Бессепараторный подшипник качения (варианты) и способ его сборки (варианты) - RU2427734C1
Код документа: RU2427734C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к подшипниковым узлам машин, работающих в условиях предельных скоростных и нагрузочных режимов.
Известен бессепараторный зубчатый подшипник, содержащий кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и имеющие опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, при этом каждый элемент качения выполнен зубчатым и зацеплен с зубьями обойм (RU 2345255 С1, опуб. 27.01.2009).
Недостатками известного подшипника являются неизбежность проскальзывания контактных поверхностей (цевочное зацепление) даже под нагрузкой, что приведет к снижению ресурса подшипника, а также уменьшенная его нагрузочная способность из-за неполного использования контактной поверхности (нерабочие участки между выступами) при заданных габаритах.
Известен бессепараторный подшипник качения, содержащий кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и имеющие опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, при этом каждый элемент качения снабжен шестернями, установленными соосно с элементом качения без возможности проворота относительно него, а каждая кольцевая обойма снабжена зубчатыми венцами, зацепленными с шестернями элемента качения, причем, по меньшей мере, одна кольцевая обойма выполнена составной, зубчатые венцы составной обоймы выполнены в виде зубчатых колес, а зубчатые колеса зафиксированы от проворота относительно соответствующей обоймы (RU 2135851 С1, опуб. 27.08.1999).
В известном подшипнике, являющемся наиболее близким техническим решением к заявленным изобретениям, решена проблема проскальзывания контактных поверхностей, а использование контактной поверхности является максимально возможным (исключается только ширина шестерен, сопоставимая с габаритами сепаратора, выступающими за тела качения).
Недостатками известного подшипника являются низкая точность углового позиционирования пар зубчатых колес или шестерен, связанная с трудностями точного изготовления отверстия под штифт, особенно на относительно большой длине, снижающая надежность его работы и ресурс, а также низкая надежность крепления обойм подшипника, которое требует применения специальных средств для натяга обойм и контроля его в течение срока службы, что также снижает надежность работы подшипника.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы и ресурса подшипника при использовании в условиях предельно возможных скоростных и нагрузочных режимов.
Поставленная задача в части первого технического решения достигается тем, что в подшипнике качения, содержащем кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и имеющие опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, при этом каждый элемент качения снабжен телом качения и одной шестерней, установленной в средней части тела качения соосно с ним без возможности проворота относительно него, а каждая кольцевая обойма снабжена зубчатым венцом, зацепленным с шестерней элемента качения, причем, по меньшей мере, одна кольцевая обойма выполнена составной из двух соосных колец с опорными и посадочными поверхностями, зубчатый венец составной обоймы выполнен в виде зубчатого колеса, размещенного между двумя кольцами с опорными и посадочными поверхностями и установленного своей посадочной поверхностью на поверхности соответствующего звена кинематической цепи, зубчатое колесо зафиксировано от проворота относительно соответствующей пары колец обоймы, согласно изобретению устройство фиксации зубчатого колеса с кольцами обоймы выполнено в виде, по меньшей мере, одного продольного выступа или паза на посадочной поверхности зубчатого колеса и на посадочной поверхности каждого кольца обоймы, который расположен вдоль образующей цилиндрической посадочной поверхности и взаимодействует с ответным пазом или выступом на поверхности соответствующего звена кинематической цепи.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство фиксации может быть выполнено в виде шпоночного соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство фиксации может быть выполнено в виде шлицевого соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что каждый элемент качения может быть выполнен составным из пары соосных элементов и расположенной между ними соосно шестерни, зафиксированной от проворота относительно пары элементов качения, либо каждый элемент качения может быть выполнен за одно целое с шестерней.
Поставленная задача достигается также тем, что зубчатое колесо составной обоймы может быть выполнено незамкнутым по окружности.
Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения относительно обойм, выполненным из кольцевых плоских поверхностей, и постоянно контактирующего с ними, по меньшей мере, одного дискового выступа.
Поставленная задача достигается также тем, что выступ расположен на элементе качения, а кольцевые плоские поверхности расположены, по меньшей мере, на одной из обойм, либо выступ расположен, по меньшей мере, на одной из обойм, а кольцевые плоские поверхности расположены на элементе качения.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде отдельной детали, собираемой с деталями подшипника.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде разрезного кольца.
Поставленная задача в части второго технического решения достигается тем, что в подшипнике качения, содержащем кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и имеющие опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, при этом каждый элемент качения выполнен составным из установленных на общей цилиндрической оси пары соосных тел качения и расположенной между ними соосно шестерни, зафиксированной от проворота относительно пары тел качения, а каждая кольцевая обойма снабжена зубчатым венцом, зацепленным с шестерней элемента качения, согласно изобретению зубчатое зацепление шестерни и зубчатых венцов выполнено со смещением исходного контура, при этом диаметр шестерни по вершинам зубьев не превышает наружный диаметр тела качения, каждая обойма выполнена за одно целое с зубчатым венцом, а устройство фиксации шестерни и тел качения выполнено в виде продольных выступов и пазов на поверхности цилиндрической оси и ответных выступов и пазов в отверстиях каждого тела качения и шестерни, в которых расположена цилиндрическая ось.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство фиксации может быть выполнено в виде шлицевого соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения относительно обойм, выполненным из кольцевых плоских поверхностей, и постоянно контактирующего с ними, по меньшей мере, одного дискового выступа.
Поставленная задача достигается также тем, что выступ расположен на элементе качения, а кольцевые плоские поверхности расположены, по меньшей мере, на одной из обойм, либо выступ расположен, по меньшей мере, на одной из обойм, а кольцевые плоские поверхности расположены на элементе качения.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде отдельной детали, собираемой с деталями подшипника.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде разрезного кольца.
Поставленная задача в части третьего технического решения достигается тем, что в подшипнике качения, содержащем кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, при этом каждый элемент качения снабжен телом качения и двумя шестернями, расположенными на противоположных сторонах тела качения соосно с ним без возможности проворота относительно тела качения, а каждая кольцевая обойма снабжена двумя зубчатыми венцами, зацепленными с шестернями элемента качения, причем зубчатый венец, по меньшей мере, одной обоймы выполнен в виде зубчатого колеса, установленного своей посадочной поверхностью на поверхности соответствующего звена кинематической цепи, указанная обойма составлена из кольца с опорной и посадочной поверхностями и зубчатого колеса, зафиксированного от проворота относительно кольца составной обоймы, согласно изобретению устройство фиксации зубчатого колеса относительно кольца обоймы выполнено в виде, по меньшей мере, одного продольного выступа или паза на посадочной поверхности зубчатого колеса и на посадочной поверхности кольца составной обоймы, который взаимодействует с ответным пазом или выступом на поверхности соответствующего звена кинематической цепи.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство фиксации может быть выполнено в виде шпоночного или шлицевого соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что каждый элемент качения может быть выполнен составным, в котором, по меньшей мере, одна шестерня выполнена в виде отдельного элемента и зафиксирована от проворота относительно тела качения.
Поставленная задача достигается также тем, что в каждом элементе качения тело качения может быть выполнено за одно целое с шестернями.
Поставленная задача достигается также тем, что кольцо наружной составной обоймы может быть выполнено незамкнутым по окружности.
Поставленная задача достигается также тем, что кольцо составной обоймы может быть выполнено, по меньшей мере, из двух частей, каждая из которых - в виде части окружности.
Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения относительно обойм, выполненным из кольцевых плоских поверхностей и постоянно контактирующего с ними, по меньшей мере, одного дискового выступа.
Поставленная задача достигается также тем, что выступ расположен на элементе качения, а кольцевые плоские поверхности расположены, по меньшей мере, на одной из обойм, либо выступ расположен, по меньшей мере, на одной из обойм, а кольцевые плоские поверхности расположены на элементе качения.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде отдельной детали, собираемой с деталями подшипника.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде разрезного кольца.
Поставленная задача в части четвертого технического решения достигается тем, что в подшипнике качения, содержащем две кольцевые обоймы, имеющие посадочные поверхности, контактирующие с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, и имеющие опорные поверхности, между которыми размещены элементы качения, состоящие из тела качения и расположенных на противоположных его сторонах и соосно с ним шестерен, зафиксированных от проворота относительно тела качения, при этом каждый элемент качения выполнен составным из тела качения и, по меньшей мере, двух шестерен, установленных на общей цилиндрической оси, а каждая кольцевая обойма снабжена двумя зубчатыми венцами, зацепленными с шестернями элемента качения, согласно изобретению зубчатое зацепление шестерен и зубчатых венцов выполнено со смещением исходного контура, при этом разность диаметров зубчатых венцов каждой обоймы по вершинам зубьев не меньше разности диаметров опорных поверхностей обойм, каждая обойма выполнена за одно целое с зубчатым венцом, а устройство фиксации шестерен с телом качения выполнено в виде продольных выступов и/или пазов на поверхности цилиндрической оси и взаимодействующих с ними соответствующих ответных выступов и/или пазов в отверстиях тела качения и шестерен, в которых расположена цилиндрическая ось.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство фиксации может быть выполнено в виде шлицевого соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что он может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения относительно обойм, выполненным из кольцевых плоских поверхностей и постоянно контактирующего с ними, по меньшей мере, одного дискового выступа.
Поставленная задача достигается также тем, что выступ расположен на элементе качения, а кольцевые плоские поверхности расположены, по меньшей мере, на одной из обойм, либо выступ расположен, по меньшей мере, на одной из обойм, а кольцевые плоские поверхности расположены на элементе качения.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде отдельной детали, собираемой с деталями подшипника.
Поставленная задача достигается также тем, что дисковый выступ выполнен в виде разрезного кольца.
Поставленная задача в части пятого технического решения достигается тем, что способ сборки бессепараторного подшипника, содержащего кольцевые обоймы с опорными поверхностями и зубчатыми венцами, расположенными в средней части обойм, и элементы качения, собираемые из тела качения и шестерни, входящей в зацепление с зубчатыми венцами обойм, заключается в том, что вводят в зацепление шестерни, располагая их равномерно по окружности, и зубчатые венцы обойм, а тела качения устанавливают с двух сторон от каждой шестерни соосно с ними и соединяют каждую пару соосных тел качения с шестерней, фиксируя от проворота шестерню относительно пары тел качения.
Поставленная задача достигается также тем, что, по меньшей мере, одну обойму выполняют составной из двух соосных колец с опорными поверхностями, а зубчатый венец составной обоймы выполняют в виде зубчатого колеса, расположенного между кольцами обоймы, при этом шестерни элементов качения вводят в зацепление с зубчатым венцом и зубчатым колесом перед соединением колец обоймы с зубчатым колесом.
Поставленная задача достигается также тем, что кольца составной обоймы соединяют с зубчатым колесом после соединения элементов качения с шестернями.
Поставленная задача достигается также тем, что тела качения соединяют с шестернями после соединения колец составной обоймы с зубчатым колесом.
Поставленная задача достигается также тем, что зубчатое зацепление шестерен и зубчатых венцов выполняют со смещением исходного контура, при этом каждый зубчатый венец выполняют заодно с соответствующей обоймой, при этом диаметр шестерни по вершинам зубьев не превышает диаметр элементов качения, а шестерни вводят в зацепление с зубчатыми венцами и устанавливают элементы качения, проводя как шестерни, так и элементы качения через диаметральный зазор между опорными поверхностями обойм.
Поставленная задача в части шестого технического решения достигается тем, что способ сборки бессепараторного подшипника, содержащего кольцевые обоймы с опорными поверхностями и зубчатыми венцами, расположенными в средней части обойм, и элементы качения, выполненные заодно с шестерней, входящей в зацепление с зубчатыми венцами обойм, при этом, по меньшей мере, одну обойму выполняют составной из двух соосных колец с опорными поверхностями, а зубчатый венец выполняют в виде незамкнутого зубчатого колеса, расположенного между кольцами составной обоймы, заключается в том, что шестерни элементов качения вводят в зацепление с зубчатым венцом обоймы, располагая их равномерно вокруг опорной поверхности обоймы, затем разводят концы незамкнутого зубчатого колеса, увеличивая его внутренний диаметр, и вводят его в зацепление с шестернями элементов качения, замыкая концы зубчатого колеса, после чего соединяют кольца составной обоймы с зубчатым колесом.
Поставленная задача достигается также тем, что зубчатое колесо выполняют разрезанным в одном месте его окружности в виде разрезного кольца.
Поставленная задача достигается также тем, что зубчатое колесо выполняют, по меньшей мере, из двух частей окружности
Поставленная задача в части седьмого технического решения достигается тем, что способ сборки бессепараторного подшипника, содержащего кольцевые обоймы с опорными поверхностями и зубчатыми венцами, расположенными попарно на торцевых сторонах каждой обоймы, и элементы качения с шестернями зацепленными с зубчатыми венцами, каждый элемент качения собирают из расположенных соосно тела качения и, по меньшей мере, одной шестерни, а, по меньшей мере, одну обойму выполняют составной из кольца с опорной поверхностью и, по меньшей мере, одним зубчатым колесом, заключается в том, что тела качения устанавливают равномерно по окружности относительно, по меньшей мере, одной опорной поверхности обоймы, кольцо составной обоймы заводят на тела качения с той стороны, на которой еще отсутствует шестерня, а затем устанавливают шестерни, вводя их в зацепление, по меньшей мере, с одним зубчатым венцом обоймы, одновременно фиксируя от проворота каждую шестерню относительно соответствующего тела качения, и устанавливают, по меньшей мере, одно зубчатое колесо составной обоймы.
Поставленная задача достигается также тем, что составную обойму собирают перед установкой шестерен элементов качения.
Поставленная задача достигается также тем, что, по меньшей мере, одно зубчатое колесо составной обоймы вводят в зацепление с уже установленными в подшипник шестернями элементов качения.
Поставленная задача достигается также тем, что после сборки зубчатые колеса и шестерни фиксируют от продольного осевого перемещения.
Поставленная задача в части восьмого технического решения достигается тем, что способ сборки бессепараторного подшипника, содержащего кольцевые обоймы с опорными поверхностями и зубчатыми венцами, расположенными попарно на торцевых сторонах каждой обоймы, и элементы качения, выполненные заодно с шестернями, входящими в зацепление с зубчатыми венцами обойм, при этом, по меньшей мере, одну обойму, по меньшей мере, в части с опорной поверхностью выполняют незамкнутой, по меньшей мере, с одним стыком на ее окружности, заключается в том, что элементы качения с шестернями устанавливают равномерно по окружности вокруг обоймы, вводя в зацепление шестерни с зубчатыми венцами указанной обоймы, а концы разрезной обоймы раздвигают, увеличивая ее внутренний диаметр, и проводят над вершинами зубьев шестерен уже установленных элементов качения, после чего замыкают концы обоймы.
Поставленная задача достигается также тем, что разрезную обойму выполняют заодно с зубчатым венцом, а обойму после проведения ее над вершинами зубьев шестерен замыкают одновременно с введением зубьев зубчатого венца в зацепление с шестернями.
Поставленная задача достигается также тем, что разрезную обойму выполняют составной из разрезного кольца с опорной поверхностью и цельных зубчатых венцов, выполненных в виде расположенных соосных с кольцом зубчатых колес, при этом зубчатые колеса собирают с кольцом после его замыкания.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показан вид на первый вариант выполнения подшипника, описанный в пунктах 1-11 формулы;
На фиг.2 - поперечный разрез первого варианта подшипника, порядок сборки;
На фиг.3 - то же, собранный подшипник;
На фиг.4 показан разобранный элемент качения первого варианта;
На фиг.5 - этап сборки первого варианта с установленной шестерней;
На фиг.6 - этап сборки первого варианта со шлицевым вариантом фиксации с установленным кольцом наружной обоймы;
На фиг.7 - то же, варианта со шпоночным вариантом фиксации;
На фиг.8 - этап сборки подшипника с цельными элементами качения, установка разрезного зубчатого колеса;
На фиг.9 - то же, с установленным зубчатым колесом;
На фиг.10 показан второй вариант выполнения подшипника, описанный в пунктах 12-18 формулы изобретения, поперечный разрез, порядок сборки;
На фиг.11 - то же, собранный подшипник;
На фиг.12 показан вид на третий вариант выполнения подшипника, описанный 19-30 формулы изобретения;
На фиг.13 - поперечный разрез, порядок сборки варианта с одним разъемным зубчатым колесом;
На фиг.14 - то же, собранный подшипник;
На фиг.15 - поперечный разрез, порядок сборки варианта с двумя разъемными зубчатыми колесами;
На фиг.16 - то же, собранный подшипник;
На фиг.17 - трехмерный вид варианта фиг.13, установка наружной обоймы;
На фиг.18 - то же, установка шестерни элемента качения;
На фиг.19 - трехмерный вид варианта фиг.15, установка разъемной наружной обоймы и шестерен;
На фиг.20 показан поперечный разрез четвертого варианта выполнения подшипника, описанного в пунктах 31-37 формулы изобретения, порядок сборки с двумя разъемными шестернями;
На фиг.21 - то же, собранный подшипник;
На фиг.22 - вариант с одной разъемной шестерней, порядок сборки;
На фиг.23 - то же, собранный подшипник.
Описываемый подшипник (см. фиг.1) содержит кольцевую обойму 1, например внутреннюю, и обойму 2, например наружную. Каждая обойма 1 и 2 имеет посадочную поверхность, соответственно 3 и 4, контактирующую с поверхностями соответствующих звеньев кинематической цепи, соответственно, например, вала 5 и, например, шатуна 6 или корпуса (на чертежах не показан). Обоймы 1 и 2 имеют также опорные поверхности соответственно 7 и 8, между которыми размещены элементы 9 качения. Каждый элемент 9 качения снабжен телом 10 качения и одной шестерней 11, установленной в средней части тела 10 качения соосно с ним без возможности проворота относительно него. Каждая обойма 1 и 2 снабжена зубчатым венцом соответственно 12 и 13, зацепленным с шестерней 11. Кольцевая обойма, например, 2 выполнена составной из двух соосных колец 14, имеющих опорные 8 и посадочные 4 поверхности (см. фиг.2). Зубчатый венец 13 составной обоймы выполнен в виде зубчатого колеса 15, размещенного между двумя кольцами 14. Зубчатое колесо 15 установлено своей посадочной поверхностью 16 на поверхности соответствующего звена кинематической цепи, например шатуна 6, и зафиксировано от проворота относительно соответствующей пары колец 14. При этом устройство фиксации зубчатого колеса 15 со всеми частями обоймы 2 выполнено в виде, например, одного продольного выступа 17 на посадочной поверхности 16 зубчатого колеса 15 и на посадочной поверхности 4 каждого из колец 14 обоймы 2. Выступ 17 расположен вдоль образующей цилиндрических посадочных поверхностей 4 и 16 и взаимодействует с ответным пазом 18 на поверхности контактирующего с ними звена кинематической цепи, например шатуна 6.
Выступ 17 может являться шпонкой, уложенной в паз 19 посадочных поверхностей 4 и 16 (фиг.7).
Выступ 17 может быть выполнен заодно с поверхностями соответственно 4 и 16. При равномерном распределении выступов 17 и ответных пазов по окружности такое соединение, по существу, может быть шлицевым (фиг.5, 6).
Тело 10 качения элемента 9 может быть выполнено заодно с шестерней 11, например, с использованием электроэрозионной технологии. Или элемент 9 может быть выполнен составным из двух соосных тел 10 и расположенной между ними шестерни 11 (фиг.2-4).
Для обеспечения сборки подшипника в случае использования цельных элементов 9 зубчатое колесо 15 может быть выполнено незамкнутым, например в виде разрезного кольца (фиг.8, 9).
Подшипник может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения относительно обойм, выполненным из взаимодействующих между собой кольцевых плоских поверхностей 26 и постоянно контактирующего с ними дискового выступа 27 (фиг.2, 3).
Выступ 27 может быть расположен на элементе 9 качения и выполнен в виде отдельного диска, а кольцевая плоская поверхность 26 расположена на обоймах 1 и 2 (см. фиг.2). Поверхности 26 при этом могут быть образованы путем выполнения кольцевой проточки на опорных поверхностях 7 и/или 8.
Либо выступ 27 может быть расположен, например, на наружной обойме 2, а кольцевая плоская поверхность 26 выполнена на элементе 9 качения. При этом дисковый выступ 27 может быть выполнен в виде отдельной детали, например цельного или разрезного кольца, собираемого с деталями составной обоймы.
Во втором варианте выполнения подшипника, описанного в пунктах 12-18 формулы изобретения и показанного на фиг.10, 11, обоймы 1 и 2 выполнены за одно целое с зубчатыми венцами соответственно 12 и 13, а элемент 9 качения - составным из пары идентичных тел 10 качения, между которыми установлена шестерня 11, зафиксированная от проворота относительно обоих тел 10. Шестерня 11 и оба тела 10 выполнены со сквозными отверстиями, в которых установлена цилиндрическая ось 20. На поверхности оси 20 выполнен, по меньшей мере, один продольный выступ 21 или паз 22. Выступ 21 входит в ответные продольные пазы 23 в отверстиях шестерни 11 и тел 10. Таким образом происходит фиксация проворота шестерни 11 относительно пары тел 10. В качестве выступа 21 может использоваться шпонка 24, уложенная в паз 22 цилиндрической оси 20. Более выгодным, с точки зрения технологии, может являться шлицевое соединение для фиксации шестерни 11 и тел 10 (см. фиг.4).
Для обеспечения сборки второго варианта подшипника с выполненными заодно обоймами 1, 2 и зубчатыми венцами 12, 13, зубчатое зацепление необходимо выполнять со смещением исходного контура таким образом, чтобы вершины зубьев шестерни 11 не препятствовали ее проходу между опорными поверхностями 7 и 8. В этом случае диаметр шестерни 11 по вершинам зубьев не превышает диаметр тел 10 качения (порядок сборки показан на фиг.10).
Подшипник может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения, выполненным аналогично описанному устройству в первом варианте выполнения, из взаимодействующих между собой, по меньшей мере, кольцевых плоских поверхностей 26 и постоянно контактирующего с ними дискового выступа 27. В данном варианте целесообразным является выполнение выступов 27 в виде дисков, собираемых с деталями сборного элемента 9 качения и расположенных на его концах. Кольцевая поверхность 26 при этом расположена на торцах обойм 1 и/или 2.
В третьем варианте выполнения подшипника, показанном на фиг.12-19, каждое тело 10 качения элемента 9 снабжено двумя шестернями 11, расположенными на противоположных его сторонах соосно с ним без возможности проворота относительно тела 10 качения. Кольцевая обойма 1 снабжена парой зубчатых венцов 12, а кольцевая обойма 2 снабжена парой зубчатых венцов 13. Все зубчатые венцы 12 и 13 зацеплены с шестернями 11.
Кольцевая обойма, например 2, выполнена составной, в которой один зубчатый венец 13 или оба венца в одной обойме выполнены в виде зубчатого колеса 15, установленного рядом с кольцом 14, имеющим опорную 8 и посадочную 4 поверхности. Зубчатое колесо 15 и кольцо 14 установлены своими посадочными поверхностями соответственно 16 и 4, на поверхности соответствующего звена кинематической цепи, например шатуна 6, и зафиксированы от проворота один относительно другого и относительно шатуна 6. Фиксация зубчатого колеса 15 выполнена аналогично описанному устройству в первом варианте подшипника в виде, по меньшей мере, одного продольного выступа 17 на посадочной поверхности 16 зубчатого колеса 15 и на посадочной поверхности 4 кольца 14 составной обоймы 2.
При выполнении составной обоймы 2, в которой только одно зубчатое колесо 15 выполнено отдельно, достаточно, для условия собираемости подшипника (с максимально возможным количеством элементов 9), выполнять элемент 9 качения с одной, изготовленной в виде отдельной детали, шестерней 11. Вторая шестерня 11 может быть выполнена заодно с телом 10 качения (см. фиг.13, 14). Фиксация отдельной шестерни 11 может быть выполнена аналогично описанному устройству во втором варианте подшипника, например в виде цилиндрической оси 20, выступа 21 и ответного паза 22.
Тело 10 качения элемента 9 может быть выполнено заодно с обеими шестернями 11. В этом случае для обеспечения максимально возможной нагрузочной способности подшипника (с максимальным количеством элементов 9) и для выполнения условия собираемости подшипника наружную обойму 2 выполняют незамкнутой по окружности, например в виде разрезного кольца (фиг.19). Тогда предпочтительно оба венца 13 выполнять в виде отдельного цельного по окружности зубчатого колеса 15, а кольцо 14 с опорной поверхностью 8 - разрезным. При недостаточной упругости материала кольца 14 его можно выполнять разъемным в виде двух частей.
Подшипник может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения, выполненным аналогично описанному устройству в первом и втором вариантах выполнения, из взаимодействующих между собой кольцевых плоских поверхностей 26 и постоянно контактирующего с ними дискового выступа 27. В данном варианте целесообразным является выполнение выступов 27 в виде дисков, устанавливаемых рядом с шестерней 11 элемента 9 качения. Либо это один диск, либо, в случае выполнения обеих шестерен 11 разъемными, - два диска. Поверхности 26 могут быть образованы путем выполнения кольцевой проточки на опорных поверхностях 7 и/или 8.
В случае выполнения элементов 9 цельными на их поверхности выполняют проточки с образованием поверхностей 26, а выступы 27 выполняют в виде дисков, устанавливаемых в составную обойму 2.
В четвертом варианте выполнения подшипника, показанном на фиг.20-23, каждый элемент 9 качения выполнен составным из установленных на общей цилиндрической оси 20 тела 10 качения и расположенных на противоположных его сторонах и соосно с ним шестерен 11, зафиксированных от проворота относительно тела 10 качения. Каждая из обойм 1 и 2 выполнена за одно целое со своими зубчатыми венцами соответственно 12 и 13. При таком выполнении обойм 1 и 2 для размещения между ними максимально возможного количества элементов 9 зубчатое зацепление необходимо выполнять со смещением исходного контура. При этом вершины зубьев зубчатых венцов 12 и 13 не выступают в зазор между опорными поверхностями 7 и 8 обойм и не препятствуют проходу телам 10 качения между обоймами. То есть разность диаметров зубчатых венцов 12 и 13 каждой обоймы по вершинам зубьев не меньше разности диаметров опорных поверхностей 7 и 8 обойм. А для обеспечения сборки с максимально возможным количеством элементов 9 последние необходимо выполнять составными. При этом достаточно выполнять отдельно одну шестерню 11 в каждом элементе 9. Вторая шестерня 11 элемента 9 может быть выполнена заодно с телом 10 качения (фиг.22, 23).
Устройство фиксации шестерен выполнено аналогично устройству, описанному во втором и третьем вариантах подшипника, и состоит из цилиндрической оси 20, выступа 21 и ответного паза 22.
Подшипник может быть снабжен ограничителем осевого смещения элемента качения, выполненным аналогично описанному устройству в предыдущих вариантах выполнения, из взаимодействующих между собой кольцевых плоских поверхностей 26 и постоянно контактирующего с ними дискового выступа 27. В данном варианте целесообразным является выполнение выступов 27 в виде дисков, собираемых с деталями сборного элемента 9 качения и расположенных на его концах. Кольцевая поверхность 26 при этом расположена на торцах зубчатых венцов 12 и/или 13 обойм 1 и/или 2.
Сборка подшипников осуществляется следующим образом.
В первом варианте способа описана сборка бессепараторного подшипника, в котором элемент 9 качения снабжен одной, расположенной в средней части элемента 9, шестерней 11.
Шестерня 11 в описываемом способе выполнена отдельно от тела 10 качения. Поэтому сначала вводят в зацепление с зубчатыми венцами 12 и 13 обойм 1 и 2 шестерни 11, устанавливая их равномерно по окружности (фиг.5). При наличии ограничителя осевого перемещения элементов 9 вместе с шестернями 11 устанавливают диски, выполняющие функции выступов 27. Диски при этом вводят в канавку с кольцевыми поверхностями 26. Подсборка может быть осуществлена на осях 20.
В варианте выполнения описываемого способа одна из обойм, например наружная 2, может быть выполнена составной, как это было описано в предыдущих объектах изобретения, в виде двух соосных колец 14 и расположенного между ними зубчатого колеса 15. В этом случае шестерни 11 при сборке зацепляют с зубчатым венцом 12, который в этом случае может быть выполнен заодно с опорной поверхностью 7 внутренней обоймы 1, и зубчатым колесом 15, устанавливаемым без колец 14.
После сборки зубчатого зацепления собирают тела 10 качения соосно с шестерней 11, устанавливая их на оси 20, а затем надвигают на поверхности тел 10 качения с двух противоположных сторон кольца 14 (фиг.6), собирая все части обоймы 2 в одно целое. Либо тела 10 качения вводят в радиальный зазор между опорными поверхностями 7 и 8 после сборки частей обоймы 2.
Возможен вариант выполнения зубчатого зацепления со смещением исходного контура таким образом, что диаметр шестерни 11 по ее вершинам не превышает диаметра тел 10 качения. Тогда зубчатые венцы 12 и 13 как в обойме 1, так и в обойме 2 можно выполнять заодно с соответствующими опорными поверхностями 7 и 8. При таком выполнении подшипника шестерни 11 для ввода их в зацепление с венцами 12 и 13 проводят через радиальный зазор между опорными поверхностями 7 и 8 (фиг.10), после чего собирают в указанном радиальном зазоре тела 10 качения с шестерней 11.
Во втором варианте способа сборки подшипника, в котором элемент 9 качения снабжен одной шестерней 11, выполненной заодно с телом 10 качения, наружную обойму 2 выполняют составной. При этом ее зубчатое колесо 15 выполняют незамкнутым, то есть, по меньшей мере, с одним стыком по его окружности.
Тогда элементы 9 качения располагают равномерно по окружности вокруг внутренней обоймы 1, вводя в зацепление шестерни 11 и зубчатый венец 12. При этом удерживают элементы 9 качения вокруг обоймы при помощи оправки (на чертежах не показана), а затем вводят в зацепление зубчатое колесо 15, разводя его концы и увеличивая при это его внутренний диаметр (фиг.8). После ввода зубчатого колеса 15 в зацепление с шестернями 11 замыкают его концы (фиг.9). Стык можно выполнять с замком (на чертежах не показан) для надежности сохранения целостности зубчатого колеса 15 по окружности. Можно колесо 15 выполнять в виде упругого кольца (по типу поршневых колец двигателей внутреннего сгорания). Тогда шатун 6 или корпус будут являться его оправкой, в которой колесо 15 за счет собственной упругости будет сохранять геометрию при расчетной нагрузке на зубья.
Возможен вариант выполнения зубчатого колеса 15 из двух и более частей по типу вкладышей подшипников скольжения.
После введения зубчатого колеса 15 в зацепление собирают обойму 2, надевая кольца 14 на тела 10 элементов 9 качения и соединяя кольца 14 с зубчатым колесом 15 аналогично показанному на фиг.6.
В третьем варианте способа сборки подшипника выполняют составными как элементы 9 качения, так и одну из обойм. При этом для сборки подшипника с максимально возможным количеством элементов 9 качения достаточно, чтобы одна шестерня 11 в каждом элементе 9 и один зубчатый венец, например 13, были выполнены раздельно соответственно от элемента 9 и от обоймы 2 (фиг.13).
Тогда элементы 9 качения без шестерни 11 с одной стороны тела 10 качения устанавливают равномерно по окружности вокруг внутренней обоймы 1, вводя одну шестерню 11 элемента 9 в зацепление с одним из зубчатых венцов 12 обоймы 1, которая может быть выполнена заодно с обоими зубчатыми венцами 12. Затем с той стороны элемента 9, на которой отсутствует шестерня 11, заводят на тела 10 качения кольцо 14 (той стороной обоймы 2, на которой отсутствует зубчатое колесо 15), надевая его на тела 10 качения (фиг.17). После чего устанавливают шестерни 11 (фиг.18), по крайней мере, с одной из сторон тел 10 качения (если шестерня 11 с другой стороны тела 10 была выполнена заодно с ним) и устанавливают, по меньшей мере, одно зубчатое колесо 15 (если второе колесо 15 было выполнено в виде зубчатого венца 13 заодно с кольцом 14).
В четвертом варианте способа сборки подшипника элементы 9 качения могут выполнять заодно с шестернями 11, а одну из обойм, например 2, - незамкнутой. В этом случае элементы 9 качения устанавливают равномерно по окружности на опорной поверхности 7 обоймы 1, вводя при этом шестерни 11 в зацепление с зубчатыми венцами 12, которые могут быть выполнены заодно с опорной поверхностью 7. Наружную обойму 2 можно выполнить так же, как и внутреннюю, цельной - заодно с зубчатыми венцами 13. Если незамкнутая обойма выполняется из упругого материала, то достаточно обойму разрезать в одном месте. Тогда концы разрезанной обоймы раздвигают, надевая ее на уже установленные элементы 9 качения, обходя вершины зубьев шестерен 11 и вводя их в зацепление с зубчатыми венцами 13. При этом перед вводом в зацепление с венцами 13 может потребоваться дополнительное угловое перемещение уже зацепленных с венцами 12 элементов 9.
Если упругости обоймы недостаточно для бездеформационного ее раздвигания, тогда обойму выполняют с двумя и более разрезами по типу вкладышей подшипников скольжения (как на фиг.19). Тогда устанавливают сегменты обоймы 2 на элементы 9 качения, замыкая между собой концы сегментов. Узлом, удерживающим сегменты разрезной обоймы, может являться звено, в котором она установлена (шатун 6 или корпус). Для надежности крепления сегментов могут потребоваться дополнительные стопорные узлы или замки (на чертежах не показаны).
Разрезной деталью может быть выполнено только кольцо 14, в случае выполнения обоймы 2 составной. Тогда цельные зубчатые колеса 15 устанавливаются в обойму 2 с одновременным зацеплением их с шестернями 11 после надевания на тела 10 качения кольца 14.
Описываемый подшипник работает следующим образом. После сборки подшипника его внутренняя обойма 1 устанавливается на вал 5, например кривошипную шейку коленчатого вала поршневой машины, а наружная обойма 2 - в корпус или, например, в кривошипную головку шатуна 6. Нагрузка от рабочего органа машины (в случае ее выполнения в виде двигателя) на вал 5 передается через шатун 6, посадочные 3 и 4, а также опорные 7 и 8 поверхности обойм 1 и 2 и наружные поверхности тел 10 элементов 9 качения. Зубчатая передача выполняет функции сепаратора: разделяет элементы 9 качения, предотвращая непосредственный их контакт, и ведет элементы качения, вталкивая их в нагруженный сектор.
Известно, что в секторе действия передаваемой нагрузки расстояние между опорными поверхностями 7 и 8 обойм 1 и 2 уменьшается из-за деформации как тел 10 качения, так и самих обойм. Значит, для введения в указанный зазор последующих тел 10 качения из ненагруженного сектора требуются дополнительные усилия. Основную работу по введению тел качения в нагруженный сектор (в известном уровне техники) выполняют тела 10 качения, выходящие из нагруженного сектора, используя при этом сепаратор в качестве промежуточного силового звена. Понятно, что использование такого толкателя в виде дуги является далеко не оптимальным. Отсюда множество нерешенных проблем современных подшипников. Надо отметить, что элемент качения мог бы вкатываться в нагруженный сектор сам, если бы коэффициент трения скольжения в контактной паре был достаточно большим. Однако в известном уровне техники стараются достичь минимальных его значений в целях устранения потерь в паре сепаратор - элемент качения. Не хватает сцепления также и у толкающего тела 10 качения, выходящего из нагруженного сектора, которые также проскальзывают при возникновении усилия при вталкивании тела 10, входящего в нагруженный сектор.
Таким образом, в известном уровне техники элементы качения, входящие в нагруженный сектор, а также выходящие из него, всегда проскальзывают, а сепараторы, выполняющие роль толкателей, невозможно выполнить оптимальными для выполнения именно указанной функции.
Проскальзывают также и те элементы качения, которые находятся в ненагруженном секторе, так как зазор между опорными поверхностями обойм в указанном секторе увеличен и сцепление между всеми контактными поверхностями отсутствует. С увеличением частоты вращения элементы качения под действием центробежной силы прижимаются к опорной поверхности наружной обоймы и, ведомые сепаратором, проскальзывают как относительно опорной поверхности, так и относительно сепаратора.
Известно, что проскальзывание элементов под высокой нагрузкой приводит к «привариванию» вершин микронеровностей. Достаточно образоваться первому такому очагу, как он послужит началом более интенсивного процесса, который приведет к выходу подшипника из строя. Возможно, указанный механизм разрушения подшипника в наибольшей степени определяет его ресурс.
В заявленных подшипниках не требуется такой детали, как сепаратор. Его функции выполняют шестерни 11, которые, во-первых, не позволяют контактировать телам 10 качения между собой, а во-вторых - «втаскивают» тела 10 качения в нагруженный сектор за счет зубчатого зацепления с зубчатыми венцами 12 и 13. В ненагруженном секторе шестерни 11 заставляют перекатываться тела 10 качения по опорным поверхностям обойм без проскальзывания.
Таким образом, использование зубчатого зацепления позволяет практически предотвратить проскальзывание элементов 9 качения относительно опорных поверхностей обойм.
Кроме того, выполнение устройств фиксации непосредственно на поверхностях звеньев позволяет отказаться от тугой посадки обойм, так как фиксация частей обойм (при выполнении ее составной) предотвращает также проворот обоймы относительно поверхности, на которой она установлена. В некоторых устройствах установка обойм подшипника на шпонках или шлицах упрощает монтаж и демонтаж подшипника, гарантирует сохранение монтажных размеров подшипника при различных тепловых режимах его работы, увеличивая тем самым ресурс. В наибольшей степени это касается подшипников газотурбинных двигателей, так как монтаж подшипников с трехточечным или четырехточечным контактом представляет собой довольно сложный процесс, не гарантирующий постоянство контакта рабочих поверхностей на всех режимах работы двигателя.
Отказ от тугой посадки обойм позволяет использовать демпфирующие материалы в местах установки обойм. Использование демпферов, например, в виде промежуточных элементов из более «мягких» материалов или в виде наполнителя, заполняющего зазоры в соединении, позволит увеличить ресурс подшипников в механизмах, работающих в условиях повышенной вибрации.
Представляется также, что надежность работы сепаратора в известном уровне техники определяла соотношения размеров обойм и тел качения. То есть при увеличении отношения диаметра обоймы к диаметру тела качения сепаратор вырождается в длинную тонкую полосу, которая в пределе не сможет выполнять функции толкателя. Кроме того, при уменьшении такого соотношения снижается крутящий момент, заставляющий катиться тело качения под действием нагрузки, а значит, интенсифицируется процесс проскальзывания. Тогда отказ от сепаратора позволит использовать подшипники с увеличенным отношением диаметров обойм и тел качения без опасности возникновения эффекта проскальзывания. Такие подшипники качения обладают максимально возможной грузоподъемностью (из-за большего количества элементов качения) и скоростью вращения.
Существует также проблема использования подшипников в механизмах с возвратно-вращательным перемещением звеньев, например в кривошипно-шатунном механизме. Суть проблемы заключается в следующем. Шейка кривошипа и установленная на ней внутренняя обойма вращаются вокруг своей оси, например, с равномерной скоростью. А шатун с наружной обоймой подшипника совершают возвратно-вращательные движения вокруг оси вращения внутренней обоймы: за один оборот вала - в одну и другую стороны на величину угла качания шатуна. Значит, элементы качения разгоняются наружной обоймой и ей же тормозятся в период каждого оборота вала. В сепараторных подшипниках это явление перегружает сепаратор, и на повышенных частотах вращения вала он разрывается.
Отказ от такого элемента подшипника, как сепаратор, позволяет значительно повысить надежность работы шатунных подшипников в двигателях внутреннего сгорания на повышенных частотах вращения вала и при увеличенных нагрузках.
Таким образом, описываемые технические решения позволяют значительно увеличить удельные технические характеристики машин за счет повышения нагрузочной способности и расширения скоростного диапазона работы подшипников с гарантией требуемого ресурса. В наибольшей степени это касается газотурбинных и поршневых двигателей, установленных на объектах с предельными рабочими параметрами.
Реферат
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к подшипниковым узлам машин, работающих в условиях предельных скоростных и нагрузочных режимов. Сущность изобретения заключается в том, что каждый элемент качения (9) подшипника синхронизирован с наружной (2) и внутренней (1) обоймами при помощи зубчатого зацепления. При этом фиксация от проворота частей обойм (1; 2) осуществляется при помощи, по меньшей мере, одного продольного выступа (17) или паза на посадочной поверхности зубчатого колеса (15) и на посадочной поверхности (4) каждого кольца (14) обоймы (2), который расположен вдоль образующей цилиндрической посадочной поверхности и взаимодействует с ответным пазом (18) или выступом на поверхности соответствующего звена кинематической цепи, например шатуна (6). Аналогичным образом осуществляется фиксация частей элемента качения (9) при выполнении его сборным с шестернями. Технический результат: повышение надежности работы подшипника за счет отказа от сепаратора, повышение ресурса подшипника при использовании в условиях предельно возможных скоростных и нагрузочных режимов, увеличение удельных технических характеристик машин за счет повышения нагрузочной способности и расширения скоростного диапазона работы подшипников с гарантией требуемого ресурса. 8 н. и 44 з.п. ф-лы, 23 ил.
