ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ

ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ


RU (11) 2296252 (13) C2

(51) МПК
F16C 19/50 (2006.01)
F16C 33/34 (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: 2005119120/11 
(22) Дата подачи заявки: 2005.06.20 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.06.20 
(43) Дата публикации заявки: 2006.01.20 
(45) Опубликовано: 2007.03.27 
(56) Аналоги изобретения: RU 2232926 C2, 20.07.2004. FR 2699238 A, 17.06.1994. SU 966344 A1, 15.10.1982. SE 127458 A, 12.11.1973. RU 2100670 C1, 27.12.1997. 
(72) Имя изобретателя: Гонченко Борис Васильевич (RU); Гонченко Алексей Борисович (RU); Гаврилова Ирина Борисовна (RU) 
(73) Имя патентообладателя: Гонченко Борис Васильевич (RU) 
(98) Адрес для переписки: 443093, г.Самара, ул. Мяги, 11, кв.45, Б.В. Гонченко 

(54) ПОДШИПНИК КАЧЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности. Подшипник качения двухъярусный содержит внутреннее, среднее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора. Ролики выполнены двухступенчатыми. Большая ступень ролика нижнего яруса контактирует только с дорожкой качения среднего кольца и имеет два дополнительных точечных контакта с нижним кольцом. Большая ступень ролика верхнего яруса контактирует с дорожкой качения наружного кольца. Меньшие ступени контактируют с дорожками качения внутреннего кольца нижнего яруса и с двумя участками среднего кольца верхнего яруса. Кольцевая проточка на дорожках качения среднего и нижнего кольца образует зазор с большими ступенями роликов верхнего и нижнего яруса. В нижнем ярусе кольцевая проточка выполнена трапецеидального типа. Большая ступень роликов сообщает вращение среднему кольцу, которое приводит во вращение ролики верхнего яруса. При этом должно выполняться условие сборки подшипника для верхнего и нижнего яруса. В роликах одного из ярусов выполнены коаксиальные отверстия, содержащие на входе сопло Лаваля и внутреннюю, например ленточную многозаходную резьбу или плоский завихритель с закруткой потока, например, на 90°. В результате обеспечивается более высокая частота вращения подшипника, снижение шума, увеличение долговечности, остановка сепаратора, использование подшипника в качестве: насоса при подаче рабочей среды через ролики, без наличия смазки на деталях подшипника; смесителя; пневмо- или гидродвигателя при прокачке рабочей среды. 6 ил. 



ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области машиностроения и приборостроения и может быть использовано во всех отраслях промышленности.
Известны подшипники качения, содержащие внутренние и наружные кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора.
Одним из недостатков известных стандартных подшипников является малая частота вращения, наличие трения качения с проскальзыванием тел качения, повышенный шум и низкая долговечность, как следствие, наличие трения скольжения, высокая температура нагрева +100°С и более.
Низкая долговечность подшипников качения обусловлена повышенным скольжением тел качения и по инерции после экстренного торможения вала.
Известны двухярусные подшипники со сферическими и цилиндрическими роликами. Однако они уступают в два раза по частоте вращения подшипникам с короткими роликами, а также имеют малую долговечность, повышенный шум и наличие трения качения с проскальзыванием тел качения.
Известен подшипник качения - прототип - патент автора (RU 2232926 С2, 7 F 16 C 19/22, опубл. 20.07.2004, фиг.13, всего 21 с.), содержащий внутреннее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов, установленных в гнездах сепаратора, тела качения - ролики, выполненные двухступенчатыми, больший диаметр ступени, имеющий один участок, контактирует только с дорожкой качения наружного кольца подшипника, а меньший диаметр ступени, выполненный с двумя участками, контактирует только с дорожками качения его внутреннего кольца с постоянной и одинаковой частотой вращения, при этом должно выполняться условие сборки подшипника:
,
где d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
D wm1 - диаметр меньшей ступени ролика;
D 1m - диаметр дорожки качения наружного кольца подшипника;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика, а, по меньшей мере, одна дорожка качения внутреннего кольца подшипника выполнена с, по меньшей мере, одной проточкой для образования зазора с большим диаметром ступени ролика, при этом ступень тела качения - ролика с большим диаметром выполнена сферической или бочкообразной, а дорожка качения наружного кольца подшипника выполнена сферической, тело качения - ролик состоит из одноступенчатого цилиндрического ролика, выполненного по диаметру меньшей ступени ролика, а больший диаметр ступени ролика выполнен в виде кольца, при этом тела качения - ролики с меньшим диаметром ступени выполнены с кольцевой проточкой, в которой располагается большая ступень ролика.
Цель изобретения:
- обеспечение более высокой частоты вращения подшипника,
- снижение шума, например, в пределах от 20 до 40 дБ;
- увеличение долговечности по критерию износа тел качения, например до 5 лет, при наличии пленки смазки на телах качения;
- обеспечение подачи топлива, воздуха, в том числе и рабочей среды - кислород - Т=-180°С, Р=30 кгс/см2, V от 7...8 до 100 л/с, через тела качения - ролики, без наличия смазки на деталях подшипника.
Поставленные цели и технический эффект предлагаемого изобретения достигается за счет того, что в телах качения - роликах одного из ярусов выполнены коаксиальные отверстия, содержащие на входе сопло Лаваля и внутреннюю, например ленточную многозаходную резьбу или плоский завихритель с закруткой потока, например, на 90°.
На фиг.1 изображен подшипник качения радиальный роликовый однорядный двухярусный с кольцевыми проточками на дорожках качения внутреннего кольца. Направление воспринимаемых нагрузок - радиальное.
На фиг.2 изображено сечение А-А, на котором стрелками показано направление вращения колец подшипника, тел качения в двухярусном подшипнике и направление вращения сепаратора в верхнем ярусе подшипника при защемленном наружном кольце.
На фиг.3 и 4 дан пример исполнения тел качения - роликов в нижнем ярусе.
Подшипник качения состоит из наружного кольца 1, тел качения 2 верхнего яруса, сепаратора 3, среднего кольца 4, тел качения 5 нижнего яруса, сепаратора 6, нижнего кольца 7 и содержит в верхнем ярусе две защитные шайбы 8.
Ролики 2 выполнены двухступенчатого типа, при этом меньшая ступень выполнена цилиндрической и контактирует по линии только с дорожкой качения кольца 4. Большая ступень ролика 2 выполнена бочкообразного типа и контактирует только с дорожкой качения наружного кольца 1 с пятном контакта в точке. Дорожка качения кольца 1 выполнена сферической. Среднее кольцо 4 содержит кольцевую проточку в зоне большей ступени ролика 2, два участка цилиндрического типа и содержат два участка сферического типа, на которых установлены две защитные шайбы 8.
Ролики 5 в нижнем ярусе выполнены двухступенчатыми. Большая ступень ролика выполнена сферической и контактирует в точке с дорожкой качения кольца 4, выполненной по радиусу, при этом большая ступень ролика 5 имеет два дополнительных точечных контакта с нижним кольцом 7. Два цилиндрических участка меньшей ступени ролика 5 контактируют по линии только с дорожкой качения нижнего кольца 7.
На внешней поверхности кольца 7 выполнена кольцевая проточка трапецеидального типа и два участка цилиндрического типа, по которым прокатываются ролики 5 меньшей ступени, а с внешней стороны установлен сепаратор 6, в ячейках которого равномерно установлены ролики 5.
При этом должно выполняться условие сборки для нижнего яруса подшипника:
,
где d2m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца;
Dwm3 - диаметр меньшей ступени ролика нижнего яруса;
D 2m - диаметр дорожки качения наружного кольца нижнего яруса;
Dwm4 - диаметр большей ступени ролика нижнего яруса.
Следует отметить, что кольцевые проточки на дорожках качения среднего 4 и нижнего кольца 7 образуют зазор с большими ступенями роликов верхнего и нижнего яруса.
При этом должно выполняться условие сборки и для верхнего яруса:
,
где d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца верхнего яруса;
D wm1 - диаметр меньшей ступени ролика верхнего яруса;
D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика верхнего яруса.
При этом Const верхнего яруса и Const* нижнего яруса могут быть равны.
В целях снижения габаритов подшипника Const>Const*, как 9,666(6)>6,666(6)*. Подшипник качения (см. фиг.1) работает следующим образом: при вращении вала получает вращение кольцо 7, тела качения 5 своими меньшими ступенями Dwm3 обкатываются только по дорожке качения d2m внутреннего кольца 7. Большие ступени Dwm4 роликов 5 прокатываются по дорожке качения наружного кольца нижнего яруса D 2m без скольжения.
Вращение тел качения 5 по дорожкам качения нижнего яруса проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения без проскальзывания. Здесь мы встречаемся с парадоксом!
При вращении кольца 7 (см. фиг.2) ролики 5 передают вращение кольцу 4, последнее начинает вращаться в противоположную сторону и делает столько же оборотов, что и кольцо 7, окружные скорости у роликов 5 равны. При этом сепаратор 6 - остановлен, неподвижен. Ролики 5 прокатываются вокруг собственной оси, а кольцо 4 вращается как маховик. Ролики 2 получают вращение в противоположную сторону по отношению к роликам 5 и увлекают за собой сепаратор 3, так как кольцо 1 защемлено.
Известно, что при наложении частот колебаний в противофазе шум взаимоуничтожается. В данном случае кольцо 7 и кольцо 4 вращаются с одинаковой частотой вращения - вращаются в противоположные стороны, а тела качения 5 по отношению к телам качения 2 вращаются с различной частотой (Const>Const*) вращения, но в противоположные стороны (см. фиг.2).
Получаем снижение шума до 20...40 дБ (в стандартных подшипниках эта величина достигает от 80 до 120 дБ).
При резком торможении вала кольцо 7 затормаживается и скорость его может быть равна «0» - ролики 5 и 2 по инерции продолжают обкатываться без скольжения по дорожкам качения колец верхнего и нижнего яруса, а кольцо 4 вращается как маховик, но с затухающей скоростью.
Известно, что передаточные отношения в нижнем ярусе от кольца 7 к кольцу 4 при неподвижном сепараторе равно -1

Передаточные отношения в верхнем ярусе от кольца 4 сепаратору 3 при неподвижном кольце 1 равны двум
.
Какие преимущества может дать остановленный сепаратор в нижнем ярусе, когда тела качения - ролики 5 вращаются вокруг собственной оси. Известно исполнение, когда топливо (например, на двигателях НК-93) требуется подать через зазоры подшипников качения.
В целях использования роликов 5 в качестве насосов в них (см. фиг.3, 4) выполняют коаксиальное отверстие, в котором располагают сопло Лаваля 9 и, например, внутреннюю ленточную многозаходную резьбу 10 или располагают плоский завихритель 11, например, с закруткой на 90°.
Данные завихрители или резьба позволяют использовать подшипник качения в качестве насоса, диспергатора (смесителя), пневмо- или гидродвигателя.
Это стало возможным после того, как разрешилась теория качения подшипника качения и стало доступным производить расчеты по частоте вращения всех элементов подшипника, расчет расходов, напора, скорости, сопротивлений при высоком КПД и отсутствии проскальзывания при бесшумной работе.
Отсутствие скольжения в подшипнике качения позволило использовать его при перекачке или подаче агрессивных жидкостей, кислорода и водорода при Т=-180°С, Р=30 кгс/см 2, V от 7...8 л/с.
При этом в качестве смазки в подшипнике выступает покрытие - серебро (от 0,002 до 0,004 мм). Отсутствие скольжения не может вызвать нагрева и искры, что увеличивает надежность работы предложенного подшипника качения.
Однако в стандартных подшипниках и нагрев тел качения от проскальзывания, и даже наличие искры всегда возможно, так что не спасает и сталь 95Х18.
На фиг.5 и 6 приведен пример исполнения трехярусного подшипника качения, в котором второй и третий ярусы работают при неподвижных сепараторах, последние связаны дисками 15, а в роли маховиков работают кольца 4 и 7.
Однако следует заметить, что сепаратор 6 остановлен теоретически, а на практике он будет проворачиваться из-за ничтожной разницы коэффициентов трения качения в зонах контактов большей ступени роликов по отношению к зонам контакта меньших ступеней роликов. Для устранения этого недостатка необходимо вводить стопорное устройство, если в этом есть необходимость. Стопор на сепаратор 6 может и отсутствовать, если он не влияет на процесс качения.
Цель была перестроить инерцию мышления.
Предложенный двухярусный подшипник качения позволяет:
- обеспечить более высокую частоту вращения;
- устранить проскальзывание и износ тел качения при резких торможениях приводного вала;
- увеличить долговечность по критерию износа тел качения в целом от 5 до 10 лет;
- снизить шум в работающем подшипнике, например, до 20...40 дБ;
- использовать один или два яруса (в трехярусном) в подшипнике в качестве насоса при подаче воздуха или топлива через тела качения, а также при прокачке рабочей среды использовать подшипник в качестве пневмо- или гидропривода, подшипник может быть использован и в качестве смесителя, например при составлении красок;
- повысить надежность при перекачке агрессивных сред как жидкий кислород, водород, кислота, жидкий азот и др.;
- обеспечить точность расчетов по расходу, давлению, скорости, потерям давления при перекачке рабочих сред, а также при расчетах скорости и мощности пневмо- и гидромотора, турбобура и др.;
- обеспечить остановку сепаратора;
- обеспечить победу над трением скольжения, устранить износ, нагрев металла, аварийность, сократить ремонтные циклы;
- обеспечить независимое вращение двух колец подшипника без проскальзывания тел качения при защемлении наружного или внутреннего кольца подшипника.
Подшипники качения однорядные или двухрядные двухярусные могут найти применение:
- в бумагоделательных машинах;
- в металлорежущих, шлифовальных, расточных станках;
- в опорах колес автомобилей, автобусах, троллейбусах (станет гораздо тише в городской черте);
- в качестве опорных подшипников на коленвалах ДВС;
- в опорах валов гребных винтов на танкерах, лайнерах, подводных лодок;
- в качестве опор турбовинтовых двигателей самолетов, вертолетов;
- в качестве опор в железнодорожном транспорте;
- в качестве насосов и в качестве пневмо- или гидродвигателей.



ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Подшипник качения радиальный роликовый двухъярусный, например однорядный, содержащий внутреннее, среднее и наружное кольца с дорожками качения, размещенные между ними тела качения, выполненные в виде роликов и установленные в гнездах сепаратора, при этом тела качения - ролики выполнены двухступенчатыми, большая ступень ролика нижнего яруса, имеющая один участок, контактирует только с дорожкой качения среднего кольца, большая ступень ролика верхнего яруса контактирует только с дорожкой качения наружного кольца, а меньшие ступени, выполненные с двумя участками, контактируют только с дорожками качения внутреннего кольца нижнего яруса и только с двумя участками среднего кольца верхнего яруса с постоянной и одинаковой частотой вращения для каждого из ярусов, при этом должно выполняться условие сборки для нижнего яруса подшипника:

где d2m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца подшипника;
D wm3 - диаметр меньшей ступени ролика нижнего яруса;
D2m - диаметр дорожки качения наружного кольца нижнего яруса;
Dwm4 - диаметр большей ступени ролика нижнего яруса,
при этом большая ступень ролика нижнего яруса имеет два дополнительных точечных контакта с нижним кольцом, кольцевая проточка на дорожках качения среднего и нижнего колец образует зазор с большими ступенями роликов верхнего и нижнего ярусов, а в нижнем ярусе кольцевая проточка выполнена трапецеидального типа, вращение тел качения в нижнем ярусе проходит с постоянной и одинаковой частотой вращения, большая ступень роликов сообщает вращение среднему кольцу, последнее приводит во вращение ролики верхнего яруса с постоянной и одинаковой частотой вращения для данного яруса, при этом должно выполняться условие сборки подшипника для верхнего яруса:

где d1m - диаметр дорожки качения внутреннего кольца верхнего яруса;
D wm1 - диаметр меньшей ступени ролика верхнего яруса;
D1m - диаметр дорожки качения наружного кольца;
Dwm2 - диаметр большей ступени ролика верхнего яруса,
а, по меньшей мере, одна дорожка качения внутреннего и среднего колец подшипника выполнена с, по меньшей мере, одной проточкой для образования зазора с большей ступенью ролика в каждом из ярусов, а большая ступень тела качения - ролика выполнена сферической или бочкообразной, при этом дорожка качения наружного кольца выполнена сферической, а дорожка качения нижнего яруса выполнена по радиусу в зоне контакта с большей ступенью ролика, отличающийся тем, что в телах качения - роликах одного из ярусов выполнены коаксиальные отверстия, содержащие на входе сопло Лаваля и внутреннюю, например, ленточную многозаходную резьбу или плоский завихритель с закруткой потока, например, на 90°.