ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ Российский патент 2011 года по МПК F16C11/06 F16D3/30 

Изобретение относится к узлам сельскохозяйственных, транспортных и других машин.

Известны шарниры равных угловых скоростей, например: шариковые [1] с.46…48, рис.11.39…41; DE 2461298, 1976.06.16; кулачковые [2] с.152, 153, рис.116; сдвоенных шарниров без центрирования вилок [3] рис.51 на вкладке к с.136, (фактически это короткий карданный вал) и то же с устройством центрирования вилок для позиционирования равных (фактически для приблизительно равных) углов между ведущим (ведомым) и промежуточным валом карданного вала [1] с.45, 46, рис.11.37а).

Недостаток шариковых шарниров в больших контактных напряжениях даже при малых вращающих моментах. В кулачковых шарнирах вращающий момент передают через кинематические пары скольжения, которые имеют большой нагрев из-за пониженного коэффициента полезного действия [2] с.153, рис.116. Для сдвоенных шарниров без центрирования вилок, кулачковых и некоторых шариковых необходима еще и внешняя ось поворота [2] с.152, 153, рис.116, что ограничивает универсальность применения. Например, для карданного вала приема мощности прицепной сельхозмашины такие шарниры не подходят. Общий недостаток известных шарниров равных угловых скоростей также в ограниченности угла отклонения ведомого звена от ведущего звена всего на 15…40 градусов.

Известен карданный шарнир равных угловых скоростей вращающего момента, содержащий ведущее звено, соединенное с первой крестовиной шарнирной осью, перпендикулярной оси вращения ведущего звена, ведомое звено, соединенное со второй крестовиной шарнирной осью, перпендикулярной оси вращения ведомого звена, так что шарнирные оси ведущего и ведомого звена расположены в одной и той же плоскости, причем ведущее звено связано с ведомым звеном с возможностью вращения ведущего и ведомого звеньев с равными угловыми скоростями, например сдвоенный шарнир [1] с.45, 46, рис.11.37 а) - прототип.

Недостаток его в ограниченном до 40 градусов угле взаимного отклонения ведущего и ведомого звеньев, в повышенной сложности (8 игольчатых подшипников и устройство центрирования крестовин).

Задачей и техническим результатом являются увеличение угла взаимного отклонения ведущего и ведомого звеньев, упрощение устройства и уменьшение длины карданного шарнира равных угловых скоростей.

1. Сущность изобретения - карданный шарнир равных угловых скоростей вращающего момента, содержащий ведущее звено, соединенное с первой крестовиной шарнирной осью, перпендикулярной оси вращения ведущего звена, ведомое звено, соединенное со второй крестовиной шарнирной осью, перпендикулярной оси вращения ведомого звена, так что шарнирные оси ведущего и ведомого звена расположены в одной и той же плоскости, причем ведущее звено связано с ведомым звеном с возможностью вращения ведущего и ведомого звеньев с равными угловыми скоростями, отличающийся тем, что содержит возможность на первую и вторую крестовины (3 и 4) накладывать дополнительную динамическую связь, а также выставлять и удерживать вращение крестовин (3 и 4) вокруг оси - биссектрисы (11) угла (9) взаимного отклонения от соосности ведущего и ведомого звеньев (1 и 2) посредством дополнительной динамической связи от центробежных сил, действующих на крестовины (3 и 4), и связями шарнирных соединений по осям (7, 8, 10) всего четырех подвижных звеньев (1, 2, 3 и 4), объединенных в пятизвенный сферический механизм, включающий первую и вторую крестовины (3 и 4), каждая из которых имеет пару отверстий и пару цапф, причем первая и вторая крестовины (3 и 4) взаимно соединены по общей оси (10), перпендикулярной к оси (7) отверстий ведущего звена (1) и к оси (8) цапф (13) ведомого звена (2), при этом ведомое звено (2) выполнено Т-образным в виде стержня с цапфами (13) шарнирного соединения со второй крестовиной (4).

2. Сущность изобретения также в том, что подшипник каждого шарнира уплотнен армированной манжетой, размещенной так, что уплотнительная кромка армированной манжеты прилегает к наружной обойме подшипника.

Благодаря таким признакам угол отклонения от соосности больше, чем у аналога, карданный шарнир равных угловых скоростей (далее шарнир РУС) содержит меньше подшипников, чем аналог, крестовины самоцентрируются точно, расчетные вращающий момент и долговечность больше, чем таковые у шарнира Гука при одинаковых габаритах. Шарнир РУС обратим. Ведущее звено может быть ведомым и наоборот.

Устроен шарнир РУС, например, с такими расчетными параметрами: вращение ведущего (ведомого) звеньев равномерное, число оборотов N=1000 об/мин, долговечность 90% гарантии ресурса подшипников L=1000 часов, расчетный вращающий момент М=70 кГм при угле шарнира от 0 до 20 градусов, габариты: длина Г=280 мм, наибольший диаметр вращения Д=155 мм, следующим образом.

На фиг.1 изображен шарнир РУС в позиции взаимного отклонения от соосности осей вращения ведущего и ведомого звеньев (далее угол ∈ шарнира) на ∈=60 градусов. Пунктиром изображена позиция хвостовика вала, на который устанавливают ведущее (ведомое) звено шарнира РУС.

На фиг.2 изображен график величины расчетного вращающего момента в зависимости от угла шарнира РУС (верхняя сплошная линия) и карданного шарнира КШ 630 [4] с.18 (нижняя сплошная линия), при расчетной долговечности 1000 часов. Пунктирная линия - расчетный вращающий момент шарнира КШ 630 при расчетной долговечности по [4] с.36 (около 700 ч). Расчет выполнен по формуле из [4] с.36.

На фиг.3 изображен шарнир РУС после поворота ведущего звена на 90 градусов вокруг оси вращения.

На фиг.4 в уменьшенном масштабе изображен вариант шарнира РУС, у которого консоли вилки ведущего (ведомого) звена модифицированы в чашку с цилиндрической и сферической тонкой стенкой.

На фиг.5 - то же, что на фиг.4, но после поворота ведущего звена на 90 градусов вокруг оси вращения.

На фиг.6 изображена первая крестовина с манжетой уплотнения, парой цапф и парой отверстий для игольчатых подшипников шарнирных соединений с сопряженными звеньями.

На фиг.7 изображена вторая крестовина с манжетой уплотнения, парой цапф, парой отверстий для игольчатых подшипников шарнирных соединений, причем один подшипник изображен.

На фиг.8 изображена обойма для игольчатого подшипника, например 941/25 ГОСТ 4060-78.

На фиг.9 изображена обойма для игольчатого подшипника, например 941/20 ГОСТ 4060-78.

На фиг.10 изображено ведущее (ведомое) звено с парой отверстий для подшипников шарнирного соединения с первой крестовиной.

На фиг.11 изображено ведомое (ведущее) звено в сборе с 2-мя манжетами уплотнения и цапфами для шарнирного соединения со второй крестовиной.

Условные обозначения на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11:

1 - звено шарнира РУС, например ведущее (ведомое) звено, (далее - звено).

2 - звено шарнира РУС, например ведомое (ведущее) звено, (далее - звено),

3 - первая крестовина (далее - крестовина),

4 - вторая крестовина (далее - крестовина),

5 - ось вращения звена 1 (далее - ось),

6 - ось вращения звена 2 (далее - ось),

7 - ось шарнирного соединения звена 1 с крестовиной 3 (далее - ось),

8 - ось шарнирного соединения звена 2 с крестовиной 4 (далее - ось),

9 - угол взаимного отклонения от соосности оси 5 и оси 6 (далее - угол ∈),

10 - ось шарнирного соединения крестовин 3 и 4, перпендикулярная к осям 7 и 8 (далее - ось),

11 - мгновенная ось вращения крестовин 3 и 4 - биссектриса угла ∈ (далее - ось),

12 - цапфа оси 7 с резьбовым отверстием для съемника при разборке шарнира РУС (далее - цапфа),

13 - цапфа оси 8 (далее - цапфа),

14 - цапфа оси 10 с резьбовым отверстием для съемника при разборке шарнира РУС (далее - цапфа),

15 - обойма, предназначеная для установки в нее игольчатого подшипника шарнира по оси 7 и имеющая поясок уменьшенного диаметра для уплотнительной кромки манжеты (далее - обойма),

16 - торцевая заглушка обоймы 15 (далее - заглушка),

17 - обойма, предназначеная для установки в нее игольчатого подшипника шарнира по оси 8 и имеющая поясок уменьшенного диаметра для уплотнительной кромки манжеты (далее - обойма),

18 - торцевая заглушка обоймы 17 (далее - заглушка),

19 - обойма, предназначеная для установки в нее игольчатого подшипника шарнира по оси 10 и имеющая поясок уменьшенного диаметра для уплотнительной кромки манжеты (далее - обойма),

20 - торцевая заглушка обоймы 19 (далее - заглушка).

Кольца пружинные упорные плоские внутренние концентрические, например, по ГОСТ 13941-86:

21 - кольцо А32.60С2А.Кд.6хр (далее - кольцо),

22 - кольцо А38.60С2А.Кд.6хр (далее - кольцо),

Манжеты резиновые армированные для валов, например, по ГОСТ 8752-79:

23 - манжета 1.1 - 30х42 - 1/4 (далее - манжета),

24 - манжета 1.1 - 36х48 - 1/2 (далее - манжета).

Подшипники роликовые игольчатые с одним наружным штампованным кольцом, например, по ГОСТ 4060-78:

25 - подшипник 941/20 на оси 7 (далее - подшипник); между серединами подшипников размер В=12,90 см,

26 - подшипник 943/25 на оси 8 (далее - подшипник); между серединами подшипников размер В=5,32 см,

27 - подшипник 942/25 на оси 10 (далее - подшипник); между серединами подшипников размер В=10,10 см.

Конструктивно шарнир РУС представляет такую модификацию прототипа [1], с.45, 46, рис.11.37 а) (то есть короткого карданного вала), что его длина между полюсами шарниров равна нулю, а крестовины 3 и 4 шарниров соединены между собой непосредственно общей шарнирной осью 10. Поэтому шарнир РУС является пятизвенным сферическим механизмом, содержит на одно подвижное звено и на одну кинематическую пару пятого класса меньше, чем карданный вал с шарнирами Гука, и еще на одну кинематическую пару второго класса меньше по сравнению с прототипом [1], с.46, рис.11.37 а). Одно звено, например ведущее (ведомое) звено 1, выполнено в виде вилки шарнира Гука для подшипников 25 с обоймой 15 и заглушкой 16 шарнирного соединения с крестовиной 3 по оси 7 (фиг.1, 9 и 10). В другом варианте консоли вилки этого звена модифицированы в чашку со сферической и цилиндрической тонкой стенкой, утолщенной вокруг отверстий для подшипников 25 с обоймой 15 и заглушкой 16 шарнирного соединения с крестовиной 3 по оси 7 (фиг.4, 5 и 9). Другое звено, например ведомое (ведущее) звено 2, выполнено Т-образным в виде стержня с цапфами (фиг.1, 3, 4, 5, 8 и 11) для подшипников 26 с обоймой 17 и заглушкой 18 шарнирного соединения с крестовиной 4 по оси 8. К этому стерженю приварена ступица для соединения с валом. Стержень между цапфами и ступицей имеет прямоугольное равнопрочное вдоль своей длины сечение переменной ширины и толщины (фиг.11). В приведенном примере шарнира РУС на вращающий момент 70 кГм размеры прямоугольного сечения стержня звена 2 рассчитаны по формуле (34.6) и табл.1.6 [5], с.208, как для карданного вала приема мощности сельскохозяйственной машины. Такой карданный вал собран из двух шарниров РУС и промежуточного вала так, что промежуточный (в том числе и телескопический) вал расположен между шарнирами РУС и приварен к стержням Т-образных звеньев 2 вместо ступиц. При этом максимальный приведенный момент определен по 3-й гипотезе прочности [6], с.142, для равномерного вращения (коэффициент динамичности К=1) звеньев 2 и 1. Материал стержня звена 2 и цапф 13 оси 8 Сталь 20ХНГР, термообработка: закалка - отпуск в масле, твердость HRC 50, допускаемое напряжение кручения 3800 кГ/см [7], с.91, цапфы цементированы. Сталь 20ХНГР пементуемая [8], с.64, табл.78 и свариваемая [8], с.68, табл.88.

Посадочные диаметры для манжет 23 и 24 имеют кольцевую канавку в виде прямоугольного треугольника по ГОСТ 8752-79, с.30, черт.3. Манжеты устанавливают перед установкой цапф 12, 13, 14.

Цапфы 12 устанавливают в отверстия крестовины 3 по оси 7 через отверстия в звене 1. Цапфы 13 устанавливают в отверстие звена 2 по оси 8 через отверстия в крестовине 4. Цапфы 14 устанавливают в отверстия крестовины 4 по оси 10 через отверстия в крестовине 3. Установку цапф 12, 13 и 14 выполняют гидрозапрессовкой по посадке с гарантированным натягом, рассчитанным аналогично бесшпоночному соединению с валом по [9], с.432…434.

Обойму 15 с подшипником 25 устанавливают в отверстия звена 1 по оси 7, закрывают заглушкой 16 и фиксируют кольцом 21. Обойму 19 с подшипником 27 устанавливают в отверстия крестовины 3 по оси 10, закрывают заглушкой 20 и фиксируют кольцом 22. Прилегающие к кольцам 21 и 22 зазоры покрывают герметиком, например УТ-34 [10], с.291.

К обойме 17 припаивают заглушку 18, вставляют подшипник 26 и устанавливают гидрозапрессовкой в отверстия крестовины 4 по оси 8 с гарантированным натягом, рассчитанным аналогично бесшпоночному соединению с валом по [9], с.432…434.

В серийном производстве кольцо игольчатого подшипника и обоймы выполняют одной деталью.

Работа. Степень подвижности шарнира РУС - сферического механизма, определяется формулой (3.5) Чебышева-Артоболевского [11], с.76, и дополнительной связью его звеньев геометрической зависимостью (11.8) [11], с.251, которая становится неопределенной для угла ∈=0, а также в двух точках по окружности через каждые 180 градусов вращения звена 1 (2).

Однако при угле ∈=0 центробежной силой выставляют и удерживают крестовины 3 и 4 так, что их оси 7, 8 и 10 вращают в плоскости, перпендикулярной совпадающим между собой осям 5 и 6, если даже до начала вращения крестовины 3 и 4 находились в другой позиции. То есть вращением шарнира РУС при угле ∈=0 на звенья 3 и 4 накладывают дополнительно динамическую связь. Поэтому все звенья шарнира РУС имеют всего одну степень подвижности и при угле ∈=0.

Если угол С не равен нулю, то в двух точках по окружности вращения зависимостью (11.8) дополнительная связь не наложена. Однако в такой точке равнодействующим вектором центробежных сил вращения вокруг осей 5 и 6 ось 10 крестовин 3 и 4 удерживают по биссектрисе угла между осями 5 и 6 и вращают в это мгновение вокруг оси 11 - биссектрисе угла ∈ (фиг.3). Эта ось делит угол ∈ на две точно равные части, так как составляющие векторы равны по модулю и симметричны относительно равнодействующего вектора. То есть вращением шарнира РУС на звенья 3 и 4 накладывают дополнительно динамическую связь, которой удерживают крестовины 3 и 4 в однозначной позиции при прохождении ими упомянутых точек. Поэтому все звенья шарнира РУС имеют всего одну степень подвижности и в упомянутых точках, если даже перед началом вращения крестовины 3 и 4 находились в другой позиции.

Значит, ведущее и ведомое звенья шарнира РУС вращают так же, как такие же звенья карданного вала с шарнирами Гука, лежащими в одной плоскости соосными вилками, при равных углах шарниров.

Карданным валом, состоящим из двух шарниров РУС и промежуточного вала, ведомый и промежуточный валы вращают синхронно с ведущим валом при любых возможных углах между этими валами и суммарном угле 2∈ до 120 градусов и более между ведущим и ведомым валами, а также при любом угле между крайними звеньями шарниров РУС карданного вала.

Итак, шарнир равных угловых скоростей по изобретению (шарнир РУС) имеет максимальный угол отклонения от соосности (угол шарнира) больший, чем у аналогов, содержит меньше подшипников, чем прототип, расчетные вращающий момент и долговечность больше, чем таковые у шарнира Гука при одинаковых габаритах. Шарнир РУС обратим - ведущее звено может быть ведомым и наоборот.

Возможно применение также такого шарнира равных угловых скоростей в составе карданного вала для условий, при которых карданные валы с шарнирами Гука не предназначены.

Список литературы:

1. B.C.Поляков и др. Справочник по муфтам. 2-е изд., испр. и доп. - Л.: Машиностроение, 1979, 344 с.

2. Автомобиль: Основы конструкции: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство» / Н.Н.Вишняков и др. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986, - 304 с.

3. Тракторы Т-40 и Т40А. Инструкция по уходу и эксплуатации. Под ред. Б.Е.Архангельского, 1968, 226 с.

4. Шарниры карданные для сельскохозяйственных машин. РТМ-А23.2.051-83. М.: ВИСХОМ, 36 с.

5. Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. Изд. 3-е. М., «Высшая школа», 1969, 734 с.

6. Справочник конструктора сельскохозяйственных машин. Том 1, под ред. А.Б.Красниченко. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. М.: 1960, 656 с.

7. В.И.Анурьев. Справочник конструктора машиностроителя. Том 1. Изд. 6-е переработан, и дополненное. М.: Машиностроение, 1982, 736 с.

8. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и дополн. - М.: Машиностроение, 1981. - 391 с.

9. Проектирование механических передач. С.А.Чернавский и др. - М.: Машиностроение, 1984. - 560 с.

10. Машиностроительные материалы: Краткий справочник / В.М.Раскатов и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980, 511 с.

11. И.И.Артоболевский. Теория механизмов. Изд. 2-е исправл. М.: Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. 1962, 719 с.

Изобретение относится к узлам сельскохозяйственных, транспортных и других машин. Карданный шарнир равных угловых скоростей вращающего момента содержит ведущее звено (1), соединенное с первой крестовиной (3) шарнирной осью (7), перпендикулярной оси (5) вращения звена (1), ведомое звено (2), соединенное со второй крестовиной (4) шарнирной осью (8), перпендикулярной оси (6) вращения звена (2), так что шарнирные оси (7, 8) звеньев (1,2) расположены в одной и той же плоскости. Звено (1) связано со звеном (2) с возможностью вращения звеньев (1, 2) с равными угловыми скоростями. Шарнир выполнен с возможностью накладывать на крестовины (3, 4) дополнительную связь, а также выставлять и удерживать вращение крестовин (3, 4) вокруг оси - биссектрисы угла (∈) взаимного отклонения от соосности звеньев (1, 2) посредством дополнительной динамической связи от центробежных сил, действующих на крестовины (3, 4), и связями шарнирных соединений по осям (7, 8, 10) всех четырех подвижных звеньев (1, 2, 3 и 4), объединенных в пятизвенный сферический механизм, включающий крестовины (3, 4), каждая из которых имеет пару отверстий и пару цапф. Крестовины (3, 4) взаимно соединены по общей оси (10), перпендикулярной к оси (7) отверстий ведущего звена (1) и к оси (8) цапф (13) звена (2). Звено (2) выполнено Т-образным в виде стержня с цапфами (13) шарнирного соединения с крестовиной (4). Технический результат: увеличение угла взаимного отклонения ведущего и ведомого звеньев, упрощение устройства и уменьшение длины карданного шарнира равных угловых скоростей. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Карданный шарнир равных угловых скоростей вращающего момента, содержащий ведущее звено (1), соединенное с первой крестовиной (3) шарнирной осью (7), перпендикулярной оси (5) вращения ведущего звена (1), ведомое звено (2), соединенное со второй крестовиной (4) шарнирной осью (8), перпендикулярной оси (6) вращения ведомого звена (2), так что шарнирные оси (7, 8) ведущего и ведомого звеньев (1, 2) расположены в одной и той же плоскости, причем ведущее звено (1) связано с ведомым звеном (2) с возможностью вращения ведущего и ведомого звеньев (1, 2) с равными угловыми скоростями, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью накладывать на первую и вторую крестовины (3, 4) дополнительную связь, а также выставлять и удерживать вращение крестовин (3, 4) вокруг оси - биссектрисы (11) угла (С) взаимного отклонения от соосности ведущего и ведомого звеньев (1, 2) посредством дополнительной динамической связи от центробежных сил, действующих на крестовины (3, 4), и связями шарнирных соединений по осям (7, 8 и 10) всех четырех подвижных звеньев (1, 2, 3 и 4), объединенных в пятизвенный сферический механизм, включающий первую и вторую крестовины (3, 4), каждая из которых имеет пару отверстий и пару цапф, причем первая и вторая крестовины (3, 4) взаимно соединены по общей оси (10), перпендикулярной к оси (7) отверстий ведущего звена (1) и к оси (8) цапф (13) ведомого звена (2), при этом ведомое звено (2) выполнено Т-образным в виде стержня с цапфами (13) шарнирного соединения со второй крестовиной (4).

2. Карданный шарнир по п.1, отличающийся тем, что подшипник каждого шарнирного соединения уплотнен манжетой так, что уплотнительная кромка армированной манжеты прилегает к наружной обойме подшипника.