УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ШАРНИР
UNIVERSAL HINGE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к универсальным шарнирам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Универсальные шарниры применяются в широком спектре областей применения для передачи вращательного движения между входным и выходным валами, которые могут быть несоосными.
Одной из таких областей применения является летательный аппарат для передачи усилия от централизованного силового привода к множеству исполнительных механизмов, которые расположены вдоль передней и задней кромок крыльев. В зависимости от местоположения линии передачи усилия относительно нейтральной оси крыла, эта линия передачи может испытывать изменения длины в результате изгиба крыла во время маневров летательного аппарата и в фазах больших перегрузок при нормальных циклах взлета и посадки. Вместе с нагрузками кручения, которые шарниры предназначены выдерживать, это может создавать осевые нагрузки в системе передачи, что должно быть компенсировано соответствующей конструкцией летательного аппарата. Эти нагрузки зависят от размера шлица, который соединяет универсальные шарниры с соответствующими исполнительными механизмами или валами и может достигать порядка 9 кН осевой нагрузки. Для противодействия таким силам должна быть предусмотрена усиленная структура самолета. Поэтому было бы желательно уменьшить осевые усилия, испытываемые в линии передачи, и уменьшить силы, действующие на исполнительные механизмы, шарниры и опорную конструкцию.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Раскрытое здесь изобретение является универсальным шарниром, который содержит входной вал и выходной вал. Входной вал содержит на одном своем конце первую пару плеч. Выходной вал содержит на одном своем конце вторую пару плеч. Соответствующие противолежащие первые шарнирные оси предусмотрены на дистальных концах первой пары плеч и выровнены вдоль первой оси. Соответствующие противолежащие вторые шарнирные оси предусмотрены на дистальных концах второй пары плеч и выровнены вдоль второй оси, которая перпендикулярна первой оси. Шарнир дополнительно содержит аксиально-совместимое кольцо, которое расположено вокруг входного и выходного валов, и которое имеет первую и вторую пары противолежащих отверстий для размещения первых и вторых шарнирных осей.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения первые и вторые шарнирные оси могут выступать из первых и вторых плеч и размещаться в соответствующих кольцевых отверстиях.
Соответствующие втулки могут быть размещены в соответствующих отверстиях, а шарнирные оси могут быть размещены внутри втулок.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения соответствующие первые и вторые плечи выполнены с вилками, а соответствующие шарнирные оси размещаются в этих вилках и проходят через отверстия в кольце.
Вилки могут быть снабжены втулками, в которых размещаются шарнирные оси.
В различных вариантах осуществления настоящего изобретения кольцо может быть выполнено с увеличенными утолщениями, через которые сформированы отверстия для размещения шарнирной оси, и ребрами, проходящими между утолщениями.
Ребра могут быть выполнены с соотношением радиальной глубины к ширине осевой линии в пределах от 1:1 до 20:1.
Ребра могут иметь прямоугольное, квадратное или трапециевидное поперечное сечение.
В осевом направлении кольцо может иметь жесткость менее или равную 4 кН/мм, большую или равную 1,0 кН/мм или в пределах от 1 кН/мм до 4 кН/мм.
Кольцо может быть выполнено из композитного материала, армированного волокнами. В альтернативном варианте кольцо может быть выполнено из металлического материала.
Кольцо может содержать множество кольцевых элементов, наслоенных друг на друга.
Кольцо может быть изготовлено посредством аддитивной технологии изготовления.
Настоящее изобретение также распространяется на систему передачи движения, содержащую универсальный шарнир, как описано выше.
Настоящее изобретение также распространяется на систему исполнительных механизмов летательного аппарата, содержащую силовой привод и множество исполнительных механизмов, приводимых в движение силовым приводом посредством системы передачи движения, как описано выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения теперь будут описаны только в качестве примера со ссылкой на сопровождающие графические материалы, на которых:
Фигура 1 иллюстрирует схематически систему силовой передачи, расположенной в летательном аппарате;
Фигура 2 иллюстрирует схематически универсальный шарнир, в соответствии с настоящим изобретением, для использования в системе на Фигуре 1;
Фигура 3 иллюстрирует поперечное сечение вдоль линии А-А Фигуры 2;
Фигура 4 иллюстрирует вертикальное поперечное сечение, выполненное поперек второго универсального шарнира в соответствии с настоящим изобретением;
Фигура 5 иллюстрирует горизонтальное поперечное сечение, выполненное поперек универсального шарнира, проиллюстрированного на Фигуре 4;
Фигура 6 иллюстрирует вид на оси А-А Фигуры 4;
Фигура 7 иллюстрирует вид на оси В-В Фигуры 4;
Фигура 8 иллюстрирует ламинированное кольцо в соответствии с настоящим изобретением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ссылаясь на Фигуру 1, летательный аппарат 2 содержит центральный силовой привод 4 (показан схематически), имеющий вращательный приводной выходной вал 6. Приводной выходной вал 6 присоединен к ряду исполнительных механизмов 8, расположенных вдоль крыла 10 летательного аппарата. Исполнительные механизмы 8 могут применяться для перемещения поверхностей управления крыла, таких как закрылки, предкрылки, спойлеры и так далее. Усилие передается между исполнительными механизмами 8 посредством валов 12. Валы 12 связаны универсальными шарнирами 14, которые будут согласовывать угловые несоосности между валами 12.
Как обсуждалось выше, прогиб крыла 10 летательного аппарата приведет к изменениям в длине и нагрузках в линии передачи усилия, при этом нагрузки должны быть компенсированы конструкцией в крыле 10, предполагая прибавку в весе крыла 10, что является нежелательным.
Чтобы сгладить эту проблему, данное раскрытие изобретения предлагает в различных вариантах осуществления настоящего изобретения универсальный шарнир, который будет способен компенсировать такие передвижения, тем самым ограничивая величину нагрузок, передаваемых на конструкцию летательного аппарата, что позволит соответствующим образом уменьшить размер и вес.
Фигуры 1 и 2 иллюстрируют первый вариант осуществления универсального шарнира 20 в соответствии с раскрытием изобретения.
Универсальный шарнир 20 содержит входной вал 22, выходной вал 24 и кольцо 26, охватывающее внахлест расположенные концы входного и выходного валов 22, 24.
1
2
1
1
2
В этом варианте осуществления изобретения входной вал 22 и выходной вал 24 являются, по существу, одинаковыми. Каждый вал 22, 24 содержит шлицевую муфту 28 на одном конце для присоединения, например, к смежному валу или исполнительному механизму. Конечно, если это уместно, могут применяться и другие виды соединений. Другой конец каждого вала 22, 24 содержит пару выступающих наружу противолежащих плеч 30. Каждое плечо 30 выполнено с выступающей наружу шарнирной осью 32. Оси 32 выходного вала 24 выровнены вдоль шарнирной оси P, а оси 32 входного вала 22 выровнены вдоль шарнирной оси Р которая расположена под прямым углом к оси P как проиллюстрировано на Фигуре 3. Оси P и Р могут пересекаться, например, при отсутствии нагрузки на шарнир.
Шарнирные оси 32 располагаются в кольце 26. Кольцо 26 содержит, как правило, кольцевой корпус 34, который содержит множество утолщений 36, соединенных ребрами 38, в данном случае дугообразными ребрами 38. В этом варианте осуществления настоящего изобретения ребра 38 имеют прямоугольное поперечное сечение. Каждое из утолщений 36 содержит отверстие 40 для размещения соответствующей шарнирной оси 32. Отверстия 40 обложены втулкой 42 и колпаком 44, поддерживающим втулку 42.
1
2
Расположение осей 32 и отверстий 40 позволяет входным и выходным валам 22, 24 поворачиваться вокруг ортогональных осей Р и Р, подобно обычному универсальному шарниру.
Ребра 38 являются относительно тонкими и, поэтому, относительно гибкими. Например, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения соотношение между толщиной Т осевого ребра и шириной W радиального ребра может быть равным в пределах между 1:1 и 1:20. Под понятием осевой, в том смысле, в каком оно употребляется в данном документе, подразумевается в направлении вдоль или параллельно центральной оси А кольца 26, а под понятием радиальный подразумевается в направлении, обычно радиально проходящем от центральной оси А кольца 26. Каждое ребро 38 может быть плоским, то есть лежать в плоскости, или быть контурным, например, имеющим волнообразный профиль.
Кольцо 26 может быть изготовлено из любого подходящего материала, такого как пластмассовый материал, армированный волокнами, или металла, такого как титан, и может быть изготовлено любым подходящим способом, например, посредством аддитивной технологии изготовления,
Универсальный шарнир 20 способен лучше компенсировать осевые усилия и прогибы, чем универсальные шарниры известного уровня техники, и, в то же время, обеспечивать достаточную жесткость при кручении для передачи вращательной нагрузки. Кольцо 26, благодаря своим относительно гибким ребрам 38, может изгибаться под осевыми нагрузками, тем самым уменьшая усилия в других частях системы. Обычно осевая жесткость шарнира 20 может составлять менее 1,0 Н/мм. Однако осевая жесткость может быть менее 4,0 кН/мм, например, в диапазоне от 1,0 кН/мм до 4,0 кН/мм.
Осевая жесткость кольца 26 будет в значительной степени определяться длиной относительно тонких ребер 38. Второй вариант осуществления настоящего изобретения, который предусматривает более длинные и, следовательно, потенциально более гибкие ребра, будет теперь описан со ссылкой на Фигуры 4-7.
Универсальный шарнир 120 второго варианта осуществления настоящего изобретения содержит входной вал 122, выходной вал 124 и кольцо 126, охватывающее внахлест расположенные концы входного и выходного валов 122, 124.
В этом варианте осуществления настоящего изобретения входной вал 122 и выходной вал 124 являются, по существу, одинаковыми. Каждый вал 122, 124 содержит шлицевую муфту 128 на одном конце для присоединения, например, к смежному валу или исполнительному механизму. Конечно, если это уместно, могут применяться и другие виды соединений. Другой конец каждого вала 122, 124 содержит пару выступающих наружу противоположно расположенных плеч 130. Однако в этом варианте осуществления настоящего изобретения каждое плечо 130 выполнено с вилкой 132, имеющей внутреннюю и внешнюю ножки 134, 136. Выровненные отверстия 138 выполнены сквозь ножки вилки 134, 136.
1
2
1
1
Отверстия 138 обложены соответствующими втулками 140, в которые размещается соответствующая шарнирная ось 142, которая размещается в отверстии вилки 138. Каждая шарнирная ось 142 удерживается в отверстии 138 вилки подходящими способами. Шарнирные оси 142 выходного вала 124 выровнены вдоль шарнирной оси P, а оси 142 входного вала 122 выровнены вдоль шарнирной оси Р, которая расположена под прямым углом к оси P и, например, при отсутствии нагрузки на шарнир, пересекает ось P, как проиллюстрировано на Фигуре 6.
Кольцо 126 содержит, как правило, кольцевой корпус 144, который содержит множество утолщений 146, соединенных ребрами 148, в данном случае дугообразными ребрами 148. Как и в более раннем варианте осуществления настоящего изобретения, ребра 148 имеют прямоугольное поперечное сечение. Каждое из утолщений 146 содержит отверстие 150 для размещения соответствующей шарнирной оси 142.
1
2
Как и в предыдущем варианте осуществления настоящего изобретения, устройство позволяет входным и выходным валам 122, 124 поворачиваться вокруг ортогональных осей P и Р, подобно обычному универсальному шарниру.
Осевая жесткость, обеспечиваемая вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, может быть такой же, как и в первом варианте осуществления настоящего изобретения. Однако второй вариант осуществления настоящего изобретения может обеспечить улучшенную гибкость или пониженные напряжения в кольце 126. В частности, применение вилки 132 и оси 142 позволяет оси 142 иметь меньший диаметр, чем ось 32 в более раннем варианте осуществления настоящего изобретения. Это, в свою очередь, позволяет кольцу 126 иметь меньшие утолщения 146, что означает, что ребра 148 материала между утолщениями 146 могут быть длиннее, чем в предыдущем варианте осуществления настоящего изобретения, что приводит к повышению гибкости. Это видно из сравнения, например, Фигур 3 и 6.
Таким образом, в обоих вариантах осуществления настоящего изобретения кольцо 26, 126 действует как крутящееся кольцо, передающее крутящий момент между входным и выходным валами, а также действует для компенсации некоторого осевого перемещения входного и выходного валов относительно друг друга.
Осевая жесткость шарниров 20, 120 может быть более 1.0 Н/мм. Однако осевая жесткость может быть менее 4,0 кН/мм, например, в диапазоне от 1,0 кН/мм до 4,0 кН/мм. Таким образом, кольцо может изгибаться в осевом направлении, например, на 1 мм при осевой нагрузке 4 кН.
Как обсуждалось выше, крутящее кольцо 26, 126 может быть выполнено несколькими способами. Например, кольцо 26, 126 может быть выполнено из композитного материала, например пластмассового материала, армированного волокнами. Упрочнение арматуры может быть такой, чтобы обеспечить необходимую жесткость при кручении и в то же время желаемую осевую жесткость. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо может быть выполнено из металлического материала, например титана.
Кольцо 26, 126 может представлять собой единую конструкцию или сборку. В одном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо может содержать набор кольцевых элементов, соединенных соответствующим образом. Такой вариант осуществления настоящего изобретения раскрыт на Фигуре 8.
В этом варианте осуществления настоящего изобретения кольцо 226 содержит три кольцевых элемента 228, 230, 232, соединенных вместе соответствующим образом. Конечно, кольцо 226 может содержать большее или меньшее количество кольцевых элементов. Кольцевые элементы могут быть выполнены из металлического материала с низким модулем упругости, такого как титан. Каждый кольцевой элемент 228, 230, 232 содержит утолщение 234 и часть ребра 236. Кольцевые элементы соединены, например, спаяны, с частями утолщения 234, а отверстия 236 выполнены в этих частях утолщения 234 для расположения шарнирных осей.
Отверстия 236 могут представлять собой участок, выполненный в кольцевых элементах 228, 230, 232 и подвергнутый чистовой обработкой. Конструктивный способ может допускать универсальный шарнир заданной жесткостью скручивания и силы при кручении, обеспечивая при этом очень низкую аксиальную жесткость в результате соотношений между глубиной/шириной кольцевого элемента.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения кольцо 226 может быть сформировано посредством аддитивной технологии изготовления, исключая необходимость отдельного изготовления и сборки множества элементов.
Из вышесказанного следует, что изобретение представляет универсальный шарнир, имеющий степень осевой упругости, которая поглощает аксиальные силы, действующие на шарнир. Это приводит к меньшим нагрузкам, которые должны отобразиться на конструктивных элементах летательного аппарата, что позволяет снизить вес конструкции самолета. Упругость кольца также позволяет шарниру вернуться в исходное состояние после снятия нагрузок.
Геометрия кольца 26, 126 и материал, выбранный для него, влияют на достижение желаемой жесткости, а специалист сможет адаптировать геометрию и материал для достижения желаемой жесткости. Например, при том, что, в общем, здесь описаны ребра 38, 148 с поперечным сечением прямоугольной формы, могут использоваться и другие формы поперечного сечения. Кроме того, хотя указанные кольца 26, 126, как правило, имеют круглую форму, могут использоваться и другие формы, например, более квадратные.
Следует также понимать, что другие модификации раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены в пределах объема изобретения.