Соединение вала со ступицей

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к соединениям вал-ступица, и предназначена для простого и надежного крепления зубчатых колес, шкивов, звездочек, рычагов и аналогичных деталей на валах с возможностью мобильной регулировки их осевого и углового положения.
Из уровня техники известно соединение вала со ступицей биконическими наружными и внутренними кольцами, разжимаемыми путем сведения с помощью винтов двух промежуточных колец, установленных с двух сторон в кольцевые пазы между биконическими кольцами (Орлов П.И. Основы конструирования. М.: Машиностроение, 1988, кн. 2, с. 304, рис. 638).
Недостатками этого соединения являются необходимость центрирования по четырем поверхностям и неравномерность распределения контактных давлений по их длине, а также нарушение соединения вала со ступицей при перегрузке по передаваемому крутящему моменту.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является выбранное в качестве прототипа соединение вала со ступицей, содержащее ступицу, внутренняя поверхность которой выполнена в виде двух встречно-направленных конических участков, вал с цилиндрической посадочной поверхностью и противоположно относительно пересечения конических участков размещенные в зазоре между валом и ступицей два одинаковых кольца с коническими наружными и цилиндрическими внутренними поверхностями, изготовленные из упругого материала, со средством их осевого перемещения, выполненного в виде четного количества винтов, размещенных в соответствующих отверстиях, равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец чередующимися так, что одни из них выполнены резьбовыми под резьбу винта, а другие - с зазором под стержень винта, между которыми поочередно с обоих торцов кольца выполнены пазы, отстоящие от близлежащих отверстий под винты на одинаковое расстояние (Патент РФ на полезную модель №177902, опуб. 15.03.2018 г.).
Недостатком известного соединения, в том числе технической проблемой, является низкая степень соосности двух посадочных встречно-направленных конических отверстий в ступице, формируемых в процессе их обработки при двух установках детали с различных ее торцов.
В основу заявленной полезной модели был положен технический результат -повышение эффективности соединения вала со ступицей путем повышения степени соосности двух посадочных конических отверстий в ступице и, следовательно, улучшения условий контакта рабочих поверхностей колец, ступицы и вала, и увеличения за счет этого нагрузочной способности соединения вала со ступицей, а также повышения точности расположения детали на валу.
Технический результат достигается тем, что в соединении вала со ступицей, содержащем ступицу, внутренняя поверхность которой выполнена в виде двух встречно-направленных конических участков, вал с цилиндрической посадочной поверхностью и противоположно относительно пересечения конических участков размещенные в зазоре между валом и ступицей два одинаковых кольца с коническими наружными и цилиндрическими внутренними поверхностями, изготовленные из упругого материала, со средством их осевого перемещения, выполненного в виде четного количества винтов, размещенных в соответствующих отверстиях, равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец чередующимися так, что одни из них выполнены резьбовыми под резьбу винта, а другие - с зазором под стержень винта, между которыми поочередно с обоих торцов кольца выполнены пазы, отстоящие от близлежащих отверстий под винты на одинаковое расстояние, между двумя коническими участками внутренней поверхности ступицы выполнен цилиндрический участок, формируемый совместно с расточкой первого конического участка ступицы и служащий для базирования детали после ее поворота для обработки второго конического участка с другого торца ступицы.
Полезная модель поясняется графическими изображениями.
На Фиг. 1 изображен вид с торца ступицы на соединение вала со ступицей,
на Фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1,
на Фиг. 3 - кольцо в изометрии.
Соединение вала со ступицей содержит ступицу 1 (см. фиг.2), внутренняя поверхность которой сформирована в виде двух встречно-направленных конических участков 2, вал 3 с цилиндрической посадочной поверхностью 4 и противоположно относительно пересечения конических участков 2 размещенные в зазоре между валом 3 и ступицей 1 два одинаковых кольца 5 с конической наружной 6 (см. фиг. 3) и цилиндрической внутренней 7 поверхностью каждое, изготовленные из упругого материала, со средством их осевого перемещения, выполненного в виде четного количества винтов 8, размещенных в соответствующих отверстиях 9 (см. фиг. 1) и 10 (см. фиг. 3), равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец 5 чередующимися так, что одни из них - 9 выполнены резьбовыми под резьбу 11 (см. фиг. 2) винта 8, а другие 10 - с зазором под стержень 12 винта 8 и, например, с возможным гнездом 13 (см. фиг. 3) под головку 14 (см. фиг. 2) винта 8 со стороны торца 15, обращенного вовне ступицы 1, между которыми поочередно с обоих торцов 15 (см. фиг. 3) и 16 (см. фиг. 2) кольца 5 выполнены пазы 17 и 18 (см. фиг. 3), отстоящие от близлежащих отверстий 9 и 10 под винты 8 на одинаковое расстояние. Между двумя коническими участками 2 внутренней поверхности ступицы 1 выполнен цилиндрический участок 19 (см. фиг. 2) формируемый совместно с расточкой первого конического участка 2 ступицы 1 и служащий для базирования детали, после ее поворота для обработки второго конического участка 2 с другого торца ступицы 1, с целью достижения высокой степени соосности двух посадочных конических отверстий 2 в ступице 1, и обеспечивающий высокую точность размещения детали на валу 3. Сборка соединения производится следующим образом.
На вал 3 устанавливают кольцо 5 торцом 16 в ту сторону, с которой будут монтировать деталь, предназначенную для закрепления на валу, надвигают ее ступицей 1 на кольцо 5. После этого, в свободный зазор между ступицей 1 и валом 3 устанавливают осевым перемещением по валу второе кольцо 5 торцом 15 наружу. Перемещением собранного комплекта из трех деталей вдоль вала размещают его в нужном положении в осевом направлении и приступают к фиксации его на валу. Для этого вводят снаружи с двух сторон ступицы 1 в отверстия 10 обоих колец 5 необходимое количество винтов 8, поворотом одного из колец вокруг его оси добиваются совпадения осей винтов8 в одном кольце 5 с осями резьбовых отверстий 9 в другом кольце и ввинчивают все винты с двух сторон ступицы 1 до тех пор, пока головки винтов 14 полностью не войдут в гнезда для них 13 в обоих кольцах 5, а при исполнении колец 5 без гнезд 13 под головку винта 14, -пока головки винтов 14 не прижмутся к наружным торцам 15 колец 5, и затягивают винты 8, стягивая между собой оба кольца 5 с осевой силой такой величины, которая необходима для создания соответствующих сил трения на двух наружных конических поверхностях 6 и двух внутренних цилиндрических поверхностях 7 двух колец 5, которые будут достаточны для обеспечения передачи соединением со ступицы 1 на вал 3 (или наоборот) крутящего момента заданной величины.
Разборка соединения осуществляется в обратном порядке.
Вывинчиваются и вынимаются из обоих колец 5 с двух сторон ступицы 1 все винты 8, вынимается из ступицы 1 и снимается с вала одно из колец 5, затем либо в ту же сторону с оставшегося на валу 3 второго кольца 5 снимается закрепленная ранее на валу деталь, а потом с вала 3 снимается оставшееся на нем кольцо 5, либо с вала 3 снимается деталь вместе с остающимся в ней одним кольцом 5 с последующим извлечением этого кольца 5 из ступицы 1.
Заявленное техническое решение, а именно выполнение внутренней поверхности ступицы закрепляемой на валу детали с дополнительной по сравнению с прототипом третьим цилиндрическим участком, служащим базой при обработке второго конического отверстия с целью достижения высокой степени соосности обоих конических посадочных отверстий, позволяет точнее центрировать ступицу на валу, надежнее крепить деталь, обеспечивая лучший контакт наружных конических и внутренних цилиндрических поверхностей колец со ступицей и валом соответственно, что позволяет без потери несущей способности повысить передаваемый с вала на ступицу (или наоборот) рабочий крутящий момент.
Экспериментально (методом компьютерного моделирования) установлено, что нагрузочная способность соединения вала со ступицей при использовании заявленного технического решения при прочих равных параметрах повышается до 20% и выше.
Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле полезной модели, обеспечивает при реализации полезной модели получение заявленного технического результата - повышение эффективности соединения вала со ступицей путем повышения степени соосности двух посадочных конических отверстий в ступице и, следовательно, улучшения условий контакта рабочих поверхностей колец, ступицы и вала, увеличения за счет этого нагрузочной способности соединения вала со ступицей, а также повышения точности расположения детали на валу.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к машиностроению, в частности, к соединениям вал - ступица, и может быть использован для закрепления зубчатых колес, шкивов, звездочек, рычагов и аналогичных деталей на валах;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.