Соединение вала со ступицей

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к соединениям вал-ступица, подобное соединение может быть использовано для закрепления шкивов, звездочек, маховиков, зубчатых колес, рычагов и аналогичных элементов преимущественно на окончании вала.
Из уровня техники известно соединение вала со ступицей биконическими зажимными кольцами и размыкающими их при затяжке винтов промежуточными коническими кольцами, установленными в кольцевом зазоре между валом и ступицей (Орлов П.И., Основы конструирования., М.: Машиностроение, кн. 2, 1977, с. 306, рис. 329а).
Недостатками этого соединения являются необходимость центрирования по четырем поверхностям и неравномерность распределения контактных давлений по их длине, а также нарушение соединения вала со ступицей при перегрузке крутящего момента.
Наиболее близким техническим решением - прототипом - является соединение вала со ступицей, включающее ступицу, внутренняя посадочная поверхность которой сформирована в виде встречно направленных конических участков, вал с цилиндрической посадочной поверхностью и оппозитно относительно пересечения конических участков размещенные в зазоре между валом и ступицей два кольца с коническими наружными и цилиндрическими внутренними поверхностями, изготовленные из упругого материала, с средством их осевого перемещения, выполненного в виде четного количества винтов, размещенных в соответствующих отверстиях, равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец чередующимися так, что одни из них выполнены резьбовыми под резьбу винта, а другие выполнены с зазором под стержень винта (Заявка ФРГ DE 000003443757 А1, МПК: F16D 1/08, опубл. 05.06.1986).
Недостатком такого соединения является низкая надежность при кратковременных перегрузках крутящего момента из-за потери несущей способности соединения при действии крутящего момента, превышающего расчетный момент, обеспеченный создаваемым при сборке соединения натягом.
Задачей полезной модели является повышение несущей способности соединения при действии крутящего момента за счет повышения создаваемого при сборке соединения натяга.
Технический результат - повышение эффективности соединения вала со ступицей.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в соединении вала со ступицей, включающем ступицу, внутренняя посадочная поверхность которой сформирована в виде встречно направленных конических участков, вал с цилиндрической посадочной поверхностью и оппозитно относительно пересечения конических участков размещенные в зазоре между валом и ступицей два одинаковых кольца с коническими наружными и цилиндрическими внутренними поверхностями, изготовленные из упругого материала, с средством их осевого перемещения, выполненного в виде четного количества винтов, размещенных в соответствующих отверстиях, равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец чередующимися так. что одни из них выполнены резьбовыми под резьбу винта, а другие выполнены с зазором под стержень винта. В каждом из колец между упомянутыми отверстиями двух типов под винты поочередно с обоих торцов выполнены торцовые пазы так, что  и , где L - осевой размер кольца,  - осевой размер пазов с торцов колец, причем оптимальным является исполнение, когда каждый торцовый паз в кольце отстоит от близлежащих отверстий двух типов под винты на одинаковое расстояние.
Полезная модель иллюстрируется изображениями, на которых показаны:
на Фиг. 1 - соединение вала со ступицей, вид с торца;
на Фиг. 2 - разрез А-А на Фиг. 1;
на Фиг. 3 - кольцо в изометрии: а) для 4-х винтов; б) для 6-ти винтов.
Проставленным на изображениях позициям соответствуют следующие значения:
1 - вал;
2 - ступица;
3 - посадочная поверхность вала:
4 - конический участок посадочной поверхности ступицы;
5 - кольцо;
6 - винт;
7 - головка винта;
8 - резьба винта;
9 - стержень винта;
10 - отверстие, выполненное резьбовым под резьбу винта;
11 - отверстие, выполненное с зазором под стержень винта;
12 - торцовый паз с торца кольца, обращенного вовне ступицы;
13 - торцовый паз с торца кольца, обращенного внутрь ступицы:
14 - наружная поверхность кольца;
15 - гнездо под головку винта;
16 - торец кольца, обращенный вовне ступицы;
17 - торец кольца, обращенный внутрь ступицы.
Как следует из представленных изображений, заявленное соединение включает ступицу 2, внутренняя посадочная поверхность которой сформирована в виде встречно направленных конических участков 4, вал 1 с цилиндрической посадочной поверхностью 3 и оппозитно относительно пересечения конических участков 4 размещенные в зазоре между валом 1 и ступицей 2 два кольца 5, выполненные из упругого материала (например, из стали). В заявленном соединении кольца 5, как и в прототипе, оснащены средством их осевого перемещения, выполненного в виде винтов 6, размещенных в соответствующих отверстиях 10 и 11. равномерно по окружности сформированных в каждом из упомянутых колец 5 чередующимися так, что одни из них - отверстия 10 - выполнены резьбовыми под резьбу 8 винта 6, а другие - отверстия 11 - выполнены с зазором под стержень 9 винта 6. Также в кольцах 5 со стороны отверстий 11 могут быть выполнены гнезда 15 под головки 7 винтов 6. В каждом из колец 5 между упомянутыми отверстиями двух типов 10 и 11 выполнены чередующимися поочередно с обоих торцов 16 и 17 пазы 12 и 13, что обеспечивает наиболее плотное прилегание внутренних и наружных 14 поверхностей колец 5 к посадочным поверхностям вала 3 и ступицы 4, так. что  и , где L - осевой размер кольца 5,  - осевой размер торцовых пазов 12 и 13 с торцов колец 5. Наружные поверхности 14 колец 5 выполнены коническими с конусностью, близкой к конусности конических участков 4 ступицы 2. Из условия эффективности соединения за счет равномерности создаваемого при сборке соединения натяга оптимально исполнение колец 5. когда каждый торцовый паз 12 или 13 в кольце 5 отстоит от близлежащих отверстий двух типов 10 и 11 под винты на одинаковое расстояние.
Сборку соединения производят следующим образом.
На вал 1 устанавливают кольцо 5 торцом 17 в ту сторону, с которой будут монтировать деталь, предназначенную для закрепления на валу, надвигают ее ступицей 2 на кольцо 5.
После этого, в свободный зазор между ступицей 2 и валом 1 устанавливают осевым перемещением по валу второе кольцо 5 торцом 16 наружу. Перемещением собранного комплекта из трех деталей вдоль вала размещают его в нужном положении в осевом направлении и приступают к фиксации его на валу. Для этого вводят снаружи с двух сторон ступицы 2 в отверстия 11 обоих колец 5 необходимое количество винтов 6. поворотом одного из колец вокруг его оси добиваются совпадения осей винтов 6 в одном кольце 5 с осями резьбовых отверстий 10 в другом кольце и ввинчивают все винты с двух сторон ступицы 2 до тех пор, пока головки винтов 7 полностью не войдут в гнезда для них 15 в обоих кольцах 5, а при исполнении колец 5 без гнезд под головку винта 6, - пока головки винтов 7 не прижмутся к наружным торцам колец и затягивают винты 6, стягивая между собой оба кольца 5 с осевой силой такой величины, которая необходима для создания соответствующих сил трения на двух наружных конических поверхностях 4 и двух внутренних цилиндрических поверхностях 3 двух колец 5, которые будут достаточны для обеспечения передачи соединением с вала 1 на ступицу 2 (или наоборот) крутящего момента заданной величины.
Разборка соединения осуществляется в обратном порядке. Вывинчиваются и вынимаются из обоих колец 5 с двух сторон ступицы 2 винты 6, вынимается из ступицы 2 и снимается с вала одно из колец 5, затем либо в ту же сторону с оставшегося на валу 1 второго кольца 5 снимается закрепленная ранее на валу деталь, а потом с вала 1 снимается остающееся на нем кольцо 5, либо с вала 1 снимается деталь вместе с остающимся в ней одним кольцом 5 с последующим извлечением кольца 5 из ступицы 2.
Экспериментально (методом компьютерного моделирования) установлено, что при прочих равных параметрах заявленное техническое решение по сравнению с прототипом способно выдерживать без потери несущей способности нагрузки до 15%…20% выше.
Исходя из изложенного можно сделать вывод о том, что при реализации полезной модели поставленная задача - повышение несущей способности соединения при действии крутящего момента за смог повышения создаваемого при сборке соединения натяга - решена, а заявленный технический результат - повышение эффективности соединения вала со ступицей - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле полезной модели признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения заявленного технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к машиностроению, в частности к соединениям вал-ступица, и может быть использовано для закрепления шкивов, звездочек, маховиков, зубчатых колес, рычагов и аналогичных элементов преимущественно на окончании вала;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.