СОЕДИНЕНИЕ ВАЛОВ
SHAFT CONNECTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к передаче мощности в соединении валов.
Уровень техники
В соответствии с предшествующим уровнем техники валы соединяются соосно друг другу в качестве силовой передачи таким образом, что подшипники расположены на первом и втором концах первого и второго вала, т.е. всего соединение содержит четыре подшипника.
Проблема такого решения состоит в том, что радиальное отклонение между валами за счет установки валов может вызывать значительную нагрузку на конструкции в месте соединения валов.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего решить указанную проблему. Задачу настоящего изобретения позволяет решить устройство, охарактеризованное в независимом пункте прилагаемой формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах прилагаемой формулы изобретения.
Указанную задачу позволяет решить соединение валов, содержащее первый вал, содержащий первый конец и второй конец, причем первый подшипник расположен вблизи первого конца и, в соответствии с изобретением, соединение валов дополнительно содержит второй вал, содержащий первый конец и второй конец, причем второй подшипник расположен вблизи второго конца, и первый и второй валы расположены соосно таким образом, что второй конец первого вала примыкает к первому концу второго вала.
На концевой поверхности второго конца первого вала предусмотрена выемка, а от концевой поверхности первого конца второго вала выступает выступ, причем выемка вмещает выступ таким образом, что боковая поверхность выступа и боковая поверхность выемки прилегают друг к другу. Боковая поверхность выступа или боковая поверхность выемки или обе эти контактирующие поверхности изогнуты в осевом направлении первого и второго валов.
Для опоры первого и второго валов соединение валов содержит, помимо первого и второго подшипников, только один третий подшипник, расположенный вблизи места соединения первого и второго валов.
Соединение валов дополнительно содержит соединительную муфту, 5 вмещающую второй конец первого вала и первый конец второго вала, и соединяет их без возможности вращения друг относительно друга для передачи мощности между первым и вторым валами.
Такое соединение валов допускает большее радиальное отклонение между валами, т.е. валы могут быть направлены не настолько прямолинейно, как 10 этого требовали известные решения, без значительной избыточной нагрузки, падающей на структуры места соединения валов.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более подробно описано ниже на примерах предпочтительных вариантов осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлен разрез в соответствии с первым вариантом осуществления.
На фиг. 2 представлен в увеличенном масштабе разрез в соответствии с вариантом осуществления по фиг.1.
На фиг. 3 представлен концептуальный разрез зубчатой передачи первого вала, второго вала и соединительной муфты.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен в качестве примера общий вид соединения валов в соответствии с первым вариантом осуществления. В соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1 соединение валов содержит первый вал 1, содержащий первый конец 1-1 и второй конец 1-2, причем первый подшипник 3 расположен вблизи первого конца 1-1. Соединение валов дополнительно содержит второй вал 2, содержащий первый конец 2-1 и второй конец 2-2, причем второй подшипник 4 расположен вблизи второго конца 2-2. Первый и второй валы 1, 2 расположены соосно, иными словами центральные линии обоих валов лежат на одной оси 5. Кроме того, валы расположены таким образом, что второй конец 1-2 первого вала 1 примыкает к первому концу 2-1 второго вала 2. Первый вал 1 может быть валом двигателя, а второй вал 2 может быть валом зубчатого колеса, как можно видеть в примере по фиг. 1.
Помимо первого и второго подшипников 3, 4, соединение валов содержит, в качестве опоры первого и второго валов 1, 2, только один третий подшипник 8, расположенный вблизи от места соединения первого и второго валов 1, 2. В соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1, третий подшипник 8 расположен вблизи первого конца 2-1 второго вала 2 на стороне зубчатого колеса. Таким образом, вся соединительная муфта содержит не более трех подшипников для опоры валов.
На фиг. 2 представлен в увеличенном масштабе вид в соответствии с изобретением по фиг. 1. На фиг. 2 можно видеть, что на концевой поверхности второго конца 1-2 первого вала 1 предусмотрена выемка 6, а на концевой поверхности первого конца 2-1 второго вала 2 выступает выступ 7, причем выемка 6 вмещает выступ 7 таким образом, что боковая поверхность выступа и боковая поверхность выемки прилегают друг к другу. Боковая поверхность выступа 7 или боковая поверхность выемки 6 или обе эти контактирующие поверхности искривлены в осевом направлении первого и второго валов 1, 2. В рассматриваемом примере выступ 7 является бочкообразным, а боковая поверхность выемки 6 выполнена таким образом, чтобы соответствовать форме боковой поверхности выступа 7, принимая во внимание, что первый и второй вал 1, 2 в сборе могут быть выровнены по оси. Под «бочкообразной» в настоящем контексте подразумевается форма, в которой наибольший диаметр выступа расположен в его центральной части, и при перемещении в осевом направлении от этой центральной части диаметр выступа 7 уменьшается.
В соответствии с одним из вариантов, выступ 7 выполнен бочкообразным, а выемка 6 имеет вид прямого кругового цилиндра. Основной задачей выбора взаимных форм выступа 7 и выемки 6 является обеспечение взаимной опоры первого и второго валов 1, 2 в радиальном направлении, но при обеспечении такой опоры эти валы сохраняют положение относительно друг друга, даже если между продольными осями валов имеется небольшое угловое отклонение.
На фиг. 2 можно также видеть, что соединение валов содержит соединительную муфту 9. Эта соединительная муфта 9 вмещает второй конец 1-2 первого вала 1 и первый конец 2-1 второго вала 2 и соединяет их без возможности вращения друг относительно друга для передачи мощности между первым и вторым валами 1, 2.
В соответствие с вариантом осуществления по фиг. 2, соединительная муфта 9 окружает второй конец 1-2 первого вала 1 и первый конец 2-1 второго вала 2. Наружная поверхность второго конца 1-2 первого вала 1 выполнена как ответная часть к внутренней поверхности соединительной муфты 9 для предотвращения их вращения относительно друг друга. Соединительная муфта 9 образует паз/соединение валов между первым и вторым валами 1, 2.
Первое соединение валов по фиг. 2 отличается тем, что соединительная муфта 9 передает крутящий момент между первым валом 1 и вторым валом 2, т.е. вращение валов относительно друг друга исключается. Отличительным признаком зазора между пригнанными друг к другу вторым концом 1-2 первого вала и первым концом 2-1 второго вала является то, что благодаря их пригонке радиальное смещение исключается постольку, поскольку речь идет о выступе 7 и выемке 6.
Обычно такое соединение валов содержит четыре подшипника. Однако в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1 и 2 четыре подшипника не требуются. Опора, обеспечиваемая тремя подшипниками совместно с формой второго конца 1-2 первого вала 1 и первого конца 2-1 второго вала 2, допускает несколько большее радиальное отклонение между валами без создания избыточной нагрузки на соединительную втулку и/или подшипники при каждом повороте. Это, в свою очередь, продлевает срок службы устройств и уменьшает время простоя, а также количество работы, связанной с выравниванием валов. В соответствии с вариантом осуществления по фиг. 2, соединение между первым валом 1 и вторым валом 2 дополнительно содержит первое уплотнительное кольцо 10 и второе уплотнительное кольцо 11 для обеспечения герметичности посадки узла соединения валов. Первое уплотнительное кольцо 10 расположено вблизи второго конца 1-2 первого вала 1, а второе уплотнительное кольцо 11 расположено вблизи первого конца 2-1 второго вала 2. Кроме того, соединение содержит предохранительное кольцо 12 между первым и вторым валами 1, 2.
Один из подшипников первого вала 1 и второго вала 2, принимающий осевую нагрузку, предназначен для обоих валов. Следовательно, узел соединения валов не подвергается действию большой осевой силы. Соединение валов содержит маленький просвет в осевом направлении, допуская небольшое осевое перемещение между вторым концом 1-2 первого вала и первым концом второго вала. Этот маленький просвет учитывает производственный допуск, точность установки, температурные деформации и т.д. После сборки просвет в осевом направлении, остающийся между поверхностями валов, слегка превышает толщину предохранительного кольца. Таким образом, валы не соприкасаются друг с другом даже усеченным кольцом на поверхностях. Целью этого является то, что валы контактируют друг с другом только цилиндрическими или по существу цилиндрическими боковыми поверхностями, такими как бочкообразные боковые поверхности выступа и выемки.
С помощью уплотнительных колец замкнутая смазочная коробка герметизируется в области соединения. При сборке в смазочной коробке содержится вазелин для обеспечения консистентной смазки. Между вторым концом 1-2 первого вала 1 и первым концом 2-1 второго вала 2 расположено предохранительное кольцо 12, задачей которого является обеспечение положения соединительной муфты 9 в осевом направлении таким образом, чтобы соединительная муфта не перемещалась в осевом направлении до уплотнительного кольца, и уплотнительные кольца не могли подвергаться сдвигу. Предохранительное кольцо 12 является внутренним кольцом, для которого при сборке соединительной муфты 9 на внутренней поверхности соединительной муфты 9 вырезается кольцевая канавка 13. Глубина кольцевой канавки 13 едва достигает внутреннего зубчатого зацепления, но профиль канавки 13 не проходит изнутри наружу так, чтобы доставать до дна канавки осевого зубчатого колеса.
На фиг. 3 представлен концептуальный вид зубчатого колеса первого вала 1, второго вала 2 и соединительной муфты 9. Фиг. 3 дана не в масштабе, и детали могут отличаться от представленных на чертеже. В примере по фиг. 3 второй конец 1-2 первого вала 1 содержит первое зубчатое колесо 14, первый конец 2-1 второго вала 2 содержит второе зубчатое колесо 15, и внутренняя поверхность соединительной муфты 9 содержит третье зубчатое колесо 16. Кроме того, на фиг. 3 представлен разрез соединительной муфты 9 для показа третьего зубчатого колеса 16. Что касается возможного углового отклонения между валами, то можно обеспечить несколько больший допуск на соединении таким образом, чтобы по меньшей мере на одном из зубчатых колес 14, 15 вместо прямого зубчатого колеса изготавливалась слегка бочкообразное зубчатое колесо.
Преимущество соединения, соединенного с соединительной муфтой, состоит в том, что оно сбалансировано относительно вращения, в отличие от соединения, выполненного с параллельным ключом, являющегося несбалансированным относительно вращения. Особое преимущество соединения, соединенного с соединительной муфтой, состоит в том, что валы соединения могут вращаться с более высокой скоростью вращения. Из предшествующего уровня техники известно, например, решение, в котором валы соединены зубчатой муфтой, и скорость вращения в 4500 об/мин приводит к повреждениям при диаметрах вала от 80 до 100 мм. Решение и соединение валов в соответствии с независимым пунктом прилагаемой формулы изобретения успешно работает при скорости вращения 9000 об/мин.
Соединительная муфта предпочтительно изготавливается путем протягивания таким образом, что на ней может быть получено внутреннее осевое зубчатое колесо. При протягивании через соединительную муфту протягивается длинный инструмент, который нарезает требуемые зубья предпочтительно за одну протяжку. Инструмент имеет форму шестерни, но его зубья противоположны зубьям соединительной муфты. Обычно в зубчатом зацеплении трапецеидальное зубчатое колесо имеет угол бокового наклона в 30 градусов.
В соединении вала двигателя и вала зубчатого колеса из предшествующего уровня техники фланцы устанавливаются в соответствии с местом соединения, как на стороне двигателя, так и на стороне зубчатого колеса, и внутри этих фланцев расположены подшипники вблизи второго конца вала двигателя и первого конца вала зубчатого колеса. Однако в соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1, имеется только один фланец 17, содержащий третий подшипнике. Этот фланец 17 расположен только на стороне зубчатого колеса вблизи первого конца 2-1 второго вала 2, и, таким образом, на стороне двигателя не имеется фланца. Альтернативно, фланец может быть расположен так же на стороне двигателя, вследствие чего третий подшипник будет расположен вблизи второго конца первого вала, и соответственно, на стороне зубчатого колеса фланца не будет. Исключение второго фланца является предпочтительным, поскольку это укорачивает общий размер соединения валов и экономит пространство.
В описанном первом варианте осуществления подразумевается, что первый вал является валом двигателя, а второй вал - валом зубчатого колеса. Альтернативно, первый вал может быть валом зубчатого колеса, а второй вал - валом двигателя. На чертежах так же представлено, что место соединения валов расположено на стороне двигателя. Однако место соединения валов может быть расположено и на стороне зубчатого колеса. Кроме того, в соответствии с этим вариантом осуществления, соединительная муфта расположена таким образом, что она окружает место соединения первого и второго валов. Альтернативно, соединительная муфта может окружать эти валы только частично или находиться между валами.
Наиболее предпочтительным способом расположения подшипников является расположение двух подшипников на стороне зубчатого колеса и одного на стороне электродвигателя. В этом случае, возможное отклонение, вызванное получением соединения валов путем соединения валов друг с другом, образуется на наружном конце вала электродвигателя относительно соединения, т.е. на концевой стороне воздушного зазора. Таким образом, эффект отклонения может быть смещен к точке, где он не имеет большого значения.
Альтернативный способ состоит в помещении двух подшипников на электродвигатель и одного на зубчатое колесо вблизи соединения валов, и возможное отклонение в положении вала перемещается к зубчатому колесу, дальше от соединения валов. Здесь, на валу зубчатого колеса, на дальнем конце относительно соединения валов, может быть зубчатое колесо в зацепляющем контакте, в котором, однако не образуется значительного отклонения, поскольку небольшое смещение (или отклонение) рассматриваемого вала зубчатого колеса находится относительно далеко, т.е. на концевой стороне соединения валов.
При сборке двигателя и зубчатого колеса разработано расположение разных диаметров относительно друг друга таким образом, что сборка может осуществляться поэтапно, когда части приводятся ближе друг к другу в осевом направлении. В осевом направлении соединительная муфта размещается на любом конце вала, валы соединяются, и, наконец, фланцевые соединения электродвигателя и зубчатого колеса соединяются друг с другом.
Обычные материалы валов выбираются таким образом, чтобы наиболее твердый материал был в валу зубчатого колеса, и это может быть, например, цементируемая сталь. Второй наиболее твердый материал расположен в валу электродвигателя, и это может быть, например, отпущенная сталь, такая как 42CrMo4. Соединительная втулка изготавливается из мягкой стали, такой как конструкционная сталь.
Между вторым концом первого вала и первым концом второго вала обеспечивается взаимная опора, которая может занимать место одного подшипника в соответствии с известным техническим решением, в котором, как известно, всего используется четыре подшипника. Таким образом, в соединении валов в соответствии с независимым п. 1 прилагаемой формулы изобретения число подшипников уменьшается с четырех до трех, и в конструкции используются три подшипника, дополненные взаимной опорой. Решение в соответствие с независимым пунктом прилагаемой формулы изобретения направлено на межосевое соединение валов, в котором предусмотрено следующие три степени свободы в соединении валов:
- небольшое осевое перемещение (соответственно, осевая сила) допускается, но значительное осевое перемещение исключается с помощью заграждений или воротников, выполненных в конструкции;
- радиальное перемещение (соответственно, радиальная сила) ограничено боковой поверхностью выступа и боковой поверхностью выемки, и
- вращательное перемещение (соответственно, крутящий момент) ограничен с помощью соединительной муфты, соединяющей без возможности вращения друг относительно друга первый и второй валы.
Соединение валов в соответствии с независимым п. 1 прилагаемой формулы изобретения применяется по меньшей мере на валах в диапазоне размеров от 10 до 30 мм. С помощью рассматриваемого соединения валов два трансмиссионных вала могут быть соединены друг с другом таким образом, что эффект углового отклонения или радиального отклонения между ними может быть практически устранен. В решениях из известного уровня техники, при диаметрах оси меньше 20 мм радиальное отклонение должно составлять меньше 0,05 мм. При радиальном отклонении в 0,1 мм соединение подвергается такой нагрузке, что трансмиссия разрушается за очень короткое время. Специалисту в данной области ясно, что по мере развития технологии, принцип изобретения может осуществляться различными способами. Изобретение и варианты его осуществления не ограничены описанными выше примерами и могут изменяться без отклонений от сущности изобретения, описанной в прилагаемой формуле изобретения.