КАРДАН СИНХРОННЫЙ
SYNCHRONOUS CARDAN

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройствам типа шарнирных муфт, предназначенных для соединения валов с пересекающимися осями, преимущественно в стационарных установках или в транспортных средствах, когда расположение ведущего и ведомого валов определено однозначно.
Известны карданы синхронные, включающие две муфты, каждая из которых состоит из двух полумуфт, имеющих ступичную и шарнирную части, крестовины с опорными шарнирными поверхностями, пальцевтулочных элементов, образующих подвижную связь между полумуфтами и крестовиной, переходного вала (см. Справочник конструктора-машиностроителя / Под редакцией В.И.Анурьева. М.: Машиностроение, 1973 г., стр.120-123).
В этом устройстве синхронность движения ведущего и ведомого валов достигается применением именно пары таких муфт, так как единичная такая муфта обладает неравномерностью относительного движения своих составных частей ввиду того, что векторы абсолютных скоростей контактирующих участков не совпадают по величине и по направлению. Неравномерность движения составных частей муфты особенно при пуске и реверсировании механизма приводит к их повышенному износу и снижению ресурса работы.
Известны также карданы синхронные, включающие две муфты, каждая из которых состоит из двух полумуфт, имеющих ступичную и шарнирную части, крестовины с опорными шарнирными поверхностями, пальцевтулочных элементов, образующих подвижную связь между полумуфтами и крестовиной, переходного вала, при этом одна из полумуфт выполнена в ступичной части раздвижной и снабженной продольными нарезками или шлицами (см. Справочник машиностроителя / Под ред. Н.С.Ачеркана. М.: Машгиз, 1962 г., том 4, книга I, табл.II, стр.198-200, раздел "Шарнирно-раздвижная сдвоенная муфта").
В этом устройстве выполненная подвижная связь между полумуфтами через крестовину с опорными шарнирными поверхностями и пальцевтулочные элементы позволяет обеспечить соединение ведущего с переходным и переходного с ведомым валами, а также обеспечить синхронность их движения за счет взаимной компенсации разнонаправленных векторов относительного движения контактирующих участков в каждой из двух муфт, но составные части каждой отдельно взятой муфты за счет расхождения векторов абсолютных скоростей в контактирующих участках, недостаточного их взаимного перекрытия представляют собой звенья со взаимно неравномерным движением, характеризующимся соударениями, особенно при пуске или реверсировании, снижающим нагрузочную способность и ресурс работы.
Целью предлагаемого изобретения является создание кардана синхронного, в котором составные части каждой муфты имели бы не менее одного контактирующего участка без расхождения векторов абсолютных скоростей и не менее двух участков, позволяющих перекрывать это расхождение, что обеспечивало бы равномерность их движения как в отдельности, так и устройства в целом и способствовало бы повышению долговечности устройств
Указанная цель достигается тем, что шарнирные части полумуфт выполнены в виде зубчатой передачи коническими колесами с бочкообразными зубьями с увеличенными боковыми и радиальными зазорами из расчета нахождения в пределах линии зацепления не менее трех пар зубьев и межосевым углом меньше развернутого на величину угла между пересекающимися осями валов, центральные околозубные выемки зубчатых конических колес-полумуфт, устанавливаемых на ведущий и ведомый валы, выполнены сферически заглубленными и снабженными шаровой опорой, переходной вал выполнен состоящим из двух однотипных полувалов, на одном конце которых, обращенном к центральным околозубным выемкам зубчатых колес-полумуфт, устанавливаемых на ведущий и ведомый валы, закреплены опорные подшипники преимущественно типа качения, располагаемые наружной поверхностью в шаровых опорах, а другие концы полувалов снабжены продольными нарезками или шлицами с размещенными на них соединительными фланцами. Кроме того, в торцы ведущего и ведомого валов по их оси вмонтирован цилиндрический фиксатор, входящий в паз ближайшей ему кромки шаровой опоры.
Конструкция поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид кардана синхронного в разрезе;
на фиг.2 показаны профили зубьев сцепляемых конических колес-полумуфт;
на фиг.3 и 4 показано взаиморасположение шаровой опоры и цилиндрического фиксатора, монтируемого в торцы ведущего и ведомого валов;
на фиг.5 показана картина распределения относительных и абсолютных скоростей, имеющая место в контактирующих участках муфты-аналога и муфты-прототипа;
на фиг.6 показан в профильном плане ряд точек, условно изображающих векторы скоростей, лежащих на образующих поверхностей зубьев, периодически находящихся во взаимном контакте;
на фиг.7 показана картина распределения абсолютных скоростей в сечении контактирующих участков зубьев предлагаемого устройства.
1
1
1
1
4
4
4
4
Кардан синхронный содержит две синхронные муфты А и Б для соединения ведущего вала с первым переходным полувалом и для соединения второго переходного полувала с ведомым валом. Муфты по устройству однотипны и представляют собой находящиеся в зацеплении зубчатые конические колеса-полумуфты 1 и 4 с бочкообразными зубьями, улучшающими подвижность соединения и его монтаж, с увеличенными боковыми и радиальными зазорами из расчета нахождения в пределах линии зацепления не менее трех пар зубьев. Векторы абсолютных скоростей участков зубьев, находящихся в контакте, имеющие в каждый момент времени направление, перпендикулярное своим радиусам-векторам r', r", r"', r"", r', r", r'", r"", полностью сходятся в участках полюса зацепления и имеют взаимное перекрытие в соседних участках. Этим обеспечивается синхронность движения зубчатых конических колес-полумуфт 1 и 4 как составных частей, а следовательно, и кардана синхронного в целом. Зубчатое коническое колесо-полумуфта 1 расположено на ведущем валу 2 и снабжено шаровой опорой 3, находящейся в центральной околозубной выемке. Зубчатое коническое колесо-полумуфта 4 расположено на первом переходном полувалу 5, опорой которого со стороны этого конического колеса-полумуфты 4 является подшипник качения 6, закрепленный на конце полувала 5 и опираемый наружной поверхностью в посадочном месте шаровой опоры 3. Для определенности положения шаровой опоры 3 в центральной околозубной выемке, выполненной сферически заглубленной, зубчатого конического колеса-полумуфты 1 служит цилиндрический фиксатор 7, смонтированный в торце ведущего вала 2 вдоль его центральной оси. Противоположный конец первого переходного полувала 5 снабжен продольными нарезками или шлицами, на которых располагается соединительный фланец 8 и элементы его сборки 9, 10, 11 с ответным соединительным фланцем 12 второго переходного полувала 5', образующие таким образом единый переходной вал 5-5'.
Работа кардана синхронного осуществляется следующим образом. Крутящий момент от ведущего вала 2 передается через шпонку 13 зубчатому колесу-полумуфте 1, далее через сцепляемые бочкообразные зубья 14 и 15 зубчатых конических колес-полумуфт 1 и 4 и шпонку 16 крутящий момент передается первому переходному полувалу 5, через продольные нарезки или шлицы 17, соединительный фланец 8 с элементами его сборки 9 крутящее силовое воздействие переносится на последующие однотипные части кардана синхронного, как второй переходной полувал 5' зубчатое коническое колесо-полумуфта 4' и т.д. и, наконец, к ведомому валу. Чтобы указанные движения составных частей были бы кинематически выполнимыми, шаровая опора должна занимать однозначное положение по отношению к оси ведущего, а также ведомого валов, для этой цели в торцах названных залов смонтированы цилиндрические фиксаторы 7. И хотя цилиндрические фиксаторы 7 вращаются вместе со своими валами, будучи смонтированными в их центре, однако за счет контакта с пазом 18 ответной кромки 19 шаровой опоры 3, выполняемого при сборке в экстремальном положении, т.е. когда зазор между поверхностями цилиндрического фиксатора 7 и паза 18 отсутствует, цилиндрический фиксатор 7 предотвращает вращение шаровой опоры 3 вместе со своими зубчатыми коническими колесами-полумуфтами, если бы такое движение состоялось, а механизм, как механизм, перестал бы существовать.
При сборке кардана синхронного первоначально монтируются цилиндрические фиксаторы 7 в торцы своих валов и устанавливаются зубчатые конические колеса-полумуфты 1 и 1' на ведущий и ведомый валы и закрепляются на них при помощи, например, стопорных винтов и пружинных колец, на чертежах не показанных. Затем в центральные околозубные сферически выполненные выемки зубчатых конических колес-полумуфт 1 и 1' вводятся шаровые опоры 3 с учетом беззазорного охвата их пазом 18 поверхностей цилиндрических фиксаторов 7. Переходные полувалы 5-5' со своими составными частями собираются отдельно и затем устанавливаются подшипниками качения 6 в посадочные места шаровой опоры 3, скрепляются между собой соединительными фланцами 8 и 12 с элементами сборки 9, 10, 11. Разборка кардана синхронного производится в обратном порядке.
Так как в качестве подвижного звена в предлагаемом кардане синхронном применены зубчатые конические колеса-полумуфты 1, 1', 4, 4' с бочкообразными зубьями и увеличенными боковыми и радиальными зазорами из расчета нахождения в пределах линии зацепления не менее трех пар зубьев, то в процессе сборки и последующей работы необходимо осуществлять регулировку зацепления. Это осуществляется с помощью зубчатых конических колес-полумуфт 4, 4', расположенных на переходных полувалах 5-5', за счет их продольного перемещения. Достигнутое рабочее положение указанных зубчатых конических колес-полумуфт закрепляется винтами 20 и фиксируется пружинными кольцами 21. Для смазки взаимодвижущихся поверхностей трения в кардане синхронном применены масленки 22, смазочные канавки 23, смазочные отверстия 24.
Степень подвижности механизма по классификации Ассура есть:
1
2
W=3П-2P-P-3=1,
где:
П - количество звеньев, включая стойку, П=6;
1
1
P - количество кинематических пар, накладывающих две степени свободы на взаимное перемещение звеньев, P=6;
2
2
P - количество кинематических пар, накладывающих одну степень свободы на взаимное перемещение звеньев, P=2.
Источники информации
1. Кореняко А.С. и др. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. М.-Л.: Машиностроение, 1964 г.