ПРИВОДНОЙ ВАЛ И ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ НЕГО
DRIVEN SHAFT AND HINGE OF EQUAL ANGULAR SPEED FOR IT

Изобретение относится к приводному валу, в частности продольному валу для автомобилей, содержащему по меньшей мере один полый участок вала и по меньшей мере один шарнир равных угловых скоростей (ШРУС), наружная обойма которого соединена с полым участком и который герметично изолирован от полого участка вала крышкой. Кроме того, изобретение относится к шарниру равных угловых скоростей, используемому в таком приводном валу.
Шарнир равных угловых скоростей указанного типа, предназначенный для приводного вала, известен из DE 10209993 А1. В этом шарнире, выполненном в виде шарнира с парными, расположенными напротив друг друга канавками (шарнир Жеппы), наружная обойма охвачена держателем, причем между держателем и наружной обоймой предусмотрен уплотнительный диск или крышка, который(-ая) должен(-на) препятствовать проникновению грязи в шарнир. При дорожно-транспортном происшествии, например при лобовом столкновении, на приводной вал также действуют высокие осевые усилия, за счет которых шарнир равных угловых скоростей может разрушиться, в результате чего внутренняя обойма может проникнуть в соединенный с наружной обоймой полый вал. При этом крышка, служащая только для герметизации шарнира, не оказывает заметного сопротивления, а уже при сравнительно небольших усилиях может войти в полый вал вместе с внутренней обоймой.
Сегодня в автомобилях приводной вал, в числе прочих деталей, также рассчитывается на восприятие возможных нагрузок, возникающих при столкновении, чтобы при возникновении высокого, например вызванного дорожно-транспортным происшествием, осевого усилия он воспринимал энергию и деформировался. При этом деформация должна происходить, по возможности, таким образом, чтобы приводной вал не мог войти в салон автомобиля, что позволяет снизить риск травмирования пассажиров. Для этого в DE 4227967 А1 предложен приводной вал, имеющий зону с определенным образом воспроизводимым характером пластической деформации. Эта зона выполнена с таким расчетом, чтобы участки приводного вала, выполненного в виде полого вала, на отдельных участках складывались друг с другом и входили друг в друга. В этом варианте выполнения приводного вала, который называется выворачиваемой трубой, он при превышении определенного осевого усилия целенаправленно деформируется с сильным поглощением энергии.
Если выполненный таким образом приводной вал содержит описанный выше шарнир равных угловых скоростей, то при возникновении вызванного дорожно-транспортным происшествием высокого осевого усилия может произойти сначала быстрое нарастание этого усилия при малой деформации, пока шарнир равных угловых скоростей не разрушится. Затем внутренняя обойма шарнира равных угловых скоростей вместе с крышкой может вдвинуться со сравнительно малым усилием в полый вал на определенный отрезок, прежде чем полый вал упрется, например, в коробку передач или в дифференциал. Лишь после этого вал деформируется с большим поглощением усилий. За счет этих быстро следующих друг за другом процессов нарастания, падения и повторного нарастания деформирующего усилия на пассажиров воздействуют знакопеременные ускорения, которые могут привести к травмам, например шейному синдрому, или даже к более тяжелым последствиям.
Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача создания приводного вала описанного выше рода и шарнира равных угловых скоростей, дополнительно оптимизированных в отношении поведения при столкновении.
В изобретении эта задача решается по существу за счет того, что у приводного вала крышка и полый участок вала выполнены и расположены таким образом, чтобы внутренняя обойма шарнира равных угловых скоростей вследствие воздействия на нее осевого усилия, в частности при дорожно-транспортном происшествии, не могла проникнуть в полый участок вала или по меньшей мере проникала в него незначительно, причем крышка имеет обращенный к внутренней обойме выступ, образующий упорную поверхность, которая допускает осевое перемещение внутренней обоймы относительно наружной обоймы, в частности при дорожно-транспортном происшествии, но ограничивает его максимальным расстоянием смещения. Следовательно, необходимое для деформации приводного вала и шарнира равных угловых скоростей усилие быстро нарастает, не спадая при практически не требующем приложения усилий перемещении внутренней обоймы в полом валу. Таким образом, в предлагаемом в изобретении приводном валу заданная деформация приводного вала может начинаться практически непосредственно после разрушения шарнира равных угловых скоростей, благодаря чему на пассажиров воздействуют максимально равномерные замедления.
Поставленная задача решается также посредством шарнира равных угловых скоростей, в котором крышка имеет обращенный к внутренней обойме выступ, образующий упорную поверхность, которая допускает осевое перемещение внутренней обоймы относительно наружной обоймы, в частности при дорожно-транспортном происшествии, но ограничивает его максимальным расстоянием смещения. Чтобы крышка не влияла на необходимый в эксплуатации максимальный поворот внутренней обоймы относительно наружной обоймы (изгиб в шарнире), между внутренней обоймой и крышкой предусмотрено по меньшей мере небольшое расстояние. За счет этого осевое перемещение внутренней обоймы относительно наружной обоймы ограничено, например, до значения, меньшего 25 мм. Чтобы на пассажиров воздействовало максимально равномерное замедление, максимальное смещение между внутренней и наружной обоймами ограничено крышкой менее чем до 15 мм, например менее чем до 10 мм.
Чтобы после разрушения шарнира равных угловых скоростей вследствие высокого осевого усилия произошла целенаправленная деформация приводного вала, крышка за счет подходящего выбора ее геометрии и/или материала должна выдерживать передаваемое внутренней обоймой осевое усилие по меньшей мере 50 кН. Величина этого воспринимаемого крышкой осевого усилия зависит от величины усилия, при котором происходит целенаправленная деформация приводного вала. Поэтому часто необходимо, чтобы крышка выдерживала осевое усилие свыше 100 кН, предпочтительно свыше 150 кН или около 250 кН.
Крышка также может быть снабжена для жесткости гофрами, ребрами, загибами и т.п. Если крышка не рассчитана на восприятие высокого осевого усилия за счет лишь своей формы и/или своего профиля, то она также может состоять из высокопрочного металла или из синтетического материала (пластика), в частности армированного волокном.
Чтобы подходящим образом зафиксировать крышку на наружной обойме и/или на приводном валу, наружная обойма, по меньшей мере на отдельных участках, может быть охвачена держателем, в частности образующим полый участок вала, с фиксацией от проворачивания и закреплена в этом держателе. Разумеется, крышка может быть также сварена с наружной обоймой и/или приводным валом или соединена иным подходящим образом. Для этого держатель (посадочная деталь), наружная обойма и/или приводной вал может иметь уступ, насечку и т.п., в которую может упираться крышка.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения внутренняя обойма соединена, в частности за одно целое, с втулкой, которая имеет внутренние шлицы для соединения с фиксацией от проворачивания с шейкой вала коробки передачи или дифференциала. В этом варианте внутренняя обойма насаживается непосредственно на шейку выходного вала коробки передач или входного вала дифференциала, в результате чего приводной вал не только легче монтируется, но и оптимально центрируется.
Кроме того, рациональным является выполнение шарнира равных угловых скоростей, например, аналогично описанной в DE 10209933 А1 конструкции в виде шарнира с расположенными напротив друг друга канавками, в котором сепаратор установлен с возможностью направленного перемещения в наружной обойме посредством поверхностей центрирования сепаратора.
Приводной вал и шарнир равных угловых скоростей, выполненные в соответствии с изобретением, применимы не только в продольных валах автомобилей, но годятся также, например, для монтажа в полуоси. Поскольку необходимый в эксплуатации максимальный изгиб шарнира в полуоси в большинстве случаев заметно больше изгиба, необходимого для продольного вала, расстояние от крышки до деталей шарнира, в частности внутренней обоймы, следует выбирать так, чтобы обеспечить достаточно большой изгиб шарнира, составляющий, например, около 10° для продольного вала или около 20° для полуоси.
Модификации, преимущества и возможности применения изобретения приведены в нижеследующем описании примера его осуществления и на чертеже. При этом все описанные и/или представленные на чертежах признаки, взятые в отдельности или в любой комбинации, относятся к предмету изобретения независимо от их изложения в формуле изобретения или подчиненности пунктов формулы.
На чертеже схематично изображен разрез предлагаемого в изобретении шарнира 1 равных угловых скоростей, который содержит внутреннюю обойму 2, наружную обойму 3 и шарики 5, размещенные в сепараторе 4 для передачи крутящего момента между внутренней 2 и наружной 3 обоймами.
Шарнир 1 равных угловых скоростей выполнен в виде шарнира с расположенными напротив друг друга дорожками, вследствие чего внутренняя 2 и наружная 3 обоймы имеют распределенные по окружности и расположенные попеременно первые внутренние и, соответственно, внешние канавки, а также вторые внутренние и, соответственно, внешние канавки. Изображенные на чертеже первые внутренние канавки 2а вместе с первыми внешними канавками 3а образуют пару канавок, в которой находится один шарик 5.
На внутренней поверхности наружной обоймы 3 между внешними канавками выполнены попарно примыкающие друг к другу первые и вторые поверхности центрирования сепаратора, из которых на чертеже видны только его первые поверхности 3b центрирования сепаратора. Первые поверхности 3b центрирования сепаратора примыкают к первым внешним канавкам 3a, а вторые поверхности центрирования сепаратора - ко вторым внешним канавкам. Первые и вторые поверхности центрирования сепаратора проходят от противоположных краев наружной обоймы 3 в противоположных направлениях без поднутрений и приближаются при этом к оси наружной обоймы. За счет выполненных таким образом поверхностей центрирования сепаратора может быть обеспечено направленное движение сепаратора 4 в наружной обойме 3.
Внутренняя обойма 2 выполнена в виде втулочной детали, на наружной поверхности которой выполнены внутренние канавки, а ее внутренняя поверхность снабжена на отдельных участках внутренними шлицами 6, благодаря чему внутренняя обойма 2 может быть насажена, например, на выходной вал коробки передач или входной вал дифференциала.
В изображенном варианте выполнения наружная обойма 3 охвачена держателем (посадочной деталью) 7, который соединен с ней с фиксацией от проворачивания. На обращенной от внутренней обоймы 2 стороне держатель 7 образует полый участок 8 вала, который может переходить за одно целое в приводной вал или может быть соединен с ним соответствующим образом, например сваркой. В месте перехода между держателем 7 и полым участком 8 выполнен ступенчатый выступ 9, в который вставлена крышка 10. При этом крышка 10 герметично изолирует шарнир 1 равных угловых скоростей от полого участка 8 вала.
Крышка 10 выполнена с центральным выступом 11, выдающимся в направлении внутренней обоймы 2. Между этим выступом 11 крышки 10 и внутренней обоймой 2 остается зазор 12, позволяющий внутренней обойме 2 поворачиваться относительно наружной обоймы 3, не упираясь в крышку 10. Однако зазор 12 выбран минимально возможным и составляет, например, около 10 мм. Для жесткости в крышке 10 выполнены несколько радиальных гофров 13.
Если, например, при дорожно-транспортном происшествии на шарнир 1 равных угловых скоростей действует обозначенное стрелками осевое усилие, он разрушается, в результате чего внутренняя обойма 2, прочно удерживаемая в рабочем состоянии в наружной обойме 3, может свободно смещаться в ней в осевом направлении. Под действием осевого усилия внутренняя обойма 2 смещается на определяемый зазором 12 отрезок, пока не упрется в выступ 11 крышки 10, который таким образом образует упорную поверхность для внутренней обоймы 2. Поскольку крышка 10 имеет высокую жесткость и зафиксирована в выступе 9 в осевом направлении, внутренняя обойма 2 не может проникнуть дальше в полый участок 8 вала. При нарастании осевого усилия, действующего на шарнир 1 равных угловых скоростей, приводной вал (не показан) определенным образом деформируется, например по типу выворачиваемой трубы. Этот процесс сопровождается значительным поглощением энергии.
Следовательно, посредством профиля, материала и/или формы крышки 10 можно заданным образом установить как максимальное расстояние, проходимое внутренней обоймой 2 при ее перемещении, так и восприятие крышкой 10 усилий. Так, крышка 10 может воспринимать без проникновения внутренней обоймы 2 в полый участок 8 вала осевое усилие, например вызванное дорожно-транспортным происшествием, составляющее примерно от 150 до 200 кН.
Представленный на чертеже вариант выполнения крышки 10 с выступом 11 выбран с таким расчетом, чтобы внутренняя обойма 2 могла поворачиваться относительно наружной обоймы 3 на угол, необходимый для работы шарнира равных угловых скоростей, не входя в контакт с выступом 11. Изгиб в шарнире с превышением этого угла поворота внутренней обоймы 2 относительно наружной обоймы 3 можно ограничить за счет упора внутренней обоймы 2 в выступ 11 крышки 10, чтобы шарики 5, например во время монтажа шарнира, не могли выпасть из своих канавок вследствие чрезмерного изгиба шарнира.
В качестве альтернативы изображенному профилю крышки 10 и выступа 11 могут быть выбраны любые другие варианты, например с выступом прямоугольного сечения, если это позволит обеспечить как можно более короткое максимальное расстояние смещения внутренней обоймы 2, обусловленного высоким осевым усилием, например, при дорожно-транспортном происшествии.