Шарнир карданный двойной

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к сферическим устройствам типа шарнира Гука или двойного механизма Кардана и может использоваться в качестве прямой замены шарнира равных угловых скоростей, а также в качестве аналога шарнира неравных угловых скоростей в приводах тракторов и минитракторов, автомобилей и других транспортных средств, иных машин и механизмов 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 механизма должны быть близкими или совпадать, а вращение передаваться в основном равномерно. Полезная модель расширяет область применения шарнирного механизма. Шарнир карданный двойной, содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные 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, два опорно-центрирующих звена 3, 4 шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профипрофиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический 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 геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, траверсу 5 с двумя вилками, размещенными симметрично на ее противоположных концах, выполненными аналогично вилкам валов, вилки валов, а также траверсы входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°. 2 илл.

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к сферическим устройствам типа шарнира Гука или двойного механизма Кардана и может использоваться в качестве аналога шарнира равных угловых скоростей, а также в качестве прямой замены шарнира неравных угловых скоростей в приводах тракторов и минитракторов, автомобилей и других транспортных средств, иных машин и механизмов 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 механизма должны быть близкими или совпадать, а вращение передаваться в основном равномерно. Полезная модель расширяет область применения шарнирного механизма.

Известен шарнир карданный, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные поверхности, задающие толщину вилки, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса равного половине ширины паза вилки, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°. (П. 49933 РФ, МКИ F16С 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев A.M., Силкин E.M. \\ Б.И.М.П. - 2005. - 34).

Недостатком шарнира карданного является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность вращения валов, невозможности простой установки расстояния между наружными торцами, а также низкой надежности работы, что обусловлено сравнительно высокими контактными напряжениями, недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов, обеспечением изгиба шарнира всего в двух плоскостях, неудовлетворительным подводом смазочного материала к контактирующим поверхностям, работающим в условиях трения скольжения и контактном пульсирующем взаимодействии, ухудшением условий охлаждения поверхностей трения, значительным нагревом и, связанными с этим, возможными задирами на контактирующих поверхностях деталей шарнира при длительной эксплуатации.

Известен шарнир карданный, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные поверхности, задающие толщину вилки, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса равного половине ширины паза вилки, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°, так, что оси ведущего и ведомого валов и опорно-центрирующего звена при нулевом угле в шарнире совпадают (П. 49935 РФ, МКИ F16С 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев A.M., Силкин E.M. \\ Б.И.М.П. - 2006. - 6).

Недостатком шарнира карданного является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность вращения валов, невозможности простой установки расстояния между наружными торцами, а также низкой надежности работы, что обусловлено сравнительно высокими контактными напряжениями, недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов, обеспечением изгиба шарнира всего в двух плоскостях, неудовлетворительным подводом смазочного материала к контактирующим поверхностям, работающим в условиях трения скольжения и контактном пульсирующем взаимодействии, ухудшением условий охлаждения поверхностей трения, значительным нагревом и, связанными с этим, возможными задирами на контактирующих поверхностях деталей шарнира при длительной эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является шарнир карданный, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные поверхности, задающие толщину вилки, внешнее основание, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности радиуса, равного половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса равного половине ширины паза вилки, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°. (П. 49934 РФ, МКИ F16С 11\06. Шарнир карданный равных угловых скоростей \ Шагаев A.M., Силкин E.M. \\ Б.И.М.П. - 2005. - 34).

Указанный шарнир карданный рассматривается в качестве прототипа полезной модели.

Недостатком карданного шарнира является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность вращения валов, невозможности простой установки расстояния между наружными торцами, а также низкой надежности работы, что обусловлено сравнительно высокими контактными напряжениями, недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов, обеспечением изгиба шарнира всего в двух плоскостях, неудовлетворительным подводом смазочного материала к контактирующим поверхностям, работающим в условиях трения скольжения и контактном пульсирующем взаимодействии, ухудшением условий охлаждения поверхностей трения, значительным нагревом и, связанными с этим, возможными задирами на контактирующих поверхностях деталей шарнира при длительной эксплуатации.

Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения карданного шарнира, что является целью полезной модели.

Указанная цель достигается тем, что в шарнире карданном, содержащем ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные 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, два опорно-центрирующих звена шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический 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 геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, траверсу с двумя вилками, размещенными симметрично на ее противоположных концах, выполненными аналогично вилкам валов, вилки валов, а также траверсы входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения шарнира карданного за счет большего допустимого максимального угла в шарнире при сохранении крутящего момента, соответствующего пределу прочности шарнира и заданной неравномерности вращения, повышения надежности из-за снижения удельной нагрузки на взаимодействующие поверхности звеньев механизма. Повышается статическая и динамическая прочность звеньев механизма за счет существенно большей равномерности передачи крутящего момента. Шарнир может быть применен, в том числе, в приводах колес жестких ведущих мостов полноприводных автомобилей повышенной проходимости. Новый шарнир является двойным, за счет чего обеспечивается взаимная компенсация неравномерностей вращения каждого из шарниров, входящих в соединение.

Расширение области применения карданного шарнира является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого шарнира карданного двойного являются существенными.

На фиг.1 приведено изображение заявляемого карданного шарнира двойного, на фиг.2 изображены эскизы вариантов выполнения опорно-центрирующего звена и траверсы, поясняющие сущность полезной модели.

Шарнир карданный двойной, содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные 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, два опорно-центрирующих звена 3, 4 шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический 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 геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, траверсу 5 с двумя вилками, размещенными симметрично на ее противоположных концах, выполненными аналогично вилкам валов, вилки валов, а также траверсы входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

Шарнир карданный двойной работает следующим образом. Вращение передается от ведущего вала (1) шарнирного механизма к ведомому валу за счет зацепления зубьев (частей) вилок (фиг.1) валов 1, 2 и траверсы 5 в пазах опорно-центрирующих звеньев 3, 4 (фиг.2). Устройство представляет собой разомкнутую кинематическую цепь, состоящую из четырех кинематических (вращательных) пар. Опорно-центрирующие звенья 3, 4, таким образом, образует по две кинематические пары с ведущим 1 и ведомым 2 валами и траверсой 5 соответственно. Траверса 5 образует две кинематические пары с опорно-центрирующими звеньями 3, 4. Вилки валов 1, 2 и траверсы 5 входят в пазы опорно-центрирующих звеньев 3, 4 с противоположных сторон. Взаимодействие осуществляется по поверхностям звеньев, то есть, все кинематические пары являются простыми. Это позволяет обеспечить предельный передаваемый крутящий момент. Плоские параллельные опорные поверхности вилок валов (1, 2) и траверсы (5) собранного механизма при работе ориентированы в пространстве под углом 90° за счет размещения в пазах опорно-центрирующих звеньев 3, 4 (для выбранного исполнения). При работе взаимодействующие внутренние поверхности вилок соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующих звеньев 3, 4, а взаимодействующие плоские параллельные опорные поверхности вилок соприкасаются с боковыми поверхностями пазов опорно-центрирующих звеньев 3, 4. Поскольку обе вилки ведущего и ведомого валов (1, 2) и траверсы (5) жестко не закреплены в пазах опорно-центрирующих звеньев 3, 4, происходит непрерывное смещение опорных поверхностей вилок относительно боковых поверхностей пазов опорно-центрирующих звеньев 3, 4. При этом ведущая и ведомая вилки и, соответственно, валы (1, 2) при работе механизма совершают простые вращательные движения с постоянной угловой скоростью, а опорно-центрирующие звенья 3, 4, а также траверса (5) - сложные вращательное или вращательно-колебательное движения вокруг оси, непрерывно меняющей свое положение в пространстве. Свободное перемещение опорно-центрирующих звеньев 3, 4 относительно вилок ведущего 1 и ведомого 2 валов и траверсы 5 позволяет также дополнительно компенсировать погрешности сборки механизма и небольшие осевые смещения вилок, возникшие в ходе, например, эксплуатации автомобиля с шарниром карданным двойным. Вращение может передаваться под произвольным углом между осями ведущего 1 и ведомого 2 валов механизма в пределах заданного диапазона (до 30°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором внешних оснований вилок валов 1, 2 и плоской параллельной опорной поверхности вилок траверсы 5 и задается размерами звеньев механизма (длиной прямолинейного участка и толщиной зуба h вилки). Механизм допускает не только изменение угла между осями ведущего и ведомого валов (1, 2), но и смещение их по высоте, как видно из фиг.1.

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

Выполнение звеньев в предложенном виде и тип соединения позволяют обеспечить минимально возможный максимальный диаметр вращения шарнира (при нулевом угле), минимизировать затраты материала при сохранении максимального крутящего момента, снизить вес механизма.

Большая площадь взаимодействующих опорных поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующих звеньев 3, 4, их распределенность, позволяют передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьший максимальный диаметр вращения), а простота конструкции (фиг.1, 2) и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, работа ответственных элементов устройства на «сжатие» (3, 4), позволяют достичь высокой надежности.

По сравнению с прототипом площадь взаимодействующих поверхностей может быть увеличена (при сохранении максимального угла шарнира). В результате, снижается удельная нагрузка и, соответственно, увеличивается крутящий момент, соответствующий пределу прочности шарнира. Надежность устройства возрастает, а область применения расширяется.

Надежность механизма возрастает и за счет снижения вероятности «задиров» взаимодействующих поверхностей в условиях эффективного охлаждения и оптимизации подвода смазочного материала в результате распределенности (развитости) поверхностей трения.

Дополнительно, за счет большей площади и развитости взаимодействующих поверхностей снижается износ звеньев карданного механизма при длительной эксплуатации, что также повышает надежность его работы и расширяет область применения. Заявляемый механизм, в частности, может быть применен в ведущих мостах автомобилей семейства УАЗ.

Область применения нового шарнирного механизма расширяется за счет обеспечения возможности использования его в качестве универсального шарнира, например, в приводах автомобилей и других машин, так как в нем при работе допустимо продольное перемещения звеньев. От продольного перемещения шарнирный механизм ограничивается путем взаимодействия торцов ведущего и ведомого валов (1, 2) с внешней ограничивающей деталью заданной конструкции.

При использовании заявляемой конструкции карданного механизма может быть увеличен максимальный угол в шарнире, при котором обеспечивается заданная неравномерность вращения валов, и уменьшен максимальный диаметр вращения (при нулевом угле передачи вращения.

В результате выполнения шарнира карданного сдвоенным компенсируется неравномерность вращения каждого из шарниров, входящих в кинематическую цепь. За счет изменения длины траверсы 5 возможно простое изменение расстояния L между наружными торцами в шарнире. Это является целесообразным при серийном массовом производстве. В результате обеспечения высокой технологичности, высокой равномерности вращения и степе ни унификации деталей область применения механизма расширяется.

Одновременно снижаются материальные затраты при изготовлении нового механизма за счет оптимизации конструкции звеньев.

Расширение области применения достигается также за счет возможности существенного снижения веса механизма, что обусловлено снижением требований к прочности звеньев двойного соединения.

Шарнир карданный двойной, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные опорные 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, два опорно-центрирующих звена шарообразной формы с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилок h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии, линия пересечения которых проходит через геометрический 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 геометрический центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости симметрии, траверсу с двумя вилками, размещенными симметрично на ее противоположных концах, выполненными аналогично вилкам валов, вилки валов, а также траверсы входят в пазы опорно-центрирующих звеньев с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.