МЕХАНИЗМ СЦЕПЛЕНИЯ
COUPLING MECHANISM

Настоящее изобретение относится к механизму сцепления. Известны безрезьбовые механизмы сцепления, рассчитанные на высокое давление. Патенты США №5226682, 5553895 и 5570910, а также раскрытые в них механизмы сцепления включены в настоящий документ посредством ссылки.
В известных устройствах охватываемая соединительная деталь может соединяться с охватывающей соединительной деталью посредством разъемного стопорного кольца, выборочно устанавливаемого между ними. У стопорного кольца имеются первый конец и второй конец, которые выравниваются для обеспечения выборочного соединения их встык, причем в целях обеспечения более легкого зацепления своих концов кольцо, как правило, смещается. У охватываемой соединительной детали имеется ребро, состоящее из наклонной плоскости, вершины и плеча. Вершина может быть слегка скруглена по радиусу, или же ее плоскость может быть в целом параллельна продольной оси детали. В свою очередь, у охватывающей детали имеется паз для установки кольца и соответствующий паз, удерживающий кольцо, смежный с пазом для установки кольца. Кольцо размещается в пазу для установки кольца до момента соединения охватывающей и охватываемой соединительных деталей. При введении охватываемой соединительной детали в охватывающую соединительную деталь кольцо передвигается вверх по наклонной плоскости, переходит через вершину и заходит под плечо, закрепляясь между плечом охватываемой детали и пазом охватывающей детали, удерживающим кольцо. Идеально, чтобы кольцо подверглось воздействию сжимающих усилий, по существу, по всей своей окружности вследствие давления, возникающего внутри соединения, при этом поверхность контакта содействует приблизительно равномерному распределению давления по окружности кольца.
Существующие в настоящее время механизмы сцепления, в общем, функционируют достаточно хорошо, тем не менее желательно свести к минимуму любую возможность перекоса кольца во время его передвижения по ребру охватываемой соединительной детали, поскольку такой перекос может приводить к тому, что кольцо будет подвергаться воздействию сжимающих усилий в процессе соединения деталей, по существу, не по всей своей окружности. В случае уменьшения поверхности контакта происходит соответствующее увеличение результирующих усилий при практически постоянном давлении, что может приводить к преждевременному износу.
Кроме того, даже в том случае, если не принимать во внимание необходимость выравнивания кольца, желательно обеспечить наличие осязательной или же звуковой обратной связи, позволяющей пользователю убедиться в том, что соединение или разъединение деталей уже практически произошло.
В настоящем изобретении раскрывается безрезьбовой механизм сцепления, содержащий первую и вторую детали вместе с разъемным стопорным кольцом, выборочно располагаемым между ними. Первая деталь имеет наружную поверхность и ребро, выступающее за пределы наружной поверхности и включающее в себя первую вершину, вторую вершину и паз, находящийся между первой и второй вершинами. Стопорное кольцо избирательно перемещается через первую вершину в паз, а затем после зацепления соединительных деталей между собой также и через вторую вершину. При расцеплении соединенных деталей стопорное кольцо аналогичным образом перемещается избирательно обратно через вторую вершину в паз, а затем через первую вершину.
На фиг.1 показан вертикальный вид охватываемой и охватывающей деталей механизма сцепления согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения, в полностью соединенном положении, обеспечиваемом посредством стопорного кольца.
На фиг.2А представлен фрагмент вертикального вида охватываемой детали, изготовленной в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения, конкретно показывающий ребровую часть.
На фиг.2В представлен фрагмент вертикального вида охватываемой детали, изготовленной в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения, конкретно показывающий альтернативную ребровую часть.
На фиг.3А показан в увеличенном масштабе фрагментарный вид механизма сцепления согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения, в полностью соединенном положении, обеспечиваемом посредством стопорного кольца, расположенного между пазом охватывающей детали, удерживающим кольцо и выполненным в виде скоса, и плечом охватываемой детали.
На фиг.3В представлен в увеличенном масштабе фрагментарный вид охватывающей детали согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения, показывающий стопорное кольцо, расположенное между пазом охватывающей детали, удерживающим кольцо и выполненным в виде скоса, и отдельным основанием и плечом охватываемой детали.
На фиг.3С представлен в увеличенном масштабе фрагментарный вид охватывающей детали согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения, показывающий стопорное кольцо, расположенное между пазом охватывающей детали, удерживающим кольцо и выполненным в виде скоса, и плечом охватываемой детали.
На фиг.4 представлен фрагментарный вид охватываемой детали, вставляемой в охватывающую деталь, на котором показано стопорное кольцо, располагающееся напротив передней стенки паза для установки кольца в охватывающей детали и вставленное в паз ребра между передней вершиной и задней вершиной ребровой части.
На фиг.1, 2А, 3А и 4 показан механизм сцепления 10, выполненный в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения, где показаны в общих чертах цилиндрическая охватываемая деталь 20 и цилиндрическая охватывающая деталь 22, расположенная вдоль продольной оси А-А. Охватываемая деталь 20 и охватывающая деталь 22 могут быть изготовлены из металла, например стали.
Охватываемая деталь 20 простирается от переднего конца 24, предназначенного для введения его внутрь охватывающей детали 22, и до заднего ее конца 26, в ней имеется сквозной проход 28. На заднем конце 26 могут предусматриваться наружная резьба 30, обеспечивающая возможность резьбового соединения (не показано), а также расположенные в ряд плоскости 32, определяющие собой шестиугольное поперечное сечение, предназначенное для зацепления с гаечным ключом.
Далее за плоскостями 32, определяющими собой шестиугольное поперечное сечение, на охватываемой детали 20 расположены задняя наружная поверхность 34 и передняя наружная поверхность 36, разделенные между собой ребром 38, которое предпочтительно выполняется за одно целое с охватываемой деталью 20. Ребро 38 имеет клинообразную наклонную поверхность 40, направленную назад наружу относительно передней наружной поверхности 36 и расположенную под углом относительно оси А-А. Наклонная поверхность 40 простирается вплоть до передней вершины 42, причем эта вершина определяет собой первую стенку паза 44. Задняя вершина 46 определяет собой вторую стенку паза 44. Предпочтительно, чтобы диаметр основания 47 паза 44, находящегося между этими двумя стенками, в конце его был, по меньшей мере, немного больше, чем диаметр как задней наружной поверхности 34, так и передней наружной поверхности 36. Завершающей частью ребра 38 является плечо 48, сужающееся в заднем направлении внутрь относительно вершины 46 вплоть до точки пересечения с задней наружной поверхностью 34. Таким образом, вершины 42 и 46, проходящие вдоль паза 44, соединяют наклонную поверхность 40 с плечом 48. Как это лучше всего показано на фиг.2А, вершины 42, 46 и нижняя часть паза 44 скруглены по радиусу в первом варианте выполнения настоящего изобретения, хотя степень такого скругления по радиусу и будет намного меньше, чем в альтернативном варианте выполнения охватываемой детали 20', показанном на фиг.2В. В целом, желательно обеспечить наличие, по меньшей мере, некоторого скругления по радиусу с тем, чтобы износ материала, происходящий с течением времени в процессе соединения и разъединения деталей механизма сцепления 10, сводился тем самым до минимума, что рассматривается здесь ниже.
Как это лучше всего видно на фиг.1 и 3А, охватывающая деталь 22 простирается от приемного ее конца 50 до удаленного конца 52, на котором может быть выполнена наружная резьба 54 или же иные приемлемые соединительные механизмы, используемые для крепления к отдельному соединению (не показано). Часть второй охватывающей детали 22, смежная с приемным концом 50, выполняется с внутренней поверхностью 56. Удерживающий паз 58 в виде скоса 59 расположен рядом с внутренней поверхностью 56 и проходит в продольном направлении внутрь приемного конца 50. Приемный паз 60 расположен рядом с удерживающим пазом 58 ближе к удаленному концу 52, чем удерживающий паз 58 или же внутренняя поверхность 56. В показанном на фигурах примере приемный паз 60 определяется двумя, в целом, радиально расположенными стенками 62, 64 и основанием 65, расположенным, в общем, между ними в продольном направлении. Кроме того, внутренняя поверхность 66 располагается между удаленным концом 52 и приемным концом 50 и содержит кольцевую канавку 67 для установки кольцевого уплотнения 68 и жесткого пластмассового кольца 69.
Наибольшая радиальная протяженность внутренней поверхности 56 меньше, чем наибольшая радиальная протяженность удерживающего паза 58. В свою очередь, наибольшая радиальная протяженность приемного паза 60 больше, чем наибольшая радиальная протяженность удерживающего паза 58. Внутренняя поверхность 66 имеет меньшую радиальную протяженность, чем внутренняя поверхность 56. На практике диаметр ее лишь незначительно больше диаметра ведущей наружной поверхности 36, снабженной уплотнением 68 и кольцом 69, что позволяет установить между охватываемой деталью 20 и охватывающей деталью 22 уплотнение, защищающее от протечки.
Разъемное стопорное кольцо 70, которое лучше всего показано на фиг.1, 3 и 4, используется для выборочного соединения охватываемой детали 20 с охватывающей деталью 22. Разъемное стопорное кольцо 70 изготовлено из любого соответствующего материала, в том числе из пружинной закаленной нержавеющей стали или же из пружинного закаленного фосфористого бронзового материала. Разъемное стопорное кольцо 70 имеет первую концевую часть и вторую концевую часть. При полной разборке механизма сцепления 10 наружный диаметр разъемного стопорного кольца 70 будет меньше наибольшего диаметра, определяемого наиболее удаленной радиальной частью приемного паза 60, но больше диаметра внутренней цилиндрической поверхности 56. Внутренний диаметр разъемного стопорного кольца 70, по существу, равен или, что более предпочтительно, немного меньше диаметра задней наружной поверхности 34 охватываемой детали 20, благодаря чему обеспечивается плотный захват задней наружной поверхности 34 при соединении охватываемой детали 20 с охватывающей деталью 22. В результате, внутренний диаметр разъемного стопорного кольца 70 значительно меньше, чем диаметр вершин 42 и 46 ребра 38. Разъемное стопорное кольцо 70 благодаря своим размерам будет удерживаться в приемном пазу 60 при разъединении первой охватываемой детали 20 со второй охватывающей деталью 22. Однако в силу того, что кольцо является разъемным, размер диаметра стопорного кольца 70 может быть увеличен, а его концевые части могут быть разъединены между собой во время зацепления стопорного кольца 70 и его передвижения по ребру 38 после введения первой охватываемой детали 20 во вторую охватывающую деталь 22. При окончательном соединении механизма сцепления 10 предпочтительно было бы, чтобы концевые части стопорного кольца 70 либо примыкали друг к другу, либо находились как можно ближе друг к другу. Однако еще раз отметим то, что при разъединении механизма сцепления 10 размер диаметра стопорного кольца 70 увеличивается, а его концевые части 72 и 74 разъединяются между собой, когда стопорное кольцо вновь вводится в зацепление с ребром 38 и передвигается по нему. Таким образом, кольцо 70, в целом, стремится сместиться в замкнутое свое положение. Ниже следует более подробное описание работы механизма сцепления 10 при его соединении и разъединении.
Расцепляющая муфта 80 способствует разъединению механизма сцепления 10. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения расцепляющая муфта 80 содержит переднюю металлическую часть 82, оканчивающуюся на переднем конце 84, и термопластическую и (или) эластомерную (ТПЭ) часть 86. Предпочтительно, чтобы, также как и стопорное кольцо 70, расцепляющая муфта 80 была разъемной. Наружная поверхность 88 определяет собой радиальный наружный диаметр, который меньше соответствующего диаметра внутренней поверхности 56 охватывающей детали 22, а внутренняя поверхность 90 определяет собой диаметр внутренней - в радиальном направлении - поверхности 92, который больше соответствующего диаметра задней наружной поверхности 34 охватываемой детали 20, что позволяет расцепляющей муфте передвигаться в продольном направлении вдоль оси А-А.
Различные размеры охватываемой детали 20, охватывающей детали 22, стопорного кольца 70 и расцепляющей муфты 80 приведены к своим оптимальным значениям с тем, чтобы соответственно облегчить осуществление процесса соединения и разъединения механизма сцепления 10.
Для того чтобы осуществить соединение механизма сцепления 10, охватываемую деталь 20 вставляют в охватывающую деталь 22. Передний конец 24 и передняя наружная поверхность 36 пропускаются сквозь разъемное стопорное кольцо 70, которое расположено в приемном пазу 60, благодаря чему кольцо вводится в зацепление, по меньшей мере, со стенкой 62. По мере того, как охватываемая деталь 20 продолжает свое движение внутрь, кольцо 70 вводится в зацепление с наклонной плоскостью 40, в результате чего кольцо расширяется, при этом происходит соответствующее увеличение размера зазора между концевыми частями кольца по мере продвижения стопорного кольца вплоть до того места, где наклонная плоскость 40 имеет максимальный диаметр, и далее заходит за переднюю вершину 42. Как показано на фиг.4, как только кольцо 70 зайдет за вершину 42, оно сразу же попадает в паз 44, находящийся между вершинами 42 и 46. Как только оно зацепится за паз 44, при дальнейшем введении охватываемой детали 20 внутрь охватывающей детали 22 кольцо 70 проходит еще дальше за заднюю вершину 46 и зацепляется за плечо 48. Далее, кольцо 70 будет двигаться вниз по плечу 48, а концевые части кольца 70 будут смыкаться друг с другом до тех пор, пока кольцо 70 избирательно не соприкоснется с задней наружной поверхностью 34. Как только кольцо 70 соприкоснется с удерживающим пазом 58, кольцо устанавливается в замкнутом своем положении и закрепляется между плечом 48, задней наружной поверхностью 34 и удерживающим пазом 58. В первом примере осуществления настоящего изобретения кольцо 70 зацепляет скос 59 удерживающего паза 58. Под воздействием давления облегчается соединение охватываемой детали 20 с охватывающей деталью 22 благодаря передаче усилия через стопорное кольцо 70, находящееся в удерживающем пазу 58. Увеличение давления просто лишь способствует соединению вместе обеих детали 20 и 22.
Предпочтительно, чтобы плечо 48 сужалось под углом τ в пределах диапазона от тридцати пяти (35) градусов до пятидесяти пяти (55) градусов относительно оси А-А, а еще предпочтительнее было бы, чтобы этот угол составлял приблизительно сорок пять (45) градусов. Соответствующий угол наклонной плоскости 40, как правило, меньше, чем угла τ, но он зависит от применения и характера деталей, сопрягаемых друг с другом.
Для того чтобы осуществить разъединение механизма сцепления 10, снижают давление внутри механизма сцепления 10. Затем охватывающую деталь 22 перемещают в направлении заднего конца 26 для того, чтобы вывести разъемное стопорное кольцо 70 из зацепления с удерживающим пазом 58. Конец 84 расцепляющей муфты 80 перемещается по направлению к удерживающему пазу 58. Передний конец 84 заставляет стопорное кольцо 70 переместиться в радиальном направлении вверх наружу по плечу 48 через вершину 46 и войти в зацепление с пазом 44. После разъединения двух деталей кольцо покидает паз 44, проходит через вершину 42 и движется вниз по наклонной плоскости 40.
Вершины 42, 46 в сочетании с пазом 44 обеспечивают получение целого ряда существенных преимуществ. Во-первых, кольцо 70 время от времени проявляет склонность к приподниманию и возможному его перекашиванию в процессе соединения и разъединения охватываемой детали 20 с охватывающей деталью 22. Паз 44 способствует выравниванию кольца 70 перед окончательной установкой в положении зацепления или расцепления. Кроме того, в зависимости от относительной величины вершин 42, 46, паза 44 и размера поперечного сечения кольца 70 наблюдается осязательная обратная связь и/или возникает звук, издаваемый сопрягаемыми между собой деталями, обеспечивая тем самым определенное указание на то, что при малейшем дальнейшем их перемещении произойдет окончательное соединение или разъединение механизма сцепления 10.
Важно тщательно проконтролировать продольную и радиальную протяженность паза 44; однако сделать это надо таким образом, чтобы исключить всякую возможность случайного застревания стопорного кольца 70 в пазу в момент соединения или разъединения сопрягаемых между собой деталей. В том случае, если радиальная и/или продольная протяженность паза 44 будет слишком большой по сравнению с соответствующими размерами кольца 70, кольцо вполне может не выйти из паза для того, чтобы переместиться через вершину 46 в момент соединения механизма сцепления. Аналогично, кольцо 70 вполне может не выйти из паза 44 для того, чтобы переместиться через вершину 42 в момент разъединения механизма сцепления 10. Кроме того, как показано на фиг.4, кольцо 70 должно сохранять относительное свое положение внутри приемного паза 60 таким образом, чтобы между кольцом и стенками 62 или 64 приемного паза не произошло неправильного соединения.
В одном из раскрываемых здесь вариантов выполнения настоящего изобретения, когда стопорное кольцо 70 входит в паз 44, обе зоны контакта, находящиеся между вершинами 42 и 46 соответственно, охватывают собой периферический участок наружной окружности кольца в пределах угла α. В том случае, если кольцо 70 имеет, в общем, круглую форму, такой периферический участок обычно представляет собой хорду с меньшей дугой, не превышающей сто восемьдесят (180) градусов. Предпочтительно, однако, было бы, чтобы максимальный угол α не превышал приблизительно шестидесяти (60) градусов. А более предпочтительно, чтобы максимальный угол α не превышал собой величины, находящейся приблизительно в пределах порядка от двадцати (20) до сорока (40) градусов. На практике, угол α следует подбирать таким образом, чтобы значение его было как можно меньше из расчета того, чтобы облегчить свободное перемещение кольца 70 при введении его в зацепление с пазом 44 и при выводе его оттуда, сохранив все же при этом требуемое правильное относительное расположение и обеспечив наличие соответствующей позиционной обратной связи, что уже было рассмотрено здесь выше. Различные изменения конструкции кольца 70, а также составных элементов паза 44, в том числе вершин 42, 46 и основания 47, и во взаимном их расположении как относительно друг друга, так и по отношению к остальным элементам механизма сцепления 10 могут оказывать соответствующее влияние на значение угла α.
В другом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения кольцо 70 может входить в зацепление с основанием 47 или располагаться в непосредственно смежном с ним положении. Однако в данном варианте выполнения настоящего изобретения должен проводиться очень тщательный контроль глубины паза 44 и протяженности его в продольном направлении по отношению к соответствующему размеру поперечного сечения кольца 70, чтобы избежать случайного и нежелательного застревания кольца 70 при попытках провести его через вершину 46 при включении или же через вершину 42 при выключении механизма.
Далее, как показано на фиг.2А, предпочтительно было бы, чтобы вершины 42, 46 имели скругление, выполненное с достаточно большим радиусом для того, чтобы облегчить перемещение по ним кольца 70 при введении его в зацепление с пазом 44 и при выводе его оттуда. В противоположность этому в предпочтительном варианте выполнения охватываемой детали 20', представленном на фиг.2В, предусматривается, как показано, выполнение вершин 42' и 46' соответственно с меньшим радиусом скругления.
Предпочтительно было бы, чтобы вершины 42 и 46 были расположены, в общем, симметрично по отношению к линии симметрии В-В, проходящей, как правило, перпендикулярно к линии А-А и определяемой в зависимости от расположения паза 44, как это показано на фиг.2А; однако при этом следует учесть, что наклонная поверхность 40 и плечо 48 имеют неодинаковые размерные характеристики. Преимущество, получаемое при обеспечении такой, по меньшей мере, приблизительной симметрии, обеспечиваемой благодаря некоторому подобию размерных характеристик в радиальном направлении, продольном направлении и в поперечном сечении в пределах зон, прилегающих к пазу 44, заключается в том, что осуществляется соответствующая балансировка кольца 70, когда оно находится в этом пазу. Однако при наличии некоторых, вполне определенных обстоятельств размеры этих двух вершин 42, 46 могут быть также и неодинаковыми. Например, может потребоваться, чтобы обеспечивалось наличие более заметной осязательной обратной связи и/или возникновение более сильного звука при введении охватываемой детали 20 внутрь охватывающей детали 22, чем в том случае, когда осуществляется разъединение этих двух деталей между собой. Кроме того, в определенных условиях может также потребоваться, чтобы было легче или, наоборот, тяжелее соединять или же разъединять механизм сцепления 10. На случай возникновения такой ситуации можно, например, предусмотреть, чтобы вершина 42 в большей степени выступала в радиальном направлении по сравнению с вершиной 46. Благодаря наличию такой более крупной вершины 42 может также потребоваться прикладывать дополнительное усилие для того, чтобы разъединить между собой указанные две детали посредством продвижения кольца 70 с усилием через вершину 42 из паза 44 на наклонную поверхность 40.
В то время как удерживающий паз 58 частично образуется скосом 59, как это показано на фиг.3А, в предпочтительных вариантах выполнения настоящего изобретения предусматривается также возможность применения удерживающих пазов 58 других типов. Например, на фиг.3В и 3С показан удерживающий паз 58', выполненный со скосом 59' или 59" и отдельным основанием 94, расположенным между скосом и удерживающим пазом 60. При этом основание 94 может иметь такие размеры и располагаться таким образом, чтобы способствовать закреплению кольца 70 при нормальной работе механизма, как это показано для варианта выполнения настоящего изобретения, приведенного на фиг.3С, где угол σ расположения скоса 59” по отношению к соответствующей оси, параллельной оси А-А, может достигать значения в девяносто (90) градусов. Если основание 94 предусматривается всего лишь только в качестве вторичной соединительной поверхности на случай неожиданного нарушения правильного взаимного расположения задней наружной поверхности 34 и плеча 48 охватываемой детали 20 по отношению к скосу 59', угол σ обычно находится в пределах порядка от двадцати (20) градусов до сорока (40) градусов, а предпочтительно имеет значение приблизительно тридцать (30) градусов.
Механизм сцепления, рассмотренный здесь выше наряду с соответствующими составными его элементами, к примеру, такими как охватываемая деталь, в качестве варианта выполнения настоящего изобретения, представлен всего лишь в иллюстративных целях для того, чтобы продемонстрировать наилучшие способы реализации заявленного предмета изобретения, выявленные по настоящее время. Специалистам в данной области техники следует понимать, что ими, не выходя при этом за пределы существа и объема настоящего изобретения, определенные следующей ниже формулой изобретения, могут быть также применены различные варианты выполнения раскрываемого здесь механизма сцепления или же соответствующих его элементов, рассмотренных в приведенном здесь выше описании. В качестве всего лишь только одного из таких примеров можно указать на возможность радиального разбиения вершин 42, 46 на отдельные сегменты по окружности охватываемой детали 20 с тем, чтобы уменьшить трение, возникающее между кольцом 70 и стенками паза 44, с обеспечением при этом требуемого зацепления между кольцом 70 и пазом 44.
Предполагается, что приведенная ниже формула изобретения определяет объем настоящего изобретения в отношении предложенного механизма сцепления или соответствующих его составных частей, а также что заявленный предмет изобретения в пределах объема, определяемого отдельными пунктами формулы изобретения, и соответствующие эквиваленты охватываются этой формулой изобретения. Следует учесть, что данное описание настоящего изобретения содержит все новые и необычные сочетания отдельных элементов, рассмотренных в данном описании, а соответствующие пункты формулы изобретения, определяющие собой любые новые и необычные сочетания отдельных элементов, могут быть представлены в данной заявке или же в поданной позднее заявке. Более того, рассмотренные здесь выше примеры выполнения настоящего изобретения служат исключительно только лишь иллюстративным целям, и ни один из приведенных признаков или рассмотренных элементов не является существенным для всех возможных их сочетаний, которые могут быть заявлены в данной заявке или же в поданной позднее заявке.