Патент на изобретение №2319047

(54) САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ И СЕПАРАТОР ДЛЯ САМОУСТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ ПОДШИПНИКА КАЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к самоустанавливающемуся подшипнику качения, по меньшей мере, с одним первым рядом тел качения и соседним с первым рядом тел качения вторым рядом тел качения. Самоустанавливающийся подшипник качения имеет, по меньшей мере, один первый ряд тел качения и соседний с первым рядом тел качения второй ряд тел качения. Каждый из рядов содержит расположенные по окружности вокруг средней оси подшипника качения шарики и ролики. Шарики имеют наименьший наружный диаметр, который больше наибольшего наружного диаметра роликов. Подшипник качения также имеет воображаемую, концентричную средней оси и проходящую через шарики первую плоскость контакта шариков в каждом ряду и воображаемую, концентричную средней оси, а также пересекающую ролики по наибольшему наружному диаметру вторую плоскость контакта роликов в каждом ряду. В каждом из рядов первая плоскость контакта тел качения отстоит вдоль средней оси подшипника от второй плоскости контакта тел качения. Также заявлен сепаратор, по меньшей мере, для одного из рядов вышеописанного самоустанавливающегося подшипника качения, имеющий гнезда для шариков с боковым отверстием, причем каждое из отверстий выполнено на обращенной от другого ряда стороне сепаратора, а свободный в тангенциальном направлении размер отверстия меньше наружного диаметра шариков. Технический результат: уменьшение трения за счет меньших рабочих температур, уменьшение износа в гнездах сепаратора и упрощение изготовления сепаратора. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

Область техники

Самоустанавливающийся подшипник качения, по меньшей мере, с одним первым рядом тел качения и соседним с первым рядом тел качения вторым рядом тел качения.

Предпосылки создания изобретения

Обозначаемые термином «самоустанавливающиеся подшипники качения» самоустанавливающиеся роликоподшипники и сферические самоустанавливающиеся подшипники используются в тех случаях, когда следует компенсировать угловые погрешности между корпусом и валом. За счет использования тела качения роликов с линейным касанием между наружным и внутренним кольцами эти подшипники пригодны для высоких нагрузок. При небольшой нагрузке подшипника качения ролики из-за отсутствия контакта качения склонны к скольжению между дорожками качения. Частота вращения сепаратора с телами качения уменьшается к нормальному состоянию с контактом качения. При резком возрастании нагрузки подшипника качения тело качения, входящее тогда в контакт между наружным и внутренним кольцами, должно ускорять весь сепаратор со всеми другими телами качения в течение долей секунды до нужной частоты вращения. Этот процесс ускорения создает большие усилия в сепараторе. Вытекающее из этого проскальзывание между ускоренными роликами и дорожками качения наружного или внутреннего кольца вызывает повреждения тел качения и дорожек качения.

Названная проблема возникает, например, в тех случаях, когда при нормальной работе тела качения нагружены незначительно. При резких повышениях нагрузки самоустанавливающиеся подшипники качения подвержены кратковременным пиковым нагрузкам, которые могут вызвать описанное выше явление.

В DE 8803970 U1 описан радиальный подшипник качения, в котором в качестве тел качения совместно используются ролики и шарики. Родовой самоустанавливающийся подшипник качения снабжен, по меньшей мере, одним первым рядом тел качения и соседним с первым рядом тел качения вторым рядом тел качения. Каждый из рядов содержит расположенный по периферии вокруг средней оси самоустанавливающегося подшипника качения ряд сферических роликов. Кроме того, в самоустанавливающемся подшипнике качения расположен один ряд шариков. За счет дополнительного ряда шариков в подшипнике по DE 8803970 U1 должна быть повышена допускаемая нагрузка. Последствия кратковременных повышений нагрузки этим выполнением не решены.

Шарики в подобных подшипниках из уровня техники из-за своей точечной поверхности контактирования с дорожками качения во время работы самоустанавливающегося подшипника качения стремятся занять кинематически оптимальное положение. Это приводит, как правило, к осевым вынужденным перемещениям шариков. За счет этого шарики опираются, в частности, с боков в гнездах сепаратора против усилий от вынужденных движений. Следствием являются повышенное трение, связанное с более высокими рабочими температурами, и износ в гнездах сепаратора. Держатели шариков в гнездах при определенных обстоятельствах преждевременно изнашиваются. Описанный в DE 8803970 U1 сепаратор относительно сложен в изготовлении из-за лежащих аксиально между гнездами роликов гнезд шариков.

Изложение изобретения

Задачей настоящего изобретения является, поэтому, создание самоустанавливающегося подшипника качения и сепаратора для самоустанавливающегося подшипника качения, с помощью которых можно было бы избежать описанных выше недостатков.

Эта задача решается посредством объекта п.1 формулы и других вариантов осуществления изобретения по зависимым пунктам формулы. Самоустанавливающийся подшипник качения снабжен, по меньшей мере, одним первым рядом тел качения и соседним с первым рядом тел качения вторым рядом тел качения. Каждый из рядов содержит расположенные по окружности вокруг средней оси самоустанавливающегося подшипника качения шарики и ролики или выполненные сферически по-другому ролики. При этом возможно, чтобы в направлении окружности к каждому из роликов примыкал один из шариков. В качестве альтернативы шарики отделены друг от друга в направлении окружности двумя или более роликами.

Шарики имеют при этом общий для всех шариков в подшипнике номинальный диаметр. Наименьший в пределах допуска на диаметр шариков наружный диаметр шариков больше наибольшего наружного диаметра сферических роликов. При этом ролики имеют общий для всех роликов в подшипнике номинальный диаметр. Наибольший наружный диаметр роликов является наибольшим диаметром, отличающимся в пределах допуска от номинального диаметра роликов.

Каждая воображаемая первая плоскость контакта шариков в каждом ряду, концентричная средней оси подшипника, проведенная кольцеобразно вокруг средней оси и проходящая посередине через шарики, и каждая воображаемая вторая плоскость контакта роликов в каждом ряду, концентричная средней оси и пересекающая ролики по наибольшему наружному диаметру, аксиально отстоят друг от друга в каждом из рядов вдоль средней оси подшипника. Преимущественно первые плоскости контакта шариков расположены от ряда к ряду аксиально ближе друг к другу, чем вторые плоскости контакта роликов от ряда к ряду. За счет этого первые плоскости контакта шариков расположены вдоль средней оси и, тем самым, аксиально между вторыми плоскостями контакта сферических роликов. Чем ближе плоскости контакта шариков соседних друг другу рядов прижаты друг к другу в направлении поперечной средней плоскости подшипника, тем меньше действующие на шарики вынужденные усилия. За счет того, что шарики и ролики расположены по окружности совместно соответственно в одном ряду, сепаратор проще изготовить, а подшипник, в целом, более узкий и, тем самым, легче и экономичнее в изготовлении.

Шарики несут одни радиальную нагрузку при небольшой нагрузке подшипника. При более высоких или пиковых нагрузках помогают ролики. За счет точечного касания между дорожкой качения и шариком возникают более высокие контактные напряжения, чем при линейном касании между роликом и дорожкой качения. Сравнительно более высокое контактное напряжение в контакте с шариками при небольшой нагрузке вызывает меньшее проскальзывание между телами качения. Смешанное трение или трение твердых тел в зоне контакта между дорожками качения и телами качения предотвращено. Это действие усиливается еще и за счет того, что в контакте находятся только шарики и, тем самым, не все тела качения. Нагрузка распределяется, тем самым, по меньшему числу тел качения, в результате чего контактные напряжения в зоне контакта тел качения повышаются. Роликовый венец, состоящий из роликов и сепаратора, подхватывается шариками при небольшой нагрузке.

В момент пика нагрузки минимально большие и находящиеся в зоне нагрузки шарики в соответствии со своей характеристикой пружины упруго деформируются настолько, что в дело вступают ролики. Это предотвращает возникновение сжатий в подшипнике, которые могли бы привести к пластической деформации шариков и подшипников качения в контакте качения с шариками. Ударные усилия ускорения на роликовый венец предотвращены, поскольку роликовый венец уже приведен в рабочую частоту вращения роликами. Номинальный диаметр шариков преимущественно находится в диапазоне 0,005-0,4% от наибольшего номинального диаметра роликов и больше диаметра роликов.

Изобретение предусматривает в одном варианте осуществления сепаратор, по меньшей мере, для одного из рядов самоустанавливающегося подшипника качения. Предпочтительно, однако, использован сепаратор, направляющий одновременно оба ряда. Сепаратор имеет гнезда шариков с соответственно одним боковым отверстием. Специалистам этот сепаратор известен как гребенчатый или двойной гребенчатый сепаратор. Каждое из отверстий гнезд одного ряда выполнено на обращенной от другого ряда стороне сепаратора. Тангенциальный в направлении периферии подшипника свободный размер отверстия меньше наружного диаметра шарика, так что шарик удерживается также сбоку на кромке отверстия гнезда. Отверстие служит также для защелкивания шариков снаружи в сепаратор, поскольку не закрытое со стороны периферии гнездо продолжает упруго пружинить и усилия защелкивания за счет этого ниже. Защелкивающий бортик защищен, тем самым, от повреждений при монтаже шариков в сепараторе.

Каждое из гнезд шариков имеет предпочтительно соответственно один бортик на направленном радиально наружу краю. Наибольшее свободное расстояние, по меньшей мере, между тангенциально противоположными друг другу в направлении периферии и при этом наиболее удаленными друг от друга участками бортика меньше суммы наружного диаметра шарика в гнезде и максимально возможного люфта в гнезде. Люфт – это свободное расстояние между гнездом и соответствующим шариком в гнезде радиально под бортиком. Бортик охватывает, таким образом, шарик над диаметром делительной окружности ряда шариков. В наибольшее свободное расстояние между участками бортика включен также максимально возможный свободный люфт между шариком в гнезде и бортиком, так что шарик в кармане является свободно подвижным в направлении бортика на величину люфта, однако удерживается от движения от бортика радиально наружу.

Преимущественно весь направленный радиально наружу край каждого из гнезд шариков ограничен бортиком. Бортик проходит, таким образом, от конца гнезда на отверстии вокруг шарика до противоположного края гнезда на отверстии.

Бортик имеет, согласно другому варианту осуществления изобретения, обращенный к шарику в гнезде и частично охватывающий шарик до отверстия по периферии внутренний участок в виде поверхности кругового цилиндра. Участок поверхности описан радиусом. Направленная поперек радиуса высота участка поверхности возрастает от наиболее удаленной от отверстия стороны гнезда в направлении отверстия.

Краткое описание чертежей

Ниже другие варианты и примеры осуществления изобретения более подробно поясняются на чертежах, фиг.1-10 которого более подробно показывают:

– фиг.1: пример выполнения самоустанавливающегося подшипника качения в общем виде частично в разрезе;

– фиг.2а, 2b: частичные разрезы самоустанавливающегося подшипника качения по фиг.1;

– фиг.3: другой пример выполнения самоустанавливающегося подшипника качения с частичным разрезом;

– фиг.4: частичный вид сепаратора самоустанавливающегося подшипника качения по фиг.3;

– фиг.5: другой пример выполнения самоустанавливающегося подшипника качения в продольном разрезе;

– фиг.6-8: подробности выполнения гнезда для шарика одного примера осуществления изобретения;

– фиг.9, 10: схематично соотношения размеров роликов и сферических шариков в сравнении.

Подробное описание чертежей

На фиг.1 изображен предпочтительный вариант выполнения самоустанавливающегося подшипника качения 1. Подшипник 1 снабжен наружным кольцом 2, внутренним кольцом 3 и расположенными между наружным и внутренним кольцами телами 11 качения. Тела 11 качения выполнены в виде шариков 5 и роликов 6 и направляются общим сепаратором 4. В других случаях возможен также составной сепаратор, направляющий каждый ряд 9 и 10 тел 11 качения по отдельности.

Шарики 5 в диаметре чуть больше роликов 6. Ролики 6 и шарики 5 соответственно расположены попеременно в одном из рядов 9, 10 в окружном направлении так, что с каждым из шариков 5 в одном из рядов 9, 10 в окружном направлении подшипника 1 смежно расположен один из роликов 6. Кроме того, рядом с каждым из шариков 5 первого ряда 9 смежно находится зазор 12 между шариком 5 и роликом 6 второго ряда 10. При определении диаметра шариков 5 и диаметра 8 роликов 6 следует обратить внимание на то, что при небольшой нагрузке подшипника ролики между двумя соседними шариками не одновременно находятся в контакте с обеими дорожками 13, 14 качения. При первой небольшой нагрузке подшипника только шарики 5 несут нагрузку, тогда как ролики 6 обкатываются ненагруженными.

При расчете разности 7 диаметров (фиг.2а) шарика 5 и ролика 6 следует обратить внимание на то, чтобы при возможной второй нагрузке подшипника, возрастающей при этом до максимальной, шарики 5 пластически не деформировались. Возможной практической величиной разности 7 диаметров между большего диаметра шариком 5 и меньшего диаметра роликом 6 является, например, величина в две сотые миллиметра.

Другой, не показанный вариант выполнения, предусматривает, что между двумя шариками расположены несколько роликов. При этом следует обратить внимание на то, что с уменьшением числа несущих шариков 5 в зоне нагрузки подшипника при первом нагружении подшипника самоустанавливающийся подшипник 1 и установленный посредством него вал вращаются с увеличивающейся в радиальном направлении нестабильностью.

На фиг.2а, 2b самоустанавливающийся подшипник 1 качения изображен в частичном разрезе. На фиг.2а изображен несущий шарик 5 при первой нагрузке подшипника уменьшенного размера, чтобы показать, что только шарики 5 обладают несущей способностью. На фиг.2b изображен контакт ненесущего ролика 6 при первой нагрузке подшипника. Разность 7 диаметров здесь показана преувеличенно большей и, таким образом, не в масштабе.

На фиг.3 изображен другой пример выполнения самоустанавливающегося подшипника 15 качения с цельным сепаратором 16, направляющим одновременно первый ряд 9 и второй ряд 10 тел 11 качения. Каждый из рядов 9, 10 тел качения обкатывается по общей наружной дорожке 14 качения. Каждому из рядов 9, 10, соответственно, соответствует на внутреннем кольце подшипника отдельная внутренняя дорожка 13 качения. Как видно, в частности, из изображения на фиг.4 сепаратора 16 в виде выделенной из подшипника 15 отдельной детали и расположения гнезд 18, 19 рядом с каждым из шариков 5 первого ряда 9, расположен ролик 6 второго ряда 10. Гнезда 18 роликов и гнезда 19 шариков каждого из рядов 9,10 имеют на боковых торцевых сторонах сепаратора 16 отверстия 20, 21, причем отверстия 20, 21 одного из рядов 9 или 10 выполнены все со стороны гнезд 18 и 19, обращенной от другого ряда 9 или 10.

На фиг.5 изображен самоустанавливающийся подшипник 22 качения с сепаратором 16, шариками 5 и роликами 6. Воображаемые плоскости 23 контакта шариков 5 как первого ряда 9, так и второго ряда 10 расположены аксиально между плоскостями 24 контакта роликов 6 первого ряда 9 и второго ряда 10. Следовательно, плоскости 23 контакта тел качения в одном из рядов 9 или 10 аксиально отстоят от плоскостей 24 контакта тел качения в том же ряду 9 или 10. Плоскости 23 контакта тел качения выполнены в виде кругового кольца и при этом ограничены радиально наружу наружной проходящей вокруг шариков 5 окружностью 23а качения, а радиально внутрь – охватываемой шариками 5 огибающей окружностью 23b. Плоскости 23 контакта тел качения наклонены к проходящей через огибающую окружность 23b радиальной плоскости R₁. Плоскости 24 контакта роликов 6 выполнены в виде кругового кольца и при этом ограничены радиально наружу наружной, проходящей вокруг роликов 6 окружностью 24а качения, а радиально внутрь – охватываемой роликами 6 огибающей окружностью 24b. Плоскости 24 контакта тел качения наклонены к проходящей через огибающую окружность 24b радиальной плоскости R₂.

На фиг.6-8 изображено подробно гнездо 19 шарика, выполненное преимущественно в сепараторах 4, 16. Тангенциальный размер 25 открытого отверстия между концами 19а, 19b гнезда 19, тангенциально противоположными друг другу в окружном направлении относительно средней оси подшипника, меньше наименьшего в пределах допуска наружного диаметра 28 шарика 5. Обращенный радиально наружу край 19 с гнезда 19 переходит в бортик 26. По меньшей мере, тангенциально наибольшее в окружном направлении сепаратора 4, 16 и описанное двукратным радиусом 27 открытое расстояние между противоположными друг другу участками 26а поверхности меньше суммы двукратного радиуса 29. Радиус 29 соответствует сумме наружного диаметра 28 и люфта 30. Радиус 27 включает в себя при этом люфт 31 между шариком 5 и бортиком 26.

Обращенный к шарику 5 участок 26а поверхности бортика 26 является участком поверхности кругового цилиндра, описанным радиусом 27. Радиус 27 исходит при этом от оси, лежащей в плоскости 23 контакта тел качения и проходящей через центр 32 шарика 5. Направленная поперечно радиусу 27 высота H₁, Н₂, Н₃ между кромками 39, 40 возрастает исходя от наиболее удаленной от отверстия 21 стороны 26b бортика 26 в направлении концов 19а, 19b до максимальной высоты Н_х. К бортику 26 радиально внутрь примыкает участок 19d внутренней поверхности гнезда с радиусом 29.

На фиг.9 схематично, а также преувеличенно и не в масштабе изображено идеальное состояние расположения и соотношения размеров роликов 6 и шариков 5 в самоустанавливающемся подшипнике качения. Наружный диаметр 28 шариков 5, минимально возможный в пределах допусков от номинального размера шарика, больше наружного диаметра 8 ролика 6, максимально возможного в пределах допусков размера ролика. Ролики 6 и шарики 5 расположены по окружности подшипника с равным шагом Т по отношению друг к другу. Каждый шарик 5 расположен по окружности рядом с роликом 6. Расстояние 33 по дуге между двумя шариками, следующими по окружности друг за другом, и при этом отделенными друг от друга одним из роликов 6, настолько мало, что остается радиальное расстояние 34 между роликом 6 и дорожкой 13 качения. Радиальное расстояние 34 образовано при этом между расположенным на вершине 35 зоны 36 нагрузки роликом 6 и дорожкой 13 качения. Зона 36 нагрузки изображена на фиг.9 схематично линией 36а, которая без числовых данных обозначает на вершине 35 максимальное значение контактного напряжения.

На фиг.10 расстояние 37, в отличие от изобретения, по дуге между шариками 5 слишком велико, так что вследствие осевого провиса 38 дорожки 13 качения и в данном случае слишком большой упругой деформации шариков 5 под первой нагрузкой подшипника радиальное расстояние межу дорожками 13, 14 качения соответствует диаметру 8 ролика 6 или меньше него.

Формула изобретения

1. Самоустанавливающийся подшипник качения (1, 15, 22), имеющий, по меньшей мере, один первый ряд (9) тел (11) качения и соседний с первым рядом (9) тел (11) качения второй ряд (10) тел (11) качения, причем каждый из рядов (9, 10) содержит расположенные по окружности вокруг средней оси самоустанавливающегося подшипника качения (1) шарики (5) и ролики (6), шарики (5) имеют наименьший наружный диаметр (28), который больше наибольшего наружного диаметра (8) роликов (6), самоустанавливающийся подшипник качения (1, 15, 22) имеет далее воображаемую концентричную средней оси и проходящую через шарики (5) первую плоскость (23) контакта шариков (5) в каждом ряду (9, 10) и воображаемую концентричную средней оси, а также пересекающую ролики (6) по наибольшему наружному диаметру (8) вторую плоскость (24) контакта роликов (6) в каждом ряду (9, 10), причем в каждом из рядов (9, 10) первая плоскость (23) контакта тел качения отстоит вдоль средней оси подшипника от второй плоскости (24) контакта тел качения.

2. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что первые плоскости (23) контакта тел качения расположены от ряда (9, 10) к ряду (9, 10) аксиально ближе друг к другу, чем вторые плоскости (24) контакта тел качения от ряда (9, 10) к ряду (9, 10), за счет чего первые плоскости (23) контакта тел качения расположены аксиально между вторыми (24) плоскостями контакта тел качения.

3. Подшипник по п.1, отличающийся тем, что с первой нагрузкой, при которой охватывающая шарики (5) по их наружному диаметру (28) первая окружность (23а) качения в каждом ряду больше, чем охватывающая ролики (6) по их наружному диаметру (8) вторая окружность (24а) качения в каждом ряду (9, 10), и со второй нагрузкой, при которой первая окружность (23а) качения и вторая окружность (24а) качения одинаковы по величине, при этом, по меньшей мере, шарики (5) упруго, по меньшей мере, радиально подпружинены, причем вторая нагрузка подшипника выше первой нагрузки.

4. Подшипник по п.1 или 3, отличающийся тем, что в каждом ряду (9, 10) в окружном направлении относительно средней оси соответственно один из шариков (5) расположен рядом с одним из роликов (6).

5. Подшипник по п.3, отличающийся тем, что шарики (5) имеют в каждом из рядов (9, 10) минимально возможный наружный диаметр (28), а ролики (6) – максимально возможный наружный диаметр (8) и в котором в каждом из рядов (9, 10), соответственно, наибольшее расстояние (33) между двумя следующими по дуге друг за другом и при этом отделенными друг от друга одним из роликов (6) шариками (5), по меньшей мере, настолько мало, что на вершине (35) зоны (36) наибольшей первой нагрузки между внутренней дорожкой (13) качения подшипника (1, 15, 22) и его наружной дорожкой (14) качения остается радиальное расстояние (34), которое больше наибольшего наружного диаметра (8) роликов (6), причем тела (11) качения расположены радиально между дорожками (13, 14) качения.

6. Подшипник по пп.1, 3 или 5, отличающийся тем, что имеет сепаратор (4, 16), причем первый ряд (9) и второй ряд (10) направляются в сепараторе (4, 16) совместно.

7. Подшипник по пп.1, 3 или 5, отличающийся тем, что имеет сепаратор (16), причем первый ряд (9) и второй ряд (10) направляются в сепараторе (16) совместно и причем рядом с шариком (5) первого ряда (9) расположен ролик (6) второго ряда (10).

8. Подшипник по пп.1, 3 или 5, отличающийся тем, что имеет сепаратор (4), причем первый ряд (9) и второй ряд (10) направляются в сепараторе (4) совместно и причем рядом с шариком (5) первого ряда (9) находится периферийный промежуток (12) между роликом (6) и шариком (5) во втором ряду (10).

9. Сепаратор (4, 16), по меньшей мере, для одного из рядов (9, 10) самоустанавливающегося подшипника (1, 15, 22) качения по п.1, имеющий гнезда (19) для шариков с боковым отверстием (21), причем каждое из отверстий (21) выполнено на обращенной от другого ряда (9, 10) стороне сепаратора (4, 16), а свободный в тангенциальном направлении размер (25) отверстия (21) меньше наружного диаметра (28) шариков (5).

10. Сепаратор по п.9, отличающийся тем, что имеет бортик (26) на обращенном радиально наружу краю (19с) каждого из гнезд (19) шариков, причем наибольшее свободное расстояние, по меньшей мере, между тангенциально противоположными друг другу в направлении окружности и при этом наиболее удаленными друг от друга участками бортика (26) меньше наружного диаметра (28) шарика (5) в гнезде (19) плюс максимально возможный в направлении гнезда (19) свободный люфт (30) между гнездом (19) и соответствующим шариком (5) радиально под бортиком (26), а наибольшее свободное расстояние включает в себя максимально возможный свободный люфт (31) между шариком (5) и бортиком (26).

11. Сепаратор по п.10, отличающийся тем, что край (19с) каждого из гнезд (19) шариков образован проходящим до отверстия (21) бортиком (26).

12. Сепаратор по п.11, отличающийся тем, что бортик (26) имеет обращенный к шарику (5) в гнезде (19) и частично охватывающий шарик (5) до отверстия (21) по окружности внутренний участок (26а) поверхности кругового цилиндра, причем участок (26а) поверхности описан радиусом (27).

13. Сепаратор по п.12, отличающийся тем, что его участок (26а) поверхности ограничен двумя кромками, причем кромки (39, 40) обращены к шарику (5) в гнезде (19), при этом частично охватывают шарик (5) до отверстия (21), на отверстии (21), если смотреть поперек радиуса (27), наиболее удалены друг от друга и по мере увеличения расстоянии от отверстия (21) сближаются, если смотреть поперек радиуса (27).

РИСУНКИ