ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ С ПЛОСКИМ УГЛОВЫМ СМЕЩЕНИЕМ ОСЕЙ 360°
HINGE OF VARIOUS ANGULAR SPEEDS WITH FLAT ANGULAR SHIFTING OF AXES 360°

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к устройствам для передачи вращения между валами, оси которых могут перемещаться относительно друг друга, в том числе во время движения.
Уровень техники.
Прототипом предлагаемого устройства является изобретение (Российский патентный документ №2289733) (фиг.А) которое относится к области машиностроения и может быть использовано в приводах машин для передачи вращающих моментов в условиях, когда оси соединяемых валов расположены со значительным угловым смещением, а круговые частоты ведущего и ведомого звеньев механизма должны совпадать. Шарнир равных угловых скоростей содержит две полумуфты, форма которых допускает взаимодействие с соединяемыми валами, и промежуточные тела качения. Первая полумуфта выполнена с внешней и внутренней сферическими соосными поверхностями, а вторая выполнена с внешней сферической поверхностью, причем все имеют общий центр. Обе полумуфты имеют пазы с коническими рабочими поверхностями в меридиональных плоскостях, в которых размещены ролики в форме усеченных конусов, установленные на оси, проходящей через овальное отверстие траверсы, имеющей два поводка со сферическими головками, размещенные в соответствующих отверстиях обеих полумуфт. Образующие всех рабочих конических поверхностей контактирующих деталей шарнира равных угловых скоростей сходятся в общем центре сферических поверхностей полумуфт.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении надежности конструкции устройства.
Недостатком устройства является то, что угловое смещение валов данного прототипа ограничено углом в 90°.
Вторым прототипом предлагаемого устройства является шарнир равных угловых скоростей (патентный документ №2054588), предназначенный для соединения валов машин и механизмов, передающих крутящий момент в условиях изменения угла между ними и при сохранении равенства угловых скоростей. Сущность изобретения: шарнир содержит соединенные с валами охватывающую и охватываемые основные детали со сферическими рабочими поверхностями и элементами скользящего зацепления на них, направляющее кольцо и промежуточное звено. Промежуточное звено состоит из двух концентрично расположенных между основными деталями чашек с наружными и внутренними элементами скользящего зацепления на сферических поверхностях. На наружной поверхности внешней чашки выполнены пальцы. Направляющее кольцо содержит кольцевую канавку, в которой смонтированы пальцы внешней чашки с возможностью скольжения. При этом чашки выполнены неразъемными.
Достоинство описанного устройства заключается в простоте конструкции и повышенной надежности конструкции устройства.
Недостатком устройства является то, что угловое смещение валов данного прототипа ограничено углом в 45°.
Аналогом предложенного аппарата является зубчатый механизм со сферическим зацеплением (Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, в 7 томах, том 4 «Зубчатые механизмы». - М.: Наука, 1980. - 29 с.), включающий два зубчатых колеса, зубья которых расположены на сферической поверхности. Ось одного колеса неподвижна, ось второго может совершать перемещение, правильность которого обеспечивается рычагом и пальцем, который скользит в дуговой направляющей.
Достоинством этого устройства является широкий угол поворота подвижной оси, при выполнении зубчатого венца достаточно широким.
Недостатком этого устройства является то, что дуговая направляющая является весьма громоздким сооружением.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является разработка устройства для соединения валов, передающих вращение, позволяющего осям валов совершать широкое угловое смещение относительно друг друга, и при этом новое устройство должно быть компактным и надежным.
В устройствах для передачи вращения между валами, требующими углового смещения, известных ранее, основной причиной небольшого угла смещения является их конструктивная неприспособленность к таковым смещениям.
Предложено устройство с двумя вариантами зацепления рабочих сфер.
1) С зацеплением посредством зубьев (фиг.1), состоящее из сферической зубчатой пары 1 в виде зубчатых усеченных сфер (далее сфер), поворотных цапфовых опор 2, корпуса 3, ведущего и ведомого валов 4, опоры-подвески 5, рычага управления устройством 6. При этом поворотные цапфовые опоры снабжены цилиндрической зубчатой парой секторов 7 (или двумя парами зубчатых секторов). При этом зубчатые сферы 1 соединяются с валами посредством подвижного шлицевого соединения 8, которое позволяет зубчатой сфере перемещаться по валу вдоль его оси. При этом в зоне зацепления X в месте пересечения зубьев и схода их на нет выполнена выточка в обеих зубчатых сферах. При этом число зубьев ведомой сферы всегда должно быть равно числу зубьев ведущей сферы. При этом в цапфовые опоры встроены толкатели 9, которые нажимают на кольца встроенных в зубчатые сферы упорных подшипников 10. Названные толкатели приводятся в движение кулачками 11, выполненными за одно с корпусом. При этом зубья сфер выполнены со сферической начальной поверхностью 12. Однако зубья сфер имеют переменную высоту, а именно ближе к усечению они ниже и соответственно уже, а в зоне экватора имеют максимальную высоту и ширину. Поперечный профиль зуба должен обеспечивать правильное зацепление и может быть, например, эвольвентным.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Крутящий момент от ведущего вала передается на ведущую сферу через шлицевое соединение 8, ведущая сфера передает крутящий момент ведомой сфере посредством зубьев, которыми названные сферы снабжены. Далее, через шлицевое соединение ведомой сферы крутящий момент передается ведомому валу, с которого подается на рабочий орган.
В правильном положении шарнир удерживается опорой-подвеской 5. Ведомый и ведущий валы опираются на ступицы поворотных цапфовых опор. Поворотные цапфовые опоры 2 опираются цапфами в подшипники корпуса 3. Поворот шарнира осуществляется приложением соответствующего крутящего момента на корпус 3, который может быть приложен через рычаг управления 6. Поворот осей валов может осуществляется на ходу. Толкатели 9 предназначены для приведения сфер в осевое движение.
Осевое движение сфер необходимо для сохранения правильного зубчатого зацепления при положении осей валов вблизи позиции «соосно», поскольку удалена область сферы вблизи полюса, где толщина зубьев мала и сходит на нет.
При малых значениях угла смешения осей валов при повороте шарнира в сторону «соосно» сферы необходимо синхронно сближать не расстояние С (фиг.1) и соответственно раздвигать при повороте осей валов в сторону «несоосно». В момент достижения некоторого угла «φ» (фиг.2) сферы необходимо раздвинуть до совмещения оси сферы с осями цапф цапфовой опоры и сохранять данное положение сфер вплоть до угла поворота +180° (фиг.3). Работа шарнира зеркально повторяется при угле поворота от положения «соосно» вплоть до угла поворота -180°. Таким образом, предложенный шарнир может работать с угловым смещением осей валов, равным 360°.
Кулачки 11 (фиг.1) предназначены для приведения е движение толкателей 9. При этом форма поверхности кулачка, контактирующая с толкателем, обеспечивает правильное согласованное движение толкателей и соответственно согласованное осевое движение сфер.
Упорный подшипник 10 предназначен для снижения трения между толкателем и торцом усеченной сферы.
Зубчатые цилиндрические сегменты 7 предназначены для согласования взаимных углов поворота сфер и корпуса.
2) С зацеплением посредством взаимодействия магнитов-зубьев (фиг.4), состоящее из сферической пары 1, снабженной вместо зубьев магнитами, магнитопроводы которых обработаны заодно со сферами 1. А также, поворотных цапфовых опор 2, корпуса 3, ведущего и ведомого валов 4, опоры-подвески 5, рычага управления устройством 6. Магниты могут быть как постоянными, так к электрическими, при этом магниты могут работать как на притяжение, так и на отталкивание или на притяжение и отталкивание сразу. При этом центры магнитов могут быть расположены по меридианам рабочих сфер. Поворотные цапфовые опоры снабжены цилиндрической зубчатой парой секторов 7 (или двумя парами зубчатых секторов).
Работа устройства осуществляется следующим образом. Крутящий момент от ведущего вала передается на ведущую сферу (фиг.4), ведущая сфера передает крутящий момент ведомой сфере посредством магнитного взаимодействия 8 встроенных в сферы магнитов, которыми названные сферы снабжены. Далее крутящий момент передается ведомому валу, с которого подается на рабочий орган.
В правильном положении шарнир удерживается опорой-подвеской 5. Ведомый и ведущий валы 4 опираются на ступицы поворотных цапфовых опор 2. Поворотные цапфовые опоры 2 опираются цапфами в подшипники корпуса 3. Поворот шарнира осуществляется приложением соответствующего крутящего момента на корпус 3, который может быть приложен через рычаг управления 6. Поворот осей валов может осуществляется на ходу.
Работа шарнира зеркально повторяется при угле поворота от положения «соосно» вплоть до угла поворота -180°, и от положения «соосно» до угла поворота +180°. Таким образом, предложенный шарнир может работать с угловым смещением осей валов равным 360°.
Зубчатые цилиндрические сегменты 7 предназначены для согласования взаимных углов поворота сфер и корпуса.
При реализации изобретения могут быть получены следующие результаты:
1. Предложенный шарнир позволяет совершать плоское угловое смещение валов в диапазоне 360°.
2. Изменение углового смещения можно производить на ходу.
3. Предложенное магнитное зацепление рабочих сфер позволит предохранить узел от разрушения при перегрузках, обеспечит мягкое зацепление и плавный бесшумный ход. Шарнир с магнитным зацеплением прост в изготовлении.
Краткое описание прилагаемых фигур
На фигуре 1 изображен эскиз продольного разреза предложенного шарнира с зубчатым зацеплением.
На фигуре 2 изображен вид А предложенного шарнира с фигуры 1, в положении перехода сферического зацепления в торцовое.
На фигуре 3 изображен вид А предложенного шарнира с фигуры 1 в положении, когда угловое смещение осей валов достигло -180°.
На фигуре 4 изображен эскиз продольного разреза предложенного шарнира с магнитным зацеплением.