RU2328356C2 - Universal joint - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the main drives of rolling mills, in particular, to universal joints, and can be most effectively used in drives of rotation of working rollers incorporated with the screw roll mill stands. The universal joint contains a holder with a through stepwise bores rigidly fixing cylindrical supports with ring shoulders, a spherical head with the grooves fitted on the spindle shaft, aligning rings and corrugated casing. Cylindrical supports are fixed relative to the by means of ring shoulders. Spheres are arranged between the cylindrical support located in the holder and the spherical head grooves, the said head being motionlessly fixed on the spindle shaft. The head is aligned in the holder by means of aligning rings. Between the cylindrical support ring shoulders and holder there may be accommodated replaceable ring washers. Thickness of washers can be corrected depending on the amount of wear of the said joint details to compensate for the said wear. The space between the shaft and an internal cavity of the holder is blocked by the corrugated casing.

EFFECT: higher load capacity of the joint.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а точнее к главным приводам прокатных станов, и наиболее эффективно может быть использовано в приводах вращения рабочих валков клетей станов винтовой прокатки.The invention relates to the field of metal forming, and more specifically to the main drives of rolling mills, and can be most effectively used in drives for rotating work rolls of helical mill stands.

Известен универсальный шарнир (а.с. №1045966, кл. В21В 35/14, 1982 г.), включающий обойму с размещенной в ней сферической головкой, соединительные элементы качения (шары), подвижные опоры и упругие элементы, размещенные в гнездах ступенчатой формы, выполненных в сферической головке.A well-known universal joint (AS No. 1045966, class B21B 35/14, 1982), comprising a cage with a spherical head located therein, rolling connecting elements (balls), movable bearings and elastic elements housed in step-shaped sockets made in a spherical head.

Недостатком данной конструкции универсального шарнира является низкая нагрузочная способность при использовании в приводе вращения рабочих валков станов винтовой прокатки, где отсутствует возможность произвольного выбора его поперечных габаритов и соответственно диаметра обоймы, шаров и сферической головки.The disadvantage of this design of the universal joint is its low load capacity when using helical rolling mills in the rotation drive of the working rolls, where there is no possibility of arbitrary selection of its transverse dimensions and, accordingly, the diameter of the cage, balls and spherical head.

Указанный недостаток объясняется тем, что при наличии значительного передаваемого момента под воздействием радиальной составляющей контактного усилия между обоймой, шаром и подвижной опорой последняя начнет перемещаться к центру шарнира, деформируя при этом упругий элемент, вследствие чего значительно уменьшаются контактные площадки и резко возрастают контактные напряжения на сопрягаемых поверхностях обоймы, шара и подвижной опоры. Чтобы эти контактные напряжения не вышли за пределы допустимых, необходимо уменьшить передаваемый шарниром крутящий момент, или, другими словами, снизить его нагрузочную способность, либо увеличить физические размеры сопрягаемых деталей, что приведет к увеличению поперечного габарита (диаметра) шарнира, что при его использовании в главном приводе стана винтовой прокатки недопустимо.This drawback is due to the fact that in the presence of a significant transmitted moment under the influence of the radial component of the contact force between the cage, the ball and the movable support, the latter begins to move to the center of the hinge, deforming the elastic element, resulting in significantly reduced contact pads and sharply increased contact stresses on the mating the surfaces of the cage, ball and movable support. To prevent these contact stresses from exceeding the permissible limits, it is necessary to reduce the torque transmitted by the hinge, or, in other words, reduce its load capacity, or increase the physical dimensions of the mating parts, which will lead to an increase in the transverse dimension (diameter) of the hinge, which when used in the main drive of the screw rolling mill is unacceptable.

При эксплуатации же описанного шарнира при значительных крутящих моментах будет происходить интенсивный износ (разрушение) контактирующих с шаром как кромок обоймы и подвижной опоры, так и поверхности самого шара, что приведет в итоге к значительному снижению срока службы универсального шарнира.During operation of the described hinge with significant torques, intense wear (destruction) of both the edges of the cage and the movable support and the surface of the ball itself, which will result in a significant reduction in the service life of the universal hinge, will occur.

Из известных универсальных шарниров наиболее близким по технической сущности является универсальный шарнир, описанный в а.с. СССР №1291221, кл. В21В 35/14, 1985 г.Of the well-known universal joints, the closest in technical essence is the universal joint described in A.S. USSR No. 1291221, class B2B 35/14, 1985

Этот универсальный шарнир содержит обойму с расточками, расположенные в них цилиндрические опоры, сферическую головку вала шпинделя и шары, размещенные между опорами и сферической головкой, центрирующие кольца и гофрированный кожух. Обойма выполнена разъемной в виде жесткой дисковой муфты со стяжными пальцами. Цилиндрические опоры выполнены в виде подвижных ползунов, которые зафиксированы относительно обоймы через упругие втулки посредством стяжных пальцев, ползуны, в свою очередь, контактируют с шарами.This universal joint contains a holder with bores, cylindrical bearings located in them, a spherical head of the spindle shaft and balls placed between the bearings and the spherical head, centering rings and a corrugated casing. The clip is made detachable in the form of a hard disk coupling with coupling fingers. The cylindrical supports are made in the form of movable sliders, which are fixed relative to the casing through the elastic bushings by means of coupling fingers, the sliders, in turn, are in contact with the balls.

Недостаток известной конструкции универсального шарнира заключается в его низкой нагрузочной способности. Это объясняется тем, что под действием радиальной составляющей контактного усилия ползуны, подвижно соединенные с обоймой, перемещаются вместе с шариками в направлении от центра шарнира за счет деформации упругих втулок. Указанное явление приводит к резкому уменьшению контактных площадок на перечисленных деталях шарнира и значительному повышению контактных напряжений. При значительных крутящих моментах, что свойственно для станов винтовой прокатки, эти напряжения могут превысить допустимые величины, что уменьшает срок службы шарнира из-за интенсивного износа перечисленных выше контактирующих деталей.A disadvantage of the known design of the universal joint is its low load capacity. This is because under the action of the radial component of the contact force, the sliders movably connected to the cage move together with the balls in the direction from the center of the hinge due to the deformation of the elastic bushings. This phenomenon leads to a sharp decrease in contact pads on the listed parts of the hinge and a significant increase in contact stresses. At significant torques, which is typical for screw rolling mills, these stresses can exceed the permissible values, which reduces the hinge service life due to the intensive wear of the contact parts listed above.

Другим недостатком известной конструкции универсального шарнира являются его значительные поперечные габариты (диаметр). Это объясняется его конструктивными особенностями, а именно обойма выполнена в виде сборной жесткой дисковой муфты из двух половин (полумуфт). Размещение по радиальному периметру болтовых соединений, стягивающих полумуфты обоймы и пальцев с упругими втулками, увеличивает поперечные размеры (диаметр) шарнира, что недопустимо при использовании указанного шарнира в главных приводах вращения рабочих валков станов винтовой прокатки, так как зачастую оси универсальных шпинделей привода вращения рабочих валков пространственно размещены параллельно оси прокатываемых изделий, и их расстояние от наружной поверхности прокатываемых изделий строго регламентировано диаметрами проката и рабочего валка.Another disadvantage of the known design of the universal joint is its significant transverse dimensions (diameter). This is due to its design features, namely, the clip is made in the form of a prefabricated hard disk clutch of two halves (half-clutch). The placement on the radial perimeter of bolt joints, tightening the coupling halves of the cage and fingers with elastic sleeves, increases the transverse dimensions (diameter) of the hinge, which is unacceptable when using the specified hinge in the main drives of rotation of the work rolls of the rolling mill, since often the axis of the universal spindles of the drive of rotation of the work rolls spatially placed parallel to the axis of the rolled products, and their distance from the outer surface of the rolled products is strictly regulated by the diameters of the rolled and the work roll.

Задача настоящего изобретения состоит в создании универсального шарнира, позволяющего повысить его нагрузочную способность, а именно передаваемый крутящий момент, не увеличивая его поперечных габаритов (диаметра).The objective of the present invention is to create a universal joint that allows to increase its load capacity, namely the transmitted torque, without increasing its transverse dimensions (diameter).

Поставленная задача достигается тем, что в универсальном шарнире, содержащем обойму с расточками, расположенные в них цилиндрические опоры, сферическую головку вала шпинделя и шары, размещенные между опорами и сферической головкой, центрирующие кольца и гофрированный кожух, согласно изобретению цилиндрические опоры выполнены с кольцевыми заплечиками и жестко смонтированы в выполненных под них расточках обоймы. Кроме того, между кольцевыми заплечиками цилиндрических опор и обоймой расположены кольцевые шайбы.The problem is achieved in that in a universal joint containing a holder with bores, cylindrical bearings located therein, a spherical head of the spindle shaft and balls placed between the bearings and the spherical head, centering rings and a corrugated casing, according to the invention, the cylindrical bearings are made with annular shoulders and rigidly mounted in the bores of the clip made under them. In addition, ring washers are located between the annular shoulders of the cylindrical supports and the ferrule.

Такое конструктивное выполнение универсального шарнира позволяет повысить его нагрузочную способность, а именно передаваемый по величине крутящий момент, не увеличивая его поперечных габаритов (диаметра). Это достигается за счет того, что в предлагаемой конструкции угол наклона β контактного усилия Р при передаче крутящего момента не увеличивается и составляет β=45-60°. В этом случае на сферической головке и цилиндрических опорах упругие контактные площадки имеют наибольшую величину и, как следствие, наименьшее контактное напряжение смятия, то есть шарнир может передавать наибольший крутящий момент.Such a constructive implementation of the universal joint allows you to increase its load capacity, namely the transmitted torque in magnitude, without increasing its transverse dimensions (diameter). This is achieved due to the fact that in the proposed design, the inclination angle β of the contact force P during transmission of torque does not increase and amounts to β = 45-60 °. In this case, on the spherical head and cylindrical supports, the elastic contact pads have the largest magnitude and, as a result, the smallest contact shear stress, i.e. the hinge can transmit the greatest torque.

Предложенное решение позволяет также увеличить срок службы универсального шарнира благодаря компенсации износа деталей шарнира за счет корректировки толщины шайб.The proposed solution also allows to increase the life of the universal joint by compensating for wear of the parts of the joint by adjusting the thickness of the washers.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:To explain the invention, a specific embodiment of the invention is provided below with reference to the accompanying drawings, in which:

на фиг.1 изображен общий вид универсального шарнира;figure 1 shows a General view of the universal joint;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;figure 2 is a section aa in figure 1;

на фиг.3 - место Б на фиг.2.figure 3 - place B in figure 2.

Универсальный шарнир содержит обойму 1, в сквозных ступенчатых расточках 2 которой жестко смонтированы цилиндрические опоры 3 с кольцевыми заплечиками 4, сферическую головку 5 с пазами 6, установленную на валу 7 шпинделя, шары 8, центрирующие кольца 9 и гофрированный кожух 10. Цилиндрические опоры 3 зафиксированы относительно обоймы 1 кольцевыми заплечиками 4. Шары 8 установлены между цилиндрическими опорами 3, расположенными в обойме 1, и пазами 6 сферической головки 5, неподвижно закрепленной на валу 7 шпинделя. Головка 5 центрируется в обойме 1 с помощью центрирующих колец 9. Между кольцевыми заплечиками 4 цилиндрической опоры 3 и обоймой 1 возможно размещение сменных кольцевых шайб 11. Толщина Δ шайб может корректироваться в зависимости от величины износа деталей шарнира для его компенсации. Пространство между валом 7 и внутренней полостью обоймы 1 перекрыто гофрированным кожухом 10.The universal joint contains a ferrule 1, in the through-step bores 2 of which are mounted cylindrical bearings 3 with annular shoulders 4, a spherical head 5 with grooves 6 mounted on the spindle shaft 7, balls 8, centering rings 9 and corrugated casing 10. The cylindrical supports 3 are fixed relative to the casing 1, the annular shoulders 4. Balls 8 are installed between the cylindrical bearings 3 located in the cage 1, and the grooves 6 of the spherical head 5, fixedly mounted on the shaft 7 of the spindle. The head 5 is centered in the holder 1 by means of centering rings 9. Between the annular shoulders 4 of the cylindrical support 3 and the holder 1, the placement of interchangeable ring washers 11. The thickness Δ of the washers can be adjusted depending on the amount of wear of the parts of the hinge to compensate for it. The space between the shaft 7 and the inner cavity of the casing 1 is covered by a corrugated casing 10.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

При вращении рабочих валков в универсальном шарнире угол перекоса может достигать значительных величин α=10...20° (см. фиг.1 и 2), что особенно актуально для станов винтовой прокатки. Крутящий момент прокатки передается от обоймы 1 к валу 7 через контактное усилие Р, наклоненное к оси шарнира под углом β (см. фиг.3), оптимальная величина которого составляет β=45...60°. В этом случае на сопрягаемых с шаром 8 сферической головке 5 и опоре 3 упругие контактные площадки имеют наибольшую величину и, как следствие, наименьшие контактные напряжения смятия, то есть шарнир способен передать значительный крутящий момент. Контактное усилие Р может быть представлено двумя составляющими P_R - радиальная составляющая и Рτ - тангенциальная составляющая (см. фиг.3). P_R - это распорное усилие, а Рτ - усилие создающее крутящий момент.When the work rolls rotate in a universal joint, the skew angle can reach significant values α = 10 ... 20 ° (see figures 1 and 2), which is especially important for helical rolling mills. The rolling torque is transmitted from the cage 1 to the shaft 7 through the contact force P, inclined to the axis of the hinge at an angle β (see figure 3), the optimal value of which is β = 45 ... 60 °. In this case, the elastic contact pads on the spherical head 5 and the support 3 interfaced with the ball 8 have the largest magnitude and, as a consequence, the smallest contact shear stresses, i.e., the hinge is capable of transmitting significant torque. The contact force P can be represented by two components P _R is the radial component and Pτ is the tangential component (see figure 3). P _R is the spacer force, and Pτ is the torque generating force.

При вращении шарнира шары 8 циклически поворачиваются в цилиндрических опорах 3 (трение скольжения) и перекатываются по пазам 6 сферической головки 5. Центрирование головки 5 относительно обоймы 1 осуществляется центрирующими кольцами 9. Таким образом, положение шаров 8 однозначно определено формой и состоянием контактных поверхностей цилиндрических опор 3 и пазов 6 сферической головки 5. Для предотвращения попадания окалины внутрь шарнира предусмотрен гофрированный кожух 10.When the hinge rotates, the balls 8 rotate cyclically in the cylindrical bearings 3 (sliding friction) and roll along the grooves 6 of the spherical head 5. The centering of the head 5 relative to the holder 1 is carried out by the centering rings 9. Thus, the position of the balls 8 is uniquely determined by the shape and condition of the contact surfaces of the cylindrical bearings 3 and grooves 6 of the spherical head 5. To prevent the ingress of scale into the hinge, a corrugated casing 10 is provided.

В процессе эксплуатации универсального шарнира происходит постепенный износ наиболее нагруженных деталей: ступенчатой цилиндрической опоры 3, шара 8 и сферической головки 5, что приводит к увеличению контактного угла β (см. фиг.3), что весьма нежелательно, так как снижает долговечность указанных деталей и шарнира в целом. Это легко обнаружить по появлению тангенциального люфта в шарнире (стук при его реверсивном повороте). Для исключения этого явления в заявляемой конструкции предусмотрена установка кольцевых шайб 11, толщина Δ которых и частота корректировки определяется опытным путем. Установка кольцевых шайб 11 между кольцевыми заплечиками 4 цилиндрических опор 3 и обоймой 1 увеличивает срок службы универсального шарнира.During operation of the universal joint, the most loaded parts are gradually worn out: a stepped cylindrical support 3, a ball 8 and a spherical head 5, which leads to an increase in the contact angle β (see Fig. 3), which is highly undesirable since it reduces the durability of these parts and hinge as a whole. This is easily detected by the appearance of tangential play in the hinge (a knock when it is reversed). To eliminate this phenomenon, the claimed design provides for the installation of ring washers 11, the thickness Δ of which and the frequency of adjustment is determined empirically. The installation of ring washers 11 between the annular shoulders 4 of the cylindrical bearings 3 and the holder 1 increases the service life of the universal joint.

Предложенный универсальный шарнир по сравнению с известными позволяет повысить его нагрузочную способность (передаваемый крутящий момент), не увеличивая его поперечных габаритов, и увеличить срок его эксплуатации.The proposed universal joint, in comparison with the known ones, allows to increase its load capacity (transmitted torque) without increasing its transverse dimensions, and increase its service life.

Claims (2)

1. Универсальный шарнир, содержащий обойму с расточками, расположенные в них цилиндрические опоры, сферическую головку вала и шары, размещенные между опорами и сферической головкой, центрирующие кольца и гофрированный кожух, отличающийся тем, что цилиндрические опоры выполнены с кольцевыми заплечиками и жестко смонтированы в выполненных под них ступенчатых расточках обоймы.1. A universal hinge containing a holder with bores, cylindrical bearings located in them, a spherical shaft head and balls placed between the bearings and the spherical head, centering rings and a corrugated casing, characterized in that the cylindrical bearings are made with annular shoulders and are rigidly mounted in under them are stepped bores of the cage. 2. Шарнир по п.1, отличающийся тем, что между кольцевыми заплечиками цилиндрических опор и обоймой расположены кольцевые шайбы.2. The hinge according to claim 1, characterized in that ring washers are located between the annular shoulders of the cylindrical supports and the holder.

Images