Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов (варианты) Российский патент 2023 года по МПК F16D3/41 

Изобретение относится к области индустриального и транспортного машиностроения. Универсальные шарниры применяются в широком спектре областей применения для передачи вращательного момента между входным и выходным валами, оси которых образуют угол и пересекаются в одной точке. Известна конструкция универсального шарнира, заявленная 11 мая 1935 года, на которую выдано авторское свидетельство №49732. Универсальный шарнир для двух наклоненных друг к другу валов, сопряженных между собой при помощи шарика, расположенного между центрами их торцов и при помощи шарниров, всегда расположенных в плоскости, делящей угол между валами пополам, и меняющих свое расстояние от центра шарика в одних и тех же пределах за каждый оборот валов, отличающийся тем, что шарниры расположены на смежных концах серег, которые своими противоположными концами сочленены соответственно с ведущим и ведомым валами при помощи шарниров, неподвижных относительно этих валов. Недостатком данной конструкции является сложность конструкции и маленькая величина допустимых углов перекоса осей ведущего и ведомого валов.

Также известна конструкция муфты равных угловых скоростей и регулирующая система для нее, патент №RU2292494C2 от 26.03.2002. Изобретение относится к соединительным муфтам между валами, и в частности - к универсальным шарнирам, и конкретнее - к муфтам, имеющим равные мгновенные угловые скорости входного вала и выходного вала или обеспечивающим приблизительно таковые скорости. Предложены муфта равных угловых скоростей и двойная муфта равных угловых скоростей, в которых регулирующий механизм выполнен с возможностью поддержания условий равной мгновенной передачи угловых скоростей между входным и выходным валами (либо между входной и выходной осями для двойной муфты). Муфта равных угловых скоростей содержит ось вращения входного вала, ось вращения выходного вала, регулирующий механизм. Муфта содержит U-образную вилку выходной оси, имеющую регулирующий штифт выходной оси, прикрепленный к одному плечу вилки выходной оси. Причем ось регулирующего штифта выходной оси находится в плоскости, образуемой выходной осью и осью, образуемой цапфами вилки выходной оси, и пересекает геометрический центр муфты. Муфта также включает выступ входной оси, имеющий регулирующий штифт входной оси. Причем ось регулирующего штифта входной оси находится в плоскости, образуемой входной осью и осью вращения выступа, и пересекает геометрический центр муфты. Регулирующий механизм выполнен с возможностью удерживания, по меньшей мере, частей муфты для получения характеристик равных угловых скоростей. Двойная муфта равных угловых скоростей содержит входную ось, выходную ось, вилку входного конца, вилку выходного конца, регулирующий механизм. Вилка входного конца имеет первую и вторую пары цапф. Причем вторая пара цапф вилки входного конца шарнирно соединена с входной концевой парой цапф на входном конце соединительной трубы. Вилка выходного конца имеет первую и вторую пары цапф вилки, причем вторая пара цапф шарнирно соединена с выходной концевой парой цапф соединительной трубы. В результате достигается обеспечение строгих геометрических ограничений муфты равных угловых скоростей и уменьшение износа за счет уменьшения потерь на трение скользящих компонентов. Недостатком данной муфты является очень сложная конструкция, имеющая много внутренних деталей.

Предлагаемое к рассмотрению изобретение предназначено для применения в составе универсальных шарниров и его задачей является передача вращающего момента от ведущего вала, через универсальный шарнир, к ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейными контактами между вилками ведущего и ведомого валов и всеми частями крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, в интервале углов между осями ведущего и ведомого валов от 0° до 83°. Поставленная задача решается применением крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, имеющей сборную конструкцию, состоящую из внутренней крестовины, выполненной в виде центрального кондуктора, две пары соосных цилиндрических шипов которого, либо две пары соосных глухих цилиндрических отверстий которого, расположены на двух взаимно перпендикулярных осях, пересекающихся в геометрическом центре центрального кондуктора, с которым, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединены четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины, одной формы и размера, имеющие по одному наружному цилиндрическому шипу, шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенных с чашками наружных игольчатых подшипников, причем соосность противолежащих наружных цилиндрических шипов наружной составной крестовины обеспечивается соосностью посадочных отверстий для запрессовки чашек наружных игольчатых подшипников в вилках универсального шарнира.

Первый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов состоит из внутренней крестовины, выполненной в виде центрального кондуктора в форме симметричного равностороннего креста из двух пересекающихся цилиндрических валиков, оси которых взаимно перпендикулярны и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора, наружной составной крестовины, образованной, четырьмя взаимозаменяемыми элементами, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединенными с внутренней крестовиной и шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенными с чашками наружных игольчатых подшипников, причем взаимозаменяемые элементы наружной составной крестовины выполнены в виде цилиндров с наружными, перпендикулярными осям цилиндров, торцами и внутренними торцами, выполненными скошенными под углом α к плоскостям наружных торцов, а также, расположенными на внутренних скошенных торцах, глухими цилиндрическими отверстиями, причем оси глухих цилиндрических отверстий лежат, с осями цилиндров, в одних плоскостях, делящих цилиндры на два равных полуцилиндра, и составляют между собой, угол α и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины. Первый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов рекомендован к применению при значениях углов α от 1° до 10° и β от 0° до 14°. Техническим результатом применения первого варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, является передача момента вращения от ведущего вала ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между всеми частями универсального шарнира, в интервале значений угла β от 0° до 14°. Если угол β превышает данное значение, следует применять другие варианты конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов.

Второй вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов состоит из внутренней крестовины, выполненной в виде центрального кондуктора в форме симметричного равностороннего креста из двух пересекающихся цилиндрических валиков, оси которых взаимно перпендикулярны и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора, наружной составной крестовины, образованной, четырьмя взаимозаменяемыми элементами, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединенными с внутренней крестовиной и шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенными с чашками наружных игольчатых подшипников, причем взаимозаменяемые элементы наружной составной крестовины выполнены в виде четырех прямых брусков, прямоугольного поперечного сечения, одни торцы которых, имеют, перпендикулярные продольным осям брусков, полуцилиндрические формы, и по осям полуцилиндрических форм, выполненные глухие цилиндрические отверстия, по одному глухому цилиндрическому отверстию на брусок, а вторые торцы брусков выполнены скошенными под углом α к сторонам брусков, противоположным сторонам брусков с глухими отверстиями, с расположенными на скошенных торцах, наружными цилиндрическими шипами, по одному цилиндрическому шипу на брусок, причем оси наружных цилиндрических шипов, лежат с осями глухих цилиндрических отверстий, в одних плоскостях, делящих поперечные сечения брусков на два равных прямоугольника, и составляют между собой, угол α и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины. Второй вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов рекомендован к применению при значениях углов α от 1° до 45° и β от 0° до 60°. Техническим результатом применения второго варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, является передача момента вращения от ведущего вала ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между всеми частями универсального шарнира, в интервале значений угла β от 0° до 60°. Если угол β превышает данное значение, следует применять другие варианты конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов.

Третий вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, содержит внутреннюю крестовину, выполненную в виде центрального кондуктора цилиндрической формы с коническими фасками по торцам, с двумя парами соосных глухих цилиндрических отверстий, расположенных на цилиндрической поверхности центрального кондуктора и равноудаленных от торцов центрального кондуктора, причем оси двух пар соосных глухих цилиндрических отверстий взаимно перпендикулярны, лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора, а также наружную составную крестовину, образованную, четырьмя взаимозаменяемыми элементами, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединенными с внутренней крестовиной и шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенными с чашками наружных игольчатых подшипников, причем взаимозаменяемые элементы наружной составной крестовины выполнены в виде четырех дугообразных скоб прямоугольного поперечного сечения, с выборками по внутренним поверхностям скоб, исключающими контакт дугообразных скоб, в любом положении, с внутренней крестовиной, с расположенными, на наружных поверхностях, у краев дугообразных скоб, обращенных к вилкам универсального шарнира, наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на дугообразную скобу, и, расположенными у противоположных краев дугообразных скоб, на обращенных к внутренней крестовине, противоположных наружным цилиндрическим шипам, поверхностях дугообразных скоб, внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на дугообразную скобу, причем оси наружных и внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих поперечные сечения дугообразных скоб на два равных прямоугольника, и составляют между собой, угол α и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины. Третий вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов рекомендован к применению при значениях углов α от 1° до 70° и β от 0° до 83°. Техническим результатом применения третьего варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, является передача момента вращения от ведущего вала ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между всеми частями универсального шарнира, в интервале значений угла β от 0° до 83°.

Четвертый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, содержит внутреннюю крестовину, выполненную в виде центрального кондуктора сферической формы с двумя парами соосных глухих цилиндрических отверстий, оси которых взаимно перпендикулярны, лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора, а также наружную составную крестовину, образованную, четырьмя взаимозаменяемыми элементами, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединенными с внутренней крестовиной и шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенными с чашками наружных игольчатых подшипников, причем взаимозаменяемые элементы наружной составной крестовины выполнены в виде четырех дугообразных скоб прямоугольного поперечного сечения, с расположенными, на наружных поверхностях, у краев дугообразных скоб, обращенных к вилкам универсального шарнира, наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на дугообразную скобу, и, расположенными у противоположных краев дугообразных скоб, на обращенных к внутренней крестовине, противоположных наружным, поверхностях дугообразных скоб, внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на дугообразную скобу, причем оси наружных и внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих поперечные сечения дугообразных скоб на два равных прямоугольника, и составляют между собой, угол α и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины.

Четвертый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов рекомендован к применению при значениях углов α от 1° до 70° и β от 0° до 83°. Техническим результатом применения четвертого варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, является передача момента вращения от ведущего вала ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между всеми частями универсального шарнира, в интервале значений угла β от 0° до 83°.

Пятый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, содержит внутреннюю крестовину, выполненную в виде центрального кондуктора сферической формы с двумя парами соосных глухих цилиндрических отверстий, оси которых взаимно перпендикулярны, лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора, а также наружную составную крестовину, образованную, четырьмя взаимозаменяемыми элементами, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединенными с внутренней крестовиной и шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединенными с чашками наружных игольчатых подшипников, причем взаимозаменяемые элементы наружной составной крестовины выполнены в виде четырех лепестков, наружные и внутренние поверхности которых, имеют форму концентричных сферических сегментов двух радиусов, соединенных конической поверхностью с углом Θ=α+19° при вершине, расположенной в геометрическом центре внутренней крестовины, с расположенными на наружных выпуклых сферических поверхностях лепестков, наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на лепесток и, расположенными на внутренних вогнутых сферических поверхностях лепестков, внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на лепесток, причем наружные и внутренние цилиндрические шипы расположены в диаметрально-противоположных сторонах лепестков, а оси наружных цилиндрических шипов и оси внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих лепестки на два равных полусегмента, и составляют между собой угол α и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины. Величина угла Θ=α+19° исключает касание между лепестками при максимальном значении угла α=70°. Пятый вариант конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов рекомендован к применению при значениях углов α от 1° до 70° и β от 0° до 83°. Техническим результатом применения пятого варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, является передача момента вращения от ведущего вала ведомому валу с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между всеми частями универсального шарнира, в интервале значений угла β от 0° до 83°. Осевые зазоры в универсальном шарнире с крестовиной универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, обеспечиваются торцевыми упорами, между доньями чашек наружных игольчатых подшипников и доньями глухих отверстий в составных частях крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, и торцами цилиндрических шипов внутренних крестовин и наружных цилиндрических шипов элементов наружных составных крестовин или между доньями чашек наружных игольчатых подшипников и доньями глухих цилиндрических отверстий внутренней крестовины и торцами наружных и внутренних цилиндрических шипов элементов наружных составных крестовин. Соосность противолежащих наружных цилиндрических шипов всех перечисленных вариантов конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, обеспечивается соосностью посадочных отверстий, для запрессовки чашек наружных игольчатых подшипников крестовин, в вилках универсальных шарниров. Все пять вариантов крестовины универсального шарнира, с переменным углом между осями шипов, выполнены с уплотнениями в местах соединения взаимозаменяемых элементов наружных крестовин с внутренними крестовинами, для защиты внешних и внутренних игольчатых подшипников. Для упрощения эскизов и рисунков, уплотнения показаны в виде резиновых o-колец круглого сечения, а уплотняемые поверхности имеют радиальные канавки полукруглого профиля.

Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов имеет обслуживаемый и необслуживаемый варианты исполнения, причем обслуживаемый вариант исполнения дополняется каналами для смазки и пресс-масленками. При технологической необходимости, для фиксации взаимозаменяемых элементов наружных крестовин и чашек наружных игольчатых подшипников, выполняют радиальные канавки прямоугольного профиля ближе к торцам цилиндрических шипов и ближе к доньям внутренних цилиндрических отверстий и чашек наружных игольчатых подшипников, куда вставляют стопорные упругие кольца с поперечной прорезью. Цилиндрические наружные и внутренние шипы, а также шипы внутренних крестовин имеют торцевые конические фаски для вдевания в стопорные упругие кольца с поперечной прорезью, и глубину профиля прямоугольных канавок, достаточную для фиксации стопорными упругими кольцами с поперечной прорезью. Глубину профиля прямоугольных канавок внутри всех глухих цилиндрических отверстий и внутри чашек наружных игольчатых подшипников, выполняют достаточной для расширения стопорных упругих колец с поперечной прорезью, при сборке крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов. Так как чертежи, эскизы и рисунки, прилагаемые к описанию изобретения, носят информативный характер и не являются сборочными чертежами, на прилагаемых чертежах, эскизах и рисунках, канавки под стопорные упругие кольца с поперечной прорезью, пресс-масленки, форма и размеры смазочных каналов показаны в упрощенной форме. Требования к механической и термической обработкам контактных поверхностей такие же как и к обычным универсальным шарнирам, изложены в ГОСТ Р 52923-2008 [2], действующим на данный момент, выдержка из которого:

Технические требования

4.1 Твердость поверхностного слоя крестовин шарниров после окончательной обработки должна быть не менее:

HRC3 60 - на цилиндрической поверхности шипов крестовин;

HRC3 58 - на торцах шипов крестовин.

4.2 Эффективная глубина поверхностного слоя после окончательной обработки должна быть не менее:

0,8 мм - для крестовин шарниров I-II рядов;

1,6 мм - III ряда;

1,8 мм - IV-V рядов.

4.3 Шероховатость поверхности после окончательной обработки не должна превышать следующих значений параметра Ra [при базовых длинах в соответствии с ГОСТ 2789 (приложение I)]:

0,32 мкм - на цилиндрической поверхности шипов крестовин;

0,63 мкм для I ряда и 1,25 мкм для II-V рядов - на поверхности торцов шипов крестовин;

1,25 мкм - на цилиндрической (посадочной) поверхности отверстий вилок под подшипник.

Кинематический анализ конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов графическим и аналитическим способом, для чего, на всех частях крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов разместим точки А, В, С и D и представим вращение всех частей универсального шарнира и крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, траекториями вращения точек А, В, С и D в виде трех пересекающихся больших кругов на сфере, обозначающих плоскости и лежащие на данных плоскостях, траектории вращения точек А, В, С и D, причем точка А находится на цилиндрическом шипе взаимозаменяемого элемента наружной крестовины, шарнирно соединенного с вилкой ведущего вала и ϕ_A - угол ее вращения и ω_A - ее угловая скорость, по величине и направлению, совпадающие с ϕ₁ - углом поворота и ω₁ - угловой скоростью ведущего вала, точки В и С находятся на внутренней крестовине и вращаются по одной траектории в плоскости вращения внутренней крестовины и ϕ_B, ϕ_C - углы поворота точек В и С, ω_B, ω_C - угловые скорости точек В и С, ε_B, ε_C - угловые ускорения точек В и С, совпадающие по величине и направлению с углами поворота и угловыми скоростями внутренней крестовины, а точка D находится на цилиндрическом шипе взаимозаменяемого элемента наружной крестовины, шарнирно соединенном с вилкой ведомого вала и ϕ_D - угол ее поворота и ω_D - ее угловая скорость, по величине и направлению, совпадающие с ϕ₂ - углом поворота и ω₂ - угловой скоростью ведомого вала. Также на рисунках (Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3) изображены углы ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅, ϕ₆, ϕ₇ и ϕ₈, которые составляют элементы наружной крестовины, шарнирно соединенные с вилками ведущего вала, цилиндрическими шипами или цилиндрическими глухими отверстиями внутренней крестовины и вилками ведомого вала.

При соосности ведомого и ведущего валов, при этом угол р между осями ведущего и ведомого валов равен 0°, плоскости вращения вилки ведущего вала с точкой А, внутренней крестовины с точками В и С и вилки ведомого вала с точкой D совпадают и углы между осями цилиндрических шипов составной наружной крестовины равны 90° или π/2, углы ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅, ϕ₆ равны 0°. При вращении ведущего и ведомого валов при β≠0°, вращающий момент ведущего вала и момент сопротивления вращению ведомого вала мгновенно переориентируют положение внутренней крестовины и взаимозаменяемых элементов наружной крестовины в пространстве и углы ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅ и ϕ₆ примут значения отличные от 0°. При этом на рисунках (Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3) мы видим, что увеличение абсолютных значений углов ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅ и ϕ₆ приводит к ускорению увеличения угла поворота внутренней крестовины ϕ_B и ϕ_C относительно увеличения угла поворота вилки ведущего вала ϕ₁, происходит увеличение угловой скорости ω_B=ω_C внутренней вилки, а при уменьшении абсолютных значений углов ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅ и ϕ₆ происходит замедление увеличения угла поворота внутренней крестовины ϕ_B и ϕ_C относительно увеличения угла поворота вилок ведущего ϕ₁ и ведомого ϕ₂ валов, а также и уменьшение угловой скорости внутренней вилки ω_B=ω_C.

Значения углов ϕ₃, ϕ₄ определены по формулам из аналогий Непера для тангенса половинной стороны и для котангенса половинного угла сферической тригонометрии относительно значений угла ϕ₁ [1]. В силу центрально-симметричности конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов и равенства размеров взаимозаменяемых элементов наружной крестовины, при передаче вращающего момента, взаимозаменяемые элементы наружной крестовины образуют с траекториями вращения точек А, В, С и D равные углы, причем ϕ₅=ϕ₄ и ϕ₆=ϕ₃. Для удобства определения вышеуказанных величин введем дополнительные углы ϕ₇, ϕ₈ и Ξ. Углы ϕ₇ и ϕ₈ являются смежными углам ϕ₄ и ϕ₅, а угол Ξ - есть угол между плоскостями вращения вилки ведущего вала и внутренней крестовины, а также между плоскостями вращения внутренней крестовины и вилки ведомого вала, возникающий при значениях угла β≠0°. Угол Ξ может принимать значения от 0° до α и соотносится со значениями угла β между осями ведущего и ведомого валов. Их соотношение выражается формулой:

Максимальное значение β принимает при Ξ=α.

Значения углов ϕ₀, ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅, ϕ₆, ϕ₇ и ϕ₈ определим по формулам:

ϕ=0…2π;

ϕ₀=α;

ϕ₁=ϕ₀+ϕ;

ϕ₆=ϕ₃;

ϕ₅=ϕ₄

ϕ₈=ϕ₇;

ϕ_B=ϕ_C;

После сокращений получаем:

ϕ₂=arcsin(sin ϕ₁);

ϕ₂=ϕ₁;

ϕ₂=ϕ₀+ϕ;

При определении величин ω₁, ω_B, ω_C, ω₂ и ε_B, ε_C потребуется дифференцирование формулы ϕ_B поэтому, в связи с трудностью отображения всего объема формул и с целью сократить объем формул, примем величину угла Ξ максимально возможной и равной α, и в формуле ϕ_B вместо угла Ξ подставим угол α, тогда формулы углов ϕ₃, ϕ₄, ϕ₅, ϕ₆ и ϕ_B примут вид:

ϕ=0…2π;

ϕ₀=α;

ϕ₁=ϕ₀+ϕ;

ϕ₂=ϕ₀+ϕ;

ϕ₄=ϕ₁;

ϕ₅=ϕ₄;

ϕ₆=ϕ₃;

ϕ₇=π-ϕ₁;

ϕ₈=ϕ₇;

ϕ_B=ϕ_C;

ω_B=ω_C;

ε_B=ε_C;

ω₁=ω₂=1;

ε₁=ε₂=0.

где ϕ₁, ω₁ - угол поворота и угловая скорость вилки ведущего вала;

ϕ₂, ω₂ - угол поворота вилки ведомого вала;

ϕ₃ - угол между плоскостью вращения вилки ведущего вала и взаимозаменяемым элементом наружной крестовины в точке А;

ϕ₄ - угол между взаимозаменяемым элементом наружной крестовины, шарнирно соединенного с вилкой ведущего вала, и плоскостью вращения внутренней крестовины в точке В;

ϕ₅ - угол между взаимозаменяемым элементом наружной крестовины, шарнирно соединенного с вилкой ведомого вала, и плоскостью вращения внутренней крестовины в точке С;

ϕ₆ - угол между плоскостью вращения вилки ведущего вала и взаимозаменяемым элементом наружной крестовины в точке D;

ϕ_B, ω_B, ε_B - угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение точки В внутренней крестовины;

ϕ_C, ω_C, ε_C - угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение точки С внутренней крестовины;

α - угол между осями шипов или глухих отверстий внутренней крестовины и, соответствующих им, осями наружных цилиндрических шипов взаимозаменяемых элементов наружной крестовины;

β - угол между осями ведущего и ведомого валов.

ϕ_B=ϕ_C - величины углов ϕ_B и ϕ_C равны величине угла поворота внутренней крестовины;

Сущность изобретения поясняется чертежами, эскизами и рисунками, которые иллюстрируют частные варианты конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, не охватывают и не ограничивают весь объем притязаний заявляемого изобретения.

На рисунках Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 изображены траектории вращения точек А, В, С и D и углы элементов подвижной крестовины с траекториями вращения точек А, В, С и D при значении угла поворота ведущего вала ϕ₁=33° для всех вариантов конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, причем:

для 1-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов α=10 градусов, Ξ=10 градусов;

для 2-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов α=45 градусов, Ξ=45 градусов;

для 3-го, 4-го и 5-го вариантов конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов α=70 градусов, Ξ=70 градусов;

На рисунке Фиг. 4, изображена кинематическая схема для 1-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов;

На рисунке Фиг. 5, изображена кинематическая схема для 2-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов;

На рисунке Фиг. 6, изображена кинематическая схема для 3-го, 4-го и 5-го вариантов конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов;

На рисунке Фиг. 7, изображены графики углов поворота ведущего и ведомого валов и внутренней крестовины, углов элементов подвижной крестовины с траекториями вращения точек А, В, С и D, а также их угловых скоростей и угловых ускорений для 1-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов;

На рисунке Фиг. 8, изображены графики углов поворота ведущего и ведомого валов и внутренней крестовины, углов элементов подвижной крестовины с траекториями вращения точек А, В, С и D, а также их угловых скоростей и угловых ускорений для 2-го варианта конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов;

На рисунке Фиг. 9 изображены графики углов поворота ведущего и ведомого валов и внутренней крестовины, углов элементов подвижной крестовины с траекториями вращения точек А, В, С и D, а также их угловых скоростей и угловых ускорений для 3-го, 4-го и 5-го вариантов конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов.

Так как ведущий и ведомый валы вращаются равномерно, их угловые скорости равны 1 об/сек, а угловые ускорения равны 0 об/сек², они на рисунках не обозначены, но показаны линии уровней 0 и 1, для сравнения с угловыми скоростями и угловыми ускорениями точек В и D.

На рисунках Фиг. 10 - Фиг. 29 изображены все варианты конструкции крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, описанные выше, в двух вариантах исполнения - обслуживаемом варианте, с масляными каналами, пресс-масленками и необслуживаемом варианте, в собранном виде с разрезами и разобранном виде. Чертежи обслуживаемого варианта исполнения дополнены радиальными канавками на наружных и внутренних цилиндрических шипах или в глухих отверстиях и чашках наружных игольчатых подшипников и стопорными упругими кольцами с поперечной прорезью.

Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, имеющая сборную конструкцию, состоящая из внутренней крестовины (1), выполненной в виде центрального кондуктора, две пары соосных цилиндрических шипов которого, либо две пары соосных глухих цилиндрических отверстий которого, расположены на двух перпендикулярных осях, пересекающихся в геометрическом центре центрального кондуктора, с которым, шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников (6), соединены четыре взаимозаменяемых элемента (2) наружной составной крестовины, одной формы и размера, имеющие по одному наружному цилиндрическому шипу, шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников (7), соединенных с чашками (3), наружных игольчатых подшипников (7), причем соосность противолежащих наружных цилиндрических шипов наружной составной крестовины обеспечивается соосностью посадочных отверстий для запрессовки чашек (3) наружных игольчатых подшипников (7) в вилках универсального шарнира. Крестовина универсального шарнира, с переменным углом между осями шипов, выполнена с уплотнениями (4) в виде резиновых о-колец круглого сечения, в местах соединения взаимозаменяемых элементов наружной составной крестовины с внутренней крестовиной, а также с уплотнениями (5) в виде резиновых о-колец круглого сечения, в местах соединения наружных цилиндрических шипов взаимозаменяемых элементов наружной составной крестовины с чашками наружных игольчатых подшипников. Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов имеет обслуживаемый и необслуживаемый варианты исполнения, причем обслуживаемый вариант исполнения дополняется каналами для смазки и пресс-масленками (9). Для фиксации взаимозаменяемых элементов наружной составной крестовины в/на внутренней крестовине и чашек наружных игольчатых подшипников на наружных цилиндрических шипах взаимозаменяемых элементов наружной составной крестовины, выполняют радиальные канавки прямоугольного профиля ближе к торцам всех цилиндрических шипов и ближе к доньям внутренних цилиндрических отверстий и чашек наружных игольчатых подшипников, куда вставляют стопорные упругие кольца (8) с поперечной прорезью.

Источники информации

1. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - 13-е изд., испр. - М.: Наука, 1986. - 544 с.

2. ГОСТ Р 52923-2008.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к универсальным шарнирам. Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, имеющая сборную конструкцию, состоит из внутренней крестовины (1), четырех взаимозаменяемых элементов (2) наружной составной крестовины и наружных игольчатых подшипников (7). Внутренняя крестовина (1) выполнена в виде центрального кондуктора. Две пары соосных цилиндрических шипов кондуктора, либо две пары его соосных глухих цилиндрических отверстий, расположены на двух взаимно перпендикулярных осях, пересекающихся в геометрическом центре центрального кондуктора. С кондуктором шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников (6), соединены элементы (2). Элементы (2) выполнены одной формы и размера и имеют по одному наружному цилиндрическому шипу, шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников (7), соединенных с чашками (3). Соосность противолежащих наружных цилиндрических шипов наружной составной крестовины обеспечивается соосностью посадочных отверстий для запрессовки чашек (3) наружных игольчатых подшипников (7) в вилках универсального шарнира. Крестовина может иметь резиновые уплотнения (5) в местах соединения наружных цилиндрических шипов взаимозаменяемых элементов (2) наружной составной крестовины с чашками (3) наружных игольчатых подшипников (7). Достигается возможность передачи вращающего момента с равными угловыми скоростями, с линейным контактом между вилками универсального шарнира и частями крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, в интервале углов между осями ведущего и ведомого валов:1-й альтернативный вариант - от 0° до 14°; 2-й альтернативный вариант - от 0° до 60°; 3-й, 4-й, 5-й альтернативные варианты - от 0° до 83°. 8 з.п. ф-лы, 29 ил.

1. Крестовина универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, имеющая сборную конструкцию, состоящая из внутренней крестовины, выполненной в виде центрального кондуктора, две пары соосных цилиндрических шипов которого, либо две пары соосных глухих цилиндрических отверстий которого расположены на двух взаимно перпендикулярных осях, пересекающихся в геометрическом центре центрального кондуктора, с которым шарнирно, с применением внутренних игольчатых подшипников, соединены четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины одной формы и размера, имеющие по одному наружному цилиндрическому шипу, шарнирно, с применением наружных игольчатых подшипников, соединённых с чашками, наружных игольчатых подшипников, причём соосность противолежащих наружных цилиндрических шипов наружной составной крестовины обеспечивается соосностью посадочных отверстий для запрессовки чашек наружных игольчатых подшипников в вилках универсального шарнира.

2. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя крестовина, в составе крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, выполнена в виде центрального кондуктора в форме симметричного равностороннего креста из двух пересекающихся цилиндрических валиков, оси которых взаимно перпендикулярны и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора.

3. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя крестовина, в составе крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, выполнена в виде центрального кондуктора цилиндрической формы с коническими фасками по торцам, с двумя парами соосных глухих цилиндрических отверстий, расположенных на цилиндрической поверхности центрального кондуктора и равноудалённых от торцов центрального кондуктора, причём оси двух пар соосных глухих цилиндрических отверстий взаимно перпендикулярны, лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора.

4. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что внутренняя крестовина, в составе крестовины универсального шарнира с переменным углом между осями шипов, выполнена в виде центрального кондуктора сферической формы с двумя парами соосных глухих цилиндрических отверстий, оси которых взаимно перпендикулярны, лежат в одной плоскости и пересекаются в геометрическом центре центрального кондуктора.

5. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины с наружными цилиндрическими шипами имеют форму цилиндров с торцами, обращёнными к вилкам универсального шарнира, перпендикулярными осям цилиндров, и торцами, обращёнными к внутренней крестовине, выполненными скошенными, под углом α к плоскостям противоположных торцов, а также расположенными на скошенных торцах глухими цилиндрическими отверстиями, причём оси глухих цилиндрических отверстий лежат с осями цилиндров в одних плоскостях, делящих цилиндры на два равных полуцилиндра, и составляют с ними угол α, и пересекаются с ними в геометрическом центре внутренней крестовины.

6. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины с наружными цилиндрическими шипами имеют форму прямых брусков прямоугольного поперечного сечения, одни торцы которых имеют перпендикулярные продольным осям брусков полуцилиндрические формы и по осям полуцилиндрических форм выполненные глухие цилиндрические отверстия, по одному глухому цилиндрическому отверстию на брусок, а вторые торцы брусков выполнены скошенными под углом α к сторонам брусков, противоположным сторонам брусков с глухими цилиндрическими отверстиями, с расположенными на скошенных торцах, наружными цилиндрическими шипами, по одному цилиндрическому шипу на брусок, причём оси наружных цилиндрических шипов лежат с осями глухих цилиндрических отверстий в одних плоскостях, делящих прямоугольное поперечное сечение брусков на два равных прямоугольника, и составляют между собой угол α, и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины.

7. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины с наружными цилиндрическими шипами имеют форму дугообразных скоб прямоугольного поперечного сечения с расположенными на наружных поверхностях у краёв дугообразных скоб, обращённых к вилкам универсального шарнира, наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на скобу, и расположенными у краёв, обращённых к внутренней крестовине, на противоположных наружным цилиндрическим шипам поверхностях дугообразных скоб внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на скобу, причём оси наружных и внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих прямоугольное поперечное сечение дугообразных скоб на два равных прямоугольника, и составляют между собой угол α, и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины.

8. Крестовина по п. 7, отличающаяся тем, что четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины с наружными цилиндрическими шипами, используемые с внутренней крестовиной цилиндрической формы, имеют форму дугообразных скоб прямоугольного поперечного сечения с выборками по внутренней поверхности скоб, исключающими контакт дугообразных скоб, в любом положении, с внутренней цилиндрической крестовиной, с расположенными, на наружных поверхностях, у краёв дугообразных скоб, обращённых к вилкам универсального шарнира, наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на скобу, и расположенными у краёв дугообразных скоб, обращённых к внутренней крестовине, на противоположных наружным цилиндрическим шипам поверхностях дугообразных скоб внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на скобу, причём оси наружных и внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих прямоугольное поперечное сечение дугообразных скоб на два равных прямоугольника, и составляют между собой угол α, и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины.

9. Крестовина по п. 1, отличающаяся тем, что четыре взаимозаменяемых элемента наружной составной крестовины с наружными цилиндрическими шипами имеют форму лепестков, наружные и внутренние поверхности которых имеют форму концентричных сферических сегментов двух радиусов, соединённых конической поверхностью с углом Θ=α+19° при вершине, расположенной в геометрическом центре внутренней крестовины, с расположенными на наружных выпуклых сферических поверхностях наружными цилиндрическими шипами, по одному наружному цилиндрическому шипу на лепесток, и расположенными на внутренних вогнутых сферических поверхностях внутренними цилиндрическими шипами, по одному внутреннему цилиндрическому шипу на лепесток, причём наружные и внутренние цилиндрические шипы расположены в диаметрально-противоположных сторонах лепестков, а оси наружных цилиндрических шипов и оси внутренних цилиндрических шипов лежат в одних плоскостях, делящих лепестки на два равных полусегмента, и составляют между собой угол α, и пересекаются в геометрическом центре внутренней крестовины.