ПРИВОДНОЙ ВАЛ
DRIVEN SHAFT

Изобретение относится к трансмиссиям транспортных средств, а именно к приводным валам, предназначенным для установки в трансмиссии транспортного средства, например, устанавливаемого в качестве промежуточного приводного вала между коробкой передач и раздаточной коробкой.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является промежуточный карданный вал автомобиля ВАЗ 2123, «Руководство по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту» - М., Издательство «РусьАвтокнига» 2001 г., рис.3-16 на стр.35, включающий в себя эластичную резино-металлическую муфту, соединенную своим фланцем посредством шлицевого соединения с валиком, второй конец которого соединен шлицевым соединением с обоймой шарнира равных угловых скоростей с угловым смещением, внутренняя полость корпуса которого защищена со стороны валика резиновым чехлом с кожухом, а с обратной стороны - заглушкой, выполненной из металла с цилиндрической установочной частью и центральной торцевой частью, причем установочная часть и некоторый участок центральной торцевой части обрезинены (к ним привулканизирована резина). Резиновая часть эластичной резино-металлической муфты имеет практически квадратные сечения в плоскости, проходящей через ее продольную ось. Шлицевое соединение валика с фланцем муфты образовано прямобочными (прямозубыми) шлицами на обеих деталях, а шлицевое соединение второго конца валика с обоймой шарнира образовано эвольветными прямыми шлицами на обеих деталях.
Недостатки данного технического решения: наличие значительного окружного люфта в промежуточном карданном вале из-за использования в шлицевом соединении валика с фланцем муфты прямобочных (прямозубых) шлицов на обеих деталях и использования в шлицевом соединении второго конца валика с обоймой шарнира эвольвентных прямых шлицов на обеих деталях, которые (такие шлицевые соединения) в процессе эксплуатации промежуточного карданного вала прогрессивно увеличивают и так значительный его окружной люфт под воздействием значительных ударных нагрузок, в какой-то степени обусловленных высокой окружной жесткостью его эластичной муфты. В процессе эксплуатации промежуточного карданного вала в автомобиле из-за увеличивающегося его (вала) окружного люфта и из-за высокой окружной жесткости его эластичной муфты увеличиваются и окружные люфты всех шлицевых и зубчатых соединений автомобиля на пути от двигателя до каждого колеса, что в итоге приводит к стукам и шумам, а значит и к потере потребительских свойств автомобиля (снижению комфортабельности автомобиля), в результате требуется досрочная замена приводного вала.
Из-за того что в данной конструкции промежуточного карданного вала автомобиля компенсацию осевых перемещений его составляющих компонентов возможно осуществлять в основном шлицевым соединением валика с фланцем муфты (и лишь незначительно на 0,002-0,003 м телом самой муфты, которая для этого и не предназначена, поэтому далее можно не рассматривать), а необходимое осевое усилие для преодоления высокого трения в этом шлицевом соединении в продольном направлении при различных режимах эксплуатации в основном превышает реально возникающие осевые усилия в нагруженном передаваемым моментом промежуточном карданном вале (т.е. промежуточный карданный вал практически почти не компенсирует продольные перемещения его составляющих компонентов), то при движении автомобиля компенсация изменяющегося расстояния между агрегатами (коробкой передач и раздаточной коробкой), соединяемыми промежуточным карданным валом, происходит за счет деформации резино-металлических опор этих агрегатов, а это приводит к практически полной передаче всех низкочастотных и высокочастотных вибраций от коробки передач (соединенной с двигателем) через промежуточный карданный вал на раздаточную коробку и, как следствие, во-первых, к сильной нагрузке подшипниковых узлов соединяемых валом агрегатов, к их преждевременному износу, стукам, шумам и даже к течи их сальников (т.е. приводит к выходу из строя агрегатов), во-вторых, к вибрации кузова и рычага управления раздаточной коробки и в результате к повышенному шуму в салоне (т.е. ухудшается комфорт), в-третьих, к потере передаваемой мощности за счет преобразования части передаваемого момента на вибрацию кузова и шум раздаточной коробки.
Из-за того что в данной конструкции промежуточного карданного вала автомобиля применен шарнир равных угловых скоростей с угловым смещением, который предназначен и на практике нормально работает в составе других конструкций в условиях без осевой нагрузки, а в условиях же работы его в составе конструкции данного промежуточного карданного вала, где он испытывает большую осевую нагрузку, между его составляющими (корпусом, сепаратором, обоймой, шариками) возникает большая сила трения скольжения, что приводит к тому, что он, во-первых, имеет повышенные потери на трение (а значит, в нем происходят значительные потери мощности) и, во-вторых, сильно греется в процессе работы.
Сильный разогрев шарнира вызывает: большое раздутие чехла - что требует наличия в конструкции защитного кожуха чехла; изменение со временем свойств материала (резины) чехла - что отрицательно сказывается на долговечности чехла и надежности работы всего шарнира; изменение со временем свойств смазки - что также отрицательно сказывается на долговечности и надежности работы всего шарнира; изменение со временем свойств резины установочной части заглушки - что может привести к образованию некоторых зазоров между поверхностью ее установочной части и посадочной поверхностью шарнира, т.е. к разгерметизации внутренней полости шарнира и возможности попадания в нее влаги, абразива, грязи, а это приводит к преждевременному выходу шарнира из строя.
Технический результат, который достигается заявляемым изобретением, заключается в повышении надежности и срока службы приводного вала, в снижении потерь мощности в нем и, как следствие, в целом в транспортном средстве, где он используется, с одновременным снижением передачи вибраций через приводной вал и с повышением комфортабельности этого транспортного средства в эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в приводном вале, предназначенном для установки в трансмиссии транспортного средства, включающем в себя резино-металлическую муфту, соединенную своим фланцем посредством шлицевого соединения с валиком, второй конец которого соединен шлицевым соединением с обоймой шарнира, внутренняя полость которого защищена со стороны валика чехлом, а с обратной стороны - заглушкой, установочная часть которой выполнена цилиндрической, согласно изобретению в качестве шарнира применен шарнир равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением, шарики которого расположены в прямых эллиптических дорожках его корпуса, ограниченных образующей цилиндрической поверхностью внутренней полости этого корпуса, а шлицы валика в шлицевых соединениях его с фланцем муфты и с обоймой шарнира выполнены эвольвентными спиральными, тогда как шлицы фланца муфты и обоймы шарнира в этих соединениях выполнены эвольвентными прямыми, чехол шарнира выполнен из синтетического материала с твердостью не менее 80 единиц по Шору, причем на поверхности чехла около его установочной части на корпусе шарнира выполнена установочная канавка для стягивающего кольца, а под установочной частью чехла на корпусе шарнира завальцована ограничительная шайба, внутренний диаметр перехода поперечной торцовой стенки которой в продольную ее стенку меньше диаметра вершин прямых эллиптических дорожек корпуса шарнира, и больше диаметра образующей цилиндрической поверхности внутренней полости его корпуса, заглушка которого целиком выполнена из термостойкой пластмассы.
В частном случае резиновая часть муфты выполнена практически круглой в поперечных ее сечениях, лежащих в плоскостях, проходящих через продольную ось муфты.
В частном случае продольная стенка ограничительной шайбы приводного вала выполнена цилиндрической.
В частном случае продольная стенка ограничительной шайбы приводного вала выполнена конической.
В частном случае ограничительная шайба приводного вала завальцована на корпусе шарнира в канавке.
В частном случае заглушка корпуса шарнира приводного вала выполнена из термостойкой пластмассы с термостойкостью более 100°С.
В частном случае на цилиндрической установочной части заглушки корпуса шарнира приводного вала выполнен, по меньшей мере, один уплотнительный поясок.
В частном случае в установочной канавке чехла приводного вала установлено стягивающее кольцо.
В частном случае на корпусе шарнира приводного вала выполнено место для балансировочных отверстий и балансировочных грузиков.
В частном случае поперечную торцевую стенку ограничительной шайбы приводного вала облегчает часть чехла.
В частном случае длина чехла, установленного в приводной вал, при установке последнего в трансмиссии транспортного средства в среднем положении шарнира не превышает длины самого чехла в свободном состоянии.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предлагаемое решение имеет признаки, отсутствующие в известных решениях, а их использование в заявляемой совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется на чертежах:
Фиг.1. - приводной вал, вид сбоку в разрезе;
Фиг.2. - вид А на фиг.1;
Фиг.3. - участок сечения Б-Б на фиг.1;
Фиг.4. - участок сечения В-В на фиг.1;
Фиг.5. - вид Г на фиг.1;
Фиг.6. - вид Д на фиг.1.
Приводной вал, предназначенный для установки в трансмиссии транспортного средства, содержит резино-металлическую муфту 1, соединенную своим фланцем 2 посредством шлицевого соединения 3 с валиком 4, второй конец 5 которого соединен шлицевым соединением 6 с обоймой 7 шарнира 8, внутренняя полость 9 корпуса 10 которого защищена со стороны валика 4 чехлом 11, а с обратной стороны - заглушкой 12, установочная часть 13 которой выполнена цилиндрической.
В качестве шарнира 8 в приводном вале применен шарнир равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением, шарики 14 которого расположены в прямых эллиптических дорожках 15 его корпуса 10, ограниченных образующей цилиндрической поверхностью 16 внутренней полости 9 этого корпуса 10.
Шлицы 17 и 18 валика 4 приводного вала в шлицевых соединениях 3 и 6 его (валика 4) с фланцем 2 муфты 1 и с обоймой 7 шарнира 8 выполнены эвольвентными спиральными, тогда как шлицы «а» фланца 2 муфты 1 и шлицы «б» обоймы 7 шарнира 8 в этих соединениях 3 и 6 выполнены эвольвентными прямыми (см. на фигурах 3-6). За счет сочетания в каждом шлицевом соединении 3 и 6 приводного вала эвольвентных спиральных шлицов 17 и 18 валика 4 с эвольвентными прямыми шлицами «а» и «б» фланца 2 муфты 1 и обоймы 7 шарнира 8 контакт в каждой сопряженной паре шлицов каждого из этих соединений 3 и 6 происходит по двум пятнам контакта «в», что в отличие от прототипа исключает окружной люфт в приводном вале (см. фиг.3, 4).
Чехол 11 шарнира 8 выполнен из синтетического материала с твердостью не менее 80 единиц по Шору. На поверхности чехла 11 около его установочной части 19 на корпусе 10 шарнира 8 выполнена установочная канавка 20 для стягивающего кольца 21 (см. на фигурах 1, 2, кольцо изображено пунктиром), которое может быть установлено в этой канавке 20 в частном случае выполнения приводного вала, а под установочной частью 19 чехла 11 на корпусе 10 шарнира завальцована ограничительная шайба 22. Внутренний диаметр «D1» перехода 23 поперечной торцовой стенки 24 ограничительной шайбы 22 в продольную стенку 25 шайбы 22 меньше диаметра «D2» вершин 26 прямых эллиптических дорожек 15 корпуса 10 шарнира 8 и больше диаметра «D3» образующей цилиндрической поверхности 16 внутренней полости 9 его корпуса 10.
Заглушка 12 корпуса 10 шарнира 8 приводного вала целиком выполнена из термостойкой пластмассы. В частном случае заглушка 12 корпуса 10 шарнира 8 приводного вала выполнена из термостойкой пластмассы с термостойкостью более 100°С (по Цельсию), т.е. материал заглушки 12 не проявляет, в частности, усадки при нагреве его, по меньшей мере, до 100°С, а значит вероятность появления зазоров между установочной частью 13 и заглушки 12 и корпусом 10 шарнира 8 значительно снижена в данном случае выполнения заявляемой конструкции по сравнению с прототипом. В частном случае (см. на фигуре 2) на цилиндрической установочной части 13 заглушки 12 корпуса шарнира 8 выполнено два уплотнительных пояска 27, образующих лабиринтное уплотнение. В другом частном случае (на фигурах не изображено) на цилиндрической установочной части 13 заглушки 12 корпуса 10 шарнира 8 может быть выполнен один уплотнительный поясок, также образующий лабиринтное уплотнение.
В частном случае (см. на фигуре 1) резиновая часть 28 муфты 1 выполнена практически круглой в поперечных ее сечениях «N», лежащих в плоскостях, проходящих через продольную ось «X» муфты 1, что позволяет (т.е. такая геометрия резиновой части 28 муфты 1) при подборе (расчете) определенной площади поперечного сечения этой резиновой части 28 муфты 1 добиться определенной заданной ее окружной жесткостной характеристики, по меньшей мере, такой, при которой в процессе эксплуатации естественное (в результате износа) увеличение окружных люфтов всех шлицевых и зубчатых соединений транспортного средства на пути от двигателя до каждого колеса происходит более медленными темпами.
В частном случае (см. на фигурах 1, 2) продольная стенка 25 ограничительной шайбы 22 приводного вала выполнена цилиндрической.
В другом частном случае (на фигурах не изображено) продольная стенка 25 ограничительной шайбы 22 приводного вала может быть выполнена, например, конической.
В частном случае (см. на фигурах 1, 2) ограничительная шайба 22 приводного вала завальцована на корпусе 10 шарнира 8 в канавке 29.
В частном случае (см. на фигурах 1, 2) на корпусе 10 шарнира 8 приводного вала выполнено место для балансировочных отверстий 30 и балансировочных грузиков 31.
В частном случае (см. на фигурах 1, 2) поперечную торцевую стенку 24 ограничительной шайбы 22 приводного вала облегает часть 32 чехла 11.
В частном случае (см. на фигурах 1, 2) длина «L» чехла 11, установленного в приводной вал, при установке последнего в трансмиссии транспортного средства в среднем положении шарнира 8 не превышает длины самого чехла 11 в свободном состоянии (чехол в свободном состоянии не изображен на фигурах).
Процесс сборки приводного вала заключается в следующем.
Валик 4 приводного вала соединяют с фланцем 2 муфты 1 посредством их шлицевого соединения 3 и соединяют уплотнитель 33 с концом фланца 2 посредством кольца 34.
При подсборке шарнира 8 приводного вала и соединении его с валиком 4 посредством шлицевого соединения 6 выполняют обязательное условие - чехол 11 должен быть закреплен на валик 4 в слегка сжатом состоянии от его свободного состояния при среднем положении шарнира 8, это способствует наилучшей работе шарнира 8 в эксплуатации и наилучшим условиям для работы чехла 11, который лучше работает в сжатом состоянии, чем в растянутом.
При установке приводного вала на транспортное средство, в частности при установке на транспортном средстве между коробкой передач и раздаточной коробкой, муфту 1 соединяют с фланцем 35 вала 36 коробки передач, а шарнир 8 соединяют корпусом 10 с фланцем 37 вала 38 раздаточной коробки, при этом предварительно сдвинув (на длину болтов 39 корпуса 10 шарнира 8) к шарниру 8 муфты 1 относительно валика 4 в шлицевом соединении 3 для того, чтобы можно было вставить болты корпуса 10 шарнира 8 в отверстия фланца 37 вала 38 раздаточной коробки. В результате приложения усилия к муфте 1 при сдвигании ее в шлицевом соединении 3 относительно валика 4 приводного вала в шарнире 8 валик 4 перемещается внутрь корпуса 10 шарнира 8 до упора, при этом шарики 14 сдвигаются внутрь корпуса 10 шарнира 8.
После первых оборотов приводного вала на транспортном средстве, в случае установки его между коробкой передач и раздаточной коробкой, двигатель с коробкой под действием инерционного момента перемещается (на сколько позволяют его резино-металлические опоры) в направлении раздаточной коробки, и так как валик 4 практически расположен через внутренние составляющие шарнира 8 до упора внутри его корпуса 10, то коробка через фланец 35 своего вала 36, давя на муфту 1, сдвигает ее в шлицевом соединении 3 относительно валика 4 в сторону шарнира 8, а затем, когда двигатель возвращается относительно своих опор в какое-то среднее положение, коробка (перемещающаяся в этот момент с двигателем в направлении от раздаточной коробки) через фланец 35 своего вала 36 увлекает за собой муфту 1 и валик 4, который через внутренние составляющие шарнира устанавливает шарики 14 шарнира 8 примерно в среднее положение (т.е. плоскость расположения шариков 14 шарнира 8 проходит примерно посередине дорожек 15 его корпуса 10), при котором длина «L» чехла 11, установленного в приводной вал, не превышает длины самого чехла 11 в свободном состоянии.
Работает приводной вал следующим образом.
Крутящей момент (в частном случае) от фланца 35 вала 36 коробки передач передается на муфту 1, с фланца 2 которой через шлицевое соединение 3 передается на валик 4, а с него через шлицевое соединение 6 на обойму 7 шарнира 8, и далее через ее дорожки качения на шарики 14 шарнира 8 и выполненные в его корпусе 10 прямые эллиптические дорожки 15 на сам корпус 10, с которого крутящий момент передается (в частном случае) на фланец 37 вала 38 раздаточной коробки.
Использование в приводном вале шарнира 8 равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением допускает относительное осевое перемещение его корпуса 10 и валика 4, что позволяет в процессе эксплуатации транспортного средства изменяться длине приводного вала и компенсировать в основном в этом шарнире 8 передаваемые (в частности, с коробки передач) вибрации, причем с малыми потерями на трение в нем, и тем самым позволяет разгрузить подшипниковые узлы соединяемых валом агрегатов, а значит снизить их преждевременный износ, исключить преждевременный стук и шум, снизить вибрацию кузова и рычага управления раздаточной коробки, снизить шум в салоне, снизить потери передаваемой мощности двигателя в результате преобладания части передаваемого момента на вибрацию кузова и шум раздаточной коробки, что напрямую связано с экономией топлива.
Использование в приводном вале шарнира 8 равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением компенсирует с малыми потерями на трение в нем все несоосности валов соединяемых им агрегатов, возникшие при их установке на транспортном средстве или постоянно возникающие в процессе его эксплуатации.
Кроме того, использование в приводном вале шарнира 8 равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением, который имеет малые потери на трение его составляющих, и тем самым мало греется, позволяет применить в приводном вале чехол 11 и заглушку 12 более простой, более надежной и долговечной конструкции и позволяет исключить защитный кожух чехла.
В результате выполнения в шлицевых соединениях 3 и 6 шлицов 17 и 18 валика 4 приводного вала эвольвентными спиральными, а шлицов «а» фланца 2 муфты 1 и шлицов «б» обоймы 7 шарнира 8 эвольвентными прямыми контакт в каждой сопряженной паре шлицов каждого из этих соединений происходит по двум пятнам контакта «в», что, как показано выше, исключает окружной люфт в приводном вале, а это, в совокупности с применением в нем шарнира 8 равных угловых скоростей трения качения с угловым и осевым смещением, компенсирующим угловые и осевые смещения между соединяемыми валом агрегатами, а также компенсирующим передаваемые через вал вибрации с малыми потерями на трения в нем (в шарнире 8), и в совокупности с использованием в приводном вале чехла 11 из синтетического материала с твердостью не менее 80 единиц по Шору и с установочной канавкой 20, за счет этого более простому по конструкции, твердому и трудно поддающемуся раздуванию и износу, а также в совокупности с использованием в шарнире 8 приводного вала более простой и стойкой к усадке при температурном воздействиям заглушки 12 из термостойкой пластмассы, и наконец, в совокупности с использованием в шарнире 8 приводного вала под установочной частью 19 чехла 11 на корпусе 10 шарнира 8 завальцованной ограничительной шайбы 22, предотвращающей выпадение шариков 14 из корпуса 10 шарнира 8, - в заявляемом техническом решении приводного вала технический результат, заключающийся в повышении надежности и срока службы приводного вала, в снижении потерь мощности в нем и, как следствие, в целом в транспортном средстве, где он используется, с одновременным снижением передачи вибраций через приводной вал и с повышением комфортабельности этого транспортного средства в эксплуатации, достигается.