шарнир равных угловых скоростей

Формула изобретения

Шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, , оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80 0,98 r, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к механизмам типа карданного шарнира, и предназначено для использования в приводах автомобилей и других машин 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 шарнира должны совпадать, а вращение передаваться равномерно. Изобретение повышает надежность работы гомокинетического шарнирного механизма.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром 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 116. Шарнир карданный равных угловых скоростей Шагаев A.M., Силкин Е.М. БИМП - 2005. - № 34).

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу радиуса R, центр которой совпадает с центром 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. 49934 РФ, МКИ F16C 116. Шарнир карданный равных угловых скоростей Шагаев A.M., Силкин Е.М. Б.И.М.П. - 2006. - № 6).

Недостатком карданного шарнира равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является карданный шарнир равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена и поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2 r (R²-0,3h²)^1/2 оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30 (П. 49935 РФ, МКИ F16C 116. Шарнир карданный равных угловых скоростей Шагаев А.М, Силкин Е.М. БИМП - 2005. - № 34).

Указанный карданный шарнир равных угловых скоростей рассматривается в качестве прототипа изобретения.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом или возможным разрушением частей механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, в условиях работы с переменными углами передачи вращения. Кромки поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы (менее 45°), воздействие которых может приводить к задирам на взаимодействующих поверхностях. В условиях применения дополнительных технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей (закалка, цементация, цианирование, азотирование) острые углы и кромки частей механизма становятся наиболее хрупкими. В результате, при эксплуатации шарнира (при циклических нагрузках) возможно разрушение кромок. В частности, это относится к острым углам опорно-центрирующего звена в местах пересечений пазов, работающим на излом.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в шарнире равных угловых скоростей, содержащем ведущий и ведомый валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2 r (R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80 0.98 r, 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 изобретение, является повышение надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей за счет снижения скорости износа деталей механизма при работе и вероятности разрушения, обусловленных отсутствием острых углов и кромок взаимодействующих поверхностей и их взаимным расположением. Повышается статическая и динамическая прочность звеньев механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена.

Повышение надежности работы карданного шарнира равных угловых скоростей является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, в том числе, опорно-центрирующего звена, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей являются существенными.

На фиг.1 приведен эскизный чертеж опорно-центрирующего звена заявляемого карданного шарнира равных угловых скоростей, поясняющий сущность изобретения. На фиг.2 представлен заявляемый шарнир равных угловых скоростей в сборе (угол передачи вращения отличен от нуля).

Шарнир равных угловых скоростей содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы с вилками на концах, имеющими одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные 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, опорно-центрирующее звено 3 с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки 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, а поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхности сферы радиуса R, центр которой совпадает с центром опорно-центрирующего звена, поверхностей двух цилиндров радиуса r, (R²-0,9h²)^1/2 r (R²-0,3h²)^1/2, оси цилиндров радиуса r совпадают с осями цилиндров радиуса q, и двух секущих плоскостей, параллельных плоскости, образованной осями цилиндров радиусов r и q, и расположенных симметрично от нее на расстоянии 0,80 0,98 r, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.

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 валов в опорно-центрирующем звене 3 (фиг.2). Устройство представляет собой кинематическую цепь, состоящую из двух кинематических (вращательных) пар. Опорно-центрирующее звено 3 образует две кинематические пары с ведущим 1 и ведомым 2 валами, соответственно. Вилки валов (1, 2) входят в пазы опорно-центрирующего звена 3 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 вилок валов 1, 2 собранного механизма при работе ориентированы в пространстве взаимно перпендикулярно за счет размещения в пазах опорно-центрирующего звена 3. При работе взаимодействующие внутренние поверхности пазов вилок (в частности, прямолинейный участок) соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующего звена 3, а взаимодействующие плоские параллельные боковые поверхности вилок валов 1, 2 соприкасаются с боковыми поверхностями пазов опорно-центрирующего звена 3. Поскольку обе вилки ведущего 1 и ведомого 2 валов жестко не закреплены в пазах опорно-центрирующего звена 3, происходит непрерывное смещение опорных боковых поверхностей вилок относительно боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена 3. 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 3 - сложное вращательное или вращательно-колебательное движение вокруг оси, непрерывно меняющей свое положение в пространстве. Свободное перемещение опорно-центрирующего звена 3 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 3 валов механизма в пределах заданного диапазона (до более 30°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором внешнего основания (упорной поверхности) вилки вала (1, 2) и плоской параллельной боковой поверхности вилки другого вала (2, 1) и задается размерами звеньев механизма (длиной прямолинейного участка и толщиной вилки h). 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.

Большая площадь взаимодействующих опорных поверхностей вилок и боковых поверхностей пазов опорно-центрирующего звена 3 позволяет передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьший максимальный диаметр вращения), а простота конструкции и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, работа элементов устройства на «сжатие», позволяют достичь высокой надежности.

По сравнению с прототипом существенно снижается износ деталей механизма при его работе за счет исключения возможных задиров на взаимодействующих поверхностях звеньев при отсутствии острых углов (менее 45°) и кромок. Опорно-центрирующее звено имеет оптимальную форму поверхности (фиг.1). Исключается выход из строя опорно-центрирующего звена в результате незначительных механических воздействий во время работы, сборки или ремонта механизма. Исключается заклинивание шарнирного механизма при работе (в том числе, при изменении угла передачи вращения) в результате износа или механических воздействий на кромки взаимодействующих поверхностей опорно-центрирующего звена и вилок валов. Конструкция допускает выполнение необходимых технологических операций по повышению твердости взаимодействующих поверхностей без последующего снижения надежности работы и разрушения звеньев механизма.