ШАРНИР

Устройство относится к механике, а именно к невыключаемым муфтам для передачи вращательного движения, допускающим возможность углового относительного перемещения соединяемых деталей. Оно касается шарниров равных угловых скоростей, содержащих элементы качения в виде шаров, перемещающихся вдоль канавок в полумуфтах.
Известен шарнир равных угловых скоростей типа "Вейс", устанавливаемые в передних ведущих мостах автомобилей моделей УАЗ для передачи вращающего момента управляемым поворотным колесам, содержащий два кулака, в которых сделаны делительные канавки, и пять шариков. Четыре шарика расположены в биссекторной плоскости на пересечении симметрично размещенных криволинейных
канавок для обеспечения равенства угловых скоростей валов. Пятый шарик центрирующий. При движении автомобиля вперед усилие передается одной парой шариков, а при движении задним ходом - другой парой. Шарниры этого типа обеспечивают угол между валами равный 30-32°. [1] Недостатком данного шарнира является то, что передача усилия только двумя шариками приводит к возникновению в упомянутых кулаках больших контактных напряжений. Поэтому эти шарниры устанавливают на автомобилях с нагрузкой на ведущий мост не свыше 25-30 кН. В изношенном шарнире при передаче повышенного поворотного момента, когда кулаки несколько деформируются, шарики могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости автомобиля. Причем шарнир под нагрузкой распадается при угле поворота свыше 25°. В этом шарнире износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению. Вследствие того, что шарнир нагружается при сравнительно редком включении переднего ведущего управляемого моста для движения в тяжелых дорожных условиях, а большая часть пробега автомобиля совершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии, ненагруженные канавки изнашиваются больше, чем нагруженные. Поэтому долговечность в эксплуатации указанных шарниров не
превышает 25000-30000 км.
Известен шарнир, содержащий корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками с профилем в виде части эллипса, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками указанного профиля, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шесть шаров, размещенных в сепараторе и в указанных меридиональных канавках. Радиус поперечной кривизны меридиональных канавок в корпусе и обойме равен 1,02 радиуса шаров или 0,51 их диаметра. [2] Однако при таком соотношении между радиусом поперечной кривизны упомянутых канавок и диаметром шаров, эти шары находятся в очень стесненном положении, что может приводить к их заклиниванию между корпусов, обоймой и сепаратором.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является шарнир, содержащий корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шесть шаров,
размещенных в сепараторе и в указанных меридиональных канавках, которые имеют профиль части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,275-0,3, при этом радиус поперечной кривизны дорожек качения шаров в канавках корпуса и обоймы составляет 0,52-0,53 диаметра шаров. [3] Однако данное соотношение не позволяет добиться плавной передачи крутящего момента.
Техническим результатом заявляемого технического решения является создание более надежной конструкции шарнира равных угловых скоростей, обеспечивающую плавность передачи крутящего момента.
Для этого в шарнире, содержащем корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной шестью внутренними меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шесть шаров, размещенных в сепараторе и в указанных меридиональных канавках, меридиональные канавки имеют профиль части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,223, радиус поперечной кривизны дорожек качения шаров в этих канавках составляет 0,509 диаметра шаров. Меридиональные канавки служат беговыми дорожками для шаров.
Выполнение радиуса поперечной кривизны дорожек качения шаров в меридиональных канавках корпуса и канавках обоймы в пределах 0,509 диаметра шаров, а эксцентриситета эллипса, образующего профиль канавок в корпусе и профиль канавок в обойме, в пределах 0,223 в шарнире, содержащем корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющем полость со сферической поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной тоже шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шары, расположенные у сепараторе и в указанных канавках в корпусе и обойме, позволило вследствие рационального профилирования канавок для шаров в корпусе и обойме создать более надежную конструкцию шарнира равных угловых скоростей, обеспечивающего плавную передачу крутящего момента. За счет рациональной подборки соотношений радиусов поперечной кривизны дорожек качения шаров в канавках корпуса и обоймы к диаметру шаров позволяет обеспечить плавную работу узла. При этом при указанном соотношении диаметра шаров и радиуса их дорожек качения шары занимают в шарнире менее стесненное положение, что уменьшает вероятность их заклинивания и разрушения сепаратора.
Обеспечению технического результата также способствует то, что
в корпусе на краях меридиональных канавок сделаны фаски с вогнутой поверхностью, имеющей профиль дуги окружности, при этом размеры фасок выполнены уменьшающимися от торца корпуса к лунке, имеющей сферическую поверхность с радиусом кривизны, равным радиусу поперечной кривизны упомянутых фасок и составляющим 1,31 диаметра шаров. При наличии указанных фасок сферическая поверхность корпуса меньше подвержена отрицательному влиянию контактных напряжений, действующих в зоне контакта шаров с корпусом.
Отношение диаметра внутренней сферической поверхности корпуса к диаметру шаров находится в пределах 3,715-3,717.
Отношение радиуса продольной кривизны дна меридиональных канавок в корпусе к диаметру шаров - в пределах 2,164-2,165.
Отношение диаметра наружной сферической поверхности обоймы к диаметру шаров - в пределах 3,219-3,22.
Отношение радиуса продольной кривизны дна меридиональных канавок в обойме к диаметру шаров - в пределах 1,16-1,161.
Отношение расстояния от центров продольной кривизны меридиональных канавок в корпусе и обойме до центра кривизны сферических поверхностей к диаметру шаров - в пределах 0,2352-0,2372.
Диаметр внутренней сферической поверхности корпуса составляет 70,78 мм, диаметр наружной сферической поверхности сепаратора
находится в пределах 70,73-70,75 мм, а диаметр его внутренней сферической поверхности - в пределах 61,4-61,42 мм, диаметр наружной сферической поверхности обоймы в любом ее месте составляет 61,35 мм.
Шарнир иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 - шарнир показан частичный продольный разрез, на фигуре 2 - корпус шарнира, частичный продольный разрез, на фигуре 3 - корпус шарнира, поперечный разрез по А-А фигуры 2, на фигуре 4 - обойма шарнира, на фигуре 5 - обойма шарнира, продольный разрез по В-В фигуры 4, на фигуре 6 - сепаратор, поперечный разрез, на фигуре 7 - сепаратор, продольный разрез, на фигуре 8 - шарнир в сборе.
Шарнир состоит из корпуса 1 (фиг.1), обоймы 2 и шести шаров 3, расположенных в сепараторе 4. Корпус 1 шарнира выполнен за одно целое с валом 5. В корпусе 1 имеется полость 6 (фиг.2) с внутренней сферической поверхностью 7, разделенной шестью меридиональными канавками 8 (фиг.3). Канавки 8 имеют переменную глубину, уменьшающуюся от торца 9 корпуса 1 в сторону лунок 10, сделанных в корпусе 1 для выхода шлифовального круга при обработке канавок 8. Дно 11 канавок 8 имеет постоянную кривизну вдоль корпуса 1 от его торца 9 до лунок 10. Причем центр 12 кривизны дна 11 канавок 8 смещен в сторону торца 9 корпуса 1 от центра 13 кривизны сферической поверхности 7.
Обойма 2 имеет сферическую наружную поверхность 14 (фиг.4), разделенную шестью меридиональными канавками 15. Дно 16 (фиг.5) канавок 15 имеет постоянную кривизну вдоль обоймы 2. Центр 17 кривизны сферической поверхности 14 и центр 18 кривизны дна 16 канавок 15 расположены на продольной оси 19 обоймы 2. Причем они смещены относительно друг друга. Внутри обоймы 2 имеется шлицевое осевое отверстие 20. Сепаратор 4 имеет наружную и внутреннюю сферические поверхности соответственно 21 и 22 (фиг.6). В сепараторе 4 сделаны окна 23 для размещения шаров 3, расположенные в одной плоскости. Окна 23 разделены между собой перемычками 24 (фиг.7). Шары 3 расположены в канавках 8 корпуса 1 и в канавках 15 обоймы 2 с весьма малым зазором. Канавки 8 имеют профиль 25 в виде части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,223. Радиус поперечной кривизны дорожек 27 качения шаров 3 в канавках 8 корпуса 1 и канавках 1? обоймы 2 составляет 0,509 диаметра 28 шаров 3. В этом шарнире отношение диаметра 29 внутренней сферической поверхности 7 корпуса 1 к диаметру 28 шаров 3 находится в пределах 3,715-3,717, отношение радиуса 30 продольной кривизны дна 11 меридиональных канавок 8 в корпусе к диаметру шаров - в пределах 2,164-2,165, отношение диаметра 31 наружной сферической поверхности 14 обоймы 2 к диаметру шаров - в пределах 3,219-3,22, отношение радиуса 32 продольной кривизны дна меридиональных канавок 15 в обойме к
диаметру шаров - в пределах 1,16-1,161, отношение расстояния от центров 12 и 18 продольной кривизны меридиональных канавой соответственно 8 и 15 до центра кривизны сферических поверхностей 7 и 14 к диаметру шаров - в пределах 0,2352-0,2372. Диаметр 29 сферической поверхности 7 у торца 9 корпуса составляет 70,78 мм. Диаметр 33 наружной сферической поверхности 21 сепаратора 4, сопряженной с внутренней сферической поверхностью 7 корпуса 1, находится в пределах 70,73-70,75 мм, а диаметр 34 его внутренней сферической поверхности 22 составляет 61,4-61,42 мм. Диаметр 31 наружной сферической поверхности 14 обоймы 2 составляет 61,35 мм. В шарнире, собранном для установки в поворотном кулаке ведущего моста для привода управляемых колес автомобиля, в отверстии 20 обоймы 2 расположен вал 39 (фиг.8), имеющий с обоймой шлицевое соединение. Обойма 2 зафиксирована на валу 39 в осевом направлении разрезным стопорным кольцом 40. На валу 39 у его шейки 41 установлено упорное кольцо 42. На корпус 1 собранного шарнира надет чехол 43.
При угловом смещении, то есть при наклоне вала 35 относительно вала 5 те шары 3, которые расположены в плоскости осей валов 5 и 35 или около этой плоскости, выдавливаются криволинейными поверхностями канавок 8 и 15 соответственно корпуса 1 и обоймы 2 в биссекторную плоскость, делящую угол между валами 5 и 35 пополам. Шары 3, передвигаясь вдоль канавок 8 в корпусе 1 и канавок 15 в обойме 2,
наклоняют сепаратор 4, который обеспечивает размещение всех шаров 3 в биссекторной плоскости. Передача через шарнир поворотного момента происходит шарами 3 путем их взаимодействия с поверхностями меридиональных канавок 8 и 15 корпуса и обоймы.
Представленный шарнир равных угловых скоростей, содержащий расположенные в сепараторе 4 шесть шаров 3, размещенных между корпусом 1 и обоймой 2 в меридиональных канавках 6 и 15, имеющих профиль части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,223 и образующих для шаров 3 дорожки качения с увеличенным радиусом поперечной кривизны, находящимся в пределах 0,509 диаметра шаров, вследствие менее стесненного положения каждого шара 3 обеспечивают плавную передачу усилий.
Источники информации:
1. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобили: анализ конструкций, элементы расчета - М. Машиностроение, 1989, с.143-144, рис.86).
2. Патент США №2838919 (Вильям Кулл) «Шарнир равных угловых скоростей».
3. Патент на полезную модель №37166 (Максимов А.П., Коротков В.Н., Вельк Ю.А.,) «Шарнир».