конический роликовый подшипник

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|<h_р,

где h _p - величина бомбинирования образующей ролика;

|h _н| - модуль вогнутости образующей дорожки качения наружного кольца.

Описание изобретения к патенту

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 h_p - величина бомбинирования образующей ролика;

|h_н| - 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 - h_н, причем

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

Работает подшипник следующим образом. Приложенная к наружному кольцу 1 нагрузка Р₁ с осевой составляющей P_1А и радиальной составляющей P_1R 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 Р_2A и радиальная составляющая Р_2R 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|<h_p. 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 V_p 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 V_p 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 V_p ролика 6 раскладывается на тангенциальную V_рТ и осевую V_pA, которая, в свою очередь, создает силы трения f_2s между роликом 6 и дорожкой качения 4 внутреннего кольца 3, направленную вправо, и f_1s - между роликом 6 и дорожкой качения 2 наружного кольца 1, направленную влево, то есть противоположно внешним осевым силам Р_2A 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.