Подшипники качения. Достоинства. НедостаткиПодшипник качения — опора вращающейся части механизма или машины, работающая в условиях преобладающего трения качения, обычно состоящая из внутреннего и наружного колец, тел качения и сепаратора, разделяющего тела качения и направляющего их движение.
По форме тел качения могут быть шариковыми и роликовыми с различной формой роликов. На наружной поверхности внутреннего кольца и внутренней поверхности наружного выполняются дорожки качения, геометрическая форма которых зависит от применяемых в данном подшипнике тел качения. Иногда в целях уменьшения радиальных габаритов применяют подшипник качения без одного из колец, дорожка качения при этом выполняется непосредственно на валу или на поверхности корпусной детали.
Некоторые подшипники качения (например, игольчатые) могут не иметь сепаратора. Такие подшипники качения отличаются большим числом тел качения, а следовательно, и большей грузоподъёмностью. Предельная частота вращения бессепараторных подшипников ниже из-за повышенных моментов трения.
По направлению действия воспринимаемой нагрузки подшипники качения разделяют на четыре группы: радиальные — предназначены для восприятия только радиальных (например, роликоподшипники с игольчатыми роликами) или радиальных и ограниченных осевых нагрузок (например, шарикоподшипники радиальные однорядные); радиально-упорные — для восприятия комбинированных, т. е. радиальных и осевых, нагрузок (например, подшипники с коническими роликами); упорно-радиальные — для восприятия в основном осевых и незначительных радиальных нагрузок (имеют ограниченное применение); упорные — для восприятия только осевых нагрузок.
Подшипники качения могут иметь один или несколько рядов тел качения и различную конструкцию. Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения, а также может быть использовано во всех отраслях промышленности. Известны подшипники качения, содержащие внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде шариков или роликов, установленных в гнездах сепаратора. Основным недостатком известных подшипников качения является наряду с трением качения присутствие трения качения с проскальзыванием тел качения относительно дорожек качения: - проскальзывание тел качения относительно дорожек качения, вызванное сдвиговой деформацией материала в точке контакта; - скольжение тел качения, относительно дорожек качения, при нарушении качения в результате сдвигов и перекосов колец подшипников под нагрузкой (см. П.И.Орлов кн.2. Основы конструирования, -М.: Машиностроение, 1977 г., с.453...460). Для примера возьмем подшипник качения радиально-упорный шариковый однорядный с разъемным наружным кольцом с четырехточечным контактом №116220 по ГОСТ 8995-75, у которого d100?D180?B34; Dw25.4; Z=14; =26°; Nk=4000 мин-1; Nж=5000 мин-1. Шарик 25,4 обкатывается по хорде с 23 мм по дорожкам качения подшипника. По наружным дорожкам качения с 163 мм шарик обкатывается за один оборот вала: Nоборотов=163/23=7,086. А по дорожкам качения внутреннего кольца с 117 мм шарик делает за один оборот вала: Nоборотов=117/23=5,086. То есть по дорожкам качения наружного кольца подшипника шарик делает на два оборота больше, чем по дорожкам качения внутреннего кольца подшипника. Эта величина равна величине проскальзывания шарика в подшипнике только за один оборот вала. А шариков - Z=14 и каждый проскальзывает по два оборота за один оборот вала. И, если подшипник делает 4000 мин-1, все шарики за минуту сделают лишних оборотов: N=14?(4000?2)=112000 мин-1. Данные лишние обороты шариков в подшипнике требуют значительного расхода масла на поддержание работоспособности и других устройств для снижения температуры узла. В целом данное положение снижает срок эксплуатации подшипника. Аналогами для данного предлагаемого изобретения являются заявки №2001119832 и №2002107654. Цель изобретения: - Обеспечение чистого качения тел качения при обкатке их по дорожкам качения как внутреннего, так и наружного колец подшипника; - повышение предельной частоты вращения подшипника качения, например, до 50000 мин -1 и более; - в целом повысить долговечность подшипника, только за счет устранения проскальзывания тел качения; - обеспечить работоспособность подшипника в экстремальных условиях при отсутствии подачи смазки, например, до 90 мин. Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что меньший диаметр ступеней ролика выполнен цилиндрическим, а к своим торцам содержит сферические участки, последние контактируют с дорожками качения внутреннего кольца подшипника под углом, а в экстремальных условиях подшипник способен работать и при отсутствии подачи смазки, например, до 90 мин, обусловленных паспортом для каждого подшипника качения. На чертеже изображен подшипник качения радиально-упорный однорядный с разъемным наружным кольцом с четырехточечным контактом тел качения с дорожками качения. Направление воспринимаемых нагрузок - радиальное и осевое в обе стороны до 70% неиспользованной допустимой радиальной нагрузки. При данном радиальном зазоре обуславливается наименьший осевой зазор подшипника. Подшипник качения данного типа был разработан, например, для применения в гироскопах. Подшипник качения состоит из разъемного наружного кольца 1, тел качения 2, сепаратора 3, внутреннего кольца 4. Тела качения 2 выполнены в виде одноступенчатого ролика, больший диаметр большей стороны ролика выполнен сферическим и контактирует только с дорожками качения D1m наружного кольца 1 в двух точках по диаметру ролика Dwm2 с углом контакта (равен от 12° до 36°). А меньший диаметр ступеней ролика 2 выполнен цилиндрическим, а к своим торцам имеет сферические участки, последние контактируют по точкам (в двух местах) только с дорожками качения внутреннего кольца 4 на диаметре d1m своими диаметрами Dwm1 с углом контакта (от 12° до 36°, как пример). При этом на внутреннем кольце 4 выполнена кольцевая проточка для образования зазора с большим диаметром большей ступени ролика 2, а также для обеспечения торцевых зазоров с боковыми поверхностями большего диаметра большей ступени ролика 2. Последнее условие необходимо, чтобы не допустить контакта с трением скольжения между роликом и кольцом 4. Подшипник качения, изображенный на чертеже, работает следующим образом. При вращении вала получает вращение внутреннее кольцо 4, ступенчатый ролик 2 своим меньшим диаметром меньших ступеней Dwm1 обкатывается по дорожкам качения с диаметром d1m внутреннего кольца 4. Больший диаметр большей ступени ролика 2 обкатывается своим диаметром Dwm2 по дорожкам качения с диаметром D1m наружного кольца 1. При этом необходимо, чтобы выполнялось условие сборки: D1m/Dwm2=d1m/Dwm1 =Const. Здесь следует отметить, что данное условие позволяет телам качения 2 обкатываться по наружной и внутренней дорожкам качения с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Следует отдельно заметить, что величина Const должна лежать в пределах от 2 до 3+ для подшипников качения, например, используемых в гироскопах. Почему? С тем, чтобы в подшипнике работало меньшее число тел качения, когда Z равно от 5 до 7. И еще раз почему? Малое значение Const от 2 до 3+ позволяет снизить значение максимального контактного давления за счет увеличения диаметров Dwm2 и Dwm1. Увеличение значения Const, например, от 7 и более выравнивает величины Dwm2 и Dwm1 диаметров ступенчатого ролика 2, растет нагрузка, растет число тел качения, падает частота вращения. Данный подшипник качения может быть использован в узле гироскопа. Традиционно гироскоп устанавливается на двух, а то и на четырех, подшипниках качения. Предлагаем устанавливать один подшипник под диск гироскопа, а цапфы (консоли) вала устанавливать неподвижно. Такое решение значительно сократит габариты узла гироскопа в целом. Частота вращения в предложенном подшипнике может быть и значительно повышена, например от 50000 до 150000 мин-1 и более, если в подшипниковых опорах создать вибрацию с большой частотой и малой амплитудой. "...Известно, что при вибрации момент трения в опорах снижается от 3 до 10 раз. Момент трения тем меньше, чем больше частота и меньше амплитуда колебаний при вибрации (момент трения уменьшается в 100...200 раз...)..."(см. Ю.Д.Первицкий. Расчеты и конструирование точных механизмов". Изд. Машиностроение, Москва, 1965, Ленинград, с.404, 405). В экстремальных условиях подшипник качения способен работать продолжительное время и при отсутствии подачи смазки, только благодаря наличию трения качения при обкатке тел качения по дорожкам качения без проскальзывания. Данное положение должно быть подтверждено испытаниями по конкретному подшипнику и занесено в паспорт на подшипник, например, 90 минут. Паспортизации подлежат все подшипники, которые устанавливаются в ответственных узлах: винт самолета, шасси самолета, редукторе вертолета, двигателе, газовой турбине, электродвигателе 40М Вт... Отсутствие проскальзывания тел качения значительно увеличивает срок службы подшипника благодаря уменьшению тепловыделения и шумности работы (а при наличии шариков в качестве тел качения неизбежно "рысканье" шарика, и он меняет постоянно свою дорожку качения). Шум работы снижен за счет радиального зазора, который равен 0 в радиально-упорном подшипнике. Тела качения в подшипнике не имеют контакта скольжения своими торцами с боковыми поверхностями кольцевой проточки внутреннего кольца подшипника. Снижена величина упругого гистерезиса в зоне контакта большего диаметра большей ступени ролика за счет снижения величины Const (равной от 2 до 3+). Следует отметить, что углы контакта и могут быть выполнены равными по величине, но могут быть и различными, что зависит от условий эксплуатации, например =, a>b и <. Наличие трения скольжения ролика с материалом сепаратора сохранилось, но, по возможности, оно сведено к минимальным потерям за счет введения в конструкцию сепараторов-центров. Ролики могут быть выполнены из минералов (сапфира, фианита и др.) для немагнитных подшипников качения.
|
