СОЕДИНЕНИЕ ТИПА ВАЛ-СТУПИЦА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к соединениям типа вал-ступица для передачи вращательного движения между соосными деталями с применением зажимных конических втулок и колец, и может быть использована для закрепления шкивов, муфт, зубчатых колес и подобных деталей на конце вала.
Широко известны кинематические связи вала со ступицей трением с применением стандартных зажимных деталей с конусными посадками (САПР в машиностроении, соединения зажимными коническими разрезными втулками, http://sapr.km.ru/techinfo/Techinfo.htm), Такие соединения вал - ступица включают вал, на котором выполнен цилиндрический участок, ступицу, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, установленные в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями. Указанные втулки выполняют в виде внутренней втулки с конической внешней поверхностью и внешней втулкой с конической внутренней поверхностью. Встречное перемещении втулок вдоль оси вала, при условии взаимодействия сопряженных конических поверхностей втулок, вызывает радиальное деформирование втулок и заклинивание вала со ступицей. Для обеспечения радиального деформирования втулки выполняют разрезными вдоль образующей линии. Крутящий момент в таком соединении передается от вала к ступице за счет сил трения, которые возникают между сопряженными деталями соединения по цепи: «вал-внутренняя втулка-внешняя втулка-ступица». Встречное перемещение втулок, то есть сжатие втулок в кольцевом зазоре между валом и ступицей с заклиниванием вала со ступицей, обеспечивают винтовыми механизмами. Большинство известных соединений данного типа отличаются особенностями выполнения и расположения винтового механизма, который обеспечивает сжатие конических втулок в кольцевом зазоре между валом и ступицей. Следует отметить что особенности выполнения винтового механизма, сжимающего конические втулки, являются чрезвычайно существенными, так как именно от них зависит точность центрирования оси вала
с осью ступицы, то есть соосность вала и ступицы, которая определяет динамику соединения, его эксплуатационные характеристики и долговечность.
Простейшим выполнением винтового механизма сжатия конических втулок является фланец с кольцевым буртиком и винтом, проходящим через центральное отверстие фланца, установленным в резьбовом отверстии, выполненном в торце вала, обеспечивая таким образом соединения фланца с валом. Внешняя и внутренняя конические втулки расположены в кольцевом зазоре между валом и ступицей. Кольцевой буртик фланца заходит в кольцевой зазор между валом и ступицей с возможностью упора в одну из конических втулок. (САПР в машиностроении, зубчатые (шлицевые) и безшпоночные соединения, фиг.1, http://sapr.km.ru/techinfo/Techinfo.htm). При затягивании винта кольцевой буртик фланца сжимает конические втулки, вызывает их радиальную деформацию и заклинивание вала со ступицей.
Возможно выполнение, когда фланец соединен со ступицей с помощью винтов, проходящих через отверстия фланца, равномерно расположенные на периферии фланца, и установленных в соответствующие резьбовые отверстия, выполненные в ступице. При затягивании винтов осуществляется заклинивания вала со ступицей (там же, фиг.3).
Возможно выполнение винтового механизма сжатия конических втулок в виде двух фланцев, расположенных с двух сторон ступицы, заходящих своими буртиками с двух сторон в кольцевой зазор между валом и ступицей с упором в соответствующие конические втулки. Конические втулки стянуты шпильками, проходящими через сквозные отверстия, выполненные в ступице. При затягивании шпилек осуществляется заклинивание вала со ступицей (там же, фиг.4).
Возможно также выполнение, когда в кольцевом зазоре между валом и ступицей установлены последовательно две пары соединенных между собой конических втулок со встречно направленными коническими поверхностями. Сжатие конических втулок (в данном случае четырех втулок) выполняют с помощью винтов, установленных в резьбовых отверстиях внутренней втулки одной из пар и проходят через соответствующие сквозные отверстия, выполненные во внутренней втулке второй пары втулок. При затягивании винтов осуществляется заклинивание вала со ступицей (там же, фиг.7)
Крутящий момент в таких соединениях передается от вала к ступице за счет сил трения, возникающих между сопряженными деталями соединения по цепи: «вал-внутренняя коническая втулка-внешняя коническая втулка-ступица».
Общими признаками указанных конструкций и заявляемого решения являются: вал, на котором выполнен цилиндрический участок, ступица, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического
участка вала, внешняя и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, установленные в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями.
В таких соединениях сжатие конических втулок вдоль оси вала осуществляется сосредоточенными (локальными) силами, которые действуют на конические втулки со стороны винтового механизма сжатия конических втулок. В указанных примерах это усилия центрального винта, который соединяет фланец с валом, усилия винтов, которые расположенные по периферийной окружности фланца и соединяют фланец со ступицей, усилия винтов, которые соединяют внутренние конические втулки, в последнем примере соединения. В таких конструкциях невозможно обеспечить соосность вала и ступицы из-за перекосов элементов соединения, являющихся результатом неравномерности сосредоточенных усилий, которые прикладываются к ним со стороны винтового механизма сжатия конических втулок. Обеспечить равномерность сосредоточенных усилий, то есть равномерность затяжки отдельных не связанных между собой винтов для исключения перекосов практически невозможно.
В качестве прототипа выбрано соединение ступицы с валом по патенту Германии №DE3443757, МПК: F 16 D 1/091, F 16 D 1/093, F 16 D 1/06, дата публикации 05.06.1986, в котором имеют место элементы соединения трением с применением стандартных зажимных деталей с конусными посадками. Соединение включает соосно расположенные вал и ступицу, в зазоре между которыми установлены с возможностью встречного перемещения вдоль оси вала внешняя и внутренняя втулки. Внешняя втулка выполнена с конической внутренней поверхностью, внутренняя втулка - с конической внешней поверхностью. Втулки установлены так, что их конические поверхности встречно соединяются. Внутренняя втулка соединена с валом шлицевым (шпоночным) соединением. Внешняя втулка свободно установлена в отверстии ступицы. Соединение также включает стяжные винты, установленные вдоль оси вала в отверстиях внешней втулки и соединенные резьбовым соединением с внутренней втулкой.
При закручивании стяжных винтов внешняя и внутренняя втулки встречно перемещаются, взаимодействуя между собой коническими поверхностями. В результате указанного взаимодействия происходит радиальное деформирование втулок и заклинивание вала со ступицей. Крутящий момент в таком соединении передается от вала к ступице по цепи: «вал-внутренняя втулка-внешняя втулка-ступица». При этом передача крутящего момента от вала к внутренней втулке осуществляется преимущественно через шлицевое (шпоночное) соединение от внутренней втулки к внешней - за счет сил трения и стяжных
винтов, которыми соединены внутренняя и наружная втулки, от наружной втулки к ступице - только за счет сил трения между наружной втулкой и ступицей.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: вал, на котором выполнен цилиндрический участок, ступица, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, внешняя и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, которые установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями.
Указанное соединение, как и выше приведенные примеры, не решает проблему соосности вала и ступицы, так как практически невозможно исключить перекосы элементов соединения, которые являются результатом неравномерности сосредоточенных усилий, прикладываемых к ним со стороны винтового механизма сжатия конических втулок. Это ухудшает динамику соединения, его эксплуатационные характеристики, снижает долговечность соединения.
В основу полезной модели поставленная задача усовершенствования соединения типа вал-ступица, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается соосность вала и ступицы.
Поставленная задача решается тем, что в соединении типа вал-ступица, включающем вал, на котором выполнен цилиндрический участок, ступицу, которая смонтированный на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, внешнюю и внутреннюю втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, которые установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями, соответственно полезной модели, внешняя втулка выполнена с резьбой на внешней поверхности, а на ступице выполнен резьбовой участок, который соответствует резьбе внешней втулки, с образованием винтового соединения внешней втулки со ступицей.
Перечисленные признаки являются существенными признаками полезной модели.
Целесообразно в торце вала выполнить соосное с валом резьбовое отверстие, в котором установить винт с возможностью упора головки винта во внешнюю втулку со стороны его свободного торца. Такое выполнение позволяет зафиксировать положение внешней втулки в ступице обычным затягиванием винта.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Так, соединение типа вал-ступица, в котором вал выполнен с цилиндрическим участком, ступица выполнена с внутренним резьбовым участком и смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, внешняя и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями, при этом внешняя втулка выполнена с резьбой на внешней поверхности, а на ступице выполнен резьбовой участок, соответствующий резьбовому участку ступицы с образованием винтового соединения внешней втулки со ступицей обеспечивает соосность вала и ступицы.
Это поясняется тем, что отличительные признаки полезной модели (выполнение внешней втулки с резьбой на внешней поверхности, ступицы - с резьбовым участком, соответствующим резьбе внешней втулки с образованием винтового соединения внешней втулки со ступицей) вместе с существенными признаками полезной модели, общими с прототипом, обеспечивают возможность равномерного сжатия конических втулок с исключением перекосов элементов соединения. Внешняя коническая втулка перемещается по резьбовому участку ступицы вдоль оси ступицы, что исключает возможность ее перекосов (допусками в неточности винтового соединения пренебрегаем). Внутренняя коническая втулка, которая установлена на цилиндрическом участке вала, нагружается со стороны внешней конической втулки равномерным рассредоточенным усилием, исключающим возможность перекосов внутренней конической втулки. Все вместе обеспечивает соосность вала и ступицы после сборки соединения.
Ниже приводится подробное описание заявляемого соединения со ссылками на графические материалы, на которых показано:
Фиг.1 - Соединение типа вал-ступица, продольный разрез.
Фиг.2 - Соединение типа вал-ступица, разрез А-А на фиг.1.
Фиг.3 - Соединение типа вал-ступица, разрез Б-Б на фиг.1.
Фиг.4 - Соединение типа вал-ступица, разрез В-В на фиг.1.
Фиг.5 - Соединение типа вал-ступица, вид Г на фиг.1.
Фиг.6 - Соединение типа вал-ступица, внешняя втулка, продольный разрез.
Фиг.7 - Соединение типа вал-ступица, разрез Д-Д на фиг.6.
Фиг.8 - Соединение типа вал-ступица, разрез Е-Е на фиг.6.
Фиг.9 - Соединение типа вал-ступица, вид Ж на фиг.6.
Фиг.10 - Соединение типа вал-ступица, внутренняя втулка, продольный разрез.
Фиг.11 - Соединение типа вал-ступица, вид И на фиг.10.
Фиг.12 - Соединение типа вал-ступица, вал и ступица в сборе.
Фиг.13 - Соединение типа вал-ступица, схема технологического членения элементов фиксации вала относительно ступицы.
Соединение типа вал-ступица включает вал 1, ступицу 2, внешнюю втулку 3, внутреннюю втулку 4, винт 5, опорную шайбу 6, упругую шайбу 7.
Вал 1 выполнен с цилиндрическим участком 8 со стороны торца вала 1. Цилиндрическому участку 8 вала 1 соответствует цилиндрический участок 9 на ступице 2. Диаметры цилиндрических участков 8, 9 такие, что в собранном виде между валом 1 и ступицей 2 образовывается кольцевой зазор 10. В торце вала 1 выполнено соосно с валом 1 резьбовое отверстие 11.
Внешняя втулка 3 выполнена с резьбовым участком 12, который соединен с резьбовым участком 13 на ступице 2. На одном конце внешней втулки 3 выполнен разрезной участок 14 с конической внутренней поверхностью. Разрезы 15 выполнены вдоль образующей линии разрезного участка 14. На втором конце внешней втулки 3 выполнены пазы 16 под торцовый ключ (не показан). На внутренней поверхности втулки 3 выполнен резьбовой участок 17 для установки монтажно-демонтажного приспособления.
Внутренняя втулка 4 выполнена в виде кольца с конической внешней поверхностью и продольным разрезом 18. Конусность внешней поверхности втулки 4 соответствует конусности внутренней поверхности разрезного участка 14 втулки 3.
Винт 5, опорная шайба 6 и упругая шайба 7 являются стандартными деталями.
В собранном виде ступица 2 размещена на валу 1. Между цилиндрическим участком 8 вала 1 и цилиндрическим участком 9 ступицы 2 имеется кольцевой зазор 10. Внутренняя втулка 4 свободно установлена на цилиндрическом участке 9 вала 1 в кольцевом зазоре 10. Внешняя втулка 3 установлена в ступице 2. Резьбовой участок 12 внешней втулки 3 совпадает с резьбовым участком 13 ступицы 2, образовывая винтовое соединение внешней втулки 3 со ступицей 2. Разрезной участок 14 внешней втулки 3 расположен в кольцевом зазоре 10 и охватывает внутреннюю втулку 4 таким образом, что внешняя коническая поверхность внутренней втулки 4 соединяется с внутренней конической поверхностью разрезного участка 14 внешней втулки 3. Винт 5 установлен в резьбовом отверстии 11 вала 1. Головка винта 5 упирается во внешнюю втулку 3 через опорную шайбу 6 и упругую шайбу 7.
В процессе сборки соединения проворачивают внешнюю втулку 3 приспособлением с торцовым ключом (не показан), который взаимодействует с пазами 16 на втулке 3. При этом втулка 3 за счет винтового соединения со ступицей 2 перемещается в сторону кольцевого зазора 10. Внутренняя втулка 4 остается неподвижной на валу 1. Взаимодействие встречно направленных внутренней конической поверхности разрезного участка 14
внешней втулки 3 и внешней конической поверхности внутренней втулки 4 вызывает радиальную деформацию внутренней втулки 4 и разрезного участка 14 внешней втулки 3 и заклинивание вала 1 со ступицей 2 на участке кольцевого зазора 10 между валом 1 и ступицей 2. При этом происходит жесткая фиксация вала 1 относительно ступицы 2, автоматическое центрирование вала 1 и ступицы 2, а также устраняются радиальные люфты между валом 1 и ступицей 2. После зажатия соединения указанным вращением внешней втулки 3 винт 5 устанавливают в резьбовом отверстии 11 вала 1 и закручивают. Головка винта через опорную шайбу 6 и упругую шайбу 7 упирается во внешнюю втулку 3 со стороны ее свободного торца, фиксируя положение внешней втулки 3.
При демонтаже соединения выкручивают винт 5, внешнюю втулку 3 вращают в обратном направлении, при котором она перемещается из зазора 10. Происходит расклинивание вала 1 со ступицей 2. После этого на резьбовой участок 17 внешней втулки 3 устанавливают демонтажное приспособление (не показано), вращая которое выталкивают вал 1 из отверстия ступицы 2, то есть демонтируют ступицу 2 из вала 1.
При работе соединения крутящий момент передается от вала 1 к ступице 2 через внутреннюю коническую втулку 4 и внешнюю коническую втулку 3. Работа соединения при передаче расчетного (номинального) крутящего момента осуществляется за счет начального гарантированного натяжения в элементах соединения, создаваемого затягиванием внешней втулки 3 в ее винтовом соединении со ступицей 2.