ШАРНИР КАРДАННЫЙ СИНХРОННЫЙ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к сферическим устройствам типа шарнира Гука или двойного механизма Кардана и может использоваться в качестве шарнира равных угловых скоростей, а также аналога шарнира неравных угловых скоростей в приводах тракторов и минитракторов, автомобилей и других транспортных средств, иных машин и механизмов для передачи вращения между валами, оси которых пересекаются под переменным углом и могут изменять свое положение. При этом угловые скорости ведущего и ведомого валов работающего механизма должны быть близкими или совпадать, а вращение передаваться, в основном, равномерно. Полезная модель расширяет область применения механизма.
Известен шарнир карданный, содержащий ведущую и ведомую вилки, имеющие по две цапфы, симметричные относительно осей вилок, с отверстиями, оси которых совпадают и перпендикулярны осям соответствующих вилок, крестовину, имеющую две пары соосных шипов, подвижно соединяемую с вилками через подшипники качения, размещаемые на шипах крестовины и устанавливаемые в отверстия цапф, оси отверстий цапф вилок перпендикулярны (ГОСТ Р 52923-2008. Автомобильные транспортные средства. Шарниры карданные неравных угловых скоростей. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2008. - С.3-5).
Недостатком шарнира карданного является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность передачи вращения, а также низкой надежности работы в результате значительных циклических нагрузок на звенья механизма и подшипники при работе с большими углами между осями вилок, которые могут привести к их разрушению. Механизм классифицируется, как шарнир неравных угловых скоростей, и может быть применен в ограниченном числе случаев функционирования с малыми углами, когда неравномерностью передачи вращения можно пренебречь.
Известен шарнир карданный равных угловых скоростей, содержащий ведущую и ведомую вилки, имеющие цапфы, два кулака с шейками, с внешней поверхностью полуцилиндрической формы и плоской поверхностью основания, с пазами в центральной части основания прямоугольного профиля, диск радиуса, подвижно соединяющий вилки через кулаки, взаимодействующими шейками с цапфами вилок, и устанавливаемый в пазы кулаков, таким образом, что при любом угле в шарнире оси кулаков лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси диска (ГОСТ Р 52924-2008. Автомобильные транспортные средства. Шарниры равных угловых скоростей. Общие технические требования и методы испытаний. - М.: Стандартинформ, 2008. - С.2).
Недостатком шарнира карданного равных угловых скоростей (синхронного) является узкая область применения из-за сравнительно высоких потерь энергии и, следовательно, низкого коэффициента полезного действия, низкой надежности работы, обусловленной возможными перегревами взаимодействующих поверхностей большой площади вилок и кулаков и неудовлетворительными условиями подвода к ним смазочного материала.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является шарнир карданный синхронный, содержащий ведущую и ведомую вилки, имеющие по две цапфы, симметричные относительно осей вилок, с отверстиями, оси которых совпадают и перпендикулярны осям соответствующих вилок, две крестовины, имеющие по две пары соосных шипов, промежуточный вал с двумя вилками, имеющими по две цапфы, симметричные относительно осей вилок, с отверстиями, оси которых совпадают и перпендикулярны оси промежуточного вала, крестовины соединяются с ведущей и ведомой вилками и вилками промежуточного вала через подшипники качения, размещаемые на шипах крестовин и устанавливаемые в отверстия цапф (Конструкция автомобиля. Шасси. Под общей редакцией А.Л.Карунина. - М.: МАМИ, 2000. - С.166).
Указанный шарнир карданный синхронный (двойной) рассматривается в качестве прототипа полезной модели.
Недостатком карданного шарнира карданного синхронного является узкая область применения из-за недостаточных значений максимального угла в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая равномерность передачи вращения, невозможности обеспечить малое расстояние (L) между наружными торцами, сравнительно больших весогабаритных показателей, а также низкой надежности работы, что обусловлено циклическими нагрузками на подшипники, в первую очередь, устанавливаемые в отверстия цапф вилок промежуточного вала.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения шарнира карданного синхронного, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в шарнире карданном синхронном, содержащем ведущую и ведомую вилки, имеющие по две цапфы, симметричные относительно осей вилок, с отверстиями, оси которых совпадают и перпендикулярны осям соответствующих вилок, две траверсы с внешней поверхностью полуцилиндрической, или близкой к ней, формы и плоской поверхностью основания, имеющие по два соосных шипа на противоположных концах, симметричных относительно оси траверсы, оси шипов каждой траверсы параллельны ее оси и поверхности основания, и паз в центральной части основания прямоугольного профиля шириной h и глубиной 0,3…0,8 r, боковые поверхности паза симметричны относительно плоскости паза, проходящей через ось траверсы и перпендикулярной ее основанию, поверхность, ограничивающая внутреннюю поверхность паза, представляет собой часть поверхности цилиндра радиуса r, ось которого перпендикулярна плоскости паза, траверсы соединяются с вилками через подшипники качения, размещаемые на шипах траверс и устанавливаемые в отверстия цапф, диск радиуса r и толщиной h, подвижно соединяющий вилки через траверсы и устанавливаемый в пазы траверс, таким образом, что, при любом угле в шарнире, оси отверстий цапф лежат в одной плоскости, совпадающей с плоскостями пазов траверс и перпендикулярной оси диска.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения шарнира карданного синхронного за счет большего допустимого максимального угла в шарнире при сохранении величины и высокой равномерности передачи крутящего момента (вращения), соответствующего пределу прочности шарнира, высокого коэффициента полезного действия, повышения надежности в результате снижения удельной нагрузки на взаимодействующие поверхности наиболее нагруженных звеньев механизма, возможности уменьшения (регулирования) расстояния L между наружными торцами и снижения, в целом, весогабаритных показателей механизма.
Расширение области применения шарнира карданного синхронного является полученным техническим результатом, обусловленным заявляемым выполнением звеньев механизма, в том числе, вилок и траверс, наличием дополнительных элементов в конструкции и их пространственной ориентацией, то есть, отличительными признаками полезной модели. Новый шарнир карданный синхронный может быть применен, в том числе, в приводах колес жестких ведущих мостов автомобилей повышенной проходимости (полноприводных) с выключаемыми или постоянно включенными передними мостами, обеспечивая высокий коэффициент полезного действия и равномерность передачи крутящего момента. Таким образом, отличительные признаки заявляемого шарнира карданного синхронного являются существенными.
На рисунке приведен эскизный чертеж шарнира карданного синхронного, поясняющий сущность полезной модели.
Шарнир карданный синхронный, содержит ведущую 1 и ведомую 2 вилки, имеющие по две цапфы с отверстиями, симметричные относительно осей вилок, оси отверстий цапф каждой из вилок параллельны, лежат на расстояниях l от оси вилки в плоскости цапф, пересекающей ось соответствующей вилки под углом 90°, максимальный размер цапфы в плоскости цапф и направлении от оси отверстия цапфы к оси отверстия другой цапфы не превышает l, две траверсы 3, 4 с внешней поверхностью полу цилиндрической, или близкой к ней, формы и плоской поверхностью основания, имеющие по два шипа на противоположных концах, симметричных относительно осей траверс, оси шипов каждой из траверс параллельны, лежат в плоскости шипов, параллельной оси и основанию траверсы, на расстояниях l от плоскости паза, проходящей через ось траверсы и перпендикулярной плоскости шипов, паз в центральной части основания прямоугольного профиля шириной h и глубиной 0,3…0,8 r, боковые поверхности паза симметричны относительно плоскости паза, поверхность, ограничивающая внутреннюю поверхность паза, представляет собой цилиндр радиуса r, ось которого перпендикулярна плоскости паза, траверсы соединяются с вилками через подшипники качения 5, размещаемые на шипах траверс и устанавливаемые в отверстия цапф, диск 6 радиуса r и толщиной h, соединяющий вилки через траверсы и устанавливаемый в пазы траверс.
Шарнир карданный синхронный работает следующим образом. Вращение передается от ведущей 1 вилки шарнирного механизма к ведомой 2 вилке за счет зацепления траверс 3, 4 диском 6. Устройство представляет собой кинематическую цепь, взаимодействие звеньев которой осуществляется, в основном, за счет трения качения (подшипники 5, диск 6). Передача вращательного момента от траверсы 3 к траверсе 4 через диск 6, устанавливаемый в пазы траверс, осуществляется за счет взаимодействия по поверхностям указанных звеньев, то есть, данные кинематические пары являются простыми. Это позволяет обеспечить предельный передаваемый крутящий момент. Плоские боковые поверхности пазов траверс 3, 4 собранного механизма при работе ориентированы в пространстве параллельно и перпендикулярны оси диска. При работе взаимодействующие внутренние и боковые поверхности пазов траверс 3, 4 соприкасаются соответственно с торцевыми и боковыми поверхностями диска 6. Поскольку обе вилки 1, 2 могут перемещаться в горизонтальной плоскости за счет взаимодействия через подшипники качения 5 с траверсами 3, 4 и, одновременно, в вертикальной плоскости за счет взаимодействия траверс 3, 4 через диск 6, реализуется шарнирное соединение, обеспечивающее равные угловые скорости вилок 1, 2. Оси отверстий цапф вилок 1, 2 пересекаются в биссекторной плоскости механизма при любом угле в шарнире (в пределах допустимого заданного). За счет развитых поверхностей взаимодействия траверс 3, 4 и диска 6 и точки контакта, через которые передаются окружные силы, всегда находиться в плоскости, проходящей через биссектрису угла между осями вилок 1, 2 (то есть, также в биссекторной плоскости).
Механизм допускает не только изменение угла между осями ведущей 1 и ведомой 2 вилок, но и смещение их по высоте.
Свободное перемещение траверс 3, 4 относительно диска 6 позволяет компенсировать погрешности сборки механизма и небольшие осевые смещения вилок 1, 2, возникшие в ходе, например, эксплуатации автомобиля с шарниром. Вращение может передаваться под произвольным углом между осями ведущей 1 и ведомой 2 вилок механизма в пределах заданного диапазона (до более 42°). Диапазон изменения угла передачи вращения (максимальный угол в шарнире) ограничивается упором оснований траверс 3, 4 и определяется глубиной (0,3…0,8 r) пазов.
Таким образом, шарнирный механизм является пространственным и обеспечивает равномерную передачу вращения между вилками (1, 2), взаимное положение которых во время работы может изменяться, то есть, представляет собой синхронное устройство или шарнир равных угловых скоростей (гомокинетический шарнир).
Размеры диска 6 (h, r), а также прочность подшипников 5 соотносятся с предельным передаваемым вращательным моментом шарнира карданного синхронного. Увеличение размеров приводит к увеличению вращательного момента, соответствующего пределу прочности шарнира.
Траверсы 3, 4 взаимодействуют с вилками 1, 2 через подшипники качения, размещаемые на шипах траверс и устанавливаемые в отверстия цапф. Внешние соединения механизма обеспечивается, в частности, валами, сопрягаемыми с вилками 1, 2.
Для ограничения возможности продольного перемещения служат упорные бурты у оснований вилок 1, 2. При этом внешняя ограничивающая деталь взаимодействует с поверхностью упорного бурта и предотвращает продольное перемещение звеньев механизма. Таким образом, например, механизм устанавливается и используется в жестких ведущих мостах транспортных средств различного назначения.
Сравнительно большие площади взаимодействующих (опорных) поверхностей траверс 3, 4 и диска 6 позволяют передавать значительный крутящий момент при минимальных габаритах шарнира (наименьшее регулируемое расстояние L между торцами), а простота конструкции, работа звеньев в условиях трения качения и высокая твердость взаимодействующих поверхностей, позволяют достичь высокой надежности.
По сравнению с прототипом площадь взаимодействующих поверхностей может быть увеличена (при сохранении максимального угла шарнира) за счет выполнения звеньев механизма в заявленном виде. В результате, снижается удельная нагрузка и, соответственно, увеличивается крутящий момент, соответствующий пределу прочности шарнира. Надежность устройства возрастает.
Надежность механизма растает и за счет снижения вероятности «задиров» взаимодействующих поверхностей траверс 3, 4 и диска 6 при улучшении условий подвода смазочного материала.
Дополнительно, за счет большей площади взаимодействующих поверхностей снижается износ звеньев карданного механизма при длительной эксплуатации, что также повышает надежность его работы.
Повышение надежности расширяет область применения механизма. Заявляемый механизм, в частности, может быть применен в ведущих мостах автомобилей семейства УАЗ.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения нового шарнирного механизма за счет возможности регулирования расстояния L между торцами, снижения весогабаритных показателей, повышения коэффициента полезного действия, обеспечения унификации части деталей с шарнирами неравных угловых скоростей, а также возможности использования его в качестве универсального шарнира, например, в приводах автомобилей и других машин, так как в механизме допустимо продольное перемещения звеньев. От продольного перемещения шарнирный механизм ограничивается путем взаимодействия буртов вилок с внешней ограничивающей деталью заданной конструкции.
Может быть увеличен максимальный угол в шарнире, при котором обеспечивается приемлемая неравномерность передачи вращения. Шарнир карданный синхронный заявляемой конструкции передает вращательный момент более равномерно, чем двойной механизм Кардана.
Одновременно снижаются материальные затраты при изготовлении нового механизма и его цена за счет оптимизации конструкции звеньев, что также расширяет область применения.