ШКИВ КЛИНОВОГО РЕМНЯ И СПОСОБ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ПОДШИПНИКА ШКИВА
PULLEY OF V-BELT AND METHOD OF HEAT REMOVAL FROM PULLEY BEARING

Предметом изобретения является конструкция шкива, предназначенного для направления или натяжения клинового ремня, в особенности в механических транспортных средствах. Предметом изобретения является также способ отвода тепла от подшипника шкива.
Шкивы, направляющие или натягивающие клиновые ремни в механических транспортных средствах чаще всего изготавливаются из металла, например из стали, или пластика, например из полиамида со стекловолокном. Шкивы из пластика изготавливаются методом литья под давлением. Металлические шкивы бывают точеные или штампованные из листового металла.
Срок службы шкива во многом определяется сроком службы подшипника, на котором он посажен. Подшипник подвергается воздействию механических сил, а также возникающей в результате эксплуатации температуры. Длительная эксплуатация в условиях высокой температуры, возникающей в результате работы подшипника, а также, дополнительно, вследствие нагрева блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, сокращает срок службы подшипника. Металл является хорошим проводником тепла и, следовательно, отвод температуры от подшипника обычно является достаточным. В случае шкивов из пластика отвод тепла от подшипника при работе шкива в сложных температурных условиях является недостаточным.
В известной конструкции шкив состоит из наружного кольца, чаще всего представляющего собой ручей (углубление) для клинового ремня, и внутреннего кольца, в котором установлен подшипник. Пространство между кольцами обычно является заполненным, а в случае пластиковых шкивов оно чаще всего укрепляется расположенными радиально рёбрами, состоящими из выпуклых лопастей, соединяющих оба кольца. В стальных шкивах иногда имеются технические отверстия, используемые для доступа инструмента (чаще всего это ключ для шкива) либо служащие уменьшению веса.
По состоянию уровня техники известны различные способы охлаждения подшипников. Чаще всего используется воздушное или жидкостное охлаждение. Известен также способ оборудования подшипника разного рода радиаторами, пытаясь сделать поверхность радиатора как можно большей.
Из публикации US2017358326A1 известен узел привода жёсткого диска компьютера, так называемый е-блок, который содержит множество лопастей, установленных соосно на подшипниках и приводимых в движение двигателем VCM. В связи с тем, что во время работы подшипников увеличивается температура, в решении, в соответствии с патентом, размещены радиаторные элементы, которые отводят тепло через электронный блок и затем рассеивают их в окружающую среду. Радиаторная поверхность этих элементов больше, чем площадь контакта с е-блоком благодаря использованию зигзагообразной или гофрированной поверхности.
В публикации CN202097039 (U) раскрыто охлаждающее устройство для подшипника декантирующей центрифуги. Устройство оснащено вентилятором и воздуховодом. При этом вентилятор закрепляется на барабане центрифуги рядом с основным подшипником. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, обвевает подшипник.
В публикации JP2003293977A раскрыто внешнее охлаждающее устройство подшипника насоса. В этом устройстве на наружном корпусе подшипника установлены рёбра радиатора, а осевой вентилятор крепится к валу насоса на верхней части наружного подшипника. Вентилятор вращается в соответствии с вращением вала насоса, благодаря чему воздух обтекает отводы радиатора. Ребра имеют особую форму, которая влияет на направление воздушного потока.
В публикации DE3025798 раскрыта конструкция, которая позволяет охлаждать подшипник и тормозной диск. Шариковый или роликовый подшипник для поддержки колес транспортного средства, которые смонтированы на внутреннем кольце подшипника с тормозным барабаном или тормозным диском, имеет вдоль всего внутреннего кольца отверстия, действующие при вращении колеса как вентилятор с радиальным потоком. Вызванный таким образом поток воздуха направляется на подшипник колеса и на каналы в задней части тормозного диска для охлаждения подшипника и тормоза. Внутреннее кольцо шарикоподшипника имеет в несущей тормозной диск и колесо обойме отверстия, которые действуют как радиальный вентилятор. Индуцированный воздушный поток частично охлаждает через каналы-воздуховоды тормозной диск, а частично наружное кольцо подшипника.
Целью изобретения является создание пластикового направляющего или натяжного шкива, который позволяет лучше отводить тепло от подшипника. Целью изобретения является также уменьшение количества пластика, используемого при его изготовлении. Целью изобретения является разработка способа более эффективного отвода избыточного тепла, вызванного вращательным движением подшипника, тепла, накопленного от блока двигателя внутреннего сгорания, а также избыточного тепла, вызванного слишком высоким натяжением ведомого шкивом клинового ремня.
В ходе исследовательских работ было замечено, что, несмотря на вращательное движение и наличие рёбер-лопастей в пластиковом шкиве, он не создает потока воздуха достаточного для отвода тепла, возникающего в результате трения в подшипнике. Поэтому были предложены модифицированная конструкция шкива и модифицированный метод охлаждения подшипника благодаря этой конструкции.
Сущность, согласно изобретению, представляет собой шкив, предназначенный для натяжения или направления ремня, содержащий, по существу, подшипник, на котором посажено внутреннее кольцо, лопасти опорных рёбер, соединяющие внутреннее кольцо с наружным кольцом, являющимся ручьём ремня на шкиве, а также опорное наполнение между опорными рёбрами. Сущность изобретения состоит в том, что шкив содержит по меньшей мере два окна, расположенные равномерно в периферийном пространстве по периметру между кольцами. Окна по бокам ограничены поверхностью лопастей рёбер, которые с одной стороны в принципе в половине своей ширины отклонены от плоскости центрального поперечного сечения шкива под углом отклонения, составляющим α∈<1° - 60°> и расположены относительно друг друга таким образом, что не отклонённая часть лопасти одного ребра (421) находится напротив отклонённой части лопасти второго ребра (422).
В другом варианте осуществления шкива лопасти рёбер дополнительно отклоняются от радиуса шкива под углом β∈<1° - 60°>, предпочтительно β∈<5° - 50°>.
В ещё одном, особенно предпочтительном варианте осуществления шкив выполнен из пластика и содержит металлическую армировку.
Предпочтительно металлическая армировка имеет внутреннее кольцо, которое включает в себя корпус подшипника и соответствует внутреннему кольцу шкива, и наружное кольцо, соответствующее наружному кольцу шкива, а между кольцами и армировкой находятся соединительные элементы.
В предпочтительной форме прерывистая поверхность армировки проявляется наличием отверстий в соединительных элементах, отверстий в наружном кольце, а также в сквозных отверстиях-выемках во внутреннем кольце.
Предпочтительно материал шкива является полимерным материалом или композитом полимерного материала и материала армировки. Предпочтительно полимер является полиамидом или фенолформальдегидными смолами PF или меламино-фенолформальдегидными смолами MPF.
Предпочтительно материал армировки представляет собой листовой металл глубокой вытяжки толщиной от 0,1 до 5 мм, предпочтительно от 0,4 до 0,7 мм.
Предпочтительно ширина лопастей опорных рёбер при внутреннем кольце меньше ширины лопастей рёбер при наружном кольце.
Сущность способа отведения тепла с подшипника шкива согласно изобретению заключается в том, что тепло, генерируемое в результате вращательного движения подшипника, отводится через металлическую конструкцию с высокой термической проницаемостью, опоясывающею корпус подшипника в виде армировки в пространстве между кольцами шкива к поверхности наружной окружности шкива, а также дополнительно подвергается воздействию воздушного потока между внутренним и наружным кольцами шкива, вызванного вращением шкива и соответствующей конфигурацией положения лопастей его рёбер.
Шкив согласно изобретению, благодаря применению интенсивного потока воздуха из окружающей среды с более низкой температурой в направлении среды с более высокой температурой, эффективно отводит избыточное тепло от подшипника, что приводит к увеличению срока его службы и, следовательно, срока службы всего шкива. Кроме того, шкив действует как вентилятор также по отношению к другим элементам системы, в частности он может подавать воздух и тем самым охлаждать приводной элемент, к которому он прикреплен. Конструкция шкива обуславливает значительный расход сырья в виде пластика. В местах окон материал отсутствует. Это оказывает существенное влияние на защиту окружающей среды. Использование металлической арматуры дополнительно увеличивает тепловыделение, так как эта армировка действует как радиатор.
Изобретение представлено в примерном варианте осуществления на чертеже, где на фиг. (Fig.) 1а-e показаны различные проекции (а – продольный разрез, b – разрез по хорде, c - вид спереди, с – изометрическая проекция, e - вид в перспективе) шкива, описанного в первом примере, в варианте с двумя окнами.
На фиг.2а-е показаны соответствующие проекции шкива из первого примера, в варианте с тремя окнами.
На фиг.3а-е показаны соответствующие проекции шкива из первого примера, в варианте с четырьмя окнами.
На фиг.4а-е показаны соответствующие проекции шкива из первого примера, в варианте с шестью окнами.
На фиг.5а-е показаны соответствующие проекции шкива из первого примера, в варианте с восемью окнами.
На фиг.6а-с показаны различные варианты угла α отклонения лопастей рёбер шкива от центральной плоскости продольного сечения шкива.
На фиг.7а-е показаны различные проекции (а – продольный разрез, b – разрез по хорде, c - вид спереди, с – изометрическая проекция, e - вид в перспективе) шкива, описанного во втором примере, в варианте с двумя окнами.
На фиг.8а-е показаны соответствующие проекции шкива из второго примера, в варианте с тремя окнами.
На фиг. 9а-е показаны соответствующие проекции шкива из второго примера, в варианте с четырьмя окнами.
На фиг.10а-е показаны соответствующие проекции шкива из второго примера, в варианте с шестью окнами.
На фиг. 11а-е показаны соответствующие проекции шкива из второго примера, в варианте с восемью окнами.
На фиг.12a-b - фиг.14a-b показаны различные варианты угла β отклонения лопастей рёбер шкива от радиуса шкива.
На фиг.15 показана армировка шкива в соответствии с примером 3 в изометрической проекции,
На фиг.16 показан вид армирования спереди в соответствии с примером 3а,
На фиг.17 показан вид шкива из пластика с внутренней армировкой в соответствии с примером 3а.
На фиг.18 показана армировка шкива в соответствии с примером 3b в изометрической проекции,
На фиг. 19 показан вид армировки спереди в соответствии с примером 3b,
На фиг.20 показан вид пластикового шкива с внутренней армировкой в соответствии с примером 3b.
Всякий раз, когда в представленном описании упоминается клиновой ремень, под этим понятием каждый раз следует понимать какой-либо бесконечный ремень, применяемый в ременных передачах, причём этот ремень должен иметь по меньшей мере один элемент или паз с трапециевидным сечением или формой, похожей на трапециевидную. Количество элементов с трапециевидным поперечным сечением или элементов трапециевидной формы исходно не ограничено, не имеет значения ни строение и конструкция такого ремня, ни материал, из которого он изготовлен, ни геометрические параметры, такие как: длина, ширина, шаг, количество рёбер; не важно также, передает ли ремень привод на одно приемное устройство, или это серпантинный ремень, приводящий в движение множество компонентов; а также не важно, со сколькими шкивами, натяжными элементами и демпферами работает этот ремень. При этом не важно, приводятся ли шкивы в движение с помощью рифлёной части ремня или его плоской части.
Пример 1.
1
2
3
41
42
41
42
2
5
4
41
1
2
42
42
42
421
422
41
42
5
42
5
4b
6
Шкив, предназначенный главным образом для направления или натяжения клинового ремня в двигателях внутреннего сгорания механических транспортных средств, показанный на фиг.1 - фиг.6, изготовлен из полиамидного материала с примесью стекловолокна. Шкив состоит из наружного кольца  имеющего с внешней стороны ручей ремня для клинового ремня, и внутреннего кольца , внутри которого встроен подшипник . Между кольцами в этом примере имеются лопасти рёбер , , расположенные в этом примере по существу радиально относительно центра шкива. Ширина лопастей рёбер  и  при внутреннем кольце  меньше ширины лопастей рёбер при наружном кольце. Между некоторыми из лопастей рёбер имеется опорное наполнение , ширина которого значительно меньше ширины лопастей опорных рёбер . Часть лопастей опорных рёбер  расположена симметрично и перпендикулярно относительно центральной плоскости продольного сечения шкива и перпендикулярно относительно поверхности колец  и . Часть лопастей рёбер  асимметрична относительно центральной плоскости продольного сечения шкива. Асимметричная лопасть ребра  является с одной стороны, посередине своей ширины, отклонённой от плоскости центрального продольного сечения шкива под углом α∈<1° - 60°>, как показано на фиг. 6a-c. На фиг.6с показан угол α небольшого размера, например, 1° или 5°, на фиг.6b показан угол среднего размера, например, 20°,30°, на фиг.6а показан большой угол, например 60⁰ или 45⁰. Предпочтительные угловые интервалы, благоприятные для воздушного потока, находятся в диапазоне α∈<10° - 45°>. Асимметричные лопасти рёбер  расположены относительно друг друга таким образом, что не отклонённая часть одной  лежит напротив отклонённой части другой лопасти ребра . В пространстве между симметричными лопастями рёбер  и асимметричными лопастями рёбер  находится опорное наполнение . В пространстве между асимметричными лопастями рёбер  опорное наполнение  отсутствует. Пространство без заполнения между лопастями рёбер  образует окно , являющееся направляющим воздух элементом.
6
42
421
422
42
1
6
1
2
Окна  между лопастями рёбер  позволяют на поток воздуха между ними. Кроме того, отклонения  и  поверхности лопастей рёбер приводят к тому, что воздух захватывается и направляется через полость отверстия, а затем за пределы шкива из области более низкой температуры в область более высокой температуры. Такая конфигурация лопастей  создает направляющие для воздушного потока. В типичных шкивах согласно примеру  может быть два (фиг.1а-е) или три (фиг.2а-е) или четыре (фиг.3а-е) или шесть (фиг.4а-е) или восемь окон (фиг.5а-е)  которые равномерно распределены в периферийном пространстве между кольцами  и . Шкив в конфигурации, описанной выше, может вращаться в обоих направлениях, в зависимости от того, в каком направлении должен проходить через него воздушный поток. Следовательно, возможен надув на объект, к которому он прикреплен, например, на корпус двигателя, или отвод горячего воздуха от корпуса двигателя.
Пример 2.
41
42
12a, b
13a, b
14a, b
6
Во втором примере исполнения опорные лопасти рёбер  и  шкива, выполненного из того же материала, что и в примере 1, отклонены от радиуса на угол β∈<1° - 60°>. На фиг.  показан вариант шкива, в котором угол β составляет 60 ° или 50 °. На рис.  показан вариант шкива, где угол β составляет 32°. На рис.  показан вариант шкива, где угол β составляет 5° или 1°. Предпочтительный диапазон углов, с точки зрения потока воздуха, составляет: β∈<5° - 50°>. Оставшаяся компоновка расположения системы лопастей рёбер аналогична первому примеру. Количество приведенных в первом примере окон  также применяемо в этом шкиве с радиально отклоненными лопастями рёбер. (Фиг. 7a, b, c, d, e - Фиг. 11a, b, c, d, e). Шкив односторонний, т.е. он должен вращаться в направлении отклонения лопастей рёбер.
Пример 3 a.
7
7
7
81
82
7
9
2
10
1
9
10
7
11
7
7
81
11
82
10
12
11
6
7
3
7
9
11
10
В примере исполнения 3a компоновка расположения системы лопастей рёбер такая же, как в примерах 1 или 2, то есть шкив имеет радиально ориентированные лопасти рёбер либо они соответствующим образом отклонены от радиуса, при том что внутри полиамидного литья находится металлическая армировка  (фиг.15 – фиг.17). Армировка  выполнена из листового металла глубокой вытяжки толщиной около 6 мм. В армировке  предусмотрены отверстия  и . Армировка  имеет внутреннее кольцо , которое является металлическим, окружает корпус подшипника, и соответствует внутреннему кольцу  шкива, а также наружное кольцо , соответствующее наружному кольцу  шкива. Между кольцами  и  армировки  расположены соединительные элементы . Армировка  имеет по существу ажурную конструкцию, которая создаётся, например, путем лазерной резки. Ажурная конструкция армировки  проявляется наличием отверстий  в соединительных элементах , отверстий  в наружном кольце  и сквозных отверстий-выемок  во внутреннем кольце. Количество соединительных элементов  соответствует количеству окон  в шкиве. Изготовление готового шкива заключается в том, что армировка  насаживается на подшипник , а затем закладывается в литейную форму, в которую впрыскивается под давлением полиамидная пластмасса. Пластик проходит через отверстия и выемки в армировке, так что армировка наполняется ним и обволакивается. После охлаждения шкив, представляющую собой гибрид пластика и металла, извлекается из формы. Полиамидный шкив с внутренней армировкой  показан на фиг.17. Внутреннее металлическое кольцо , опоясывающее подшипник в сочетании с соединительными элементами  и наружным кольцом , увеличивает отвод тепла от подшипника. Металл является гораздо лучшим термическим проводником, чем пластик, благодаря чему делает отвод тепла более эффективным. Армировка шкива также увеличивает его прочность и устойчивость к механическим нагрузкам.
Пример 3b
13
13
13
14
2
15
1
14
15
13
16
16
6
13
3
13
14
16
15
В примере 3b исполнения компоновка расположения системы лопастей рёбер такая же, как в примерах 1 или 2, то есть шкив имеет радиально ориентированные лопасти рёбер, либо они соответствующим образом отклонены от радиуса, при том что внутри полиамидного литья находится металлическая армировка  (фиг.18 – фиг.21). Армировка  выполнена из листового металла глубокой вытяжки толщиной около 6 мм. Армировка  имеет внутреннее кольцо , которое является металлическим, окружает корпус подшипника, и соответствует внутреннему кольцу  шкива, а также наружное кольцо , соответствующее наружному кольцу  шкива. Между кольцами  и  армировки  расположены соединительные элементы . Количество соединительных элементов  соответствует количеству окон  в шкиве. Изготовление готового шкива заключается в том, что армировка  насаживается на подшипник , а затем закладывается в литейную форму, в которую впрыскивается под давлением полимерная пластмасса, например полиамидный пластик. Пластик обволакивает арматуру, так что армировка наполняется ним и обволакивается. После охлаждения шкив, представляющую собой гибрид пластика и металла, извлекается из формы. Полиамидный шкив с внутренней армировкой  показан на фиг.20 и фиг.21. Внутреннее металлическое кольцо , опоясывающее подшипник в сочетании с соединительными элементами  и наружным кольцом , увеличивает отвод тепла от подшипника. Металл является гораздо лучшим термическим проводником, чем пластик, благодаря чему делает отвод тепла более эффективным. Армировка шкива также увеличивает его прочность и устойчивость к механическим нагрузкам.
Пример 4.
3
7
13
1
2
2
1
42
42
41
Способ отвода тепла от подшипника шкива состоит в том, что тепло, генерируемое в результате вращательного движения подшипника , отводится через металлическую конструкцию с высокой термической проницаемостью, опоясывающею корпус подшипника в виде армировки , , в пространство между кольцами  и  шкива, а также на поверхность внешней периферии шкива дополнительно подвергаясь воздействию воздушного потока между внутренним  и наружным кольцом  шкива, вызванном вращательным движением шкива и соответствующей конфигурацией положения лопастей рёбер . Другие возможные варианты формы лопастей рёбер  и  описаны в примерах 1 и 2, а конструкция металлической структуры в форме армировки описана в примерах 3a и 3b. В качестве арматуры использовалась листовая сталь глубокой вытяжки DC01. Также можно использовать листовую сталь DC02, DC03 или DC04.
Другие возможные варианты.
Кроме указанного в 1 примере полиамидного пластика, в каждом из примеров, касающихся представленных устройства и способа может быть использована другая полимерная пластмасса или полимерный материал с примесью армирующего материала. В случае полиамидного пластика может использоваться полиамид PA6 в чистом виде или с добавлением стекловолокна GF или стеклянных шариков GB до 50%. Например: PA6-30GF – это полиамид с 30% стекловолокна, PA6-GB40 – это полиамид с 40% добавлением стеклянных шариков. То же самое касается и полиамида PA66. В качестве полимерного материала также можно использовать фенолформальдегидные смолы PF или меламинофенолформальдегидные смолы MPF.
Листовой металл для армирования шкива может иметь толщину в диапазоне от 0,1 до 5 мм. Армирование шкива также может быть изготовлено из любого твердого материала с высокой теплопроводностью. Например, из таких материалов, как сталь, алюминий, медь, сталь, никель или их сплавы, или сплавы с другими материалами.
Конструкции шкива могут также использоваться в случае шкивов с поликлиновыми ремнями, гладкими ремнями и цепями. Использование ремня или цепи, либо другого передающего средства зависит от формы ремневого ручья шкива.
Изобретение находит применение в автомобильной промышленности, а также во всех других отраслях промышленности, в которых вращательное движение передается от одного элемента к другому посредством ремней и / или цепей.
Перечень обозначений
1. Наружное кольцо
2. Внутреннее кольцо
3. Подшипник
4. Лопасть опорного ребра
41. симметричная лопасть опорного ребра
42. асимметричная лопасть опорного ребра
421, 422. отклонение асимметричной лопасти опорного ребра
5. Опорное наполнение
6. Окно
7. Ажурная армировка
8. Отверстия в армировке
81 отверстия в соединительных элементах 11
82 отверстия в наружном кольце 10
9. Внутреннее кольцо ажурной армировки
10. Наружное кольцо ажурной армировки
11. Соединительные элементы ажурной армировки
α - угол отклонения от плоскости центрального поперечного сечения шкива
β - угол отклонения от радиуса шкива
12. Выемки
1. Цельная армировка
2. Внутреннее кольцо цельной армировки
3. Наружное кольцо цельной армировки
4. Соединительные элементы цельной армировки