Вкладыш универсального шарнира шпинделя

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к узлам трения, и может быть использована в универсальных шарнирах скольжения шпинделя привода прокатной клети.
Известен вкладыш универсального шарнира скольжения, содержащий выполненный из высокопрочного полимерного материала каркас со сквозными ячейками, в которых установлены с натягом пластмассовые элементы, выполненные из антифрикционного материала. Ячейки размещены рядами в шахматном порядке вдоль продольной оси вкладыша на участках треугольной формы, вершины которых примыкают к центру вкладыша, при этом каркас выполнен из высокопрочного полимерного материала, а пластмассовые элементы выполнены из антифрикционного полимера и установлены в ячейках по посадке с натягом (см. а.с. СССР № 1565556, МПК В21В 35/14).
Недостатком конструкции является наличие сквозных ячеек в каркасе вкладыша, что снижает его прочность и приводит к уменьшению срока службы.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является выполненный из бронзы вкладыш универсального шпинделя с выполненными на его контактных поверхностях ячейками в виде заполненных политетрафторэтиленом цилиндрических лунок, размещенными рядами вдоль его продольной оси на участках треугольной формы, вершины которых примыкают к центру вкладыша, с эмпирически установленными глубиной, диаметром и координатами размещения (см. пат. № 9768, МПК В21В 35/14).
Недостатком является низкая износостойкость вкладыша, вызванная низким коэффициентом трения, что связано с недостаточной площадью покрытия контактной поверхности вкладыша политетрафторэтиленом.
Техническая проблема - повышение износостойкости и увеличение срока службы вкладыша универсального шпинделя за счет снижения коэффициента трения на контактирующих рабочих поверхностях вкладыша.
Технический результат достигается за счет увеличения площади покрытия контактной поверхности вкладыша скольжения шпинделя политетрафторэтиленом путем выполнения на контактных трущихся поверхностях лунок, имеющих форму перевернутого усеченного конуса.
Поставленная проблема решается тем, что во вкладыше универсального шарнира шпинделя с выполненными на его контактных поверхностях ячейками, заполненными политетрафторэтиленом, согласно изменению, лунки выполнены в виде перевернутых усеченных конусов, при этом глубина и меньший диаметр лунки равны:
L
h,
L
где h - глубина лунки, мм, H - толщина вкладыша, мм, А - меньший диаметр лунки, мм, угол наклона боковой поверхности лунки выбирают из условия α ≤ (90° - γ), где γ - угол трения пары «бронза - политетрафторэтилен», град.;
а расстояние между лунками выбирают не менее величины глубины лунки.
Сущность полезной модели поясняется также чертежами:
на фиг. 1 изображен чертеж вкладыша;
на фиг. 2 изображена трехмерная модель универсального шарнира шпинделя, где а - вид сверху; в - вид снизу.
L
L
Вкладыш представляет собой металлический объект, в виде сегмента усеченного цилиндра, где одна из его сторон является прямоугольным горизонтальным основанием 1 (фиг.1, 2). Противоположная ей сторона имеет выпуклую цилиндрическую поверхность 2, в средней части которой имеется призмообразный четырехгранный выступ 3 с круглым сквозным отверстием в центральной части. Две другие боковые грани 4 объекта выполнены под наклоном к основанию. По краям основания и выпуклой поверхности объекта выполнены ячейки-лунки в виде усеченных конусов 5 с высотой, равной , где h - глубина лунки, мм; А - меньший диаметр ячейки лунки, мм; H - толщина вкладыша, мм; с возможностью запрессовать в них вставки из политетрафторэтилена по посадке с натягом, причем величина угла наклона боковой поверхности лунки (α) должна соответствовать условию:
α ≤ (90° - γ),
где γ - угол трения пары «бронза - политетрафторэтилен», град. (см. Детали машин. Конструкционная прочность. Трение, износ, смазка. Т. IV-1 / Д.Н. Решетов, А.П. Гусенков, Ю.Н Дроздов и др.; под общ. ред. Д.Н. Решетова. - 864 с.).
L
Расстояние между лунками должно соответствовать величине, равной не менее глубины лунки , где h - глубина лунки.
Вкладыш работает следующим образом.
Вкладыш универсального шарнира шпинделя изготавливают из бронзы или бронзовых сплавов, например, БрА10ЖЗМц2, Бр АМцЭ - 2.
L
При вращении универсального шпинделя под углом при рабочей нагрузке бронзовый вкладыш универсального шарнира скользит относительно лопасти и вилки шарнира, которые выполнены из стали, и пальца, выполненного из медьсодержащего сплава. Наибольшая нагрузка от крутящегося момента на вкладыш сосредоточена по краям вдоль его продольной оси. Ближе к центру вкладыша рабочая нагрузка равна нулю, то есть нагрузка распределяется от краев к центру по всей выпуклой поверхности 2 вкладыша. В связи с чем целесообразно количество отверстий 5, расположенных ближе к краям выпуклой поверхности 2, делать больше, по сравнению с центральной частью вкладыша. Расстояние между лунками  должно соответствовать величине, равной не менее глубины лунки: , где h - глубина лунки, мм.
Если расстояние между лунками будет меньше глубины лунки, то будет происходить образование заломов на поверхности между лунками, кроме того, из-за малой толщины стенок между лунками не будет обеспечена жесткость конструкции вкладыша.
Под действием продольной и поперечной нагрузок, возникающих от крутящего момента, и действующих на вкладыш, последний, сжимаясь и разжимаясь под их действием, выдавливает наружу элементы заполнения лунок из политетрафторэтилена. Политетрафторэтилен при трении по стали в результате восстановления закиси меди образует сервовитную пленку, «наполняющей» его до чистой меди. Стальные поверхности валка и вилки (на рисунке не показаны), контактирующие с бронзовым вкладышем, покрываются слоем меди. Материал сервовитной пленки находится в состоянии, подобном расплаву. Пленка не способна к наклепу, имеет малые усилия сдвига, пориста, в верхней части она не имеет окислов, способна к схватыванию, при трении ее частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую, т.е. схватываться без образования повреждений и увеличения сил трения. При трении бронзы о сталь в условиях избирательного переноса низкий коэффициент трения и безызносность обеспечиваются пленкой расплавленного металла.
Известно, что коэффициент трения пары (γ) «сталь - политетрафторэтилен» намного ниже пары «сталь-бронза» (см. И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. Коэффициенты трения. Справочное пособие. Москва. 1962. С. 117, 205), следовательно, чем большую площадь будут занимать лунки с политетрафторэтиленом в бронзовом теле вкладыша, тем будет выше износостойкость, а следовательно, и срок службы вкладыша.
L
Для обеспечения хорошего скольжения между контактирующими поверхностями вкладышей, площадь поверхности вкладыша (S), занятую лунками с запрессованным в них политетрафторэтиленом, можно рассчитать по формуле:
,
где  - толщина вкладыша;
- ширина вкладыша;
- длина вкладыша;
- диаметр лунки;
- угол пары трения «бронза - политетрафторэтилен».
Политетрафторэтилен относительно мягкий материал, поэтому для сохранения прочности бронзового каркаса (тела) вкладыша и динамической устойчивости самого политетрафторэтилена глубина лунок и наименьший размер их сечения не должны превышать допустимую эксплуатацией величину выработки толщины вкладыша.
L
На токарном станке изготавливают вставку из политетрафторэтилена, которую в последующем запрессовывают в лунку вкладыша и забивают деревянной киянкой. Для исключения риска выпадения запрессованного политетрафторэтилена из лунок в процессе работы тела вкладыша под действием перпендикулярно направленных к оси лунки нагрузок, возникающих от сил трения и продольной деформации вкладыша, глубина (h) должна составлять
L
,
L
где h - глубина лунки, мм; А - меньший диаметр ячейки лунки, мм; H - толщина вкладыша, мм.
L
Если , то глубина будет недостаточна для обеспечения продолжительной эксплуатации вкладыша, так как при истирании последнего будет уменьшаться диаметр лунки с политетрафторэтиленом на его поверхности. Как следствие из этого - уменьшение площади покрытия политетрафторэтиленом контактной поверхности вкладыша, повышение коэффициента трения на контактирующих рабочих поверхностях, снижение износостойкости и срока службы вкладыша.
L
Если , то вкладыш не будет иметь достаточной жесткости, так как он будет «пронизан» глубокими ячейками лунок с двух его сторон.
Угол наклона боковой поверхности лунки (α) должен соответствовать условию: α ≤ (90° - γ), где α - угол наклона лунок; γ - угол трения пары «бронза - политетрафторэтилен». В случае несоблюдения этого условия возникает риск выпадения запрессованного политетрафторэтилена из лунок в процессе работы тела вкладыша под действием нагрузок, а следовательно, повышаются коэффициент трения и износ вкладыша.
При вращении универсального шарнира шпинделя происходит контактирование (скольжение, трение, а следовательно, и истирание) поверхностей пары идентичных вкладышей относительно поверхностей элементов шарнира. И чем больше эксцентриситет вращения, тем интенсивнее проходит истирание поверхностей вкладышей.
Многочисленные углубления, заполненные политетрафторэтиленом и расположенные на контактных поверхностях вкладыша, обеспечивают его конструкционную устойчивость. Благодаря этому увеличивается количество сервовитной пленки на контактных поверхностях, а следовательно, наблюдаться снижение коэффициента трения.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет путем увеличения площади покрытия контактной поверхности политетрафторэтиленом за счет выполнения на контактных трущихся поверхностях вкладыша лунок в виде перевернутых усеченных конусов получить увеличение износостойкости и тем самым продлить срок службы вкладыша скольжения шпинделя.