PL249489B1 - Sprzęgło podatne z wiskotycznym tłumieniem drgań skrętnych i regulacją charakterystyki mechanicznej - Google Patents

Abstract

Sprzęgło podatne z tłumieniem drgań skrętnych i regulacją charakterystyki charakteryzuje się tym, że posiada dwustożkowy wał (1) łożyskowany obrotowo w obudowie (2), przy czym na pobocznicy stożkowych części wału (1) i na wewnętrznej powierzchni obudowy (2) znajdują się co najmniej trzy przeciwbieżne śrubowe rowki (3) i (4) o kącie pochylenia w zakresie 30°÷60°, w których w każdym umieszczone są co najmniej trzy współpracujące z rowkami (3, 4) kule sprzęgające (5). Wnętrze sprzęgła wypełnione jest cieczą tłumiącą, korzystnie olejem o dużej lepkości.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sprzęgło podatne z wiskotycznym tłumieniem drgań skrętnych i regulacją charakterystyki mechanicznej, przeznaczone jest do sprzęgania końcówek wałów w układach napędowych różnych maszyn. Dla potrzeb łączenia wałów napędów maszyn i urządzeń o dużej zmienności stanu obciążenia eksploatacyjnego w czasie, niezbędne jest stosowanie sprzęgieł posiadających możliwie dużą podatność skrętną oraz zdolność tłumienia drgań. Celem ich jest ograniczenie niekorzystnego wpływu nadwyżek dynamicznych i drgań generowanych w trakcie rozruchu oraz przy pracy ze zmiennym obciążeniem na trwałość eksploatacyjna elementów układów mechanicznych.

Znane rozwiązania sprzęgieł podatnych skrętnie, oparte głównie na wykorzystaniu elementów polimerowych opisane są w pracach: Markusik S. „Sprzęgła mechaniczne”, WNT, Warszawa 1977, Dietrich M., Markusik S. „Podstawy konstrukcji maszyn”, WNT, Warszawa 1999 oraz Skoć A., Spałek J., Markusik S. „Podstawy konstrukcji maszyn” t2, WNT, Warszawa 2008. Sprzęgła te dla wielu zastosowań mają zbyt ograniczoną podatność i niewystarczającą tłumienność drgań skrętnych. Sprzęgło podatne według patentu PL 190945 cechuje się jednak bezwładnością w działaniu i nie zapewnia wymaganego w wielu zastosowaniach tłumienia drgań. Znane sprzęgła hydrokinetyczne stosowane w niektórych pojazdach mechanicznych i napędach górniczych przenośników cechują się stałą stratnością mocy, co wynika z samej zasady ich działania. Sprzęgła oparte na stosowaniu cieczy magnetycznych są bardzo kosztowne, mają ograniczoną trwałość oraz niewielką zdolność tłumienia drgań skrętnych. Znane konstrukcje sprzęgieł mechanicznych nie umożliwiają efektywnej regulacji charakterystyki, zwłaszcza nośności i tłumienności w warunkach eksploatacyjnych.

Istotą wynalazku jest sprzęgło podatne z tłumieniem drgań skrętnych i regulacją charakterystyki charakteryzujące się tym, że posiada dwustożkowy wał łożyskowany obrotowo w obudowie, przy czym na pobocznicy stożkowych części wału i na wewnętrznej powierzchni obudowy znajdują się co najmniej trzy przeciwbieżne śrubowe rowki o kącie pochylenia w zakresie 30-60°, w których w każdym umieszczone są co najmniej trzy współpracujące z rowkami kule sprzęgające. Wnętrze sprzęgła wypełnione jest cieczą tłumiącą, korzystnie olejem o dużej lepkości. Rowki posiadają sprężyny naciskowe.

Obudowa jest dzielona za pośrednictwem pokryw z łożyskami tocznymi.

Sprzęgło podatne skrętnie według wynalazku jest konstrukcją metalową wykorzystującą olej o dużej lepkości do efektywnego tłumienia drgań skrętnych.

Sprzęgło ilustruje rysunek, na którym fig. 1 to przekrój wzdłużny sprzęgła w całości, fig. 2 to przekrój poprzeczny w płaszczyźnie A-A w miejscu chwilowego znajdywania się kul sprzęgających, a fig. 3 to widok dwustożkowego wału z czterema śrubowymi rowkami na kule sprzęgające oraz przykładowy profil poprzeczny rowków: (C-C)’ - rowki o przekroju trapezowym, (C-C)” - rowki o łukowym profilu powierzchni roboczych łagodzącym rozkład nacisków stykowych. Fig.4 i 5 ilustrują przykład konstrukcyjny sprzęgła z układem 6-ciu rowków na kule przy wykorzystaniu trzech warstw kul sprzęgających.

Przykład wykonania

Sprzęgło według wynalazku składa się z dwustożkowego walu 1 łożyskowanego w dzielonej obudowie 2 za pośrednictwem pokryw 6 i 7 z łożyskami tocznymi 8. W wale i obudowie sprzęgło posiada szereg rowków śrubowych 3 i 4 o dużym kącie pochylenia linii śrubowej β. Z rowkami 3 i 4 w wale 1 i obudowie 2 współpracują kule sprzęgające 5. Kąty pochylenia rowków śrubowych w wale i obudowie zawarte są w zakresie 30-60°, przy czym kierunki pochylenia linii śrubowych rowków w wale i obudowie są przeciwne. Przykładowo fig. 3 ilustruje położenie rowków w wale 3 w stosunku do rowków w obudowie 4. Kąty pochylenia β rowków śrubowych w wale i obudowie mogą być takie same lub zróżnicowane. Dla ułatwienia wykonania rowków w obudowie i jej montażu jest ona dzielona w płaszczyźnie osi i łączona kołnierzami 2a z wykorzystaniem śrub 11. Na zewnątrz obudowy 2 mocowana jest dzielona podwójna osłona 10 z podpórkami 12 spełniająca łącznie funkcję wentylatora chłodzącego. Na obu końcach sprzęgła wykonane są gniazda 13 i 14 do przyłączenia sprzęganych wałów. Do łączenia sprzęganych wałów ze sprzęgłem wykorzystane mogą być połączenia wpustowe, połączenia wielowypustowe, wieloząbkowe lub z pierścieniami rozporowymi.

Rowki śrubowe 3 i 4 w przykładach wykonania w liczbie po 4 (fig. 3) i po 6 (fig. 4) rozmieszczone są równomiernie na obwodzie wału dwustożkowego o kącie stożka α i w obudowie. Stanowią one tory toczne dla kul sprzęgających 5. Stosowana może być różna liczba kul w tym samym egzemplarzu sprzęgła. Przykładowo przy 6-ciu rowkach użytych może być po 3, 4 lub 6 kul na każdą stronę sprzęgła przy pełnym wyrównoważeniu układu. Stwarza to możliwość łatwego kształtowania w szerokich granicach charakterystyki mechanicznej sprzęgła. Po całkowitym zmontowaniu sprzęgła stanowi ono szczelną całość, a jego wnętrze całkowicie wypełnione jest cieczą tłumiącą, korzystnie olejem o dużej lepkości. Tworzy to układ o efektywnym tłumieniu wiskotycznym drgań i dużej podatności skrętnej. Kule sprzęgające 5 mają możliwość przemieszczania się w rowkach 3 i 4 w zależności od obciążenia, a zmiana położenia kul wiąże się z przetłaczaniem cieczy tłumiącej, co daje efekt tłumienia wiskotycznego. Montaż sprzęgła z jedną warstwą kul, na którą składają się trzy kule, równomiernie rozmieszczone, będące w jednej płaszczyźnie poprzecznej najlepiej wykonać w następujący sposób. Po włożeniu dwustożkowego wału 1 do obudowy 2 montuje się połączenie kołnierzowe 2a śrubami 11 przy zastosowaniu w połączeniu uszczelnienia wzdłużnego. Następnie obraca się wałem do położenia, w którym rowki śrubowe 3 i 4 pokryją się wylotami po lewej stronie sprzęgła. W utworzone w ten sposób przestrzenie wkłada się odpowiednią liczbę kul 5, w przykładzie trzy, rozmieszczając je równomiernie po obwodzie, a następnie montuje się pokrywę 6 z łożyskiem tocznym 8. Po postawieniu sprzęgła na pokrywie 6 wypełnia się wolne przestrzenie wewnątrz sprzęgła cieczą tłumiącą, korzystnie do pełna, wkłada pozostałe kule sprzęgające 5 po drugiej stronie sprzęgła oraz montuje pokrywę 6 z łożyskiem tocznym 8 i uszczelnieniem obrotowym 9. Na koniec przykręca się osłony wentylatora 10 do kołnierzy obudowy i sprzęgło jest już gotowe do zamontowania w układzie napędowym.

Jako kule sprzęgające mogą być wykorzystane stalowe kule z łożysk tocznych kulowych, nawet używanych. Możliwe jest zastosowanie kul z węglików spiekanych, korzystnie wolframowo-kobaltowych lub kuł z twardej ceramiki technicznej. Konstrukcja sprzęgła umożliwia łatwe zwiększanie nośności danego egzemplarza sprzęgła, tj. maksymalnego momentu obrotowego, jaki sprzęgło może trwale przenosić. Wykonać to można przez dołączenie kolejnych warstw kul sprzęgających. Fig. 4 pokazuje przykład dwustożkowego wału sprzęgła z uwidocznieniem położenia trzech warstw kul, natomiast linią punktową zaznaczono zarys obudowy sprzęgła 2 i usytuowanie rowków spiralnych w obudowie (prawa część fig. 4). Fig. 5 to przekrój w płaszczyźnie A’-A’ w miejscu chwilowego znajdowania się kul warstwy II. Montaż sprzęgła w przypadku większej liczby warstw kul odbywa się w ten sposób, że kolejne warstwy kul wkładać należy przemiennie z prawej i lewej strony sprzęgła, po wstawieniu kompletu kul warstwy I wał należy obrócić wokół osi do pokrycia się wylotów kolejnych rowków w wale i obudowie na zewnętrznych ich średnicach. W trakcie obracania wałem kule warstwy I przemieszczą się w kierunku osi sprzęgła, umożliwiając ułożenie kompletu kul warstwy II. Analogicznie należy zainstalować ew. kolejne warstwy kul. Na rysunku (fig. 4) pokazano wzajemne położenie trzech warstw kul sprzęgających. Przy zwiększaniu liczby warstw kul nośność sprzęgła silnie wzrasta w zakresie większym niż to wynika ze zwiększonej łącznie liczby kul. Kule kolejnych warstw będą pracować na większym promieniu, a więc przy mniejszym obciążeniu stykowym przy tym samym momencie obrotowym. Wzrost nośności uzyskiwanej w opisany sposób wiąże się ze zmniejszeniem pełnej podatności skrętnej sprzęgła. Przy jednej warstwie kul pełny zakres podatności określany przemieszczeniem kul wynosi około podwojonej wielkości X (nieuwidocznionej na rysunku), przy dwóch warstwach kul podatność zmieni się na podwojoną wielkość Z, a przy trzech warstwach zakres podatności określa podwojona wielkość Y (fig. 4). Podwojony zakres podatności wynika z tego, że przemieszczenie wału względem obudowy sprzęgła wynosi w przybliżeniu podwojone obwodowe przemieszczenie kul sprzęgających.

Konstrukcja sprzęgła wymusza to, że kule sprzęgające mogą zajmować zawsze tylko i wyłącznie pozycje na skrzyżowaniu rowków w wale dwustożkowym i w obudowie. Wszystkie kule w sprzęgle mogą poruszać się jedynie łącznie razem i synchronicznie na obu częściach dwustożkowego wału oraz w ramach poszczególnych warstw. Dzięki temu zachowany jest stan stałego i pełnego wyważenia statycznego i dynamicznego sprzęgła oraz stanu pełnego wewnętrznego równoważenia się poprzecznych sił wzdłużnych. Skutkuje to tym, że sprzęgło według wynalazku nie generuje żadnych niekorzystnych zjawisk dynamicznych, w tym również drgań poprzecznych i wzdłużnych. Przy obrocie wału względem obudowy następuje wymuszony ruch wszystkich kul jednocześnie, które poruszać się mogą tylko przez toczenie po torach utworzonych przez przynależne im rowki śrubowe. Skrajne położenie kul przy jednej ich warstwie pokazuje fig. 3. pozycja A, najbliższa osi obrotu, występuje przy maksymalnym momencie obrotowym generowanym przykładowo w czasie rozruchu układu napędowego. Pozycja B, na zewnętrznej średnicy wału, odpowiada sytuacji bez przenoszenia momentu obrotowego, a więc przykładowo w końcowej fazie wybiegu po wyłączeniu napędu. Na pozycję B kule przemieszczają się pod działaniem siły odśrodkowej oraz przy pojawieniu się chwilowego momentu obrotowego o przeciwnym znaku, co często ma miejsce w czasie wybiegu wskutek bezwładności elementów układu napędowego. W pozycji B kule pozostają aż do chwili ponownego rozruchu; ujawnia się wtedy w pełnym zakresie duża podatność skrętna sprzęgła, łagodząc obciążenie rozruchowe w układzie napędowym. Przy ustalonym ruchu układu, gdy występują nominalne obciążenia o niewielkiej zmienności w czasie, kule sprzęgające zajmują pozycje pośrednie, między pozycjami A i B. W pozycji pośredniej kul, sprzęgło, według wynalazku, bardzo korzystnie reaguje na chwilowe zmiany obciążenia. Przy wzroście momentu obrotowego kule przemieszczają się w kierunku pozycji A (w kierunku osi obrotu), łagodząc tym samym impuls wzrostu obciążenia. W razie znacznego spadku obciążenia kule wskutek działania sił odśrodkowych przemieszczają się w kierunku pozycji B, ku zewnętrznej średnicy. Opisane zachowanie sprzęgła łagodzi nagłe zmiany obciążenia eksploatacyjnego, zmniejszając niekorzystne skutki nadwyżek dynamicznych powodujących spadek trwałości elementów układu napędowego w wyniku zjawisk zmęczeniowych. Dodatkowo zmiana położenia kul sprzęgających wywołuje korzystne zmiany osiowego momentu bezwładności sprzęgła. Przy chwilowych odciążeniach sprzęgło staje się swego rodzaju „magazynem energii” oddawanej do układu przy chwilowych zwyżkach obciążenia zewnętrznego. Dzieje się tak poprzez chwilowe tendencje do przyspieszania lub zwalniania prędkości kątowej sprzęgła zgodnie z zasadą zachowania krętu wirujących elementów o zmiennym osiowym momencie bezwładności. Służy to efektywnemu łagodzeniu zmian obciążenia układów mechanicznych maszyn w warunkach eksploatacji. Napełnianie sprzęgła cieczą tłumiącą minimalizuje oscylacje położenia kul sprzęgających pod wpływem zmienności obciążenia. Ciecz tłumiąca jest wtedy cyklicznie przetłaczana z przestrzeni za kulami i z powrotem, w zależności od kierunku przetaczania się kul sprzęgających. Powoduje to efekt wiskotycznego tłumienia drgań skrętnych elementów napędu. Tłumienie wiskotyczne może być regulowane w szerokich granicach przez dobór właściwej lepkości cieczy oraz wielkości luzów między kulami a rowkami śrubowymi. Gdy pożądane jest szczególnie duże tłumienie drgań można użyć mieszaniny oleju i smaru plastycznego w odpowiednich proporcjach. Dla ułatwienia napełniania sprzęgła taką mieszaniną należy sprzęgło i mieszaninę podgrzać do odpowiedniej temperatury. Obecność oleju w sprzęgle służy smarowaniu współpracujących elementów, w tym i łożysk tocznych sprzęgła w celu minimalizacji zużycia. Dodatkową rolą cieczy tłumiącej jest chłodzenie sprzęgła. Ciepło tarcia potoczystego kul jest wyprowadzane przez mieszaną ciecz, następnie przewodzone przez obudowę sprzęgła i przejmowane przez strumień powietrza generowany wentylatorem zintegrowanych z obudową. Wentylator chłodzący składa się z osłony 10 mocowanej wraz z podpórkami 12, do kołnierzy obudowy 2a. Rolę łopatek wentylatora spełniają podpórki 12 i kołnierze obudowy 2a. Wentylator zasysa powietrze na mniejszym promieniu wirowania a wyrzuca na wylocie osłony. Przepływ powietrza chłodzącego sprzęgło pokazują strzałki na fig. 1.

Sprzęgło według wynalazku może pracować również bez tłumienia wiskotycznego, tj. na sucho lub po posmarowaniu rowków śrubowych smarem plastycznym. W przypadku pokrycia rowków pokryciem niskociernym, np. teflonem sprzęgło może być użyte dla zastosowań o szczególnych wymaganiach czystości, np. przemyśle spożywczym czy farmaceutycznym. Gdy w układzie napędowym zostanie zmieniony kierunek obrotów, sprzęgło należy przemontować zamieniając miejscami jego końce. Jeśli nie zostanie to wykonane lub sprzęgło zostanie zainstalowane błędnie, to staje się ono sprzęgłem sztywnym, bez podatności skrętnej i bez tłumienia drgań.

Konstrukcja sprzęgła według wynalazku umożliwia uzyskanie na etapie projektowym szczególnie szerokiego zakresu kształtowania charakterystyki mechanicznej poprzez dobór długości i kąta wału dwustożkowego, wielkości i materiału kul sprzęgających, kątów pochylenia linii śrubowej rowków na wale i w obudowie, profilu poprzecznego rowków i ich liczby, wielkości luzów między kulami a rowkami śrubowymi, rodzaju i lepkości cieczy tłumiącej. Pozwala to na dostosowanie sprzęgła do bardzo szerokiego zakresu zastosowań w budowie maszyn i urządzeń. Szczególne możliwości zmiany charakterystyki mechanicznej sprzęgła już fizycznie istniejącego poprzez zmianę liczby warstw kul sprzęgających i ich liczbę w poszczególnych warstwach, zmianę cieczy tłumiącej, zmianę gęstości materiału kul powodują, że sprzęgło według wynalazku cechuje się bardzo dużą uniwersalnością w praktycznym stosowaniu. Daje to możliwość precyzyjnego dostosowania charakterystyki do potrzeb. Dodatkowe szerokie możliwości kształtowania charakterystyki mechanicznej sprzęgła, w tym również na etapie eksploatacji można uzyskać przez wprowadzenie do rowków na kule spiralnych sprężyn naciskowych. Przykładowe umieszczenie sprężyny 15 ilustruje fig. 4, gdzie sprężyny umieszczono w rowku dwustożkowego wału przed włożeniem kul 5. Sprężyny te, opierając się jednym końcem o zakończenie rowka, wchodzą w kontakt z kulami, gdy kule przemieszczają się ku osi sprzęgła o założony odcinek rowków i odpowiadający temu kąt obrotu obudowy względem wału dwustożkowego. Stawiając wtedy sprężysty opór przemieszczającym się kulom usztywniają w płynny sposób charakterystykę sprzęgła podatnego skrętnie, zwiększając jednocześnie jego nośność. Możliwe jest zastosowanie różnej liczby i długości sprężyn z zapewnieniem wyważenia. Sprężyny mogą być umieszczone w wale dwustożkowym (jak na fig. 4), w obudowie sprzęgła lub w obu elementach jednocześnie. Dobierając różne charakterystyki sztywności sprężyn można kształtować charakterystykę sprzęgła podatnego w szerokich granicach w zależności od zmieniających się w toku użytkowania potrzeb. Wyjmowanie sprężyn może być realizowane bez demontażu sprzęgła. W tym celu należy wkręcić watek giętki z gwintem o skoku sprężyn i wyciągnąć sprężyny z rowków, co może być pomocne np. przy regulacji charakterystyki sprzęgła.

Opisane sprzęgło o dużej podatności skrętnej i efektywnej tłumienności drgań jest całkowicie bezobsługowe i posiada dużą trwałość eksploatacyjną. Sprzęgło według wynalazku może pracować w szerokim zakresie przenoszonego momentu obrotowego, szerokim zakresie prędkości obrotowej i w różnych temperaturach. Jest całkowicie odporne na wpływ środowiska w postaci zapylenia czy wilgotności, nie wykazuje również negatywnego wpływu na środowisko i nie stwarza zagrożenia pożarowego, zwłaszcza gdy zastosowana zostanie niepalna ciecz tłumiąca. Jego wykorzystanie w układach napędowych maszyn i urządzeń pozwala osiągnąć duże efekty techniczne i ekonomiczne oraz zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa pracy.

Claims (5)

1. Sprzęgło podatne z tłumieniem drgań skrętnych i regulacją charakterystyki znamienne tym, że posiada dwustożkowy wał (1) łożyskowany obrotowo w obudowie (2), przy czym na pobocznicy stożkowych części wału (1) i na wewnętrznej powierzchni obudowy (2) znajdują się co najmniej trzy przeciwbieżne śrubowe rowki (3) i (4) o kącie pochylenia w zakresie 30-60°, w których w każdym umieszczone są co najmniej trzy współpracujące z rowkami (3, 4) kule sprzęgające (5).

2. Sprzęgło według zastrzeżenia 1 znamienne tym, że wnętrze sprzęgła

3. wypełnione jest cieczą tłumiącą, korzystnie olejem o dużej lepkości.

4. Sprzęgło według zastrzeżenia 1 znamienne tym, że rowki (3) i/lub (4) posiadają sprężyny naciskowe (15).

5. Sprzęgło według zastrzeżenia I znamienne tym, że obudowa (2) jest dzielona za pośrednictwem pokryw (6 i 7) z łożyskami tocznymi (8).