Патент на изобретение №2334137

(54) ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ РАДИАЛЬНЫЙ РОЛИКОВЫЙ БЕССЕПАРАТОРНЫЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех областях промышленности. Подшипник качения содержит 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. Меньшие ступени верхнего яруса, выполненные с тремя участками, контактируют по линии с большими ступенями роликов нижнего яруса. Наружное кольцо установлено на тела качения с предварительным натягом, с постоянной и одинаковой частотой вращения в противоположные стороны в каждом из ярусов. Наружное кольцо содержит две защитные шайбы. 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. Все ролики верхнего и нижнего ярусов контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям. Технический результат: снижение шума, повышение грузоподъемности, частоты вращения, долговечности и также повышение надежности работы. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано во всех областях промышленности.

Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, выполненные в виде роликов с безбортовым наружным кольцом без сепаратора.

Одним из недостатков известных стандартных подшипников качения является 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. Данный тип подшипников известен более 2000 лет, материалом для них служила бронза.

Известен подшипник качения – прототип (см. патент RU 2226627, С2 F16C 19/22 от 10.04.2004 г. Бюл. 10), содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора, ролики выполнены двухступенчатыми и больший диаметр ступени контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а меньший диаметр ступени – только с дорожкой качения внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника:

где d1m – диаметр дорожек качения внутреннего кольца подшипника;

Dwm1 – диаметр меньшей ступени ролика;

D1m – диаметр дорожек качения наружного кольца подшипника;

Dwm2 – диаметр большей ступени ролика,

а дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика…, а часть роликов выполнена с тремя участками меньшей ступени, взаимодействующими с дорожками качения внутреннего кольца подшипника, и двумя участками большей ступени, взаимодействующими с дорожками качения наружного кольца.

Цель изобретения:

– обеспечение более высокой частоты вращения подшипника;

– снижение шума, например, от 20 до 60 дБ;

– устранить скольжение и проскальзывание тел качения и, как следствие этого, устранить износ тел качения и дорожек качения;

– устранить перекосы тел качения и заклинивания торцов роликов с бортиками нижнего кольца;

– обеспечить равномерную нагрузку по всем роликам подшипника качения;

– увеличить долговечность подшипника, например, до 10 лет;

– увеличить грузоподъемность подшипника, например, в два, три раза;

– заполнить нишу еще одним подшипником качения, работающего на трении чистого качения с fk от 0.002 до 0.004, бессепараторного, способного работать и при отсутствии смазки безаварийно, например, до 300 мин;

– увеличить долговечность работы подшипника даже при экстренных торможениях вала.

Поставленные цели и технический эффект изобретения достигаются за счет того, что 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 замкнутый единый кольцевой комплект из роликов верхнего и нижнего яруса.

На Фиг.1 изображен подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный. На Фиг.2 изображено сечение А-А Фиг.1, на котором стрелками показано направление вращения комплекта роликов 2 и 3 при защемленном наружном кольце 1. На Фиг.3 приведена развертка двухступенчатых роликов 2 и 3.

Подшипник качения состоит из, например, наружного однобортового кольца 1, роликов 2 – верхнего яруса, роликов 3 – нижнего яруса, внутреннего кольца 4 с двумя бортами и содержащего две защитные шайбы 5.

Ролики 2 выполнены двухступенчатого типа, большая ступень ролика выполнена с двумя участками и контактирует по линии только с дорожкой качения наружного кольца 1, а три участка меньшей ступени ролика 2 цилиндрического типа контактируют по линии в двух местах с большими ступенями роликов 3. В свою очередь, большие ступени роликов 3 контактируют по линии только с дорожками качения внутреннего кольца 4. Ролики 3 нижнего яруса содержат две проточки – меньших ступеней ролика, в которые с зазором входят два участка больших ступеней роликов 2 верхнего яруса с диаметром Dwm2. Следует отметить, что большие ступени роликов нижнего яруса с диаметром Dwm1, три его участка и три участка меньших ступеней роликов верхнего яруса – равны. Каждый из роликов верхнего яруса 2 и нижнего яруса 3 контактируют друг с другом и дорожками качения по трем линиям, образуя силовой замкнутый единый кольцевой комплект из роликов верхнего и 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 ролика нижнего яруса.

Подшипник качения (см. Фиг.2) работает следующим образом. При вращении кольца 4 ролики 3 своими большими ступенями с диаметром Dwm1 обкатываются только по дорожке качения внутреннего кольца d1m. Последние сообщают вращение через два своих линейных контакта меньшим ступеням ролика 2, а большие ступени с диаметром Dwm2 обкатываются только по дорожкам качения D1m наружного кольца 1. Комплект роликов 3 и 2 перемещается влево (куда должен был перемещаться сепаратор), совершая круговое вращение по дорожкам качения подшипника. Наружное кольцо 1 установлено на тела качения 2 и 3 с предварительным натягом. Радиальный зазор отсутствует. Вращение роликов 3 по дорожке качения d1m проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Ролики 3 передают вращение роликам 2 в противоположную сторону с постоянной и одинаковой частотой вращения. Окружные скорости роликов 3 и 2 равны.

Известно, что при наложении колебаний в противофазе шум взаимоуничтожается. Получаем снижение шума до 20…60 дБ.

При резком торможении вала кольцо 4 останавливается, ролики 2 и 3 продолжают обкатываться по дорожкам качения подшипника без скольжения по инерции, но с затухающей скоростью, что способствует повышению долговечности как тел качения, так и дорожек качения подшипника качения.

Отсутствие сепаратора устраняет вибрацию от вращения последнего, а также устраняет возможность скольжения тел качения 2 и 3 о поверхность сепаратора. Отсутствует и шум от скольжения сепаратора при его контакте с кольцом подшипника.

Данное расположение роликов 2 – верхнего яруса и роликов 3 – нижнего яруса обеспечивает всем роликам рабочий контакт по трем линиям.

Предварительный натяг обеспечивает равномерную нагрузку всем роликам подшипника. Эпюра местного нагружения представляет собой окружность, равноудаленную от оси подшипника. Радиальный зазор в подшипнике отсутствует, что обеспечивает повышенную центровку вала.

Данное исполнение позволяет увеличить грузоподъемность подшипника, например, в два, три раза.

Работа подшипника качения в условиях чистого качения без скольжения и проскальзывания обеспечивает более высокую частоту вращения, например от 3000 мин^-1 до 20000 мин^-1.

Расположение роликов 2 и 3 двухступенчатого типа, их взаимные контакты полностью устраняют возможность перекосов и заклинивание роликов с бортами нижнего кольца, обеспечивает роликам самоуставку. Как пример, контакт ролика 2 с роликами 3 составляет угол 127°, а контакт ролика 3 с роликами 2 составляет угол 149°.

Все это позволяет повысить надежность работы подшипника, например, с гарантией на 10 лет и еще на 10 лет, но с переводом на один класс точности ниже.

Однако следует заметить, что трение покоя составляет fs от 100 до 1, а начало вращения подшипника должно пройти через ближайшее трение скольжения fск от 0.15 до 0.18 (сталь по стали со смазкой) и только после этого подшипник вступает в фазу качения с трением качения fк от 0.002 до 0.004.

Всегда есть опасность у подшипника качения после состояния покоя «свалиться» в состояние скольжения. Что и происходит с подшипниками качения, например, на прокатных станах. Долговечность подшипников порой составляет… 50 часов. На паровозах, тепловозах, трамваях, с тем чтобы повысить коэффициент трения сцепления колеса с рельсом – посыпают кварцевый песок, корунд…

Если у колеса вагона даже одна ось заклинилась, то на колесах под действием скольжения появляется площадка около 15 мм. После растормаживания колеса данной оси превращаются в копер и рубят рельсы на отрезки, равные 3.14 м.

Чтобы подшипник не «свалился» в скольжение, необходимо перескочить порог скольжения. Для этого следует повысить коэффициент сцепления роликов с дорожками качения подшипника. В смазку требуется добавить корунд с размером частиц от 2 до 3 мкм или алмазную пасту в соотношении 10/1 или 100/5. И только тогда, провернувшись на один радиан, подшипник переходит на вращение с трением чистого качения, а все ролики при этом успеют сделать, например, 1.66 оборота, после чего можно подавать чистую смазку.

При эксплуатации подшипника достаточна смазка в виде масляного тумана. Подшипник способен работать и без смазки безаварийно длительное время, например, до 300 минут, что недопустимо в стандартных подшипниках, где путь скольжения к пути качения роликов относится как 5:1 и 27:1 и более.

Подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный может работать и без наружного кольца. Для этого его собирают с фальшкольцом, которое выпрессовывают в процессе установки подшипника в отверстие.

Данный подшипник качения может заполнить нишу радиальных подшипников, работающих на трении чистого качения, бесшумно работающего на высоких частотах вращения, долговечного, надежного с большой грузоподъемностью и без сепаратора, при отсутствии радиального зазора, работающего и без смазки, длительно.

Сепаратор был подсказкой Великого Маэстро – Леонардо да Винчи, а с другой стороны и диверсией. Первым в подшипнике выходит из строя сепаратор, потом тела качения и… кольца подшипника. Маэстро не предполагал скоростей в подшипниках, равных 200000 мин^-1, …автоколебаний… резонанса… шимми. 120 лет эксплуатационники и разработчики подбирают материал, способы закалки… смазку, а дело заключается в отсутствии теории качения для подшипников качения, а ниша пуста.

К сожалению от 30% до 40% от всех техногенных катастроф приходится на подшипники качения. Скрытых дефектов больше.

Для справки. Экономическая эффективность нового подшипника.

«…Подсчитано, что только в США, где автодорожный транспорт поглощает 7.5% всей потребляемой энергии, экономический эффект от снижения потерь на трение может составить 11 млрд. долларов в год.»

«…Только в автомобилях сжигается ежегодно свыше 200 млн. тонн топлива.»

Известен «Крупногабаритный подшипник качения» патент RU 2134366 по типу сдвоенного конического подшипника с цилиндрическими роликами??

Где подшипник качения?

Это машина трения, на которой можно плавить металл, обогревать жилой дом, готовить обед.

Стандартные подшипники недалеко ушли от этой машины трения. Конические ролики имеют угол конуса 0°30’…1°30’…2°…3°.

Заводы по-прежнему выпускают подшипники качения – машины трения.

…”Пассажирский поезд при скорости движения 200 км/ч, потребная мощность 5.5 тыс. кВт, а сопротивление воздуха составляет 70% мощности двигателя.

V=300 км/ч – 8.2 тыс. кВт

V=500 км/ч – 30 тыс. кВт”.

Победа над трением дает значительную экономию топлива, способствует увеличению скоростей, надежности, безопасности, долговечности, бесшумности, экономии металла, сокращению ремонтных циклов…, сокращает расстояния, повышает и грузоподъемность, позволяет сдвинуть проблему со «ступора» и «стагнации», позволяет безопасно работать и без смазки, например, до 300 минут.

Целью изобретения подшипника нового типа была возможность преодолеть инерцию мышления, освободить ее от пут каменного века, победить трение скольжения, более уверенно войти в новый век технического прогресса, века высоких скоростей, в спорте, авторалли…

В двигателе «Ванкеля» довести частоту вращения до 30000 мин^-1, а в двигателе «Стингера» до 100000 мин^-1, развивать далее супермаховичный привод Гулиа, сократить выпуск многих машин, станков и запасных частей к ним, экономить десятки миллионов тонн стали и цветных металлов.

При работе бессепараторного подшипника качения можно наблюдать ПАРАДОКС! Если наружному кольцу сообщить частоту вращения, равную частоте вращения вала (как показано на Фиг.2), в ту же сторону, в какую вращается вал, тела качения – ролики 2 и 3 будут вращаться вокруг собственных осей, а вращение по кольцу всего комплекта роликов будет остановлено (условие кинематически остановленного сепаратора).

Уважать Россию будет и Америка, когда за руль российского авто сядет американец, австралиец, японец, индиец, китаец и дальний потомок Майа – мексиканец.

Формула изобретения

Подшипник качения радиальный роликовый бессепараторный, 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:

где D_1m – диаметр дорожки качения наружного кольца;

D_wm2 – диаметр большей ступени ролика верхнего яруса;

d_1m – диаметр дорожки качения внутреннего кольца;

D_wm1 – диаметр большей ступени ролика нижнего яруса, а наружное кольцо содержит две защитные шайбы, отличающийся тем, что 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 яруса.

РИСУНКИ