высокоскоростной шариковый подшипник с устойчивым вращением сепаратора

Формула изобретения

Высокоскоростной шариковый подшипник, содержащий подвижное и неподвижное кольца, одно из которых является базирующим, шарики, установленные между кольцами и разделенные между собой сепаратором, отличающийся тем, что в конструкции подшипника обеспечивают условие, чтобы отношение величины зазора между сепаратором и базирующим кольцом к величине зазора между шариком и сепаратором в гнезде было меньше, чем отношение между линейными скоростями сепаратора в точке соприкосновения с базирующим кольцом и шарика в точке соприкосновения с сепаратором, определяемое формулой

где _БК - зазор между сепаратором и базирующим кольцом;

_Ш - зазор между шариками и стенками отверстий в гнезде сепаратора;

V_C - линейная скорость сепаратора в точке соприкосновения с базирующим кольцом;

V_Ш - линейная скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором;

_С - угловая скорость сепаратора в точке соприкосновения с базирующим кольцом;

_Ш - угловая скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором;

d_С - диаметр сепаратора;

d_Ш - диаметр шарика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению. При высокоскоростных режимах эксплуатации подшипника и наличии в нем повышенного момента трения наблюдается нестабильная работа сепаратора.

В шарикоподшипнике сепаратор совершает вращательное движение вокруг центра подшипника с угловой скоростью, совпадающей со скоростью движения комплекта шариков. Нестабильность работы сепаратора характеризуется появлением в плоскости вращения комплекта шариков дополнительного возвратно-поступательного движения центра масс сепаратора относительно базирующего кольца с частотой, на порядок превышающей основную скорость вращения сепаратора. Характерными признаками возникновения высокочастотных колебаний сепаратора является усиление акустического шума и увеличение момента трения в подшипнике. Усиление шума изделия, в котором используется такой подшипник, приводит к отказу потребителя от дальнейшей его эксплуатации. Увеличение момента трения в подшипнике приводит к уменьшению скорости его вращения и потере точности гироскопа.

Известен способ повышения стабильности работы сепаратора за счет использования в подшипнике комплекта шариков, в котором увеличена разница между шариками по диаметру [1].

Недостатком такого способа стабилизации работы сепаратора является то, что при увеличении разноразмерности шариков ускоряется процесс их износа и происходит усиление вибрации подшипника. В итоге это приводит к сокращению срока эксплуатации гироскопа и потере его точности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ [2], предотвращающий нестабильную работу сепаратора, основанный на обеспечении в конструкции шарикоподшипника разных значений зазоров между сепаратором и базирующим кольцом ( _БК) с одной стороны, и между шариками и стенками отверстий в сепараторе ( _Ш) - с другой стороны. Данный способ основан на том, что вихрение сепаратора в подшипнике происходит только при примерно равных величинах зазоров, т.е. когда _{БК Ш}.

Проведенное исследование показало, что даже при наличии соотношения зазоров _БК/ _Ш=1,7 при наличии увеличенного момента трения в подшипниках, например при отрицательной температуре окружающей среды, возникает неустойчивая работа сепаратора. Это связано с тем, что при увеличении зазора _БК уменьшается трение в зазоре, но при этом под действием центробежного ускорения происходит увеличение силы удара сепаратора с базирующим кольцом, что приводит к усилению нестабильности в работе сепаратора.

Целью изобретения является устранение в шарикоподшипнике неустойчивой работы сепаратора.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции подшипника выполняют соотношение зазоров _БК/ _Ш, удовлетворяющее условию

где _БК - зазор между сепаратором и базирующим кольцом, _Ш - зазор между шариками и стенками отверстий в гнезде сепаратора, V_c - линейная скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, V_ш - линейная скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, _c - угловая скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, _Ш - угловая скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, d_С - диаметр сепаратора, d_Ш - диаметр шарика.

Таким образом, в конструкции подшипника обеспечивают соотношение зазоров _БК/ _Ш меньше, чем соотношение между линейными скоростями сепаратора и шарика.

На чертеже показана принципиальная схема шарикоподшипника, где условно изображен шарик 1, находящийся в гнезде сепаратора 2 и расположенный между неподвижным кольцом 3 и подвижным кольцом 4. При этом кольцо 3 является базирующим. Зазор между сепаратором 2 и базирующим кольцом 3 показан как « _БК», а зазор между шариком 1 и сепаратором 2 - « _Ш».

Во время работы подшипника сепаратор периодически совершает соприкосновения с шариком или базирующим кольцом. При соприкосновении шарика с сепаратором происходит передача энергии от шарика к сепаратору. Это приводит к возбуждению сепаратора и появлению составляющей скорости движения сепаратора по направлению к базирующему кольцу. Передача энергии вращения шарика сепаратору пропорциональна коэффициенту трения в зазоре _Ш и определяется материалами сепаратора и шарика, линейной скоростью шарика в точке соприкосновения с сепаратором (V_Ш), вязкостью смазки () и величиной зазора между сепаратором и шариком ( _Ш).

При соприкосновении сепаратора с базирующим кольцом за счет трения в зазоре _БК происходит демпфирование движения сепаратора. Величина демпфирования пропорциональна коэффициенту трения в зазоре _БК и определяется материалами сепаратора и базирующего кольца, линейной скоростью сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом (V_С), вязкостью смазки () и величиной зазора между сепаратором и базирующей поверхностью наружного кольца ( _БК). Линейная скорость шарика равна V_Ш=0,5·d _Ш· _Ш и определяется его угловой скоростью ( _Ш) и диаметром (d_Ш). Линейная скорость сепаратора равна V_С=0,5·d_С· _С и определяется его угловой скоростью ( _С) и диаметром (d_С).

Если энергия, получаемая сепаратором от соприкосновения с шариком, превышает энергию, которая поглощается при соприкосновении с базирующим кольцом, то возникает неустойчивое вращение сепаратора, приводящее к увеличению шума и трения в подшипнике.

При проведении сравнительной оценки обеспечения устойчивой работы сепаратора можно сделать ряд упрощений. Так, если принять близкими по свойствам материал шарика и базирующего кольца и однородность вязкости во всем подшипнике, то можно определить соотношение между зазорами _БК и _Ш, при котором потеря энергии на демпфирование высокочастотных колебаний сепаратора будет превышать энергию, полученную от шарика.

где _С - угловая скорость сепаратора в точке соприкосновения с базовым кольцом, _Ш - угловая скорость шарика в точке соприкосновения с сепаратором, d_С - диаметр сепаратора, d_Ш - диаметр шарика.

Обеспечение в конструкции подшипника такого соотношения зазоров позволяет избавиться от возникновения неустойчивого вращения сепаратора при увеличении момента трения в шарикоподшипнике при его длительной работе или отрицательной температуре окружающей среды.

Экспериментально было подтверждено, что применение в гироскопе подшипников, имеющих соотношение зазоров _БК и _Ш, определенное формулой (2), обеспечивает устойчивую работу сепаратора при тех же экстремальных условиях (отрицательная температура окружающей среды) по сравнению с подшипниками, имеющими отношение зазоров _БК/ _Ш> _С·d_С/ _Ш·d_Ш.

Источники информации

1. В.Ф.Журавлев, В.Б.Бальмонт «Механика шарикоподшипников гироскопов», М., Машиностроение, 1986 г., с.141-144.

2. Б.В.Бальмонт, В.А.Матвеев «Опоры качения приборов», М., Машиностроение, 1984 г., с.73-77.