ШАРНИР

ч ШАРНИР Решение относится к механике, а именно к невыключаемым муфтам для передачи вращательного движения, допускающим возможность углового относительного перемещения соединяемых деталей. Оно касается шарниров равных угловых скоростей, содержащих элементы качения в виде шаров, перемещающихся вдоль канавок в полумуфтах. Известны щарниры равных угловых скоростей типа Вейс, устанавливаемые в передних ведущих мостах автомобилей моделей УАЗ для передачи вращающего момента управляемым поворотным колесам. Этот шарнир содержит два кулака, в которых сделаны делительные канавки, и пять шариков. Четыре шарика расположены в биссекторной плоскости на пересечении симметрично размещенных криволинейных канавок для обеспечения равенства угловых скоростей валов. Пятый щарик центрирующий. При движении автомобиля вперед усилие передается одной парой щариков, а при движении задним ходом - другой парой. Шарниры этого типа обеспечивают угол между валами равный 30-32° (см. Осепчугов В.В., Фрумкин А.К. Автомобили: анализ конструкций, элементы расчета.- М.-.Машиностроение, 1989, с. 143-144, рис. 86). Однако при работе этих шарниров передача усилия только двумя шариками приводит к возникновению в упомянутых кулаках больших контактных напряжений. Поэтому эти шарниры устанавливают на автомобилях с нагрузкой на ведущий мост не свыше 25-30 кН. В изношенном шарнире при передаче повышенного поворотного момеьгга, когда кулаки несколько деформируются, шарики могут выпасть, что приводит к заклиниванию шарнира и потере управляемости автомобиля. Причем шарнир под нагрузкой распадается при угле поворота свыше 25°. В этом шарнире износу наиболее подвержены средние части канавок, что соответствует прямолинейному движению. Вследствие того, что шарнир нагружается при ШЗШ7138       , t   F16D 3/22
сравнительно редком включении переднего ведущего управляемого моста для движения в тяжелых дорожных условиях, а большая часть пробега автомобиля совершается с выключенным передним мостом, когда шарнир нагружается в обратном направлении небольшим, но длительно действующим моментом сопротивления вращению части трансмиссии, ненагр5 енные канавки изнашиваются больше, чем нагруженные. Поэтому долговечность в эксплуатации указанных шарниров не превышает 2500030000 км.
Известны также другие шарниры равных угловых скоростей, устанавливаемые на автомобилях (см. книги: Bussien. Automobiltechnisches Handbuch, Berlin. 1931, стр. 564; P. Zbiorowa. Samochody wspolczesne, WK, Warszawa, 1958, стр. 397). Их конструктивное выполнение разнообразно (см. Справочник инженера автомобильной промышленности, т. 2, Машгиз, М.,1963, стр. 186-188). К их числу принадлежит в частности шарнир типа Рцепп, представленный в патенте № 2046584, выданном в США. Наружная и внутренняя его детали имеют сферические поверхности, разделенные меридиональными канавками переменной глуб1шы, в которых размещены шары, установленные в сепараторе.
Работоспособность подобных шарниров во многом определяется геометрией основных их элементов (РФ № 2172874, СН № 656439, DE №№ 1126199, 4403591, 4443093, ЕР №№ 892187, 950824, FR № 2560311, JP № 60-58123, US №№ 4019347, 4305263, 5616081, 5853328, 6319133, 6506122, UK №№ 1232898, 1330330, 2234040, 2331570, WO 88/9445, 90/6451).
Известны разные профили меридиональных канавок в корпусе и обойме шарниров равных угловых скоростей типа Рцепп. В патенте № 4019347, НКИ 464-145, выданном в США, и в акцептованной заявке № 2331570, МПК F16D 3/223, опубликованной в Великобритании, показано несколько вариантов профилей меридиональных канавок. В частности изображены меридиональные канавки с профилем дуги окружности, а также с готическим и параболическим профилем. Причем, корпус шарнира V равных угловых скоростей, представленного в указанном выше выданном в США патенте № 4019347, имеет меридиональные канавки более сложного профиля, у которых на дне между боковыми сторонами выполнена торовдальная или цилиндрическая площадка в качестве радиальной опоры шариков. В корпусе и обойме шарнрфа, изображенного в международной заявке WO 88/09445, МПК F16D 3/22, сделаны особые меридиональные канавки, боковые стороны которых разделены кольцевой канавкой и имеют тороидальные поверхности с профилем дуг окружностей, центры радиусов кривизны которых расположены на расстоянии друг от друга. Радиусы этих дуг примерно равны радиусу шариков, помещенных в упомянутые канавки. Вдоль каждого края канавки сделана фаска с конической поверхностью, отдаляющая край внутренней сферической поверхности корпуса от зоны контакта шариков с корпусом для уменьшения деформации упомянутой сферической поверхности во избежание зажатия сепаратора, так как зазор между сферическими поверхностями корпуса и сепаратора очень мал. В заявке № 950824 на выдачу европейского патента, МПК F16D 3/223, показан шарнир, содержащий корпус, выполненный за одно целое с цапфой колеса и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной восемью меридиональными канавками с готическим профилем, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной восемью меридиональными канавками указанного профиля, восемь шаров, размещенных в сепараторе и в указанных канавках в корпусе и обойме, радиус поперечной кривизны этих канавок находится в пределах между 0,51 и 0,52 диаметра шаров. Но для механической обработки канавок такого профиля требуется сложный инструмент. В патенте № 6506122, выданном в США, НКИ 464/145, МПК F16D 3/223, представлен шарнир, содержаший корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной восемью меридиональными
указанного профиля, расноложенные в сепараторе шары, размещенные в меридиональных канавках в корпусе и обойме, при этом соотношение радиуса поперечной кривизны этих канавок и диаметра шаров указано в слишком широких пределах.
В качестве прототипа принят шарнир, представленный в патенте № 2838919, выданном в США, НКИ 464-145. Этот шарнир содержит корпус, выполненный за одно целое с валом и имеюпщй полость со сферической поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками с профилем в виде части эллипса, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками указанного профиля, имеюпщми постоянную кривизну вдоль обоймы, шесть шаров, размещенных в сепараторе и в указанных меридиональных канавках. Радиус поперечной кривизны меридиональных канавок в корпусе и обойме равен 1,02 радиуса шаров или 0,51 их диаметра. Однако при таком соотношении между радиусом поперечной кривизны упомянутых канавок и диаметром шаров, эти шары находятся в очень стесненном положении, что может приводить к их заклиниванию между корпусом, обоймой и сепаратором.
Решаемая задача - создание более надежной со штатным сроком нормальной службы в приводах )шравляемых колес автомобилей конструкции шарнира равных угловых скоростей, состоящего из корпуса, обоймы и размешенных в канавках в них в отверстиях сепаратора шести шаров.
Создание более надежной конструкции шарнира равных угловых скоростей, имеющей штатный срок службы в приводах ущ)авляемых колес автомобилей, обеспечено рациональным профилированием в корпусе и обойме канавок, образующих дорожки качения шаров.
Для этого в шарнире, содержащем корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющий полость со сферической поверхностью, разделенной шестью внутренними меридиональными канавками. имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шесть шаров, размещенных в сепараторе и в указанных меридиональных канавках, меридиональные канавки имеют профиль части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,275  0,3, радиус поперечной кривизны дорожек качения шаров в этих канавках составляет 0,52  0,53 диаметра щаров. Меридиональные канавки служат беговыми дорожками для шаров. Выполнение радиуса поперечной кривизны дорожек качения шаров в меридиональных канавках корпуса и канавках обоймы в пределах 0,52 |0,53 диаметра шаров, а эксцентриситета эллипса, образующего профиль канавок в корпусе и профиль канавок в обойме, в пределах 0,275 | 0,3 в шарнире, содержащем корпус, выполненный за одно целое с валом и имеющем полость со сферической поверхностью, разделенной шестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль корпуса, обойму со сферической наружной поверхностью, разделенной тоже щестью меридиональными канавками, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы, шары, расположенные в сепараторе и в указанных канавках в корпусе и обойме, позволило вследствие рационального профилирования канавок для шаров в корпусе и обойме создать более надежную конструкцию шарнира равных угловых скоростей, имеющую штатный срок службы в приводах управляемых колес автомобиля. При выполнении меридиональных канавок в корпусе и обойме с больщей разницей между величинами радиусов шаров и профиля их дорожек качения допуски на механическую обработку этих деталей в меньшей степени отражаются на величине площади контакта шаров с корпусом и обоймой, вследствие чего величины контактных напряжений в группе используемых в трансмиссии автомобиля шарниров равных угловых скоростей и, значит, сроки их безупречной службы получаются примерно одинаковыми, что упрощает слежение за их эксплуатацией для своевременного технического обслуживания. При этом при указанном соотношении диаметра шаров и радиуса их дорожек качения шары занимают в шарнире менее стесненное положение, что уменьшает вероятность их заклинивания и разрушения сепаратора. Созданию более надежной конструкции шарнира равных угловых скоростей, имеющей штатный срок службы в приводах управляемых колес автомобиля, также способствует то, что в корпусе на краях меридиональных канавок сделаны фаски с вогнутой поверхностью, имеюшей профиль дуги окружности, при этом размеры фасок выполнены уменьшающимися от торца корпуса к лунке, имеющей сферическую поверхность с радиусом кривизны, равным радиусу поперечной кривизны упомянутых фасок и составляющим l,25|l,30 диаметра шаров. При наличии указанных фасок сферическая поверхность корпуса меньше подвержена отрицательному влиянию контактных напряжений, действующих в зоне контакта шаров с корпусом. Отношение диаметра внутренней сферической поверхности корпуса к диаметру шаров находится в пределах 3,685 3,69, отношение радиуса продольной кривизны дна меридиональных канавок в корпусе к диаметру шаров - в пределах 2,25 I 2,255, отношение диаметра наружной сферической поверхности обоймы к диаметру шаров - в пределах 3,360 I 3,362, отношение радиуса продольной кривизны дна меридиональных канавок в обойме к диаметру шаров - в пределах 1,2 I 1,205, отношение расстояния от центров продольной кривизны меридиональных канавок в корпусе и обойме до центра кривизны сферических поверхностей к диаметру шаров - в пределах 0,23 I 0,235. Наименьший размер диаметра внутренней сферической поверхности корпуса у его торца больше 73,163 мм, а наибольший размер в любом месте сферической поверхности меньше 73,205 мм, диаметр наружной сферической поверхности сепаратора находится в пределах 73,115 I 73, 158
MM, а диаметр его внутренней сферической поверхности - в пределах 63,72 63,75 мм, наименьший размер диаметра наружной сферической поверхности обоймы в любом ее месте больше 63,66 мм, а наибольший его размер по краям этой сферической поверхности меньше 63,703. Изображено: на фигуре 1 - шарнир, частичный продольный разрез, на фигуре 2 - корпус шарнира, частичный продольный разрез, на фигуре 3 - корпус шарнира, поперечный разрез по А-А фигуры 2, на фигуре 4 - обойма шарнира, на фигуре 5 - обойма шарнира, продольный разрез по В-В фигуры 4, на фигуре 6 - сепаратор, поперечный разрез, на фигуре 7 - сепаратор, продольный разрез, на фигуре 8 - часть корпуса с фаской, на фигуре 9 - лунка корпуса, на фигуре 10 - шарнир в сборе. Шарнир состоит из корпуса 1 (фигура 1), обоймы 2 и шести шаров 3, расположенных в сепараторе 4. Корпус 1 шарнира выполнен за одно целое с валом 5. В корпусе 1 имеется полость 6 (фигура 2) с внутренней сферической поверхностью 7, разделенной шестью меридиональными канавками 8 (фигура 3). Канавки 8 имеют переменную глубину, уменьшающуюся от торца 9 корпуса 1 в сторону лунок 10, сделанных в корпусе 1 для выхода шлифовального круга при обработке канавок 8. Дно 11 канавок 8 имеет постоянную кривизну вдоль корпуса 1 от его торца 9 до лунок 10. Причем цеьггр 12 кривизны дна 11 канавок 8 смещен в сторону торца 9 корпуса 1 от центра 13 кривизны сферической поверхности 7. Обойма 2 имеет сферическую наружную поверхность 14 (фигура 4), разделенную шестью меридиональными канавками 15. Дно 16 (фигура 5) канавок 15 имеет постоянную кривизну вдоль обоймы 2. Центр 17 кривизны сферической поверхности 14 и центр 18 кривизны дна 16 канавок 15 расположены на продольной оси 19 обоймы 2. Причем они смещены W относительно друг друга. Внутри обоймы 2 имеется шлицевое осевое отверстие 20. Сепаратор 4 имеет наружную и внутреннюю сферические поверхности соответственно 21 и 22 (фигура 6). В сепараторе 4 сделаны окна 23 для размещения шаров 3, расположенные в одной плоскости. Окна 23 разделены между собой перемычками 24 (фигура 7). Шары 3 расположены в канавках 8 корпуса 1 и в канавках 15 обоймы 2 с весьма малым зазором. Канавки 8 имеют профиль 25 в виде части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,275 | 0,3. При этом соотношение большой и малой полуосей эллипса, образующего профиль 25 меридиональных канавок 8, находится в пределах 1,04 1,048. Такой же профиль 26 имеют канавки 15 обоймы 2. Радиус поперечной кривизны дорожек 27 качения шаров 3 в канавках 8 корпуса 1 и канавках 15 обоймы 2 составляет 0,52 |0,53 диаметра 28 шаров 3. Выполнение радиуса поперечной кривизны дорожек 27 качения шаров 3 в канавках 8 корпуса и канавках 15 обоймы 2 в пределах 0,52 |0,53 диаметра 28 шаров 3, а эксцентриситета эллипса, образующего профиль 25 меридиональных канавок 8 и профиль 26 меридиональных канавок 15, в пределах 0,275 I 0,3 в шарнире, содержащем корпус 1, имеющий полость 6 со сферической поверхностью 7, разделенной щестью меридиональными канавками 8, обойму 2 со сферической наружной поверхностью 14, разделенной тоже шестью меридиональными канавками 15, имеющими постоянную кривизну вдоль обоймы 2, шесть шаров, расположенных в сепараторе 4 и в канавках 8 и 15, позволило вследствие рационального гфофилрфования канавок 8 и 15 создать надежную конструкцию шарнира равных угловых скоростей, имеющую гарантированный щтатный срок службы. , 3,69, отношение радиуса 30 продольной кривизны дна 11 меридиональных канавок 8 в корпусе к диаметру шаров - в пределах 2,25 | 2,255, отношение диаметра 31 наружной сферической поверхности 14 обоймы 2 к диаметру шаров - в пределах 3,360 i 3,362, отношение радиуса 32 продольной кривизны дна меридиональных канавок 15 в обойме к диаметру шаров - в пределах 1,2 1,205, отношение расстояния от центров 12 и 18 продольной кривизны меридиональных канавок соответственно 8 и 15 до центра кривизны сферических поверхностей 7 и 14 к диаметру шаров - в пределах 0,23 I 0,235. Наименьший размер диаметра 29 сферической поверхности 7 у торца 9 корпуса больше 73,163 мм, а наибольший его размер в любом месте сферической поверхности 7 меньше 73,205 мм. Радиус 30 продольной кривизны дна 11 меридиональных канавок 8 находится в пределах 42,656 I 42,702 мм. Расстояние в корпусе 1 между центрами 12 и 13 составляет 4,567 I 4,647 мм. Диаметр 33 наружной сферической поверхности 21 сепаратора 4, сопряженной с внутренней сферической поверхностью 7 корпуса 1, находится в пределах 73, 115 | 73, 145 мм, а диаметр 34 его внутренней сферической поверхности 22 составляет 63,72 I 63,75 мм. Диаметр 31 наружной сферической поверхности 14 обоймы 2 посередине находится в пределах 63,66 I 63,69 мм, причем наибольший его размер по краям этой сферической поверхности меньше 63,703 мм. Радиус 32 продольной кривизны дна 16 канавок 15 составляет 22,752 I 22,783 мм. Расстояние в обойме 2 между центрами 17 и 18 находится в пределах 4,582 I 4,632 мм. Минимальная шрфина обоймы 2 равна 26,1 мм. Диаметр 28 шаров 3 составляет 19,842 | 19,844мм. На краях меридиональных канавок 8 в корпусе 1 сделаны небольшие фаски 35 (фиг. 8) с вогнутой поверхностью, имеюшей профиль дуги окружности с радиусом 36 кривизны в пределах 1,25 |l,30 диаметра шаров 3. Вследствие наличия этих фасок расположенный вдоль меридиональной ч канавки 8 край внутренней сферической поверхности 7 корпуса смещен от зоны контакта шара 3 с канавкой 8. Вследствие этого, сферическая поверхность 7 меньше деформируется при нажатии шара 3 на корпус 1 при передаче через шарнир вращающего момента и, значит, не зажимает сепаратор 4, который размещен внутри корпуса 1 с очень малым зазором между ними. При этом вследствие того, что фаски 35 вогнутые, их наличие лшпь немного уменьщает площадь сферической поверхности 7 корпуса. Фаски 35 выполнены переменного размера вдоль канавок 8. Они уменьшаются от торца 9 корпуса 1 к лунке 10, так как жесткость корпуса около вала 5 больще чем у торца 9 корпуса. Каждая лунка 10 имеет сферртческую поверхность 37 (фиг. 9) с радиусом 38 кривизны, равным радиусу 36 поперечной кривизны фасок 35, то есть составляющим 1,25 ll,30 диаметра шаров 3. В шарнире, собранном для установки в поворотном кулаке ведущего моста для привода управляемых колес автомобиля, в отверстии 20 обоймы 2 расположен вал 39 (фигура 10), имеющий с обоймой шлицевое соединение. Обойма 2 зафиксирована на валу 39 в осевом направлении разрезным стопорным кольцом 40. Вал 39 сделан из прутка и подвергнут термической обработке токами высокой частоты (ТВЧ). На валу 39 у его шейки 41 установлено упорное кольцо 42, имеющее холодную прессовую посадку. Вал 39 можно делать различной длины для использования этого шарнира в различных модификациях автомобилей, а также при несимметричном расположении главной передачи ведущего моста. На корпус 1 собранного шарнира надет чехол 43. При угловом смещении, то есть при наклоне вала 35 относительно вала 5 те шары 3, которые расположены в плоскости осей валов 5 и 35 или около этой плоскости, выдавливаются криволинейными поверхностями канавок 8 и 15 соответственно корпуса 1 и обоймы 2 в биссекторнзщ) плоскость, деляшую угол между валами 5 и 35 пополам. Шары 3, передвигаясь вдоль канавок 8 в корпусе 1 и канавок 15 в обойме 2, ч наклоняют сепаратор 4, который обеспечивает размещение всех шаров 3 в биссекторной плоскости. Передача через шарнир поворотного момента происходит шарами 3 путем их взаимодействия с поверхностями меридиональных канавок 8 и 15 корпуса и обоймы. Представленный шарнир равных угловых скоростей, содержащий расположенные в сепараторе 4 шесть шаров 3, размещенных между корпусом 1 и обоймой 2 в меридиональных канавках 6 и 15, имеющих профиль части эллипса с эксцентриситетом в пределах 0,275 | 0,3 и образующих для шаров 3 дорожки качения с увеличенным радиусом поперечной кривизны, находяшимся в пределах 0,52 | 0,53 диаметра шаров, вследствие менее стесненного положения каждого шара 3 и уменьшения влияния допусков механической обработки на величину контактных напряжений в дорожках качения, имеет определенный гарантированный срок надежной службы без заеданий и разрушения сепаратора 4. Созданный шариковый шарнир равных угловых скоростей предназначен для установки в поворотном кулаке в трансмиссии полноприводных колесных транспортных средств, например, автомобилей УАЗ-3162, УАЗ-31512, УАЗ-3160, УАЗ-31605, УАЗ-315195, УАЗ-31519, УАЗ-31514 для привода управляемых колес ведущих мостов. Этот шарнир допускает наклон валов до 35°. Его конструкция дает возможность обеспечить больший угол поворота управляемых колес, позволяя повысить маневренность и управляемость автомобиля. Он имеет увеличенный срок службы, превышающий срок службы обычных шарниров в 2- 2,5 раза. 11