УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ШАРНИР ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ ДЛЯ ВИНТА ВЕРТОЛЕТА
CONSTANT-VELOCITY UNIVERSAL JOINT FOR HELICOPTER ROTOR

Настоящее изобретение относится к универсальному шарниру постоянной скорости для любого типа трансмиссии и, в частности, для вертолетов с так называемыми "карданно подвешенными" винтами, предназначенному для применения в трехлопастных или, в общем, многолопастных несущих винтах вертолетов, а также в двухлопастных несущих винтах для вертолетов, также оснащенных элементами аэродинамики стабилизатора поперечной устойчивости. Как является известным, в вертолетах управление направлением движения поступательного перемещения осуществляется посредством наклона плоскости вращения диска, заданного круговой траекторией лопастей, относительно ведущего вала, включенного в конструкцию вертолета. В вертолетах с тремя или более лопастями обычно используются винты, называемые "шарнирными", лопасти которых связаны с валом винта посредством горизонтальных шарниров, называемых шарнирами махового движения, эксцентричными относительно оси вращения, для обеспечения возможности махового движения, и с вертикальными шарнирами (шарнирами сопротивления), при этом последние надлежащим образом оснащены фрикционными или обеспечены вязкостными устройствами, которые действуют на плоскость диска для гашения колебаний, вызванных ускорениями Кориолиса, которые действуют на лопасти, когда диск винта наклонен и имеет место маховое движение. Шарниры, выровненные с продольной осью лопастей, также имеются, на комле каждой лопасти, предназначенные для обеспечения возможности изменений, вызванных автоматом перекоса, в шаге каждой лопасти, посредством команд циклического и общего шага. В этом типе винтов, благодаря эксцентричности горизонтальных шарниров и центробежной силе лопастей, наклон плоскости диска прикладывает предпочтительный момент управления на ведущий вал (обычно называемый "стойкой"), независимо от подъема, прикладываемого самим винтом, и который стремится поддерживать ту же стойку, перпендикулярной относительно плоскости вращения лопастей. Вариант шарнирных винтов составлен так называемыми "бесшарнирными" винтами, в которых шарниры заменены гибкими элементами, которые ведут себя как виртуальные шарниры, также являющими эксцентричными. В этих типах винта, как и в шарнирных винтах, управление наклоном плоскости диска осуществляется посредством циклического качательного движения лопастей вокруг осевых шарниров, осуществляющегося посредством автомата перекоса. Также имеются двухлопастные винты, ступица которых шарнирно соединена на верхней части ведущего вала посредством цилиндрического шарнира, перпендикулярного относительно оси лопастей, и относительно оси стойки, работающего в качестве подвесного шарнира (называемого "качающимся"), который обеспечивает маховое движение лопастей и обеспечивает наклон диска винта. В последнем типе винта, также известном как подвешенный винт ("колеблющийся"), требуется, чтобы цилиндрический шарнир, соединяющий ступицу с валом, находился в более высоком положении относительно атаки лопастей, в сущности на плоскости, заданной от центров тяжести ступицы и лопастей, наклоненных вверх вследствие подъема, для устранения вибраций, которые создавались бы для циклического смещения центра тяжести винта относительно оси вращения, вызванного наклоном диска винта. Лопасти, в действительности, подвергающиеся центробежной силе вследствие вращения и подъемной силе, принимают положение равновесия, обращенное вверх, таким образом, чтобы задавать конический вид диска, с последующим поднятием центра массы винта. Изменение угла конусности лопастей, вследствие разных динамических условий и изменяемости веса на борту вертолета, однако, делает невозможным полностью исключить этот источник вибраций во всех условиях полета и веса вертолета. Более того, в этом типе винта, имеет место другой источник вибрации, который возникает в результате геометрии простого карданного центрального шарнира махового движения, который, не являясь гомокинетическим, вызывает крутильные колебательные нагрузки, с частотой две за оборот, на ведущем валу; эти нагрузки преобразуются, благодаря ограничениям, существующим между трансмиссией и конструкцией, в докучающие вибрации, которые распространяются на весь корпус вертолета и интенсивность которых становится тем больше, чем больше диск винта наклоняется относительно вала. Этот тип винта, кроме того, вследствие наличия центрального шарнира махового движения, не прикладывает управляющий момент к валу трансмиссии; по этой причине, в условиях полета при низком g (n<1g) или нулевом g, является возможным потерять контроль над плоскостью диска винта. Даже в этом типе винтов управление наклоном диска осуществляется посредством качательного движения лопастей, осуществляющегося посредством автомата перекоса вокруг осевых шарниров. Все типы вышеописанного винта отличаются наличием существенных нагрузок на осевых шарнирах, прикрепляющих лопасти к ступице, противостоящей центробежной силе; нагрузки вызываются посредством возвратно-качательного движения вокруг оси осевых шарниров, при этом движение выполняется вследствие циклического действия автомата перекоса на шаг лопастей таким образом, чтобы поддерживать диск винта наклоненным. Для устранения вышеупомянутых недостатков различные системы были предложены и раскрыты. Во время разработки ламинированных эластомерных подшипников в прошлые десятилетия (патенты США 2481750 и США 2900182), типы эластомерных подшипников, которые позже применялись для винтов вертолетов (USAAMRDL-TR-75-39B), были раскрыты: осевые цилиндрические подшипники, цилиндрические подшипники, радиальные шариковые подшипники и конические роликовые подшипники. Многие из этих типов подшипников выполняются на основе важных модификаций осевых шарниров (патенты США 3111172 и США 3652185) для уменьшения, но не исключения, трения и последующих воздействий на команды, вызванных посредством использования традиционных роликовых подшипников в шаге, также с существенными преимуществами для их срока службы. Более того, в области двухлопастных винтов, подвешенных посредством центрального шарнира махового движения, патент США 4115031, на имя Textron, раскрыл способ обеспечения возможности установки возвратной пружины на ступицу (называемой "пружиной ступицы") винтов, подвешенных на горизонтальном шарнире, для того, чтобы получить момент управления винтом относительно ведущего вала и вертолета, для преодоления недостатков потери управления в полете с нулевым g, посредством поглощения последующих двух за оборот вибраций, вызванных возвратной пружиной, посредством гибкости лопастей в плоскости вращения, приспосабливая характеристическую частоту колебания в этой плоскости. Однако это решение не исключило крутильное колебание на стойке, вызванное геометрией полукарданной передачи вращательного движения на винт. Кроме того, для уменьшения амплитуды чередующихся колебаний на осевых шарнирах, вызванных циклическим управлением, колебаний, которые возникают в описанных традиционных винтах, и для исключения ускорений Кориолиса и в таком случае вертикальных шарниров в винтах с 3 или более лопастями, некоторые типы винта, так называемый "карданный" или также называемый "с плавающей ступицей", были разработаны. В этих винтах, центральная ступица поддерживается на верхней части ее ведущего вала посредством сферического шарнира или с помощью других кинематически эквивалентных устройств, которые обеспечивают возможность наклона ступицы с двумя степенями свободы и, следовательно, обеспечивают возможность ступице быть всегда параллельной относительно плоскости вращения лопастей (так называемой "плоскости концов лопастей или ПКЛ"), даже если они наклонены. Винты с плавающей ступицей доказали свою пригодность для оснащения, вместе с соответствующими устройствами, для создания упругого смещения между ступицей и валом, делая поведение этих винтов довольно похожим на шарнирные винты в условиях полета при низком или нулевом g. Этот тип ступиц винта сначала использовался в самолете, в котором мощность передавалась на лопасти посредством струи газа, испускаемого подходящими соплами, расположенными на конце самих лопастей (система, называемая "концевой струей" или "ведомой концом"). В этом типе передачи мощности, не требовалась необходимость гомокинетической передачи движения от ведущего вала на ступицу винта. Позднее, в некоторых самолетах (вертолетах и конвертопланах), в которых движение вращения лопастей и приводной крутящий момент передается от ведущего вала на ступицу, были разработаны различные системы, имеющие своей целью исключить крутильные колебания на стойке, и различные решения были предложены для достижения шарниров постоянной скорости, подходящих для этого типа винтов с плавающей ступицей. Центральный сферический шарнир, обычно выполненный из эластомерных ламинированных сферических подшипников известного типа (например, патент США 3941433), оснащен соответствующей жесткостью таким образом, что диск винта, когда он наклонен, прикладывает предпочтительный управляющий момент на вал винта, с поведением, аналогичным шарнирным винтам, снабженным эксцентриковыми шарнирами махового движения. Модель этого типа винта была раскрыта патентом США 4729753, в котором ступица винта, подвешенного сферическим образом посредством двух противоположных ламинированных эластомерных подшипников на валу трансмиссии, поддерживается во вращении посредством подходящих эластомерных элементов, которые осуществляют, по существу, гомокинетический шарнир. Многие из таких решений были предложены ввиду применений гибридных винтов (называемых "поворотными винтами"), применимых для конвертопланов. Сложность этих систем ограничила их возможности применения и предотвратила распространение в коммерческих вертолетах. В области винтов со сложной механикой, другие авторы раскрыли разные типы вращательных соединений (называемых "вращательным соединением звенового типа", см. U.S. 4804352) для трехлопастных винтов, для получения сферической подвески винта и полугомокинетической передачи вращения. Также в других областях применения, некоторые типы шарниров постоянной скорости были предложены, состоящие из нескольких собранных эластомерных устройств, которые обеспечивают возможность передачи вращательного движения с приводным крутящим моментом между двумя вращательными наклонными валами. Пример этих устройств был раскрыт патентом США 4208889. В общем, гомокинетические карданные винты отличаются, до сих пор, существенной сложностью конструкции, и их сборка включает присоединение очень большого количества составных частей. Вышеупомянутые эластомерные устройства, кроме того, не всегда гарантируют гомокинетическую передачу движения между валом и ступицей винта на приемлемом уровне, вследствие упругих материалов, из которых выполнены многие из составных частей.
Настоящее изобретение имело в качестве своей основной цели устранение вышеуказанных недостатков, встречающихся в двухлопастных винтах для вертолетов, и трехлопастных и, в общем, многолопастных винтах, посредством выполнения усовершенствованной втулки гомокинетического карданного винта с плавающей ступицей, в которой гомокинетическая передача вращательного движения и приводного крутящего момента достигается посредством жестких и неупругих элементов, применяемых обычно для вышеупомянутых двухлопастных винтов, трехлопастных винтов и многолопастных. Она включает в себя средства для присоединения лопастей к ведущему валу (называемому "стойкой"), ступицу, соединенную с этим ведущим валом посредством двух концентрических карданных колец, размещенных внутри полости самой ступицы, на которой также имеются кронштейны; в кронштейнах лопасти закрепляются посредством горизонтальных эксцентриковых шарниров известного типа и обычно называемых "коническими", способных поддерживать лопасти во вращении и передавать аэродинамические усилия, возникающие при вращении лопастей, на вал трансмиссии и на вертолет. Снаружи двух концентрических колец и действуя на противоположные штифты, которые соединяют два кольца, имеется, по меньшей мере, одно оригинальное и усовершенствованное устройство, ниже называемое "биссектором", и, предпочтительно, имеются два биссектора, составленные следующим образом: первый элемент, соединенный с валом трансмиссии посредством соединительного стержня, и второй элемент, соединенный со ступицей винта посредством другого соединительного стержня. Оба соединительных стержня, в форме вилок, одинаково и симметрично расположенных между собой, действуют на два биссектора, соединенных друг с другом призматическим образом и с возможностью поворачивания, скользя на цилиндрическом конце, который выступает от одного из двух штифтов, которые соединяют карданные концентрические кольца, как в ромбическом приводном механизме, с общей осью вышеприведенных штифтов в одной плоскости, называемой гомокинетической, которая разделяет пополам угол наклона между плоскостью вращения ступицы и плоскостью вращения вала трансмиссии. Так как два штифта взаимно связаны посредством одних и тех же концентрических колец таким образом, чтобы быть соосными, один биссектор является способным обеспечивать то, что общая ось двух штифтов находится в гомокинетической плоскости, и в таком случае он является способными регулировать работу универсального шарнира постоянной скорости. Изобретение, в его вариантах осуществления, также обеспечивает наличие, предпочтительно, двух противоположных биссекторов, при этом два штифта, которые соединяют концентрические кольца, имеют функцию дублирования, как для распределения усилий, так и для обеспечения того, что беспрепятственная работа соединения продолжается даже после разрушения одного из двух биссекторов. В этом случае оба штифта, которые соединяют два карданных кольца, имеют выступающий цилиндрический конец, на котором скользят два биссектора. Является очевидным из чертежей, которые сопровождают описание трех предпочтительных вариантов осуществления, что два биссектора работают полностью независимо друг от друга и являются кинематически эквивалентными. Кроме того, следует подчеркнуть, что биссекторы подвергаются усилиям для поддержания плоскости гомокинетической, при этом усилия изменяются во время вращения, и максимальное значение которых зависит от прикладываемого крутящего момента и от угла наклона между ведущим валом и ведомым валом. Наличие двух биссекторов используется для симметричного разделения этих усилий двух отдельных шарниров, соединенных с разными подшипниками, расположенными на валу трансмиссии и на ступице, с преимуществом большей жесткости системы в целом. В частности, следует рассмотреть баланс вращающихся масс: наличие двух противоположных биссекторов делает шарнир более сбалансированным. В прошлом, несколько шарниров постоянной скорости (ШПС) были предложены и раскрыты, на основе концентричности двух универсальных шарниров, полученных посредством укорачивания, вплоть до исключения промежуточного вала классического "универсального шарнира", который обычно состоит из двух универсальных шарниров (или Гука) на конце промежуточного вала: U.S. 1058878 (Lowndes, 1913), U.S. 1562080 (Chilton), 1621667, (Hayes), U.S. 5954586 (Kirson), U.S. 7144326 (Thompson); разница между предложенными и раскрытыми решениями заключается в различных устройствах, предложенных для получения гомокинетической плоскости и, в таком случае, в выполнении постоянной скорости, передаваемой на ведомый вал. Изобретение, заявленное здесь, относится к универсальному шарниру постоянной скорости, состоящему из двух концентрических карданных колец, обеспеченных одним или более биссекторными устройствами, которые особенно соответствуют типичной геометрии ступицы винта вертолета (которая, в этом случае, представляет собой "ведомый вал соединения") и стойки (которая выполняет функцию "ведущего вала" и которая поддерживает и приводит в движение ступицу), и эффективно обеспечивают поддержание плоскости постоянной скорости посредством штифтов, общей для двух концентрических карданных колец. Предпочтительно, эта система имеет высокую гибкость и приспосабливаемость, она требует простого технического обслуживания, при этом являясь способной состоять из элементов, которые не требуют периодической смазки, и обеспечивает безопасное использование, эффективное в работе. Другая главная цель изобретения заключается в том, чтобы сделать возможным выполнение карданных винтов, называемых "карданно подвешенными" или винтами с плавающей ступицей, для двухлопастных вертолетов, трехлопастных и многолопастных винтов в общем, в которых передача движения между валом трансмиссии и ступицей винта осуществляется через систему механических элементов, которые осуществляют универсальный шарнир постоянной скорости и в которых является возможной установка устройств известного типа, приспособленных для обеспечения упругого возврата (называемых "пружинами ступицы") между ступицей и валом, предназначенных для увеличения управляющего влияния винта на вертолет и для предотвращения явления потери управления в полете при низком g или нулевом g. Другая цель настоящего изобретения заключается в обеспечении втулки карданного винта постоянной скорости для двухлопастных вертолетов, которая может быть оснащена усовершенствованным устройством инерциальной и аэродинамической стабилизации, типа, называемого "флайбарами Белла-Хиллера", состоящим из двух небольших аэродинамических поверхностей, прикрепленных к ступице и под углом 90° с лопастями, при этом ступица является способной наклоняться относительно ведущего вала, как на оси махового движения, так и на оси осевого шарнира лопастей (называемой "осью поворота"), с аэродинамическим управлением посредством обтекаемой штанги (называемой "флайбаром"), и поддерживается во вращении с постоянной скоростью, независимо от угла наклона самого винта относительно ведущего вала, посредством пары концентрических карданных колец, размещенных в специальной полости ступицы. Внешнее кольцо соединено с ступицей винта, при этом внутреннее кольцо соединено с ведущим валом и через посредство, по меньшей мере, одного или двух биссекторных устройств, идентичных и противоположных, также соединено с ведущим валом и с ступицей (ведомым валом), приспособленной для поддержания оси штифта, общей для двух концентрических пересечений, на плоскости, называемой гомокинетической, которая разделяет пополам угол, принимаемый ступицей относительно вала трансмиссии, обеспечивая движение, всегда постоянное относительно ступицы. Дополнительной целью изобретения является обеспечение гомокинетических двухлопастных и трехлопастных винтов с плавающей ступицей, в которых амплитуда колебательного относительного движения лопастей вокруг подшипников осевого шарнира, которое имеет место в традиционных винтах и возникает посредством циклического управления шагом лопастей, манипулируемого посредством автомата перекоса, почти не существует или, по меньшей мере, уменьшена по сравнению с другими винтами вертолетов, так как ступица является способной наклоняться также вокруг оси осевого шарнира ("оси поворота"), управляемой посредством аэродинамической штанги ("флайбара"). Другой целью изобретения является исключение крутильных колебаний на валу трансмиссии, соединенном с винтом, которые возникают в винтах вертолетов вследствие махового движения лопастей вокруг эксцентриковых шарниров, в винтах, называемых "шарнирными", и вокруг единственного центрального шарнира махового движения в двухлопастных винтах, называемых "качающимися". Другой целью настоящего изобретения является осуществление втулки карданного "карданно подвешенного" винта или втулки винта с плавающей ступицей, с тремя или более лопастями, соединенными с ведущим валом, с усовершенствованным универсальным шарниром постоянной скорости, в котором ступица винта составляет ведомый элемент соединения, состоящий из ограниченного количества составных частей и отличающийся фактом отсутствия вертикальных шарниров и вертикальных амортизаторов, при этом лопасти не подвергаются ускорениям Кориолиса. Дополнительная цель изобретения заключается в обеспечении усовершенствованной двойной карданной концентрической системы, которая находит свое применение в изготовлении шарниров постоянной скорости (также называемых "универсальными") для общего использования. Предпочтительно, в действительности, изобретение, лишенное лопастей вертолета, также является используемым в качестве универсального шарнира во всех применениях, в которых он, в общем смысле, предназначен для передачи вращательного движения и приводного крутящего момента между двумя наклонными валами, таким образом, что скорость ведомого вала всегда равна скорости ведущего вала. Следовательно, целью настоящего изобретения является универсальный шарнир постоянной скорости для каждого типа трансмиссии и, в частности, для управления лопастями винта вертолетов посредством ступицы винта, на которой прикреплены сами лопасти, и которая составляет ведомый вал шарнира, соединенный посредством соответствующих механических элементов с ведущим валом (называемым "стойкой") вертолета, для поддержания ступицы во вращении, с лопастями, соединенными с ней, с постоянной скоростью вокруг оси, наклоненной относительно оси вращения ведущего вала, при этом шарнир содержит следующие механические элементы:
- пару карданных концентрических колец, первое кольцо или внутреннее карданное кольцо, соединенное поворотным образом с поводком, выполненным в виде одного целого со стойкой, посредством двух поворотных элементов, и второе кольцо или внешнее карданное кольцо, соединенное поворотным образом со ступицей винта, посредством двух шарнирных штифтов, при этом указанные два карданных кольца соединены между собой посредством двух соединительных штифтов для обеспечения возможности относительного вращения внешнего универсального кольца относительно внутреннего карданного кольца, по существу, под углом 90° со штифтами винта стойки, при этом получающийся центр указанных концентрических колец совпадает с пересечением между осью вращения вала трансмиссии и осью вращения ступицы или ведомого вала;
- по меньшей мере, одно выравнивающее устройство, называемое "биссектором", предпочтительно два биссектора, для поддержания общей оси штифтов, соединяющих два карданных кольца, в плоскости, называемой "гомокинетической", перпендикуляр которой разделяет пополам угол, образованный между осью вращения ступицы, или ведомым валом винта, и осью вала трансмиссии.
В частности, когда имеют место два биссектора, указанные биссекторы взаимодействуют друг с другом, хотя они являются независимыми друг от друга в своей работе, и оказывают влияние на штифты, которые соединяют два карданных концентрических кольца, образуя двойную ромбическую направляющую, прикрепленную, отдельно, посредством подходящих шарниров, к ведущему валу и к ступице или ведомому валу винта. Предпочтительно, в соответствии с изобретением, указанный шарнир постоянной скорости, в его намеченном применении для винта вертолета, дополнительно содержит:
- стакан (называемый "поводком"), посаженный посредством профиля с пазами на стойку, обеспеченную двумя противоположными и выступающими штифтами, на которых центрируется карданное внутреннее кольцо, посредством вращательного соединения; в осуществлениях для винта вертолета стакан предотвращает позиционирование указанных штифтов непосредственно на валу трансмиссии. Указанный стакан имеет, более того, по меньшей мере, один поддерживающий элемент (или два противоположных поддерживающих элемента), который обеспечивает возможность соединения биссектора (или двух биссекторов) на валу трансмиссии. Внутреннее карданное кольцо обеспечено двумя кольцевыми гнездами, на которых размещаются имеющие фланец антифрикционные вкладыши коммерческого типа, обеспеченные скользящей поверхностью с ПТФЭ, которые соединяются с низким трением, и без смазки, с двумя выступающими штифтами указанного стакана. Указанное внутреннее кольцо (которое, для монтажных потребностей винта вертолета, предпочтительно, обеспечено и состоит из различных скрепленных посредством болтовых элементов) обеспечено дополнительными двумя кольцевыми гнездами, под углом 90° относительно первых гнезд, для размещения антифрикционных вкладышей, аналогичных предыдущим вкладышам, в которых размещены, с поворотным соединением, два штифта, выполненных в виде одного целого с внешним кольцом. По меньшей мере, один из указанных штифтов (или оба) имеет цилиндрическое удлинение, выступающее наружу внешнего кольца, на одном из которых (или обоих) размещается биссектор со скользящим и поворотным соединением (в случае, если оба штифта выступают, два биссектора могут размещаться). Внешнее кольцо, под углом 90° градусов относительно штифтов, обеспечено двумя противоположными пазами для двух дополнительных имеющих фланец антифрикционных вкладышей, в которых размещается, с поворотным соединением, пара противоположных штифтов, выполненных в виде одного целого со ступицей и радиально расположенные;
- два полусферических кольцевых шарнира и вертикально противоположных относительно центра винта, при этом каждый разделен на два или более элементов для обеспечения возможности монтажа, обеспечен так, что указанные полушарниры состоят из сферических ламинированных эластомерных подшипников с жесткостью, или противоположных сферических поверхностей, скользящих относительно друг друга посредством расположенного между ними слоя антифрикционного материала; в первом случае жесткость эластомерных элементов составляет возвратную пружину (называемую "пружиной ступицы") между ступицей винта и валом трансмиссии, которая обеспечивают возможность управления винтом также во время полета при низком или нулевом g; во втором случае, не прикладывающееся центральным сферическим шарниром какое-либо действие упругого возврата между ступицей и валом, возможная возвратная пружина между ступицей и валом может быть осуществлена посредством эластомерного элемента, размещенного в подходящем гнезде, образованном в нижней части самой ступицы. Эти полусферические противоположные шарниры имеют их центр, совпадающий с центром шарнира постоянной скорости; последний является способным, вследствие описанных ограничений в двух концентрических карданных кольцах, осуществлять самостоятельно функцию сферического шарнира для поддерживания ступицы "карданно подвешенного" винта: указанные полусферические подшипники, в обеих описанных конфигурациях, следовательно, обеспечены только функцией снятия с шарнира постоянной скорости и соединительных штифтов напряжений вследствие осевой нагрузки, возникающей от поднятия винта и посредством инерции вертолета. Карданные кольца и соединительные штифты, таким образом, интересны только с точки зрения напряжений, возникающих вследствие передачи крутящего момента;
- вал трансмиссии, обеспеченный обечайкой, к которой прикладываются осевые усилия винта, передаваемые от указанных полусферических противоположных шарниров, которые являются способными передавать крутящий момент на ступицу и лопасти, через посадку с натягом стакана, на котором смонтированы концентрические карданные кольца, которые образуют шарнир постоянной скорости;
- ступицу винта, предназначенную для монтажа лопастей в соответствующих кронштейнах и обеспеченную центральной полостью для размещения концентрических карданных колец посредством двух противоположных штифтов, выполненных в виде одного целого с ступицей и на которых центрируется внешнее кольцо, и обеспеченную, на верхней и нижней стороне, корпусами для описанных полусферических шарниров на валу трансмиссии; при этом указанная ступица также обеспечена, на верхней части центральной полости, одним (или двумя) противоположными корпусами для соединительных штифтов стержней, соединенных с биссектором (или с двумя биссекторами) шарнира постоянной скорости.
Целью настоящего изобретения также является винт, содержащий указанный шарнир постоянной скорости. Настоящее изобретение показано и описано в дальнейшем, для иллюстративного, а не ограничительного, примера, в трех предпочтительных вариантах осуществления. На Фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 показано первое воплощение изобретения, применяемого для винтов вертолета, и, в частности:
- фиг. 1 представляет собой частично изометрический вид трехлопастного винта с плавающей ступицей, с частями винта частично удаленными для того, чтобы сделать приводные устройства шарнира постоянной скорости с двумя биссекторами видимыми; на Фиг. 1 также показана ось 00 общих штифтов концентрических карданных колец, при этом ось лежит на гомокинетической плоскости;
- фиг. 2 представляет собой увеличенный узел винта Фиг. 1, не содержащий лопасти;
- фиг. 3 представляет собой узел карданных колец, стакана и биссектора шарнира постоянной скорости - цели изобретения;
- фиг. 4 представляет собой узел поводка или стакана.
- на фиг. 5 показан вид с частичным разнесением деталей поддерживающего элемента, устройств сопротивления и жесткости винта относительно вала трансмиссии;
- на фиг. 6 показан вид с разнесением деталей составных частей, которые составляют шарнир постоянной скорости и поводок;
- фиг. 7 представляет собой разрез поддерживающего элемента, устройств сопротивления винта и, в частности, шарнира - цели изобретения, с двумя биссекторами, наклоненными под углом 10 градусов относительно вала трансмиссии.
Фиг. 8 представляет собой разрез второго осуществления шарнира - цели изобретения, работающего с одним биссектором, наклоненным под углом 10 градусов относительно вала трансмиссии. На фиг. 9, 10, 11 и 12 показано третье осуществление изобретения, которое относится к универсальному шарниру постоянной скорости, предназначенному для общего использования для каждого типа трансмиссии, и, в частности:
- на фиг. 9 показан изометрический вид шарнира постоянной скорости, обеспеченного двумя биссекторами, где вал трансмиссии и ведомый вал наклонены относительно друг друга;
- на фиг. 10 показан вид с частичным разнесением деталей шарнира постоянной скорости Фиг. 6, и, в частности, элементов, которые составляют биссектор и два стержня, соединяющих биссектор, соответственно, с валом трансмиссии и с ведомым валом;
- на фиг. 11 показан разрез шарнира постоянной скорости фиг. 9 и связанных устройств гомокинетического сопротивления;
- на фиг. 12 показан шарнир постоянной скорости, лишенный биссекторов, в котором выделено поворотное действие штифта относительно внутреннего кольца.
1) Первое осуществление: шарнир постоянной скорости для винтов вертолета.
Со ссылкой на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 представлен трехлопастной винт с плавающей ступицей. Вал 1 трансмиссии (или ведущий вал) обеспечен стаканом 3 (называемым "поводком"), снабженным внутри пазами таким образом, чтобы сажаться на выступающие зубья 11 ведущего вала; указанный стакан 3 обеспечен двумя противоположными и выступающими штифтами 31, на которых поворачивается внутреннее карданное кольцо, посредством вращательного соединения. Вал 1 трансмиссии поддерживает ступицу 2 винта (или ведомый вал), оснащенную кронштейнами 23 (фиг. 2) для размещения лопастей 7, с полусферическими шарнирами 4, которые являются зеркальными на обечайке 12 (фиг. 6) вала 1 и на стакане 3, при этом указанные шарниры 4 прикреплены посредством болтов к указанной ступице 2 на соответствующих противоположных гнездах (фиг. 5). Полусферические шарниры 4 (фиг. 5) выполнены посредством подшипников известного типа и принадлежат категории сферических эластомерных ламинированных подшипников (Тип III - Ref USAAMRDL-TR-75-39B). Универсальный шарнир постоянной скорости содержит пару карданных колец (фиг. 3 и фиг. 9) 5A; 5A', 5B; 5B', концентрических: первое кольцо, или внутреннее карданное кольцо 5A; 5A' поворачивается соединенным с ведущим валом 1 посредством двух шарнирных штифтов 31, и второе кольцо или внешнее карданное кольцо 5B; 5B' поворачивается соединенным со ступицей 2 винта посредством двух шарнирных штифтов 22. Эти два карданных кольца соединены друг с другом посредством двух соединительных штифтов 542, имеющих такую форму, чтобы обеспечивать возможность относительного вращения указанного внешнего карданного кольца 5B; 5B' относительно внутреннего карданного кольца 5A; 5A', по существу, под углом 90° со штифтами 31, 31' ведущего вала 1 и со штифтами 22 ступицы 2 винта или ведомого вала 2'. В частности, каждый из указанных соединительных штифтов 542 имеет выступающий конец 5421, который является соосным с самим соединительным штифтом. Пара карданных колец 5А и 5В первого и второго осуществления для винта вертолета, предпочтительно, может быть образована посредством собранных элементов. На двух штифтах 31 (только один из которых является видимым на фиг. 6), принадлежащих стакану 3 (фиг. 6), монтируется внутреннее карданное кольцо 5А. Указанное внутреннее кольцо 5А представлено в виде скрепленного посредством болтов единого целого (Фиг. 6), содержащего верхний элемент 5А1, два элемента 5А3, каждый из которых обеспечивает антифрикционный вкладыш 541, к которому прикрепляются посредством болтов два элемента 5А3, и два дополнительных элемента 5А2, каждый из которых обеспечивает гнездо для размещения антифрикционного имеющего фланец вкладыша 32. Элементы 5А3 и дополнительные элементы 5А2 прикрепляются к указанному верхнему элементу 5А1 посредством винтов, вместе образуя внутреннее карданное кольцо 5А. Антифрикционные вкладыши 541 и антифрикционные имеющие фланец вкладыши 32 поворачиваются соединенными, соответственно, с соединительными штифтами 542 и со штифтами 31. Внешнее карданное кольцо 5В (Фиг. 6) состоит из двух элементов, соединенных между собой винтами, из которых как первый нижний элемент 5В2, так и второй верхний элемент 5В1 имеют, по существу, четырехугольную форму. Каждый из указанных элементов 5В2, 5В1 оснащен двумя парами углублений для образования двух гнезд, каждое для устойчивого размещения штифта 542, и двумя дополнительными парами полостей для образования двух гнезд, каждое из них для размещения антифрикционного имеющего фланец вкладыша 511. На указанные антифрикционные вкладыши, посредством вращательного соединения, действуют штифты 22 (фиг. 1, 3 и 5), будучи выполненными в виде одного целого со ступицей 2 винта. Между антифрикционными вкладышами 511 и ступицей 2 винта имеются две калиброванные прокладки 512, которые обеспечивают возможность центрирования без зазора ступицы 2 относительно центра вращения ведущего вала 1 и относительно карданных колец 5А и 5В. На каждом выступающем конце 5421 соединительных штифтов 542, которые соединяют друг с другом два концентрических карданных кольца (фиг. 6), соответствующее биссекторное устройство 6 (фиг. 2 и 3) работает таким образом, чтобы поддерживать соединительные штифты на общей оси, обозначенной в общем 00, на плоскости, которая разделяет пополам угол между указанным валом 1 трансмиссии и ступицей 2 винта, плоскости называемой "гомокинетической". В частности, каждый из указанных биссекторов 6 содержит первый элемент 61 и второй элемент 62, соответственно, соединенные с ведущим валом 1 и ступицей 2 посредством двух стержней 63 (Фиг. 6). Первый элемент 61 вставляется призматическим образом во второй элемент 62, и оба являются скользящими и соединенными с возможностью вращения с выступающим концом 5421 каждого соединительного штифта 542. Каждый из указанных элементов 61, 62 обеспечен, по меньшей мере, одним сквозным отверстием для обеспечения возможности прохода указанного выступающего конца 5421 в каждое из них. С этой целью, то есть для правильной вставки соединительных болтов выступающих концов 5421 в каждый из указанных двух элементов 61, 62, сквозные отверстия этих двух элементов должны быть выровнены. В частности, второй элемент 62 имеет форму "V" и вблизи каждого свободного конца обеспечен сквозным отверстием, при этом первый элемент 61 выполнен с такой формой, чтобы иметь участок со сквозным отверстием, при этом этот участок имеет такие размеры, чтобы размещаться во втором элементе 62 таким образом, что его сквозное отверстие выровнено с двумя сквозными отверстиями второго элемента 62. Кроме того, каждый элемент 61, 62 обеспечен дополнительным отверстием для обеспечения возможности прикрепления соответствующего соединительного стержня 63 к соответствующему элементу через посредство штифта. Другими словами, каждый соединительный стержень 63 прикрепляется на одной стороне к одному из указанных двух элементов 61, 62 биссектора 6, а на другой стороне - к ведущему валу 1 или к ступице 2 винта таким образом, чтобы образовать ромбическую двойную направляющую. Для прикрепления указанных соединительных стержней 63 к ведущему валу 1 и ступице 2 винта, первые поддерживающие средства 33 обеспечены на валу 1 трансмиссии, а вторые поддерживающие средства 24 - на ступице 2 винта. Указанные первые и вторые средства 33, 24 поддерживания, через указанные соединительные стержни 63, передают на каждый биссектор 6 взаимное положение между ступицей 2 винта и валом 1 трансмиссии. В описывающемся примере, каждый стержень 63 выполнен в большей или меньшей степени с формой "Н" и обеспечен отверстием вблизи каждого свободного конца. Другими словами, каждый соединительный стержень обеспечен первой и второй парой отверстий для обеспечения возможности прохождения соответствующего штифта, который обеспечивает возможность прикрепления указанного соединительного стержня к первым поддерживающим средствам 33, обеспеченным на валу 1 трансмиссии, и вторым поддерживающим средствам 24, обеспеченным на ступице 2 винта. Каждая пара указанных элементов 61 и 62 соединена через посредство шарнирного штифта 631 с соответствующей парой соединительных стержней 63, которые, в свою очередь, прикреплены посредством дополнительного шарнирного штифта 632, нижний соединительный стержень, уже соединенный с элементом 61, к гнезду 33, выступающему от стакана 3 (Фиг. 4 и 6); верхний соединительный стержень, уже соединенный с элементом 62, к поддерживающему элементу 24 (Фиг. 5 и 7), причем последний выполнен в виде одного целого со ступицей 2 посредством винтов 241 (Фиг. 5). Гнездо 33 стакана 3 и поддерживающий элемент 24 являются геометрически зеркальными относительно центра универсального шарнира постоянной скорости. Со ссылкой на диаметр стакана 3, биссекторы 6 располагаются в диаметрально противоположном положении. В частности, один из двух биссекторов 6 оказывает действие дублирования относительно другого биссектора, являясь кинематически эквивалентным. На Фиг. 4 показана секция под углом 90° ступицы 2 винта, где указанная ступица наклонена на 10 градусов относительно ведущего вала 1; представлена кинематика двойного ромбического привода гомокинетического шарнира, обеспеченного двумя биссекторами.
2) Второе осуществление изобретения: универсальный шарнир постоянной скорости, обеспеченный одним биссектором.
На Фиг. 8, карданные концентрические кольца и один биссектор 6 поддерживают общую ось 00 (ось соединения между внутренним карданным кольцом и внешним карданным кольцом), представленную двумя противоположными штифтами 542, на плоскости, именуемой гомокинетической, которая разделяет пополам на 5 градусов угол наклона 10 градусов плоскости вращения ступицы 2 винта относительно ведущего вала 1, для того, чтобы гарантировать гомокинетическую передачу вращательного движения между указанным валом 1 трансмиссии и указанной ступицей 2.
3) Третье осуществление изобретения: универсальный шарнир постоянной скорости, применяемый к любому типу трансмиссии.
На Фиг. 9, 10, 11 и 12 показано третье воплощение изобретения для универсального использования. Со ссылкой на Фиг. 9 и 11, внутреннее карданное кольцо 5А' поворачивается посредством штифта 31' через сквозное отверстие 131 относительно ведущего вала 1 (Фиг. 11), который имеет выступающее гнездо 33' для соединения с соединительными стержнями 63; в этом осуществлении внутреннее карданное кольцо поворачивается непосредственно на валу трансмиссии, а не на стакане. Ведомый вал 2' винта имеет кронштейн 222, соединенный со штифтами 22, которые выполнены в виде одного целого с указанным кронштейном посредством обеспеченных пазов и поворачиваются на внешнем карданном кольце 5В'; ведомый вал 2' имеет два элемента 24' для соединения с соединительными стержнями 63 (Фиг. 11). В этом варианте осуществления, каждое из внутреннего карданного кольца 5А' и внешнего карданного кольца 5В' образовано из одной детали вместо сборки из нескольких элементов, и они являются концентрическими. Концентрические карданные кольца 5A', 5B' взаимно соединены посредством соединительных шарнирных штифтов 542, каждый из которых имеет выступающий конец 5421 по направлению наружу шарнира (Фиг. 12). Каждый выступающий конец 5421 имеет цилиндрическую форму, и на каждом из них элементы 61 и 62 биссектора 6 соединены скользящим и вращательным образом. Указанные элементы 61, 62 биссектора 6 вместе с соединительными стержнями 63, соединенными посредством шарнирных штифтов, соответственно, с ведущим валом 1 и ведомым валом 2', с ромбической геометрией направляющей, управляют биссекторами 6, которые поддерживают соединительные штифты 542 на плоскости (гомокинетической), которая разделяет пополам угол наклона между указанным ведущим валом и указанным ведомым валом. Другими словами, самое внутреннее кольцо 5А' имеет два противоположных гнезда, подлежащих поворачиванию соединенными со штифтами 31'; указанные два кольца 5А' и 5B', концентрические между собой, соединены посредством шарнирных штифтов 542, соосных и противоположных, приводя к оси расположений для штифтов на внутреннем кольце, являющейся нормалью относительно оси гнезд штифтов 31', и при этом, на внешнем кольце 5В', ось расположений указанных общих штифтов является нормалью относительно оси гнезд 22 штифтов; каждый из указанных штифтов 542, общих для двух концентрических колец, оснащен цилиндрическим концом 5421, соосным с этими же штифтами; на этом конце обеспечены скользящие и вращающиеся элементы 61 и 62, призматически соединенные между собой; они соединяют, посредством равных соединительных стержней 63, соответственно, элемент 61 и поддерживающий элемент 33', обеспеченный на ведущем валу 1, и элемент 62 с поддерживающим элементом 24', обеспеченным на ведомом валу 2'. Элементы 61 и 62 составляют биссекторы, которые, вследствие ромбической геометрии, осуществленной посредством соединительных стержней 63, поддерживают ось общих штифтов концентрических колец на плоскости, которая разделяет пополам угол наклона между ведомым валом и ведущим валом, таким образом образуя шарнир постоянной скорости. Когда шарнир передает вращательное движение, сопровождающееся ненулевым крутящим моментом, биссекторы 6 подвергаются напряжениям на соединительных штифтах 542, при этом напряжения являются настолько сильными, насколько более высокий крутящий момент передается и насколько больше угол наклона ведомого вала относительно ведущего вала, так как эти напряжения представляют собой колебательные напряжения. Наличие двух биссекторов на обоих соединительных штифтах 542 используется для предпочтительного распределения этих напряжений на обоих биссекторах. Кроме того, учитывая жесткую соосность соединительного штифта 542 и кинематическую эквивалентность двух биссекторов 6, наличие двух биссекторов 6 обеспечивает возможность получения дублирования, что обеспечивает возможность работы шарнира даже в случае отказа одного из двух биссекторов. Предпочтительно, вследствие формы соединений между карданными концентрическими кольцами с ведущим валом и ведомым валом, шарнир является очевидно реверсивным, и функции указанного ведущего вала 1 и ведомого вала 2' могут сменяться.
Настоящее изобретение было описано с иллюстративными, а не ограничительными, целями в соответствии с его предпочтительными вариантами осуществления, но следует понимать, что изменения и/или модификации могут быть выполнены специалистами в данной области техники, не выходя за пределы релевантного объема охраны, как задан формулой изобретения.