PL247011B1 - Sprzęgło podatne z tolerancją odchyłek montażowych i kompensacją obciążeń wzdłużnych - Google Patents

Abstract

Sprzęgło podatne z tolerancją odchyłek montażowych i kompensacją obciążeń wzdłużnych sprzęgające wały (3 i 5) charakteryzuje się tym, że posiada tarczę wewnętrzną (4) osadzoną na wale (5) a umieszczoną między dwoma tarczami zewnętrznymi (1 i 2) sprzęgnięte wzajemnie kulami (6) przemieszczającymi się w prowadnicach,  przy czym do każdej z kul sprzęgających (6) przyporządkowane są po dwie prowadnice, jedna w tarczy zewnętrznej (1) i jedna w tarczy wewnętrznej (4). Sprzęgło posiada co najmniej po trzy kule sprzęgające (6) po każdej stronie sprzęgła. Sprzęgło posiada wykładziny umieszczone w prowadnicach wykonanych w tarczach (1, 2 i 4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechaniczne sprzęgło podatne z tolerancją odchyłek montażowych i kompensacją obciążeń wzdłużnych, w którym w pełni skompensowane są obciążenia wzdłużne oraz zapewniona jest duża odporność na odchyłki montażowe sprzęgła w układach napędowych maszyn i urządzeń.

W układach napędu wielu maszyn pożądana jest duża podatność skrętna w czasie rozruchu oraz możliwie mała wrażliwość na nieuniknione geometryczne odchyłki, jakie występują często w warunkach eksploatacyjnych podczas instalowania elementów układów napędowych. W szczególności chodzi o odchyłki dotyczące położenia przestrzennego osi obrotów układów łączonych za pomocą sprzęgieł. W okolicznościach użytkowania wielu maszyn brak możliwości zapewnienia dostatecznie wysokiej dokładności wzajemnego ustawienia sprzęganych układów wobec trudności zastosowania odpowiednich przyrządów pomiarowych. Również w wyniku odkształceń elementów układu często dochodzi do wystąpienia takich odchyłek ustawienia osi jak przekoszenie, mimośrodowość czy wzdłużne przesunięcie sprzęganych elementów. Wielkości tych odchyłek w warunkach eksploatacyjnych ponadto zmieniają się z czasem w wyniku sprężystych i trwałych odkształceń od dużych obciążeń oraz zużycia. W zdecydowanej większości układów napędowych bardzo pożądane jest, aby sprzęgła nie były źródłem generowania obciążeń wzdłużnych. Opisane wymagania spełnia sprzęgło według wynalazku. Cele te osiągnięte zostały przez zastosowanie specjalnej konstrukcji podatnego skrętnie sprzęgła, w którym w toku użytkowania kompensowane są samoczynnie wzdłużne obciążenia, a sprzęgło przenosi jedynie moment obrotowy.

Znane konstrukcje mechanicznych sprzęgieł podatnych bazują na wykorzystaniu dużej podatności na obciążenie elementów gumowych, polimerowych lub złożonych z kompozytów. Szeroki przegląd konstrukcji sprzęgieł zawiera praca: Markusik S.: „Sprzęgła mechaniczne, WNT, Warszawa 1977. Zastosowanie sprzęgieł podatnych w napędach maszyn roboczych opisuje praca: Markusik S„ Opasiak T., Gruszka P.: „Napędy maszyn transportu ciągłego ze sprzęgłem podatnym”, Tran sport Przemysłowy, nr 1/2006. Wybrane konstrukcje sprzęgieł podatnych opisano też w podręczniku akademickim Dietrich M., Markusik S.: „Podstawy konstrukcji maszyn”, WNT Warszawa 1999. Również praca: Skoć A., Spałek J., Markusik S.: „Podstawy konstrukcji maszyn” t2, WNT, Warszawa 2008, opisuje sprzęgła różnych konstrukcji, w tym sprzęgła podatne oparte o wykorzystanie elastyczności materiałów polimerowych oraz sprzęgła proszkowe.

Wszystkie znane konstrukcje podatnych sprzęgieł mechanicznych mają ograniczoną podatność skrętną, ponadto cechują się niską trwałością eksploatacyjną i ograniczoną tolerancją na odchyłki montażu, jakie często mają miejsce w realnych warunkach stosowania sprzęgieł w wielu maszynach roboczych. Konstrukcje sprzęgieł wykorzystujących materiały polimerowe nie spełniają warunku całkowitej niepalności, co wyklucza ich stosowanie, np. w górnictwie głębinowym. Niekorzystną ich cechą jest też duży wpływ temperatury na własności mechaniczne. Sprzęgła te, zwłaszcza w miarę postępującego zużycia eksploatacyjnego generują rosnące obciążenia wzdłużne na sprzęgane układy napędowe. Postępujące zużycie znanych sprzęgieł powoduje też często występowanie nadmiernych drań i hałasów.

Istotą rozwiązania jest sprzęgło podatne z tolerancją odchyłek montażowych i kompensacją obciążeń wzdłużnych sprzęgające wały charakteryzujące się tym, że posiada tarczę wewnętrzną osadzoną na wale a umieszczoną między dwoma tarczami zewnętrznymi sprzęgnięte wzajemnie kulami przemieszczającymi się w prowadnicach, przy czym do każdej z kul sprzęgających przyporządkowane są po dwie prowadnice, jedna w tarczy zewnętrznej i jedna w tarczy wewnętrznej.

Sprzęgło posiada co najmniej po trzy kule sprzęgające (6) po każdej stronie sprzęgła.

Sprzęgło posiada wykładziny umieszczone w prowadnicach wykonanych w tarczach. Jego wnętrze wypełnione jest cieczą. Sprzęgło posiada wirniki wentylatorowe mocowane do tarcz. Tarcza wewnętrzna osadzona jest na wale za pomocą połączenia wieloząbkowego/zębatego o beczkowatym ukształtowaniu. Sprzęgło wyposażone jest w sprężyny powrotne.

Sprzęgło posiada żebra w tarczach w miejscach wykonania prowadnic.

Sprzęgło mechaniczne o podatności skrętnej, dużą tolerancją na odchyłki montażowe i z pełną kompensacją obciążeń wzdłużnych według wynalazku w przykładzie wykonania ilustruje rysunek. Fig. 1 to przekrój wzdłużny sprzęgła w wersji podstawowej, fig. 2 to przekrój poprzeczny w płaszczyźnie A-A, fig. 3 to przekrój wzdłużny sprzęgła wyposażonego w wzmocnione wykładziny prowadnic (strona A), fig. 4 to widok sprzęgła w kierunku „K”, zaś fig. 5 ilustruje wariant sprzęgła wyposażonego w łożysko stabilizujące i układ chłodzących wirników wentylatorowych.

Sprzęgło według wynalazku instalowane może być na typowych końcówkach wałów zespołu napędowego i napędzającego za pośrednictwem znanych i stosowanych powszechnie połączeń wpustowych (fig. 3 i 5), wielowypustowych i wieloząbkowych oraz z zastosowaniem pierścieni rozporowych (fig. 1, 3 i 5). Połączenia wieloząbkowe i zębate korzystnie jest wykonać w wariancie pozwalającym na zwiększone odchyłki kątowe łączonych elementów, np. poprzez beczułkowatość połączeń (fig. 1). Główne elementy w postaci tarcz sprzęgła najlepiej wykonać poprzez odlewanie z typową wykańczającą obróbką skrawaniem. Jako elementy sprzęgające najlepiej użyć kul ze stali lub węglików spiekanych. Mogą to być kule z typowych kulkowych łożysk tocznych, nawet używanych, gdy nie wykazują uszkodzeń w postaci wykruszeń pittingowych.

Dwie połączone ze sobą kołnierzowe tarcze zewnętrzne 1 i 2 osadzone na wale 3 są sprzęgnięte z osadzoną na wale 5 tarczą wewnętrzną 4 za pośrednictwem kul sprzęgających 6. Kule sprzęgające 6 mają możliwość przemieszczania się w prowadnicach 7 i 8 wykonanych skośnie w kierunku promieniowym w tarczach zewnętrznych 1 i 2 oraz w tarczy wewnętrznej 4. Fig. 2 pokazuje widok prowadnic 7 w tarczy zewnętrznej 1, a linia przerywana ilustruje zarys prowadnicy 8 w tarczy wewnętrznej 4. Do każdej z kul sprzęgających 6 przypisane są tylko po dwie prowadnice, jedna w tarczy zewnętrznej i jedna w tarczy wewnętrznej. Kule sprzęgające 6 mogą się znajdować tylko na skrzyżowaniach przypisanych sobie prowadnic 7, 8 w tarczach, a poruszać się tocznie jednocześnie tylko w obu przypisanych prowadnicach 7, 8. Prowadnice w tarczach zewnętrznych 1 i 2 mają zarys będący wzajemnym zwierciadlanym odbiciem.

W chwili rozruchu kule sprzęgające 6 znajdują się w pozycji wyjściowej, najbliżej osi obrotu tarcz, jak pokazano na fig. 1 i 2. W miarę wzrostu prędkości obrotowej następuje synchroniczne i jednoczesne przemieszczanie się wszystkich kul po obu stronach sprzęgła w kierunku obwodu tarcz do skrajnych zewnętrznych pozycji 9. Powoduje to wystąpienie narastającej różnicy kąta obrotu zespołu tarcz zewnętrznych w stosunku do tarczy wewnętrznej. W ten sposób realizuje się podatność skrętna sprzęgła. Pełny zakres kątowy podatności skrętnej sprzęgła określa kąt α (fig. 2). Przemieszczanie się kul w prowadnicach następuje w wyniku toczenia się kul w przynależnych do nich parach prowadnic pod działaniem składowych sił działających na kule od przenoszonego chwilowego momentu obrotowego. Dodatkowo ruchowi kul sprzyjają siły odśrodkowe działające na kule, a zależne od chwilowej, narastającej prędkości obrotowej tarcz i chwilowej wielkości promienia, na jakim znajdują się kule względem osi obrotu.

Dzięki opisanej konstrukcji osiągana jest bardzo korzystna cecha sprzęgła według wynalazku polegająca na tym, że w chwili rozpoczęcia rozruchu masowy moment bezwładności sprzęgła jest najmniejszy ze względu na skrajne chwilowe położenie wyjściowe wszystkich kul sprzęgających. Dzięki pełnej symetrii tarcz i zawsze synchronicznemu przemieszczaniu się wszystkich kul występuje pełne i stałe wyrównoważenie statyczne i dynamiczne sprzęgła. Jednocześnie ma miejsce całkowite wewnętrzne równoważenie się sił wzdłużnych. Dzięki temu sprzęgło na żadnym etapie pracy nie generuje zewnętrznych obciążeń wzdłużnych a przenosi jedynie moment obrotowy.

Po zatrzymaniu sprzęgła kule sprzęgające należy sprowadzić do pozycji wyjściowej zapewniającej najmniejsze obciążenie rozruchowe. Osiągnąć to można w różny sposób. W tych układach mechanicznych, w których masowy moment bezwładności części napędzanej układu i czas wybiegu po zatrzymaniu jest większy niż te same parametry strony napędzającej (silnika) następuje to samoczynnie. Po wyłączeniu silnika energia kinetyczna wirujących mas przepływa przez sprzęgło w kierunku odwrotnym, tj. do silnika, co powoduje przetoczenie się kul sprzęgających do pozycji startowej. Układ jest wtedy samoczynnie przygotowany do ponownego rozruchu z minimalnym obciążeniem rozruchowym. Możliwe jest wyposażenie też tarcz sprzęgła w spiralne sprężyny powrotne 21 (fig. 2). W tych przypadkach, gdy jest to możliwe, można na bardzo krótką chwilę włączyć przeciwny kierunek obrotów silnika, co spowoduje przemieszczanie się kul sprzęgających do pozycji wyjściowej. Można też w inny sposób (ręcznie) obrócić wałem silnika przy pomocy, np. klucza nałożonego na ścięcia 20 w kierunku przeciwnym do kierunku pracy tak, by wystąpił obrót tarczy wewnętrznej o kąt co najmniej równy kątowi α. To samo można uzyskać pokręcając zespołem tarcz zewnętrznych 1 i 2 w kierunku zasadniczej pracy.

Konstrukcja sprzęgła zapewnia dużą jego tolerancję na montażowe odchyłki sprzęganych wałów 3 i 5. Kompensacja odchyłek odległości walów odbywa się w szerokich granicach przez wzdłużny przesuw suwliwego połączenia wału 5 względem piasty tarczy wewnętrznej 4. (fig. 1). Odchyłki przekoszenia osi obu sprzęganych wałów kompensowane są przez beczkowate ukształtowanie połączenia zębatego/wieloząbkowego (fig. 1). Mimośrodowość łączonych wałów może być tolerowana w zakresie luzu między tarczą wewnętrzną 4 a zespołem tarcz 1 i 2 oraz w ramach podatności uszczelnień obrotowych 19.

Duża tolerancja sprzęgła na odchyłki montażowe umożliwia efektywne stosowanie sprzęgła w wielu przypadkach eksploatacyjnych utrudnień montażu. Dzięki konstrukcji sprzęgła odchyłki montażowe, takie jak przekoszenie osi i odchyłki przesunięcia wałów nie wpływają na pracę wewnętrznych elementów sprzęgła.

W warunkach bardzo częstych rozruchów praca tarcia potoczystego kul w prowadnicach zamienia na ciepło może powodować nadmierny niepożądany wzrost temperatury sprzęgła, co może skutkować, np. nadmiernym spadkiem lepkości oleju. Dla minimalizacji tarcia kul i zmniejszenia zużycia kul oraz prowadnic można wnętrze sprzęgła napełnić olejem o odpowiedniej lepkości lub posmarować prowadnice sprzęgła w trakcie łączenia tarcz smarem plastycznym. W przypadku napełnienia wnętrza sprzęgła olejem lub inną cieczą niezbędne jest zastosowanie odpowiednich uszczelnień obrotowych 19.

Poza funkcją smarowania zastosowanie oleju umożliwia dodatkową korzystną funkcją oleju wewnątrz sprzęgła jest wiskotyczne tłumienie nadmiernie szybkiego przemieszczania się kul sprzęgających, zwłaszcza podczas trwania rozruchu. Obecność oleju w sprzęgle w połączeniu z ukształtowaniem prowadnic powoduje, że na etapie rozruchu występuje dodatkowy efekt sprzężenia hydraulicznego, analogiczny do pracy sprzęgieł hydrokinetycznych. Wspomniane wpływy silnie zależą od lepkości oleju i luzu między tarczami. Mają one bardzo korzystny wpływ na pracę sprzęgła, polepszają jego własności użytkowe ale podnoszą temperaturę pracy. Gdy naturalne chłodzenie sprzęgła przez konwekcję i promieniowanie jest niewystarczające, możliwe jest dołączenie wirników wentylatorowych 18 (fig. 5) wymuszających przepływ powietrza chłodzącego. Konstrukcja sprzęgła stwarza duże możliwości przystosowania go do warunków pracy. Gdy w układzie napędowym szczególnie pożądane jest zminimalizowanie oporów rozruchu można tarcze sprzęgła, zwłaszcza zewnętrzne, wykonać jako odlewy ze stopów lekkich Al-Mg, kształtując jednocześnie tarcze w sposób pokazany przykładowo na fig. 4. Rozwiązanie takie nie tylko wydatnie zmniejsza masowy moment bezwładności tarcz, ale dodatkowo żebra 22 w tarczach w miejscach wykonania prowadnic spełniają rolę łopatek intensyfikujących wymianę ciepła z otoczeniem. W podobny sposób można ukształtować również tarczę wewnętrzną sprzęgła.

Dla zminimalizowania zużycia prowadnic w tarczach ze stopów lekkich należy zastosować dodatkowo wykładziny 16 i 17 (fig. 3, strona A). Wykładziny najlepiej wykonać ze stalowych cienkościennych rurek po ich wzdłużnym rozcięciu. Wykładziny mogą być mocowane przez chemoutwardzalne klejenie z dodatkowym ew. wzmocnieniem kształtowym wczepami 10 i 11 oraz wkrętami 12 i 13. Wykonane ze stali manganowej wykładziny korzystnie jest poddać utwardzającej obróbce cieplnej oraz ew. dodatkowemu umocnieniu zgniotem powierzchniowym, przykładowo przez przeciąganie na zimno lub śrutowanie rurek będących półfabrykatami wykładzin. Rozwiązanie takie pozwala na znaczne pocienienie grubości ścianek tarcz sprzęgła przy jednoczesnym wzroście nośności stykowej. Służy to dalszemu zmniejszeniu masy własnej sprzęgła i polepszeniu jego własności użytkowych. Przyczepność kleju można zwiększyć wykonując rowki pod wykładziny prowadnic przez frezowanie ze zwiększoną chropowatością. Opisane rozwiązanie służy znacznemu polepszeniu trwałości elementów sprzęgła, zwłaszcza jeśli na kule sprzęgające użyte zostaną kule z łożysk tocznych (nawet używanych) o wysokiej gładkości i dużej twardości.

W sprzęgłach o większych rozmiarach można opcjonalnie zamontować dodatkowo łożysko toczne 14 (fig. 5) stabilizujące położenie zespołu tarcz zewnętrznych 1 i 2 względem wału 5. Łożysko to pracuje jedynie przy rozruchu i przenosi tylko ew. obciążenie poprzeczne, stąd zapewniona jego duża trwałość. Gdy dodatkowe łożysko nie jest potrzebne, nadlew tarczy zewnętrznej można obciąć jak pokazano linią punktowa na fig. 1. Pozostawienie wspomnianego nadlewu może być natomiast pomocne, gdy zachodzi potrzeba przemontowania sprzęgła w układzie „z prawa na lewo”. Ma to miejsce, np. gdy następuje na stałe zmiana kierunku obrotów silnika a wykorzystywany jest ten sam egzemplarz sprzęgła.

Parametry techniczne sprzęgła zależą głównie od średnicy zewnętrznej tarcz, ilości i masy kul sprzęgających, lepkości oleju wypełniającego sprzęgło i luzu między tarczami sprzęgła. Dla większości zastosowań parametry sprzęgła należy lak dobrać, aby w ruchu ustalonym kule sprzęgające zajmowały zewnętrzne skrajne położenie. Wówczas sprzęgło w całości wraz z ew. wypełniającym go olejem spełnia funkcję koła zamachowego stabilizującego prędkość obrotową układu tłumiąc wiskotycznie oscylacje wynikające, np. ze zmienności oporów ruchu układu mechanicznego, w którym sprzęgło jest zainstalowane.

Sprzęgło według wynalazku cechuje się bardzo dużą trwałością, gdyż jego elementy składowe współpracują ze sobą ruchowo tylko w czasie rozruchu oraz w mniejszym stopniu w czasie wybiegu. Naciski stykowe kul na prowadnice są zminimalizowane w wyniku maksymalnego promienia działania przenoszonego momentu obrotowego w ruchu ustalonym.

Sprzęgło jest podatne na zabiegi regeneracyjne po większym przebiegu eksploatacyjnym. W tym celu wystarcza skompensowanie nadmiernego luzu między kulami sprzęgającymi a prowadnicami. Można to łatwo wykonać zmniejszając odpowiedni grubość podkładki uszczelniającej 15 w połączeniu kołnierzowym tarcz zewnętrznych (fig. 1). W razie konieczności można dodatkowo zmniejszyć grubość kołnierzy i ew. przetoczyć powierzchnie wewnętrzne tarcz.

Sprzęgło jest całkowicie bezobsługowe, nie generuje hałasu ani drgań i jest w pełni zabezpieczone przed wpływami zewnętrznymi w postaci pyłu czy wilgoci. Sprzęgło jest przewidziane w zasadzie do pracy przy jednym kierunku obrotów. Można jednak w specjalny sposób wykorzystać konstrukcję sprzęgła do pracy w układzie nawrotnym. Jeżeli kierunki pochylenia prowadnic w jednej części sprzęgła zmienione zostaną na przeciwne, sprzęgło będzie pracować jako podatne w obu kierunkach obrotów. Wtedy na przemian raz jedna, raz druga strona pracować będzie jak opisano wcześniej, a przeciwna strona swoje kule przemieści samoczynnie do środka sprzęgła. Tak używane sprzęgło zachowa opisane wszystkie zalety z wyłączeniem ułatwienia rozruchu wskutek minimalizacji masowego momentu bezwładności. W takim zastosowaniu sprzęgło będzie mieć praktycznie stały masowy moment bezwładności, gdyż kule po obu stronach sprzęgła przemieszczać się będą zawsze w przeciwnych kierunkach. Zmniejszy się też maksymalna nośność sprzęgła, gdyż w przenoszeniu obciążenia od momentu obrotowego udział ma tylko połowa kul sprzęgających. Pozostałe zalety sprzęgła zostaną nadal zachowane. Sprzęgło wykorzystane jak opisano wyżej ma natomiast tą zaletę, że obie tarcze zewnętrzne są wtedy dokładnie identyczne, co zmniejsza koszty wytwarzania.

Sprzęgło według wynalazku, zwłaszcza w swej podstawowej postaci, umożliwia zastosowanie mniejszych naddatków mocy silników napędowych przewidzianych z uwagi na rozruch układów maszynowych. Ma to szczególne znaczenie przy napędach silnikami elektrycznymi. Mniejszy naddatek mocy pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie energii elektrycznej, gdyż służy polepszeniu współczynnika mocy cosφ. Jednocześnie zmniejsza obciążenie rozruchowe wszystkich elementów układu napędowego, polepsza więc ich trwałość eksploatacyjną. Sprzęgło dzięki kompensacji wewnętrznej obciążeń wzdłużnych, nie generuje dodatkowych obciążeń zewnętrznych innych elementów napędu. Konstrukcja sprzęgła zapewnia jego niewielką wrażliwość na odchyłki montażowe nieuniknione w trudnych warunkach eksploatacji wielu maszyn i urządzeń. Cechuje się dużą trwałością i pełną bezobsługowością. Stosowanie sprzęgieł według wynalazku pozwala na osiąganie dużych efektów technicznych i ekonomicznych oraz polepsza warunki bezpieczeństwa użytkowania maszyn.

Claims (8)

1. Sprzęgło podatne z tolerancją odchyłek montażowych i kompensacją obciążeń wzdłużnych sprzęgające wały (3) i (5) znamienne tym, że posiada tarczę wewnętrzną (4) osadzoną na wale (5) a umieszczoną między dwoma tarczami zewnętrznymi (1) i (2) sprzęgnięte wzajemnie kulami (6) przemieszczającymi się w prowadnicach (7) i (8), przy czym do każdej z kul sprzęgających (6) przyporządkowane są po dwie prowadnice (7) i (8), jedna w tarczy zewnętrznej (1) i jedna w tarczy wewnętrznej (4).

2. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że posiada co najmniej po trzy kule sprzęgające (6) po każdej stronie sprzęgła.

3. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że posiada wykładziny (16) i (17) umieszczone w prowadnicach wykonanych w tarczach (1), (2) i (4).

4. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że jego wnętrze wypełnione jest cieczą.

5. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że posiada wirniki wentylatorowe (18) mocowane do tarcz (1) i (2).

6. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że tarcza wewnętrzna (4) osadzona jest na wale (5) za pomocą połączenia wieloząbkowego/zębatego o beczkowatym ukształtowaniu.

7. Sprzęgło według zastrz. 1 znamienne tym, że wyposażone jest w sprężyny powrotne (21).

8. Sprzęgło według zastrzeżenia 1 znamienne tym, że posiada żebra (22) w tarczach w miejscach wykonania prowadnic (7), (8).