ШАРНИР КАРДАННЫЙ РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ

Полезная модель относится к механизмам типа универсального шарнира или двойного механизма Кардана и может быть использована для передачи вращения между валами в приводах автомобилей и других машин.
Известен шарнир карданный равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, опорно-центрирующее звено, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу малого радиуса, четыре дополнительных шарика, расположенных в криволинейных канавках вилок валов (Автомобили УАЗ-3741, УАЗ-3962, УАЗ-3909, УАЗ-2206, УАЗ-3303 и их модификации. Руководство по эксплуатации РЭ05808600.059-96. - Ульяновск: Дом печати, 1996. - С.101.)
Недостатком шарнира карданного равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом частей механизма, в том числе опорно-центрирующего звена и дополнительных шариков, выпадением дополнительных шариков из канавок вилок валов, заклиниванием механизма при изменении угла передачи вращения.
Известен шарнир карданный равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу (С. на полезную модель 42869 РФ, МКИ F 16 С 11\06. Шарнир равных угловых скоростей \ Свиязов О.Ю. \\ Б.И. - 2004. - №12).
Недостатком шарнира карданного равных угловых скоростей является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом частей механизма, в том числе опорно-центрирующего звена, заклиниванием механизма при изменении угла передачи вращения. Кромки взаимодействующих поверхностей вилок и боковых пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы, что приводит при незначительном износе или незначительном механическом воздействии на опорно-центрирующее звено к выходу его из строя во время работы, сборки или ремонта механизма.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является шарнир карданный равных угловых скоростей, содержащий ведущий и ведомый валы с вилками на концах, вилки имеют одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные наружные поверхности, задающие толщину вилки, внешнее основание, перпендикулярное оси вала, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности с радиусным основанием, равным половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой сферу (П. на промышленный образец
53407 РФ, Комплект карданов равных угловых скоростей \ Брагин А.В. \\ Б.п.о. - 2003. - №10).
Указанный шарнир карданный равных угловых скоростей рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы, что обусловлено быстрым повышенным износом частей механизма, в том числе опорно-центрирующего звена, заклиниванием механизма при изменении угла передачи вращения. Кромки взаимодействующих поверхностей вилок и боковых пазов опорно-центрирующего звена имеют острые углы, что приводит при незначительном износе или незначительном механическом воздействии на опорно-центрирующее звено к выходу его из строя во время работы, сборки или ремонта механизма. При работе механизма внутренние поверхности пазов вилок постоянно не соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующего звена, то есть звенья механизма не образуют низшей пары, что увеличивает износ шарнирного механизма.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы шарнира карданного равных угловых скоростей, что является целью создания полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в шарнире карданном равных угловых скоростей, содержащем ведущий и ведомый валы с вилками на концах, вилки имеют одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные наружные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, перпендикулярное оси вала, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности с радиусным основанием q, равным половине ширины паза вилки, опорно-центрирующее звено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера, прямоугольного профиля, ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h, боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно
1/2
перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена, поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости, вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°, радиус цилиндров, пересечение поверхностей которых ограничивает геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, равен радиусному основанию q участка паза вилки в форме дуги окружности, поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r, оси которых совпадают с осями цилиндров радиуса q, и цилиндра радиуса R, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена, радиусы r и q связаны соотношением r>q, а радиусы r и R связаны соотношением r<R<2 r.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы шарнира карданного равных угловых скоростей за счет снижения износа звеньев и исключения заклинивания механизма при работе, обусловленными применением низших пар, отсутствием острых кромок взаимодействующих поверхностей звеньев, простым устройством универсального шарнирного механизма.
Повышение надежности работы шарнира карданного равных угловых скоростей является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, формой опорно-центрирующего звена, соотношениями размеров звеньев, пространственной ориентацией, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого шарнира карданного равных угловых скоростей являются существенными.
На рисунке приведен чертеж опорно-центрирующего звена шарнира карданного равных угловых скоростей, поясняющий сущность полезной модели.
1/2
Шарнир карданный равных угловых скоростей содержит ведущий и ведомый валы с вилками на концах и опорно-центрирующее звено. Вилки валов имеют одинаковые размеры, две части, симметричные относительно оси вала, плоские параллельные наружные поверхности, задающие толщину вилки h, внешнее основание, перпендикулярное оси вала, пазы с внутренними поверхностями, перпендикулярными наружным поверхностям, прямолинейным участком и участком в форме дуги окружности с радиусным основанием q, равным половине ширины паза вилки. Опорно-центрирующее звено выполнено с двумя кольцевыми взаимно перпендикулярными пазами одинакового размера прямоугольного профиля. Ширина пазов опорно-центрирующего звена равна толщине вилки h. Боковые поверхности пазов опорно-центрирующего звена симметричны относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, линия пересечения которых проходит через центр опорно-центрирующего звена. Поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров, оси которых взаимно перпендикулярны, проходят через центр опорно-центрирующего звена и перпендикулярны каждая соответствующей плоскости. Радиус цилиндров, пересечение поверхностей которых ограничивает геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, равен радиусному основанию q участка паза вилки в форме дуги окружности. Поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r, оси которых совпадают с осями цилиндров радиуса q, и цилиндра радиуса R, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена. Радиусы r  и q связаны соотношением r>q. Радиусы r и R связаны соотношением r<R<2 r. Вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон с образованием разъемного
шарнирного соединения, обеспечивающего угол передачи вращения более 30°.
Шарнир карданный равных угловых скоростей работает следующим образом. Вращение передается от ведущего вала шарнирного механизма к ведомому валу путем зацепления частей вилок валов в опорно-центрирующем звене. Вилки валов входят в пазы опорно-центрирующего звена с противоположных сторон. Плоские параллельные наружные поверхности вилок валов ориентированы в пространстве взаимно перпендикулярно. При работе взаимодействующие внутренние поверхности пазов вилок постоянно соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центрирующего звена, а взаимодействующие плоские параллельных наружные поверхности вилок валов постоянно соприкасаются с боковыми поверхностями пазов опорно-центрирующего звена. То есть звенья механизма представляют собой низшие кинематические пары, в которых требуемое относительное движение звеньев получено постоянным соприкосновением элементов по поверхности. Вращение может передаваться под произвольным углом между осями валов механизма в пределах заданного диапазона (более 30°). Диапазон изменения угла передачи вращения ограничивается упором внешнего основания вилки вала и плоской параллельной поверхности вилки другого вала и задается размерами звеньев механизма (толщиной вилки h). Механизм допускает не только изменение угла между осями валов, но и смещение их по высоте.
Таким образом, шарнирный механизм является пространственным и обеспечивает передачу вращения между валами, взаимное положение которых во время работы может изменяться.
Поверхности, ограничивающие геометрическую форму оснований пазов опорно-центрирующего звена, представляют собой пересечение поверхностей двух цилиндров. Радиус цилиндров равен радиусному основанию q участка паза вилки в форме дуги окружности. Взаимодействующие звенья механизма постоянно соприкасаются по поверхностям.
1/2
Поверхность, ограничивающая геометрическую форму опорно-центрирующего звена, представляет собой пересечение поверхностей двух цилиндров радиуса r, оси которых совпадают с осями цилиндров радиуса q, и цилиндра радиуса R, ось которого перпендикулярна плоскости, образованной осями цилиндров радиуса r, и проходит через центр опорно-центрирующего звена. Радиусы r и q связаны соотношением r>q. Радиусы r и R связаны соотношением r<R<2 r. Поверхности, образованные пересечением цилиндров радиуса r и цилиндра радиуса R, ориентированы перпендикулярно плоским параллельным наружным поверхностям вилок валов, то есть острые углы кромок отсутствуют.
1/2
Радиус цилиндров радиуса r, в общем случае, должен быть больше значения 2 q. Дальнейшее уменьшение радиуса r относительно радиуса q для заданных размеров звеньев нецелесообразно (несмотря на то, что шарнир и в этом случае полностью сохраняет работоспособность и приобретенные положительные свойства) из-за возможного снижения механической прочности опорно-центрирующего звена.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы шарнира карданного равных угловых скоростей. Снижается износ звеньев механизма при работе за счет применения в шарнире низших пар, то есть взаимодействия элементов звеньев по поверхностям, отсутствия острых углов у кромок взаимодействующих поверхностей звеньев. В том числе, при работе механизма внутренние поверхности пазов вилок постоянно соприкасаются с поверхностями оснований пазов опорно-центирующего звена, что уменьшает износ и повышает надежность работы. Исключается выход из строя опорно-центрирующего звена в результате незначительных механических воздействий во время работы, сборки или ремонта механизма. Исключается заклинивание шарнирного механизма при работе, в том числе при изменении угла передачи вращения, в результате износа или механических воздействий на кромки взаимодействующих поверхностей опорно-центрирующего звена и вилок валов.
Дополнительно, применение заявляемой геометрической формы опорно-центрирующего
звена позволяет изготавливать звено с более высокой производительностью, высоким качеством и точностью, так как обеспечивает более простое центрирование звена при механической обработке, упрощение оснастки, механического зажимав обрабатывающем станке, снижение цены изделия, исключение брака, вызванного механическими воздействиями в процессе выполнения операций по обработке, транспортировке, сборке механизма в целом. При выполнении опорно-центрирующего звена известной формы возможны механические разрушения кромок в результате осуществления необходимых технологических операций по повышению твердости поверхности (закалка, цементация). Обработанные поверхности кромок могут стать хрупкими в результате осуществлении операций по повышению твердости поверхности, что также может приводить к их разрушению при механических воздействиях и к снижению надежности работы шарнирного механизма в целом. Заявляемая полезная модель исключает указанные негативные факторы.
Дополнительно, при применении заявляемой полезной модели облегчается процесс сборки шарнирного механизма, упрощается обеспечение обязательных требований техники безопасности при работе с узлами и деталями, имеющими острые кромки.
Дополнительно, при применении заявляемой полезной модели может быть снижен вес механизма и материалоемкость при его изготовлении для заданных размеров.
Дополнительно, при применении заявляемой полезной модели упрощается выполнение требований технической эстетики (придание механизмам более красивого вида).