универсальный шарнир

Формула изобретения

1. Универсальный шарнир, содержащий ведущий и ведомый валы, соединенные между собой посредством цапф, выполненных на одном из валов, конец которого входит в полость, выполненную на конце второго вала, при этом цапфы размещены с возможностью перемещения в продольных пазах, выполненных на внутренней поверхности полости второго вала, отличающийся тем, что внутренняя полость на конце второго вала выполнена сферической, центр которой совпадает с центром шарнира, а дно каждого продольного паза выполнено в виде части цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с поперечной осью шарнира, каждая цапфа снабжена стаканом, входящим в продольный паз.

2. Универсальный шарнир по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки и днище стакана контактирует соответственно с боковыми стенками и днищем продольных пазов посредством тел качения.

3. Универсальный шарнир по п.2, отличающийся тем, что тела качения выполнены в виде роликов.

4. Универсальный по п.3, отличающийся тем, что ролики частично размещены в пазах, выполненных на боковых стенках и на днище стакана, при этом конические концы роликов расположены во внутренних канавках, выполненных на боковых стенках пазов, а открытые торцы пазов закрыты перегородками, причем дно паза на днище стакана выполнено в виде цилиндрической поверхности, концентричной поверхности дна продольного паза корпуса.

5. Универсальный шарнир по п.1, отличающийся тем, что каждый стакан установлен на цапфе посредством подшипника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, предназначено для передачи крутящего момента между валами, расположенными под углом друг к другу, и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, например в автомобилестроении.

Известен универсальный шарнир, содержащий полумуфту, выполненную в виде вилки с двумя противоположными пазами, а также вторую полумуфту с отверстием, перпендикулярным ее оси вращения, в котором установлена ось, имеющая на концах кулачки, входящие в пазы первой полумуфты и выполненные в виде усеченных конусов, обращенных большими основаниями к оси, при этом взаимодействующие с конусами поверхности пазов вилки, перпендикулярной оси вращения, выполнены выпуклыми (см. авт. свид. СССР N 941732, кл. F 16 D 3/16, публ. 07.07.82 г.).

К недостаткам указанного шарнира относится открытая конструкция шарнира, что приводит к невозможности удержания смазки и использования шарнира без дополнительной защиты в условиях повышенной загрязненности.

Известен также универсальный шарнир, содержащий внутри защитного кожуха цилиндрическую головку с двумя взаимно перпендикулярными прямоугольными пазами, ось одного из которых расположена на оси шарнира, и цилиндрическую головку с взаимно перпендикулярными лопастями, размещенными в соответствующих пазах, а также вкладыши, расположенные попарно между каждым пазом и лопастью, при этом вкладыши, сопряженные с пазами головки, выполнены с плоскими поверхностями, а сопряженные между собой поверхностями пары вкладышей выполнены цилиндрическими, при этом шарнир снабжен центрирующим узлом, выполненным в виде двух упоров и крестообразной крышки, один из упоров и крышка смонтированы в осевом отверстии головки с лопастями, а другой упор смонтирован в головке с пазами (см. авт. свид. СССР N 1801186, кл. F 16 D 3/16, публ. 07.03.93 г.).

Недостатком шарнира является его сложность вследствие наличия отдельной конструкции центрирующего узла и большого количества взаимосопрягаемых нестандартных деталей.

Ближайшим аналогом заявляемому изобретению является универсальный шарнир (кардан), содержащий ведущий и ведомый валы, соединенные между собой посредством цапф в количестве не менее четырех, выполненных на одном из валов, входящих в продольные пазы другого вала, при этом пазы выполнены по ширине больше, чем цапфы на величину, обеспечивающую угловой зазор между их боковыми поверхностями не менее максимального значения угла асинхронизации кардана (см. авт. свид. СССР N 732596, кл. F 16 D 3/16, публ. 05.05.80 г.).

К недостаткам описанного шарнира относится уменьшение его прочности при больших углах смещения осей за счет значительного уменьшения контактной боковой площади пар "цапфа-паз", т.к. продольные пазы выполнены прямолинейными.

Наличие специально выполненных зазоров в парах "цапфа-паз" приводит к тому, что четыре раза за каждый оборот вала, когда расположение цапф и пазов не является вертикальным и горизонтальным, крутящее усилие воспринимается только двумя цапфами, что также снижает прочность шарнира. Кроме того, конструкция подвержена повышенному износу за счет трения скольжения в парах "цапфа-паз".

Заявляемое изобретение решает задачу повышения надежности работы и долговечности шарнира и уменьшения потери мощности за счет обеспечения повышения прочности конструкции и снижения усилия трения.

Поставленная задача решена за счет того, что в конструкцию известного шарнира, который содержит ведущий и ведомый валы, соединенные между собой посредством цапф, выполненных на одном из валов, входящих в продольные пазы второго вала, выполненные во внутренней полости второго вала, внесены следующие изменения:

- внутренняя полость второго вала выполнена сферической, центр сферы которой совпадает с центром шарнира;

- дно каждого продольного паза выполнено в виде части цилиндрической поверхности, ось которой совмещена с поперечной осью шарнира;

- каждая цапфа снабжена стаканом, входящим в продольный паз.

Заявляемый шарнир отличается также тем, что боковые стенки и днище каждого стакана контактируют соответственно с боковыми стенками и дном продольного паза посредством тел качения, которые выполнены в виде роликов.

Ролики расположены (частично утоплены) в пазах, выполненных на боковых стенках и днище стакана, при этом конические концы роликов размещены во внутренних канавках на боковых стенках пазов, открытые торцы которых закрыты перегородками. При этом дно паза на днище стакана выполнено в виде цилиндрической поверхности, концентричной поверхности дна продольного паза корпуса. Каждый стакан установлен на цапфе посредством подшипника.

Выполнение внутренней поверхности полости вала сферической, а дна продольных пазов цилиндрическими, обеспечивает постоянную заданную площадь контакта боковых поверхностей пазов и роликов стакана, отсутствие зазоров исключает ударные нагрузки и неравномерность передаваемого усилия каждой цапфой, что повышает прочностные свойства конструкции, а введение роликов заменяет трение скольжения на трение качения, что значительно снижает величину трения.

На чертежах представлено: на фиг. 1 - универсальный шарнир (общий вид); на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3,4 - вид I и разрез Б-Б фиг. 2; на фиг. 5 - разрез В-В фиг. 3.

Универсальный шарнир содержит полый корпус 1, который выполнен разъемным и состоит из двух частей - втулки 2 и чашеобразного основания 3, фланцы которых соединены между собой крепежными элементами 4. Чашеобразное основание 3 соединено или выполнено за одно целое с валом 5, например ведомым. Внутренняя полость 6 корпуса выполнена сферической, центр которой является центром шарнира. Плоскость разъема корпуса 1 перпендикулярна оси вала 5 и совпадает с плоскостью, где диаметр сферы наибольший.

На внутренней поверхности сферы равномерно выполнены продольные пазы 7, имеющие прямоугольное поперечное сечение и расположенные перпендикулярно и симметрично плоскости разъема, т.е. они параллельны оси вала 5. Продольные пазы 7 размещены равномерно по окружности в плоскости разъема. Дно 8 каждого продольного паза выполнено в виде части цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с поперечной осью шарнира, т.е. расположена в плоскости разъема и перпендикулярна осям валов.

Конец 9 второго вала 10 шарнира, например ведущего, входит во внутреннюю полость 6 корпуса и снабжен цапфами 11 и 12, входящими внутрь продольных пазов 7. Число цапф и пазов выбирают обычно не менее четырех.

На конце каждой цапфы 11 и 12 установлен подшипник 13, например игольчатый, на котором, в свою очередь, размещен стакан 14.

Для снижения трения при передаче крутящего момента от ведущего вала к ведомому, например от вала 10 к валу 5, на стаканах 14 размещены ролики 15, расположенные параллельно боковым стенкам 16 и 17 и дну 8 продольных пазов 7. При этом обеспечена скользящая или ходовая посадка контактирующих поверхностей паза и роликов.

Для установки роликов на стаканах на боковых стенках 18 и 19 стакана, обращенных к боковым стенкам 16 и 17 продольных пазов, и на днище 20 стакана выполнены продольные пазы 21 и 22 для размещения роликов 15.

Для удержания роликов в пазах в стенках последних выполнены внутренние прямоугольные канавки 23, в которых расположены конические концы 24 роликов, а на концах пазов 21 и 22 выполняют прорези 25, в которых устанавливают перегородки 26 и закрепляют их любым известным способом, например запрессовывают.

На втулке 3 и валу 10 выполнены канавки 27 и 28 для закрепления защитной манжеты (не показано), предназначенной для защиты шарнира от загрязнения и удержания смазки.

Сборку шарнира производят в следующем порядке.

На валу 10 закрепляют цапфы 11 и 12, на концы которых устанавливают подшипники качения 13, например игольчатые, и стаканы 14 в сборе с роликами 15 и перегородками 26. На вал 10 в сборе устанавливают втулку 3, размещая цапфы со стаканами в продольных пазах 7, затем устанавливают чашеобразное основание 4 (с валом 5), совмещая его продольные пазы с пазами втулки 3, и соединяют втулку и чашеобразное основание крепежными элементами 4.

При необходимости заполняют шарнир смазкой и устанавливают защитную манжету.

Универсальный шарнир работает следующим образом.

При вращении одного из валов, например вала 10, вращение через ролики 15, закрепленные на стаканах, и боковые стенки продольных пазов корпуса 1 передается на вал 5.

При угловом повороте одного из валов шарнира, например вала 10, на угол , при каждом обороте вала цапфы со стаканами будут перемещаться на угол вдоль продольных пазов 7 полого корпуса, при этом цапфы и стаканы одновременно поворачиваются друг относительно друга на незначительную величину.

При вращении валов площадь взаимодействия боковых поверхностей паза и роликов стакана остается постоянной, равной расчетной величине, что обеспечивает заданную прочность конструкции.

Отсутствие зазоров между роликами и боковыми стенками и дном паза обеспечивает передачу крутящего момента всегда через четыре контактные пары и исключает ударные нагрузки, что также повышает прочность шарнира, а введение роликов обеспечивает замену трения скольжения на трение качения, что значительно снижает потери мощности на трение и величину износа.

Таким образом, заявляемое техническое решение повышает надежность и долговечность конструкции шарнира.