КОНИЧЕСКИЙ РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК

КОНИЧЕСКИЙ РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК


RU (11) 2296251 (13) C1

(51) МПК
F16C 19/26 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(14) Дата публикации: 2007.03.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 2005125673/11 
(22) Дата подачи заявки: 2005.08.12 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.08.12 
(45) Опубликовано: 2007.03.27 
(56) Аналоги изобретения: US 4065191 А, 27.12.1977. RU 2143617 C1, 27.12.1999. SU 800449 A, 10.02.1981. FR 2526099 A, 04.11.1983. 
(72) Имя изобретателя: Вайткус Юлиус Мартинович (BY) 
(73) Имя патентообладателя: Открытое акционерное общество "Минский подшипниковый завод" (BY) 
(98) Адрес для переписки: 220026, г.Минск, ул. Жилуновича, 2, ОАО "Минский подшипниковый завод" 

(54) КОНИЧЕСКИЙ РОЛИКОВЫЙ ПОДШИПНИК

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к подшипникам качения. Конический роликовый подшипник содержит наружное кольцо с конической дорожкой качения, внутреннее кольцо с упорным бортиком и конической дорожкой качения с выпуклой образующей, ролики с бомбинированной образующей и одним сферическим торцом. Ролики выполнены цилиндрическими. Углы наклона дорожек качения наружного и внутреннего колец к оси подшипника равны между собой. Образующая дорожки качения наружного кольца выполнена вогнутой с соблюдением условия: 0<|hн|<h р, где hp - величина бомбинирования образующей ролика; |hн| - модуль вогнутости образующей дорожки качения наружного кольца. Технический результат - повышение быстроходности и грузоподъемности путем обеспечения в работающем подшипнике положительного угла перекоса осей роликов относительно диаметральной плоскости подшипника. 5 ил. 



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, в частности к подшипникам качения.
Из каталога-справочника "Подшипники качения" под общей редакцией Л.В.Черневского и Р.В.Коросташевского. - М: Машиностроение, 1997 (стр.164-167) известен стандартный конический роликовый подшипник, предназначенный для восприятия комбинированных нагрузок (радиальных и осевых), состоящий из наружного и внутреннего бортового колец с коническими дорожками качения, конических роликов и сепараторов для их размещения [1].
Для обеспечения чистого качения вдоль оси ролика на всей его длине углы наклона образующих дорожек качения колец и угла конуса образующих ролика связаны зависимостью:

где , - углы наклона образующих дорожек качения наружного и внутреннего колец, соответственно;
- угол наклона образующей ролика к его оси.
При работе известного подшипника под действием внешней нагрузки, приложенной к внутреннему кольцу, возникает сила давления внутреннего кольца на ролик, который в свою очередь воздействует на наружное кольцо силой реакции. Соответственно, нагрузка, приложенная к наружному кольцу, обусловливает реакцию ролика на внутреннее кольцо. Ввиду того, что в стандартном подшипнике ролики выполнены коническими, направление этих реакций и их величины не одинаковы и для их равновесия требуется наличие силы реакции опоры бортика внутреннего кольца. Внешние силы имеют осевую и радиальную составляющие. При вращении ролика его торец упирается в бортик внутреннего кольца и под действием реакции бортика возникают силы трения, которые поворачивают ролик на некоторый угол между его осью и плоскостью, в которой лежит ось подшипника. В результате возникает скольжение ролика по дорожкам качения, которое приводит к возникновению сил трения между ними. При этом осевые составляющие сил трения между роликом и дорожками качения имеют то же направление, что и осевые составляющие внешних сил, тем самым их увеличивая, а такой угол поворота ролика считается отрицательным. За счет возникновения сил трения между торцом ролика и бортом внутреннего кольца, а также между роликом и дорожками качения такой подшипник обладает пониженными быстроходностью и долговечностью.
Конический роликовый подшипник будет обладать пониженным трением и повышенной долговечностью, если в процессе работы ролики под нагрузкой будут поворачиваться на положительный угол. Угол поворота ролика считается положительным, если осевые составляющие сил трения между роликами и дорожками качения колец, возникающие при перекосе ролика, имеют направление, противоположное направлению осевых составляющих внешних сил, действующих на подшипник, то есть уменьшают их действие.
С целью частичного устранения данного недостатка стандартного конического подшипника за счет уменьшения трения между роликом и дорожками качения колец известен конический подшипник по патенту США №4065191, в котором "разгрузка" зон нагружения между роликами и элементами колец осуществляется за счет управления внутренними силами трения путем создания в работающем подшипнике положительного угла перекоса осей роликов относительно диаметральной плоскости подшипника [2].
Известный конический роликовый подшипник содержит наружное кольцо с конической дорожкой качения, внутреннее кольцо с конической дорожкой качения и упорным бортом, конические ролики. На одной из дорожек качения имеются "средства поворота" для придания ролику положительного угла поворота.
Недостаток этого решения состоит в конструктивной и технологической сложности исполнения "средств поворота" для обеспечения положительного угла перекоса осей роликов, а именно:
- нормирование шероховатостей контактирующих поверхностей;
- наличие специальных углублений и зон их расположения на дорожках качения наружного и внутреннего колец;
- исполнение дорожки качения одного из колец в виде цилиндрической поверхности приводит к противоположному эффекту: реакция на упорный бортик кольца с цилиндрической дорожкой качения повышается относительно подшипника стандартного исполнения в несколько раз.
Кроме того, в данной конструкции подшипника присутствуют силы трения между торцом ролика и бортом внутреннего кольца, которые поворачивают ролик на отрицательный угол и увеличивают внешнюю осевую нагрузку.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание конструкции конического роликового подшипника повышенной быстроходности и грузоподъемности путем обеспечения в работающем подшипнике положительного угла перекоса осей роликов относительно диаметральной плоскости подшипника.
Указанная задача решается тем, что в коническом роликовом подшипнике, содержащем наружное кольцо с конической дорожкой качения, внутреннее кольцо с опорным бортиком и конической дорожкой качения с выпуклой образующей, ролики с бомбинированной образующей и одним сферическим торцом, согласно изобретению ролики выполнены цилиндрическими, углы наклона дорожек качения наружного и внутреннего колец к оси подшипника равны между собой, а образующая дорожки качения наружного кольца выполнена вогнутой с соблюдением условия:

где hp - величина бомбинирования образующей ролика;
|hн| - модуль вогнутости образующей дорожки качения наружного кольца.
Изобретение поясняется фигурами.
На фиг.1 представлен осевой разрез конического роликового подшипника;
на фиг.2 - форма образующих ролика и дорожек качения наружного и внутреннего колец;
на фиг.3 - вид сверху на ролик и внутреннее кольцо при снятом наружном кольце;
на фиг.4 - эпюра скольжения и контактных напряжений между дорожками качения наружного кольца и роликом;
на фиг.5 - эпюра скольжения и контактных напряжений между дорожками качения внутреннего кольца и роликом.
Конический роликовый подшипник содержит наружное кольцо 1 с дорожкой качения 2, наклоненной к оси О-О подшипника под углом , внутреннее кольцо 3 с дорожкой качения 4, наклоненной к оси О-О подшипника под углом = и опорным бортиком 5, цилиндрические ролики 6 длиной l со сферическим торцом 7.
Образующая 8 ролика 6 выполнена бомбинированной на величину

где к - упругая контактная деформация наиболее нагруженного ролика 6 усилием Q, определяемая теоретической и экспериментальной зависимостью:

Образующая 9 дорожки качения 2 наружного кольца 1 выполнена вогнутой на величину - hн, причем

Образующая 10 дорожки качения 4 внутреннего кольца 3 выполнена выпуклой на величину hв, причем

Работает подшипник следующим образом. Приложенная к наружному кольцу 1 нагрузка Р1 с осевой составляющей P1А и радиальной составляющей P1R передается на ролик 6 перпендикулярно его образующей 8 в виде результирующей реакции N 1 ролика 6. Соответственно, нагрузки, приложенные к внутреннему кольцу 3: комбинированная нагрузка Р2, осевая составляющая Р2A и радиальная составляющая Р2R обусловливают реакцию N 2 ролика 6. Так как ролик 6 цилиндрический, а углы наклона образующих 9, 10 дорожек качения 2, 4 колец 1, 3 соответственно к оси O-O подшипника одинаковы, то реакции N1 и N2 ролика 6 направлены по одной линии навстречу друг другу и уравновешиваются без возникновения осевой составляющей на ролик 6. Следовательно, контакт торца 7 ролика 6 с бортиком 5 кольца 3 не воспринимает внешней осевой нагрузки и борт 5 кольца 3 выполняет роль только направления роликов 6.
Таким образом, цилиндрическая форма ролика 6 в сочетании с параллельными дорожками качения 2, 4 колец 1, 3 соответственно исключает поворот ролика 6 за счет сил трения между его торцом 7 и бортом 5 кольца 3. Однако при этом принцип чистого качения соблюдается только в среднем сечении А-В ролика 6.
Линии чистого качения представлены на фиг.1 прямыми: 11 - для наружного кольца 1, 12 - для внутреннего кольца 3 (именно вдоль этих линий расположены образующие дорожек качения колец и роликов в стандартных конических роликовых подшипниках). Поэтому окружные скорости колец 1, 3 справа от среднего сечения А-В ролика 6 опережают круговую скорость ролика 6, а слева отстают от ролика 6 и в случае прямолинейных или бомбинированных образующих 8, 9, 10 ролика 6 и дорожек качения 2, 4 соответственно ролик 6 приобретал бы неустойчивое положение и мог поворачиваться как на положительный угол поворота, так и на отрицательный.
В предлагаемом подшипнике форма образующей 8 ролика 6 бомбинированная, а образующая 9 дорожки качения 2 наружного кольца 1 - вогнутая, причем |h н|<hp. Такое сочетание контактирующих поверхностей обеспечивает прямоугольную равномерную форму распределения напряжений вдоль оси O1-O 1 ролика 6. Сочетание бомбинированных контактирующих поверхностей образующей 8 ролика 6 и образующей 10 дорожки качения 4 внутреннего кольца 3 обеспечивает эллиптический характер распределения контактных напряжений с длиной l оси O1-O 1 эллипса, не превышающей длину l ролика 6.
Для демонстрации того, каким образом в подшипнике по изобретению ролики 6 приобретают положительный угол поворота, наблюдателю следует представить ось O1-O1 ролика 6 неподвижной, а кольца 1 и 3 вращающимися в противоположных направлениях: внутреннее кольцо 3 - на наблюдателя, а наружное кольцо 1 - от него. Этот прием в механике принято называть обращенным движением.
При таких условиях скорость V 1 (не показана) дорожки качения 2 наружного кольца 1 у правого торца ролика 6 выше, чем скорость Vp ролика 6. Возникающая при этом скорость скольжения V c1 создает тангенциальную силу трения f 1, которая поворачивает ролик 6 против часовой стрелки относительно середины L ролика 6. У левого торца ролика 6 дорожка 2 кольца 1 имеет меньшую скорость V1' (не показана), чем скорость Vp ролика 6, и возникающая тангенциальная сила трения f1 ', направленная противоположно силе f1 , также поворачивает ролик 6 против часовой стрелки. То есть относительно середины L ролика 6 создается момент M 1 пары сил f1-f1 ' с плечом 0,5l, поворачивающий ролик 6 против часовой стрелки.
При этом окружная скорость Vp ролика 6 раскладывается на тангенциальную VрТ и осевую VpA, которая, в свою очередь, создает силы трения f2s между роликом 6 и дорожкой качения 4 внутреннего кольца 3, направленную вправо, и f1s - между роликом 6 и дорожкой качения 2 наружного кольца 1, направленную влево, то есть противоположно внешним осевым силам Р2A и P 1a, действующим на каждое кольцо 2, 1. Такой угол поворота ролика - положительный.
При этих же условиях скорость V 2 (не показана) дорожки качения 4 внутреннего кольца 3 на правом торце ролика 6 превышает скорость V p ролика 6 и возникающая при этом скорость скольжения V c2 создает тангенциальную силу трения f 2, которая пытается повернуть ролик 6 по часовой стрелке. На левом торце ролика 6 дорожка 4 внутреннего кольца 3 отстает от ролика 6 и возникающая тангенциальная сила трения f 2' противоположного направления пытается повернуть ролик 6 также по часовой стрелке. Совместное действие пары сил f2-f2' создает относительно середины L ролика 6 момент М2 , поворачивающий ролик 6 по часовой стрелке.
Так как контактные напряжения между роликом 6 и внутренним кольцом 3 распределяются по эллипсу и точки приложения равнодействующих f 2 и f2' давления внутреннего кольца 3 на правую и левую половины ролика 6 удалены от малой оси O2-О2 эллипса на расстояние 0,2 длины большой оси O1-O 1 эллипса, приближенной к длине l ролика 6 (следует из математики), то плечо момента M2 пар сил f2-f2' будет составлять 0,4l. Отсюда следует, что момент M 1 пар сил f1-f1 ' от наружного кольца 1 больше момента М2 пар сил f2-f2' от внутреннего кольца 3, в результате чего ролик 6 будет поворачиваться только против часовой стрелки, получая положительный угол перекоса.
Таким образом создана упрощенная по сравнению с прототипом конструкция конического роликового подшипника с гарантированным положительным углом поворота роликов в процессе работы, что обеспечивает повышение быстроходности и долговечности подшипника, у которого исключены силы трения между бортом внутреннего кольца и торцами роликов, что также приводит к повышению быстроходности и долговечности подшипника.
Источники информации
1. Подшипники качения: Справочник-каталог / Л.В.Черневский, Р.В.Коросташевский, Б.А.Яхин и др. Под общ. ред. Л.В.Черневского и Р.В.Коросташевского. - М: Машиностроение, 1997.
2. Патент США US 4065191, F 16 C 19/00, F 16 C 33/00, опубл. 1976 г.



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Конический роликовый подшипник, содержащий наружное кольцо с конической дорожкой качения, внутреннее кольцо с упорным бортиком и конической дорожкой качения с выпуклой образующей, ролики с бомбинированной образующей и одним сферическим торцом, отличающийся тем, что ролики выполнены цилиндрическими, а углы наклона дорожек качения наружного и внутреннего колец к оси подшипника равны между собой, при этом образующая дорожки качения наружного кольца выполнена вогнутой с соблюдением условия
0<|h н|<hр,
где h p - величина бомбинирования образующей ролика;
|h н| - модуль вогнутости образующей дорожки качения наружного кольца.