ШАРНИР КАРДАННЫЙ ДИСКОВЫЙ СИНХРОННЫЙ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к сферическим устройствам типа шарнира Гука или двойного механизма Кардана и может использоваться в качестве шарнира равных угловых скоростей, а также аналога шарнира неравных угловых скоростей в приводах тракторов и минитракторов, автомобилей и других транспортных средств, иных машин и механизмов для передачи вращения между валами, оси которых пересекаются под переменным углом и могут изменять свое положение. При этом угловые скорости ведущего и ведомого валов работающего механизма должны быть близкими или совпадать, а вращение передаваться, в основном, равномерно. Полезная модель расширяет область применения механизма.
Известен шарнир карданный, содержащий две вилки, имеющие по две цапфы симметричные относительно параллельных плоскостей равноудаленных от оси вилки, с отверстиями, оси которых совпадают и перпендикулярны осям соответствующих вилок, крестовину, имеющую две пары соосных шипов, подвижно соединяемую с вилками через подшипники качения, размещаемые на шипах крестовины и устанавливаемые в отверстия цапф, оси отверстий цапф вилок взаимно перпендикулярны (ГОСТ Р 52923-2008. Автомобильные транспортные средства. Шарниры карданные неравных угловых скоростей. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2008. - С.3-5).
Недостатком шарнира карданного является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность передачи вращения, а также низкой надежности работы в результате значительных циклических нагрузок на звенья механизма и подшипники при работе с большими углами между осями вилок, которые могут привести к их разрушению. Механизм классифицируется, как шарнир неравных угловых скоростей, и может быть применен только в ограниченном числе случаев функционирования с малыми углами, когда неравномерностью передачи вращения можно пренебречь.
Известен шарнир карданный дисковый синхронный, содержащий две вилки, имеющие цапфы с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину цапфы, ограничивающими поверхностями, пазами в форме части поверхности цилиндра, ось которого перпендикулярна оси вилки, образующими зубья цапфы, два кулака с внешней и опорной поверхностями, с шейкой на внешней поверхности, поверхность основания шейки представляет собой часть поверхности цилиндра, ось которого параллельна оси кулака, и с канавкой в центральной области опорной поверхности прямоугольного профиля, боковые поверхности канавки симметричны относительно плоскости канавки, проходящей через ось кулака и перпендикулярной опорной поверхности, поверхность основания канавки представляет собой часть поверхности цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости канавки, диск, подвижно соединяющий кулаки и устанавливаемый в канавки, цапфы вилок охватывают шейки кулаков с образованием разъемного шарнирного карданного соединения (Конструкция автомобиля. Шасси. Под общей редакцией А.Л.Карунина. - М.: МАМИ, 2000. - С.166).
Недостатком шарнира карданного дискового синхронного является узкая область применения из-за сравнительно большого возможного расстояния L между наружными торцами, обусловленного конструкцией, наличием шейки заданной формы, ограничивающей допустимую глубину канавки на опорной поверхности, сложности сборки механизма, ограниченности максимального угла передачи вращения, что связано с наложением зубьев, низкой надежности, обусловленной недостаточной прочностью диска и боковых поверхностей канавок, возможными перегревами взаимодействующих поверхностей большой площади и неудовлетворительными условиями подвода к ним смазочного материала.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является шарнир карданный дисковый синхронный, содержащий две вилки, имеющие цапфы с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину цапфы, ограничивающими поверхностями, пазами в форме части поверхности цилиндра, ось которого перпендикулярна оси вилки, образующими зубья цапфы, два кулака с внешней и опорной поверхностями, с шейкой на внешней поверхности, поверхность основания шейки представляет собой часть поверхности цилиндра, ось которого параллельна оси кулака, и с канавкой в центральной области опорной поверхности прямоугольного профиля, боковые поверхности канавки симметричны относительно плоскости канавки, проходящей через ось кулака и перпендикулярной опорной поверхности, поверхность основания канавки представляет собой часть поверхности цилиндра, ось которого перпендикулярна плоскости канавки, диск, подвижно соединяющий кулаки и устанавливаемый в канавки, цапфы вилок охватывают шейки кулаков с образованием разъемного шарнирного карданного соединения (ГОСТ Р 52924-2008. Автомобильные транспортные средства. Шарниры равных угловых скоростей. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2008. - С.2).
Указанный шарнир карданный дисковый синхронный рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком шарнира карданного дискового синхронного является узкая область применения из-за сравнительно большого возможного расстояния L между наружными торцами, обусловленного конструкцией, наличием шейки заданной формы, ограничивающей допустимую глубину канавки на опорной поверхности, сложности сборки механизма, ограниченности максимального угла передачи вращения, что связано с наложением зубьев, низкой надежности, обусловленной недостаточной прочностью диска и боковых поверхностей канавок, возможными перегревами взаимодействующих поверхностей большой площади и неудовлетворительными условиями подвода к ним смазочного материала.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения шарнира карданного дискового синхронного, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в шарнире карданном дисковом синхронном, содержащем две вилки, имеющие по две цапфы симметричные относительно параллельных плоскостей равноудаленных от оси вилки на расстояние l, с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину цапфы h, ограничивающими поверхностями, пазами в форме части поверхности цилиндра радиуса r, ось которого перпендикулярна оси вилки, образующими короткий и длинный зубья цапфы, короткие и длинные зубья цапф симметричны относительно оси вилки, два кулака с внешней и опорной поверхностями, с двумя пазами на внешней поверхности прямоугольного профиля шириной h, боковые поверхности пазов симметричны относительно параллельных плоскостей, удаленных друг от друга на расстояние 2 l и перпендикулярных оси кулака, поверхности оснований пазов представляют собой части поверхностей цилиндров радиуса r, оси которых совпадают и параллельны оси кулака, и с канавкой в центральной области опорной поверхности прямоугольного профиля шириной H и глубиной 0,3…0,8 R, боковые поверхности канавки симметричны относительно плоскости канавки, проходящей через ось кулака и перпендикулярной опорной поверхности, поверхность основания канавки представляет собой часть поверхности цилиндра радиуса R, ось которого перпендикулярна плоскости канавки, диск толщиной H и радиусом R, подвижно соединяющий кулаки и устанавливаемый в канавки, зубья вилок входят в пазы кулаков с образованием разъемного шарнирного карданного соединения таким образом, что короткие зубья одной вилки располагаются напротив длинных зубьев другой вилки.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения шарнира карданного синхронного за счет возможности уменьшения (регулирования) расстояния L между наружными торцами и снижения, в целом, весогабаритных показателей механизма, большего допустимого максимального угла в шарнире при сохранении величины и высокой равномерности передачи крутящего момента (вращения), соответствующего пределу прочности шарнира, повышения надежности в результате снижения удельной нагрузки на взаимодействующие поверхности наиболее нагруженных звеньев механизма и улучшения условий подвода к ним смазочного материала,
Расширение области применения шарнира карданного дискового синхронного является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, в том числе, вилок и кулаков, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть, отличительными признаками полезной модели. Новый шарнир карданный дисковый синхронный может быть применен, в том числе, в приводах колес жестких ведущих мостов автомобилей повышенной проходимости (полноприводных) с выключаемыми или постоянно включенными передними мостами, обеспечивая высокий коэффициент полезного действия и равномерность передачи крутящего момента. Таким образом, отличительные признаки заявляемого шарнира карданного дискового синхронного являются существенными.
На рисунке приведен эскизный чертеж шарнира карданного дискового синхронного, поясняющий сущность полезной модели.
Шарнир карданный синхронный, содержит две вилки 1, 2, имеющие по две цапфы симметричные относительно параллельных плоскостей равноудаленных от оси вилки на расстояние l, с плоскими параллельными боковыми поверхностями, задающими толщину цапфы h, ограничивающими поверхностями, пазами в форме части поверхности цилиндра радиуса r, ось которого перпендикулярна оси вилки, образующими короткий и длинный зубья цапфы, короткие и длинные зубья цапф симметричны относительно оси вилки, два кулака 3, 4 с внешней и опорной поверхностями, с двумя пазами на внешней поверхности прямоугольного профиля шириной h, боковые поверхности пазов симметричны относительно параллельных плоскостей, удаленных друг от друга на расстояние 2 l и перпендикулярных оси кулака, поверхности оснований пазов представляют собой части поверхностей цилиндров радиуса r, оси которых совпадают и параллельны оси кулака, и с канавкой в центральной области опорной поверхности прямоугольного профиля шириной H и глубиной 0,3…0,8 R, боковые поверхности канавки симметричны относительно плоскости канавки, проходящей через ось кулака и перпендикулярной опорной поверхности, поверхность основания канавки представляет собой часть поверхности цилиндра радиуса R, ось которого перпендикулярна плоскости канавки, диск 5 толщиной H и радиусом R, подвижно соединяющий кулаки и устанавливаемый в канавки, зубья вилок входят в пазы кулаков с образованием разъемного шарнирного карданного соединения таким образом, что короткие зубья одной вилки располагаются напротив длинных зубьев другой вилки.
Шарнир карданный дисковый синхронный работает следующим образом. Вращение передается от ведущей 1 вилки шарнирного механизма к ведомой 2 вилке за счет зацепления поверхностей зубьев цапф в пазах кулаков 3, 4 и диска 5 в канавках кулаков 3, 4. Устройство представляет собой кинематическую цепь, взаимодействие звеньев которой осуществляется за счет трения скольжения (вилки 1, 2, кулаки 3, 4, диск 5), а также трения качения (кулаки 3, 4, диск 5). Передача вращательного момента от вилок 1, 2 к кулакам 3, 4, от кулака 3 к кулаку 4 через диск 5, устанавливаемый в канавки кулаков 3, 4, осуществляется за счет взаимодействия по поверхностям указанных звеньев, то есть, данные кинематические пары являются простыми. Это позволяет обеспечить предельный передаваемый крутящий момент. Плоские параллельные боковые поверхности зубьев цапф вилок 1, 2 собранного механизма при работе с нулевым углом в шарнире ориентированы в пространстве параллельно друг другу и оси диска 5. При работе взаимодействующие внутренние (оснований) и боковые поверхности пазов кулаков 3, 4 соприкасаются соответственно с боковыми поверхностями и поверхностями пазов цапф вилок 1, 2, а поверхности диска 5 с поверхностями канавок кулаков 3, 4. Поскольку обе вилки 1, 2 могут перемещаться в горизонтальной плоскости за счет взаимодействия зубьев с пазами кулаков 3, 4 и, одновременно, в вертикальной плоскости за счет взаимодействия поверхностей канавок кулаков 3, 4 через диск 6, реализуется карданное шарнирное соединение, обеспечивающее равные угловые скорости вилок 1, 2. За счет развитых поверхностей взаимодействия зубьев цапф вилок 1, 2, кулаков 3, 4 и диска 5, точки контакта, через которые передаются окружные силы, находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между осями вилок 1, 2 (то есть, также в биссекторной плоскости).
Механизм допускает не только изменение угла между осями ведущей 1 и ведомой 2 вилок, но и смещение их по высоте.
Свободное перемещение вилок относительно кулаков 3, 4 и кулаков 3, 4 относительно диска 5 позволяет компенсировать погрешности сборки механизма и небольшие осевые смещения вилок 1, 2, возникшие в ходе, например, эксплуатации автомобиля с шарниром. Вращение может передаваться под произвольным углом между осями ведущей 1 и ведомой 2 вилок механизма в пределах заданного диапазона (до более 42°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором поверхностей зубьев цапф вилок 1, 2. Выполнение цапф вилок 1, 2 с зубьями разной длины позволяет обеспечить больший угол в шарнире без наложения зубьев. Короткие зубья одной вилки 1 (2) в собранном механизме располагаются напротив длинных зубьев другой вилки 2 (1). В результате, при повороте вилок 1, 2 они не мешают друг другу и не ограничивают угол передачи вращения. Цапфы вилок 1, 2 (и, соответственно, пазы кулаков 3, 4) равноудалены относительно осей. Поэтому внешняя поверхность и пазы кулаков 3, 4 не ограничивают глубину канавок на их опорной поверхности. Глубина канавок 0,3…0,8 R обеспечивает необходимое расстояние L между наружными торцами в шарнире и заданную прочность звеньев.
Таким образом, шарнирный механизм является пространственным и обеспечивает равномерную передачу вращения между вилками (1, 2), взаимное положение которых во время работы может изменяться.
Для ограничения возможности продольного перемещения служат упорные бурты у оснований вилок 1, 2. При этом внешняя ограничивающая деталь взаимодействует с поверхностью упорного бурта и предотвращает продольное перемещение звеньев механизма. Таким образом, например, механизм устанавливается и используется в жестких ведущих мостах транспортных средств различного назначения.
Сравнительно большие площади взаимодействующих поверхностей звеньев позволяют передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьшее регулируемое расстояние L между торцами), а простота конструкции и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, позволяют достичь высокой надежности.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения нового шарнирного механизма за счет возможности регулирования расстояния L между наружными торцами, снижения весогабаритных показателей, упрощения сборки, увеличения максимального угла в шарнире.
Площадь взаимодействующих поверхностей увеличивается за счет выполнения звеньев механизма в заявленном виде. В результате, снижается удельная нагрузка и увеличивается крутящий момент, соответствующий пределу прочности шарнира. Надежность устройства возрастает. Надежность механизма растет и за счет снижения вероятности «задиров» взаимодействующих поверхностей при улучшении условий подвода смазочного материала. За счет большей площади взаимодействующих поверхностей снижается износ звеньев карданного механизма при длительной эксплуатации, что также повышает надежность его работы.
Повышение надежности расширяет область применения механизма. Заявляемый механизм, в частности, может быть применен в ведущих мостах автомобилей семейства УАЗ.
Одновременно снижаются материальные затраты при изготовлении нового механизма и его цена за счет оптимизации конструкции звеньев, что дополнительно расширяет область его применения.