СФЕРИЧЕСКИЙ ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, в частности к системе приводов передних мостов, которая может одновременно использоваться в узлах механизмов легкого и тяжелого машиностроения.
Существуют различные конструкции шарниров равных угловых скоростей (сокращенно ШРУСов). Различают обычно: шариковые («Бендикс-Вейс», «Бирфильд», «Рцеппа»), триподные, сухариковые, спаренные карданные ШРУСы.
Широко известен из уровня техники шариковый шарнир равных угловых скоростей Рцеппа, позволяющий осуществлять передачу крутящего момента в системах приводов управляемых колес автомобиля, который выполнен в виде двух кулаков, изготовленных как одно целое с валами (ведущими и ведомыми). В каждом кулаке выполнены по 4-6 канавки, в которые закладываются шарики от 4 до 6 штук и отдельно центрирующий шарик, который может удерживаться штифтом. При вращении валов в любую сторону крутящий момент передается от одного кулака к другому через шарики, которые лежат одновременно в канавках обоих кулаков. При изменении угла между вращающимися валами шарики устанавливаются в биссектрисной плоскости и осуществляют передачу крутящего момента при углах поворота колес до 30-32°. Главным недостатком таких шарниров является необходимость точной фиксации валов в осевом направлении. Кроме этого, присутствие высоких давлений на контактных поверхностях снижает долговечность шарниров равных угловых скоростей вследствие износа и разрушения поверхностей кулаков и шариков. Недостатком является также внезапный характер поломки шарниров из-за отсутствия признаков начала разрушения (стуков и вибраций).
Из уровня техники известен шарнир равных угловых скоростей (патент РФ №42869, дата публикации 20.12.2004 г., МПК F16C 11/6), содержащий ведущую и ведомые вилки, центрирующий шар, контактирующий с опорными поверхностями вилок. Центрирующий шар содержит два круговых прямоугольных паза с боковыми поверхностями, симметричными относительно двух перпендикулярных диаметральных плоскостей, а вилки выполнены с возможностью взаимодействия их параллельных опорных поверхностей с упомянутыми боковыми поверхностями пазов. Данное решение позволяет упростить конструкцию шарнира равных угловых скоростей, однако обладает рядом недостатков. Во-первых, из-за ограничения угла опорной поверхности вилок (фиг.1 прототипа, поз.1), выполненного прямоугольной формы, угол поворота возможен только до 30°. Во-вторых, выполнение внешнего угла опорной поверхности вилок развернутым (фиг.1 прототипа, поз.2) способствует быстрому изнашиванию и разрушению шарнира. В третьих, выполнение прямоугольных пазов в центрирующем шаре (фиг.2 прототипа, фиг.3) также является причиной недолговечности шарнира из-за заедания металла и его быстрого износа. Данное решение принято за прототип.
Техническим результатом при использовании полезной модели является создание сферического шарнира равных угловых скоростей, лишенного указанных недостатков при увеличении угла поворота между осями соединяемых валов до 60°.
Технический результат достигается тем, что в сферическом шарнире равных угловых скоростей, содержащем ведущий и ведомый валы, кулаки, сопряженные с валами и выполненные в виде полукольцевых сегментов с центральной выборкой, и центрирующий шар с взаимно-перпендикулярными круговыми пазами, кулаки выполнены с прямым внешним углом и выборкой S-образной формы с радиусом кривизны R, а поверхность сердцевины шара-сферической.
Сущность полезной модели поясняется чертежами,
На фиг.1. изображен кулак, выполненный совместно с валами
На фиг.2 - вид сверху кулака с валом
На фиг.3 - шар центрирующий
Сферический шарнир равных угловых скоростей содержит ведущий 1 и ведомый 2 валы, выполненные совместно с фасонными кулаками 3. Соединительным звеном двух кулаков 3 является центрирующий шар 4.
Кулаки 3 выполнены в виде полукольцевых сегментов с центральной круговой выборкой 5 S-образной формы и радиусом кривизны R. Радиус кривизны R зависит от модификации автомобиля и может быть от 8 мм до 16 мм. Предложенная форма выборки 5 позволяет увеличить угол поворота до 60°. Кроме того, в отличие от прототипа внешний угол 6 кулаков 3 выполнен прямым, что повышает прочность шарниров и увеличивает их срок службы.
Центрирующий шар 4 (фиг.3) содержит взаимно-перпендикулярные круговые пазы 7, обеспечивающие радиальное сопряжение шара 4 и двух кулаков 3. Поверхность сердцевины 8 центрирующего шара 4 выполнена не в виде трапеции, как в прототипе, а сферической, что позволяет уменьшить силу трения и, таким образом, обеспечить долговечность шарнира.
Двойная, сопряженная (низшая) кинематическая пара позволяет одновременно осуществлять поворот в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях как по боковым поверхностям кулаков 3 и круговых пазов 7, так и по S-образной выборке 5 и сферической поверхности сердцевины 8 шара 4. Для снижения трения в узле используется жидкая смазка. С целью уменьшения износа контактируемых поверхностей их подвергают химико-термической (диффузионной) обработке - цементации и азотированию, HRC не менее 350. Чистота поверхностей доводится до Ra=0,2 мкм. Шарнир изготовлен из конструкционной легированной стали 40ХН.
Работа шарнира осуществляется известным способом.
При вращении ведущего вала 1 происходит взаимодействие кулака 3 со смежной поверхностью паза 7 центрирующего шара 4, а поверхность перпендикулярного паза 7 центрирующего шара 4 взаимодействует со смежной опорной поверхностью кулака 3 ведомого вала 2, вследствие чего ведомый вал 2 вращается, что приводит к вращению колеса автомобиля. При повороте колеса автомобиля ось ведомого вала поворачивается относительно ведущего вала на некоторый угол. S-образная форма с радиусом кривизны R выборки 5 кулака 3 позволяет поворачиваться ведомому валу относительно ведущего на угол до 60°. При этом ведущий 1 и ведомый 2 валы совершают простые вращательные движения с постоянной угловой скоростью, а центрирующий шар 4 - возвратно-вращательное движение.