Шарнир равных угловых скоростей
HINGED JOINT OF EQUAL ANGULAR SPEEDS

Заявляемое изобретение относится к области автомобилестроения и машиностроения, в частности к шарнирам равных угловых скоростей, и может быть использовано в приводах машин для передачи вращающих моментов в условиях, когда оси соединяемых валов расположены с угловым смещением и пересекаются, а угловые скорости ведущего и ведомого вала совпадают.
Известен шарнир со встречными дорожками качения для больших углов сгиба (патент RU 2324084), позволяющий осуществлять передачу крутящего момента с увеличенными углами сгиба за счет применения аксиальных дорожек качения, имеющих угол раскрытия между касательными к основаниям дорожек, что создает различную длину контактной линии шарика в зависимости от места расположения в аксиальной дорожке, и снижает его нагрузочную способность.
Известен шарнир равных угловых скоростей с охлаждающим кольцом (патент RU 2607011), в котором охлаждающее кольцо расположено на внешней поверхности наружного корпуса шарнира, контактирующей, по меньшей мере, с частью наружной поверхности корпуса, что позволяет отводить тепло в основном только с частей шариковых дорожек, расположенных в наружной части корпуса, а наибольший нагрев шарнира происходит от частей шариковых дорожек расположенных во внутренней части шарнира за счет относительно большего усилия проскальзывания, и загруженности внутренних частей контактной поверхности шариков, а также за счет меньшей массы внутренней части шарнира.
Широко известен шарнир равных угловых скоростей Рцеппа (патент RU 2422691), имеющий шариковые дорожки расширяющиеся в соответствующем осевом направлении, что при возможности вращения шарнира уменьшает в целом контактную поверхность (окружную линию контактирования) шариков с шариковыми дорожками передающих крутящий момент, следовательно, крутящий момент передаваемый шарниром значительно меньше чем с шариковыми дорожками постоянного размера. Так как этот шарнир имеет наибольшее распространение, данный шарнир принят за прототип.
Во всех известных технических решениях шарниров равных угловых скоростей Рцеппа существует ограничение угла передачи силы синхронного вращения, связанное с расширением пар шариковых дорожек, а уменьшение контактной площади касания шариков по длине дорожки уменьшает нагрузочную способность шарнира, кроме того в шарнирах отсутствует возможность принудительной ориентации осей возможного вращения шариков, что увеличивает сопротивление качения шариков. Кроме того существует ограничение возможного скорости вращения шарнира, за счет большей окружной скорости возможного вращения-качения шариков по аксиальным дорожкам выполненных в частях шарнира. Наибольшее нагрев шарнира происходит в его внутренней части, за счет распределения касательных сил (правило рычага), через которую энергия тепла отводится в основном только через шлицевое соединение с валом.
Техническим результатом заявляемого технического решения является увеличение скорости передачи синхронного усилия вращения при углах между валами до 50 градусов, и увеличение ресурса шарнира, а также возможность охлаждения внутренней и внешней частей шарнира, и упрощение конструкции.
Указанный технический результат достигается за счет того, что шарнир равных угловых скоростей, содержащий внешнюю часть шарнира с внутренними шариковыми дорожками, внутреннюю часть шарнира с внешними шариковыми дорожками, передающие крутящий момент шарики, которые расположены в парах дорожек из соответствующих друг другу внешних и внутренних шариковых дорожек, а также кольцеобразный шариковый сепаратор, который посажен между внешней частью шарнира и внутренней частью шарнира и имеет по окружности окна для шариков, в которых передающие крутящий момент шарики удерживаются в биссекторной плоскости, при этом внешние и внутренние шариковые дорожки в шарнире имеют постоянное сечение и расположены аксиально и перпендикулярно друг другу и/или параллельно, а внешняя часть шарнира и внутренняя часть шарнира имеют общий центр возможного вращения, соответствующий по меньшей мере аксиальной точке пересечения осей валов.
Возможны варианты, при которых:
- шарики имеют одинаковый и/или разный размер, соответствующий шариковым дорожкам;
- вдоль возможного качения шариков на внешних и/или внутренних дорожках выполнены продольные углубления, разделяющие на равные и/или неравные части шариковые дорожки;
- на внешней части шарнира выполнены ребра охлаждения;
- внутренняя часть шарнира имеет крышку, выполненную с возможностью защиты и охлаждения внутренних и внешних элементов шарнира, на крышке выполнены ребра охлаждения.
Сущность заявляемой группы изобретений раскрыта на чертежах и в нижеследующем описании.
На Фиг. 1 представлен параллельный шарнир, содержащий шесть шариковых дорожек, выполненных параллельно между собой, с симметричными и несимметричными продольными углублениями, центральные шариковые дорожки расположены аксиально, и имеют больший радиус, чем расположенные рядом, и шесть шариков разного диаметра, имеющих возможность движения - качения по шариковым дорожкам, сепаратор с двумя круглыми отверстиями, и четырьмя вытянутыми, на наружной части шарнира выполнены ребра охлаждения.
На Фиг. 2 представлен параллельный шарнир, содержащий восемь шариковых дорожек, четыре из которых выполнены аксиально и перпендикулярно между собой, и с большими, чем у других радиусами, а четыре другие шариковые дорожки выполнены параллельно между собой, и параллельно одной из шариковых дорожек выполненной аксиально, и восемь шариков одинакового диаметра, сепаратор с двумя круглыми отверстиями и с шестью вытянутыми, и частью крышки наружной части шарнира с ребрами охлаждения.
На фигурах обозначено:
1 - внешняя часть шарнира;
2 - внутренние шариковые дорожки;
3 - внутренняя часть шарнира;
4 - внешние шариковые дорожки;
5 - шарики;
6 - шариковый сепаратор;
7 - окна шарикового сепаратора;
8 - общий центр шарнира;
9 - ось вала внешней части шарнира;
10 - ось вала внутренней части шарнира;
11 - углубления вдоль шариковых дорожек;
12 - ребра охлаждения внешней части шарнира 1;
13 -крышка внутренней части шарнира 3;
14 -ребра охлаждения крышки;
15 -уплотняющая часть крышки, возможно с не менее чем одним уплотнительным кольцом;
16 - округлые окна в шариковом сепараторе.
Шарнир равных угловых скоростей содержит внешнюю часть 1 шарнира с внутренними шариковыми дорожками 2, внутреннюю часть 3 шарнира с внешними шариковыми дорожками 4, передающие крутящий момент шарики 5, которые расположены в парах дорожек из соответствующих друг другу внешних и внутренних шариковых дорожек 2, 4, а также кольцеобразный шариковый сепаратор 6, который посажен между внешней частью 1 шарнира и внутренней частью 3 шарнира и имеет по окружности окна 7 для шариков, а которых передающие крутящий момент шарики 5 удерживаются в биссекторной плоскости, а внешние и внутренние шариковые дорожки 2, 4 в шарнире имеют постоянное сечение и расположены аксиально и перпендикулярно друг другу и/или параллельно, а внешняя часть 1 шарнира и внутренняя часть 3 шарнира имеют общий центр 8 возможного вращения соответствующий по меньшей мере одной центральной точке пересечения осей валов 9, 10, а шарики 5 имеют одинаковый и/или разный размер, соответствующий шариковым дорожкам 2, 4.
Центры шариков 5 (в зависимости от точности изготовления) расположены в биссекторной плоскости, как вариант по окружности, а их поверхности симметричны по биссекторной плоскости, что позволяет применить параллельные шариковые дорожки 2, 4 с постоянным профилем, имеющие необходимые зазоры для возможности вращения -качения шариков 5, а прилегающая часть шариковых дорожек 2, 4 расположена симметрично к биссекторной плоскости угла, образованного между осями валов внешней и внутренней части шарнира 9, 10.
Для увеличения возможной скорости вращения параллельного шарнира желательно использовать только параллельные шариковые дорожки, исключив аксиальные, в связи с меньшей протяженностью шариковых дорожек 2, 4, что уменьшает угловую скорость возможного движения и качения шариков 5, по сравнению с аксиальными шариковыми дорожками, при возможности изменения угла между осями валов 9 и 10 (по аналогии с двигателем - уменьшаем ход поршня).
На Фиг. 1 по траектории возможного качения шариков на внешних или/и внутренних дорожках 2, 4 выполнены продольные углубления 11, разделяющие на равные или/и неравные части шариковые дорожки 2, 4, предназначенные для возможности движения и самоустановки с ориентации осей возможного вращения шариков 5, таким образом, чтобы окружная скорость возможного вращения поверхностей шариков 5 была максимально выровнена с возможным вращением - качением по диагональным шариковым дорожкам 2, 4, внешней и внутренней части параллельного шарнира. При возможности обратного движения шариков по пересечению шариковых дорожек 2, 4 изменяется ось вращения шарика и его направление инерции, поэтому для возможности создания высокооборотного шарнира желательно применение пустотелых или/и легких шариков 5.
Шариковый сепаратор 6 предназначен для удержания шариков 5 в биссекторной плоскости, когда угол между осями валов внешней и внутренней частями шарнира 9 и 10 приближается к 180 градусам, потому, что в остальных случаях шарики 5 возможно удержать в «клетке» состоящей из шариковых дорожек 2, 4. Округлые окна 16 для шариков 5 расположены в сепараторе 6 для его центровки с возможностью качания относительно не менее чем одного шарика 5, расположенного в аксиальных шариковых дорожках 2, 4. Сепаратор 6 возможно также удержать за счет контакта с поверхностью любого шарика 5 при наличии контакта поверхности сепаратора 6 с внешней 1 или внутренней частью 3 шарнира.
На Фиг. 1 показаны ребра охлаждения 12, выполненные на внешней части 1 шарнира, предназначенные для усиления внешнего теплообмена внешней части 1 шарнира с окружающей средой.
На Фиг. 2 показан шарнир равных угловых скоростей, имеющий восемь шариков 5 одинакового диаметра, четыре из которых расположены в аксиальных шариковых дорожках 2, 4 и перпендикулярных к друг другу, а четыре шарика 5 расположены в параллельных шариковых дорожках 2, 4, расположенных параллельно одной из аксиальных шариковых дорожек 2, 4, и перпендикулярно другой аксиальной шариковой дорожке 2, 4. На Фиг. 2 параллельность и перпендикулярность расположения шариковых дорожек 2, 4 изображена линиями, расположенными по шарикам 5. На Фиг. 2 показана часть крышки внутренней части шарнира 13, имеющая ребра охлаждения 12, крышка имеет постоянный тепловой контакт с внутренней частью 3 шарнира и имеет зоны касания с возможностью отбора тепловой энергии от внешней части 1 шарнира через уплотняющую часть крышки 15, закрывающей шарнир от внешних механических повреждений. В уплотняющей части крышки 15 возможна установка не менее чем одного уплотнительного кольца (на чертеже показана полукольцевая выемка около края крышки 13). Крышка 13 состоит из соединенных между собой частей, для возможности установки в шарнир, с возможностью отвода тепла от внутренней части шарнира 3. В случае, с внутренним валом показанном на Фиг. 1 обеспечение теплового контакта с частью шарнира 3 при установке крышки 13 затруднено. Крышка 13 с ребрами охлаждения 14 ограничивает полный угол поворота шарнира, который в основном зависит от соотношения диаметра вала исходящего из внутренней части шарнира 3 к размеру частей шарнира, в данном случае имеется сектор с углом наклона от центра шарнира 8 менее 100 градусов, или уменьшает диаметр вала расположенного по оси 10.
Для компенсации возможных люфовых зазоров, вызванных износом шарнира, или точностью его изготовления возможно установка подпружиненного упора (на чертеже не показано) между внешней частью шарнира 1 и внутренней частью 3.