D1m наружного кольца 1. Комплект роликов 2 и тела качения 3 перемещаются влево (туда должен был перемещаться сепаратор), совершая круговое вращение по дорожкам качения подшипника. Наружное кольцо 1 установлено на телах качения 2 и 3 с предварительным натягом или по посадке, например, f6. Радиальный зазор отсутствует в подшипнике или равен тепловому зазору (f6). Вращение тел качения 3 по дорожке качения d1m проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Шарики 3 передают вращение роликам 2 в противоположную сторону с постоянной и одинаковой частотой вращения. Окружные скорости шариков 3 и роликов 2 равны.
Известно, что при наложении колебаний в противофазе шум взаимоуничтожается. Получаем снижение шума до 20…40 дБ.
Отсутствие сепаратора устраняет вибрацию от вращения последнего, а также устраняет возможность скольжения тел качения 3 и 2 о поверхность сепаратора. Отсутствует шум от скольжения при контакте сепаратора с кольцом подшипника, отсутствуют и продукты износа от скольжения.
Предварительный натяг обеспечивает равномерную нагрузку всем телам качения подшипника. Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника. Отсутствие радиального зазора в подшипнике обеспечивает повышенную центровку вала.
Данное исполнение позволяет увеличить грузоподъемность подшипника, например, в два, три раза.
-1
-1
-1
Работа подшипника качения в условиях чистого качения без скольжения и проскальзывания обеспечивает более высокую частоту вращения, например 10000 мин и от 50000 мин до 100000 мин для гироскопических подшипников качения.
Необходимо заметить, что число роликов в одном ярусе должно быть равно числу простых чисел - 5; 7; 11; 13; 17…; допускаются исключения числа, например, 9; 12; 15; 18; 21…; кратные 2; 3; 4; 5; 6; 7…; при этом числа, кратные трем, предпочтительны для расположения в них деталей вибратора 9 и 10. При большом количестве роликов число вибраторов может быть равно и 5, и 7, расположенных равномерно по окружности дорожек качения.
Кольцо 9 содержит сквозной разрез и фаски с внутренней стороны разреза под углом, например, 30°. А в кольце 9 расположен ролик 10 цилиндрического типа, если подшипники качения установлены на горизонтальном валу. При расположении рабочего вала вертикально вместо ролика 10 располагают шар.
Шарики 3 в гироскопических подшипниках устанавливают полые.
Как работает вибратор в подшипнике?
-1
-1
При вращении ролика 2 вправо кольцо 9 получает вращение влево, а ролик 10 вращается вправо. Ролик 10 при вращении попадает в зону фаски, расположенной на кольце 9 и сообщает за один оборот кольца один ударный импульс, а при обкатке по гладким поверхностям ролика 2 и кольца 9 передает радиальные колебания на ролик 2. Вибратор устойчиво работает, например, на режимах разгона подшипника до частот вращения от 1000 мин до 10000 мин, а при более высоких частотах вращения детали вибратора не работают в качестве вибратора - они выключены.
-1
-1
На режимах разгона вибраторы снижают коэффициент трения качения от 0,003 до 0,0003, чем и способствуют увеличению частоты вращения подшипнику качения от 50000 мин до 100000 мин.
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Следует отметить, что ролики 2 и тела качения 3 в подшипнике вращаются с собственной частотой: при 10000 мин подшипника ролик 2 и шарик 3 вращаются 2300 с; 50000 мин - 5750 с, а 100000 мин- 11500 с.
-1
На этих частотах вращения роликов 2 детали вибраторов 9 и 10 занимают в отверстии центральное положение, а смазка распределяется равномерным слоем между стенкой отверстия и кольцом 9, между кольцом 9 и роликом 10. Детали 9 и 10 теряют гравитацию и обезвешены под действием вращения в противоположные стороны. Возникающие тороидные вихри в смазке поддерживают детали 9 и 10 во взвешенном положении. Вибратор не работает, а кремнийорганическая жидкость нагрелась, а сопротивление ее возросло, она-то и отключила работу вибратора, потребность в котором уже и отпала после разгона подшипника до частоты вращения более 10000 мин. Жидкость нагрелась от вращения ролика 2, объем ее увеличился, а стенки стаканчика 8 прогнулись во внешнюю сторону в пределах упругих деформаций.
Известно, что кремнийорганическая жидкость имеет удлиненные молекулы, и при перемешивании или вращении жидкость нагревается, например, до +90°С max, а сопротивление ее при нагревании еще и возрастает, а температура застывания - 57°С. «Теория качения подшипников качения» позволила впервые вести расчет по частоте вращения тел качения.
Контакт тел качения проходит для каждого их роликов 2 и тел качения 3 в трех местах (см. фиг.2, а в стандартных подшипниках проходит по двум линиям или двум точкам), что увеличивает значительно надежность и долговечность подшипника.
Предложенный подшипник качения радиальный сферический бессепараторный допускает перекосы внутреннего кольца относительно наружного кольца, например, в пределах от 20' до 1°, а на крупногабаритных подшипниках на 2…3°, но работающих с меньшей частотой вращения.
Следует отметить, что смазка из колец 7 выделяется, когда подшипник нагреется, а когда он остывает, смазка собирается в пустотах металлокерамики колец 7.
Работа подшипника на трении чистого качения без скольжения тел качения позволяет работать без смазки длительное время, например до двух часов.
Подшипник также снижает показатель техногенных катастроф, который приходится на стандартные подшипники «качения» и составляет от 30 до 40%.
В целом, подшипник выступает за остановку тупикового пути развития стандартных подшипников качения.
-1
Подшипник позволяет заполнить свободную нишу еще одним подшипником качения, работающим на трении чистого качения, например, равном 0,0003, бесшумным, долговечным, надежным с частотой вращения от 100 до 100000 мин и холодным до Т°С≈+50°С.
Экономическая эффективность
Человечество постоянно борется с последствиями трения.
Одержана еще одна маленькая победа над трением скольжения в подшипнике и не только…
Борьба с трением - важнейшая инженерная проблема, успешное решение которой позволит экономить десятки млн. тонн стали, млн. тонн цветных металлов, сократить выпуск многих машин и запасных частей, уменьшить объем ремонтных работ. Решением проблем износостойкости машин только у нас в стране занимаются десятки крупных НИИ и организаций.
Только в одной стране - в США - потери от износа машин и инструментов исчисляются десятками млн. долларов в год.
Скольжение в подшипниках приводит к росту радиальных зазоров, приводит к авариям, падениям, крушениям…
Вибрации и биения в машинах вызывают снижение качества деталей и создают угрозу аварий и гибели генофонда.
Ошибался Великий Маэстро - Леонардо да Винчи, предложив сепаратор. Первым из строя в подшипнике выходит сепаратор, вторыми - тела качения…
Победа над трением в подшипнике позволяет сделать еще один шаг в развитии техники, повышении точности базирования, частоты вращения, надежности, долговечности, грузоподъемности, бесшумности…