ШЛИЦЕВОЕ РАЗЪЕМНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИЗГИБНОГО ВАЛА И КРУТЯЩЕГО КРОНШТЕЙНА Российский патент 2023 года по МПК F16D1/08 B62D1/20 

Заявленное изобретение относится к авиационной технике, а именно к области проектирования высоконагруженных конструкций планера и систем управления летательного аппарата, и более конкретно к шлицевым соединениям изгибного вала и крутящего кронштейна.

Шлицевое соединение - соединение вала и детали с отверстием с помощью осенаправленных совпадающих поверхностей вала и отверстия (пазов, зубьев), обеспечивающих прочное фиксирующее соединение в радиальном направлении и по вращению вала относительно детали с отверстием. В шлицевом соединении возможно скольжение вала относительно детали с отверстием в направлении оси шлица.

Высоконагруженные конструкции - это конструкции, с рабочими напряжениями материала, соизмеримыми с пределом прочности и с проектно-значимой величиной упругих деформаций материала и конструкции в целом, возникающих при рабочих нагрузках.

Из уровня техники известны различные варианты шлицевых соединений вала и крутящего кронштейна.

Например, известны и стандартизованы шлицевые соединения вала с крутящим кронштейном (далее - стандартный шлиц). В этих соединениях вал круглой цилиндрической формы, зубья расположены по всей окружности вала. Стандартное шлицевое соединение с плоскогранной формой зубьев описано в ГОСТ 1139 (прямоугольная форма зубьев), ОСТ 1 00092 (треугольная форма зубьев). Стандартное шлицевое соединение с эвольвентной формой зубьев описано в ГОСТ 6033 и OCT 1 00086. В этих соединениях шлицы расположены по всей окружности вала. Разработанное соединение может быть реализовано как с плоскогранными зубьями, так и с эвольвентными. Зубья эвольвентной формы предпочтительны по сравнению с плоскогранной, потому что при одинаковых размерах и нагрузках имеют меньшие неравномерности контактных напряжений по поверхности одного зуба, меньшие напряжения в основании зубьев и более равномерное распределение сил между зубьями.

Для разъемного стыка вала и изгибной балки применение стандартного шлица имеет следующие недостатки:

- напряженный стык в зоне максимальных напряжений изгиба вала; для обеспечения прочности в этом случае необходимо снижать расчетные напряжения изгиба вала и расчетные напряжения в стыке - с соответствующим увеличением размеров и массы конструкции;

- люфты в шлицевом соединении без дополнительного прижатия зубьев кронштейна и вала (несжатый шлиц); несжатый шлиц имеет технологический зазор, который для конструкции является люфтом; для высоконагруженной конструкции этот люфт может возникать или дополнительно увеличиваться за счет упругих деформаций; практикуется сжатие шлица различными способами, но сжатие шлица приводит к упругому увеличению зазора в неприжатых зонах и соответствующему снижению эффективности конструкции. Устранение люфтов в разбираемой в эксплуатации конструкции - технически сложная задача, которая решена в настоящем изобретении.

- невозможность разжатия стыка (имеет значение при задаче демонтажа в различных ситуациях); стандартный шлиц с зубьями по всей окружности вала даже при наличии разреза не может быть значительно разжат по причине зацепления зубьев в части контура стыка; шлицевой стык по всей окружности вала может разбираться только методом скользящего снятия кронштейна вдоль шлица без деформаций стыка, что обусловливает требования к обязательным зазорам в конструкции и не исключает заклинивание конструкции с потерей возможности демонтажа.

Таким образом, задачей заявленного изобретения является устранение недостатков известного уровня техники.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является устранение люфтов при эксплуатации в разбираемых соединениях изгибного вала и крутящего кронштейна в высоконагруженных конструкциях.

Данный технический результат полностью достигается совокупностью признаков независимого пункта формулы заявленного изобретения.

Заявленное соединение предназначено для высоконагруженных конструкций, в которых требуется одновременное выполнение следующих проектных условий: минимизация массы, ограниченные или минимальные размеры, высокая жесткость и недопустимость люфтов, разбираемость в эксплуатации, которые относятся прежде всего к системам управления летательных аппаратов и двигательных систем.

Соединение имеет следующую конструкцию:

- соединение шлицевое с плоскогранной или эвольвентной формой зубьев, центрирование по профилям зубьев (с зазорами по вершинам и впадинам зубьев);

- шлицы соединения выполнены в части контура сечения - в зонах минимальных напряжений изгиба вала; шлицевое соединение сжато по меньшей мере одним болтовым соединением, расположенным перпендикулярно оси вала; в зоне максимальных напряжений изгиба вала шлицы и болтовые соединения отсутствуют и имеются зазоры, наличие которых обеспечивает сжатие шлицев.

Прижатие кронштейна к валу болтовыми соединениями повышает жесткость конструкции, изменяя схему деформаций кронштейна. При одинаковых размерах и силах упругие деформации по схеме с прижатием к валу будут меньше (для высоконагруженных конструкций упругие деформации превосходят 0,1%, оказывая значительное влияние на общие деформации).

Предварительное сжатие шлицев исключает зазоры и вероятность возникновения подвижности в соединении, связанной со значительными деформациями материала в высоконагруженном соединении.

Разбираемость соединения обеспечена двумя решениями: разрезом в кронштейне, позволяющим разжимать соединение в пределах упругих деформаций, и ограничением секторов зубьев условием открытого угла прилегания, что исключает зацепление зубьев при разжатии кронштейна.

Далее более подробно заявленное изобретение поясняется чертежами, на которых:

На фиг. 1 - заявленное шлицевое соединение в общем виде,

На фиг. 2 - конструкция заявленного шлицевого соединения,

На фиг. 3 - кинематические схемы кронштейнов, описывающие разницу схем деформации кронштейнов с прижатием к валу и без прижатия к валу (3а - эскиз конструкции, 3d - схема без прижатия кронштейна и вала сжимающим болтом, 3с - схема с прижатием кронштейна к валу сжимающим болтом).

На фиг. 1 показан общий вид соединения вала (1), нагруженного изгибом, и охватывающего кронштейна (2). На фиг. 2 показаны основные конструктивные параметры соединения. Момент (12) от кронштейна передается через шлицевой стык (7), сжатый по меньшей мере одним болтовым соединением (3) и дополнительным болтовым соединением (4), обеспечивающим прилегание шлицевого стыка в зоне (10) разреза кронштейна. Прилегание кронштейна и вала осуществляется только по боковым поверхностям зубьев; по остальным поверхностям - в том числе по вершинам и впадинам зубьев - в конструкции имеются зазоры (5)(6)(8)(9). Показана эпюра изгибных напряжений (15) вала и то, что шлицевой стык расположен в зоне минимальных напряжений изгиба (14); в зоне максимальных напряжений изгиба (8) шлицевое соединение отсутствует. Разрез кронштейна (11) обеспечивает разбираемость конструкции - разжатием кронштейна в пределах упругих деформаций материала. Разбираемость конструкции также обеспечена открытым углом (13) прилегания зубьев шлица.

В заявленной конструкции устраняются недостатки известного уровня техники, а именно:

- для вала конструктивно разделены зоны максимальных напряжений от изгиба вала и зоны напряжений в шлицевом соединении; это исключает совмещение максимальных напряжений от изгиба вала и напряжений в шлицевом стыке и, как следствие, повышает проектные напряжения в элементах конструкции - с минимизацией размеров и массы конструкции;

- исключены люфты в соединении, обусловленные технологическими зазорами и зазорами, возникающими при деформациях высоконагруженной конструкции;

- повышенная жесткость конструкции обеспечена прижатием кронштейна к валу в зоне шлицев, что обеспечивает схему закрепления с минимальными деформациями кронштейна;

- обеспечена эксплуатационная разбираемость соединения.

Изобретение относится к авиационной технике, а именно к муфтам. Шлицевое соединение изгибного вала и крутящего кронштейна имеет шлицевые зубья, расположенные двумя осесимметричными группами в зонах минимальных изгибных напряжений вала. В зонах максимальных изгибных напряжений поверхности безшлицевые. Шлицевое соединение сжато в местах расположения шлицев по крайней мере одним болтовым соединением. Кронштейн имеет разжимаемый разрез контура в месте отсутствующих шлицев, стянутый на установленном кронштейне дополнительным болтовым соединением. Достигается устранение люфтов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Шлицевое соединение изгибного вала и крутящего кронштейна характеризуется тем, что шлицевые зубья расположены двумя осесимметричными группами в зонах минимальных изгибных напряжений вала, в зонах максимальных изгибных напряжений поверхности безшлицевые; шлицевое соединение сжато в местах расположения шлицев по крайней мере одним болтовым соединением; кронштейн имеет разжимаемый разрез контура в месте отсутствующих шлицев, стянутый на установленном кронштейне дополнительным болтовым соединением.

2. Шлицевое соединение по п. 1 отличается тем, что в безлюфтовом соединении базирование шлицев осуществлено по боковым поверхностям зубьев - с зазором по вершинам и впадинам зубьев, а также по цилиндрическим безшлицевым поверхностям кронштейна и вала.