ЭЛЕМЕНТ СОЕДИНЕНИЯ ВАЛ/ВТУЛКА С УПРУГИМ ЦЕНТРИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
SHAFT/HUB CONNECTION ELEMENT WITH ELASTIC CENTERING ELEMENT

Изобретение относится к соединениям вал/втулка для транспортных средств или для использования в системах привода с компонентом в виде цилиндрического вала, содержащего возвышения или углубления на боковой поверхности, и компонентом в виде втулки, имеющим канал, также содержащим внутри канала возвышения или углубления.
Предшествующий уровень техники
За последние 100 лет цепные приводы стали необходимыми в области передачи энергии в двухколесных транспортных средствах. Они также используются в передаче энергии на множестве других машин. Очень часто звездочки присоединены к валу через соединение вал/втулка с посадкой с совпадением формы. В качестве примеров также можно упомянуть шпоночные соединения согласно DIN 6885 или соединения шлицевым валом согласно ISO 14. В целом, в отношении цилиндрической соединительной поверхности эти и другие соединения работают с местными возвышениями и углублениями материала. На техническом жаргоне эти местные возвышения и углубления материала часто называются язычками и канавками или клыками. Тем не менее, посадка без люфта в качестве центрирования между валом и втулкой важна для правильной работы этих соединений. При наличии нагрузки, и если допуски между валом и втулкой слишком большие, между двумя компонентами возникает качание. Это считается нежелательным для работы. В целом, посадки высокого качества являются относительно дорогими в производстве с использованием процессов механической обработки. Это следует понимать как недостаток, если требуется производить недорогие массовые продукты.
Описанное ниже изобретение может быть использовано во множестве товарных секторов и особенно подходит с точки зрения возможностей экономичного производства для использования в системах привода в потребительских товарах, велосипедах или мотоциклах. Поэтому функциональное описание элемента соединения вал/втулка с упругими центрирующими элементами выполнено с использованием велосипеда в качестве примера.
В последние более чем сорок лет на велосипедах получил распространение цепной привод с возможностью переключения передач на задней оси. В этой конфигурации следует отличать переключатель передач и планетарные втулки. Структура обеих систем известна в данной области техники и описана, например, в DE 102004045364 B4 с преимуществами и недостатками.
На известных соединениях вал/втулка на доступных велосипедах с планетарными втулками цепная звездочка обычно является тонкой. Этот компонент шириной в два-три миллиметра обычно является штампованной деталью, выполненной из стали, и имеет три или более ведущих кулачка или зуба, которые зацепляются в канавках, которые расположены на входном валу планетарной втулки. Посадка между этими двумя компонентами обычно выполнена как посадка с зазором. Это необходимо для использования недорогих способов изготовления, таких как спекание, литье или штамповка. Для предотвращения осевого перемещения звездочки на выходном валу она обычно удерживается на месте посредством стопорной шайбы. Задние втулки в этом известном варианте осуществления представлены, например, в DE 2020095904 U1 или DE 000060224919 T2 или EP 000002008927 B1.
За последние годы множество цепных приводов в технологии автомобилестроения и в технологии привода в целом заменено зубчато-ременными приводами. Следует отметить такие их преимущества, как меньший вес, увеличенный срок службы, уменьшенный шум и работа без смазки. В частности, в области велосипедов с планетарными втулками, все более распространенными становятся зубчато-ременные приводы согласно EP 000002289792 A1, CA 000002749293 A1 и US 000007854441 B2. Поскольку работающий зубчато-ременной привод требует определенного предварительного нагружения ремня, качающийся диск зубчатого ремня на задней втулке не может сохранять постоянное натяжение. Если диск зубчатого ремня не является центрированным и плотно закрепленным на задней втулке, при работе возникают шумы из-за постоянного качения отверстия диска зубчатого ремня по валу. Из-за этого возникают шумы типа скрежета и скрипа. Задние планетарные втулки от всех основных производителей имеют диаметр центрирования, который из-за недорогих способов производства имеет допуски ±0,15 мм в области входного вала. Если требуется изготовить недорогие диски зубчатого ремня без механической обработки посредством спекания или дорогостоящего литья, то производственные процессы также требуют допусков ±0,15 мм в области канала. Таким образом, учитывая граничные условия возможностей сборки, оба компонента могут быть объединены только с некоторым люфтом. Это указывает на проблему недостаточного центрирования при использовании дисков для зубчатого ремня с профилем шлицевого вала в комбинации с недорогими планетарными втулками.
Следовательно, изобретение улучшает центрированную посадку профиля шлицевого вала.
Задача
Требуется улучшение описанных выше соединений вал/втулка на основании этой проблемы.
Для того чтобы решить эту проблему, соединение вал/втулка общего типа отличается тем, что
a) внутри канала компонента в виде втулки по меньшей мере две поверхности выполнены так, что возможна упругая деформация этих поверхностей в радиальном направлении, и
b) внутри канала компонента в виде втулки по меньшей мере две поверхности выполнены так, что менее возможна упругая деформация этих поверхностей в радиальном направлении,
c) упруго деформируемые поверхности соединены посредством материальной связи с менее упруго деформируемыми поверхностями.
Благодаря факту того что внутри канала компонента в виде втулки по меньшей мере две поверхности выполнены так, что возможна упругая деформация этих поверхностей в радиальном направлении, втулка может быть плотно посажена на вал даже с большими производственными допусками. Благодаря факту того, что внутри канала компонента в виде втулки по меньшей мере две поверхности выполнены так, что менее возможна упругая деформация этих поверхностей в радиальном направлении, достигается хорошая передача энергии посредством посадки с совпадением формы. К тому же, если упруго деформируемые поверхности соединены посредством материальной связи с менее упруго деформируемыми поверхностями, компонент может быть легко изготовлен и имеет свойства износостойкости. Когда соединения вал/втулка отличаются тем, что упруго деформируемые поверхности образуют диаметр, который в разобранном состоянии меньше, чем диаметр вала, могут быть оптимизированы свойства центрирования. Если соединения вал/втулка отличаются тем, что сумма упруго деформируемых поверхностей и менее упруго деформируемых поверхностей, которые соприкасаются с валом на цилиндрической боковой поверхности, меньше, чем покрытые боковые поверхности самого вала, то функция центрирования может быть достигнута даже с относительно тонкими втулками и большими допусками. Если новые соединения вал/втулка отличаются тем, что возможность упругой деформации поверхностей достигается посредством изгибающихся брусков, которые имеют такую форму, что они ориентированы тангенциально валу, то компонент может быть изготовлен недорого посредством штамповки или спекания. К тому же вес компонента уменьшается, если окружность профиля канала втулки больше, чем окружность профиля вала.
Иллюстративный вариант осуществления
Иллюстративные варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно на основании чертежей. На чертежах:
Фиг. 1: Задняя втулка велосипеда без спиц или обода.
Фиг. 2: Задняя втулка с фиг. 1 в разобранном состоянии.
Фиг. 3: Вид в изометрии диска зубчатого ремня согласно предшествующему уровню техники.
Фиг. 4: Вид сбоку диска зубчатого ремня согласно фиг. 3.
Фиг. 5: Вид в изометрии диска зубчатого ремня согласно изобретению.
Фиг. 6: Вид сбоку диска зубчатого ремня согласно фиг. 5.
Здесь следует заметить, что на всех чертежах элемент соединения вал/втулка с упругими центрирующими элементами в качестве примера расположен внутри диска зубчатого ремня.
На фиг. 1 показана задняя втулка 1 велосипеда без спиц или обода. Крутящие моменты от водителя передаются на зубчато-ременной привод через ножные педали. Зубчатый ремень передает крутящие моменты диску 7 зубчатого ремня, который, в свою очередь, приводит входной вал 2 планетарной втулки. Это передает крутящие моменты через соединение 4 вал/втулка на планетарную втулку. Непоказанный обод велосипеда с шиной приводится посредством задней втулки 1 через спицы, которые установлены внутри отверстий 3 под спицу. Это является обычной конструкцией велосипеда. Можно видеть, что диск 7 зубчатого ремня удерживается в осевом направлении на входном валу 2 планетарной втулки посредством стопорной шайбы 6 и может передавать крутящие моменты через три канавки 5. Цилиндрическая боковая поверхность 16 обеспечивает правильное центрирование диска 7 зубчатого ремня на входном валу 2. Тем не менее правильное центрирование возможно, только если канал диска 7 зубчатого ремня посажен без люфта по отношению к цилиндрической боковой поверхности 16. С точки зрения изобретения, это достигается посредством того, что благодаря упруго подвижным в радиальном направлении изгибающимся брускам 14 поверхности канала всегда оказывают давление на цилиндрическую боковую поверхность 16 и, таким образом, могут компенсировать производственные допуски.
На фиг. 2 показана задняя втулка 1 велосипеда в разобранном состоянии без спиц или обода. Входной вал 2 планетарной втулки у компонента 11 в виде вала имеет соединение 4 вал/втулка, которое передает крутящие моменты диска 7 зубчатого ремня на втулку. Здесь диск 7 зубчатого ремня показан в варианте осуществления согласно изобретению. Стопорная шайба 6 показана в разобранном состоянии. Канавки 5 внутри входного вала 2 планетарной втулки имеют такую форму, что в них могут аккуратно вставляться возвышения 10 внутри канала 9 диска 7 зубчатого ремня. В этом представлении изобретение имеет внутри канала 9 компонента в виде втулки три поверхности 12, которые выполнены так, что возможна упругая деформация этих поверхностей в радиальном направлении. В этом варианте осуществления диск 7 зубчатого ремня образует компонент в виде втулки. В этом варианте осуществления возможность упругой деформации этих трех поверхностей достигается через три изгибающихся бруска 14, которые имеют такую форму, что они образуют канал 9 с диаметром ″d″. В преимущественном варианте осуществления этого изобретения этот диаметр ″d″ разобранных дисков зубчатого ремня всегда меньше, чем диаметр ″D″ вала боковой поверхности 8, созданный посредством поля допуска. В этой совокупности три поверхности 12 диска 7 зубчатого ремня могут упруго деформироваться во время сборки и создавать точное центрирование. Таким образом, изгибающиеся бруски 14 согласно изобретению образуют соединение посредством материальной связи между поверхностью 12, которая может упруго деформироваться в радиальном направлении, и поверхностью 13, которая отвечает за передачу крутящего момента через посадку с совпадением формы и не может упруго деформироваться в радиальном направлении. С точки зрения изобретения и в качестве примера, изгибающиеся бруски 14 с упругими поверхностями 12 образуют упругие центрирующие элементы.
На фиг. 3 в изометрии показан вариант осуществления диска 7 зубчатого ремня в невыгодном варианте осуществления согласно предшествующему уровню техники. Канал 9 выполнен с посадкой с зазором относительно входного вала 2 с фиг. 2. С точки зрения возможности радиальной деформации, поверхности 13 могут рассматриваться как жесткие и относительно неупругие. Области 10 с тремя клыками являются жесткими и неупругими. Эта жесткость клыков важна для хорошей передачи крутящего момента через посадку с совпадением формы.
На фиг. 4 показан вид сбоку варианта осуществления диска 7 зубчатого ремня в невыгодном варианте осуществления согласно предшествующему уровню техники. Канал 9 выполнен с посадкой с зазором относительно входного вала 2 с фиг. 2. Здесь штриховой линией показан профиль 15 шлицевого вала.
С точки зрения возможности радиальной деформации поверхности 13 могут рассматриваться как жесткие и относительно неупругие. Радиальное направление перемещения неупругих поверхностей 13 показано стрелкой ″A″. Области 10 с тремя клыками также являются жесткими и неупругими. Эта жесткость клыков важна для хорошей передачи крутящего момента через посадку с соответствием формы. Здесь, радиальное направление перемещения неупругих поверхностей 13 показано стрелкой ″B″.
Ясно, что полная площадь канала 9 у профиля 15 шлицевого вала совпадает с цилиндрической боковой поверхностью 16 с канавками 5 с фиг. 1.
На фиг. 5 в изометрии показан вариант осуществления диска 7 зубчатого ремня в преимущественном варианте осуществления согласно изобретению. Канал 9 приводит цилиндрические боковые поверхности 16 с канавками 5 с фиг. 1 в соприкосновение только с поверхностями 12 и поверхностями 13. Только эти возвышения 10 с поверхностью 13 выполнены с посадкой с зазором относительно входного вала 2 с фиг. 2. В этой форме поверхности 12 могут рассматриваться как упругие с точки зрения возможности радиальной деформации, так как они присоединены к остальному жесткому телу диска 7 зубчатого ремня через изгибающийся брусок 14. Говоря абстрактно, упруго деформируемые поверхности 12 канала 9 соединены посредством материальной связи с упруго недеформируемыми поверхностями 13. Поскольку каждое тело имеет некоторую упругую деформацию под воздействием силы, можно сказать следующее: говоря абстрактно, упруго деформируемые поверхности 12 канала 9 соединены посредством материальной связи с менее упруго деформируемыми поверхностями 13. К тому же изобретение может быть описано со следующими свойствами: сумма упруго деформируемых поверхностей 12 и упруго менее деформируемых поверхностей 13, которые соприкасаются с входным валом 2 на цилиндрической боковой поверхности, всегда меньше, чем сама боковая поверхность 16 с фиг. 1.
На фиг. 6 показан вид сбоку варианта осуществления диска 7 зубчатого ремня в иллюстративном варианте осуществления изобретения. Поверхности 13 канала 9 выполнены как клыки 10 и изготовлены с посадкой с зазором относительно канавок 5 входного вала 2 с фиг. 1 или фиг. 2. Здесь штриховой линией представлен профиль 15 шлицевого вала. Из сравнения штриховых линий на фиг.6 со штриховыми линиями на фиг. 4 ясно, что профиль шлицевого вала согласно изобретению имеет более длинную окружность профиля. Не вся поверхность канала 9 соприкасается с цилиндрической боковой поверхностью 16 с фиг. 2. Если измерить окружность согласно изобретению, то можно утверждать, что окружность профиля канала по меньшей мере на 25% длиннее, чем поверхность вала, которая покрыта профилем канала. С точки зрения возможности радиальной деформации, в этой форме поверхности 13 можно рассматривать как жесткие и относительно неупругие. Здесь радиальное направление перемещения неупругих поверхностей 13 показано стрелкой ″B″. В этой форме поверхности 12 можно рассматривать как упругие, с точки зрения возможности радиальной деформации, так как они присоединены к остальному жесткому телу диска 7 зубчатого ремня через изгибающийся брусок 14. Радиальное направление перемещения упругих поверхностей 12 показано стрелкой ″C″. В других вариантах осуществления, преимущества изобретения также могут быть достигнуты посредством изгибающихся брусков с двойной опорой.
Список ссылочных позиций
1 Задняя втулка
2 Входной вал планетарной втулки
3 Отверстия под спицу
4 Соединение вал/втулка
5 Канавки, углубления
6 Стопорная шайба
7 Диск зубчатого ремня
8 Боковая поверхность
9 Канал
10 Возвышение, клык
11 Компонент в виде вала
12 Поверхность, упруго деформируемая
13 Поверхность, упруго недеформируемая
14 Изгибающийся брусок
15 Профиль шлицевого вала
16 Цилиндрическая боковая поверхность.