СФЕРИЧЕСКИЙ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ШАРНИР

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно к упругим демпфирующим устройствам рычагов управления, и может быть использована для снижения ударных и вибрационных нагрузок агрегатов и оборудования в любой области техники.
Известен сферический резинометаллический шарнир, содержащий внутреннюю втулку с наружной сферической поверхностью, разрезную наружную втулку из двух колец с внутренними сферическими поверхностями, и резиновый элемент, соединенный вулканизацией со сферическими поверхностями внутренней и наружной втулок (см. Кожевников С.Н. Механизмы. Справочник. Изд. 4, перераб. и доп./ С.Н. Кожевников, Я.И. Есипенко, Я.М. Раскин - М., Машиностроение, 1976, С. 734-735, рис. 12.52).
Недостатком данного шарнира является ограниченная возможность поворота наружных втулок относительно внутренних, поскольку при этом сдвиг внутренней поверхности резинового слоя относительно наружного не должен превышать 0,10-0,15 от толщины резинового элемента для стационарной динамической деформации (см. Потураев В.Н. Резиновые и резино-металлические детали машин / В.Н. Потураев. - М., Машиностроение, 1966 - С. 140). Увеличение толщины резинового элемента ведет к снижению радиальной жесткости шарнира и к увеличению деформаций сжатия резинового элемента при приложении внешней нагрузки. Если одновременно необходимо обеспечить высокую радиальную нагрузку на шарнир и значительные углы поворота, например, в узлах подвески рельсовых экипажей, известны случаи повреждения подобных шарниров в виде выдавливания резины из шарниров (см. Корнев, A.M. Модернизация системы подвешивания ТЭД электровоза постоянного тока 2ЭС6 / A.M. Корнев, Д.В. Липунов // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов. - Омск: ОмГУПС, 2016. - С. 237; Алексеева М.С. Анализ работы тепловозов серии 2ТЭ25А «Витязь» на Дальневосточной железной дороге / М.С. Алексеева // Технические науки - от теории к практике: сб. ст.по матер. LVIII междунар. науч.-практ. конф. №5(53). Часть II. - Новосибирск: Си-бАК, 2016. - С. 63.).
Известен сферический резинометаллический шарнир, содержащий трехсекционное металлическое кольцо, внутренняя поверхность которого образует сферу, втулку с шаровой внешней поверхностью, пространство между сферой и шаром заполнено амортизационной резиной, привулканизо-ванной к сопрягаемым поверхностям втулки и кольца и имеющей предварительный натяг (см. Повышение надежности экипажной части тепловозов: монография / А.И. Беляев, Б.Б. Бунин, С.М. Голубятников и др. Под ред. Л.К. Добрынина. - М., Транспорт, 1984, С. 166-167, рис. 80).
Указанный шарнир имеет те же недостатки, что и рассмотренный выше, поскольку геометрия резинового слоя при разделении металлического кольца на три сегмента остается той же.
р
Известен способ сборки резинометаллического сферического шарнира, включающий соосную установку двух внешних колец с внутренними сферическими поверхностями, с зазором между взаимообращенными торцами, размещение внутри колец втулки с наружной сферической поверхностью, установку между втулкой и кольцами резинового элемента с осевой кольцевой выемкой на наружной поверхности, вулканизацию резинового элемента, предварительную затяжку колец до закрытия кольцевой выемки и фиксацию колец в указанном положении, форму выемки выполняют, исходя из соотношения  где В - ширина выемки на расстоянии δ мм, δ - расстояние от плоскости, параллельной продольной оси шарнира и касательной к сферической поверхности колец, мм, α - угол раскрытия резинового элемента, определяемый вертикальной осью симметрии шарнира и прямой, проходящей через центр шарнира и торец внутренней поверхности кольца, град, R - радиус наружной сферической поверхности резинового элемента, мм, h - толщина резинового элемента, мм, Δ - предварительная радиальная деформация сжатия резинового элемента (см. Способ сборки сферического резинометаллического шарнира. А.С. СССР №14903807 / B.C. Коссов, А.И. Кокорев, В.А. Лысак, В.А. Пузанов, B.C. Авраменко, О.В. Измеров. Опубл. 15.07.89, бюл. №26.)
В шарнире такой конструкции долговечность повышена за счет снижения относительных растягивающих деформаций на гранях кольцевой выемки резинового слоя при затяжке, поскольку при указанной форме выемки после сборки боковые поверхности выемки соприкасаются друг с другом, что препятствует дальнейшей их деформации и появления напряжений растяжения, вызывающих рост поверхностных трещин. Указанный шарнир имеет те же недостатки, что и описанные выше.
Известно, что цилиндрические резинометаллические блоки с двуслойной резиновой втулкой имеют радиальную жесткость в несколько раз выше, чем с однослойной (см. 6. Потураев В.Н. Резиновые и резинометаллические детали машин [Текст]. - Москва: Машиностроение, 1966, С. 153, 159, рис. 105 г).
Известен сферический резинометаллический шарнир, содержащий внутреннюю втулку с наружной сферической поверхностью, наружную втулку с внутренними сферическими поверхностями, резиновый элемент, соединенный вулканизацией со сферическими поверхностями внутренней и наружной втулок и внутренней металлической арматурой, причем наружная и внутренняя втулки, резиновый элемент и металлическая арматура выполнены из двух частей, с плоскостью разъема, перпендикулярной оси продольного отверстия внутренней втулки (см. Jacques Bourgeot. Resilient swivel joint for railway car suspensions, US Patent №5031545, Jul. 16, 1991.)
Недостаток данного шарнира заключается в том, что в собранном шарнире поверхности резинового элемента, обращенные друг к другу, не соприкасаются, что приводит к возникновению напряжений растяжений на поверхностях резинового элемента и снижению долговечности при воздействии переменных нагрузок. Шарнир не может выдерживать нагрузок, направленных радиально к оси шарнира, поскольку наружная втулка упрется в диск, разделяющий части внутренней втулки. Кроме того, части внутренней втулки не центрируются друг относительно друга, что может привести к их поперечному смещению, препятствующему монтажу узла, частью которого является шарнир.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран сферический резинометаллический шарнир, содержащий внутреннюю втулку с наружной сферической поверхностью, наружную втулку с внутренними сферическими поверхностями, резиновый элемент, соединенный вулканизацией со сферическими поверхностями внутренней и наружной втулок и внутренней металлической арматурой, причем наружная и внутренняя втулки, резиновый элемент и металлическая арматура выполнены из двух частей, с плоскостью разъема, перпендикулярной оси продольного отверстия внутренней втулки, сферический резинометаллический шарнир содержит ступенчатую цилиндрическую втулку с гладкой средней частью, резьбовыми концами с одинаковыми диаметрами резьбы и отверстием с диаметром, равным или больше диаметра продольного отверстия во внутренней втулке, каждая из частей внутренней втулки имеет ступенчатую проточку со стороны, направленной к середине шарнира и состоящей из гладкой части с внутренним диаметром, равным наружному диаметру гладкой части ступенчатой цилиндрической втулки, и резьбовой части с диаметром резьбы, равным диаметру резьбы на ступенчатой цилиндрической втулке, а поверхности частей резинового элемента, обращенные друг к другу, после установки шарнира в охватывающую деталь соприкасаются друг с другом без зазора между ними (см. Патент на полезную модель №202196, Российская Федерация, СПК F16C 11/06 (2020.08); Сферический резинометаллический шарнир. / Воробьев В.И., Воробьев Д.В., Измеров О.В., Космодамианский А.С., Капустин М.Ю., Стрекалов Н.Н., Самотканов А.В., Шевченко Д.Н., Корчагин В.О. Опубл. 05.02.2021, бюл. №4).
Недостаток прототипа заключается в том, что при радиальном нагружении шарнира относительная радиальная деформация резинового элемента между наружной втулкой и металлической арматурой и относительная радиальная деформация резинового элемента между металлической арматурой и внутренней втулкой могут быть различными, вследствие различия величин площади свободной поверхности частей резинового элемента, находящейся снаружи и внутри металлической арматуры, а также различия площадей поверхностей наружной и внутренней втулок, контактирующих с резиновым элементом. Элемент с более высокой радиальной деформацией быстрее выходит из строя в процессе эксплуатации, что приводит к сокращению срока службы шарнира. Другим недостатком прототипа является то, что в прототипе края резинового элемента контактируют с цилиндрическими частями наружной и внутренней втулок и металлической арматуры, что приводит к дополнительным деформациям сжатия при повороте шарнира относительно оси, перпендикулярной к оси втулок.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в снижении расходов на ремонт и эксплуатацию путем повышения долговечности сферического резинометаллического шарнира за счет равномерного нагружения частей резинового элемента.
Это достигается тем, что в сферическом резинометаллическом шарнире, содержащем внутреннюю втулку с наружной сферической поверхностью, наружную втулку с внутренними сферическими поверхностями, резиновый элемент, соединенный вулканизацией со сферическими поверхностями внутренней и наружной втулок и внутренней металлической арматурой, причем наружная и внутренняя втулки, резиновый элемент и металлическая арматура выполнены из двух частей, с плоскостью разъема, перпендикулярной оси продольного отверстия внутренней втулки, ступенчатую цилиндрическую втулку с гладкой средней частью, резьбовыми концами с одинаковыми диаметрами резьбы и отверстием с диаметром, равным или больше диаметра продольного отверстия во внутренней втулке, каждая из частей внутренней втулки имеет ступенчатую проточку со стороны, направленной к середине шарнира и состоящей из гладкой части с внутренним диаметром, равным наружному диаметру гладкой части ступенчатой цилиндрической втулки, и резьбовой части с диаметром резьбы, равным диаметру резьбы на ступенчатой цилиндрической втулке, а поверхности частей резинового элемента, обращенные друг к другу, после установки шарнира в охватывающую деталь соприкасаются друг с другом без зазора между ними, угол между прямыми, проходящими через крайние точки вулканизации резинового элемента к наружной втулке и центром сферического шарнира, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира, равен углу между прямыми, проходящими через крайние точки вулканизации резинового элемента к внутренней металлической арматуре и центром сферического шарнира, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира, и меньше угла между прямыми, проходящими через крайние точки вулканизации резинового элемента к внутренней втулке и центром сферического шарнира, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1. изображен общий вид сферического резинометаллического шарнира в сборе, установленного в охватывающую деталь.
Предлагаемый сферический резинометаллический шарнир содержит внутреннюю втулку 1 с наружной сферической поверхностью, наружную втулку 2 с внутренними сферическими поверхностями, резиновый элемент 3, соединенный вулканизацией со сферическими поверхностями внутренней втулки 1, наружной втулки 2 и внутренней металлической арматурой 4, причем внутренняя втулка 1, наружная втулка 2, резиновый элемент 3 и металлическая арматура 4 выполнены из двух частей, с плоскостью разъема, перпендикулярной оси продольного отверстия внутренней втулки 1. Сферический резинометаллический шарнир содержит ступенчатую цилиндрическую втулку 5 с гладкой средней частью, резьбовыми концами с одинаковыми диаметрами резьбы и отверстием с диаметром, равным или больше диаметра продольного отверстия во внутренней втулке 1, каждая из частей внутренней втулки 1 имеет ступенчатую проточку со стороны, направленной к середине шарнира и состоящей из гладкой части с внутренним диаметром, равным наружному диаметру гладкой части ступенчатой цилиндрической втулки 5, и резьбовой части с диаметром резьбы, равным диаметру резьбы на ступенчатой цилиндрической втулке 5. Сферический резинометаллический шарнир установлен в охватывающую деталь 6, например, путем запрессовки, вследствие чего части наружной втулки 2 и металлической арматуры 4 сомкнуты, при этом поверхности частей резинового элемента 3, обращенные друг к другу, соприкасаются друг с другом без зазора между ними.
1
1
1
1
1
1
1
Угол AOA между прямыми, проходящими через крайние точки А и А вулканизации резинового элемента 3 к наружной втулке 2 и центром сферического шарнира О, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира D-D, равен углу BOB между прямыми, проходящими через крайние точки В и В вулканизации резинового элемента 3 к внутренней металлической арматуре 4 и центром сферического шарнира О, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира D-D, и меньше угла COC между прямыми, проходящими через крайние точки С и C вулканизации резинового элемента 3 к внутренней втулке 1 и центром сферического шарнира О, лежащими в плоскости, проходящей через продольную ось шарнира D-D (как показано на фиг. 1, угол ϕ меньше угла ϕ).
1
1
1
Величина углов AOA и BOB при заданной величине угла COC (углов раскрытия) определяется экспериментально, исходя из условия, что при приложении к шарниру радиальной нагрузки относительная деформация резинового элемента 3 в промежутке между внутренней втулкой 1 и внутренней металлической арматурой 4 и относительная деформация резинового элемента 3 в промежутке между наружной втулкой 2 и внутренней металлической арматурой 4 должны быть одинаковы.
Технико-экономический эффект заявленной полезной модели заключается в том, что одинаковая относительная деформация резинового элемента по обе стороны внутренней металлической арматуры при нагружении шарнира, достигнутая за счет того, что угол раскрытия резинового элемента с наружной стороны внутренней металлической арматуры меньше, чем угол раскрытия резинового элемента с внутренней стороны внутренней металлической арматуры, что ведет к повышению срока службы сферического резинометаллического шарнира и снижению расходов на ремонт и эксплуатацию шарнира.