ШАРНИРНЫЙ ШПИНДЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F16D3/20 

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в основном в главной линии прокатных станов.

Известен шарнирный шпиндель (см. А.С. №541495, М. кл. F 16 D 3/205, БИ №37, 1976 г.), содержащий головки шарнира, каждая из которых представляет собой базу с тремя выступающими кулачками, между несущими поверхностями граней которых расположены вкладыши в виде полусфер, размещенные в полусферических гнездах в кулачках одной головки. Каждая пара обращенных друг к другу полусферических гнезд имеет общий центр, образующий с остальными центрами вершины равностороннего треугольника, симметрично расположенные относительно продольной оси шарнира.

Недостатком прототипа является большая динамическая неуравновешенность, обусловленная тем, что рабочие поверхности граней кулачков головок не лежат в плоскостях оси шарнира. Перемещение плоских поверхностей вкладышей по поверхностям рабочих граней кулачков при передаче крутящих моментов с углом перекоса в шарнире осуществляется по кинематически сложной схеме движения, увеличивая тем самым путь перемещения плоской поверхностью каждого вкладыша по поверхностям кулачков и, соответственно, износ вкладышей и кулачков. Кинематически сложное движение вкладышей относительно рабочих поверхностей кулачков приводит к тому, что в какой-то момент времени, обусловленный угловым перемещением, в передаче крутящего момента не участвует один из вкладышей. Соответственно, нагрузка полностью приходится на остальные два вкладыша, которые при этом испытывают повышенные контактные напряжения. Таким образом, шарнир, наряду с изменением скорости его вращения, за время одного оборота будет испытывать неравномерность распределения нагрузок по вкладышам.

Из-за выполнения граней одной головки, на которых отсутствуют гнезда, выступающими относительно базы по глубине, соизмеримыми с глубиной рабочих граней, т.е. без сопряжения внутренних поверхностей граней выше плоскости базы, уменьшается прочность кулачков, что в конечном счете уменьшает нагрузочную способность шарнира.

Размещение сферического соединения головок по прототипу обеспечивает ограничение осевого перемещения головок только в одном направлении. Так как центр сферического соединения лежит в другой плоскости по отношению к плоскости, проходящей через вершины гнезд под вкладыши, не обеспечивается точная центровка и нет ограничений по радиальным и окружным взаимным перемещениям кулачков с вкладышами относительно центра шарнира. Кроме того, отсутствует демпфирование динамических осевых нагрузок.

Перед изобретением поставлена задача повысить нагрузочную способность и долговечность шарнира шпинделя за счет более равномерного перераспределения нагрузок на все вкладыши, обеспечить возможность ограничения радиальных и окружных взаимных перемещений кулачков и вкладышей относительно центра шарнира, уменьшить путь перемещения плоских поверхностей вкладышей по поверхностям кулачков и, тем самым, снизить износ вкладышей и рабочих поверхностей кулачков.

Поставленная задача достигается тем, что шарнирный шпиндель, преимущественно прокатных станов, содержащий головки, каждая из которых представляет собой базу с тремя выступающими кулачками, между несущими поверхностями граней которых расположены вкладыши в виде полусфер, размещенные в полусферических гнездах в кулачках одной головки, контактирующие своими плоскими поверхностями с поверхностями граней кулачков другой головки, согласно изобретению кулачки шарнира в поперечном сечении представляют собой вид сектора кругового кольца с углами клиньев секторов, обеспечивающих равнопрочность кулачков по изгибу и зазоры между гранями кулачков шарнира в сборе, с учетом угла его перекоса, внутренние грани кулачков головок на 0,45-0,49 их глубины относительно плоскости базы сопряжены между собой как целое по радиусам с центром на оси шарнира, соизмеримым с внутренними радиусами кулачков, и в теле сопряженного участка одной головки по ее оси выполнена полусферическая лунка, а в теле сопряженного участка другой головки - расточка, в полостях которых размещен шаровый шарнир, так, что его центр лежит в плоскости, проходящей через вершины гнезд под вкладыши, одна ось шарового шарнира через демпфер закреплена к одной головке, а другая - жестко к другой головке.

Кроме того, согласно изобретению, в гранях кулачков одной из головок выполнены расточки, в которых размещены демпфирующие элементы выборки радиальных и окружных зазоров.

Устройство поясняется фигурами 1, 2. На фиг.1 показан продольный разрез шарнирного шпинделя, на фиг.2 - сечение по А-А.

Устройство состоит из головок 1, 2 (фиг.1), каждая из которых представляет собой базу с тремя выступающими кулачками 3, 4. Между несущими поверхностями граней 5 кулачков 3, 4 размещены вкладыши 6 в виде полусфер. Вкладыши 6 размещены в полусферических гнездах 7 кулачков 3 одной головки 1 и контактируют своими плоскими поверхностями 8 с поверхностями граней кулачков 4 головки 2. Кулачки 3, 4 в поперечном сечении имеют вид сектора кругового кольца с углами α клиньев секторов, обеспечивающих равнопрочность кулачков по изгибу, и зазоры β (фиг.2) между гранями кулачков шарнира в сборе, с учетом угла перекоса шарнира шпинделя. Внутренние грани 9 кулачков 3, 4 головок на l=0,45-0,49 их глубины, относительно плоскости базы 10 сопряжены между собой, как целое с базами по радиусам с центром, расположенным на оси шарнира, соизмеримым с радиусами внутренних граней 9 кулачков 3, 4. В теле сопряженного участка одной головки 1 по ее оси выполнена полусферическая лунка 11, а в теле сопряженного участка другой головки 2 - расточка 12, в полостях которых размещен шаровой шарнир 13 так, что его центр лежит в плоскости, проходящей через центры гнезд 7 под вкладыш 6. Одна ось 14 шарового шарнира через демпфер 15 закреплена в головке 1, а другая 16 жестко закреплена в головке 2.

Головка 1 кулачковым соединением 17 соединена с валом 18 шпинделя. На гранях кулачков 4 выполнены расточки 19, в которых размещены демпфирующие элементы 20 выборки радиальных и окружных зазоров. Шарнир закрыт кожухом 21 с уплотнениями с возможностью аккумулирования жидкой смазки в процессе работы шарнирного шпинделя.

Наличие в кулачках 3 полусферических гнезд 7 снижает сопротивление этих кулачков по изгибу. Для сохранения равнопрочности кулачков 3, 4 по изгибу необходимо, чтобы углы α клиньев секторов кулачков 3 были несколько большими, чем углы α клиньев кулачков 4. Конкретная оптимальная величина углов α клиньев определяется расчетным путем в зависимости от глубины гнезд 7 и их диаметров по отношению к объему кулачков.

Глубина сопряжения кулачков 3, 4 с базами головок 1, 2 по внутренним граням 9, выполненных по радиусам, равная 0,45-0,49 глубины кулачков по их рабочим граням выбрана из следующих условий. При глубине менее 0,45 глубины выступающих кулачков по рабочим граням уменьшается прочность кулачков, а увеличение глубины сопряжения участков выше 0,49 глубины выступающих кулачков по рабочим граням не обеспечит достаточный зазор между торцами сопряженных участков двух головок в сборе, необходимый при передаче крутящих моментов с заданным углом перекоса шарнира шпинделя.

Расположение шарового шарнира с центром, совпадающим с плоскостью, проходящей через центры гнезд 7 под вкладыши 6 и выполнение кулачков 3, 4 с рабочими гранями, плоскости которых лежат в плоскостях, проходящих через ось шарнира, в виде сектора кругового кольца, упрощает кинематику движения кулачков и вкладышей и обеспечивает возможность равномерного распределения нагрузок на все вкладыши при передаче крутящего момента с некоторым углом перекоса шарнира шпинделя.

Установка демпфирующих элементов в расточках кулачков 4 создает устойчивость работы шарового шарнира при осевых смещениях и центрирование вкладышей 6 в гнездах кулачков.

Крутящий момент от двигателя, например, головкой 1 с кулачками 3 передается головке 2 через вкладыши 6, размещенные в гнездах 7. При вращении шарнира с некоторым углом перекоса вкладыши 6, передавая крутящий момент своими прямолинейными поверхностями на рабочие поверхности граней кулачков 4, совершают по ним некоторое перемещение с одновременным покачиванием в гнездах 7. Взаимные перемещения контактирующих поверхностей под нагрузкой влияют на износ вкладышей. Расположение плоскостей всех рабочих граней кулачков по плоскостям, проходящим через ось шарнира, улучшает кинематику движения кулачков и вкладышей, уменьшает путь перемещения плоских поверхностей вкладышей 6 по рабочим поверхностям кулачков и снижает износ вкладышей. Такое расположение плоскостей граней кулачков уменьшает круговое движение оси головки при ее самоцентрировании относительно центра между вкладышами в каждый момент времени, т.е. непрерывно, и влияет на равномерность распределения нагрузок на вкладыши, создавая условия, близкие к динамическому уравновешиванию шарнира.

Предложенный шарнир шпинделя может быть использован в прокатных станах для передачи больших крутящих моментов при малых и средних скоростях вращения шпинделя с углом перекоса до 3°.

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено, предпочтительно, для использования в главных линиях прокатных станов. Шарнирный шпиндель содержит головки, каждая из которых представляет собой базу с тремя выступающими кулачками, между несущими поверхностями граней которых расположены вкладыши в виде полусфер, размещенные в полусферических гнездах в кулачках одной головки, контактирующие своими плоскими поверхностями с поверхностями граней кулачков другой головки. Новым является то, что кулачки шарнира в поперечном сечении представляют собой вид сектора кругового кольца с углами клиньев секторов, обеспечивающих равнопрочность кулачков по изгибу и зазоры между гранями кулачков шарнира в сборе, с учетом угла его перекоса. Внутренние грани кулачков головок на 0,45-0,49 их глубины относительно плоскости базы сопряжены между собой как целое по радиусам с центром на оси шарнира, соизмеримым с радиусами внутренних граней кулачков. В теле сопряженного участка одной головки по ее оси выполнена полусферическая лунка, а в теле сопряженного участка другой головки - расточка, в полостях которых размещен шаровой шарнир, так, что его центр лежит в плоскости, проходящей через центры гнезд под вкладыши. Одна ось шарового шарнира через демпфер закреплена к одной головке, а другая - жестко к другой головке. В гранях кулачков одной из головок выполнены расточки, в которых размещены демпфирующие элементы выборки радиальных и окружных зазоров. Техническим результатом является повышение нагрузочной способности и долговечности шарнира, более равномерное распределение нагрузок на вкладыши и уменьшение износа. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Шарнирный шпиндель, преимущественно прокатных станов, содержащий головки, каждая из которых представляет собой базу с тремя выступающими кулачками, между несущими поверхностями граней которых расположены вкладыши в виде полусфер, размещенные в полусферических гнездах в кулачках одной головки, контактирующие своими плоскими поверхностями с поверхностями граней кулачков другой головки, отличающийся тем, что кулачки шарнира в поперечном сечении представляют собой вид сектора кругового кольца с углами клиньев секторов, обеспечивающих равнопрочность кулачков по изгибу и зазоры между гранями кулачков шарнира в сборе, с учетом угла его перекоса, внутренние грани кулачков головок на 0,45-0,49 их глубины относительно плоскости базы сопряжены между собой как целое по радиусам с центром на оси шарнира, соизмеримым с радиусами внутренних граней кулачков, и в теле сопряженного участка одной головки по ее оси выполнена полусферическая лунка, а в теле сопряженного участка другой головки - расточка, в полостях которых размещен шаровой шарнир так, что его центр лежит в плоскости, проходящей через центры гнезд под вкладыши, одна ось шарового шарнира через демпфер закреплена к одной головке, а другая - жестко к другой головке.2. Шарнирный шпиндель по п.1, отличающийся тем, что в гранях кулачков одной из головок выполнены расточки, в которых размещены демпфирующие элементы выборки радиальных и окружных зазоров.