RU2178844C1

RU2178844C1 - Cardan joint

Info

Publication number: RU2178844C1
Application number: RU2000127416A
Authority: RU
Inventors: Владимир Гарольдович Федосов; Игорь Павлович Хацкелян; Георгий Яковлевич Алексеенко; Георгий Леонидович Остапенко; Богдан Георгиевич Алексеенко
Original assignee: Дочернее предприятие "НЕКСУС - Производственно-коммерческая компания"
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2002-01-27

Abstract

FIELD: rolling equipment, possibly torque transfer in rolling mills with high dynamic loads. SUBSTANCE: Cardan joint includes crosspiece and fork joined with pins through rolling bodies such as rollers. Rollers are mounted along pin by several rows; pins have axial turnings whose diameters are reduced towards bottom parts of pins. Wall thickness in plane of distant end of remote roller relative to crosspiece center consists 0.1-0.2 of pin diameter and in plane between two ends of two adjacent rollers in mean zone of pin length consists 1.1-1.4 of thickness of pin wall in plane of distant end of remote roller. Axial thrust bearing is arranged in bottom of turning and it rests upon fork body through tie rod. EFFECT: increased area of contact surface of rollers with surface of crosspiece pins, enhanced uniformity of redistributing load on bearing assembly along pin. 2 cl

Description

Изобретение относится к прокатному оборудованию и может быть использовано для передачи крутящего момента с динамическими и статическими нагрузками. The invention relates to rolling equipment and can be used to transmit torque with dynamic and static loads.

Известен карданный шарнир (а. с. 903598, МКл. 3 F 16 C 11/06, 1982, БИ 5), содержащий крестовину и вилки, соединенные с пальцами крестовины через тела качения - ролики. Ролик выполнен в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону днища стакана подшипника. Known cardan joint (A. with. 903598, MKL. 3 F 16 C 11/06, 1982, BI 5) containing a cross and forks connected to the fingers of the cross through the rolling bodies - rollers. The roller is made in the form of a truncated cone, facing a smaller base towards the bottom of the bearing cup.

Конусность

где р - радиальный зазор карданного подшипника,
Н - высота крестовины,
l - длина ролика.Taper

where p is the radial clearance of the universal joint bearing,
N - the height of the cross,
l is the length of the roller.

Недостатком известного шарнира является невысокая его долговечность, особенно при передаче крутящих моментов с высокими динамическими нагрузками. Ролик подшипника в первый момент передает усилия на палец крестовины своим участком, лежащим в зоне большего его основания, затем усилие передается пальцу всем по длине пальца участком ролика и после возникновения максимально необходимого крутящего момента, при котором, как правило, происходит изгиб пальца по кривой кубической параболы, контактное давление на палец снова переходит на участок ролика у большего его основания, где возникает максимальная нагрузка на подшипник. При частых динамических нагрузках на шарнир, свойственных, например, пильгерстану, возможно образование трещин у роликов, вмятин на участках пальца и вилки в зоне высоких контактных давлений и выход шарнира из строя. A disadvantage of the known hinge is its low durability, especially when transmitting torques with high dynamic loads. At the first moment, the bearing roller transfers forces to the cross finger with its portion lying in the area of its larger base, then the force is transmitted to the finger along the entire length of the finger with the roller section and after the maximum required torque occurs, at which, as a rule, the finger bends along a cubic curve parabolas, contact pressure on the finger again passes to the roller section at its larger base, where the maximum load on the bearing occurs. With frequent dynamic loads on the hinge, such as pilgerstan, for example, cracks can occur at the rollers, dents in the finger and fork sections in the high contact pressure zone and the joint will fail.

В основу изобретения поставлена задача повысить стойкость шарнира за счет увеличения контактной поверхности роликов относительно поверхности пальцев крестовины и повысить стойкость подшипниковых узлов путем перераспределения нагрузок на подшипниковый узел по длине и по боковым поверхностям пальцев крестовины, за счет изменения формы поперечного сечения одновременно с изгибом пальца при приложении усилия и увеличения площади охвата поверхности пальца радиальными роликами. The basis of the invention is the task to increase the stability of the hinge by increasing the contact surface of the rollers relative to the surface of the fingers of the crosspiece and to increase the resistance of the bearing assemblies by redistributing the loads on the bearing assembly along the length and lateral surfaces of the fingers of the crosspiece, by changing the cross-sectional shape simultaneously with the bending of the finger during application efforts and increase the area of coverage of the surface of the finger radial rollers.

Поставленная задача достигается тем, что в карданном шарнире, содержащем крестовину и вилки с выступами, соединенные с пальцами крестовины через тела качения - ролики, согласно изобретению ролики установлены по длине пальцев многорядно и в пальцах выполнены осевые расточки с днищами, с уменьшением диаметров в поперечных сечениях расточек по длине пальцев от плоскостей, проходящих по дальним торцам дальних роликов относительно центра крестовины, к днищам расточек, при этом стенка расточки по длине пальца в сечении выполнена в виде выше второго порядка так, что толщина стенки пальца, лежащей в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца, а в плоскости между торцами двух соседних роликов в зоне середины длины пальца - 1,1-1,4 толщины стенки в плоскости дальнего торца дальнего ролика, относительно центра крестовины. The problem is achieved in that in the cardan joint containing the cross and the forks with protrusions connected to the fingers of the cross through the rolling bodies - rollers, according to the invention, the rollers are installed along the length of the fingers in multiple rows and axial bores with bottoms are made in the fingers, with a reduction in diameter in cross sections the bore along the length of the fingers from the planes passing along the far ends of the distant rollers relative to the center of the cross to the bottoms of the bores, while the wall of the bore along the length of the finger in cross section is made in the form above of the first order so that the thickness of the wall of the finger lying in the plane along the far end of the far roller is 0.1-0.2D - the diameter of the finger, and in the plane between the ends of two adjacent rollers in the middle of the length of the finger - 1.1-1.4 wall thickness in the plane of the far end of the far roller, relative to the center of the cross.

Приведенная совокупность признаков заявляемого карданного шарнира является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты. The above set of features of the claimed cardan joint is sufficient in all cases to which the scope of legal protection applies.

Кроме того, заявляемый карданный шарнир имеет и другие отличительные признаки, которые развивают, дополняют и характеризуют изобретение в отдельных случаях его выполнения и используются в зависимости от конкретных условий изготовления и эксплуатации. In addition, the inventive cardan joint has other distinctive features that develop, complement and characterize the invention in some cases of its implementation and are used depending on the specific conditions of manufacture and operation.

В карданном шарнире согласно изобретению в днище осевой расточки установлен осевой упорный подшипник, упирающийся в тело через штангу, зафиксированную в расточке выступа вилки, входя свободно с зазором в расточку пальца. In the universal joint according to the invention, an axial thrust bearing is mounted at the bottom of the axial bore, abutting against the body through a rod fixed in the bore of the fork protrusion, freely entering the bore of the finger with clearance.

Установка роликов по длине пальца крестовины многорядно обеспечивает при прочих условиях увеличение площади их прилегания к внешним поверхностям пальцев по их длинах при смене геометрического профиля поверхности пальца, при его изгибе в процессе приложения усилий от ведущей вилки карданного шарнира. The installation of rollers along the length of the finger of the crosspiece in many ways provides, under other conditions, an increase in the area of their contact with the outer surfaces of the fingers along their lengths when changing the geometric profile of the surface of the finger, when it bends during the application of forces from the drive fork of the universal joint.

Выполнение осевой расточки в пальце крестовины по его длине с уменьшением ее диаметра в поперечных сечениях расточки по длине пальца от плоскостей, проходящих по дальним торцам дальних роликов относительно центра крестовины, к днищу расточки, при этом стенка расточки по длине пальца в сечении выполнена в виде кривой выше второго порядка так, что толщина стенки пальца, лежащей в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца, обеспечивает изменение формы поперечного сечения пальца с одновременным его изгибом в момент приложения усилия от ведущей вилки. The execution of the axial bore in the finger of the crosspiece along its length with a decrease in its diameter in cross sections of the bore along the length of the finger from the planes passing along the far ends of the distant rollers relative to the center of the crosspiece to the bottom of the bore, while the wall of the bore along the length of the finger in the section is made in the form of a curve higher than the second order so that the thickness of the wall of the finger lying in the plane along the far end of the far roller is 0.1-0.2D - the diameter of the finger, provides a change in the shape of the cross section of the finger with its simultaneous bending m at the time of application of force from the driving fork.

Изменение формы поперечного сечения пальца с расширением его диаметра в зонах, перпендикулярных относительно зоны приложения усилия на палец ведущей вилкой шарнира, на величину, равную двум технологическим зазорам в подшипнике, обеспечивает увеличение площади контактного давления большим числом радиальных роликов и равномерное распределение нагрузки на ролики и палец крестовины. Этот процесс может происходить при толщине стенки пальца в плоскости, проходящей по дальнему торцу дальнего ролика относительно центра крестовины, равной 0,1-0,2D - диаметра пальца. Changing the shape of the cross section of the finger with the extension of its diameter in areas perpendicular to the area of application of force on the finger by the leading fork of the hinge by an amount equal to two technological clearances in the bearing, provides an increase in the contact pressure area with a large number of radial rollers and an even distribution of the load on the rollers and finger crosses. This process can occur when the finger wall thickness is in the plane passing along the far end of the far roller relative to the center of the cross, equal to 0.1-0.2 D - the diameter of the finger.

При толщине стенки менее 0,1D будет происходить резкое изменение формы поперечного сечения пальца без его изгиба, т. е. не будет выбираться зазор по всей длине пальца и возможно заклинивание роликов в зонах пальца, перпендикулярных зоне приложения усилий от ведущей вилки. Кроме того, может произойти смятие стенки пальца в зоне приложения усилий и разрушение шарнира в целом. With a wall thickness of less than 0.1D, a sharp change in the shape of the cross section of the finger without bending will occur, i.e., a gap along the entire length of the finger will not be selected and jamming of the rollers in the finger zones perpendicular to the force applied from the driving fork will be possible. In addition, collapse of the finger wall in the area of application of force and destruction of the hinge as a whole can occur.

При толщине стенки более 0,2D форма поперечного сечения пальца может не измениться, будет происходить только изгиб пальца, и на участке ближе к его торцу, в начальный момент передачи усилия от ведущей вилки резко увеличивается контактное давление и соответственно возникает пиковая нагрузка на палец и подшипник. При отсутствии процесса изменения формы поперечного сечения пальца происходит резкое перераспределение нагрузки по длине пальца от максимальной нагрузки в зоне торца пальца и нулевой нагрузки у его основания в первый момент приложения усилия от ведущей вилки в период выборки технологических зазоров по длине пальца до максимальной нагрузки у основания пальца и нулевой в торцевой зоне пальца при установившемся приложении усилий на него и после выборки технологических зазоров по длине пальца. Такое неравномерное распределение нагрузки по длине пальца крестовины и на подшипниковом узле увеличивает контактное давление в зоне основания пальца и приводит к быстрому износу подшипникового узла. With a wall thickness of more than 0.2 D, the cross-sectional shape of the finger may not change, only the finger will bend, and in the area closer to its end, at the initial moment of the transfer of force from the driving fork, the contact pressure sharply increases and, accordingly, the peak load on the finger and bearing . In the absence of a process of changing the shape of the finger’s cross section, there is a sharp redistribution of the load along the length of the finger from the maximum load in the area of the finger end and zero load at its base at the first moment of applying force from the driving fork during the sampling of technological gaps along the length of the finger to the maximum load at the base of the finger and zero in the end zone of the finger with a steady application of force on it and after selecting technological clearances along the length of the finger. This uneven load distribution along the length of the finger of the cross and on the bearing assembly increases contact pressure in the area of the base of the finger and leads to rapid wear of the bearing assembly.

Выполнение толщины стенки пальца в зоне средней его длины в плоскости между торцами двух соседних роликов, равной 1,1-1,4 толщины стенки пальца в плоскости дальнего торца относительно центра крестовины необходимо для обеспечения плавного затухания процесса изменения формы поперечного сечения пальца к точке пересекания линии изменения нагрузки на подшипниковый узел при переходе от начального момента приложения усилия на палец до стабилизированного процесса передачи усилий от ведущей вилки шарнира. В этом случае создаются условия плавного перехода нагрузки на подшипниковый узел и более равномерное перераспределение нагрузки на подшипниковый узел по длине пальца. The execution of the finger wall thickness in the zone of its average length in the plane between the ends of two adjacent rollers, equal to 1.1-1.4 the thickness of the finger wall in the plane of the far end relative to the center of the cross, is necessary to ensure smooth attenuation of the process of changing the shape of the cross section of the finger to the point of intersection of the line changes in the load on the bearing assembly during the transition from the initial moment of application of force on the finger to a stable process of transferring forces from the drive fork of the hinge. In this case, conditions are created for a smooth transition of the load on the bearing assembly and a more uniform redistribution of the load on the bearing assembly along the length of the finger.

При толщине стенки в средней части пальца менее 1,1 толщины стенки пальца в плоскости дальнего торца дальнего ролика затухание деформации в поперечном сечении пальца будет происходить выше зоны разъема соседних по длине пальца роликов, и какой-то ролик будет находиться в зоне конца деформации сечения, где будет максимальное контактное давление на этот ролик. Кроме того, точка пересекания линий нагрузки при переходе от начального момента приложения усилия вращения до стабилизированного будет находиться ближе к торцу пальца крестовины и равномерность перераспределения напряжения на подшипниковый узел при стабилизированном процессе будет снижена. When the wall thickness in the middle part of the finger is less than 1.1 of the finger wall thickness in the plane of the far end of the far roller, the strain attenuation in the cross section of the finger will occur above the connector zone of the rollers adjacent to the length of the finger, and some roller will be in the area of the end of the section deformation, where will be the maximum contact pressure on this roller. In addition, the intersection point of the load lines during the transition from the initial moment of application of the rotational force to the stabilized one will be closer to the end of the cross finger and the uniformity of the voltage redistribution to the bearing assembly during the stabilized process will be reduced.

Благодаря выполнению стенки расточки в пальце по его длине в виде кривой линии выше второго порядка, что фактически соответствует кривой прогиба пальца после приложения усилий ведущей вилкой, происходит плавное изменение формы в поперечных сечениях пальца по его длине. Due to the implementation of the wall of the bore in the finger along its length in the form of a curve line higher than the second order, which actually corresponds to the curve of the deflection of the finger after the efforts of the leading fork, a smooth change in shape in the cross sections of the finger along its length occurs.

Выполнение расточки с днищем позволяет установить в нем осевой упорный подшипник, а выполнение выступа в вилке для крепления штанги и через нее осевого упорного подшипника обеспечивает повышение прочностных характеристик вилки, исключаются дополнительные расточки в вилке и пальцы крестовины под крепление осевого подшипника. Performing a bore with the bottom allows you to install an axial thrust bearing in it, and performing a protrusion in the fork for attaching the rod and through it an axial thrust bearing provides an increase in the strength characteristics of the fork, additional bores in the fork and cross fingers for mounting the axial bearing are excluded.

Устройство поясняется чертежами. The device is illustrated by drawings.

На фиг. 1 показан узел шарнира в сборе в продольном сечении; на фиг. 2 - эпюра распределения нагрузок в начальный момент приложения усилия от ведущей вилки; на фиг. 3 - эпюра распределения нагрузок в момент перехода от начального приложения усилия до установившегося процесса передачи усилия от ведущей вилки; на фиг. 4 - эпюра распределения нагрузок на палец крестовины в установившемся процессе вращения шарнира; на фиг. 5 - эпюра распределения радиальных нагрузок на палец крестовины. In FIG. 1 shows a hinge assembly in longitudinal section; in FIG. 2 is a diagram of the load distribution at the initial moment of application of force from the leading fork; in FIG. 3 is a diagram of the load distribution at the time of transition from the initial application of force to the steady-state process of transferring force from the driving fork; in FIG. 4 - diagram of the distribution of loads on the finger of the cross in the steady state process of rotation of the hinge; in FIG. 5 is a diagram of the distribution of radial loads on the finger of the cross.

Карданный шарнир состоит из крестовины 1 и вилок 2 (фиг. 1), соединенных с пальцами 3 через тела качения - ролики 4. В пальцах 3 крестовины 1 выполнены осевые расточки 5. Между внешней поверхностью пальца 3 и поверхностью расточки в вилке 2 установлены многорядно ролики 4, размещенные в сепараторах 6. Расточка в пальце 3 по ее длине l выполнена с уменьшением ее диаметра от плоскости, проходящей по дальнему торцу ролика 4 относительно центра крестовины 1 (фиг. 5). Днище 7 лежит в зоне плоскостей С-С; С₁-С₁ между участками СС₁ сопряжения пальца 3 крестовины 1 с соседними пальцами.The cardan joint consists of a spider 1 and forks 2 (Fig. 1), connected to the fingers 3 through the rolling bodies - rollers 4. Axial bores 5 are made in the fingers 3 of the spider 1. Multiple rollers are installed between the outer surface of the finger 3 and the surface of the bore 3 in the fork 2 4, located in the separators 6. The bore in the finger 3 along its length l is made with a decrease in its diameter from the plane passing along the far end of the roller 4 relative to the center of the spider 1 (Fig. 5). The bottom 7 lies in the zone of planes CC; With ₁ -C ₁ between sections of the CC ₁ pairing finger 3 of the cross 1 with adjacent fingers.

Толщина стенки пальца 3, лежащей в плоскости по дальнему торцу Р ролика 4 относительно центра крестовины 1, составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца 3 крестовины 1. The thickness of the wall of the finger 3, lying in a plane along the far end P of the roller 4 relative to the center of the spider 1, is 0.1-0.2D - the diameter of the finger 3 of the spider 1.

Толщина стенки пальца 3, лежащей в плоскости m-n, проходящей между торцами двух соседних роликов 4 в зоне средины длины l пальца 3, составляет 1,1-1,4 толщины стенки пальца 3 в плоскости дальнего торца дальнего ролика 4. The thickness of the wall of the finger 3, lying in the plane m-n, passing between the ends of two adjacent rollers 4 in the middle zone of the length l of the finger 3, is 1.1-1.4 the wall thickness of the finger 3 in the plane of the far end of the far roller 4.

Стенка расточки 5 по длине l пальца 3 в продольном сечении представляет собой кривую выше второго порядка. The wall of the bore 5 along the length l of the finger 3 in a longitudinal section is a curve above the second order.

В днище 7 расточки 5 пальца 3 установлен осевой подшипник 8, упирающийся в тело вилки 2 через штангу 9, зафиксированную в расточке выступа 10 вилки 2. Выступ 10 свободно входит в расточку 5. Вилка 2 имеет канал 11 для подачи смазки в подшипник 8. Ролики 4 у основания пальца 3 закрыты уплотнительным кольцом-крышкой 12. In the bottom 7 of the bore 5 of the finger 3, an axial bearing 8 is mounted, abutting against the body of the fork 2 through the rod 9, fixed in the bore of the protrusion 10 of the fork 2. The protrusion 10 freely enters the bore 5. The fork 2 has a channel 11 for supplying lubricant to the bearing 8. Rollers 4 at the base of the finger 3 are closed by a sealing ring-cover 12.

Сборку карданного шарнира осуществляют следующим образом. Assembling the universal joint is as follows.

(На фиг. 1 показан как вариант узел шарнира с составной вилкой, скрепленной стяжным болтом. Чертеж крепления полувилок стяжным болтом отсутствует). В расточку в выступе 10 вилки 2 устанавливают штангу 9 крепления подшипника 8. В расточку вилки 2 устанавливают сепаратор 6 с роликами 4 и фиксируют уплотнительным кольцом 13. Затем полувилку надевают вместе с роликами 4 на палец 3 крестовины 1, предварительно установив на днище 7 осевой подшипник 8. Аналогично производят сборку противоположной полувилки, затем стяжным болтом (на чертеже отсутствует) соединяют полувилки. (Fig. 1 shows, as an option, the hinge assembly with a composite fork fastened with a coupling bolt. There is no drawing for attaching half-forks with a coupling bolt). In the bore in the protrusion 10 of the fork 2, a rod 9 for mounting the bearing 8 is installed. In the bore of the fork 2, a separator 6 with the rollers 4 is installed and fixed with a sealing ring 13. Then, the half-fork, together with the rollers 4, is put on the finger 3 of the crosspiece 1, having previously installed an axial bearing on the bottom 7 8. Similarly, the opposite half-fork is assembled, then half-forks are connected with a coupling bolt (not shown in the drawing).

Карданный шарнир работает следующим образом: при условии, что ведущей является вилка 2, усилие от нее передается в начальный момент через ролики 4 на дальний - концевой участок пальца 3. В этот момент происходит изгиб стенки 13 пальца 3 и изменение формы расточки и соответственно пальца 3 в поперечном сечении, нагрузка на подшипниковый узел распределяется по эпюре фиг. 2. Стенка 13 пальца 3 увеличивается в диаметре в точках, перпендикулярных точке приложения усилий роликами 4. Диаметр стенки увеличивается при заданной толщине стенки, равной 0,1-0,2D - диаметра пальца, на величину двух технологических зазоров δ (δ= 20-40 мкм при D= 150-280 мм). При этом участвует в приложении усилий на палец 3 большее количество роликов 4, тем самым перераспределяется и уменьшается контактное давление роликов на поверхности пальца 3. Нагрузка на подшипниковый узел и палец 3 крестовины 1 радиально распределяется более равномерно (см. эпюру 15 фиг. 5 взамен эпюры 14) на большую площадь пальца 3 (фиг. 5). В период перехода от начального приложения усилий, в момент выборки технологических зазоров по длине bb' пальца к стабилизированному усилию распределение нагрузки происходит по эпюре (фиг. 3). В установившемся режиме вращения шарнира нагрузка на подшипниковый узел и на палец 3 крестовины 1 распределяется более равномерно по длине bb'пальца 3 (фиг. 4). The cardan joint works as follows: provided that the fork 2 is the lead, the force is transmitted from it at the initial moment through the rollers 4 to the distant - end section of the finger 3. At this moment, the wall 13 of the finger 3 is bent and the shape of the bore and, respectively, of the finger 3 in cross section, the load on the bearing assembly is distributed according to the diagram of FIG. 2. Wall 13 of finger 3 increases in diameter at points perpendicular to the point of application of force by the rollers 4. The diameter of the wall increases at a given wall thickness equal to 0.1-0.2D — the diameter of the finger by two technological clearances δ (δ = 20- 40 μm at D = 150-280 mm). At the same time, a greater number of rollers 4 are involved in applying efforts to the finger 3, thereby redistributing and reducing the contact pressure of the rollers on the surface of the finger 3. The load on the bearing assembly and the finger 3 of the crosspiece 1 is radially distributed more evenly (see diagram 15 of Fig. 5 instead of the diagram 14) a large area of the finger 3 (Fig. 5). During the transition from the initial application of efforts, at the time of sampling the technological gaps along the length bb 'of the finger to the stabilized force, the load distribution occurs along the diagram (Fig. 3). In the steady state of rotation of the hinge, the load on the bearing assembly and on the finger 3 of the spider 1 is distributed more evenly along the length bb of the finger 3 (Fig. 4).

Данное изобретение может быть использовано на всех станах для передачи крутящих моментов с углом переноса до 16^o.This invention can be used on all mills for transmitting torques with a transfer angle of up to 16 ^o .

Claims

1. A cardan joint containing a cross and forks with protrusions connected to the fingers of the cross through the rolling elements — rollers, characterized in that the rollers are arranged along the length of the fingers in rows and axial bores with bottoms are made in the fingers, with a decrease in the diameters of the cross-sections of the bores along the length of the fingers , from planes passing along the far ends of the distant rollers, relative to the center of the cross to the bottoms of the bores, while the wall of the bore along the length of the finger in the section is made in the form of a curve above the second order, so that the wall thickness and the finger lying in the plane along the far end of the far roller is 0.1-0.2 of the diameter of the finger, and in the plane between the ends of two adjacent rollers in the middle of the length of the finger is 1.1-1.4 wall thickness in the plane of the far end of the far roller, relative to the center of the cross.

2. The cardan joint according to claim 1, characterized in that an axial thrust bearing is installed in the axial bore bottom, abutting the body of the fork through a rod fixed in the bore of the fork protrusion, entering freely with a gap in the finger bore.