PL174072B1 - Urządzenie łożyskujące - Google Patents

Abstract

1. Urzadzenie lozyskujace zlozone z walka o pierwszym wspólczynniku roz- szerzalnosci cieplnej oraz wspóldzia- lajacego z walkiem lozyska, o drugim wspólczynniku rozszerzalnosci cieplnej, mniejszym od pierwszego wspólczynnika rozszerzalnosci cieplnej, znamienne tym, ze na walku (1, 6), jest umieszczona otacza- jaca co najmniej wieksza czesc powierzch- ni obwodowej walka (1, 6) powloka zewnetrzna (3, 4, 7) o trzecim wspólczyn- niku rozszerzalnosci cieplnej, mniejszym od drugiego wspólczynnika rozszerza- lnosci cieplnej lozyska (5). Fig. 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie łożyskujące. Wynalazek dotyczy urządzenia do łożyskowania, składającego się z wałka wykonanego z pierwszego materiału o pierwszym współczynniku rozszerzalności cieplnej i łożyska, które współpracuje z wałem, i jest wykonane z drugiego materiału o drugim współczynniku rozszerzalności cieplnej. W zastosowanym urządzeniu pierwszy współczynnik rozszerzalności cieplnej ma wyższą wartość niż drugi współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Łożyskowanie tego typu stosuje się na przykład tam, gdzie warunkiem stawianym konstrukcji jest mała masa. Wałki, stanowiące część takiego urządzenia łożyskowego, mogą w takim przypadku być wykonane z lekkiego metalu, na przykład aluminium lub magnezu, natomiast łożyska wykonuje się ze stali. Dopóki urządzenia łożyskowe tego typu stosuje się w ograniczonym zakresie temperatur, można im nadać odpowiednie właściwości z punktu widzenia braku luzu i małego tarcia.

Natomiast w przypadku przeznaczenia urządzeń łożyskowych tego typu do pracy w bardzo szerokim przedziale temperatur, na przykład od -30° do +60, należy liczyć się z problemem znacznych różnic wartości współczynników rozszerzalności cieplnej materiału wałków i łożysk. W łożyskowaniach tego typu, które w temperaturach pokojowych pracują całkowicie zgodnie z ustalonymi warunkami, w wyższym zakresie temperatur występuje zbyt wysokie tarcie, co wiąże się z silniejszym zaciskiem wałka, natomiast w niższym zakresie temperatur pojawia się luz, wynikający z większego skurczu wałka w stosunku do łożyska. Na przykład w bardzo dokładnych serwomechanizmach stawia się warunek braku luzu i małego tarcia we wszystkich znajdujących się w nich łożyskach. Wspomniane powyżej łożyska, poddane działaniu znacznych wahań temperatur, nie spełniają zadanych warunków w całym zakresie temperatur.

174 072 materiał na wałki wejściowe i stal jako materiał na łożysko, można uzyskać urządzenia łożyskowe o w zasadzie takiej samej rozszerzalności cieplnej w lekkim wałku metalowym owiniętym włóknem węglowym, jak w łożysku.

Według zalecanego przykładu wykonania urządzenia łożyskującego, zewnętrzną powłokę wykonaną z trzeciego materiału włókna węglowego, nakłada się owijając ją w zasadzie stycznie pod kątem 90° do podłużnego kierunku wałka. Nawijanie włókien węglowych w ten sposób zapewnia korzystnie współdziałanie pomiędzy aluminium a włóknami węglowymi, i jeżeli jest to pożądane, włókna węglowe ustawiają się w taki sposób, że opierają się ruchom aluminium.

Według innego zalecanego przykładu wykonania, urządzenie łożyskujące odznacza się tym, że pierwszy materiał wałka obwodowy występ do bezpośredniego sprzęgania z łożyskiem, w linii z obwodowym występem. Takie rozwiązanie ułatwia montaż łożyska, ponieważ łożysko można umieścić bezpośrednio na obwodowym występie bez żadnej dalszej obróbki wałka.

Według jeszcze innego zalecanego przykładu wykonania, wokół zewnętrznej powłoki wałka urządzenia łożyskującego znajduje się stalowy pierścień do sprzęgania się z łożyskiem usytuowanym w linii z pierścieniem. Podobnie jak w przykładzie wykonania wspomnianym w poprzednim paragrafie, stalowy pierścień ułatwia montaż łożyska.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pierwszy przykład wykonania urządzenia łożyskującego według wynalazku, a fig. 2 przedstawia drugi przykład wykonania urządzenia łożyskującego według wynalazku.

Pierwszy przykład wykonania, pokazany na fig. 1 i określany dalej jako typ A, zawiera wewnętrzny aluminiowy rdzeń lub wałek 1. Korzystnie wykonany z aluminium lub magnezu. Wałek 1 może być cylindryczny i posiada centralny, pierścieniowy, obwodowy występ 2. Średnica obwodowego występu 2 jest maksymalną średnicą zewnętrzną całego wałka 1. Obwodowy występ 2 jest otoczony z obu stron epoksydową powłoką zewnętrzną 3 i 4 wzmocnioną włóknami węglowymi. Zadaniem wzmocnienia z włókien węglowych jest zapobieganie przemieszczeniom termicznym wałka 1 powyżej pewnych granic, tj. równych przemieszczeniom termicznym łożyska 5. Centralny obwodowy występ 2 umożliwia osadzanie łożyska 5, które w pokazanym przykładzie wykonania jest łożyskiem kulkowym, bezpośrednio na metalowym wałku 1, Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej łożyska 5 jest mniejsza od współczynnika rozszerzalności cieplnej wałka 1. Ilość żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknami węglowymi, nałożonej na aluminiowy wałek 1, jest przystosowana do wytrzymania naprężeń ścinających, powstających w warstwach granicznych pomiędzy różnymi częściami aluminiowego rdzenia, a wzmocnioną włóknami węglowymi powłoką zewnętrzną 3, 4, które mogą wystąpić w przedziale temperatur, na jaki zaprojektowano urządzenie łożyskujące. Korzystnie, epoksydową powłokę zewnętrzną 3, 4 wzmocnioną włóknami węglowymi nawija się stycznie pod kątem 90° względem podłużnej osi wałka 1.

Według drugiego przykładu wykonania, określanego tu jako typ B, cały korzystnie wykonany z aluminium lub magnezu wałek 6 otacza epoksydowa powłoka zewnętrzna 7 wzmocniona włóknami węglowymi. W porównaniu z typem A, naprężenia są nieco mniejsze, więc z tego względu grubość warstwy zewnętrznej może być nieco mniejsza. W celu uzyskania obszaru, na którym można osadzić łożysko 5, według pokazanego przykładu wykonania, miejscu łożyskowania nadano postać naklejonego stalowego pierścienia 8. Przed nałożeniem stalowego pierścienia 8 obrabia się epoksydową powłokę zewnętrzną 7 wzmocnioną włóknami węglowymi do średnicy odpowiedniej pod stalowy pierścień 8, i, po nałożeniu stalowego pierścienia 8, przeprowadza jego dodatkową obróbkę. Alternatywnie, epoksydową zewnętrzną powłokę 7 wzmocnioną włóknami węglowymi można zeszlifować pozostawiając w ten sposób stalowy pierścień 8.

Znane jest kompensowanie różnych współczynników rozszerzalności cieplnej dwóch współpracujących ze sobą elementów poprzez wprowadzenie trzeciego, pośredniego elementu o innym współczynniku rozszerzalności cieplnej. Na przykład, z opisu patentowego USA nr 5 028 152, znany jest sposób kompensowania, w kierunku osiowym, stalowego wałka o mniejszym współczynniku rozszerzalności cieplnej w stosunku do lekkiej osłony metalowej, polegający na wprowadzaniu elementu o wysokim współczynniku rozszerzalności cieplnej, działającym w kierunku osiowym, pomiędzy wał a obudowę.

W opisie patentowym DE nr 2 427 688 ujawniono inny przykład, w którym pomiędzy lekką obudowę metalową, a zewnętrzny ferrytowy pierścień łożyskowy wprowadzono element o współczynniku rozszerzalności cieplnej o wartości w przybliżeniu pośredniej pomiędzy współczynnikami rozszerzalności cieplnej obudowy i zewnętrznego pierścienia łożyskowego. Jednakże w żadnych z tych dokumentów nie mówi się o montażu wałka z metalu lekkiego w łożysku, ani o szczególnych problemach montażowych, jakie powstają w wyniku współdziałania pomiędzy wałkami z metali lekkich o stosunkowo wysokich współczynnikach rozszerzalności cieplnej, a łożyskami, wykonanymi, korzystnie, ze stali, o stosunkowo małych współczynnikach rozszerzalności cieplnej.

Celem wynalazku jest urządzenie łożyskujące o małej masie, spełniające zadane warunki dotyczące do braku luzu i małego tarcia w szerokim przedziale temperatur.

Urządzenie łożyskujące złożone z wałka o pierwszym współczynniku rozszerzalności cieplnej oraz współdziałającego z wałkiem łożyska, o drugim współczynniku rozszerzalności cieplnej, mniejszej od pierwszego współczynnika rozszerzalności cieplnej według wynalazku charakteryzuje się tym, że na wałku, jest umieszczona otaczająca co najmniej większą część powierzchni obwodowej wałka powłoka zewnętrzna o trzecim współczynniku rozszerzalności cieplnej, mniejszym od drugiego współczynnika rozszerzalności cieplnej łożyska.

Korzystnie powłoka zewnętrzna jest z żywicy epoksydowej wzmacnianej włóknami węglowymi.

Korzystnie włókna węglowe powłoki zewnętrznej są nawinięte stycznie pod kątem 90° w stosunku do podłużnego kierunku wałka.

Korzystnie wałek jest aluminiowy. Korzystnie wałek jest z magnezu. Korzystnie łożysko jest stalowe.

Korzystnie wałek zawiera obwodowy występ sprzęgający wałek z łożyskiem usytuowanym w jednej linii z obwodowym występem.

Korzystnie na zewnętrznej powłoce wałka jest zamocowany stalowy pierścień sprzęgający wałek z łożyskiem, usytuowanym w jednej linii z pierścieniem.

Tak więc, urządzenie do łożyskowania według wynalazku odznacza się tym, że na wałku, wykonanym z pierwszego materiału o pierwszym, wyższym współczynniku rozszerzalności cieplnej, znajduje się powłoka zewnętrzna, otaczająca co najmniej większą część powierzchni obwodowej wałka i wykonana z trzeciego materiału o trzecim współczynniku rozszerzalności cieplnej, którego wartość jest mniejsza od wartości drugiego współczynnika rozszerzalności cieplnej łożyska. Dzięki kombinacji dwóch materiałów, z których jeden ma wyższy, a drugi niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej od materiału łożyska, można uzyskać lekkie wałki, o w zasadzie tej samej rozszerzalności cieplnej co materiał łożyska. Materiał o największej ruchliwości wzmacnia się zewnętrzną warstwą, która ją ogranicza do wartości pożądanej. Dzięki temu urządzenie do łożyskowania tego· typu można stosować w bardzo szerokim przedziale temperatur.

Odpowiednimi materiałami na wałki jest aluminium lub magnez, przy czym zewnętrzna powłoka jest wykonana z włókien węglowych. Łożyska wykonuje się na ogół ze stali. Włókna węglowe, które wyznaczają rozszerzalność cieplną powłoki zewnętrznej, mają współczynnik rozszerzalności cieplnej wynoszący w przybliżeniu 0 · lO^-K'¹. Dla aluminium wartość tego samego współczynnika wynosi w przybliżeniu 24 · 10’⁶-K'1 natomiast wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej materiału łożyska można w przybliżeniu ustalić na poziomie 12-10⁶-K'1 Wybierając aluminium i włókna węglowe jako

174 072

Zakres odpowiednich średnic wałków na urządzenie łożyskujące może wynosić od 0,1 do 0,5 m. Nie uniemożliwia to jednak zastosowania wynalazku do wałków o średnicach spoza tego przedziału.

Żywica epoksydowa wzmocniona włóknami węglowymi utwardza się w przedziale temperatur 100 - 120°C. W temperaturze tej w urządzeniu łożyskującym nie ma zamrożonych naprężeń. W celu uniknięcia znaczniejszych naprężeń zamrożonych w urządzeniu łożyskującym w niskich temperaturach, włókna węglowe można nakładać etapowo. Po nawinięciu każdej warstwy utwardza się ją i chłodzi, a następnie nawija kolejną warstwę.

Wynalazek nie ogranicza się do przedstawionych powyżej przykładów wykonania, ale obejmuje jeszcze wiele innych mieszczących się w jego zakresie. Przykładowo, zamiast żywicy epoksydowej można zastosować żywice termoplastyczne.

174 072

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie łożyskujące złożone z wałka o pierwszym współczynniku rozszerzalności cieplnej oraz współdziałającego z wałkiem łożyska, o drugim współczynniku rozszerzalności cieplnej, mniejszym od pierwszego współczynnika rozszerzalności cieplnej, znamienne tym, że na wałku (1, 6), jest umieszczona otaczająca co najmniej większą część powierzchni obwodowej wałka (1, 6) powłoka zewnętrzna (3, 4, 7) o trzecim współczynniku rozszerzalności cieplnej, mniejszym od drugiego współczynnika rozszerzalności cieplnej łożyska (5).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powłoka zewnętrzna (3, 4, 7) jest z żywicy epoksydowej wzmacnianej włóknami węglowymi.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że włókna węglowe powłoki zewnętrznej (3, 4, 7) są nawinięte stycznie pod kątem 90° w stosunku do podłużnego kierunku wałka (1, 6).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wałek (1, 6) jest alumimowy
5. 5. Urządzenie według zasto. 1, znamienne tym, że wadek (1, 6) jees z magnezu.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że łożysko (5) jest stalowe.
7. 7. Urządzenie według zuzIsz. 1. znamienne tymi, że wałek (1) zawieea obwodowy występ (2) sprzęgający wałek (1) z łożyskiem (5) usytuowanym w jednej linii z obwodowym wys^^ępem (2).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że na zewnętrznej powłoce (7) wałka (6) jest zamocowany stalowy pierścień (8) sprzęgający wałek (6) z łożyskiem (5), usytuowanym w jednej linii z pierścieniem (8).

   * * *