CN102176975A - 具有用于轴向锁定转子的耦合元件的离心机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心机(100)，该离心机具有驱动头(4)、转子(1)、至少一个连接元件(5)以及至少一个耦合元件(8)，所述驱动头能与驱动装置连接，所述转子能够可拆卸地安装在驱动头上，利用所述连接元件驱动头能与转子抗旋转地连接，所述耦合元件安装在驱动头上并能这样向转子施加轴向力，即，使得转子能够在轴向上固定，其中在驱动头的旋转速度提高时，所述轴向力增大，其中，所述耦合元件通过斜面将轴向力传递到转子上，该斜面相对于水平面倾斜一在大于0°至15°的范围内的角度(alpha)。由此实现了，在静止状态和转速高时可靠地锁定转子。

Description

具有用于轴向锁定转子的耦合元件的离心机
技术领域
本发明涉及一种离心机，该离心机具有驱动头、转子、至少一个连接元件和至少一个耦合元件，所述驱动头能够与驱动装置连接，转子能够可拆卸地安装在驱动头上，通过连接元件能使驱动头抗旋转地与转子连接，所述耦合元件安装在驱动头上并能这样向转子施加的轴向力，使得转子能够轴向固定，其中所述轴向力在驱动头转速提高时也增加。
背景技术
离心机可以容纳试样容器并且用于在离心机转子高转速时使在其中含有的试样的组分相互分离。在设置在地面上并且具有延伸到工作台的高度的立式离心机中，对于设备部件存在较大的空间。相反在设置在工作台上的台式离心机中，则希望有小的结构高度，因此必需良好地利用在离心机内部可供使用的空间。这会导致，例如离心机转子的上侧较为靠近离心机的盖板。如果这个距离小于转子下侧到离心机的容器底部的距离，则与转子下侧朝容器底部被吸引相比，转子上侧朝盖板更强烈地被吸引。这能够用伯努利定律来解释。这个状态通常导致的结果是，在离心机转子上总体上作用向上指向的力。在每分钟约6000转的转速时在常见的离心机中产生大小为100N的上升力。这还由此有利于，转子上侧多数具有大的平面的表面，转子上侧只在离心机盖板下方几毫米处旋转，而转子下侧具有龟裂的几何形状，对于该几何形状按照伯努利定律只产生更低程度的吸引力。
空气动力的影响还可以通过例如由于离心机外部冲击导致的动态影响来补充。在这种冲击时可能出现，弹性支承的电动机朝侧面倾斜并且产生轴向力，所述轴向力与转子的上升力叠加。
为了能控制空气动力学上的和动态的影响，在现有技术中在离心机中使用刚性的锁定装置。该锁定装置可靠地防止在高转速时转子轴向偏移。但是锁定装置需要特殊的工具，用于可靠地安装锁定装置并能重新拆下，由此使离心机运转前后的安装工作需要较多的时间。为此存在根据转速起作用的锁定装置，因此在静止状态或者在转子低速时可以由驱动头克服小的力牵引转子。这种锁定装置只有在上升力正好总是小于锁定力的时候才可靠地发挥作用。这种结构不适用于所有的转子/离心机组合并且由于动态影响导致的上升力难以确定也是难以计算的。
发明内容
因此本发明的目的是，实现一种离心机，该离心机在静止状态、在低速和在高速时都保证可靠的克服作用在离心机转子上的轴向上升力的锁定，其中在离心机转子旋转速度提高时轴向的锁定力也上升。此外应以少的耗时并且不需要特殊工具地安装和拆卸转子连同驱动头。
这个目的通过按照独立权利要求的主题的离心机来实现。本发明的有利改进方案是从属权利要求的主题。
按照本发明的离心机具有驱动头、转子、至少一个连接元件和至少一个耦合元件，所述驱动头能与驱动装置连接，所述转子能可拆卸地安装在驱动头上，通过所述连接元件使驱动头与转子抗旋转地连接，耦合元件安装在驱动头上并能向转子施加轴向力，使得转子能轴向固定，其中在驱动头的旋转速度提高时由于离心力轴向定向的力也增加，其中所述耦合元件通过斜面向转子传递轴向力，该斜面相对于水平方向倾斜在大于0°至15°范围内的角度。
所述耦合元件可以利用这样倾斜的斜面实现自锁，从而转子在静止状态、低速或高速时不能使耦合元件解锁。在静止状态这种作用是特别有利的，因为使用者可以通过尝试从驱动头拉下转子来证实，转子是否可靠地锁定。在高速时由于斜面提高锁定力，因为在离心力增加时轴向力分量也增加。
有利的是，所述耦合元件可以绕一偏转轴线在解锁位置与锁定位置之间偏转，在解锁位置耦合元件偏转到驱动头中，由此转子相对于驱动头解锁，在锁定位置耦合元件以所述斜面突出于驱动头的外壳面并且向转子传递轴向力，由此转子相对于驱动头锁定。由于耦合元件能完全偏转到驱动头中，斜面可以不作用于转子的表面上，由此转子能够在轴向方向上运动。由此转子能从驱动头上拆除。可以简单且无需特殊工具地导入耦合元件的偏转。因此对于耦合元件只存在两个位置，其中一个位置是用于拆除或安装转子的解锁位置，另一个位置是用于即使出现上升力时也可靠地保持转子的锁定位置。如果耦合元件这样弹性地预紧，使得耦合元件在转子的静止状态占据锁定位置，则存在高度可靠性，如果耦合元件没有克服弹簧力位移到解锁位置，转子总是锁定的。
在本发明的另一个实施形式中，连接元件设置在耦合元件的偏转轴线上，驱动头通过连接元件与转子抗旋转地连接。这种结构是有利的，因为连接元件可以承担偏转轴的功能，由此只需要一个构件。因此可以实现节省空间和轻的结构。
耦合元件具有耦合齿，所述耦合齿可以与一操作元件这样共同作用，使得能向耦合元件上施加偏转运动，由此可以实现使耦合元件从锁定位置移动到解锁位置或反之。所述耦合齿可以是凸台或凸起并优选与耦合元件一体地构成。耦合齿与操作元件的接触面可以具有硬化的表面，由此在频繁位移到解锁位置时耦合齿的磨损较小。对于弹性预紧的耦合元件，操作元件只需克服弹簧力和可能克服耦合元件与转子的保持力。
所述离心机可以这样构成，所述操作元件设置在离心机的旋转轴线上并且在一个端部锥形地构成，由此在操作元件轴向位移时锥形的端部可以与耦合元件的突出部分相互作用。因此操作元件只需垂直运动，由此锥形的端部与耦合齿接触并且耦合齿可以朝侧面偏转。因此能够非常简单且无需工具地实现耦合元件从锁定位置移动到解锁位置。
在本发明的另一个实施形式中，由耦合元件施加的轴向力作用在固定地安装在转子上的套筒上。在转子频繁地套装到驱动头上时，可能在转子的接触面上出现磨损，由此必须更换整个转子。通过在转子与驱动头之间安装套筒，可以在套筒磨损时简单地更换套筒，其中可以无需改动地使用转子。为此可以简单地通过螺栓连接或类似结构将套筒安装在转子上。通过套筒的特富龙覆层可以降低磨损。
按照本发明的另一个实施形式，所述驱动头具有外壳面，所述外壳面具有圆柱面和截锥面，其中当转子或套筒与驱动头安装在一起时，该外壳面形锁合地贴靠在转子或套筒的对应保持面上，其中所述圆柱面的长度至少为保持面的长度的四分之一。在这个实施形式中，圆柱面用于引导转子或套筒，其中截锥面主要在转子套装到驱动头上时用作沿轴向方向的止挡面。所述圆柱面可以以较少的制造耗费非常精确地制成，由此可以实现精确的导向。相反在通过截锥导向时在制造时需要高费用，此时难以实现精确的导向。在截锥导向时形状误差、位置误差和尺寸误差完全不同地对转子的同心度产生影响并且还难以测量。多数情况只能通过磨削实现截锥均匀的表面承压曲线图(Tragbild)。通过放弃通过截锥实现的导向并且仅将圆柱面用作导向面，能够减小制造和监控费用。导向精度随着圆柱面长度的增加而提高。
如果截锥面具有相对于旋转轴线15°至40°的锥角，则污物只能截锥面产生很小的影响。在截锥面上的污物或覆层导致转子或套筒比在干净的截锥面时提前接触。截锥角越大，高度错位越小，从而耦合元件仍能可靠地偏转到锁定位置。
特别有利的是，所述驱动头的圆柱面或截锥面具有至少一个凹口，尤其是横切口。因此在转子或套筒垂直下降时向下刮掉在驱动头的圆柱面上可能存在的污物层并使其收集在圆柱面或截锥面的区域内的所述凹口中。由此尽管存在污物也能够实现转子精确的位置。
在本发明的另一个实施形式中，所述驱动头的圆柱面相对于转子或套筒的保持面构造成间隙配合，所述间隙配合确保了在静止状态和高转速时对转子可靠的导向。间隙配合可以较为简单和经济地制成。
附图说明
下面借助于在附图中所示的实施例来详细解释本发明。其中：
图1示出按照本发明的离心机横向剖视图，
图2示出沿图1中的标记A-A的剖视图，
图3以示意图示出作用在耦合元件和套筒上的力，
图4示出曲线图，它示出取决于离心机转速的力比例，以及
图5示出离心机污染的驱动头和套筒的横向剖视图的细节。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的离心机100的横向剖视图，没有下部结构。该离心机100具有转子1，所述转子具有多个用于容纳带有待离心处理的物料的试样容器的容纳部2。在转子1上安装套筒3，套筒形锁合地贴靠在驱动头4上。在驱动头4上安装两个垂直延伸的销形式的连接元件5，所述连接元件分别形锁合地嵌入到转子1中的凹口6中。在图1中所示的实施形式中示出两个连接元件5，这两个连接元件关于旋转轴线7对称地设置，这里也可以设置多于两个的连接元件5。在驱动头4绕旋转轴线7旋转运动时，连接元件5向转子1传递转矩，由此能将转子置于旋转。通过连接元件5的对称布置实现了将转矩均匀地传递到转子1上。
所述离心机100在该实施例中附加地具有两个分别关于旋转轴线7对称设置的耦合元件8，也可参见示出沿图1剖面线A-A的剖视图的图2。这些耦合元件8设置在驱动头4上并且可以向侧面偏转。偏转轴线9分别通过连接元件5构成。
如果转子1要与驱动头4连接，则使转子1从上向下朝驱动头4的方向运动。这里安装在转子1上的套筒3以其截锥面32触碰到耦合元件8相应的外部边缘81，耦合元件分别通过压簧45由止挡46向前顶压。通过将套筒3以其截锥面32下降到各边缘81上，耦合元件8这样偏转，使相应的外部边缘81与驱动头4的表面线44重叠。在此每个耦合元件8的伸长的部分82在旋转轴线7的方向上克服压簧45的弹簧力偏转。
所述套筒3或转子1在垂直方向上继续下降时可以在耦合元件8上滑动经过，直到截锥面32支承在驱动头4的对应的截锥面42上。该截锥面42用作止挡并且限制转子1的向下运动。在这个位置耦合元件8由于压簧45的弹簧力自动地重新偏转返回到其此前的位置，见图1和2。这里每个耦合元件8的伸长的部分82突出于驱动头4的表面线44，其中每个耦合元件8都接触套筒3。耦合元件形成一种快速联接器，由此转子能快速且无需工具地与驱动头连接。如果操作者想检查，转子1是否以配合在驱动头4上，操作者可以尝试向上拉动转子1。由于转子1或套筒3贴靠在耦合元件8上，不能实现垂直向上的移动。操作者可以认识到，转子已固定地与驱动头4连接。
当一操作元件10沿旋转轴线7垂直向下运动时，所述耦合元件8可以从套筒3上脱离，见图1。在该实施例中与弹性预紧的按键11连接的操作元件10具有锥形的端部，所述端部可以作用在耦合元件8的耦合齿84上，见图2。锥形端部施加垂直于旋转轴线7的力，由此耦合元件8能一直偏转到外部边缘81重新与母线44重叠或者甚至仍继续向到驱动头内移动。此时可以重新向上拉动转子1并将其从驱动头4上拆下。
在图3中以细节图示出耦合元件8与套筒3的接触。该耦合元件8具有斜面83，该斜面相对于水平方向倾斜一角度α。斜面83形锁合地与套筒3的对应的斜面33相接触，套筒的所述斜面同样相对于水平方向倾斜以角度α。耦合元件8和套筒3由于斜面33、83分别形成一楔体。如果由于高转速上在转子1或套筒3上作用升力FA，在与耦合元件8共同作用时在表面副33、83上建立在图3中所示的反作用力。法向力FN垂直于斜面33作用在耦合元件8上，其中沿该斜面作用一保持力FH＝FN＊μ0，其中μ0是静摩擦系数。保持力FH反向作用于耦合元件8的复位力FR。当在角度α与摩擦系数μ0之间满足以下关系时，耦合元件8不会由于上升力FA朝侧面偏转：
α＜arc tanμ0
因此在静摩擦系数为0.3时，如在钢/钢摩擦副中在干燥表面(固体摩擦)时存在的静摩擦系数，角度α必须小于16.7度。此时在转子的静止状态下也出现自锁。如果通过压簧45向侧面顶压耦合元件8，则附加于保持力FH还在耦合元件8上作用一弹簧力FF。在转子1旋转时还附加出现与转速有关的离心力FZ，由此总的保持力FH ges在转子旋转时如下计算：
FH ges＝μ0＊FAcosα+FFcosα+FZcosα
在图4中示出，FR与FH的比例如何根据转速n发生变化。在比例为FR∶FH＝1时出现极限情况，在这种情况下恰好还能实现自锁。在角度α＝15°时对于这里所选择的静摩擦系数为0.3的材料副FR∶FH的比例小于1，见图4。随着转速增加由离心力贡献的数值也增加，由此使比例FR∶FH在转速n增加时减小。因此随着转速增加转子锁定变得越来越可靠。
在图5中示出在驱动头4与套筒3之间的接触区域中的细节。驱动头4在截锥的区域中具有厚度为t的污物层48。如果套筒3或转子1下降，套筒的截锥面32不再达到驱动头4的截锥面42，而是停留在比不存在污物的情况高出数值h的高度。截锥角β越大，则对于这种污物层的敏感性越低，因为由此耦合元件要克服的干净与污染的锥体之间的高度差变小。因为可供耦合元件8的运动使用的空间是有限的，并且可以假定污物最大为0.5mm，因此在该实施例中截锥角约为35°。
当在驱动头的截锥面42的区域内设有凹口47，圆柱面41上的污物的影响可以保持较小。所述凹口在套筒3下降时容纳在圆柱面41的区域内存在的污物覆层，并且所述凹口防止污物附加地积存在截锥面42上。

Claims (11)

1.离心机(100)，该离心机具有驱动头(4)、转子(1)、至少一个连接元件(5)以及至少一个耦合元件(8)，所述驱动头能与驱动装置连接，所述转子能够可拆卸地安装在驱动头(4)上，通过所述连接元件驱动头(4)能与转子(1)抗旋转地连接，所述耦合元件安装在驱动头(4)上并能这样向转子(1)施加轴向力，即，使得转子(1)能够在轴向上固定，其中在驱动头(4)的旋转速度提高时，所述轴向力增大，其特征在于，所述耦合元件(8)通过斜面(83)将轴向力传递到转子(1)上，该斜面相对于水平面倾斜一在大于0°至15°的范围内的角度(α)。
2.如权利要求1所述的离心机(100)，其特征在于，所述耦合元件(8)能绕一偏转轴线(9)在解锁位置与锁定位置之间偏转，在解锁位置中，耦合元件偏转到驱动头(4)中，由此转子(1)相对于驱动头(4)解锁，在锁定位置中，耦合元件(8)以斜面(83)突出于驱动头(4)的外壳面(44)并向转子(1)传递轴向力，由此转子(1)相对于驱动头(4)锁定。
3.如权利要求2所述的离心机(100)，其特征在于，所述耦合元件(8)弹性地这样预紧，使得耦合元件在转子(1)的静止状态下占据锁定位置。
4.如权利要求2或3所述的离心机(100)，其特征在于，连接元件(5)设置在耦合元件(8)的偏转轴线(9)上，通过所述连接元件驱动头(4)能与转子(1)抗旋转地连接。
5.如上述权利要求中任一项所述的离心机(100)，其特征在于，所述耦合元件(8)具有耦合齿(84)，所述耦合齿能与操作元件(10)这样共同作用，使得能在耦合元件(8)上施加偏转运动，由此能实现耦合元件(8)从锁定位置到解锁位置的移动或相反的移动。
6.如权利要求5所述的离心机(100)，其特征在于，所述操作元件(10)能够设置在离心机(100)的旋转轴线(7)上并且在一个端部上构造成锥形的，由此在操作元件(10)轴向移动时，锥形的端部能与耦合元件(8)的耦合齿(84)相互作用。
7.如上述权利要求中任一项所述的离心机(100)，其特征在于，所述轴向力作用在固定地安装在转子(1)上的套筒(3)上。
8.如权利要求7所述的离心机(100)，其特征在于，所述驱动头(4)具有外壳面，所述外壳面具有圆柱面(41)和截锥面(42)，其中，当转子(1)或套筒(3)与驱动头(4)安装在一起时，所述外壳面形锁合地贴靠在转子(1)或套筒(3)的对应的、具有圆柱面(31)和截锥面(32)的保持面上，其中驱动头(4)的圆柱面(41)的长度至少是保持面长度的四分之一。
9.如权利要求8所述的离心机(100)，其特征在于，所述驱动头(4)的截锥面(42)相对于旋转轴线(7)具有15°至40°的锥角(β)。
10.如权利要求8或9所述的离心机(100)，其特征在于，所述驱动头(4)的圆柱面(41)或截锥面(42)具有至少一个凹口(47)，尤其是横切口。
11.如权利要求8至10中任一项所述的离心机(100)，其特征在于，所述驱动头(4)的圆柱面(41)相对于转子(1)或套筒(3)的保持面构造成间隙配合，这种间隙配合确保在静止状态和高旋转速度时下可靠地引导转子。
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