УСТРОЙСТВО ВАЛА И СПОСОБ ПОДДЕРЖИВАНИЯ ВАЛА
SHAFT ARRANGEMENT, AND SHAFT SUPPORTING METHOD

Область техники
Первый аспект настоящего изобретения относится к устройству вала, содержащему выполненный с возможностью вращения вал, который имеет отверстие, проходящее через него в его продольном направлении.
Изобретение также относится к подшипниковой конструкции, предусмотренной с таким устройством вала, коробке передач, имеющей такую подшипниковую конструкцию, и транспортному средству с такой коробкой передач.
Уровень техники
Во многих контекстах вал, который требует поддерживания, выполнен из материала, отличающегося от поддерживающей конструкции, например, корпуса коробки передач, в котором он поддерживается. Вал обычно выполнен из стали, а окружающая поддерживающая конструкция может быть выполнена из какого-либо другого материала, например алюминия. Факт того, что вал и поддерживающая конструкция выполнены из разных материалов с разными коэффициентами теплового расширения, создает проблему, в особенности, если материалами являются сталь и алюминий. Это более конкретно применимо к подшипниковым конструкциям. В случае, например, коробки передач в большом транспортном средстве разница теплового расширения между комнатной температурой и рабочей температурой будет, примерно, до 0,5 мм между концами вала. Это приводит к проблеме сохранения зазора или предварительного нагружения, которое было установлено при комнатной температуре.
Проблема зазора подшипника, меняющегося в результате различающихся тепловых расширений вала и поддерживающей конструкции, описана, в частности, в публикациях WO 2008/005788, US 5325599 и US 5386630, но эти описания, в основном, касаются измерений, относящихся к отдельному подшипнику и тому, как он установлен. Ни одно из тех описаний не обозначает полного решения.
Задачей настоящего изобретения является осуществление поддерживания вала таким образом, чтобы проблемы, возникающие из различающихся коэффициентов теплового расширения вала и поддерживающей конструкции, соответственно, были исключены или, по меньшей мере, уменьшены.
Краткое описание изобретения
Первый аспект изобретения заключается в том, что указанная задача решается посредством создания устройства вала типа, обозначенного во введении, имеющего отличительные признаки, заключающиеся в том, что вал дополнительно содержит стержень, который проходит в продольном направлении вала через отверстие от первого конца вала ко второму концу вала и который предусмотрен у первого конца с радиально направленным поддерживающим элементом, расположенным в осевом направлении за упомянутым первым концом и проходящим в радиальном направлении за наружный диаметр вала у первого конца, и имеющим осевую внутреннюю поверхность с радиально наружной частью и радиально внутренней частью, причем радиально наружная часть смещена в осевом направлении к валу относительно радиально внутренней части.
Посредством этого поддерживающий элемент легко может быть свободен в осевом направлении от осевого соприкосновения с концом вала и вращающимися частями подшипника, тогда как в это же время наружное кольцо подшипника может иметь опору в осевом положении, которое совпадает с концом вала, или в осевом положении на коротком расстоянии вовнутрь на вале.
Устройство вала, выполненное таким образом, позволяет валу быть поддерживаемым без влияния изменений температуры на точность подшипника. Стержень может быть прикреплен в осевом направлении относительно вала у второго конца вала, таким образом, по существу, сохраняя осевое положение поддерживающего элемента относительно вала независимо от изменения температуры. Это, конечно, подразумевает, что стержень выполнен из материала с приблизительно таким же коэффициентом теплового расширения, как у материала вала. Преимущественно стержень и вал будут выполнены из одинакового материала, например из стали. Стержень и вал, выполненные из одинакового материала, сведут к максимуму точность относительно сохранения относительного осевого положения поддерживающего элемента и первого конца вала.
Если вал поддерживается в подшипниковой конструкции, которая содержит, в частности, поглощающий осевую силу подшипник качения у первого конца вала или рядом с ним, поддерживающий элемент может выполнять функцию осевой опоры для неподвижного кольца подшипника. Поскольку температурные изменения не влияют на относительное осевое положение поддерживающего элемента и конца вала, точность подшипника, то есть зазор или предварительное нагружение, которое было установлено, не изменится. Если вместо этого наружное кольцо вставлено и получает свою осевую опору от окружающей поддерживающей конструкции, его осевое положение относительно конца вала будет меняться с изменением температуры и, следовательно, будет требовать компенсирующих мер и регулировок.
Таким образом, устройство вала согласно изобретению исключает проблемы, связанные с такими компенсационными мерами, так как поддерживающий элемент предусматривает осевую поддерживающую поверхность, на которую не влияют изменения температуры. Следовательно, согласно изобретению устройство облегчает поддерживание вала простым способом с оптимальной установкой в большом диапазоне температуры. Оно также исключает необходимость принятия других мер для установки фиксированного зазора подшипника.
Преимущественно, хотя и не обязательно, отверстие, проходящее через вал, является круглым и преимущественно оно соосно с валом. Стержень также преимущественно является круглым и должен быть соосным с отверстием.
Согласно предпочтительному варианту осуществления устройства вала поддерживающий элемент проходит радиально за наружный диаметр вала у множества точек, распределенных в окружном направлении.
Поддерживающий элемент, выполненный таким образом, делает возможным осевое поддерживание во множестве точек, распределенных в окружном направлении на наружном кольце подшипника качения, так что поглощение силы является распределенным.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления эти точки распределены с взаимно равными интервалами в окружном направлении.
Поддерживание для поглощения осевых сил будет, таким образом, симметрично равномерно распределенным, так что сила на наружном кольце будет равномерно распределена, и будет исключен риск перекоса наружного кольца.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления поддерживающий элемент проходит за наружный диаметр вокруг всей окружности вала.
Таким образом, поглощение силы будет распределено настолько равномерно, насколько возможно, результатом чего является оптимальная безопасность работы. Для этого поддерживающий элемент может, например, иметь круглый наружный контур и иметь форму диска.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления поддерживающий элемент прикреплен к стержню крепежным средством, расположенным так, чтобы можно было задавать осевое положение поддерживающего элемента на стержне.
Осевое положение поддерживающего элемента относительно вала, следовательно, может быть отрегулировано таким образом, чтобы достичь оптимальной точности для осевого поддерживания наружного кольца при ожидаемых рабочих температурах. Конструкция также учитывает некоторое количество последующей регулировки.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления крепежное средство содержит резьбовую часть стержня и гайку.
Упомянутое осевое позиционирование поддерживающего элемента может быть, таким образом, осуществлено просто и надежно.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления стержень предусмотрен с радиальным зазором в упомянутом отверстии.
Таким образом, предотвращен риск соприкосновения между стержнем и валом, который может привести к потерям из-за трения, и риск рабочих неисправностей.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления стержень предусмотрен у второго конца вала со вторым радиально направленным поддерживающим элементом, расположенным в осевом направлении за упомянутым вторым концом и проходящим радиально за наружный диаметр вала у второго конца.
Этот вариант осуществления также позволяет обеспечивать поглощающему осевую силу подшипнику качения у второго конца вала осевое поддерживание такого же типа.
Так как поддерживающий элемент придавлен к соответствующему наружному кольцу подшипника качения у каждого конца вала, осевое расстояние между наружными кольцами будет изменяться в унисон с изменениями длины вала, которые возникают из изменений температуры, то есть осевое расстояние относительно зафиксировано. Результатом является простой в обращении узел вала, который может с гарантированной точностью подшипника быть установлен в поддерживающую конструкцию. Преимущественно поддерживающая конструкция будет иметь осевые поддерживающие поверхности, которые ограничивают возможность осевого перемещения наружу соответствующего поддерживающего элемента.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления второй поддерживающий элемент выполнен, как обозначено выше для первого поддерживающего элемента, в частности, согласно любому из предпочтительных вариантов осуществления, описанных выше. Второй поддерживающий элемент, таким образом, будет обеспечивать такие же преимущества. Поддерживающие элементы преимущественно выполнены одинаково, но в качестве альтернативы могут быть выполнены согласно взаимно различным вариантам осуществления.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления стержень предусмотрен со средством осевой фиксации у второго конца вала для фиксации осевого положения соответствующего конца стержня относительно поддерживающей конструкции.
Этот вариант осуществления составляет альтернативу последнему варианту осуществления, описанному выше, и облегчает установку устройства вала у первого конца вала, так как первое поддерживающее кольцо, таким образом, не будет требовать специального упора для предотвращения осевого перемещения наружу.
Подшипниковая конструкция согласно изобретению содержит как устройство вала согласно изобретению, в частности, согласно любому из предпочтительных вариантов осуществления последнего, так и, по меньшей мере, один первый поглощающий осевую силу подшипник качения с кольцом, которое вращается с валом, неподвижным кольцом и расположенными между ними элементами качения, причем первый поддерживающий элемент выполнен с возможностью вдавливания в неподвижное кольцо, осевая подвижность которого, следовательно, ограничена только на одной стороне элементом качения подшипника и на другой стороне первым поддерживающим элементом.
В данном описании поглощающий осевую силу подшипник качения означает не только подшипник, который поглощает только осевые силы, но также и подшипник, который поглощает как осевые, так и радиальные силы, например, конический подшипник качения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления подшипниковой конструкции, она дополнительно содержит второй поглощающий осевую силу подшипник качения для осевой силы, действующей в направлении, противоположном осевой силе, которую первый подшипник качения выполнен с возможностью поглощать, причем второй подшипник качения имеет кольцо, которое вращается с валом, неподвижное кольцо и расположенные между ними элементы качения, так что второй поддерживающий элемент выполнен с возможностью вдавливания в неподвижное кольцо, осевая подвижность которого, следовательно, ограничена только на одной стороне элементами качения подшипника и на другой стороне поддерживающим элементом.
Коробка передач согласно изобретению содержит подшипниковую конструкцию согласно изобретению.
Транспортное средство согласно изобретению содержит коробку передач согласно изобретению.
Подшипниковая конструкция, коробка передач и транспортное средство согласно изобретению предоставляют такие же преимущества, как описанные выше преимущества устройства вала и его предпочтительных вариантов осуществления.
Вторым аспектом изобретения является способ поддерживания вала, который включает специальные меры, заключающиеся в том, что
обеспечивают пустотелый вал,
пропускают стержень через отверстие в вале,
обеспечивают поддержку валу подшипниками, каждый из которых содержит первый поглощающий осевую силу подшипник качения с кольцом, которое вращается с валом, неподвижным кольцом и элементами качения между ними,
устанавливают на стержень у первого конца вала первый поддерживающий элемент, содержащий осевую внутреннюю поверхность с радиально наружной частью и радиально внутренней частью, причем радиально наружная часть смещена в осевом направлении к валу относительно радиально внутренней части,
обеспечивают давление радиально наружной частью первого поддерживающего элемента на неподвижное кольцо против элементов качения подшипника качения так, что осевая подвижность неподвижного кольца ограничена только на одной стороне элементами качения подшипника и на другой стороне упомянутым первым поддерживающим элементом,
устанавливают подшипник вала в поддерживающую конструкцию таким образом, что поддерживающая конструкция ограничивает осевую подвижность первого поддерживающего элемента.
Согласно предпочтительным вариантам его осуществления изобретенный способ применяется при использовании устройства вала согласно изобретению, в частности, согласно любому из предпочтительных вариантов осуществления устройства вала.
Изобретенный способ также предоставляет такие же преимущества, как обозначенные выше для устройства вала и его предпочтительных вариантов осуществления.
Изобретение будет объяснено далее посредством подробного описания примеров вариантов его осуществления, приведенных ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - продольный разрез части коробки передач согласно первому варианту осуществления изобретения; и
фиг.2 - соответствующий разрез согласно второму примерному варианту осуществления.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Фиг.1 представляет собой продольный разрез части коробки передач согласно изобретению. Коробка передач имеет корпус 1, составляющий поддерживающую конструкцию для валов коробки передач. Коробка передач в примере имеет вторичный вал 2 и промежуточный вал 4. Изобретение описано со ссылкой на промежуточный вал 4, который предусмотрен с устройством вала и подшипниковой конструкцией согласно изобретению. Другие детали коробки передач являются, в принципе, обычными и не описаны здесь более подробно. Промежуточный вал 4, далее называемый валом 4, предусмотрен с некоторым количеством зубчатых колес 5, взаимодействующих с вторичным валом 2.
Вал 4 поддерживается первым коническим роликовым подшипником 7 у одного конца вала 4 и вторым коническим роликовым подшипником 8 у противоположного конца вала 4. Концентрическое круглое отверстие 9 расположено в вале 4 и проходит через всю длину вала 4. Стержень 10 проходит через отверстие 9 с небольшим зазором в нем, чтобы соприкосновение с валом было предотвращено. Стержень прикреплен своим концом, являющимся левым на чертеже, к части 11 концевой стенки корпуса. Крепление осуществлено концом 13 стержня 10, имеющим резьбу и завинченным в резьбовое отверстие в части 11 концевой стенки.
Поддерживающий элемент 14 в форме круглого диска 14 прикреплен к правому концу стержня 10. Диск 14 имеет центральное отверстие, посредством которого он надет на стержень 10 и крепко привинчен посредством гайки 17 и резьбовой концевой части стержня 10.
Внутренняя сторона радиально наружной части 142 диска 14 придавлена к неподвижному наружному кольцу 71 подшипника 7 посредством подходящего завинчивания левого конца стержня 10 в отверстие 12 в части 11 концевой стенки и/или затягивания гайки 17. Таким образом, диск 14 обеспечивает поддерживание подшипника 7 для поглощения осевых сил, которые действуют направо.
Поддерживание левого конца вала 4 в этом примере имеет обычную конфигурацию, в которой наружное кольцо второго подшипника 8 упирается в осевую опорную поверхность части 11 концевой стенки для поглощения осевых сил, которые действуют налево.
Корпус 1 выполнен из алюминия, а вал 4 и стержень 10, проходящий через него, выполнены из стали. Если коробка передач нагревается до большей температуры, чем применяемая в состоянии, изображенном на фиг.1, как корпус 1, так и вал 4 и стержень 10 будут расширяться как в радиальном, так и в осевом направлении. Так как корпус 1 выполнен из алюминия, он будет расширяться в большей степени, чем вал 4 и стержень 10. В радиальном направлении рассматриваемые величины являются такими маленькими, что они не вызывают каких-либо проблем, тогда как разница в расширении в осевом направлении может быть величиной до нескольких десятых миллиметра.
Когда корпус 1 расширяется в осевом направлении относительно вала, результатом этого является то, что часть 21 корпуса, в которой установлен правый подшипник 7, перемещается направо относительно конца вала 4 и относительно диска 14, прикрепленного к стержню 10. Поскольку часть 21 корпуса не имеет осевой упорной поверхности для наружного кольца 71, влияние на осевое поддерживание подшипника 7 отсутствует. Она принимает форму диска 14 и ее положение относительно вала не меняется. Таким образом, отсутствует влияние разницы температуры на зазоры или преднагруженную установку подшипников 7, 8.
Как видно из чертежа, диск 14 имеет радиально наружную часть 142, направленную в сторону наружного кольца 71 подшипника и смещенную вовнутрь относительно остального диска. Целью этого является создание пространства зазора между диском 14 и валом и катящимися элементами, соответственно. Альтернативной возможностью является предусмотрение промежуточного кольца между наружным кольцом 71 и диском 14. Более сильное смещение поверхности 142 промежуточного кольца на значительном осевом протяжении сделает возможным расположение подшипника 7 немного более внутри на валу.
Второй пример варианта осуществления, изображенный на фиг.2, отличается от варианта осуществления на фиг.1 в отношении крепления стержня и в отношении детали диска у правого конца вала, но во всем остальном выполнен таким же образом.
В этом примере стержень 10 не прикреплен к концевой стенке корпуса, а также предусмотрен у его левого конца с устройством такого же типа, как у его правого конца. Таким образом, стержень не закреплен в корпусе у левого конца. Вместо этого упорный элемент 14b в форме диска 14b прикреплен к стержню 10 посредством резьбовой гайки 17b.
Таким образом, вал 4, стержень 10, два диска 14, 14b и подшипники 7, 8 образуют составной узел с фиксированным пространством независимо от температуры между подшипниками 7, 8, чтобы последние сохраняли неизменные установки.
У левого конца вала диск 14b зажат между наружным кольцом 81 подшипника и осевой поддерживающей поверхностью 110b части 11b концевой стенки корпуса. У правого конца вала упорное кольцо 18 прикреплено в части 21b корпуса для ограничения перемещения диска 14 наружу от вала.
Когда корпус 1 расширяется в осевом направлении относительно вала 4, расстояние между осевой поддерживающей поверхностью 110b в части 11b концевой стенки и упорным кольцом 18 будет увеличиваться на несколько десятых миллиметра больше, чем расстояние между дисками 14, 14b. Таким образом, образуется соответствующий осевой зазор, хотя он не будет влиять на предустановки подшипников, которые сохраняются удерживающими вместе силами между дисками 14, 14b. Таким образом, вал предусмотрен с некоторой осевой подвижностью, но это допустимо с точек зрения, не охватывающих расположение подшипников, которое, конечно же, само по себе не нарушено. Осевая сила от узла поглощена осевой поддерживающей поверхностью 110b в части 11b концевой стенки или упорным кольцом 18 в части 21b корпуса, в зависимости от направления, в котором действует осевая сила.