Шарнир равных угловых скоростей

Полезная модель относится к механизмам типа карданного шарнира и может использоваться в приводах автомобилей и других машин для равномерной передачи вращения между валами. Полезная модель расширяет область применения механизма. Шарнир равных угловых скоростей содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала с плоскими параллельными боковыми поверхностями 3, задающими толщину h вилки, внешними поверхностями 4 в форме участков дуги окружности радиуса R, упорными поверхностями 5 и пазом с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с участком 6 в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, прямолинейным участком 7 длиной 0,50,9 q, центры окружностей лежат на оси вала, центр окружности радиуса q смещен в направлении упорных поверхностей вилки на расстояние 0,30,6 q относительно центра окружности радиуса R, упорные поверхности вилок образуют с внутренними поверхностями прямолинейного участка паза вилок угол 130138, со шлицами 8 прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками 9 для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт 10 у основания вилки сплошной кольцевой формы, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала и имеет краевую канавку 11, опорно-центрирующее звено 12 с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна h, боковые поверхности 13 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, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой, в частности, сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхности пазов опорно-центрирующего звена, а также внешние, упорные и внутренние поверхности пазов вилок выполнены с галтелями 14, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон. 5 илл.

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к механизмам типа карданного шарнира и предназначена для использования в приводах автомобилей и других машин при передаче 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. Полезная модель расширяет область применения гомокинетического шарнирного механизма.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные боковые поверхности, задающие толщину вилки, упорные поверхности, перпендикулярные оси вала, и паз с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с прямолинейным участком длиной, равной половине ширины паза вилки, и участком в форме дуги окружности с радиусом, равным длине прямолинейного участка, со шлицами прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт у основания вилки, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала, опорно-центрирующий шарик с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего шарика равна толщине вилки, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего шарика симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего шарика, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего шарика 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. \\ Б.И.М.П. - 2005. - 34).

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире и максимального диаметра вращения шарнира (при нулевом значении угла), а также низкой надежности работы, что обусловлено недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные боковые поверхности, задающие толщину вилки, упорные поверхности, перпендикулярные оси вала, и паз с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с прямолинейным участком длиной, равной половине ширины паза вилки, и участком в форме дуги окружности с радиусом, равным длине прямолинейного участка, со шлицами прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт у основания вилки, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через геометрический центр 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. \\ Б.И.М.П. - 2006. - 6),

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире и максимального диаметра вращения шарнира (при нулевом значении угла), а также низкой надежности работы, что обусловлено недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов.

Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные боковые поверхности, задающие толщину вилки, упорные поверхности, перпендикулярные оси вала, и паз с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с прямолинейным участком длиной, равной половине ширины паза вилки, и участком в форме дуги окружности с радиусом, равным длине прямолинейного участка, со шлицами прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт у основания вилки сплошной кольцевой формы, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала, опорно-центрирующий шарик с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего шарика равна толщине вилки, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего шарика симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего шарика, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего шарика 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. - 2005. - 34).

Указанный карданный шарнир равных угловых скоростей рассматривается в качестве прототипа полезной модели.

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире и максимального диаметра вращения шарнира (при нулевом значении угла), а также низкой надежности работы, что обусловлено недостаточной площадью взаимодействующих поверхностей при работе механизма с большими углами между осями валов.

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

Указанная цель достигается тем, что в шарнире равных угловых скоростей, содержащем ведущий и ведомый валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину h вилки, внешними поверхностями в форме участков дуги окружности радиуса R, упорными поверхностями и пазом с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, прямолинейным участком длиной 0,50,9 q, центры окружностей лежат на оси вала, центр окружности радиуса q смещен в направлении упорных поверхностей вилки на расстояние 0,30,6 q относительно центра окружности радиуса R, упорные поверхности вилок образуют с внутренними поверхностями прямолинейного участка паза вилок угол 130138°, со шлицами прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт у основания вилки сплошной кольцевой формы, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала и имеет краевую канавку, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна 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, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, или пересечение поверхности сферы радиуса R и поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2r(R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, или пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r и цилиндра радиуса S, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена, r>q, r<S<2^1/2 r, опорно-центрирующее звено по всем внешним и внутренним углам, внешние, упорные и внутренние поверхности пазов вилок выполнены с галтелями, 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 полезную модель, является расширение области применения карданного шарнира равных угловых скоростей за счет большего допустимого максимального угла в шарнире при сохранении крутящего момента, соответствующего пределу прочности шарнира, обеспечения возможности уменьшения максимального диаметра вращения шарнира, повышения надежности из-за снижения удельной нагрузки на взаимодействующие поверхности звеньев механизма. Повышается статическая и динамическая прочность звеньев механизма. Это достигается возможным увеличением площади взаимодействующих поверхностей звеньев механизма для заданного максимального угла в шарнире.

Расширение области применения карданного шарнира равных угловых скоростей является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, в том числе, вилок, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть, отличительными признаками полезной модели. Новый шарнир равных угловых скоростей может быть применен, в том числе, в приводах колес жестких ведущих мостов полноприводных автомобилей. Таким образом, отличительные признаки заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей являются существенными.

На фиг.1 приведен эскизный чертеж вала заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей с вилкой на соединяемом конце, поясняющий сущность полезной модели, на фиг.2, 3 изображены эскизы вариантов опорно-центрирующего звена со сложной ограничивающей поверхностью, на фиг.4 представлен шарнир равных угловых скоростей в сборе, на фиг.5 показан эскиз выполнения галтелей на взаимодействующих поверхностях шарнира.

Шарнир равных угловых скоростей, содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала с плоскими параллельными боковыми поверхностями 3, задающими толщину h вилки, внешними поверхностями 4 в форме участков дуги окружности радиуса R, упорными поверхностями 5 и пазом с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с участком 6 в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, прямолинейным участком 7 длиной 0,50,9 q, центры окружностей лежат на оси вала, центр окружности радиуса q смещен в направлении упорных поверхностей вилки на расстояние 0,30,6 q относительно центра окружности радиуса R, упорные поверхности вилок образуют с внутренними поверхностями прямолинейного участка паза вилок угол 130138°, со шлицами 8 прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками 9 для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт 10 у основания вилки сплошной кольцевой формы, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала и имеет краевую канавку 11, опорно-центрирующее звено 12 с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна h, боковые поверхности 13 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, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, или пересечение поверхности сферы радиуса R и поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2r(R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса г совпадают с осями цилиндров радиуса q, или пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r и цилиндра радиуса S, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена, r>q, r<S<2^1/2 r, поверхности пазов опорно-центрирующего звена, а также внешние, упорные и внутренние поверхности пазов вилок выполнены с галтелями 14, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 50°.

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 (фиг.1) валов (1, 2) в опорно-центрирующем звене 12. Устройство представляет собой кинематическую цепь, состоящую из двух кинематических (вращательных) пар. Опорно-центрирующее звено 12 образует две кинематические пары с ведущим 1 и ведомым 2 валами, соответственно. Вилки валов 1, 2 входят в пазы опорно-центрирующего звена 12 (фиг.4) 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 3 вилок валов 1, 2 собранного механизма при работе ориентированы в пространстве взаимно перпендикулярно (фиг.4) за счет размещения в пазах опорно-центрирующего звена 12. При работе взаимодействующие внутренние поверхности пазов (6, 7) вилок (в частности, прямолинейный участок 7) соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующего звена 12, а взаимодействующие плоские параллельные боковые поверхности 3 вилок валов 1, 2 соприкасаются с боковыми поверхностями 13 пазов опорно-центрирующего звена. Поскольку обе вилки ведущего 1 и ведомого 2 валов жестко не закреплены в пазах опорно-центрирующего звена 12, происходит непрерывное смещение опорных боковых поверхностей 3 вилок относительно боковых поверхностей 13 пазов опорно-центрирующего звена. 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 12 - сложное вращательное или вращательно-колебательное движение вокруг оси, непрерывно меняющей свое положение в пространстве. Свободное перемещение опорно-центрирующего звена 12 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 2 валов механизма в пределах заданного диапазона (до более 42°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором внешнего основания (упорной поверхности 5) вилки вала (1, 2) и плоской параллельной боковой поверхности 3 вилки другого вала (2, 1) и задается размерами звеньев механизма (длиной прямолинейного участка 7 и толщиной h вилки). 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.

Внешние соединения механизма обеспечивается шлицами 8 на концах валов 1, 2, имеющими для удобства использования заходные фаски.

Для установки подшипников и манжет на ведущем 1 и ведомом 2 валах предусмотрены специальные шейки 9.

Для ограничения возможности продольного перемещения служат упорные бурты 10 у оснований вилок валов с краевыми канавками 11. При этом внешняя ограничивающая деталь взаимодействует с поверхностью упорного бурта 10 и предотвращает продольное перемещение звеньев механизма. Наличие краевой канавки 11 на поверхности бурта 10 позволяет использовать внешние ограничивающие детали разной конструкции, что расширяет область применения механизма и надежной работы в различных условиях.

Выполнение внешней (ограничивающей) 4 поверхности вилки в форме участков дуги окружности радиуса R позволяет 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 3 вилок и боковых поверхностей 13 пазов опорно-центрирующего звена 12 позволяют передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьший максимальный диаметр вращения), а простота конструкции (фиг.1-3) и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, работа элементов устройства на «сжатие», позволяют достичь высокой надежности.

По сравнению с прототипом площадь взаимодействующих поверхностей может быть увеличена (при сохранении максимального угла шарнира) за счет выполнения упорной поверхности 5 вилок в заявленном виде. В результате, снижается удельная нагрузка и, соответственно, увеличивается крутящий момент, соответствующий пределу прочности шарнира. Надежность устройства возрастает.

Надежность механизма возрастает и за счет снижения вероятности «задиров» взаимодействующих поверхностей при выполнении их с галтелями 14 (фиг.5).

Дополнительно, за счет большей площади взаимодействующих поверхностей и выполнения звеньев механизма с галтелями 14, снижается износ звеньев карданного механизма при длительной эксплуатации, что также повышает надежность его работы.

Повышение надежности расширяет область применения механизма. Заявляемый механизм, в частности, может быть применен в ведущих мостах автомобилей семейства УАЗ.

По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения нового шарнирного механизма за счет обеспечения возможности использования его в качестве универсального шарнира, например, в приводах автомобилей и других машин, так как в механизме допустимо ограничение продольного перемещения звеньев. От продольного перемещения шарнирный механизм ограничивается путем взаимодействия поверхностей буртов с внешней ограничивающей деталью заданной конструкции.

Может быть увеличен максимальный угол в шарнире и уменьшен максимальный диаметр вращения гомокинетического шарнира заявляемой конструкции. 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.

Шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на соединяемых концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину h вилки, внешними поверхностями в форме участков дуги окружности радиуса R, упорными поверхностями и пазом с внутренними поверхностями, перпендикулярными боковым поверхностям, с участком в форме дуги окружности радиуса q, равного половине ширины паза вилки, прямолинейным участком длиной 0,50,9 q, центры окружностей лежат на оси вала, центр окружности радиуса q смещен в направлении упорных поверхностей вилки на расстояние 0,30,6 q относительно центра окружности радиуса R, упорные поверхности вилок образуют с внутренними поверхностями прямолинейного участка паза вилок угол 130138°, со шлицами прямоугольного профиля на наружной поверхности противоположного конца вала, имеющими заходные фаски, с шейками для установки подшипников и манжет, отверстиями и технологическими зацентровками на торцах, бурт у основания вилки сплошной кольцевой формы, поверхность которого со стороны шлиц выполнена перпендикулярной оси вала и имеет краевую канавку, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна 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, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, или пересечение поверхности сферы радиуса R и поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9/r²)^1/2r(R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, или пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r и цилиндра радиуса S, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена, r>q, r<S<2^1/2r, поверхности пазов опорно-центрирующего звена, а также внешние, упорные и внутренние поверхности пазов вилок выполнены с галтелями, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.