TW201315102A - 在旋轉驅動軸上實現完全密封的動力耦合裝置及其耦合方法 - Google Patents

Abstract

本發明使用一個旋轉驅動軸耦合器可把輸入軸之旋轉運動轉變成耦合器上的兩個正交振盪運動。在這種耦合器的另一側，利用第三個振盪器的振盪運動再把振盪運動轉換回輸出軸的旋轉運動。因此在耦合器和機殼之間至少可安裝一個無滑動的密封，來分隔輸出軸所佔據的空間和輸入軸所佔據的空間。三個振盪器之振盪運動，都可以分別利用軸承，齒輪或軌道來加以引導，以減少其運動產生的摩擦力和熱量。耦合器上的兩對磁鐵組是用來防止旋轉軸旋轉之分叉，並迫使輸出軸與輸入軸按照同方向、同步旋轉。與磁耦合器傳動不同之處，是在本發明裡扭矩的傳遞是直接而無損的。

Description

在旋轉驅動軸上實現完全密封的動力耦合裝置及其耦合方法

本發明是屬於一種工程方法和機器設備。本發明可以在由驅動軸所處的封閉空間和被驅動軸所處的封閉空間之間雙向傳遞轉動的同時，實現至 少一個完全密封。本發明能夠保護重要的機器組件免受環境污染，腐蝕以及由於液體滲漏或潮濕引起的電力短路。

眾所周知，機械端面密封技術允許旋轉軸從靜止的機器外殼內部向外伸出，因而能夠保護機器不受惡劣的工作環境影響。但是，磨損、腐蝕以及壓力、溫度的大幅波動，經常能夠導致機械密封的失效。多年以來，有很多工程上的努力，試圖去改進機械密封的設計，以提高可靠性和降低維護成本。

現存的另外一個完全密封的解決方法是利用氣隙磁耦合來隔開馬達與其負載。因為有限的扭矩、耦合處的較大尺寸、以及耦合器產生的熱量，磁力耦合在機械上的應用在根本上受到制約。現實中有許多的工業應用，需要高扭矩和複雜的控制，但是缺少磁力耦合所需的空間尺寸。另外，有的機器本身處於很高的外部壓力，又或者在這種工作狀況下，很難進行週期的維護工作，因而在此種情況下，不適合使用經常需要維修的端面密封。

在2011年日本大地震中，由於後備發電機故障，引起了核電廠的嚴重事故。這促使人類急需新的，且能夠抵抗海水浸泡的發電機以及水泵的設計。而在這新的設計中，機械密封起著至關重要的作用。

機械密封和磁力耦合適用於某些類型的工作環境和條件，但它們都不是長期不具有使用問題的工程方法。鑒於此，克服旋轉軸的密封問題，在技術上具有高度的挑戰性。有許多的製造行業，包括汽車，水泵，發電， 船舶，航空航太，油田服務，煉油廠，化工廠，食品加工等，都急需要找到一個更好的機械密封解決方法，將旋轉運動從一個封閉的機器空間完全密封地傳輸到其鄰近的空間或者反向傳輸。

取代傳統機械端面密封解決方法的基本工程問題在於：如何迴避旋轉軸和外殼之間產生的無限週期的邊界條件。在這樣的邊界條件上，使用粘接或者鎖緊密封面的工程方法必然是無效的。

本發明的目的是在提供一個旋轉軸和其封閉的外殼之間可使用粘接或鎖緊的密封之解決方案，利用驅動軸的耦合器，將輸入軸的旋轉運動轉換成兩個正交振盪，然後，在這種耦合器的另一側，使用第三個振盪器將振盪運動轉換成輸出軸的旋轉運動。第三個振盪器安裝在耦合器上，其運動之方向垂直於耦合器的運動方向。在驅動軸耦合器中間有一個固體的隔牆，把輸入軸和輸出軸隔開。

由於振盪器不會產生無限週期的邊界條件，因此，在旋轉軸和其封閉的外殼之間，可以建造至少一個粘接或鎖緊的密封。利用這一個方法實現了完全的密封的驅動軸耦合器，不僅可以保護機器內部的敏感元件不受到外部環境和物質的污染，同時也允許一個旋轉軸在無洩漏的情況下，去驅動外部的負載。每個振盪運動可以由直線運動軸承、襯套、齒輪或滾筒、或導軌之組合來引導軸承以減少其摩擦力，防止其運動所產生的熱量。既然在本發明的驅動軸耦合器上沒有極端的溫度產生，那麼橡膠類材料，複 合材料或類似的材料，都可以作為密封材料。

本發明應用在頻繁啟動和停止的旋轉軸時，可使用裝在驅動軸耦合器兩側振盪器上的磁鐵，來防止輸出軸的轉動分岔，特別是當輸入軸端偏心的傳動銷，在兩個特別的角度位置上啟動時；例如，在本發明中傳動銷在0和180度時，可能發生輸出軸轉動分岔，輸出軸將被磁鐵強制按照輸入軸的相同方向旋轉，因而不會發生轉動分岔。

總結本發明的機械傳動鏈：在驅動軸末端的偏心傳動銷，引起旋轉耦合器上的垂直和水平振盪，裝在驅動軸耦合器另外一邊的垂直振盪器，迫使一個與其相連的輸出軸朝輸入軸同方向與其同步旋轉。

結合以下的詳細描述以及附圖，本發明的創新，特點及其目的和功能將可以明確清楚地說明。

本發明的轉動驅動軸耦合器的重要組成，包括一個輸入軸，振盪轉換器，輸出軸，和密封及機殼。圖1中顯示的是旋轉驅動軸耦合器機械裝配的立體圖。為了獲得本發明的清晰視圖，省略繪製機殼12之後半部的驅動馬達。

如下是本發明旋轉驅動軸耦合器10之更詳細的說明，在圖1中單元30是指振盪轉換器。其中包括一個垂直振盪器，這個垂直振盪器裡包括側翼64和軸承62，其中軸承62可在兩個線性軸承或襯套38和34內部垂直移動。另外，在振盪轉換器30的另一邊有一個對稱的垂直振盪器未在圖中顯 示出。振盪轉換器30本身只能做水平運動，而其水平運動軸承可在另外兩個線性軸承/襯套52和54中移動，線性軸承/襯套52和54是固定或焊接在兩個支撐板44和46上面的，支撐板44和46直接固定到機殼12內部。振盪轉換器30也可以採用低摩擦元件，來引導其水平移動，例如利用輪子，齒輪，軌道，軸承或襯套之類的元件，並可將其安裝在機殼12內部的上表面和下表面上。線性軸承/襯套是只允許軸承做一維直線運動的裝置，在軸承運動時，它不允許軸承旋轉。如果一個設計工程師傾向於使用純套管，可以考慮採用雙軸振盪器的設計方案，這樣的設計也可以防止軸承在運動中旋轉。在圖1中也呈現了輸入旋轉軸22和輸出旋轉軸16。將在後段詳細介紹輸出旋轉軸16和旋轉銷18如何與振盪轉換器30卡合。輸入旋轉軸22也使用相同的方式卡合。

圖2是將輸出軸16與振盪轉換器30繪製在一起的組件分解圖。輸出軸16一端的傳動銷18，可與包括翼88和軸82之垂直振盪器通過嵌入在振盪器中心的滾珠軸承80進行卡合。垂直振盪器有兩個84和86的永久磁鐵，安裝在其翼88之下方。為使兩個相對的垂直振盪器同步運動，安裝在振盪轉換器30的中心凹槽中之磁鐵84和86，通過非磁性薄牆42與安裝在振盪轉換器30對面之磁鐵66和68相互吸引。薄壁42和振盪轉換器30，可用特殊的非磁性材料製作，例如，鎳基合金，鈦等，這些材料，可讓磁力通過。凸出的環形面26是用來安裝顯示在圖3和圖4中的橡膠密封。線性軸承/襯套32和36是用來引導振盪轉換器30的垂直振盪軸82，線性軸承/襯套52和54是用來引導振盪轉換器30的水平振盪軸70和72。

輸出軸16是由位於機殼12一端之開口28內的推力軸承24來支撐。 橡膠波紋密封14，其直徑較小之口是粘接在機殼12之開口28上，而另一端是粘接在振盪轉換器30凸出的環形面26上。在圖2中也可以清楚看到凸出的環形面26。封閉輸出軸的空間是由推力軸承24，密封14和在振盪轉換器30中間之薄壁42組成。推力軸承24是安裝在機殼12之開口28上。因此，輸出軸佔用的空間和輸入軸佔用的空間之間，裝有一個完美無漏的密封隔離。雖然再安裝另一個機械端面密封並非必要，但是仍然可以在機殼12之開口28上，安裝一個額外的機械端面密封，來提供更多的保護。

圖3中顯示的是與振盪轉換器30之薄壁42對稱的兩個垂直振盪器。輸入旋轉軸22和旋轉銷20與另一個垂直振盪器卡合。這個垂直振盪器在振盪轉換器30的輸入端線性軸承/襯套34和38中滑動。位於輸入軸22上之偏心旋轉銷20產生的扭矩，將帶動所有三個振盪器而使與其相連的輸出軸16被動地跟隨輸入軸22旋轉。在此並沒有呈現出固定和帶動輸入旋轉軸22的馬達。

圖4中顯示了波紋橡膠密封14，其中一端是粘接在機殼12之開口28上，而另一端是粘接在圖3中振盪轉換器30凸出的環形面26上。密封14將承受到許多橫向振動。因此，增加長度和使用波紋形狀，採用軟質橡膠材料，或類似橡膠類之複合材料，將減少密封14之應力和延長其使用壽命。

旋轉分岔可能發生在輸入軸之傳動銷在0和180度的兩個角度位置上啟動時。這兩點的位置是若一個人沿輸入軸軸向觀測，傳動銷的旋轉軌跡與水平軸相交的兩個交叉點，圖5a和圖5b繪製出輸入軸傳動銷和輸出軸傳動銷從零度開始，隨時間沿單位圓旋轉所允許的角度位置。用每分鐘60轉作為一個範例，圓環符號是輸入軸傳動銷的位置，而交叉符號X是輸出 軸傳動銷的位置。

如圖5a和圖5b所示，圖5a顯示兩個旋轉軸在同步旋轉，而圖5b顯示出兩個旋轉軸在朝相反方向旋轉。雖然一個逆時針旋轉和一個順時針旋轉，但是兩個旋轉的可能性都是機械原理上所允許的。因此對於應用在經常停止和啟動的場合，使用者需要防止當輸入軸傳動銷的位置，偶爾碰巧是在這兩個角位置啟動所造成輸出軸旋轉方向不可預測的可能性。解決此問題的優先方案，是剛才解釋過的工程方法，這個方法不論輸入軸傳動銷的啟動位置在哪個角度，使用永久磁鐵迫使兩個垂直振盪器往同一方向移動。

當然也有其他的機械裝置，例如，特殊的離合器或棘輪等，可安裝在輸入軸，輸出軸上，或兩者都裝，去迫使其軸朝一個選擇的方向旋轉傳動。其他的解決方案，包括控制伺服馬達強制輸入軸只能停止在除此兩個特殊的角位置以外的角位置上。因此，我們的發明，在與其他單向機械設備或方法的說明下，也可以用在不需要永久磁鐵的情況下工作。

據分析，由於本發明轉動軸耦合器中正交振盪器的特殊安排，使旋轉分岔發生在0和180度的水平位置。它也可能發生在任何其他的角度位置，取決於工程師如何將旋轉耦合器裝入機殼。

這裡總結旋轉傳動耦合之方法：在輸入旋轉軸22尾端的傳動銷20啟動兩個正交的振盪運動；一個是振盪轉換器30的水平振盪運動，而另一個是滑動在線性軸承/襯套34和38中的垂直振盪運動，而這個垂直振盪器帶有翼64與軸62。具有水平振盪軸70和72之振盪轉換器30在線性軸承/襯套52和54內作水平振盪，52和54是通過兩個支撐板44和46直接固定 到機殼12的機殼內。在振盪轉換器30反面的另一個垂直振盪器帶有翼88與軸82，在線性軸承/襯套32和36內作垂直振盪。而此振盪器與輸出軸16的傳動銷18相連接，並迫使輸出軸16與輸入軸22同步旋轉。

本發明的優點，包括但不只局限於，在工業史上第一次使用粘接或鎖緊密封，並同時可以從一個封閉的空間內，無洩漏地傳輸旋轉運動到其鄰近的空間。不同於磁耦合的是，本發明中扭矩的傳動比是一比一，而且旋轉傳動絕對不會發生相對損失。輸出轉速控制也比磁耦合器簡單得多。鑒於一個完全的密封及其提高的可靠性，這一個新發明可以應用到許多具有挑戰性的工業環境當中。

本發明側重於機械設計的概念，並沒有在小型化的設計上下工夫。人們可以很容易的想像到此傳動軸耦合器可以結合任何其他機械設備元件使用。例如：齒輪箱，棘輪，離合器等。對於在高壓環境下之應用，可以在密封兩側艙內使用平衡壓力的液體，從而可以防止橡膠密封，在高壓環境下，發生過大的變形。

在廣義上講，本發明是一種方法，以及機械設計，它可以實現一個完全無洩漏的密封，把旋轉軸的運動從封閉的空間傳輸到及其鄰近的空間，反之亦然。這個新的發明和技術有可能徹底改變許多工業機械密封的設計，尤其是可改變在目前已經使用端面密封和磁耦合的工業產品上。

雖然上述本發明的書面說明，可讓普通工程人員複製和應用目前被認為是本發明中最好的模式及其設計，但是那些具有普通技能的工程人員，應該理解和意識到與本發明中具體實現的方法和實例的變化性，組合性和對等性的產品是存在的。因此本發明不應該只局限在上面介紹的具體實 現，方法和實例，且應該包含了所有其他在本發明精神範圍內的範例和方法。

10‧‧‧旋轉驅動軸耦合器

12‧‧‧機殼

14‧‧‧波紋狀橡膠密封

16‧‧‧輸出旋轉軸

18‧‧‧旋轉傳動銷

20‧‧‧偏心旋轉銷

22‧‧‧輸入旋轉軸

24‧‧‧推力軸承

26‧‧‧環形緣

28‧‧‧開口

30‧‧‧振盪轉換器

32‧‧‧線性軸承/襯套

34‧‧‧線性軸承/襯套

36‧‧‧線性軸承/襯套

38‧‧‧線性軸承/襯套

42‧‧‧非磁性薄壁

44‧‧‧支撐板

46‧‧‧支撐板

52‧‧‧線性軸承/襯套

54‧‧‧線性軸承/襯套

62‧‧‧軸承

64‧‧‧翼

66‧‧‧磁鐵

68‧‧‧磁鐵

70‧‧‧水平振盪軸

72‧‧‧水平振盪軸

80‧‧‧滾珠軸承

82‧‧‧垂直振盪軸

84‧‧‧永久磁鐵

86‧‧‧永久磁鐵

88‧‧‧翼

‧‧‧輸入軸傳動銷

X‧‧‧輸出軸傳動銷

圖1是本發明的旋轉驅動軸耦合器的機械裝配的立體圖；圖2是本發明中振盪轉換器之組件分解圖；圖3是本發明中機械裝配的剖視圖；圖4是本發明中橡膠密封的立體圖；圖5(a)及(b)是用來說明輸入軸和輸出軸的傳動銷，投影在一個單位圓上的角度位置，藉以解釋旋轉分岔的說明圖。

10‧‧‧旋轉驅動軸耦合器

12‧‧‧機殼

16‧‧‧輸出旋轉軸

22‧‧‧輸入旋轉軸

30‧‧‧振盪轉換器

34，38‧‧‧線性軸承/襯套

44，46‧‧‧支撐板

52，54‧‧‧線性軸承/襯套

62‧‧‧軸承

64‧‧‧翼

Claims (15)

1. 一種可使旋轉傳輸軸之旋轉運動轉換成耦合器的多個正交振盪運動，再轉換成輸出軸旋轉運動的耦合方法，其方法包括以下步驟：連接輸入軸與耦合器輸入端的一個振盪器；轉換輸入軸旋轉運動成耦合器的多個正交振盪器的振盪運動；連接輸出軸與耦合器輸出端的一個振盪器；其中轉換旋轉運動成振盪運動的方法是可以允許機殼和耦合器之間加裝一個粘接的密封。
2. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：在機殼和耦合器之間，裝入一個粘接或鎖緊的密封，用來分隔輸入軸和輸出軸所佔據的空間。
3. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：使用磁鐵強迫輸出軸按照輸入軸同方向、同步旋轉，以防止發生輸出軸之旋轉分叉，這可能發生在輸入軸銷偶爾在兩個特殊的角位置上啟動的時候。
4. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：使用低摩擦元件，來引導振盪器之振盪運動。
5. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：在機械耦合器上將輸入軸和輸出軸分隔。
6. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：輸入軸和輸出軸都具有銷。
7. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：在機械耦合器輸入端和 輸出端的振盪器，都使用低摩擦元件，用來連接輸入軸和輸出軸。
8. 根據權利要求1所述的耦合方法，其特徵包括：輸入軸和輸出軸都可浸泡在壓力平衡液中，來平衡高壓環境下的高壓。
9. 一種機械耦合器，其中包括有機械耦合器來分隔輸入軸和輸出軸，並將輸入軸的旋轉運動轉換成耦合器上的兩個正交振盪，在耦合器的輸出端，利用第三個振盪器，將振盪運動轉換成輸出軸的旋轉運動。
10. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：在機殼和耦合器之間，至少一個粘接或鎖緊的密封，用來分隔輸入軸和輸出軸所佔有的空間。
11. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：使用磁鐵強迫輸出軸按照輸入軸同方向、同步旋轉，以防止輸出軸之旋轉分叉，這可能發生在輸入軸銷偶爾在兩個特殊的角位置上啟動的時候。
12. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：直線運動軸承用來引導振盪器之振盪運動並降低其摩擦力。
13. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：輸入軸和輸出軸都具有偏心銷，用來連接機械耦合器。
14. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：振盪器可以使用套管或軸承來連接傳動軸銷。
15. 根據權利要求9所述的機械耦合器，其中包括：輸入軸和輸出軸都可以浸泡在壓力平衡液中，來平衡高壓環境下的高壓。