ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ Российский патент 2014 года по МПК F16C11/06 F16D3/30 F16D3/46 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам типа карданного шарнира, и предназначено для использования в приводах автомобилей и других машин для передачи вращения между валами, оси которых пересекаются под переменным углом и могут изменять свое положение. При этом угловые скорости ведущего и ведомого валов работающего шарнира должны совпадать, а вращение передаваться равномерно. Изобретение повышает надежность работы гомокинетического шарнирного механизма.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30° (П. 49933 РФ, МКИ F16C 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев A.M., Силкин Е.М. \\ БИМП - 2005. - №34).

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30 (П. 49934 РФ, МКИ F16C 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев A.M., Силкин Е.М.\\ Б.И.М.П. - 2006. - №6).

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является карданный шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки И, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена и поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2≤r≤(R²-0,3h²)^1/2 оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30 (П. 49935 РФ, МКИ F16C 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев А.М, Силкин Е.М. \\ БИМП - 2005. - №34).

Указанный карданный шарнир равных угловых скоростей рассматривается в качестве прототипа изобретения.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в шарнире равных угловых скоростей, содержащем ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2≤r≤(R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80…0.98 r, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей за счет снижения скорости износа деталей механизма при работе и вероятности разрушения, обусловленных отсутствием острых углов и кромок взаимодействующих поверхностей и их взаимным расположением. Повышается статическая и динамическая прочность звеньев механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена.

Повышение надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей являются существенными.

На фиг.1 приведен эскизный чертеж опорно-центрирующего звена заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей, поясняющий сущность изобретения. На фиг.2 представлен заявляемый шарнир равных угловых скоростей в сборе (угол передачи вращения отличен от нуля).

Шарнир равных угловых скоростей содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено 3 с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2≤r≤(R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80…0,98 r, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

Карданный шарнир равных угловых скоростей работает следующим образом. Вращение передается от ведущего 1 вала шарнирного механизма к ведомому 2 валу за счет зацепления частей вилок валов в опорно-центрирующем звене 3 (фиг.2). Устройство представляет собой кинематическую цепь, состоящую из двух кинематических (вращательных) пар. Опорно-центрирующее звено 3 образует две кинематические пары с ведущим 1 и ведомым 2 валами, соответственно. Вилки валов (1, 2) входят в пазы опорно-центрирующего звена 3 с противоположных сторон. Взаимодействие осуществляется по поверхностям звеньев, то есть кинематические пары являются простыми. Это позволяет обеспечить предельный передаваемый крутящий момент. Плоские параллельные боковые поверхности вилок валов 1, 2 собранного механизма при работе ориентированы в пространстве взаимно перпендикулярно за счет размещения в пазах опорно-центрирующего звена 3. При работе взаимодействующие внутренние поверхности пазов вилок (в частности, прямолинейный участок) соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующего звена 3, а взаимодействующие плоские параллельные боковые поверхности вилок валов 1, 2 соприкасаются с боковыми поверхностями пазов опорно-центрирующего звена 3. Поскольку обе вилки ведущего 1 и ведомого 2 валов жестко не закреплены в пазах опорно-центрирующего звена 3, происходит непрерывное смещение опорных боковых поверхностей вилок относительно боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена 3. При этом ведущая и ведомая вилки и, соответственно, валы 1, 2 при работе механизма совершают простые вращательные движения с постоянной угловой скоростью, а опорно-центрирующее звено 3 - сложное вращательное или вращательно-колебательное движение вокруг оси, непрерывно меняющей свое положение в пространстве. Свободное перемещение опорно-центрирующего звена 3 относительно вилок ведущего 1 и ведомого 2 валов позволяет также компенсировать погрешности сборки механизма и небольшие осевые смещения вилок, возникшие в ходе, например, эксплуатации автомобиля с шарниром равных угловых скоростей. Вращение может передаваться под произвольным углом между осями ведущего 1 и ведомого 3 валов механизма в пределах заданного диапазона (до более 30°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором внешнего основания (упорной поверхности) вилки вала (1, 2) и плоской параллельной боковой поверхности вилки другого вала (2, 1) и задается размерами звеньев механизма (длиной прямолинейного участка и толщиной вилки h). Механизм допускает не только изменение угла между осями ведущего 1 и ведомого 2 валов, но и смещение их по высоте.

Таким образом, шарнирный механизм является пространственным и обеспечивает передачу вращения между валами 1, 2, взаимное положение которых во время работы может изменяться.

Большая площадь взаимодействующих опорных поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена 3 позволяет передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьший максимальный диаметр вращения), а простота конструкции и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, работа элементов устройства на «сжатие», позволяют достичь высокой надежности.

По сравнению с прототипом существенно снижается износ деталей механизма при его работе за счет исключения возможных задиров на взаимодействующих поверхностях звеньев при отсутствии острых углов (менее 45°) и кромок. Опорно-центрирующее звено имеет оптимальную форму поверхности (фиг.1). Исключается выход из строя опорно-центрирующего звена в результате незначительных механических воздействий во время работы, сборки или ремонта механизма. Исключается заклинивание шарнирного механизма при работе (в том числе, при изменении угла передачи вращения) в результате износа или механических воздействий на кромки взаимодействующих поверхностей опорно-центрирующего звена и вилок валов. Конструкция допускает выполнение необходимых технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей без последующего снижения надежности работы и разрушения звеньев механизма.

Изобретение относится к механизмам типа карданного шарнира и может использоваться в приводах автомобилей и других машин для равномерной передачи вращения между валами. Шарнир равных угловых скоростей содержит ведущий (1) и ведомый (2) валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала (1, 2), плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено (3) с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов звена (3) равна толщине вилки h. Боковые поверхности пазов звена (3) симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр звена (3). Поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов звена (3), представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр звена (3) и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии. Поверхность, ограничивающая геометрическую форму звена (3), представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром звена (3), поверхностей двух цилиндров радиуса r, , оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80…0,98 r. Вилки валов (1, 2) входят в пазы звена (3) с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°. Технический результат: повышение надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей. 2 ил.

Шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса q, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, , оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80…0,98 r, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.