Роликовый сферический подшипник

Роликовый сферический подшипник

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Роликовый сферический подшипник относится к области машиностроения, в частности к подшипникам качения.

Известен сферический двухрядный роликовый подшипник с несимметричными роликами, радиус образующих которых меньше радиусов образующих дорожек наружного и внутреннего колец [1]. Недостатком известного подшипника является расположение начальной точки контакта ролика с дорожкой качения наружного кольца на середине ролика, что обуславливает, вследствие особенностей внутренней конструкции этих подшипников, смещение начальной точки контакта ролика с дорожкой внутреннего кольца, а значит, и усилия на дорожку внутреннего кольца в сторону его упорного бортика (и торца большего диаметра ролика) на величину 0,04-0,08 длины ролика, что и приводит к преимущественному выкрашиванию дорожек внутренних колец в зоне упорного бортика.

Для устранения недостатков известного подшипника [1] существует роликовый сферический подшипник [2], в котором начальная точка контакта ролика с дорожкой качения внутреннего кольца расположена на середине ролика, что устраняет концентрацию напряжений на краю роликовой дорожки внутреннего кольца возле упорного бортика. Однако у прототипа [2] имеются недостатки, порожденные за счет «разгрузки» самого слабого места в сферических роликоподшипниках с несимметричными роликами, а именно зоны дорожки возле упорного бортика. Таких недостатков два. Во-первых, происходит перемещение начальной точки контакта ролика с дорожкой наружного кольца с середины ролика к его узкому торцу, и уже в этой зоне появляется концентрация напряжений. Произошло перемещение перегруженной зоны с дорожки внутреннего кольца у широкого торца ролика на дорожку наружного кольца у узкого торца ролика. Во вторых, вследствие увеличения угла контакта в подшипнике-прототипе [2] на 20-25% увеличивается реакция упорного бортика (осевая сила на ролик). А так как в таких подшипниках более третьей доли общих потерь на трение - проскальзывание приходится на трение в зоне «большой диаметр ролика - упорный бортик», то автоматически возрастают общие потери трения в подшипнике на 7-10%.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение оптимального соотношения распределения напряжений на дорожках внутренних и наружных колец, с одной стороны, и снижение потерь трения на упорном бортике внутреннего кольца, а значит, и в подшипнике в целом, с другой стороны.

Поставленная задача решается тем, что согласно изобретению в роликовом сферическом подшипнике, содержащем наружное кольцо со сферической дорожкой качения, внутреннее кольцо с одной или несколькими тороидальными дорожками качения и упорным бортиком, бочкообразные несимметричные ролики, радиус образующей которых меньше радиуса сферы наружного кольца и радиуса образующей дорожки качения внутреннего кольца, сепаратора или сепараторов для размещения роликов, начальные точки контакта роликов с дорожками качения наружных и внутренних колец лежат на линии, проходящей через середину длины роликов, а расстояние плоскости наибольшего диаметра ролика относительно торца с большим диаметром определяется зависимостью Е=0,5Lw-(R-0,5 Dw)sinϕ, где

Lw - длина ролика,

Dw - диаметр ролика в плоскости наибольшего диаметра,

R - радиус образующей поверхности качения ролика,

ϕ - угол между осью ролика и касательной в начальной точке контакта ролика с дорожкой наружного кольца.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 показан фрагмент осевого разреза двухрядного роликового сферического подшипника с иллюстрацией отличия положения точек начального контакта ролика с дорожками колец и реакции упорного бортика по изобретению в сравнении с известными подшипниками.

На фиг.2 показано распределение контактных напряжении σн, σв на роликовых дорожках наружных и внутренних колец при различных величинах осей площадок контакта.

Роликовый сферический подшипник содержит наружное кольцо 1 со сферической дорожкой качения, внутреннее кольцо 2 с тороидальной дорожкой качения и упорным бортиком 3, бочкообразные несимметричные ролики 4. (Во избежания загромождения на чертежах образующие дорожки качения наружного и внутреннего колец совпадают с соответствующими образующими поверхности качения ролика 4.) Сепаратор служит для размещения и разделения роликов и на чертежах не изображен. Так как радиусы образующих дорожек наружных и внутренних колец больше радиуса образующей ролика, то их начальное контактирование происходит в т.А с наружным кольцом и т.В с внутренним кольцом, при этом линия, их соединяющая, проходит через середину длины ролика в т.С. Угол между осью ролика P₁P₂ и касательной в точке контакта А равен ϕ, а угол между осью Y и линией, направленной из центра сферы О наружного кольца в точку контакта А (угол контакта подшипника) равен Таким образом, угол между плоскостью наибольшего диаметра ролика ОрОр' и линией контакта ООрА также равен углу ϕ. Если через середину ролика С провести плоскость, перпендикулярную оси ролика P₁P₂, то она пересечет зону контакта ролик-наружное кольцо в т.A₁, а внутреннее кольцо - ролик в т.В₂. Это и есть замечательные точки, характеризующие прототипы данного изобретения: т.А₁ делит пополам зону контакта ролика с наружным кольцом (как в прототипе [1]), a т.B₂ - делит пополам зону контакта ролика с внутренним кольцом (как в прототипе [2]). Этот вывод служит наглядной иллюстрацией недостатков прототипов [1 и 2]. Для прототипа [1] точка контакта ролика с внутренним кольцом находится в т.B₁, явно смещенной в сторону упорного бортика (перегружен правый конец роликовой дорожки). Для прототипа [2] точка контакта ролика с наружным кольцом А₂ явно смещена в сторону узкого торца ролика (перегружен наружный край роликовой дорожки). Из этого и следует положительный эффект предлагаемого изобретения - распределить концентрацию напряжений между обоими кольцами, обеспечить "золотую" середину. Из этой же сравнительной иллюстрации очевидно и усреднение величины реакции упорного бортика Рб по предлагаемому изобретению по сравнению с прототипами. Очевидно из фиг.1, что угол A₁OpOp' (ϕ₁) меньше угла АОрОр' (ϕ), а угол А₂OpOp' (ϕ₂) больше ϕ и α₀₁<α₀<α₀₂.

А так как с несущественной погрешностью реакция бортика (как проекция усилия Р₀, действующего на ролик, на линию ТВ направления действия реакции упорного бортика), то имеем

ε₁<ε<ε₂

и, следовательно, Рб₁<Рб<Рб₂,

где - угол контакта в подшипнике,

β - угол между осью подшипника и направлением реакции бортика.

ε₁, ε, ε₂ - углы, характеризующие первый прототип, предлагаемое изобретение и второй прототип соответственно, ε=α₀-β.

Для более убедительного количественного доказательства этого качественного аргумента произведено моделирование сферического двухрядного роликового подшипника по предлагаемому изобретению в сравнении с прототипами при следующих исходных характеристиках:

Dw=38 мм, Lw=34,2, диаметр сферы наружного кольца D1=2RH=249,4 мм, нагрузка на ролик Р₀=32530 Н (0,2 грузоподъемности), число роликов в одном ряду - 15.

Получены следующие параметры при трех вариантах проектирования:

Параметры	Прототип [1]	Предлагаемое	Прототип [2]
	аналог	изобретение
град.	13,32°	13,64°	14,06°
ϕ, град.	2,0588°	2,1097°	2,1767°
Е, мм	12,728	13,320	13,921
β, град.	9,9°	9,9°	9,9°
ε, град	3,42°	3,74°	4,16°
Рб, Н/%	1940/100	2120/109	2360/122

Откуда следует, что реакция упорного бортика по изобретению занимает промежуточное значение между известными подшипниками: на 9% больше, чем по [1] и на 12% меньше, чем по [2], а следовательно, имеет промежуточное значение по потере трения и быстроходности. Подшипник работает следующим образом. Действие радиальной нагрузки Р на подшипник обуславливает в зоне максимального нагружения нагрузку на ролик Р₀, действующую на ролик в точке А контакта ролика с наружным кольцом, которая смещена от середины ролика A₁ в сторону меньшего диаметра ролика на величину AA₁=0,5 Dw sinϕ (для приведенной выше модели подшипника AA₁=0,5×38×sin2,1097°=0,7 мм). В то же время контакт внутреннего кольца с роликом происходит в точке В, которая смещена от середины ролика В₂ на величину, равную AA₁, но в сторону большего диаметра ролика. Соответственно центры площадок контакта ролика с наружным кольцом находятся в точке А, а с внутренним - в точке В. Участок дорожки качения внутреннего кольца и ролика ДА (фиг.2) равен участку дорожки качения внутреннего кольца и ролика ВК', поэтому, когда эллипс площадок контакта достигнет величины ДД" на наружном кольце и K'K" на внутреннем кольце, эпюры напряжений будут представлены линиями 5 и 6 соответственно. При этом участки Д"Д' на наружном кольце и КК" на внутреннем кольце окажутся вне зоны нагружения и представят собой "резерв" для удлинения площадок контакта под действием нарастающей нагрузки. И когда эллипс площадки контакта достигает и превосходит величину, равную длине ролика, эпюры напряжений представлены линиями 7 и 8 соответственно на наружном и внутреннем кольце.

При этом возле малого торца ролика в контакте с наружным кольцом напряжения достигнут величины МД, а возле торца большего диаметра ролика в контакте с внутренним кольцом напряжения достигнут величины NK' которые будут меньше максимальных напряжений в центрах площадок. Таким образом, концентрация напряжений возле торцов роликов распределяется между дорожками наружного и внутреннего колец примерно поровну по сравнению с известными подшипниками, где вся концентрация приходится только на внутреннее кольцо возле торца ролика с большим диаметром для прототипа [1] или только на наружное кольцо возле малого торца ролика для прототипа [2]. При этом одновременно реакция упорного бортика Рб, обусловленная промежуточным значением угла ε действия усилия Р₀ на ролик, принимает меньшее значение, чем в прототипе [2].

Таким образом, подшипник по предлагаемому изобретению обладает оптимальным соотношением распределения контактных напряжений между дорожками наружного и внутреннего колец и величины реакции бортика на большой торец ролика, что обуславливает соответственно оптимальное соотношение грузоподъемности и быстроходности подшипника.

Литература

1. Подшипники качения. Справочник-каталог, под ред. Л.В.Черневского. М.: Машиностроение, 1997 г., стр.167-169.

2. Сферический роликовый подшипник, Патент РФ 2145007 С1, приоритет 31.07.1998, опубл. 27.01.2000 г., бюл. №3.

Роликовый сферический подшипник, содержащий наружное кольцо со сферической дорожкой качения, внутреннее кольцо с одной или несколькими тороидальными дорожками качения и упорным бортиком, бочкообразные несимметричные ролики, радиус образующих которых меньше радиуса сферы наружного кольца и радиуса образующей дорожки качения внутреннего кольца, сепаратор для размещения роликов, отличающийся тем, что для обеспечения оптимального сочетания грузоподъемности и потерь трения в подшипнике начальные точки контакта ролика с дорожками качения наружных и внутренних колец лежат на линии, проходящей через середину длины ролика, а расстояние плоскости наибольшего диаметра ролика относительно его торца с большим диаметром определяется зависимостью

E=0,5Lw-(R-0,5Dw)sinϕ,

где Lw - длина ролика;

Dw - диаметр ролика в плоскости наибольшего диаметра;

R - радиус образующей поверхности качения ролика;

ϕ - угол между осью ролика и касательной в начальной точке контакта ролика с дорожкой наружного кольца.