CN1018283B - 传递扭矩和/或轴向力的卡头 - Google Patents

Abstract

卡头(100)具有两个锥环(10、20)，它们分别安装在轴(1)上面和外接件(3)的开孔(4)之中，当两锥环沿轴向相对运动时，外接件即可将轴(1)夹紧。锥环的轴向移动是通过一个安装在锥环(10)上的螺旋夹紧环(30)实现的，该环具有一个向内凸起的凸缘(17)，它与其后面的另一个锥环(20)的径向外凸的凸缘(13)相接合。

Description

本发明涉及一种在一个内接件和至少一个外接件之间传递扭矩和和/或轴向力的卡头。

一种类似的卡头已为联邦德国公开专利说明书第3444608号所公开。该卡头的螺纹段位于内锥环的薄壁端，其螺纹环的径向内凸的凸缘卡在外锥环的径向外凸的凸缘后部。当外锥环产生少量径向弹性延伸时，即可达到两凸缘卡紧的状态。夹紧卡头时，套在内锥环上的外锥环朝着前者的厚壁端方向被压紧，同时外锥环的端面靠在螺纹环上。松开卡头时，在螺纹环和外锥环的凸缘处会发生后部切削。

当锥环之一发生弹性变形时，凸缘由于卡紧过程中会产生后部切削，所以其高度只能做得很低。与此相应的便是通过这种凸缘所能传递的拉力要受到限制，由于台阶要尽可能做得很低，所以在较高的表面压力下会出现变形的倾向，为了产生尽量大的夹紧力，在大多数情况下必须采用自锁锥角，这时松脱力实际上会与夹紧力同样大。因此联邦德国公开专利说明书第3444608号所述的卡头仅仅适于在扭矩有限的情况下使用。

此外该卡头的另一个缺点是，螺纹环基本上位于外锥环端面的前方，也就是说，在轴向上位于外锥环的外侧，因此这就增加了卡头的轴向结构长度。

在欧洲专利公开说明书7212号中描述了另一类似的卡头。该卡头的螺纹结构与锥面结构相对而言是一样的，但是其螺纹环具有一 个圆柱形的，卡在外锥环端部上面的凸肩。该凸肩可通过一圈向内凸起的凸缘卡在外锥环外表面的一道凹槽内。在这种接合结构中，至少也要在一侧配合件上出现弹性变形，因此接合高度同样会受到后部切削的限制，该卡头的卡紧是通过凸肩的端面贴靠在外锥环凹槽的一个侧面上实现的。因为在卡紧过程中，凸肩必然会产生变形，并且由于变形的要求需将凸肩制成薄壁型。所以在施加轴向卡紧压力时，会出现膨胀变形或者其他变形的危险。

本发明的任务是，制造一种上述类型的卡头，该卡头具有较大的卡紧力。

卡头内接件具有圆柱形的外表面，特别一是根轴，其外接件装在卡头外部，具有一个开孔，该外接件特别是一个套筒;该卡头具有下列零件：一个内锥环，其圆柱形内表面与内接件的外表面相接合，其外表面呈锥形;一个外锥环，其外表面能与外接件开孔的圆柱形内表面相接合，其内表面呈锥形，可以与内锥环的锥形外表面相配合;一个可以旋在内锥环螺纹上面的螺旋夹紧环，它具有一圈沿径向内凸的凸缘，该凸缘位于外锥环的沿径向外伸的凸缘的后部并与后者接合在一起。

本发明的特征是：其中一个凸缘位于外锥环的薄壁端，自外圆面向外凸起，该外圆面系外锥环向其厚壁端一侧延伸而形成的支承部分的表面;内锥环的厚壁端上设有螺纹，该段螺纹自内锥环外圆面上向外凸起，并高于凸缘的外圆面，内锥环的外圆面系内锥环向环的与外接件相对并径向内凸的凸缘端面上沿圆周分布有液压活塞/缸体单元。在操作中，该单元的活塞可以顶在对面外接件的端面上。活塞/缸体单元可以作用在套在外锥环圆柱形外表面上的外接件上。通过这 种方式即将产生一个可经螺旋夹紧环传递到内锥环上的压力，在该压力的作用下锥环即可相互分离。

按照本发明，螺旋夹紧环上经向内凸的凸缘的内圆而与外锥环外圆面之间有径向间隙，所述的间隙是十分必要的，它可以避免夹紧时，在螺旋夹紧环的向内凸起的凸缘内表面上产生摩擦。

按照本发明，外接件在其开孔上具有一内螺纹，而外锥环在其外圆面上具有外螺纹，外接件即旋接在外锥环上，所述的螺纹连接可以允许卡头在外接件上做轴向调整，这尤其适用于外接件固定在垂直的轴上的场合。

根据本发明的一种特殊的实施例。在该例中，卡头以垂直于其轴线的中平面为界呈镜面对称结构，由一个内接双锥环和两个套在其上面的外锥环以及两个螺旋夹紧环构成。

内锥环具有双锥形结构，其他夹紧零件也相应地为双份配置。这一结构适于作为轴或管的连接器。使用时，可以将轴头从两端插到双锥环中，直至轴的端面在中间相碰为止。两个螺旋夹紧环的夹紧可以相互独立完成。

在本发明中外接件为联接法兰。

为了利用外锥环的凸缘区域传递径向夹紧力，建议按照本发明，外锥环和螺旋夹紧环的支承面均呈斜面形使得当卡头夹紧时，外锥环在其凸缘的范围内沿径向产生一方向朝里的分力力。

斜面的倾斜角最好为45°

为了保证螺旋夹紧环轴向力中尽可能大的份额转变成为径向夹紧力，并且避免损失过多的变形能量以消除间隙，建议在锥环上开出径向贯通的狭长缝。

尽管本发明可以不必采用自锁锥角，但在一个优选的实施例中还是设计了自锁锥角，以传递尽可能大的扭矩。该结构所需的松脱力可以通过附加螺栓或者螺旋夹紧环本身的旋转产生。

在一般情况下，拧紧螺旋夹紧环时内锥环不会随之转动，因此不必采取特别措施将内锥环径向固定在轴或内接件上面。

但是为了使内锥环不致附着在轴上，并且实现扭矩传动比，建议设置一个支承在外接件上的一根旋转轴上并与螺旋夹紧环的外圆相啮合的旋转工具。当夹紧卡头时，扭矩转变成的作用力只能保持在夹紧结构内部，因此基本上不会导致转动打滑产生。

本发明的一种优选的实施例中，旋转工具包括一个啮合小齿轮。其分度圆直径大大小于螺旋夹紧环的外径。通过使用一件适当的工具，例如螺栓板手或者手柄可以使小齿轮转动，其扭矩传动比相应于该啮合副的直径比。

与小齿轮相啮合的齿于以直接设置在螺旋夹紧环的外圆面上，但也可以设在一个能径向固定在螺旋夹紧环上的夹紧工具上，这时该工具的外表面上带齿。

夹紧工具通常可以仅从一侧插到螺旋夹紧环的多角形作用周边上，使夹紧工具能够被旋转到不同的角度位置上。这样就不必在夹紧工具的整个外周上设置啮合齿了，仅在位于螺旋夹紧环上面的夹紧工具的两个位置之间的角度差所对应的弧长上开齿即可。

为了将小齿轮支承在外接件上，建议采用本发明中所述的结构，在外接件上有一个与轴线平行的孔，小齿轮可以围绕一位于该孔中的旋转轴转动。其中的旋转轴既可以在孔中转动，也可以固定在孔中而让小齿轮绕其转动。

根据本发明的特征，有一个装在外接件上的扭矩支座卡在螺旋夹紧环上，所述的扭矩支座的作用是防止扭矩超出允许值，它可以按旋转方向的不同自螺旋夹紧环上脱开，以避免损坏轴和内锥环。该扭矩支座的另一个作用是使螺旋夹紧环能够拧得更紧，从而增大卡头的夹紧力。

本发明还包括实施例中的其他特征以及所公开的特征的所有组合。

本发明的实施例可参见附图。

图1所示的是本发明所述卡头的第一种实施例，其中作了部分纵向剖视;

图2所示的是图1所示卡头的一种适用结构的局部视图;

图3所示的是第二种实施例，它与图1一样作了部分纵向剖视;

图4和图5所示的是另外两种实施例，均作了部分纵向剖视;

图6所示的是旋转工具的功能示意图;

图7所示的是图6中结构的左视图;

图8和图9所示的是另外两种旋转工具实施例的局部视图;

图10和图11所示的是一种与图6和图7两例透视相一致的具有扭矩支座的实施例。

在图1中，序号100表示卡头的整体，它位于一根具有柱形外圆面2的轴1和一个齿轮形状的外接件3之间，外接件上的孔具有柱形内圆面4，该面和外圆面2之间有一个径向间隔。该卡头的作用是套在轴上，将外接件卡紧。为此卡头100的右半截如图1 所示伸到柱形外圆面2和内圆面4之间的间隔空隙之中。

卡头100包括一个内锥环10，该内锥环的柱形内圆面5套在轴1的柱形外圆面2上，其锥形外圆面6位于自锁范围之内，并如图1所示，在其左侧的厚壁端与一个径向外凸的凸缘7相连，该凸缘的外圆面上具有螺纹8。在螺纹8的下面，沿着位于锥形外圆面6厚壁端的凸缘7的径向外凸部分的圆周分布有螺纹通孔9，借助于该通孔能够使夹紧的卡头重新松脱。

在内锥环10的锥形外圆面上套着一个外锥环20，其锥形内圆面11的锥角和锥形外圆面6的锥角相同，该外锥环具有插在外接件内圆面4之中的柱形外圆面12。

在外锥环20的薄壁端设有一个径向外凸的凸缘13，该凸缘有自柱形外圆面12上伸出，其朝向厚壁端并与轴线相垂直的支承面14可以自由地与一个从厚壁端套入的环相接触。

外锥环20的凸缘13上面套着一个螺旋夹紧环30，该环的一端具有可以和位于凸缘7上的外螺纹8相配合的内螺纹15。内螺纹15的内径大于凸缘13的外径，从而使螺纹夹紧环30可以如图1所示，从右侧套在外锥环20上面，而其内螺纹15则可越过凸缘13。

螺旋夹紧环30的另一端具有一个径向内凸的凸缘17，该凸缘以其朝向螺纹8、15的一侧，与凸缘13径向咬合在一起，其垂直于轴线的支承面16与凸缘13的支承面14相接触。凸缘17的内圆面18呈圆柱形，并与外锥环20的外圆面12之间有一定间隙，以避免在此处产生摩擦。

装配卡头100时，可以先将外锥环20套在内锥环10上，然后如图1所示将螺旋夹紧环30自右向左套上，并使螺纹8和15咬合在一起，这样便可以使卡头100形成一个连接在一起的整体结构。通过拧紧螺旋夹紧环30，让外锥环20如图1所示向左移动，并与内锥环10贴紧，使得外锥环20产生径向扩张，就能在内圆面4上产生卡紧的效果。

为了避免通过螺旋夹紧环30所施加的轴向张紧力产生过大的损失，应当在外锥环20的一个位置上开出贯通的狭长缝，该缝在附图上用未画出剖面斜线的区域表示。而内锥环10则在其锥形外圆面6的范围内开有若干沿圆周均匀分布的狭长缝。

为了使卡头100的具有自锁性质的锥面6和11相互脱离，应当在压力螺纹通孔9中拧入压力螺丝，该螺丝可顶在位于支承面14相背的外锥环20凸缘13的端面19上。当然也可以通过转动螺旋夹紧环30，使其朝着外接件3一侧的端面与后者靠在一起，并通过进一步朝着该方向的旋转达到松开的目的。

当卡头100如图1所示卡紧时，卡在轴1上的外接件3与外锥环20一起相对于固定在轴1上的内锥环10产生轴向位移。在许多情况下这种位移无任何影响。但如果希望卡头100卡紧时外 接件3在轴1的轴向上保持不动，则可以采用图2所示的结构。在该结构中外接件3具有一个径向内伸到内锥环10的薄壁端端面21之前的凸肩3′，该凸肩或者直接顶在端面21上，或者通过一个中间环22顶在端在端面22上。当外锥环20如图2所示向左产生位移时，外接件3便不再会相对轴1移动。

为了在螺旋夹紧环30上施加卡紧所必需的力矩，还在其圆周上设置了若干个与轴线相平行的槽23，一个与槽相吻合的旋转工具可以卡在其中。

在图3所示的卡头200上，功能相同的零件均具有相同的序号。

卡头200与卡头100之间的差别在于，在螺旋夹紧环30的凸缘17的与外锥环20的凸缘13相对的支承面16上沿圆周分布着若干可平行于轴线作用的结构紧凑的活塞/缸体单元，其中的活塞在经由接口27流入的液压介质的作用下，从各自位于凸缘17内的缸孔26中伸出，并顶在凸缘13的支承面14上。这时外锥环20将如图3所示向左压在内锥环10上。卡紧力通过螺旋夹紧环30和螺纹8、15传递到内锥环10上。活塞25可以在其初始位置上，即位于缸孔26底部时，自支承面16上凸出少许，当然也可以全部沉到支承面16以下。

另一种卡紧方式是，先转动螺旋夹紧环30直至达到一定程度的卡紧，然后让活塞25在高压下伸出，利用液压继续完成整个卡紧过程。

另一组活塞/缸体单元作用在另外一侧，并能顶在固定在外锥 环上的外接件3上，其功能在于使卡头200松开。当压力如图3所示作用在外接件3的左侧面上时，锥面6、11首先相互分离，从而使卡头200松开。

凸缘7中的孔29的作用是，在卡紧过程开始时，如果内锥环10还未固定在轴1上，可以使用一个适当的旋转工具将其固定，以对抗作用在螺旋夹紧环30上的扭矩。

在图3中还用点划线表示出外接件的另一种固定方法，孔4可以用内螺纹31来代替其光滑的柱形内表面，该内螺纹与图3中所示的外锥环20厚壁端一侧的外螺纹32拧在一起。外接件3可以在一定的范围内进行轴间调整。当卡头200卡紧时，外接件3即可固定在外锥环20上。

图4中所示的卡头300以一个垂直于轴线的中平面33为界，呈镜象对称构成。双锥环10′由两个相应于图1中的内锥环10组成，两者在其周边7处相互连接成一个整体，其余的零件也均为双份配置。卡头300可以作为联轴节使用。两根轴1的轴头可从两侧插到双锥环10′之中，然后分别拧紧螺旋夹紧环30，30，使两根轴通过双锥环10′连在一起。“外接件3”在本结构中指的是厚壁夹紧环，其仅有的作用是承受圆周应力，以产生径向夹紧力。

这种卡头结构的一个特点是，外锥环20或螺旋夹紧环30的支承面14、16并不像图1和图3中的实施例那样垂直于轴线设置，而是处于倾斜位置，即呈锥形设置。

在图4所示的实施例中，倾斜面相对于轴线的角度32约为 45°，这样便可以在外锥环20的凸缘13的范围内产生一定的径向压力，该压力有利于传递更大的扭矩。

在图5所示的实施例中，外接件3是一个联接法兰，它可以通过卡头400固定在轴1的端部。卡头400与图4所示的一样，其支承面14、16也处在倾斜位置。

图4和图5中的卡头300和400具有一个共同点，即螺旋夹紧环30的外周边呈六角螺母形，这就为旋转工具提供了作用的可能性。

拧紧螺旋夹紧环30时，可以来用一个适当的旋转工具，例如用一把钩形扳手钩在螺旋夹紧环30外表面的槽31中（图1，3），或者用一把普通的螺栓扳手卡在螺旋夹紧环30的外周边上。此外还可以如图6至9所示采用一个专用旋转工具。

在图6和图7所示的实施例中，螺旋夹紧环30的外周边上具有齿35，该齿可与小齿轮40上的齿相啮合，小齿轮40装在旋转轴41上，两者可以转动。旋转轴41的一端插在外接件3上的一个与轴线平行的孔42内，另一端形成一个具有扳手平面的柄头，可供一个手柄或螺栓扳手装在其上。在该实施例中，小齿轮40啮合齿的分度圆直径约为啮合齿35分度圆直径的四分之一，因此当以一定的扭矩驱使小齿轮40转动时，会在螺旋夹紧环30上产生约四倍的扭矩。图8中描述了另一种可供选择的实施例，工具50上带有一个螺栓扳手头51，它卡在螺旋夹紧环30的外六方52上。在扳手头51的另一侧，工具50带有啮合齿53，它与小齿轮40上的齿相啮合，转动小齿轮40的内六方44时，同 样会使螺旋夹紧环30像图6和图7所示的实施例那样转动。这种实施例的优点是，工具50可以自侧面插到螺旋夹紧环30上面，也就是说不要求轴1具有敞开的端部，并且只需要在工具50上一次性地设置啮合齿53即可，而图6和图7所示的实施例则要求在每个螺旋夹紧环上设置啮合齿。

当按图8所示拧紧螺旋夹紧环30时，如果小齿轮到达了约为90°角的啮合齿53的端头，则可将工具50在螺旋夹紧环30上相应地换插一个位置，图9所示的工具60和工具50的区别在于后者具有外啮合齿53。而前者则具有设在弧形孔61内，并位于径向外弧边上的啮合齿63，小齿轮40从里面与其啮合在一起。工具60的弧形开孔61的宽度足够容纳小齿轮40与外弧边啮合齿63相啮合，并且在弧形孔61内边的限制下小齿轮不致跳出。

在图10和图11中描述了一个扭矩支座70，它可以安装在已经上紧的卡头6、7、30上面。在本例中螺旋夹紧环30也呈外六方52形状，扭矩支座70则制成具有螺栓扳手头51的平板形，它可以和外六方52相配合。在具有与螺旋夹紧环30的外六方52相吻合的形状的螺栓扳手头51的外侧有一个垂直于板平面的孔71，螺栓72可以穿过该也拧在外接件3上的螺纹孔73中，这样扭矩支座70即可将螺旋夹紧环30与外接件3固定连接在一起使前者不可转动。但这并不是扭矩支座的主要作用，因为螺旋夹紧环30被拧紧之后，由于自锁锥角的作用，锥环6、7自然会接合在一块。只有当超过卡头的极限扭矩时，也就是当卡头在轴1上 开始打滑时，扭矩支座70才开始发挥其主要作用。这时外接件带着扭矩支座以及螺旋夹紧环朝着扭矩的方向转动，根据螺纹方向的不同，或者将锥环6、7松开，或者两者上得更紧。人们在前一种松开的情况事是希望在出现过大的扭矩的同时会产生卸载，以保护相互配合的轴1与锥环7的圆柱形表面不致受到破坏。在后一种上得更紧的情况中则是希望卡头立刻被上得更紧以承受超限的扭矩。当旋转方向相同时也可以改变扭矩支座70的作用，这时将卡头掉转，使扭矩支座70安装在外接件3的轴向的另外一侧。

也可以采用另一种形式的扭矩支座，例如在图8中，将螺旋夹紧环30上紧后即让夹紧工具50留在原处，再用一个装在螺栓扳手头51以外的螺丝穿过点划线所示的孔71′把夹紧工具与外接件3连接在一起，使其不能转动。

扭矩支座的厚度不能太薄，以保证螺旋夹紧环能在不同的位置上沿纵向可靠地得到夹持。

Claims (17)

1、在一个内接件和至少一个外接件之间传递扭矩和/或轴向力的卡头，其内接件具有圆柱形的外表面，特别是一根轴，其外接件装在卡头外部，具有一个开孔，该外接件特别是一个套筒；该卡头具有下列零件：

一个内锥环，其圆柱形内表面与内接件的外表面相接合，其外表面呈锥形；

一个外锥环，其外表面能与外接件开孔的圆柱形内表面相接合，其内表面呈锥形，可以与内锥环的锥形外表面相配合；

一个可以与内锥环相接合的螺旋夹紧环，它具有一圈沿径向向内凸出的凸缘，该凸缘位于外锥环的沿径向向外伸出的凸缘的后部并与后者接合在一起；

本发明的特征是：

凸缘(13)位于外锥环(20)的薄壁端，自外圆面(12)向外凸，该外圆面系外锥环(20)向其厚壁端一侧延伸而形成的支承部分的表面；

内锥环(10)的厚壁端上设有螺纹(8)，它位于径向向外凸出的凸缘(7)的外圆面上，该段螺纹自内锥环(10)外圆面上向外凸起，并高于凸缘(13)的外圆面，内锥环(10)的外圆面系内锥环(10)向其薄壁端一侧延伸而形成支承部分的表面，

螺旋夹紧环(30)上径向内凸的凸缘(17)的内圆面(18)与外锥环(20)外圆面(12)之间有径向间隙。

2、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，设有若干用以安装压紧螺丝的轴向螺纹通孔（9），该螺纹通孔位于外锥环（20）的径向外凸的凸缘（13）之端面的前方。

3、根据权利要求1或者2所述的卡头，其特征是，在螺旋夹紧环（30）的与外锥环（20）凸缘（13）相对的凸缘（17）支承面（16）上，沿圆周分布有液压活塞/缸体单元（24），在操作中，该单元的活塞可以顶在外锥环（20）凸缘（13）的支承面（14）上。

4、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，在螺旋夹紧环（30）的与外接件（3）相对并径向内凸的凸缘（17）端面上，沿圆周分布有液压活塞/缸体单元（28），在操作中，该单元的活塞可以顶在对面外接件（3）的端面上。

5、根据权利要求1的卡头，其特征是，外接件（3）在其开孔（4）上具有一内螺纹（31），而外锥环（20）在其外圆面上具有外螺纹（32），外接件（3）即旋接在外锥环（20）上。

6、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，卡头以垂直于其轴线的中平面为界呈镜面对称结构，由一个内接双锥环（10′）和两个套在其上面的外锥环（20）以及两个螺旋夹紧环（30）代替一个内锥环，一个外锥环和一个螺旋夹紧环构成。

7、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，外接件（3）为联接法兰。

8、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，外锥环（20）和螺旋夹紧环（30）的支承面（14、16）均呈斜面形，使得当卡头夹紧时外锥环（20）在其凸缘（13）的范围内沿径向产生一方向朝里的分力。

9、根据权利要求8所述的卡头，其特征是，斜面的倾斜角（32）为45℃。

10、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，内锥环和外锥环（10、20）至少在其锥面区域内开有径向贯通的狭长缝。

11、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，锥面（6、11）的锥角处于自锁范围之内。

12、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，装有一个支承在外接件（3）上的一根旋转轴（41）上面的，并且与螺旋夹紧环（30）的外圆相啮合的旋转工具，旋转工具上有一个啮合小齿轮（40），其过度圆直径大大小于螺旋夹紧环（30）的外径，螺旋夹紧环（30）在其外圆面上具有与小齿轮相对应的啮合齿（35），在外接件（3）上有一个与轴线相平行的孔（42），小齿轮（40）可以围绕一位于该孔中的旋转轴（41）转动。

13、根据权利要求12所述的卡头，其特征是，可以将一个夹紧工具（50）固定在螺旋夹紧环（30）上面，该夹紧工具的圆面上具有外啮合齿（53），在外接件（3）上有一个与轴线相平行的孔（42），小齿轮（40）可以围绕一位于该孔中的旋转轴（41）转动。

14、根据权利要求13所述的卡头，其特征是，夹紧工具（60）可以以不同的角度位置安装到螺旋夹紧环（30）上面，内啮合齿（63）的弧长至少相当于一个角距，在外接件（3）上有一个与轴线相平行的孔（42），小齿轮（40）可以围绕一位于该孔中的旋转轴（41）转动。

15、根据权利要求1所述的卡头，其特征是，有一个装在外接件（3）上的扭矩支座（70）卡在螺旋夹紧环（30）上。

16、根据权利要求15所述的卡头，其特征是，扭矩支座（70）呈平板形，其一侧开口（51）与螺旋夹紧环（30）的非圆形外轮廓（52）相吻合，其位于开口（51）之外的另一侧上有一个孔（71），一根螺栓（72）穿过该孔固定在外接件（3）上。

17、根据权利要求13所述的卡头，其特征是，扭矩支座由夹紧工具（50、60）构成，该工具上另有一个孔（71′），用于穿过一根固定在外接件（3）上面的螺栓。

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