专利名称：一种关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器的制作方法
技术领域：
关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器是一种结构简单，制造方便，且在冶金行业中具有广泛应用价值的多功能十字轴式万向联轴器。
本实用新型的显著特点是在普通十字轴式万向联轴器(以下简称W联轴器)的转动关节内，设置一个任意角锁定机构，使W联轴器保持原有万向功能的基础上，使由于各类生产原因导致W联轴器的倾角发生变化时，无论停留在哪个倾角下进行换辊，只要轧辊轴颈抽出与W联轴器相联的辊套轴孔，辊套连同相联的叉头会在上述锁定机构的作用下不会因自重而垂下一个角度而被水平锁定在该状态。
本实用新型的目的在于通过任意角锁定机构在轧机换辊时水平锁住辊套，实现快速方便换辊以提高轧机作业率的目标。
现有技术中带锁定机构的W联轴器，一种是在零度角状态下锁定的结构型式，它在德国的一套W联轴器产品图中有反映(参看附件中图A)，另一种则是由本人设计的并已申请了专利的<一种关节带定角锁定机构的十字轴式万向联轴器>，(专利申请号为97210583.2)其结构型式可参看附件中附图B。
现有技术中带定角锁定机构的W联轴器，虽比零度角锁定大有改进，但由于需事先由用户预约一个换辊倾角，一般需与轧机设计部门配合同步进行，适合于一些新改造项目采用，而对于一些拥有现有老轧机设备的用户，在原始设计时并没有考虑定角换辊系统，使带有定角锁定机构的W联轴器的应用受到局限性，即它的功能还缺乏完善性。
事实上，实际生产中更多的用户是拥有老设备的轧钢厂，这些用户提出必须在任意倾角状态下能水平锁定辊套，才能满足生产上的需要。
本实用新型为了克服现有技术中W联轴器只能零度角锁定和定角锁定的不足之处，彻底改进锁定机构的结构型式，实现W联轴器在最大许用倾角范围内的任意倾角(而不是特定的某任意角)下都能水平锁定辊套轴线，即W联轴器无论停留在任意倾角下进行换辊，只要轧辊轴颈一抽出辊套孔，辊套轴线即能被水平锁定，因此，本实用新型在锁定机构的功能和关键结构与现有技术有着本质上的区别。
在国内外的实际生产过程中，换辊时W联轴器关节的垂头问题是一个共性的难题，为了解决这个问题，用户和设计部门采用了一些辅助设备如换辊平台或龙门架等，有的甚至启用天车吊平辊套，带来许多不便并影响换辊速度，使轧机作业率受到影响。本实用新型针对用户的上述烦恼，将现有技术中定角锁定机构中的偏心球盘改为由浮动式外球面盘和内球面套组合成的在功能上类似一对关节轴承付的机构与齿式锁紧机构的配合实现任意角锁定，来满足生产实践的需要，实现换辊快速、简便和安全的目的。
下面参照附图对本实用新型的结构和工作原理进行较为详细的描述。
图1是本实用新型的一个应用实例。
图2是一架最简单的水平二辊轧机的传动系统示意图。
图3是本实用新型应用实例中浮动式外球面盘组件结构示意图的主视图。
图4是本实用新型应用实例中浮动式外球面盘组件结构示意图的侧视剖面图。
图5是本实用新型应用实例中齿式锁板的结构示意图的剖视图。
图6是本实用新型应用实例中齿式锁板的结构示意图的主视图。
图7是本实用新型锁定机构的受力图。
图8是本实用新型锁定机构中齿部受力的分解图。
为了说明问题，我们先参照图2简单叙述一下一架最简单的水平二辊轧机的传动系统和W联轴器在该系统中的工作状态。
在图2中，序号33为驱动电机，34为弹性联轴器，35为齿轮箱，36为联接上辊的W联轴器，37为联接下辊的W联轴器，38为轧机。在生产中，影响W联轴器倾角发生变化的原因是由于互相水平平行的两条轧辊的轴线距离需根据生产需要发生变化，而引起轧辊轴线距离变化的原因是由于诸如轧辊压下量的调整，轧辊孔形磨损后重车，轧件品种的改变引起更换轧辊等等。因此，联接上辊的W联轴器的倾角α和联接下辊的W联轴器的倾角β二者并不一定相等且经常变化，我们设想，若能使W联轴器的关节内设置任意角锁定机构水平锁住辊套，则不必象现有技术定角锁定机构那样需将W联轴器分为上倾状态和下倾状态来设计两种定角锁定装置，不仅满足了任意角锁定的需要，且减少了锁定机构的品种。
为了进一步的说明问题，下面我们根据前述的生产实践模型并通过
图1所示的应用实例来较为祥细的阐述本实用新型的结构和实现目的功能的基本原理。
在
图1所示的应用实例中，W联轴器的中间轴部分20与永远处于水平状态的轧辊轴线所成的倾角为β角，β是随着生产条件而变化的量，在每一次换辊过程中，β是一个确定的值。由叉头6和叉头16(也可以是与中间轴焊接在一起的叉头)所包容的包括十字轴13和轴承部件12在内的能独立存在的这一部分，我们称之为W联轴器的一个关节，在这个关节中设置了任意角锁定机构我们则称之为带有任意角锁定机构的关节单元。这个关节单元通过螺纹付组件3和端面键19分别与辊套2和W联轴器中间轴部分20联接，动力由中间轴部分通过这个关节单元和辊套2传递给轧辊1。在叉头6凹部的腹腔中加工有台阶孔，一个能容纳螺旋压缩弹簧10的空心台阶轴9与叉头6凹部的孔配合。为了限制空心台阶轴9轴向移动，9的一端加工有法兰，法兰的外圆与配合段的外圆同心。压盖7亦是形状象礼帽的一个构件，它的法兰(帽沿)端面有一凹孔，凹孔的直径正好与9的法兰外圆相配合定心，使压盖7的内腔孔能与9端部的大孔同心且孔壁光滑联接而无错位，用来容纳弹簧10使之能在7和9的弹簧工作腔内被自由的压缩和反弹，压盖7的另一端(帽顶)开有通孔，一个端部有法兰的顶套4从压盖7的法兰侧装入并穿过压盖7另一端的通孔使顶套4的球面顶头部份伸出压盖7腔外，而法兰部分被封在压盖7腔内用来抵住弹簧10，顶套4带法兰一端的心部加工有内螺纹孔，这个内螺纹孔可与拉杆14端部的外螺纹旋合。为了便于旋合螺纹，顶套4的球面顶头部分的侧面可以铣出两个平行的侧平面，空心台阶轴9较细的长杆部分伸出叉头6凹部腹腔孔并穿过十字轴13中心部的双喇叭锥孔并延伸进入叉头16凹部的腹孔中。十字轴中心的双喇叭锥孔的锥角为2α,α是W联轴器许用最大倾角值，双喇叭孔的交界面是位于十字轴两相交轴线所在的平面内，其界面形状为一个圆，其直径应比空心台阶轴9伸入双喇叭孔部分的直径略松，为了减少应力集中，双喇叭孔的交界圆可以修成圆角过渡。空心台阶轴9除了有容纳弹簧10的内长孔外，其细杆部分中心亦加工有能穿过拉杆14的长孔，使拉杆14在工作中能自由轴向移动，为了保证拉杆14在工作中能保持稳定性并能与9的轴线保持同心，在9细杆心部细长孔的两端加工有较为精确的与9的轴线同心的台阶孔，其上分别安装两个带有自润滑的粉末冶金轴承套11和27将拉杆14支撑起来并能使拉杆14能顺利地随着顶套4的轴向移动而同步移动。空心台阶轴9细杆部伸入叉头16腹腔部的末端外圆是一段台阶轴，其上装有两个同型号轴承25，并用轴用档圈26卡在轴段的卡簧槽中将轴承25的内圈轴向定位，也可以用别的方法轴向固定。轴承25是内外圈不可分离型的，事实上轴承25也可以用一个自润滑的滑动轴承套来代替。在叉头16凹部的腹腔中部加工有一段圆柱台阶孔，孔内安装一个类似球面关节轴承外圈的内球面套17，它的外圆与叉头16的腹腔孔为紧配合，17的内端面靠紧叉头16腹腔台阶孔的端面，并使叉头16腹腔台阶孔的靠肩高出内球面套17的球面边缘圆。一个外球面直径略小于17内球面直径的外球面盘18在未加约束之前，能象球面关节轴承一样在内球面套17的球面范围内作万向的摆动，事实上17和18组成了一对球面关节轴承付。在工作中，当W联轴器在非零度倾角工作状态下运转时，为了防止施加约束后外球面盘18与内球面套17之间产生滑动磨擦，我们可以把外球面盘做成由18和滚柱21和浮动盘22三件组合而成，使工作中17和18之间变为滚动摩擦。事实上取消滚柱21将18和22做成一体并不影响本实用新型目标功能的实现。浮动盘22宽度的名义尺寸与轴承25总宽度的尺寸相同而略加0.15～0.2mm，浮动盘22的内孔形状是由两个半圆夹着两条平行直线所围成，如同椭圆形会议桌的桌面一样，我们称之为椭圆形孔，孔的宽度(也即半圆的直径)与轴承25的外径名义尺寸相同而略加0.15～0.2mm，恰好能使轴承25在椭圆孔中自由的滚动。两块形状相同中间亦开有椭圆孔的封板23通过螺钉与浮动盘22压紧，将轴承25、浮动盘22、滚柱21封在其内，外球面盘18通过滚柱21亦被封板23的固定而轴向限位。封板23椭圆孔的宽度(即半圆的直径)比浮动盘22椭圆孔的宽度小6～10mm而使轴承25即能在22的椭圆孔中自由滚动又不会脱离浮动盘22，自然，封板23椭圆孔两个半圆的中心与浮动盘22椭圆孔两个半圆的中心基本重合。在靠中间轴20侧的封板23的端面上，左右并列焊有两列齿条24，左右两列齿条的齿向线在同一水平线上。在拉杆14伸出27的轴段末端是一段台阶轴，其上装有轴承30,30的内圈通过一个隔套29轴向限位并通过一个螺母28与14末端的外螺纹旋合实现轴向固定，螺母28可以采用各类方便的方法防松。在轴承30的外圈上，紧紧装有齿式锁板31，也可以加一个孔用挡圈固定，齿式锁板31是中心有轴承孔且一侧端面加工有对称布置的两列齿条的一块矩形齿板，齿条的齿向线亦在同一水平线上。在矩形齿板中心的下方，焊有一块弓形的配重板，配熏板的作用是保证无论拉杆14是否随轧辊1转动都能在配重重力的作用下使齿式锁板31的齿线永远处于水平状态，以便能在拉杆14拉紧时使齿式锁板31的齿能与齿条24的齿正确啮合，实现锁定功能。按照前述的结构将刚度适合的螺旋压缩弹簧10安装入位并通过螺钉8将压盖7压紧在叉头6腹腔时，弹簧10被施加了一定的预紧力，但仍留有足够的压缩间隙，在弹簧反弹力的作用下将拉杆14推向轧辊侧使31的齿与24的齿紧紧啮合，此时浮动盘22被固定在
图1所示的位置。W联轴器停留在任意一个β角状态下换辊时，只要辊颈端面离开顶套4，则辊套2的轴线即被水平锁定，而当新更换的轧辊辊颈重新穿入辊套孔并接触顶套4将其右移并压缩弹簧10时，拉杆14轴向右移使31的齿与24的齿脱开，W联轴器恢复万向功能。轧辊轴线是永远处于水平的，故空心台阶轴9的轴线在理论上是静止不动的，W联轴器倾角的变化是在停车后调整压下量引起，故停车后调整压下量引起W联轴器倾角变化时其浮动盘22仅仅在它所在的竖直平面内上下自动调节它适合的位置而不能转动或摆动，而内球面套17则会随着中间轴20倾角的改变在图纸所在的竖直平面(也即20的轴线与轧辊1的轴线所成的平面)内围绕两轴线交点(即十字轴中心)作调整角度的摆动。事实上，即使W联轴器在运转中调整轧辊压下量使倾角改变，浮动盘22仍然按照上述的规律调节自身合适的位置，而内球面套17除了上述的动作外增加了一个随叉头16自转的运动，因为W联轴器工作时锁定机构是脱开的。为了使结构更加完善，尚需要增加几个附属零件。为了防止顶套4与拉杆14的螺纹结合部松动脱落，在二者旋紧后可在结合部钻铰孔并打入一个圆柱销5。在叉头16腹腔中安装的内球面套零件17的外端面，我们安装了一块挡板32，其中间是一个大圆孔，大圆孔的周边高出内球面套17的边缘圆直径，这样可以在产品出厂前在17和18之间注入一定量的液态润滑油改善17和18之间的工作环境。润滑油的量应作到W联轴器在最大许用倾角状态时不致于从挡板32的孔边缘溢出。为了防止水和脏物进入叉头16腹腔，最好能增加一个防水软罩15，它的大端应设法与挡板32联接，小端与空心台阶轴9的细杆部联接，软罩可以用防水织物做成，使工作中不影响W联轴器的转动和适应倾角的变化。这样，一个关节带任意角锁定机构的W联轴器基本形成。
我们再从动态的视角分析一下浮动盘22及其相联接的部分与空心台阶轴9及其上的轴承25在W联轴器运转过程中的运动关系。设浮动盘22的中心轴线为O1-O1，只要W联轴器在非零度倾角状态下工作，则O1-O1轴线与空心台阶轴9的轴线间存在一段距离e。浮动盘22在没有偏心约束时在周向外力的作用下能够绕自身的轴线O1-O1作自转运动，当W联轴器只要在非零度倾角下工作，则总是存在前述的e值，这个e值的存在实际上是空心台阶轴9上的轴承25对浮动盘22施加了一个偏心约束，故浮动盘22只能在竖直方向上下浮动而不能转动，故空心台阶轴9随叉头6转动时，轴承25内外圈之间有相对转动。而外球面盘18会在内球面套17的带动下通过滚柱21绕浮动盘22的轴线O1-O1线转动，这些运动关系可以将运动中的偏心约束所引起的内力释放掉而维持运动的连续性和实现自动调节。
下面我们再结合图7和图8来分析一下本实用新型任意角锁定机构的受力情况。
设
图1中由辊套2和叉头6及相对于十字轴13中心不对称部分的总重量为G，重心在离十字轴中心点l1处如图7所示，浮动盘22的中心平面距十字轴中心的距离为l2如图7所示，由力矩平衡关系Gl1=Fl2，即F=Gl1/l2,F是通过内球面套17和外球面盘18的球心的。F同时可平行地移植到齿条24或齿式锁板31的齿上，设24与31的齿型角为2θ，则由F作用在齿面上的轴向分力Fa=Ftgθ，这个Fa力可作为计算弹簧刚度的依据。这种力的关系是非常简单的。自然我们尚应根据这些力对空心台阶轴9进行弯曲强度校核。为了减小弹簧尺寸，我们应尽量采用较小的齿形角的齿，必要时也可以采用蝶形弹簧的组合弹簧。象在机械制造中每一个零件都可能存在制进误差一样，任意角锁定机构也可能产生锁定角误差。当W联轴器在某一倾角下换辊时，如果齿式锁板31的齿顶正好对准齿条24的齿槽，则锁定后在理论上为无误差，而当31的齿顶相对24的齿槽未对正时，在啮合时二者必须错过一个角度才能啮合入位，故锁定时会出现角度误差，设所采用的齿形的齿距为p，齿条24的齿顶到十字轴中心平面的距离为l3，则可能产生的最大角度误差为arctg(p/2/l3)，这个误差的概略值约为0.5°～1°。因此，我们应尽量选用齿距较小的齿。需要说明的是即使产生上述的角度误差也并不会影响换辊工作，这是因为轧辊的辊颈端部都有一段带锥的导引段，导引段进入辊套有水平角度误差的辊套孔后，在继续伸入的过程中产生的力会使有角度误差的辊套孔轴线向准确位置靠近，这个轧辊装入的力所产生的力矩会在齿面产生一个轴向推力克服弹簧力将两个啮合的齿面推开使辊套轴线回到准确水平位置。由此我们又提出这样的设想，即齿条24和齿式锁板31的齿部若能用具有大摩擦系数的材料来代替，只要弹簧10的刚度足够，完全可以实现无误差或尽量小的角度误差的锁定。事实上，齿式锁定在理论上为有级锁定，而摩擦锁定为无级式锁定。
在冶金行业的各类水平轧机中，凡采用W联轴器的场合在换辊时关节垂头是一个久待解决的共性难题，采用本实用新型解决上述难题将是最简单、最经济的方案之一。
由前面叙述过的内容可见，冶金轧钢行业采用本实用新型不仅能节省大量设备投资，且能因缩短换辊时间提高轧机作业率及提高设备技术水平带来巨大的经济效益。
图1的实例为本实用新型的最佳方案。
很显然，按照上面叙述的内容尚有可能做出许多改进和变异，因此可以推断，凡属于十字轴式的各类型式的万向联轴器，无论是叉头剖分式的，半剖分式的和叉头整体式的，都可能通过本实用新型提出的结构方案进行移植实施和延伸改进。
权利要求1.一种关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器，由两个能万向转动的关节和中间轴组成，其特征是在其中一个或二个关节内设置有由顶套、压盖、压缩弹簧、空心台阶轴、拉杆、轴承、浮动式外球面盘组件、内球面套和齿条式锁定机构等主要零部件组成的任意角锁定机构，通过弹簧的反弹和拉杆的拉紧使齿条式锁定机构的齿啮合，并通过被齿条锁定的浮动式外球面盘和内球面套支撑实现关节的任意角锁定。
2.根据权利要求1所述的关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器，其特征是关节内十字轴中心部开有内小外大并对称布置的双喇叭锥孔，安装在辊套侧叉头腹腔中的空心台阶轴的轴杆部穿过十字轴的双喇叭孔并延伸伸入到与中间轴相联的叉头凹部腹腔孔中的内球面套腹中，并通过轴承与浮动式外球面盘相联。
3.根据权利要求1所述的关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器，其特征是浮动式外球面盘的中心加工有椭圆形长孔，长孔内恰能容纳固定在空心台阶轴伸入到内球面套腹内轴段上的轴承外圆并能使包容在内球面套腹内的浮动式外球面盘在轴承的约束下浮动，浮动式外球面盘可以是整体式的，也可以做成组合式的，其外球面的球直径应比内球面套的球直径小0.1～0.15mm，使二者组成一对球面关节轴承。
4.根据权利要求1所述的关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器，其特征是齿式锁定机构可以用齿条来实现。
专利摘要一种关节带任意角锁定机构的十字轴式万向联轴器,具有工作时万向而在任意一个倾角下换辊时都能水平锁住辊套的功能,它是通过在十字轴式万向联轴器的关节内设置由压缩弹簧,空心台阶轴,轴承,拉杆,内球面套,浮动式外球面盘及齿式锁定机构等主要零部件组成的任意角锁定机构,实现万向联轴器在任意一个倾角下停车换辊时都能自动水平锁住辊套的功能,解决轧机换辊时因万向联轴器关节垂头给换辊带来的多种不便。
文档编号F16D3/16GK2334946SQ9821017
公开日1999年8月25日 申请日期1998年2月25日 优先权日1998年2月25日
发明者任乔圭 申请人:任乔圭