СОЕДИНЕНИЕ ТИПА ВАЛ-СТУПИЦА

Изобретение относится к машиностроению, в частности к соединениям типа вал-ступица для передачи вращательного движения между соосными деталями с применением зажимных конических втулок и колец, и может быть использовано для закрепления шкивов, муфт, зубчатых колес и подобных деталей на конце вала.
Широко известны кинематические связи вала со ступицей на основе стандартных шлицевых (зубчатых) соединений (САПР в машиностроении, соединения шлицевые (зубчатые), http://sapr.km.ru/techinfo/Techinfo.htm), в которых выступающие на одной детали (валу) продольные зубья входят в продольные пазы другой детали (ступицы).
Такие соединения относительно просты для сборки и демонтажа и могут передавать достаточно большие крутящие моменты. Однако, наряду с этим преимуществами, наличие радиальных люфтов, которые развиваются в процессе эксплуатации механизма, ухудшает динамику шлицевого соединения, приводит к преждевременному его износу. Этот недостаток присущ большинству конструкций шлицевых соединений и особенно актуален в высокоскоростных и мощных передачах.
Также широко известны кинематические связи вала со ступицей трением с применением стандартных зажимных деталей с конусными посадками (САПР в машиностроении, соединения зажимными коническими разрезными втулками, http://sapr.km.ru/techinfo/Techinfо.htm), которые предусматривают установку в зазоре между ступицей и валом двух деталей с сопрягаемыми встречными коническими поверхностями. Такие детали устанавливают с возможностью встречного перемещения вдоль оси вала, при котором взаимодействие сопряженных конических поверхностей вызывает радиальное деформирование деталей и заклинивание вала со ступицей. Указанные детали, как правило, выполняют в виде втулок - внутренней втулки с конической наружной поверхностью и наружной втулки с конической внутренней поверхностью. Для обеспечения возможности радиального деформирования втулки выполняют разрезными вдоль образующей. Крутящий момент в таком соединении передается от вала к ступице за счет сил
трения, возникающего между сопрягаемыми деталями соединения, по цепи: «вал-внутренняя втулка-наружная втулка-ступица».
В таких соединениях отсутствуют радиальные люфты, обеспечивается удовлетворительная балансировка, что улучшает динамику соединения, однако эти соединения имеют свои недостатки: передача крутящего момента основана только на трении между деталями соединения, что вызывает ограничения в части применяемых материалов, формы поверхностей и, что самое главное, ограничения величины передаваемого крутящего момента.
Известны соединения типа вал - ступица, в которых сочетаются элементы шлицевого соединения и соединения трением с применением стандартных зажимных деталей с конусными посадками.
5
Так, известно соединение вала со ступицей по патенту Российской Федерации № RU 2006710, МПК F 16 D 1/08, дата подачи заявки 26.11.1991. Соединение вала со ступицей содержит размещенные в кольцевом зазоре между ними наружную втулку со встречно направленными коническими участками и внутреннюю цилиндрическую втулку, выполненную со шлицами, образующими шлицевое соединение со шлицами, выполненными на концевом участке вала. Наружная втулка выполнена разрезной вдоль ее образующей. Между наружной и внутренней втулками расположены с противоположных сторон конические кольца, вершины конусов которых направлены навстречу друг другу. Конические поверхности колец сопряжены с ответными коническими участками наружной втулки. Конические кольца выполнены с резьбой на их внутренней поверхности, соответствующей резьбовым участкам на наружной поверхности внутренней цилиндрической втулки. Направление витков резьбовых участков одинаково.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: вал, на котором выполнены шлицевой и цилиндрический участки, ступица, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей, наружная и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, которые установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью перемещения и взаимодействия коническими поверхностями.
Работа соединения при передаче расчетного (номинального) крутящего момента осуществляется за счет начального гарантированного натяга, создаваемого распорным усилием при деформации наружной разрезной конической втулки вследствие затяжки навстречу друг другу конических колец по резьбе на внутренне цилиндрической втулке. При действии на ступицу кратковременной перегрузки крутящего момента, превышающей расчетную величину, происходит нарушение соединения (относительное вращение) по
поверхности резьбы конических колец, при этом они перемещаются по виткам резьбы к вершинам конусности. Таким образом, при действии перегрузки крутящего момента происходит автоматическая затяжка наружной разрезной конической втулки коническими кольцами, увеличивающими ее радиальную деформацию пропорционально величине перегрузки крутящего момента до восстановления работоспособности соединения вал-ступица.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются:
В качестве прототипа выбрано соединение ступицы с валом по патенту Германии №DE3443757, МПК: F 16 D 1/091, F 16 D 1/093, F 16 D 1/06, дата публикации 05.06.1986, в котором сочетаются элементы шлицевого соединения и соединения трением с применением деталей с конусными посадками. Соединение включает соосно расположенные вал и ступицу, в зазоре между которыми установлены с возможностью встречного перемещения вдоль оси вала наружная и внутренняя втулки. Наружная втулка выполнена с конической внутренней поверхностью, внутренняя втулка - с конической наружной поверхностью. Втулки установлены так, что их конические поверхности встречно сопрягаются. Внутренняя втулка соединена с валом шлицевым (шпоночным) соединением. Наружная втулка свободно установлена в отверстии ступицы. Соединение также включает стяжные винты, которые установлены вдоль оси вала в отверстиях наружной втулки и соединены резьбовым соединением с внутренней втулкой.
При закручивании стяжных винтов наружная и внутренняя втулки встречно перемещаются, взаимодействуя между собой коническими поверхностями. В результате указанного взаимодействия происходит радиальное деформирование втулок и заклинивание вала со ступицей. Крутящий момент в таком соединении передается от вала к ступице по цепи: «вал-внутренняя втулка-наружная втулка-ступица». При этом передача крутящего момента от вала к внутренней втулке осуществляется преимущественно через шлицевое (шпоночное) соединение, от внутренней втулки к наружной - за счет сил трения и стяжных винтов, которыми соединены внутренняя и наружная втулки, от наружной втулки к ступице - только за счет сил трения между наружной втулкой и ступицей.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: вал, на котором выполнены шлицевой и цилиндрический участки, ступица, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, наружная и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, которые установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями.
Указанное соединение решает проблему радиальных люфтов, однако передача крутящего момента от наружной втулки к ступице происходит исключительно за счет сил трения, что ограничивает величину передаваемого крутящего момента.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования соединение типа вал-ступица, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается увеличение величины передаваемого крутящего момента.
Поставленная задача решается тем, что в соединении типа вал-ступица, включающем вал, на котором выполнены шлицевой и цилиндрический участки, ступицу, которая смонтирована на валу с образованием кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, наружную и внутреннюю втулки с противоположно направленными коническими поверхностями, которые установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями, согласно полезной модели, наружная втулка выполнена с резьбой на внешней поверхности, а на ступице выполнен шлицевой участок, соответствующий шлицевому участку вала, с образованием шлицевого соединения вала со ступицей и резьбовой участок, соответствующий резьбе наружной втулки, с образованием винтового соединения наружной втулки со ступицей.
Перечисленные признаки являются существенными признаками полезной модели.
Целесообразно в торце вала выполнить соосное с валом резьбовое отверстие, в котором установить винт с возможностью опирания головки винта в наружную втулку со стороны ее свободного торца. Такое выполнение позволяет зафиксировать положение наружной втулки в ступице обычным затягиванием винта.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.
Так, выполнение соединения типа вал-ступица, в котором вал выполнен со шлицевым и цилиндрическими участками, ступица выполнена со шлицевым и резьбовым участками, ступица смонтирована на валу с образованием шлицевого соединения вала со ступицей и кольцевого зазора между валом и ступицей в области цилиндрического участка вала, наружная и внутренняя втулки с противоположно направленными коническими поверхностями установлены в кольцевом зазоре между валом и ступицей с возможностью встречного перемещения и взаимодействия коническими поверхностями, наружная втулка выполнена с резьбой на внешней поверхности, соответствующей резьбовому участку ступицы, с образованием винтового соединения наружной втулки со ступицей, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, величину передаваемого крутящего момента.
Это объясняется тем, что отличительные признаки полезной модели (выполнение наружной втулки с резьбой на внешней поверхности, выполнение на ступице шлицевого участка, соответствующего шлицевому участку вала, с образованием шлицевого соединения вала со ступицей, а также резьбового участка, соответствующего резьбе наружной втулки, с образованием винтового соединения наружной втулки со ступицей) совместно с существенными признаками полезной модели, общими с прототипом, обеспечивают возможность шлицевого соединение вала со ступицей, которое, как известно, способно передавать значительные крутящие моменты, а также центровку осей вала и ступицы с исключением радиальных люфтов между валом и ступицей, что улучшает динамику соединения, снижает износ деталей, увеличивает срок службы соединения.
Ниже приводится подробное описание заявляемого соединения со ссылками на графические материалы, на которых показано:
Фиг.1 - Соединение типа вал-ступица, продольный разрез.
Фиг.2 - Соединение типа вал-ступица, разрез А-А на фиг.1.
Фиг.3 - Соединение типа вал-ступица, разрез Б-Б на фиг.1.
Фиг.4 - Соединение типа вал-ступица, разрез В-В на фиг.1.
Фиг.5 - Соединение типа вал-ступица, вид Г на фиг.1.
Фиг.6 - Соединение типа вал-ступица, наружная втулка, продольный разрез.
Фиг.7 - Соединение типа вал-ступица, разрез Е-Е на фиг.6.
Фиг.8 - Соединение типа вал-ступица, разрез Д-Д на фиг.6.
Фиг.9 - Соединение типа вал-ступица, вид Ж на фиг. 6.
Фиг.10 - Соединение типа вал-ступица, внутренняя втулка, продольный разрез.
Фиг.11 - Соединение типа вал-ступица, вид И на фиг.10.
Фиг.12 - Соединение типа вал-ступица, вал и ступица в сборе.
Фиг.13 - Соединение типа вал-ступица, схема технологического членения элементов фиксации вала относительно ступицы.
Фиг.14 - Соединение типа вал-ступица, схема фиксации вала в ступице.
Фиг.15 - Соединение типа вал-ступица, схема демонтажа соединения.
Соединение типа вал-ступица включает вал 1, ступицу 2, наружную втулку 3, внутреннюю втулку 4, винт 5, опорную шайбу 6, упругую шайбу 7. Вал 1 имеет шлицевой участок 8, который сопряжен со шлицевым участком 9, выполненным на ступице 2, а также цилиндрический участок 10 со стороны торца вала 1. Цилиндрическому участку 10 вала 1 соответствует цилиндрический участок 11 на ступице 2. Диаметры цилиндрических участков 10, 11 таковы, что в собранном виде между валом 1 и ступицей 2 образуется кольцевой зазор 12. В торце вала 1 выполнено соосное с валом 1 резьбовое отверстие 13.
Наружная втулка 3 имеет резьбовой участок 14, который сопряжен с резьбовым участком 15 на ступице 2. На одном конце наружной втулки 3 выполнен разрезной участок 16 с конической внутренней поверхностью. Разрезы 17 выполнены вдоль образующей разрезного участка 16. На другом конце наружной втулки 3 выполнены пазы 18 под торцевой ключ (не показан). На внутренней поверхности втулки 3 выполнен резьбовой участок 19 для установки монтажно-демонтажного приспособления. Внутренняя втулка 4 выполнена в виде кольца с конической наружной поверхностью и продольным разрезом 20. Конусность наружной поверхности втулки 4 соответствует конусности внутренней поверхности разрезного участка 16 втулки 3. Винт 5, опорная шайба 6 и упругая шайба 7 являются стандартными деталями.
В собранном виде ступица 2 размещена на валу 1. Шлицевой участок 8 на валу 1 и шлицевой участком 9 на ступице 2 сопряжены и образуют шлицевое соединение вала 1 со ступицей 2. Между цилиндрическим участком 10 вала 1 и цилиндрическим участком 11 ступицы 2 имеется кольцевой зазор 12. Внутренняя втулка 4 свободно установлена на цилиндрическом участке 10 вала 1 в кольцевом зазоре 12. Наружная втулка 3 установлена в ступице 2. Резьбовой участок 14 наружной втулки 3 совпадает с резьбовым участком 15 ступицы 2, образуя винтовое соединение наружной втулки 3 со ступицей 2. Разрезной участок 16 наружной втулки 3 расположен в кольцевом зазоре 12 и охватывает внутреннюю втулку 4 таким образом, что наружная коническая поверхность внутренней втулки 4 сопрягается с внутренней конической поверхностью разрезного участка 16 наружной втулки 3. Винт 5 установлен в резьбовом отверстии 13 вала 1. Головка винта 5 упирается в наружную втулку 3 через опорную шайбу 6 и упругую шайбу 7.
В процессе сборки соединения (смотри фиг.14) проворачивают наружную втулку 3 приспособлением 21 торцевым ключом, который взаимодействует с пазами 18 на втулке 3. При этом втулка 3 за счет резьбового соединения со ступицей 2 перемещается в сторону кольцевого зазора 12. Внутренняя втулка 4 остается неподвижной на валу 1. Взаимодействие встречно направленных внутренней конической поверхности разрезного участка 16 наружной втулки 3 и наружной конической поверхностью внутренней втулки 4 вызывает радиальную деформацию разрезного участка 16 наружной втулки 3 и заклинивание вала 1 со ступицей 2 на участке кольцевого зазора 12 между валом 1 и ступицей 2. При этом происходит жесткая фиксация вала 1 относительно ступицы 2, автоматическая центровка вала 1 и ступицы 2, а также устраняется радиальный люфт между валом 1 и ступицей 2. После зажатия соединения указанным вращением наружной втулки 3 винт 5 устанавливают в резьбовом отверстии 13 вала 1 и заворачивают. Головка винта через опорную шайбу 6 и упругую шайбу 7 упирается в наружную втулку 3 со стороны ее свободного торца,
фиксируя положение наружной втулки 3. При разборке соединения выкручивают винт 5, наружную втулку 3 вращают в обратном направлении, при котором она перемещается из зазора 12. Происходит расклинивание вала 1 со ступицей 2. После этого на резьбовой участок 19 наружной втулки 3 устанавливают демонтажное приспособление 22 (смотри фиг.15), вращая которое выталкивают вал 1 с отверстия ступицы 2, то есть демонтируют ступицу 2 с вала 1.
При работе соединения крутящий момент передается от вала 1 к ступице 2 через шлицевое соединение, которое, как известно, позволяет передавать большие крутящие моменты. Наличие наружной и внутренней втулок, как зажимных деталей с конусными посадками, установленных описанным выше образом, обеспечивает центровку вала и ступицы, устранение радиальных люфтов между валом и ступицей, что улучшает динамику соединения, увеличивает срок его службы.