УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ШАРНИР Российский патент 2001 года по МПК B21B35/14 

Изобретение относится к области прокатного оборудования, а точнее к приводам прокатных станов, и касается конструкций универсальных шарниров шпинделей.

Известен универсальный шарнир (см. а. с. N 246460 кл. B 21 B 35/00), содержащий полумуфты, соединенные через шарнирные узлы с крестовиной, установленные между торцовыми поверхностями крестовины и крышками, самоустанавливающиеся пятовые опоры, состоящие из опорных подшипников и опор, соединенных между собой по сферической поверхности.

Недостатком этой конструкции универсального шарнира является недостаточная прочность из-за наличия большого количества промежуточных деталей и невозможности утолщения крышек без увеличения габаритов шарнира. Кроме того, недостатком указанной конструкции является несовпадение кинематических центров сфер самоустанавливающихся пятовых опор с кинематическим центром шарнира шпинделя. В результате при выборке зазоров и упругой деформации (Δ₁) возникают дополнительные осевые и радиальные нагрузки, уменьшающие нагрузочную способность упорных подшипников, переходных деталей (в т.ч. и пятовых опор) и всего шарнира в целом.

Из известных универсальных шарниров наиболее близким по технической сущности является универсальный шарнир, описанный в патенте СССР N 1565555 кл. B 21 B 35/14, содержащий полумуфты с проушинами, смонтированные в них радиальные подшипники и крестовину с самоустанавливающимися пятовыми опорами, состоящими из упорных подшипников и опор, соединенных между собой по сферической поверхности, кинематические центры которых совмещены с кинематическим центром шарнира.

Недостатками указанного решения являются:
а) наличие промежуточных элементов в виде упорного подшипника и опор, на которых установлен упорный подшипник определенной высоты или специальный упорный подшипник увеличенной высоты, ограничивающих возможности утолщения крышки, в результате чего ее прочность уменьшена;
б) необходимость применения специальных дорогостоящих сталей для увеличения прочности крышек;
в) сложность конструкции за счет наличия дополнительных деталей (опоры, упорного подшипника);
г) уменьшенная прочность опор за счет врезов на них (для установки роликоподшипников), уменьшающих их рабочее сечение, и наличия концентрации напряжений в них;
д) наличие нескольких поверхностей скольжения: опор по опорной поверхности крестовины и между собой, упорного подшипника по "крыльям" опоры, на которых он установлен, и по плоской контактной внутренней поверхности крышки (помимо трения качения за счет качательного движения), трение по которым возникает при выборке зазоров и упругой деформации величиной Δ₁, уменьшает износостойкость, надежность и КПД шарнира;
е) увеличенный диаметральный габарит головки и соответственно увеличенный маховой момент, что сказывается как на увеличении расхода материалов, так и на увеличении динамических нагрузок привода в процессе эксплуатации (из-за указанных в п.п. а...д недостатков).

В результате рассматриваемая конструкция универсального шарнира имеет уменьшенные нагрузочную способность, долговечность и износостойкость, причем при увеличенных габаритах, маховом моменте и сложности устройства.

Кроме того, не предусмотрены конструктивные решения, устраняющие возможности схватывания (или другого вида контактного разрушения) из-за указанного в п. "д" скользящего контакта деталей и из-за трибологической несовместимости их.

Задача настоящего изобретения состоит в создании такой конструкции универсального шарнира, которая позволила бы повысить его нагрузочную способность, долговечность и износостойкость без увеличения диаметральных габаритов.

Поставленная задача достигается тем, что в универсальном шарнире, содержащем полумуфты с проушинами, в которых смонтированы радиальные подшипники и крестовина с шипами и самоустанавливающимися пятовыми опорами, соединенными по сферическим поверхностям, центр которых совмещен с кинематическим центром шарнира, согласно изобретению самоустанавливающиеся пятовые опоры выполнены в виде упорных пят с выпуклыми наружными сферическими поверхностями со смазочными канавками, цилиндрическими хвостовиками, подвижно установленными в осевых отверстиях шипов крестовины, опорными плоскими площадками, прижатыми к наружным периферическим торцам шипов крестовины, и крышек, опирающихся на выпуклые сферические поверхности упорных пят внутренними вогнутыми сферическими поверхностями, выполненными в виде единого целого с телом крышки и совпадающими с внутренним контуром крышек, имеющих смазочные полости, причем наружные выпуклые поверхности упорных пят и внутренние вогнутые поверхности крышек выполнены из трибологически совместимых материалов, обеспечивающих требуемое снижение трения между ними.

Кроме того, смазочные полости на внутренних сферических поверхностях крышек выполнены в виде конической поверхности, касательной к внутренней сфере, с углом раскрытия, обеспечивающим необходимый зазор для поступления смазки под влиянием центробежных сил и сохранения ее в полости в статическом состоянии и определяемым зависимостью
,
где R - радиус опорной сферы упорной пяты,
r - радиус переходной цилиндрической поверхности упорной пяты (примерно равный радиусу шипа крестовины),
δ- - величина раскрытия (зазора) между сферической поверхностью упорной пяты и конической поверхностью крышек.

Такое конструктивное выполнение универсального шарнира позволит увеличить прочность и надежность крышки универсального шарнира и самого шарнира в целом при сохранении диаметральных его габаритов и упрощении конструкции.

Это возможно благодаря уменьшению количества промежуточных деталей, что позволяет упростить конструкцию и увеличить толщину крышки. При этом крышка не требует применения дорогостоящих сталей для увеличения ее надежности и прочности (и шарнира в целом).

Предложенная конструкция позволит также улучшить износостойкость шарнира за счет устранения ряда излишних поверхностей трения скольжения, применения трибологически совместимых материалов, обеспечения рациональных условий для смазки контактных сферических поверхностей путем выполнения в их зоне конических поверхностей по специальной зависимости, устранения возможности схватывания контактирующих сферических опорных поверхностей весьма напряженных и недостаточно прочных опор, ограничивающих нагрузочную способность шарнира, и при обеспечении необходимой прочности шарнира в целом уменьшить его диаметральные габариты и его маховой момент, что позволяет увеличить долговечность и износостойкость без увеличения диаметральных габаритов.

Выполнение универсального шарнира описанным выше образом обеспечивает повышение нагрузочной способности, долговечности и износостойкости без увеличения габаритов и при упрощении конструкции.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 изображен универсальный шарнир (поперечный разрез),
на фиг. 2 - схема расположения самоустанавливающихся пятовых опор,
на фиг. 3 - схема определения угла раскрытия конуса.

Универсальный шарнир состоит из полумуфт 1 и 2 с проушинами 3, в которых смонтированы радиальные подшипники 4 и крестовина 5 с шипами 6 и самоустанавливающимися пятовыми опорами. Кинематические центры пятовых опор совмещены в одной точке O, совпадающей с кинематическим центром шарнира. Самоустанавливающиеся пятовые опоры выполнены в виде упорных пят 7 с выпуклыми наружными сферическими "а" поверхностями со смазочными канавками 8, цилиндрическими хвостовиками 9, подвижно установленными в осевых отверстиях шипов 6 крестовины 5, и крышек 10, опирающихся на выпуклые сферические поверхности упорных пят 7 внутренними вогнутыми сферическими "б" поверхностями, выполненными в виде единого целого с телом крышки и совпадающими с внутренним контуром крышек, имеющих смазочные полости 11. Крышки 10 выполнены с центром в точке O, кинематическом центре шарнира.

При этом контактирующие сферические поверхности упорных пят 7 и крышек 10 выполнены из трибологически совместимых материалов. Крышки 10 соединены с проушинами 3 полумуфт болтами (не показаны). Смазочные полости 11 на внутренних сферических "б" поверхностях крышек 10 выполнены в виде конической поверхности, касательной к внутренней сфере, с углом раскрытия, обеспечивающим необходимый зазор для поступления смазки под влиянием центробежных сил при вращении шарнира и сохранения ее в смазочной полости при статическом состоянии. Угол раскрытия определяется зависимостью
,
где R - радиус опорной сферы упорной пяты,
r - радиус переходной цилиндрической поверхности упорной пяты (примерно равный радиусу шипа крестовины),
δ- - величина раскрытия (зазора) между сферической поверхностью упорной пяты и конической поверхностью крышек,
δ = K(0,75-0,9) мм - по эмпирическим данным для шпинделей конструкции АО ЭЗТМ, для этих условий K = 1. Коэффициент K зависит от диапазона скоростей вращения и применяемой смазки.

Для конкретного примера исполнения: шпиндель с диаметральным габаритом φ 320 мм, R = 137,5 мм, r = 32,5 мм, δ = 0,75 угол раскрытия конуса, подсчитанный по вышеуказанной зависимости, равен ϕ = arcsin 0,136, ϕ = 7,8^o.

Передача крутящего момента от полумуфты 1 к полумуфте 2 осуществляется через крестовину 5 посредством радиальных подшипников 4. При этом радиальные усилия, возникающие в шарнире, особенно при работе в тяжелых высоконагруженных приводах и наличии значительных углов перекоса, воспринимаются упорными пятами 7 и крышками 10 по их сферическим контактным поверхностям "а", "б", выполненным из трибологически совместимых материалов, центры которых совмещены с кинематическим центром шарнира в точке O, имеющими смазочные канавки 8 и переходную коническую поверхность на крышках 10. Это позволяет не только избежать возникновения дополнительных осевых и радиальных нагрузок, но и обеспечить упрощение конструкции, устранить возможности схватывания при смещении крестовины 5 вокруг кинематического центра O на величину Δ₁ = сумме величин радиальных зазоров в подшипниковом соединении с крестовиной и полумуфтами и упругой деформации всех элементов этого соединения, увеличить прочность крышки 10, износостойкость и прочность, нагрузочную способность и долговечность шарнира в целом без увеличения его габаритов (либо уменьшить его диаметральные габариты и маховой момент при сохранении его прочности). Выбор суммарной упругой деформации и зазоров подшипникового соединения происходит при повороте крестовины 5 относительно проушин 3 полумуфт 1 и 2 относительно кинематического центра O шарнира на угол α по концентричным сферам, в результате чего радиальные отклонения Δ не изменяют распределения усилий. При этом сферическая поверхность "а" упорной пяты 7 со своими смазочными канавками 8 перемещается по дуге сферической поверхности "б" крышки 10 на тот же угол α по радиусу R. Коническая поверхность крышки 10, выполненная с углом раскрытия ϕ согласно зависимости по изобретению, обеспечивает возможность поступления смазки в смазочные полости 11 под влиянием центробежных сил при вращении шпинделя и сохранения ее в полости при статическом состоянии шарнира.

Предложенный универсальный шарнир по сравнению с известными позволит повысить нагрузочную способность, долговечность и износостойкость без увеличения диаметральных габаритов.

Изобретение относится к прокатному оборудованию, а точнее к приводам прокатных станов, и касается конструкций универсальных шарниров шпинделей. Сущность изобретения: передача крутящего момента от полумуфты 1 к полумуфте 2 осуществляется через крестовину 5 посредством радиальных подшипников 4. Радиальные усилия, возникающие в шарнире, воспринимаются упорными пятами 7 и крышками 10 по их сферическим контактным поверхностям, центры которых совмещены с кинематическим центром шарнира в точке О, имеющим смазочные канавки 8 и переходную коническую поверхность на крышках 10. Это позволяет избежать возникновения дополнительных осевых и радиальных нагрузок, увеличить износостойкость, прочность, нагрузочную способность и долговечность шарнира без увеличения его диаметральных габаритов. Изобретение позволяет повысить нагрузочную способность, долговечность и износостойкость шарнира без увеличения диаметральных габаритов. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Универсальный шарнир, содержащий полумуфты с проушинами, в которых смонтированы радиальные подшипники и крестовина с шипами и самоустанавливающимися пятовыми опорами, соединенными по сферическим поверхностям, центр которых совмещен с кинематическим центром шарнира, отличающийся тем, что самоустанавливающиеся пятовые опоры выполнены в виде упорных пят с выпуклыми наружными сферическими поверхностями со смазочными канавками, цилиндрическими хвостовиками, подвижно установленными в осевых отверстиях шипов крестовины, опорными плоскими площадками, прижатыми к наружным периферическим торцам шипов крестовины, и крышек, опирающихся на выпуклые сферические поверхности упорных пят внутренними вогнутыми сферическими поверхностями, выполненными в виде единого целого с телом крышки и совпадающими с внутренним контуром крышек, имеющих смазочные полости, причем наружные выпуклые поверхности упорных пят и внутренние вогнутые поверхности крышек выполнены из трибологически совместимых материалов, обеспечивающих требуемое снижение трения между ними. 2. Универсальный шарнир по п.1, отличающийся тем, что смазочные полости на внутренних сферических поверхностях крышек выполнены в виде конической поверхности, касательной к внутренней сфере, с углом раскрытия, обеспечивающим необходимый зазор для поступления смазки под влиянием центробежных сил и сохранения ее в полости в статическом состоянии и определяемым зависимостью

где R - радиус опорной сферы упорной пяты;
r - радиус переходной цилиндрической поверхности упорной пяты (примерно равный радиусу шипа крестовины);
δ- величина раскрытия (зазора) между сферической поверхностью упорной пяты и конической поверхностью крышек.