Радиально-упорный подшипник
Изобретение относится к точному машиностроению. Радиально-упорный подшипник содержит внутренний элемент, внешний элемент и тела качения, размещенные с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из указанных элементов подшипника другому. Особенность подшипника состоит в том, что внутренний элемент и тела качения выполнены в виде соответствующих элементов планетарной конической зубчато-винтовой передачи со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов. В подшипнике обеспечено непрерывное винтовое коническое зацепление. Опорная поверхность внутреннего элемента подшипника выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, трех образованных на конической поверхности винтовых выпуклых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью. Каждое тело качения представляет собой коническую деталь, опорная поверхность которой выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, двух образованных на конической поверхности винтовых вогнутых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, а внутренняя опорная поверхность внешнего элемента подшипника выполнена конической и представляет собой беговую дорожку для конической поверхности каждого тела качения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 13 ил.
Настоящее изобретение относится к области точного машиностроения, а более конкретно к радиально-упорным подшипникам.
Наиболее эффективно настоящее изобретение может быть использовано в устройствах, в которых радиально-упорный подшипник вращающегося ротора обладает несущей способностью к внешнему силовому воздействию, в аксиальном направлении многократно большем, чем в радиальном направлении.
К числу таких устройств, например, относятся ветросиловые установки прямого преобразования энергии движущегося воздушного потока вдоль оси вращения ротора, несущего на себе лопасти, в крутящий момент вращающегося ротора.
Известен радиально-упорный подшипник (US N 26015238), выбранный нами за прототип. Этот подшипник содержит внешний элемент, внутренний элемент и тела качения, выполненные в виде роликов, установленных между названными внешним и внутренним элементами подшипника с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из названных элементов подшипника другому. Указанные тела качения могут быть выполнены двух различных видов. Тела качения первого вида имеют опорную несущую поверхность цилиндрической формы с круглой цилиндрической внешней периферийной поверхностью, а тела качения второго вида имеют профилированную внешнюю периферийную опорную несущую поверхность, выполненную в виде ряда кольцевых выступов тороидальной формы, расположенных аксиально один за другим. Причем как цилиндрические тела качения, так и профилированные тела качения расположены осесимметрично на одной окружности. При этом цилиндрические тела качения чередуются с профилированными телами качения.
Беговая дорожка на внутреннем и внешнем элементах подшипника содержит расположенные аксиально одна за другой профилированные секции, каждая из которых имеет вид сдвоенных кольцевых канавок. Профиль каждой секции соответствует внешней периферийной поверхности профилированных тел качения. Причем каждая указанная профилированная секция на каждой беговой дорожке внешнего и внутреннего элементов подшипника отделена одна от другой в аксиальном направлении цилиндрической поверхностью, по которой осуществляется роликовый контакт с цилиндрическими телами качения. Цилиндрические и профилированные тела качения размещены в соответствующих гнездах сепаратора. Кроме того, внутренний и внешний элементы подшипника выполнены тонкостенными.
Указанный подшипник может быть использован для базирования в радиальном и аксиальном направлениях с возможностью вращения ротора, например ветросиловой установки, на который воздействует внешняя сила с аксиальной составляющей, многократно превосходящей радиальную ее составляющую.
Этот подшипник осуществляет передачу аксиальных сил между внешним и внутренним элементами подшипника через кольцевые тороидальные выступы профилированных тел качения, которые находятся в непрерываемом подвижном одновременном контакте в режиме преимущественного трения скольжения с кольцевыми вогнутыми канавками беговых дорожек внешнего и внутреннего элементов подшипника.
Однако работу такого подшипника с заданными характеристиками несущей способности в аксиальном и радиальном направлениях возможно осуществить только в том случае, если непрерывно будет иметь место упругий в радиальном и аксиальном направлениях натяг между указанными контактирующими поверхностями.
Величину указанного упругого натяга определяют допустимой величиной размерного износа рабочих поверхностей за весь срок службы подшипника. Указанный натяг возможно установить в результате сборки такого подшипника за счет использования растягивающих и сжимающих упругих деформаций тонкостенных внешнего и внутреннего элементов подшипника, диаметральные и аксиальные размеры профиля беговых дорожек которых должны быть изготовлены предварительно соответственно измененными (предыскаженными). Однако в процессе эксплуатации такого подшипника постоянно имеет место трение скольжения, которое приводит к:
- быстрому размерному износу трущихся рабочих поверхностей тел качения и беговых дорожек внешнего и внутреннего элементов подшипника;
- быстрому по мере размерного износа снижению несущей способности подшипника при передаче аксиальных и радиальных нагрузок между внешним и внутренним элементами подшипника вследствие быстрого уменьшения величины предварительного натяга и соответствующего быстрого сокращения площади пятна контакта между указанными контактирующими рабочими поверхностями;
- быстрому снижению быстроходности вращения подшипника;
- быстрому снижению ресурса работоспособности подшипника;
- быстрому уменьшению КПД.
Кроме того, для эксплуатации такого подшипника необходимо применение жидкой смазки, непрерывно принудительно подводимой непосредственно в зону трения скольжения для интенсивного отвода тепла, при этом в условиях газовой смазки указанный подшипник не может быть использован.
В основу нашего изобретения поставлена задача создать радиально-упорный подшипник, конструкция которого позволила бы увеличить его несущую способность и жесткость в условиях значительного превышения аксиальных сил относительно радиальных сил, исключить трение скольжения между контактирующими поверхностями для значительного увеличения ресурса работы подшипника и его КПД.
Эта задача решена созданием радиально-упорного подшипника, содержащего внутренний элемент, внешний элемент и тела качения, размещенные с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из указанных элементов подшипника другому, в котором, согласно изобретению, внутренний элемент и тела качения выполнены в виде соответствующих элементов планетарной конической зубчато-винтовой передачи со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов, с возможностью осуществления для каждой зацепляющейся пары непрерывного винтового конического зацепления одновременно, по меньшей мере, в двух полюсах зацепления при поступательном перемещении этих полюсов вдоль соответствующей линии совместного касания каждой конической поверхности каждого тела качения с конической поверхностью внутреннего элемента, при этом опорная поверхность внутреннего элемента подшипника выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, трех образованных на конической поверхности винтовых выпуклых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, каждое тело качения представляет собой коническую деталь, опорная поверхность которой выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, двух образованных на конической поверхности винтовых вогнутых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, а внутренняя опорная поверхность внешнего элемента подшипника выполнена конической и представляет собой беговую дорожку для конической поверхности каждого тела качения.
Целесообразно, чтобы у каждой винтовой выпуклой поверхности внутреннего элемента подшипника радиусы кривизны этой поверхности были выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности этого элемента.
Желательно, чтобы у каждой винтовой вогнутой поверхности каждого тела качения подшипника радиусы кривизны этой поверхности были выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности соответствующего тела качения.
Указанное конструктивное выполнение опорных несущих поверхностей элементов подшипника позволяет создать такой радиально-упорный подшипник, в котором внутренний элемент и тела качения в совокупности представляют собой планетарную коническую зубчато-винтовую передачу со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов. При этом в каждой зацепляющейся паре происходит одновременное, по меньшей мере, двухполюсное взаимно сопряженное непрерывное винтовое коническое зацепление. Причем каждый указанный полюс при зацеплении осуществляет поступательное перемещение вдоль соответствующей линии совместного касания каждой конической поверхности каждого тела качения с конической поверхностью внутреннего элемента подшипника. То есть в каждом полюсе зацепления, в каждой зацепляющей паре происходит мгновенный контакт двух, вставленной одной во внутрь другой, соответственно, выпуклой и вогнутой поверхностей с равными величинами, но с противоположными знаками радиусами кривизны и мгновенный (с постоянным передаточным отношением) безлюфтовый шарнирный поворот одной из указанных поверхностей относительно другой. Каждая линия контакта между взаимно сопряженными поверхностями в каждой зацепляющейся паре элементов является непрерывной пространственной линией и включает в себя, по меньшей мере, два участка в виде дуг окружностей с центрами в соответствующих указанных полюсах зацепления и с радиусами, равными радиусам кривизны указанных поверхностей. Причем при зацеплении эта пространственная линия контакта непрерывно трансформируется и при этом расстояние между указанными полюсами зацепления и радиусы указанных дуг окружностей убывают по закону логарифмических спиралей, соответствующих винтовым линиям на конических поверхностях каждого тела качения и внутреннего элемента подшипника. Это позволяет осуществить непрерывное и одновременное двустороннее (по всей периферии вогнутой поверхности) силовое замыкание между всеми перекатываемыми в каждом полюсе зацепления друг относительно друга поверхностями при передаче между внешним и внутренним элементами подшипника знакопеременных осевых нагрузок и крутящего момента со стабилизацией положения каждого тела качения относительно его внутреннего элемента как в осевом направлении, так и по окружности.
Все вышеописанное позволяет значительно увеличить площадь контакта перекатываемых поверхностей и обеспечить передачу больших силовых нагрузок от одного элемента подшипника к другому и тем самым значительно увеличить несущую способность и жесткость подшипника. Указанное выполнение контактирующих при зацеплении поверхностей полностью исключает трение скольжения, что на несколько порядков увеличивает ресурс работы подшипника и повышает его КПД.
Поставленная задача также решена созданием радиально-упорного подшипника, содержащего внутренний элемент, внешний элемент и тела качения, размещенные в сепараторе с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из указанных элементов подшипника другому, в котором, согласно изобретению, внутренний элемент и тела качения выполнены в виде соответствующих элементов конической зубчато-винтовой передачи со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов, с возможностью осуществления для каждой зацепляющейся пары непрерывного винтового конического зацепления одновременно, по меньшей мере, в двух полюсах зацепления при поступательном перемещении этих полюсов вдоль соответствующей линии совместного касания каждой конической поверхности каждого тела качения с конической поверхностью внутреннего элемента, при этом опорная поверхность внутреннего элемента подшипника выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, трех образованных на конической поверхности винтовых выпуклых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, внешний элемент подшипника выполнен за одно целое с сепаратором, опорная поверхность которого выполнена профилированной с образованием, по меньшей мере, трех конических гнезд, в каждом из которых размещено тело качения, которое представляет собой коническую деталь, опорная поверхность которой выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, двух образованных на конической поверхности винтовых вогнутых поверхностей, оделенных одна от другой конической поверхностью.
Целесообразно, чтобы у каждой винтовой выпуклой поверхности внутреннего элемента подшипника радиусы кривизны этой поверхности были выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности этого элемента.
Желательно, чтобы у каждой винтовой вогнутой поверхности каждого тела качения подшипника радиусы кривизны этой поверхности были выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности соответствующего тела качения.
Такое конструктивное выполнение дает возможность создать радиально-упорный подшипник, сочетающий в себе функцию подшипника качения в виде указанной планетарной конической зубчато-винтовой передачи и функцию шевронно-сферического гидродинамического подшипника скольжения с уплотнением по всей длине линии контакта взаимно сопряженных конической винтовой вогнутой поверхности каждого тела качения и конической винтовой выпуклой поверхности внутреннего элемента подшипника, а также по всей длине каждой внешней конической поверхности каждого тела качения с соответствующей внутренней поверхностью конического гнезда сепаратора.
Кроме того, такое конструктивное выполнение подшипника позволяет дополнительно увеличить несущую способность и жесткость при передаче больших знакопеременных осевых и радиальных нагрузок между внешним и внутренним элементами подшипника за счет создания избыточного давления применяемой в этом подшипнике жидкой среды.
Целесообразно, чтобы каждая винтовая выпуклая поверхность внутреннего элемента подшипника, по меньшей мере, в двух местах имела пятно контакта с каждой винтовой вогнутой поверхностью каждого тела качения подшипника с образованием в конических гнездах сепаратора, по меньшей мере, трех герметично замкнутых полостей с изменяющимися по экспоненциальному закону объемами при равномерном вращении одного элемента подшипника относительно другого его элемента.
Такое выполнение позволяет использовать в качестве рабочей среды газовую среду и создать конический радиально-упорный подшипник, сочетающий функцию подшипника качения в виде указанной планетарной конической зубчатой передачи и функцию шевронно-сферического газодинамического подшипника скольжения с уплотнением по всей длине шевронно-сферической линии контакта взаимно сопряженной винтовой конической вогнутой поверхности каждого тела качения и конической винтовой выпуклой поверхностью внутреннего элемента, а также по всей длине каждой внешней конической поверхности каждого тела качения с соответствующей внутренней поверхностью конического гнезда сепаратора. Это позволяет дополнительно увеличить несущую способность и жесткость радильно-упорного подшипника при передаче знакопеременных осевых и радиальных нагрузок между наружным и внутренним элементами подшипника за счет создания избыточного давления газовой среды.
Кроме того, это дает возможность использовать предлагаемый подшипник в качестве рабочего элемента в устройствах, преобразующих с высоким КПД на основе законов термодинамики работу крутящего момента в потенциальную энергию сжатой газовой среды, и наоборот.
Желательно, чтобы в каждом теле качения со стороны его меньшего торца был выполнен несквозной осевой канал, а в теле сепаратора со стороны, обращенной к меньшим торцам тел качения, была выполнена кольцевая замкнутая проточка, сообщенная с несквозными осевыми каналами всех тел качения, при этом в каждом теле качения со стороны конической поверхности, отделяющей винтовые вогнутые поверхности, были выполнены газостатические опоры в виде карманов, в каждом из которых установлен жиклер с осевым отверстием, которое посредством радиального канала сообщено с несквозным осевым каналом соответствующего тела качения.
Такое конструктивное выполнение позволяет создать комбинированную конструкцию конического радиально-упорного подшипника, одновременно сочетающего в себе функцию подшипника качения в виде указанной планетарной конической зубчато-винтовой передачи и функцию шевронно-сферического подшипника скольжения и уплотнения с газостатической и газодинамической составляющими несущей способности и жесткости подшипника. Такое конструктивное выполнение подшипника позволяет повысить скорость его вращения при неподвижном внутреннем элементе за счет компенсации действия на стенки гнезд сепаратора центробежных сил каждого планетарно вращающегося тела качения соответствующим дополнительным повышением несущей способности и жесткости путем введения указанных газостатических опор.
Целесообразно, чтобы в теле сепаратора между соседними коническими гнездами был выполнен, по меньшей мере, один продольный конический канал, в котором установлен обратный клапан, сообщенный с кольцевой замкнутой проточкой а теле сепаратора.
Такое выполнение позволяет создать внутри сепаратора охлаждающий эффект за счет адиабатического расширения сжатой газовой среды. Это дает возможность увеличить скорость вращения подшипника при его использовании в приводах вращения с неподвижным внутренним элементом.
Для лучшего понимания изобретения ниже приведены конкретные примеры его выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, один вариант выполнения в изометрии с вырывом;
Фиг.2 - сечение II-II на фиг.1;
Фиг.3 схематично изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, второй вариант выполнения в изометрии с вырывом;
Фиг.4 - сечение IY-IY на фиг.3;
Фиг.5 схематично изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению и размещенный в шлифовальном шпиндельном узле;
Фиг.6 - сечение YI-YI на фиг.5;
Фиг.7 изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, размещенный в ветросиловой установке для консольного базирования ротора с лопастями, приводимыми во вращение силой ветра, в изометрии с вырывом;
Фиг.8 изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, размещенный в мультипликаторе ветросиловой установки, в изометрии с вырывом;
Фиг.9 - тело качения подшипника, изображенного на фиг.8, выполненного согласно изобретению, в изометрии с поперечным сечением, увеличенный масштаб;
Фиг.10 изображает радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, размещенный в мультипликаторе ветросиловой установки, другой вариант, продольное сечение;
Фиг.11 - внутренний элемент подшипника, выполненного согласно изобретению и изображенного на фиг.7, изометрия, увеличенный масштаб;
Фиг.12 - тело качения подшипника, выполненного согласно изобретению и изображенного на фиг.7, изометрия, увеличенный масштаб;
Фиг.13 - элементы подшипника, выполненного согласно изобретению и размещенного в мультипликаторе.
Радиально-упорный подшипник, выполненный согласно изобретению, представляет собой конический роликовый подшипник, который содержит внутренний элемент 1 с несущей наружной опорной профилированной поверхностью 2, выполненной в виде, по меньшей мере, трех витков 3. Каждый виток 3 отделен один от другого соответствующей конической поверхностью (внутренним конусом) 4, образующая которой представляет собой винтовую линию 5. При этом каждый из витков 3 имеет образованную на конической поверхности 4 винтовую выпуклую поверхность 6 с радиусами кривизны, выполненными последовательно убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии 5 на конической поверхности 4, с асимптотическим приближением винтовой линии 5 к полюсу 7, лежащему на оси вращения 8 внутреннего элемента 1 подшипника. Кроме того, в подшипнике, выполненном согласно изобретению, имеются тела качения 9, каждое из которых представляет собой коническую деталь с несущей опорной поверхностью 10, выполненной профилированной в виде по меньшей мере двухзаходных винтовых лопастей 11. Каждая из лопастей 11 отделена одна от другой конической поверхностью (внешним конусом) 12, образующая которой представляет собой винтовую линию 13. При этом каждая из лопастей 11 имеет образованную на конической поверхности 12 винтовую вогнутую поверхность 14 с радиусами кривизны, выполненными последовательно убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии 13 на конической поверхности 12, с асимптотическим приближением винтовой линии 13 к полюсу 7, лежащему на оси вращения 15 тела качения 9 подшипника. В подшипнике, выполненном согласно изобретению, внутренняя опорная несущая поверхность внешнего элемента 16 представляет собой коническую поверхность 17 с вершиной в полюсе 7 и является беговой дорожкой для каждой внешней конической поверхности 12 каждого тела качения 9.
Для одновременного выполнения функций радиально-упорного подшипника качения и функций шевронно-сферического гидродинамического подшипника скольжения с уплотнением роликовый подшипник, выполненный согласно изобретению, может содержать внешний элемент, выполненный за одно целое с сепаратором 18 с несущей опорной поверхностью, профилированной в виде по меньшей мере трех конических гнезд 19, в каждом из которых размещено тело качения 9.
Предлагаемый радиально-упорный подшипник может быть использован в шлифовальном шпиндельном узле с бесконсольным расположением режущего инструмента на роторе шпиндельной головки в качестве радиально-упорного подшипника качения и шевронно-сферического газодинамического подшипника скольжения с уплотнением. Кроме того, предлагаемый радиально-упорный подшипник может быть использован в качестве объемно-роторного конического винтового двигателя для привода вращательного движения ротора от энергии сжатой газовой среды.
В указанных вариантах предлагаемый радиально-упорный подшипник содержит неподвижно закрепленный в корпусе 20 шпиндельного узла и объединенный за одно целое с центральным стержнем 21 шестивитковый внутренний элемент, который одновременно выполняет функцию статора винтового двигателя. Коническая винтовая выпуклая поверхность 6 каждого витка 22 на центральном стержне 21, по меньшей мере, в двух местах имеет пятно контакта с трехлопастной конической винтовой вогнутой поверхностью 14 каждой лопасти 23 каждого конического тела качения 24 подшипника, которое одновременно выполняет функцию герметичного подвижного уплотнения в объемно-роторном коническом винтовом двигателе. Причем в трех конических гнездах 25 сепаратора 26 образуются, по меньшей мере, три герметично замкнутые полости, заполненные рабочим телом в виде сжатой газовой среды, объем каждой из которых изменяется в сторону увеличения по экспоненциальному закону при равномерном вращении сепаратора 26 относительно центрального стержня 21. При этом сепаратор 26 служит оправкой для закрепления на нем режущего инструмента (шлифовального круга) 27 и в совокупности они представляют собой ротор шпиндельной головки.
Вершины трех конических гнезд 25 в сепараторе 26 объединены между собой кольцевой герметично замкнутой проточкой 28, которая осевым каналом 29 в центральном стержне 21 через отверстие 30 в корпусе 20 шпиндельного узла сообщена с внешним источником энергии сжатой газовой среды. На торце сепаратора 26 со стороны основания конуса каждого конического гнезда 29 жестко закреплена крышка 31 с кольцевым зазором 32 вокруг наружной поверхности 33 центрального стержня 21. Причем на внутренней торцевой поверхности 34 крышки 31 размещены штифты 35 со сферическим наконечником каждого из них, находящиеся в контакте с торцевой плоской поверхностью 36 соответствующего конического тела качения 24 в точке, проходящей через ось вращения 15 каждого тела качения 24.
Предлагаемый радиально-упорный подшипник может быть использован в ветросиловой установке в качестве радиальной и аксиальной опоры для консольного базирования вращающегося от энергии силы ветра лопастного ротора, а также в качестве рабочего узла винтового конического компрессорного преобразователя входной энергии силы ветра непосредственно в выходную потенциальную энергию во многие десятки раз сжатого воздуха. При этом подшипник содержит неподвижно консольно закрепленный в корпусе 37 ветросиловой установки и объединенный за одно целое с центральным стержнем 38 двенадцативитковый внутренний элемент 39 роликового радиально-упорного подшипника, который одновременно выполняет функцию статора в коническом винтовом компрессоре. Коническая винтовая выпуклая поверхность 6 каждого витка 40 на внутреннем элементе 39 по меньшей мере в двух местах имеет пятно контакта с трехлопастной конической винтовой вогнутой поверхностью 14 каждой лопасти 41 каждого конического тела качения 42 радиально-упорного подшипника. Причем в шести конических гнездах 43 сепаратора 44 образуются по меньшей мере шесть герметично замкнутых полостей 45, заполненных рабочим телом в виде сжатого воздуха, объем каждой из которых изменяется в сторону уменьшения по экспоненциальному закону при равномерном вращении сепаратора 44 относительно центрального стержня 38 и внутреннего элемента 39 радиально-упорного подшипника. При этом сепаратор 44 служит оправкой для консольного закрепления на ней лопастей 46 и в совокупности они представляют собой лопастной ротор ветросиловой установки, вращающийся от энергии силы ветра.
Вершины шести конических гнезд 43 в сепараторе 44 объединены между собой замкнутой камерой 47, являющейся ресивером винтового конического компрессора, в котором накапливается потенциальная энергия сжатого воздуха для последующего ее преобразования на основе законов термодинамики через мультипликатор 48 в кинетическую энергию маховика 49 и соответствующего ротора в электрогенераторе 50.
На торце сепаратора 44 со стороны основания конуса каждого конического гнезда 43 жестко закреплена крышка 51 с кольцевым зазором 52 вокруг наружной поверхности 53 фланца 54, жестко соединенного с центральным стержнем 38 и корпусом статора в электрогенераторе 50.
Причем на внутренней торцевой поверхности 55 крышки 51 размещены шесть сферических штифтов 56, находящихся в контакте с торцевой поверхностью 57 соответствующего конического тела качения 42 в точке, проходящей через ось вращения 15 каждого тела качения 42.
Предлагаемый радиально-упорный роликовый подшипник может быть использован в мультипликаторе (поз. 48 на фиг.7) ветросиловой установки, в которой он выполняет две функции, а именно, функцию радиальной и аксиальной опор для базирования выходного вала мультипликатора и функцию рабочего узла объемно-роторного конического винтового двигателя привода вращения выходного вала мультипликатора от энергии сжатого воздуха. При этом предлагаемый радиально-упорный подшипник содержит неподвижно закрепленный во внутренней конической проточке внутреннего элемента радиально-упорного подшипника в ветросиловой установке (поз. 39 на фиг.7) внешний элемент в виде сепаратора 58 с несущей опорной поверхностью, профилированной в виде трех конических гнезд 59, и размещенные в них три тела качения 60. Каждое тело качения 60 представляет собой двухлопастную коническую деталь. Поверхность каждой лопасти 61 выполнена в виде конической винтовой вогнутой поверхности 14. Внутренний элемент подшипника объединен за одно целое с центральным валом 62 мультипликатора 48 с трехвитковой несущей наружной опорной поверхностью. Коническая винтовая выпуклая поверхность 6 каждого витка 63 на центральном валу 62, по меньшей мере, в двух местах имеет пятно контакта с двухлопастной конической винтовой вогнутой поверхностью 14 каждой лопасти 61 каждого конического тела качения 60 радиально-порного подшипника. Причем в трех конических гнездах 59 сепаратора 58 образуются по меньшей мере три герметично замкнутые полости 64, заполненные рабочим телом в виде сжатого воздуха, объем каждой из которых изменяется в сторону увеличения по экспоненциальному закону при равномерном вращении центрального вала 62 относительно неподвижно закрепленного сепаратора 58, выполняющего функцию статора в объемно-роторном коническом винтовом двигателе.
Вершины трех конических гнезд 59 в сепараторе 58 объединены между собой кольцевой замкнутой проточкой 65, сообщающейся с замкнутой камерой 47 (фиг.7) внутри радиально-порного подшипника ветросиловой установки, в которой накапливается потенциальная энергия сжатого воздуха под воздействием принудительного вращения лопастей 46 (фиг.7) от энергии силы ветра. На торце сепаратора 58 со стороны основания конуса каждого конического гнезда 59 жестко закреплена крышка 66 с кольцевым зазором 67 вокруг наружной поверхности 68 центрального вала 62. Причем на внутренней торцевой поверхности 68 крышки 67 размещены три сферических штифта 69, находящихся в контакте с торцевой поверхностью соответствующего конического тела качения 60 в точке, проходящей через ось вращения 15 каждого тела качения 60. На свободном конце 70 центрального вала 62 мультипликатора 48 жестко закреплена обгонная муфта 71, на которую посажен маховик 72, жестко связанный с валом 73 в электрогенераторе 50 (фиг.7).
Радиально-упорный подшипник, использованный в мультипликаторе (поз. 48 на фиг.7) ветросиловой установки, может содержать указанные конические тела качения 60 (фиг.9), в каждом из которых со стороны его меньшего торца выполнен несквозной осевой канал 74, открытый в сторону вершины конуса тела качения 60 и сообщающийся с кольцевой замкнутой проточкой 65. А на внешнем конусе 75, отделяющем одну лопасть 61 каждого тела качения 60 от другой его лопасти, могут быть выполнены газостатические опоры в виде карманов 76, в каждом из которых выполнен радиальный канал 77 и размещен жиклер 78 с осевым отверстием 79, которое посредством радиального канала 77 сообщено с несквозным осевым каналом 74 соответствующего тела качения 60.
Кроме того, в теле сепаратора 58 (фиг.10) радиально-упорного подшипника, использованного в мультипликаторе, между соседними коническими гнездами 59 может быть выполнен по меньшей мере один продольный конический канал 80, расширяющийся в сторону основания конуса каждого конического гнезда 59. В продольном канале 80 со стороны его наименьшего поперечного сечения установлен обратный клапан 81, сообщенный с кольцевой проточкой 65. Каждая пружина 82 каждого обратного клапана 81 предварительно сжата на величину, определяемую величиной давления сжатой воздушной среды в замкнутой камере 47 в результате вращении сепаратора 44 с лопастями 46 (ротора ветросиловой установки) на предельно заданной частоте вращения под действием энергии движущегося воздушного потока.
Предлагаемый радиально-упорный подшипник работает следующим образом.
Действие предлагаемого согласно изобретению радиально-упорного подшипника рассмотрим на конкретном примере его работы в шпиндельном узле.
От источника предварительно сжатой газовой среды (на чертеже не показано) в кольцевую замкнутую проточку 28 подают сжатую газовую среду. Эта среда поступает в полости, образованные контактирующими поверхностями элементов радиально-упорного подшипника, и поступательно перемещается по ним от одного торца радиально-упорного подшипника к другому его торцу. В процессе перемещения газовая среда последовательно попадает из полостей меньшего объема в полости большего объема, в результате чего осуществляется вращение тел качения 24 относительно внутреннего элемента 21. Это вращение посредством контакта конической поверхности 12 тел качения 24 с внутренней конической поверхностью гнезд 25 сепаратора 26 передается сепаратору 26, выполненному за одно целое с внешним элементом радиально-упорного подшипника. По мере вращения тел качения 24 пятна контакта взаимно сопряженных поверхностей 6, 14, 25 поступательно перемещаются в осевом направлении от одного торца радиально-упорного подшипника к другому его торцу. В процессе указанного перемещения в радиально-упорном подшипнике образуются замкнутые полости, в которых происходит адиабатическое расширение газовой среды. Это обеспечивает в указанных полостях эффект термодинамического постоянства энергии сжатой газовой среды, а, следовательно, обеспечивает постоянство передаваемого крутящего момента. Кроме того, при адиабатическом расширении газовой среды происходит охлаждение элементов подшипника, что дает возможность значительно увеличить скорость его вращения. При этом возникающие аксиальные силы значительно превышают радиальные силы, в результате чего взаимно сопряженные поверхности 6, 14, 25 элементов 21, 24, 26 радиально-упорного подшипника испытывают значительные нагрузки. Однако указанное конструктивное выполнение элементов 21, 24, 26 радиально-упорного подшипника равномерно распределяет действие указанных сил по всем рабочим поверхностям элементов 21, 24, 26 подшипника, что значительно увеличивает его несущую способность. Выполнение взаимно сопряженных контактирующих поверхностей 6, 14 коническими винтовыми, соответственно выпуклыми и вогнутыми, со сходящимися в одной точке осями вращения позволяет исключить трение скольжения между этими поверхностями, что значительно снижает износ рабочих поверхностей, увеличивает ресурс работы радиально-упорного подшипника и, следовательно, значительно увеличивает его КПД.
Работа радиально-упорного подшипника в ветросиловой установке и мультипликаторе осуществляется аналогично описанному выше. Отличие заключается в том, что при использовании предлагаемого радиально-упорного подшипника в мультипликаторе предварительно сжатая газовая среда от внешнего источника дополнительно подается в несквозной осевой канал 74 каждого тела качения 60, из которого по радиальным каналам 77 поступает через осевые отверстия 79 жиклеров 78 в карманы 76 газостатических опор. Оттуда она распределяется по взаимно сопряженным зацепляющимся поверхностям радиально-упорного подшипника, создавая дополнительную смазку для исключения трения скольжения. Кроме того, указанная предворительно сжатая газовая среда дополнительно подается через обратный клапан 81 в продольный конический канал 80. Перемещаясь по этому расширяющемуся каналу 80, сжатая газовая среда дополнительно охлаждает элементы радиально-упорного подшипника, что еще более увеличивает ресурс его работы.
1. Радиально-упорный подшипник, содержащий внутренний элемент, внешний элемент и тела качения, размещенные с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из указанных элементов подшипника другому, отличающийся тем, что внутренний элемент и тела качения выполнены в виде соответствующих элементов планетарной конической зубчато-винтовой передачи со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов с возможностью осуществления для каждой зацепляющейся пары непрерывного винтового конического зацепления одновременно, по меньшей мере, в двух полюсах зацепления при поступательном перемещении этих полюсов вдоль соответствующей линии совместного касания каждой конической поверхности каждого тела качения с конической поверхностью внутреннего элемента, при этом опорная поверхность внутреннего элемента подшипника выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, трех образованных на конической поверхности винтовых выпуклых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, каждое тело качения представляет собой коническую деталь, опорная поверхность которой выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, двух, образованных на конической поверхности винтовых вогнутых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, а внутренняя опорная поверхность внешнего элемента подшипника выполнена конической и представляет собой беговую дорожку для конической поверхности каждого тела качения.
2. Радиально-упорный подшипник по п.1, отличающийся тем, что у каждой винтовой выпуклой поверхности внутреннего элемента подшипника радиусы кривизны выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности этого элемента.
3. Радиально-упорный подшипник по п.2, отличающийся тем, что у каждой винтовой вогнутой поверхности каждого тела качения подшипника радиусы кривизны выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности соответствующего тела качения.
4. Радиально-упорный подшипник, содержащий внутренний элемент, внешний элемент и тела качения, размещенные в сепараторе с возможностью передачи радиальных и аксиальных сил от одного из указанных элементов подшипника другому, отличающийся тем, что внутренний элемент и тела качения выполнены в виде соответствующих элементов конической зубчато-винтовой передачи со сходящимися в одной точке осями вращения всех зацепляющихся между собой пар элементов с возможностью осуществления для каждой зацепляющейся пары непрерывного винтового конического зацепления одновременно, по меньшей мере, в двух полюсах зацепления при поступательном перемещении этих полюсов вдоль соответствующей линии совместного касания каждой конической поверхности каждого тела качения с конической поверхностью внутреннего элемента, при этом опорная поверхность внутреннего элемента подшипника выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, трех образованных на конической поверхности винтовых выпуклых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью, внешний элемент подшипника выполнен за одно целое с сепаратором, опорная поверхность которого выполнена профилированной с образованием по меньшей мере трех конических гнезд, в каждом из которых размещено тело качения, которое представляет собой коническую деталь, опорная поверхность которой выполнена профилированной в виде, по меньшей мере, двух образованных на конической поверхности винтовых вогнутых поверхностей, отделенных одна от другой конической поверхностью.
5. Радиально-упорный подшипник по п.4, отличающийся тем, что у каждой винтовой выпуклой поверхности внутреннего элемента подшипника радиусы кривизны выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности этого элемента.
6. Радиально-упорный подшипник по п.5, отличающийся тем, что у каждой винтовой вогнутой поверхности каждого тела качения подшипника радиусы кривизны выполнены убывающими по закону логарифмической спирали, соответствующей винтовой линии на конической поверхности соответствующего тела качения.
7. Радиально-упорный подшипник по п.6, отличающийся тем, что каждая винтовая выпуклая поверхность внутреннего элемента подшипника, по меньшей мере, в двух местах имеет пятно контакта с каждой винтовой вогнутой поверхностью каждого тела качения подшипника с образованием в конических гнездах сепаратора, по меньшей мере, трех герметично замкнутых полостей с изменяющимися по экспоненциальному закону объемами при равномерном вращении одного элемента подшипника относительно другого его элемента.
8. Радиально-упорный подшипник по п.6 или 7, отличающийся тем, что в каждом теле качения со стороны его меньшего торца выполнен несквозной осевой канал, а в теле сепаратора со стороны, обращенной к меньшим торцам тел качения, выполнена кольцевая замкнутая проточка, сообщенная с несквозными осевыми каналами всех тел качения, при этом в каждом теле качения со стороны конической поверхности, отделяющей винтовые вогнутые поверхности, выполнены газостатические опоры в виде карманов, в каждом из которых установлен жиклер с осевым отверстием, которое посредством радиального канала сообщено с несквозным осевым каналом соответствующего тела качения.
9. Радиально-упорный подшипник по п.8, отличающийся тем, что в теле сепаратора между соседними коническими гнездами выполнен, по меньшей мере, один продольный конический канал, в котором установлен обратный клапан, сообщенный с кольцевой замкнутой проточкой в теле сепаратора.
