ШАРИКОВЫЙ ШАРНИР
BALL HINGE

Изобретение относится к карданам, предназначенным для передачи вращения с перекосом осей соединяемых валов от двигателя к рабочим механизмам, например, в прокатном оборудовании, в транспортном и другом.
Известен универсальный кардан Рзеппа («Проектирование унифицированных шарниров и ведущих валов». / Пер. с англ. Ю.В. Попов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1984 - 463 с., ил.), который предназначен для передачи вращения от двигателя в транспортных средствах с передними ведущими колесами.
В этом кардане передача вращения от внутренней втулки, сидящей на ведущем валу, передается к наружной обойме, соединенной с ведомым валом, через шарики, которые располагаются в полуцилиндрических канавках втулки и обоймы. Для передачи вращения с постоянной угловой скоростью кардан Рзеппа снабжен промежуточным кольцом, размещенным между втулкой и обоймой, в отверстиях которого удерживаются шарики. Благодаря этому кольцу шарики удерживаются в плоскости постоянной частоты вращения, занимающей постоянное положение в пространстве и делящей угол перекоса в шарнире пополам. С этой же целью канавки выполнены криволинейными со смещенными центрами кривизны относительно центра шарнира в противоположные стороны.
Основным недостатком данного кардана является то, что в контакте шариков с полуцилиндрическими пазами втулки и обоймы возникающие контактные напряжения велики из-за геометрической формы соприкасающихся поверхностей. Известно, что величина контактных напряжений тем меньше, чем больше площадь контакта. Так, чем ближе друг к другу геометрические параметры соприкасающихся поверхностей, тем больше площадь контакта и тем меньше контактное напряжение. Например, при взаимодействии цилиндрического тела конечной длины с цилиндрической впадиной площадь контакта имеет определенную величину, а при взаимодействии шара с той же впадиной площадь контакта будет существенно меньше (при одинаковом усилии). Площадь контакта будет также существенно уменьшаться при увеличении разницы между радиусами этих соприкасающихся тел.
В описываемом кардане контактные напряжения значительны потому, что:
- контактируют между собой шар и полуцилиндрические впадины;
- имеется существенная разница между радиусами шара и впадин, необходимая для обеспечения работоспособности кардана при работе с перекосом;
площадь контакта уменьшена из-за наличия промежуточного кольца с пазами для шариков, располагающегося между втулкой и обоймой, тем самым уменьшая глубину впадин.
Из известных карданов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является шарнирное соединение, описанное в авторском свидетельстве СССР №1476693, кл. В21В3514, 1987.
Шарнир содержит втулку со сферическими лунками и обойму с полуцилиндрическими пазами, в которых размещены промежуточные вкладыши, имеющие элементы со сферическими и цилиндрическими поверхностями и выполненные как единое целое.
Крутящий момент в этом шарнире передается от втулки к вкладышам через ее сферические лунки к сферическим выступам вкладышей и далее к обойме через полуцилиндрические выступы вкладышей к полуцилиндрическим пазам обоймы.
Перекос в шарнирном соединении, т.е. поворот втулки относительно обоймы вокруг их общего центра, обеспечивается за счет вращения сферических выступов вкладышей в сферических лунках втулки и за счет скольжения полуцилиндрических выступов вкладышей в полуцилиндрических пазах обоймы вдоль ее оси. Недостаток известной конструкции шарнирного соединения заключается в том, что он не обеспечивает передачу вращения с равномерной угловой скоростью, так как плоскость контакта контактирующих поверхностей втулки-вкладышей-обоймы находится в постоянном положении в плоскости, перпендикулярной оси втулки и проходящей через центры сферических лунок, тогда как в шарнирах равных угловых скоростей (ШРУС) она должна находиться в положении, разделяющем угол перекоса между втулкой и обоймой пополам.
Другим недостатком известной конструкции является то, что при передаче вращения с перекосом вкладыш в плоскости перекоса своим полуцилиндрическим выступом перемещается в полуцилиндрической впадине обоймы соосно оси обоймы, т.е. по одному радиусу. Так же перемещаются и полусферические выступы вкладыша в полусферической впадине втулки, которая вследствие перекоса смещается (удаляется) от полусферического выступа вкладыша. В результате этого контакт при передаче момента происходит не по сферическим поверхностям, а по кромке впадины втулки со сферической поверхностью выступа обоймы, т.е. присутствует кромочный контакт, который приводит к большим контактным напряжениям, износу и разрушению контактирующих поверхностей шарнира, а также не позволяющий получить большой угол перекоса в шарнире (не более 1-2 градусов).
Задача настоящего изобретения состоит в создании шарикового шарнира с вкладышами скольжения для передачи вращения с перекосом соединяемых осей от двигателя к рабочим механизмам, например, в прокатном, транспортном и другом оборудовании, позволяющего повысить его нагрузочную способность, долговечность и угол перекоса (по сравнению с зубчатыми и роликовыми шарнирами)
Поставленная цель достигается тем, что данный шарнир состоит из втулки (внутренняя деталь) и обоймы (наружная деталь). Обойма имеет внутренние полуцилиндрические пазы, а втулка - наружные.
Эти пазы расположены друг против друга, при этом они не прямолинейны, а концентричны относительно центра шарнира. Внутренняя поверхность обоймы и наружная поверхность втулки, которые являются поверхностями выступов пазов, соприкасаются друг с другом по сфере с центром в центре шарнира. При передаче вращения от втулки к обойме с перекосом оси они свободно поворачиваются относительно друг друга по этим поверхностям.
Внутри пазов обоймы и втулки располагаются вкладыши с полуцилиндрическими наружными поверхностями, которыми они контактируют с пазами, имеющими ту же форму. Благодаря этому вкладыши могут перемещаться в пазах. Соприкасаются вкладыши обоймы и втулки между собой также по сферической поверхности, поэтому они могут перемещаться относительно друг друга в любом направлении.
В центре вкладышей обоймы и втулки выполнены полусферические гнезда, в которых располагаются шарики, тем самым соединяя вкладыши между собой.
Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения шарнира со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фигуре 1 - продольный разрез шарнира с перекосом оси втулки и обоймы на угол ,
на фигуре 2 - поперечный разрез на фигуре 1.
Шарнир содержит обойму 1 и втулку 2 с полуцилиндрическими пазами 3 и 4, в которых установлены полуцилиндрические вкладыши 5 и 6. Во вкладышах имеются полусферические пазы 7 и 8 с установленными в них шариками 9. Обойма 1 и втулка 2 имеют выступы 10 и 11, которыми они соприкасаются по сферическим поверхностям 12. Обоймы и втулка посажены на концы соединяемых валов 13 и 14. Имеется уплотнительный узел 15.
Предложенный шарнир работает следующим образом.
При передаче вращения от вала 13 к валу 14 с перекосом их осей на угол  крутящий момент передается от обоймы 1 через выступы 10, впадины 3 и вкладыши 5 обоймы к шарикам 9, затем через вкладыши 6, впадины 4 и выступы 11 к втулке 2, сидящей на валу 14. При этом вкладыши обоймы, шарики и вкладыши втулки остаются в одной плоскости I-I, находящейся посередине между плоскостями, проходящими через центр шарниров, одна перпендикулярно осям обоймы 1 и вала 13 (II-II), другая перпендикулярно осям втулки 2 и вала 14 (III-III), т.е. делящей угол перекоса пополам. При этом обойма 1 и втулка 2 за один оборот шарнира совершают поворот вокруг центра шарнира «о» и вокруг осей валов 13 и 14, скользя полуцилиндрическими впадинами по полуцилиндрическим выступам вкладышей. Вкладыши при этом поворачиваются относительно друг друга по своим сферическим основаниям и вокруг шариков на угол перекоса  за оборот от 0 до /2 и обратно до 0, и то же движение в другую сторону.
Такое конструктивное выполнение шарнира позволяет повысить его нагрузочную способность, долговечность и угол перекоса за счет следующего:
- равномерное распределение нагрузок в контакте, а следовательно, и меньшая их величина, благодаря тому, что при перекосе не появляются разнозазорность в контактах вкладыш-впадина и шарик-полусферические впадины вкладышей, т.е. эти контактирующие поверхности имеют одинаковую геометрию, а зазоры, обеспечивающие их относительное перемещение, минимальны;
- существенное снижение контактных напряжений за счет совпадающей геометрии их поверхностей, радиусы кривизны их отличаются только на величину зазора и большой площади контакта.
К достоинствам шарнира можно отнести также следующее:
- он является шарниром равных угловых скоростей (ШРУС), т.к. выполняются все три условия для этого:
1) плоскость контакта занимает постоянное положение в пространстве;
2) она перпендикулярна плоскости, проходящей через оси ведущего и ведомого валов шарнира;
3) она делит пополам угол перекоса. Это очень важно для шарниров.
- исключено осевое смещение обоймы относительно втулки за счет того, что сферическая наружная поверхность втулки заключена в сферической поверхности обоймы.