CN1275684A - 多功能联轴器 - Google Patents

Abstract

一种多功能联轴器,其特征是:输入端半联轴器由支撑轴承、转子、外盖、轨道体、小卫星和里盖构成,轨道体的内侧圆周有轨道,外盖、轨道体和里盖通过支撑轴承支撑在转子的柱面上,小卫星装于转子的沟槽中,在使用中通过小卫星的运动来实现力和力矩的平衡及能量的转换,具有离合、无级变速、延时启动、过载保护、过载消除后能自动恢复到稳定运转等功能。所以选用电动机时不必留有富裕功率,特别适合于带负载启动的机器。

Description

多功能联轴器

本发明涉及一种过载安全保护装置，尤其是联结两传动轴的机械式的多功能联轴器。

目前，公知的联轴器不同时具有离合、无级变速、延时启动、稳定运转时无滑差、过载安全保护、过载后能自动减小输入功率和过载消除后能自动恢复到稳定运转等多种功能。有的联轴器(例如液力联轴器)，虽然具有上述部分功能，但是运转中转速有滑差，机械效率较低，而且结构复杂，尺寸、重量较大，加工制造费用高，调试、维护和修理不方便。

本发明的目的是提供一种多功能联轴器，它不仅尺寸小，重量轻，加工制造费用低，维护简单，修理方便，而且同时具有离合、无级变速、延时启动、稳定运转时无滑差、过载安全保护、过载后能自动减小输入功率和过载消除后能自动恢复到稳定运转等多种功能。

本发明的目的是这样实现的：多功能联轴器由输出端半联轴器和输入端半联轴器组成，输入端半联轴器是由支撑轴承、转子、外盖、轨道体、小卫星和里盖机械连接构成，其中外盖、轨道体和里盖紧固在一起，并通过支撑轴承支撑在转子的圆柱面上，且能绕转子的轴线自由旋转，转子设有沟槽，小卫星装于沟槽中，且能够在沟槽中径向往复运动，通过小卫星的运动来实现力或力矩的平衡及能量的转换。

转子的沟槽沿圆周布置，沟槽的中心面通过轴线(也可偏离轴线)，沟槽也可做成盲孔形。

小卫星为圆柱形、圆管形、圆球形或者腰鼓形。

轨道体的内侧圆周设有轨道，轨道是由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面、小过渡轨面、逆时针工作轨面和顺时针工作轨面组成，所以轨面距转子轴线的距离是周期变化的。轨道体可多个轴向叠加使用。

在使用中转子的孔与原动机(电动机、发动机，下同)的传动轴连接，输出端半联轴器的孔与外载(负载、执行机构，下同)的传动轴连接。当原动机传动轴旋转时转子即拨动小卫星沿着轨道体的轨面绕转子的轴线旋转。由于轨面距转子轴线的距离是周期变化的，所以转子旋转时小卫星在转子的沟槽中也周期性的径向往复运动。因为转子、小卫星和轨道体之间无任何固定连接，所以在启动运转时，转子与小卫星先于轨道体达到额定转速(原动机输出转速，下同)，同时小卫星的离心力也达到最大值。在离心力的作用下小卫星还作贴近轨面的滚动运动，当进入工作轨面时给轨道体一作用力，该力迫使轨道体绕转子的轴线旋转，且转速逐渐加快。同时轨道体拨动输出端半联轴器及外载与轨道体同步旋转。当轨道体的转速等于转子的转速时，小卫星相对于轨道体静止，此时多功能联轴器的所有零件及外载都与原动机传动轴同步旋转，即进入稳定运转状态。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明启动时的受力分析图。

图2是本发明稳定运转及过载运转时的受力分析图。

图3是本发明第一实施例的纵剖面构造图。

图4是图3的A--A剖面图。

图5是本发明第二实施例的纵剖面构造图。

图6是图5的B--B剖面图。

图7是本发明第三实施例的纵剖面构造图。

图8是图7的C--C剖面图。

图中，1.支撑轴承  2.转子  3.油封  4.外盖  5.轨道体  5a.大过度轨面5b.小过度轨面  5x.逆时针工作轨面  5y.顺时针工作轨面  6.小卫星  7.里盖8.输出端半联轴器  9.弹性套  10.平垫圈  11.螺栓12.弹簧垫圈  13.螺母

0------转子(2)轴线的投影

L1-----力F2的作用线到0的距离

L2-----力F5的作用线到0的距离

Ra-----大过度轨面半径

Rb-----小过度轨面半径

Rc-----转子(2)的外圆柱面半径

Rn-----小卫星(6)绕0的回转半径

Q------离心力F4的作用线与过切点K法线的夹角

F1-----小卫星(6)作用于转子(2)上的力

F2-----小卫星(6)在经过逆时针工作轨面(5x)时所产生的离心力

F3-----转子(2)作用在小卫星(6)上的力

F4-----小卫星(6)在回转半径为Rn时所产生的离心力

F5-----小卫星(6)作用于轨道体(5)的力

K------小卫星(6)的半径r与逆时针工作轨面(5x)的切点，力F5的作用点。

g------力F1的作用点

P------力F2的作用点

r------小卫星(6)的半径

图1是本发明启动时的受力分析图，在图1中转子(2)、小卫星(6)、轨道体(5)是轴向投影(部分)示意图，图示为逆时针旋转。轨道体(5)的内侧圆周设有轨道，轨道是由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)组成，在任意垂直转子(2)轴线的断面上应满足以下条件：

        Ra＞Rb＞Rc

        逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)是两条光滑曲线，且：逆时

    针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)的一端与大过渡轨面(5a)内切，另一

    端与小过渡轨面(5b)相交。

        逆时针旋转时，逆时针工作轨面(5x)上的任意相邻的两点到0的距

    离总是前一点的距离大于后一点的距离。

        顺时针旋转时，顺时针工作轨面(5y)上的任意相邻的两点到0的距

    离总是前一点的距离大于后一点的距离。

因为转子(2)、小卫星(6)和轨道体(5)之间无任何固定连接，所以在启动运转过程中，转子(2)与小卫星(6)先于轨道体(5)达到额定转速，同时小卫星(6)的离心力F4(参见图2)也达到最大值，在离心力的作用下小卫星(6)还作贴近轨面的滚动运动。由于Rn的周期变化，小卫星(6)由小过渡轨面(5b)越过顺时针工作轨面(5y)到大过渡轨面(5a)时是从转子(2)吸收能量。在经过逆时针工作轨面(5x)时，小卫星(6)又以两种形式释放能量。第一种形式是：小卫星(6)在经过逆时针工作轨面(5x)时，对轨道体(5)产生一新的离心力F2，作用在P点上，力F2产生一启动转矩(F2×L1，下同)，该转矩推动轨道体(5)产生角位移而做功，小卫星(6)释放能量。第二种形式是：由于小卫星(6)在经过逆时针工作轨面(5x)时，相对于0产生的角速度大于此时转子(2)的角速度，所以小卫星(6)产生一力F1作用在转子(2)的g点上，小卫星(6)将部分能量返还给转子(2)。如果轨道体(5)不发生角位移时，小卫星(6)将全部能量返还给转子(2)(不计摩擦和弹性变形的理想状态下)。当轨道体(5)在启动转矩的作用下开始转动，并逐渐加快旋转时，启动转矩逐渐被工作转矩(F5×L2，参见图2，下同)所代替，轨道体(5)在工作转矩的作用下继续加速旋转至到额定转速。此时小卫星(6)相对于轨道体(5)静止，多功能联轴器的所有零件及外载都与原动机传动轴同步旋转，即完成启动过程而进入稳定运转状态。顺时针旋转时的受力情况与上述分析相同。

图2是本发明稳定运转及过载运转时的受力分析图，在图2中转子(2)、小卫星(6)、轨道体(5)是轴向投影(部分)示意图，图示为逆时针旋转。

因为在稳定运转时，输入与输出的转矩、转速相等，所以，以0取转矩平衡，下面平衡式应成立。

∵∑M＝0

  Mz+Md＝0

  F3×Rn×n+(--F5×L2×n)＝0

∴F3＝F4×tgQ

其中： Mz----转子(2)的输入转矩

       Md----轨道体(5)的阻力转矩

       n-----同时工作的小卫星(6)的数量

从上述平衡式得知，角度Q的大小决定了F3的大小，因此也就决定了小卫星(6)所传递转矩的大小。这是因为小卫星(6)相对于0的角速度和小卫星(6)的质量都是按需要预先设定的常数，所以小卫星(6)产生的离心力F4只随Rn的大小而变化，但变化较小。因此，F3的大小主要决定于角度Q的变化。而切点K的位置又决定角度Q的大小，所以小卫星(6)在逆时针工作轨面(5x)上的不同位置传递着不同的转矩，以此来满足稳定运转(无滑差)的需要。如果切点K的位置在逆时针工作轨面(5x)上移动到最后一点，即逆时针工作轨面(5x)与小过度轨面(5b)的交点，F3达到最大值，此时传递的转矩是稳定运转时允许传递的最大转矩，称为临界转矩(下同)，若轨道体(5)的阻力转矩大于该值时，称为过载转矩(下同)。出现过载转矩后，小卫星(6)在转子(2)的拨动下越过逆时针工作轨面(5x)上的最后一点，先后经过小过度轨面(5b)、顺时针工作轨面(5y)和大过度轨面(5a)，再进入逆时针工作轨面(5x)，此时轨道体(5)相对于转子(2)出现滑差，且轨道体(5)的阻力转矩越大滑差越大，即进入过载运转状态。但是，转子(2)的输入转矩(原动机的输出转矩)始终不会大于预先设定的临界转矩。当轨道体(5)的阻力转矩大于预先设定的启动转矩时，轨道体(5)和外载停止转动。然而转子(2)仍随原动机稳定旋转，所以这时小卫星(6)对轨道体(5)又产生并保持着启动转矩。但是，这时转子(2)的输入功率将趋于零(不计摩擦及弹性变形的理想状态下)，这是因为此时能量只在小卫星(6)与转子(2)之间来回转换，不消耗能量。当过载消除后，轨道体(5)在启动转矩的作用下恢复转动，接着在工作转矩的作用下逐步达到与转子(2)的同步旋转，外载恢复到稳定运转状态。这不仅起到安全保护作用，而且具有无级变速和节约能源的功能。顺时针旋转时的受力情况与上述分析相同。

逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)可以根据需要分别预先设定，正反转可以传递相等的工作转矩，也可以传递不相等的工作转矩。

图3是本发明第一实施例的纵剖面构造图，图4是图3的A--A剖面图。在图3、图4中，支撑轴承(1)、转子(2)、油封(3)、外盖(4)、轨道体(5)、小卫星(6)、里盖(7)、输出端半联轴器(8)、弹性套(9)、平垫圈(10)、螺栓(11)、弹簧垫圈(12)和螺母(13)机械连接。其中螺栓(11)、弹簧垫圈(12)和螺母(13)将外盖(4)、轨道体(5)和里盖(7)紧固在一起，并通过支撑轴承(1)支撑在转子(2)两端的外圆柱面上，且能绕转子(2)的轴线自由旋转。转子(2)设有多道沟槽，沟槽沿圆周布置，沟槽的中心面通过转子(2)的轴线(也可偏离轴线)。小卫星(6)做成圆管形(或者圆柱形)，装于转子(2)的沟槽中。轨道体(5)的内侧圆周设有轨道，轨道由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)组成。在使用中转子(2)的孔与原动机的传动轴连接，轨道体(5)通过螺栓(11)和弹性套(9)与输出端半联轴器(8)连接，输出端半联轴器(8)的孔与外载的传动轴连接。当原动机传动轴旋转时，转子(2)即拨动小卫星(6)沿着轨道体(5)的轨面绕转子(2)的轴线旋转。它的启动运转、稳定运转、过载运转、停止运转和自动恢复到稳定运转等功能与前面力学分析相同。

图5是本发明第二实施例的纵剖面构造图，图6是图5的B-B剖面图。在图5、图6中，支撑轴承(1)、转子(2)、油封(3)、外盖(4)、轨道体(5)、小卫星(6)、里盖(7)、螺栓(11)、弹簧垫圈(12)和螺母(13)机械连接。其中螺栓(11)、弹簧垫圈(12)和螺母(13)将外盖(4)、轨道体(5)和里盖(7)紧固在一起，并通过支撑轴承(1)支撑在转子(2)两端的外圆柱面上，且能绕转子(2)的轴线自由旋转。转子(2)设有多道沟槽，沟槽沿圆周布置，沟槽的中心平面通过转子(2)的轴线(也可偏离轴线)。小卫星(6)成圆管形(或者圆柱形)，装于转子(2)的沟槽中。轨道体(5)的内侧圆周设有轨道，轨道由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)组成。轨道体(5)的外圆柱面上设有三角皮带槽，是为了适应三角皮带传动而设计的，能有效的减少启动时的打滑现象，适用于大功率的空气锤、空气压缩机、曲轴冲床、振动筛等机器。在使用中转子(2)的孔与原动机的传动轴连接，轨道体(5)通过三角皮带与外载连接。当原动机传动轴旋转时，转子(2)即拨动小卫星(6)沿着轨道体(5)的轨面绕转子(2)的轴线旋转。它的启动运转、稳定运转、过载运转、停止运转和自动恢复到稳定运转等功能与前面力学分析相同。

图7是本发明第三实施例的纵剖面构造图，图8是图7的C-C剖面图。在图7、图8中，支撑轴承(1)、转子(2)、外盖(4)、轨道体(5)、小卫星(6)、里盖(7)、输出端半联轴器(8)、弹性套(9)、平垫圈(10)、螺栓(11)、弹簧垫圈(12)、螺母(13)机械连接。其中螺栓(11)、弹簧垫圈(12)和螺母(13)将外盖(4)、轨道体(5)、里盖(7)和支撑轴承(1)紧固在一起，并通过支撑轴承(1)支撑在转子(2)中间的外圆柱面上，且能绕转子(2)的轴线自由旋转。转子(2)两端的外圆柱面上有多排盲孔(代替沟槽)，盲孔沿圆周径向布置，盲孔的中心线通过转子(2)的轴线(也可偏离轴线)。小卫星(6)成圆球形，装于盲孔中。轨道体(5)的内侧圆周设有轨道，轨道由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)组成。在使用中转子(2)的孔与原动机的传动轴连接，轨道体(5)通过螺栓(11)和弹性套(9)与输出端半联轴器(8)连接，输出端半联轴器(8)的孔与外载的传动轴连接。轨道体(5)为二个轴向叠加使用。当原动机传动轴旋转时，转子(2)即拨动小卫星(6)沿着轨道体(5)的轨面绕转子(2)的轴线旋转。它的启动运转、稳定运转、过载运转、停止运转和自动恢复到稳定运转等功能与前面力学分析相同。

由于采用上述技术方案所以本发明具有以下功能和优点：

1.因为转子(2)、小卫星(6)和轨道体(5)之间无任何固定连接，所以原动机的启动是近似于空载启动，因此本发明具有离合的功能。

2.在启动时，启动外载的转矩大于转子(2)的输入转矩，而外载的转速又小于转子(2)的转速，因此本发明具有无级变速的功能。

3.在启动过程中，外载的启动滞后于原动机的启动，其转速是逐渐与原动机达到同步的，因此本发明具有延时启动外载的功能，且外载越大启动时间越长。

4.在稳定运转过程中，只要轨道体(5)的阻力转矩不超过预先设定的临界转矩，小卫星(6)就不会超越逆时针工作轨面(5x)与小过度轨面(5b)的交点，小卫星(6)的位置只在逆时针工作轨面(5x)上随轨道体(5)阻力转矩的大小而前后变化，所以外载与原动机是同步旋转，因此本发明在稳定运转过程中无滑差，传动效率高。顺时针旋转时其性能相同。

5.在稳定运转过程中，工作转矩(F5×L2)是随轨道体(5)阻力转矩的增大而增大的，其最大值为临界转矩，在逆时针工作轨面(5x)与小过度轨面(5b)的交点上，是按需要预先设定的，所以原动机不会出现过载现象，因此本发明具有过载安全保护的功能(保护原动机)。顺时针旋转时其性能相同。

6.根据需要和预先设定，正反转传递的工作转矩可以相等，也可以不相等。

7.在过载运转过程中，当外载转矩大于预先设定的启动转矩时，外载停止转动，因此本发明具有保护外载的功能。

8.在过载运转过程中，当轨道体的阻力转矩大于启动转矩时，外载停止转动，然而转子(2)仍随原动机稳定旋转，但转子(2)的输入功率却趋于零，所以本发明具有节约能源的功能。

9.在过载运转过程中，当过载消除后，外载自动恢复到同步转速，因此本发明具有自动恢复到稳定运转的功能。

10.由于转子(2)的沟槽与小卫星(6)所形成的月牙形的腔体是封闭的，腔内又充满了空气，所以在过载运转过程中，月牙形的腔体具有空气弹簧的作用，在小卫星(6)径向往复运动时有减少撞击、吸收蓄存能量和帮助小卫星(6)复位的功能。

11.由于有上述功能，所以在选用电动机时不必留有富裕的启动功率，因此提高了功率因数，节约了能源。所以本发明特别适用于带负载启动的机器，如离心式水泵、鼓风机、皮带运输机、刮板运输机、搅拌机、起重机的行走机构、养鱼池增氧机、渣浆泵、出渣机等。

12.本发明还具有尺寸小，重量轻，加工制造费用低，维护简单，修理方便等优点。

Claims (9)

1.一种多功能联轴器，由输出端半联轴器(8)和输入端半联轴器组成，其特征是：输入端半联轴器是由支撑轴承(1)、转子(2)、外盖(4)、轨道体(5)、小卫星(6)和里盖(7)机械连接构成，其中外盖(4)、轨道体(5)和里盖(7)紧固在一起，并通过支撑轴承(1)支撑在转子(2)的圆柱面上，且能绕转子(2)的轴线自由旋转，转子(2)设有沟槽，小卫星(6)装于沟槽中，且能在沟槽中径向往复运动，通过小卫星(6)的运动来实现力或力矩的平衡及能量的转换。

2.根据权利要求1所述的多功能联轴器，其特征是：轨道体(5)的内侧圆周设有轨道，轨道由若干组相同的轨面组成，每一组轨面又由大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)组成。

3.根据权利要求1所述的多功能联轴器，其特征是：转子(2)的沟槽沿圆周布置，沟槽的中心平面通过轴线，也可偏离轴线，沟槽也可做成盲孔形。

4.根据权利要求1所述的多功能联轴器，其特征是：小卫星(6)的形状是圆柱形、圆管形、圆球形或者腰鼓形。

5.根据权利要求1所述的多功能联轴器，其特征是：轨道体(5)可以多个轴向叠加使用。

6.根据权利要求1所述的多功能联轴器，其特征是：轨道体(5)的外圆柱面上还可以设有三角皮带槽。

7.根据权利要求2所述的逆时针工作轨面(5x)，其特征是：逆时针工作轨面(5x)由光滑的曲面组成，在任意垂直转子(2)轴线的断面上，该曲面形成一条光滑曲线，逆时针旋转时，曲线上任意相邻的两点到转子(2)轴线的距离，总是前一点的距离大于后一点的距离。

8.根据权利要求2所述的顺时针工作轨面(5y)，其特征是：顺时针工作轨面(5y)由光滑的曲面组成，在任意垂直转子(2)轴线的断面上，该曲面形成一条光滑曲线，顺时针旋转时，曲线上任意相邻的两点到转子(2)轴线的距离，总是前一点的距离大于后一点的距离。

9.根据权利要求2所述的大过渡轨面(5a)、小过渡轨面(5b)、逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)，其特征是：逆时针工作轨面(5x)和顺时针工作轨面(5y)的一端与大过渡轨面(5a)相切，另一端与小过渡轨面(5b)相交。

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