一種關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器的製作方法

2023-07-30 02:24:21 1

專利名稱：一種關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器的製作方法
技術領域：
關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器是一種結構簡單，製造方便，且在冶金行業中具有廣泛應用價值的多功能十字軸式萬向聯軸器。
本實用新型的顯著特點是在普通十字軸式萬向聯軸器(以下簡稱W聯軸器)的轉動關節內，設置一個任意角鎖定機構，使W聯軸器保持原有萬向功能的基礎上，使由於各類生產原因導致W聯軸器的傾角發生變化時，無論停留在哪個傾角下進行換輥，只要軋輥軸頸抽出與W聯軸器相聯的輥套軸孔，輥套連同相聯的叉頭會在上述鎖定機構的作用下不會因自重而垂下一個角度而被水平鎖定在該狀態。
本實用新型的目的在於通過任意角鎖定機構在軋機換輥時水平鎖住輥套，實現快速方便換輥以提高軋機作業率的目標。
現有技術中帶鎖定機構的W聯軸器，一種是在零度角狀態下鎖定的結構型式，它在德國的一套W聯軸器產品圖中有反映(參看附件中圖A)，另一種則是由本人設計的並已申請了專利的一種關節帶定角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器，(專利申請號為97210583.2)其結構型式可參看附件中附圖B。
現有技術中帶定角鎖定機構的W聯軸器，雖比零度角鎖定大有改進，但由於需事先由用戶預約一個換輥傾角，一般需與軋機設計部門配合同步進行，適合於一些新改造項目採用，而對於一些擁有現有老軋機設備的用戶，在原始設計時並沒有考慮定角換輥系統，使帶有定角鎖定機構的W聯軸器的應用受到局限性，即它的功能還缺乏完善性。
事實上，實際生產中更多的用戶是擁有老設備的軋鋼廠，這些用戶提出必須在任意傾角狀態下能水平鎖定輥套，才能滿足生產上的需要。
本實用新型為了克服現有技術中W聯軸器只能零度角鎖定和定角鎖定的不足之處，徹底改進鎖定機構的結構型式，實現W聯軸器在最大許用傾角範圍內的任意傾角(而不是特定的某任意角)下都能水平鎖定輥套軸線，即W聯軸器無論停留在任意傾角下進行換輥，只要軋輥軸頸一抽出輥套孔，輥套軸線即能被水平鎖定，因此，本實用新型在鎖定機構的功能和關鍵結構與現有技術有著本質上的區別。
在國內外的實際生產過程中，換輥時W聯軸器關節的垂頭問題是一個共性的難題，為了解決這個問題，用戶和設計部門採用了一些輔助設備如換輥平臺或龍門架等，有的甚至啟用天車吊平輥套，帶來許多不便並影響換輥速度，使軋機作業率受到影響。本實用新型針對用戶的上述煩惱，將現有技術中定角鎖定機構中的偏心球盤改為由浮動式外球面盤和內球面套組合成的在功能上類似一對關節軸承付的機構與齒式鎖緊機構的配合實現任意角鎖定，來滿足生產實踐的需要，實現換輥快速、簡便和安全的目的。
下面參照附圖對本實用新型的結構和工作原理進行較為詳細的描述。


圖1是本實用新型的一個應用實例。
圖2是一架最簡單的水平二輥軋機的傳動系統示意圖。
圖3是本實用新型應用實例中浮動式外球面盤組件結構示意圖的主視圖。
圖4是本實用新型應用實例中浮動式外球面盤組件結構示意圖的側視剖面圖。
圖5是本實用新型應用實例中齒式鎖板的結構示意圖的剖視圖。
圖6是本實用新型應用實例中齒式鎖板的結構示意圖的主視圖。
圖7是本實用新型鎖定機構的受力圖。
圖8是本實用新型鎖定機構中齒部受力的分解圖。
為了說明問題，我們先參照圖2簡單敘述一下一架最簡單的水平二輥軋機的傳動系統和W聯軸器在該系統中的工作狀態。
在圖2中，序號33為驅動電機，34為彈性聯軸器，35為齒輪箱，36為聯接上輥的W聯軸器，37為聯接下輥的W聯軸器，38為軋機。在生產中，影響W聯軸器傾角發生變化的原因是由於互相水平平行的兩條軋輥的軸線距離需根據生產需要發生變化，而引起軋輥軸線距離變化的原因是由於諸如軋輥壓下量的調整，軋輥孔形磨損後重車，軋件品種的改變引起更換軋輥等等。因此，聯接上輥的W聯軸器的傾角α和聯接下輥的W聯軸器的傾角β二者並不一定相等且經常變化，我們設想，若能使W聯軸器的關節內設置任意角鎖定機構水平鎖住輥套，則不必象現有技術定角鎖定機構那樣需將W聯軸器分為上傾狀態和下傾狀態來設計兩種定角鎖定裝置，不僅滿足了任意角鎖定的需要，且減少了鎖定機構的品種。
為了進一步的說明問題，下面我們根據前述的生產實踐模型並通過
圖1所示的應用實例來較為祥細的闡述本實用新型的結構和實現目的功能的基本原理。
在
圖1所示的應用實例中，W聯軸器的中間軸部分20與永遠處於水平狀態的軋輥軸線所成的傾角為β角，β是隨著生產條件而變化的量，在每一次換輥過程中，β是一個確定的值。由叉頭6和叉頭16(也可以是與中間軸焊接在一起的叉頭)所包容的包括十字軸13和軸承部件12在內的能獨立存在的這一部分，我們稱之為W聯軸器的一個關節，在這個關節中設置了任意角鎖定機構我們則稱之為帶有任意角鎖定機構的關節單元。這個關節單元通過螺紋付組件3和端面鍵19分別與輥套2和W聯軸器中間軸部分20聯接，動力由中間軸部分通過這個關節單元和輥套2傳遞給軋輥1。在叉頭6凹部的腹腔中加工有臺階孔，一個能容納螺旋壓縮彈簧10的空心臺階軸9與叉頭6凹部的孔配合。為了限制空心臺階軸9軸向移動，9的一端加工有法蘭，法蘭的外圓與配合段的外圓同心。壓蓋7亦是形狀象禮帽的一個構件，它的法蘭(帽沿)端面有一凹孔，凹孔的直徑正好與9的法蘭外圓相配合定心，使壓蓋7的內腔孔能與9端部的大孔同心且孔壁光滑聯接而無錯位，用來容納彈簧10使之能在7和9的彈簧工作腔內被自由的壓縮和反彈，壓蓋7的另一端(帽頂)開有通孔，一個端部有法蘭的頂套4從壓蓋7的法蘭側裝入並穿過壓蓋7另一端的通孔使頂套4的球面頂頭部份伸出壓蓋7腔外，而法蘭部分被封在壓蓋7腔內用來抵住彈簧10，頂套4帶法蘭一端的心部加工有內螺紋孔，這個內螺紋孔可與拉杆14端部的外螺紋旋合。為了便於旋合螺紋，頂套4的球面頂頭部分的側面可以銑出兩個平行的側平面，空心臺階軸9較細的長杆部分伸出叉頭6凹部腹腔孔並穿過十字軸13中心部的雙喇叭錐孔並延伸進入叉頭16凹部的腹孔中。十字軸中心的雙喇叭錐孔的錐角為2α,α是W聯軸器許用最大傾角值，雙喇叭孔的交界面是位於十字軸兩相交軸線所在的平面內，其界面形狀為一個圓，其直徑應比空心臺階軸9伸入雙喇叭孔部分的直徑略松，為了減少應力集中，雙喇叭孔的交界圓可以修成圓角過渡。空心臺階軸9除了有容納彈簧10的內長孔外，其細杆部分中心亦加工有能穿過拉杆14的長孔，使拉杆14在工作中能自由軸向移動，為了保證拉杆14在工作中能保持穩定性並能與9的軸線保持同心，在9細杆心部細長孔的兩端加工有較為精確的與9的軸線同心的臺階孔，其上分別安裝兩個帶有自潤滑的粉末冶金軸承套11和27將拉杆14支撐起來並能使拉杆14能順利地隨著頂套4的軸向移動而同步移動。空心臺階軸9細杆部伸入叉頭16腹腔部的末端外圓是一段臺階軸，其上裝有兩個同型號軸承25，並用軸用檔圈26卡在軸段的卡簧槽中將軸承25的內圈軸向定位，也可以用別的方法軸向固定。軸承25是內外圈不可分離型的，事實上軸承25也可以用一個自潤滑的滑動軸承套來代替。在叉頭16凹部的腹腔中部加工有一段圓柱臺階孔，孔內安裝一個類似球面關節軸承外圈的內球面套17，它的外圓與叉頭16的腹腔孔為緊配合，17的內端面靠緊叉頭16腹腔臺階孔的端面，並使叉頭16腹腔臺階孔的靠肩高出內球面套17的球面邊緣圓。一個外球面直徑略小於17內球面直徑的外球面盤18在未加約束之前，能象球面關節軸承一樣在內球面套17的球面範圍內作萬向的擺動，事實上17和18組成了一對球面關節軸承付。在工作中，當W聯軸器在非零度傾角工作狀態下運轉時，為了防止施加約束後外球面盤18與內球面套17之間產生滑動磨擦，我們可以把外球面盤做成由18和滾柱21和浮動盤22三件組合而成，使工作中17和18之間變為滾動摩擦。事實上取消滾柱21將18和22做成一體並不影響本實用新型目標功能的實現。浮動盤22寬度的名義尺寸與軸承25總寬度的尺寸相同而略加0.15～0.2mm，浮動盤22的內孔形狀是由兩個半圓夾著兩條平行直線所圍成，如同橢圓形會議桌的桌面一樣，我們稱之為橢圓形孔，孔的寬度(也即半圓的直徑)與軸承25的外徑名義尺寸相同而略加0.15～0.2mm，恰好能使軸承25在橢圓孔中自由的滾動。兩塊形狀相同中間亦開有橢圓孔的封板23通過螺釘與浮動盤22壓緊，將軸承25、浮動盤22、滾柱21封在其內，外球面盤18通過滾柱21亦被封板23的固定而軸向限位。封板23橢圓孔的寬度(即半圓的直徑)比浮動盤22橢圓孔的寬度小6～10mm而使軸承25即能在22的橢圓孔中自由滾動又不會脫離浮動盤22，自然，封板23橢圓孔兩個半圓的中心與浮動盤22橢圓孔兩個半圓的中心基本重合。在靠中間軸20側的封板23的端面上，左右並列焊有兩列齒條24，左右兩列齒條的齒向線在同一水平線上。在拉杆14伸出27的軸段末端是一段臺階軸，其上裝有軸承30,30的內圈通過一個隔套29軸向限位並通過一個螺母28與14末端的外螺紋旋合實現軸向固定，螺母28可以採用各類方便的方法防松。在軸承30的外圈上，緊緊裝有齒式鎖板31，也可以加一個孔用擋圈固定，齒式鎖板31是中心有軸承孔且一側端面加工有對稱布置的兩列齒條的一塊矩形齒板，齒條的齒向線亦在同一水平線上。在矩形齒板中心的下方，焊有一塊弓形的配重板，配燻板的作用是保證無論拉杆14是否隨軋輥1轉動都能在配重重力的作用下使齒式鎖板31的齒線永遠處於水平狀態，以便能在拉杆14拉緊時使齒式鎖板31的齒能與齒條24的齒正確嚙合，實現鎖定功能。按照前述的結構將剛度適合的螺旋壓縮彈簧10安裝入位並通過螺釘8將壓蓋7壓緊在叉頭6腹腔時，彈簧10被施加了一定的預緊力，但仍留有足夠的壓縮間隙，在彈簧反彈力的作用下將拉杆14推向軋輥側使31的齒與24的齒緊緊嚙合，此時浮動盤22被固定在
圖1所示的位置。W聯軸器停留在任意一個β角狀態下換輥時，只要輥頸端面離開頂套4，則輥套2的軸線即被水平鎖定，而當新更換的軋輥輥頸重新穿入輥套孔並接觸頂套4將其右移並壓縮彈簧10時，拉杆14軸向右移使31的齒與24的齒脫開，W聯軸器恢復萬向功能。軋輥軸線是永遠處於水平的，故空心臺階軸9的軸線在理論上是靜止不動的，W聯軸器傾角的變化是在停車後調整壓下量引起，故停車後調整壓下量引起W聯軸器傾角變化時其浮動盤22僅僅在它所在的豎直平面內上下自動調節它適合的位置而不能轉動或擺動，而內球面套17則會隨著中間軸20傾角的改變在圖紙所在的豎直平面(也即20的軸線與軋輥1的軸線所成的平面)內圍繞兩軸線交點(即十字軸中心)作調整角度的擺動。事實上，即使W聯軸器在運轉中調整軋輥壓下量使傾角改變，浮動盤22仍然按照上述的規律調節自身合適的位置，而內球面套17除了上述的動作外增加了一個隨叉頭16自轉的運動，因為W聯軸器工作時鎖定機構是脫開的。為了使結構更加完善，尚需要增加幾個附屬零件。為了防止頂套4與拉杆14的螺紋結合部鬆動脫落，在二者旋緊後可在結合部鑽鉸孔並打入一個圓柱銷5。在叉頭16腹腔中安裝的內球面套零件17的外端面，我們安裝了一塊擋板32，其中間是一個大圓孔，大圓孔的周邊高出內球面套17的邊緣圓直徑，這樣可以在產品出廠前在17和18之間注入一定量的液態潤滑油改善17和18之間的工作環境。潤滑油的量應作到W聯軸器在最大許用傾角狀態時不致於從擋板32的孔邊緣溢出。為了防止水和髒物進入叉頭16腹腔，最好能增加一個防水軟罩15，它的大端應設法與擋板32聯接，小端與空心臺階軸9的細杆部聯接，軟罩可以用防水織物做成，使工作中不影響W聯軸器的轉動和適應傾角的變化。這樣，一個關節帶任意角鎖定機構的W聯軸器基本形成。
我們再從動態的視角分析一下浮動盤22及其相聯接的部分與空心臺階軸9及其上的軸承25在W聯軸器運轉過程中的運動關係。設浮動盤22的中心軸線為O1-O1，只要W聯軸器在非零度傾角狀態下工作，則O1-O1軸線與空心臺階軸9的軸線間存在一段距離e。浮動盤22在沒有偏心約束時在周向外力的作用下能夠繞自身的軸線O1-O1作自轉運動，當W聯軸器只要在非零度傾角下工作，則總是存在前述的e值，這個e值的存在實際上是空心臺階軸9上的軸承25對浮動盤22施加了一個偏心約束，故浮動盤22隻能在豎直方向上下浮動而不能轉動，故空心臺階軸9隨叉頭6轉動時，軸承25內外圈之間有相對轉動。而外球面盤18會在內球面套17的帶動下通過滾柱21繞浮動盤22的軸線O1-O1線轉動，這些運動關係可以將運動中的偏心約束所引起的內力釋放掉而維持運動的連續性和實現自動調節。
下面我們再結合圖7和圖8來分析一下本實用新型任意角鎖定機構的受力情況。
設
圖1中由輥套2和叉頭6及相對於十字軸13中心不對稱部分的總重量為G，重心在離十字軸中心點l1處如圖7所示，浮動盤22的中心平面距十字軸中心的距離為l2如圖7所示，由力矩平衡關係Gl1=Fl2，即F=Gl1/l2,F是通過內球面套17和外球面盤18的球心的。F同時可平行地移植到齒條24或齒式鎖板31的齒上，設24與31的齒型角為2θ，則由F作用在齒面上的軸向分力Fa=Ftgθ，這個Fa力可作為計算彈簧剛度的依據。這種力的關係是非常簡單的。自然我們尚應根據這些力對空心臺階軸9進行彎曲強度校核。為了減小彈簧尺寸，我們應儘量採用較小的齒形角的齒，必要時也可以採用蝶形彈簧的組合彈簧。象在機械製造中每一個零件都可能存在制進誤差一樣，任意角鎖定機構也可能產生鎖定角誤差。當W聯軸器在某一傾角下換輥時，如果齒式鎖板31的齒頂正好對準齒條24的齒槽，則鎖定後在理論上為無誤差，而當31的齒頂相對24的齒槽未對正時，在嚙合時二者必須錯過一個角度才能嚙合入位，故鎖定時會出現角度誤差，設所採用的齒形的齒距為p，齒條24的齒頂到十字軸中心平面的距離為l3，則可能產生的最大角度誤差為arctg(p/2/l3)，這個誤差的概略值約為0.5°～1°。因此，我們應儘量選用齒距較小的齒。需要說明的是即使產生上述的角度誤差也並不會影響換輥工作，這是因為軋輥的輥頸端部都有一段帶錐的導引段，導引段進入輥套有水平角度誤差的輥套孔後，在繼續伸入的過程中產生的力會使有角度誤差的輥套孔軸線向準確位置靠近，這個軋輥裝入的力所產生的力矩會在齒面產生一個軸向推力克服彈簧力將兩個嚙合的齒面推開使輥套軸線回到準確水平位置。由此我們又提出這樣的設想，即齒條24和齒式鎖板31的齒部若能用具有大摩擦係數的材料來代替，只要彈簧10的剛度足夠，完全可以實現無誤差或儘量小的角度誤差的鎖定。事實上，齒式鎖定在理論上為有級鎖定，而摩擦鎖定為無級式鎖定。
在冶金行業的各類水平軋機中，凡採用W聯軸器的場合在換輥時關節垂頭是一個久待解決的共性難題，採用本實用新型解決上述難題將是最簡單、最經濟的方案之一。
由前面敘述過的內容可見，冶金軋鋼行業採用本實用新型不僅能節省大量設備投資，且能因縮短換輥時間提高軋機作業率及提高設備技術水平帶來巨大的經濟效益。
圖1的實例為本實用新型的最佳方案。
很顯然，按照上面敘述的內容尚有可能做出許多改進和變異，因此可以推斷，凡屬於十字軸式的各類型式的萬向聯軸器，無論是叉頭剖分式的，半剖分式的和叉頭整體式的，都可能通過本實用新型提出的結構方案進行移植實施和延伸改進。
權利要求1.一種關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器，由兩個能萬向轉動的關節和中間軸組成，其特徵是在其中一個或二個關節內設置有由頂套、壓蓋、壓縮彈簧、空心臺階軸、拉杆、軸承、浮動式外球面盤組件、內球面套和齒條式鎖定機構等主要零部件組成的任意角鎖定機構，通過彈簧的反彈和拉杆的拉緊使齒條式鎖定機構的齒嚙合，並通過被齒條鎖定的浮動式外球面盤和內球面套支撐實現關節的任意角鎖定。
2.根據權利要求1所述的關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器，其特徵是關節內十字軸中心部開有內小外大並對稱布置的雙喇叭錐孔，安裝在輥套側叉頭腹腔中的空心臺階軸的軸杆部穿過十字軸的雙喇叭孔並延伸伸入到與中間軸相聯的叉頭凹部腹腔孔中的內球面套腹中，並通過軸承與浮動式外球面盤相聯。
3.根據權利要求1所述的關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器，其特徵是浮動式外球面盤的中心加工有橢圓形長孔，長孔內恰能容納固定在空心臺階軸伸入到內球面套腹內軸段上的軸承外圓並能使包容在內球面套腹內的浮動式外球面盤在軸承的約束下浮動，浮動式外球面盤可以是整體式的，也可以做成組合式的，其外球面的球直徑應比內球面套的球直徑小0.1～0.15mm，使二者組成一對球面關節軸承。
4.根據權利要求1所述的關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器，其特徵是齒式鎖定機構可以用齒條來實現。
專利摘要一種關節帶任意角鎖定機構的十字軸式萬向聯軸器,具有工作時萬向而在任意一個傾角下換輥時都能水平鎖住輥套的功能,它是通過在十字軸式萬向聯軸器的關節內設置由壓縮彈簧,空心臺階軸,軸承,拉杆,內球面套,浮動式外球面盤及齒式鎖定機構等主要零部件組成的任意角鎖定機構,實現萬向聯軸器在任意一個傾角下停車換輥時都能自動水平鎖住輥套的功能,解決軋機換輥時因萬向聯軸器關節垂頭給換輥帶來的多種不便。
文檔編號F16D3/16GK2334946SQ9821017
公開日1999年8月25日 申請日期1998年2月25日 優先權日1998年2月25日
發明者任喬圭 申請人:任喬圭