ФИКСИРУЕМЫЙ ШАРНИР

Заявляемая полезная модель относится к шарнирным соединениям с устройствами для угловой фиксации его частей в пространстве, применяемыми в деталях машин. Угловая фиксация положения шарнира в пространстве осуществляется с помощью торцевых зубьев треугольного профиля, расположенных на контактирующих торцах деталей шарнира, и элементов осевого крепления этих деталей.
За прототип принят фиксируемый шарнир, состоящий из неподвижной и поворотной частей, разъемно соединенных своими контактирующими торцами, содержащими радиальные зубья треугольного профиля, с возможностью шагового углового поворота при перемещении подвижной части шарнира относительно неподвижной части на один зуб, зависящего от числа радиальных зубьев треугольного профиля на торцах, и элементы осевого крепления этих частей (см. шарнир в книге Крайнев А.Ф. «Идеология конструирования» Москва 2003 г. УДК: К78 621.01(035) ББК 34.4, (ISBN5-94275-079-3) стр.207 схема 32.2).
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого фиксируемого шарнира являются следующие, заявляемый фиксируемый шарнир состоит из неподвижной и поворотной частей, разъединяемых и соединяемых с помощью осевого перемещения этих частей. Контактирующие торцы неподвижной и поворотной частей тоже содержат радиальные зубья треугольного профиля, при перемещении которых на один зуб получается фиксированный угловой поворот поворотной части, зависящий от числа зубьев на контактирующих торцах.
Недостатком известного устройства является возможность получения шагового углового поворота поворотной части только одной величины, т.к. на торцах находится одно конкретное число зубьев. Поменять величину шагового углового поворота, значит поменять число зубьев, т.е. изготовить новый шарнир. Недостатком является и невозможность получения рабочих углов поворотной части меньших, чем позволяет имеющееся на соединяемых торцах неподвижной и поворотной частях число зубьев. Увеличивать число торцевых зубьев для уменьшения рабочих углов поворотной части не позволяет оборудование, инструмент, условия прочности зубьев и эксплуатационные диаметры (диаметральные габариты) зубчатых торцев.
Технической задачей на решение которой направлен заявляемый фиксируемый шарнир, является увеличение количества шаговых угловых поворотов поворотной части шарнира разных по величине и получение заданных шаговых угловых поворотов меньших, чем позволяет имеющееся на соединяемых торцах неподвижной и поворотной частях число зубьев.
Для достижения названного технического результата, в фиксируемом шарнире неподвижная и поворотная части шарнира выполнены с разными числами торцевых эубьев, обеспечивающих разные шаговые угловые повороты этих частей, а между ними разъемно помещен шагово поворотный двусторонний зубчатый фиксируемый промежуточный элемент, контактирующий своими зубчатыми торцами с неподвижной и поворотной частями шарнира, а разница шаговых угловых поворотов, обеспечиваемая разным числом торцевых зубьев неподвижной и поворотной частями шарнира, равна задаваемому при изготовлении зубьев шарнира необходимому минимальному шаговому угловому повороту поворотной части.
Отличительными признаками заявляемого фиксируемого шарнира является то, что зубчатые торцы неподвижной и поворотной частей выполнены с разными числами зубьев и между этими зубчатыми торцами разъемно помещен с возможностью поворота промежуточный элемент, контактирующий своими зубчатыми торцами с зубчатыми торцами неподвижной и поворотной частями шарнира.
Заявляемый фиксируемый шарнир может найти применение при испытаниях моделей в аэродинамических трубах, когда требуется фиксировано изменять положение модели или ее агрегатов в пространстве при испытаниях. Расположив ось поворота предложенного соединения вертикально, можно использовать этот вид соединения в фиксируемых поворотных опорных устройствах для обрабатываемых изделий или инструмента. Уже в существующих фиксируемых шарнирах с зубчатыми торцевыми поверхностями треугольного профиля можно увеличить количество шаговых угловых поворотов разных по величине и получать заданные шаговые угловые повороты меньшие по величине, чем позволяет имеющееся на соединяемых торцах поворотной и неподвижной частях число зубьев, если позволяют габариты вдоль оси вращения шарнира. Необходимо только изготовить два разных двусторонних переходных зубчатых венца с зубьями имеющегося количества и нового расчетного количества, на своих торцах, закрепить каждый из них неподвижно на поворотной и неподвижной частях шарнира и поместить между ними вновь изготовленный промежуточный, двусторонний, поворотный, зубчатый элемент, и соединить части шарнира вновь изготовленным осевым крепежным элементом.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором изображен внешний вид фиксируемого шарнира, совмещенный с его частичным фронтальным разрезом.
Фиксируемый шарнир состоит из поворотной части 1, на выступающем конце 2 которого располагается объект (на чертеже не показан), угловое положение, в пространстве которого необходимо фиксировано менять относительно неподвижной части 3 шарнира, жестко закрепленной на неподвижном основании 4. Обращенные навстречу друг другу торцы 5 и 6 поворотной части 1 и неподвижной части 3, соответственно, выполнены с торцевыми зубьями треугольного профиля, который выбран из-за простоты обрабатывающего инструмента, изготовления, простоты сборки-разборки соединения и его беззазорной фиксации в собранном виде из-за наличия плоских наклонных поверхностей на боковых поверхностях зубьев. Число зубьев торца 5 поворотной части 1 отличается от числа зубьев торца 6 неподвижной части 3. Между зубчатыми торцами 5 и 6 поворотной части 1 и неподвижной части 3 для их соединения расположен промежуточный поворотный двусторонний зубчатый фиксируемый элемент 7, своим зубчатым торцем 8, находящимся в зацеплении с зубчатым торцем 5 поворотной части 1, а зубчатым торцем 9 - в зацеплении с зубчатым торцем 6 неподвижной части 3. Поворотная часть 1 выполнена с осевым крепежным стержнем 10, на резьбовой части 11 которого крепится гайка 12. Промежуточный элемент 7 выполнен с трубчатым крепежным элементом 13, свободно размещенным в неподвижной части 3, внутри которого свободно помещается крепежный стержень 10 поворотной части 1. Резьбовая часть 14 трубчатого крепежного элемента 13 служит для крепления гайки 15. Для выведения из зацепления зубчатых торцев 5 и 8 поворотной части 1 и промежуточного элемента 7, соответственно, при открученной гайке 12 служит, например, цилиндрическая пружина 16, а для выведения из зацепления зубчатых торцев 6 и 9 неподвижной части 3 и промежуточного элемента 7 при открученной гайке 15, служит, например, цилиндрическая пружина 17. Длина хода гайки 12 по резьбовой части 11 до конца крепежного стержня 10 должна быть больше высоты зубьев зубчатых торцев 5 и 8, чтобы вывести их из зацепления под действием пружины 16 при полностью открученной гайке 12, но еще находящейся на резьбовой части 11 крепежного стержня 10. Длина хода гайки 15 по резьбовой части 14 до конца трубчатого крепежного элемента 13 должна быть больше высоты зубьев зубчатых торцев 6 и 9, чтобы вывести их из зацепления под действием пружины 17, и торец гайки 15 при этом не касается торца гайки 12. Если ход гайки 15 при ее отвинчивании будет меньше, то она упрется в торец гайки 12, зубья зубчатых торцев 5 и 8 не выйдут из зацепления и поворот промежуточного элемента 7 относительно неподвижной части 3 будет невозможен.
Фиксируемый шарнир работает следующим образом. В начальном положении гайки 12, 15 закручены, зубчатые торцы 5 и 8, 6 и 9 поворотной части 1, неподвижной части 3 и промежуточного элемента 7 находятся в зацеплении, пружины 16 и 17 сжаты. Для изменения углового положения объекта, находящегося на выступающем конце 2 поворотной части 1, откручивают гайку 12 по резьбовой части 11 крепежного стержня 10 подвижной части 1. Чтобы не произошло самопроизвольного поворота поворотной части 1 относительно промежуточного элемента 7, применяют временные поддерживающие подвижную часть 1 устройства, на чертеже не показаны, например, руки. При полностью открученной гайке 12, под действием пружины 16 зубчатые торцы 5 и 8 поворотной части 1 и промежуточного элемента 7 выйдут из зацепления и поворотная часть 1 на оси крепежного элемента 10 может поворачиваться относительно неподвижно закрепленного промежуточного элемента 7 на величину углового шага одного зуба зубчатых торцев 5 и 8 или на сумму нескольких угловых шагов этих зубьев в любом направлении по окружности. Выбрав направление и величину изменения углового положения поворотной части 1 относительно неподвижно закрепленного промежуточного элемента 7, т.е. повернув зубчатый торец 5 поворотной части 1 относительно неподвижно закрепленного зубчатого торца 8 промежуточного элемента 7 на один или несколько зубьев, зафиксировав этот поворот с помощью временного поддерживающего устройства, например, руками, заворачивают гайку 12, которая по резьбовой части 11 за крепежный стержень 10 перемещает в осевом направлении поворотную часть 1, сжимает пружину 16 и, вводя в зацепление зубчатые торцы 5 и 8 поворотной части 1 и промежуточного элемента 7, фиксирует подвижную часть 1 в новом угловом положении, относительно неподвижно закрепленного промежуточного элемента 7, а, значит, и относительно неподвижной части 3. При откручивании гайки 15 по резьбовой части 14 трубчатого крепежного элемента 13 промежуточного элемента 7 под действием пружины 17 зубья зубчатых торцев 6 и 9 неподвижной части 3 и промежуточного элемента 7 выйдут из зацепления и, поддерживая, например, руками промежуточный элемент 7 и неподвижно соединенную с ним поворотную часть 1, можно поворачивать их на оси трубчатого крепежного элемента 13 относительно неподвижной части 3 на величину углового шага одного зуба зубчатых торцев 6 и 9, при повороте на один зуб, или на сумму нескольких угловых шагов этих зубьев, при повороте на несколько зубьев. Выбрав направление и величину изменения углового положения неподвижно соединенных промежуточного элемента 7 и поворотной части 1, т.е. повернув зубчатый торец 9 промежуточного элемента 7 относительно зубчатого торца 6 неподвижной части 3 на один зуб или на несколько зубьев, и временно зафиксировав их, например, руками в таком положении, заворачивают гайку 15, которая по резьбовой части 14 трубчатого крепежного элемента 13 промежуточного элемента 7 перемещает в осевом направлении промежуточный элемент 7 и неподвижно соединенную с ним поворотную часть 1, сжимает пружину 17 и вводит в зацепление зубья зубчатых торцев 6 и 9 неподвижной части 3 и промежуточного элемента 7, фиксируя их в новом угловом положении относительно друг друга, а, значит, и в новом угловом положении поворотную часть 1 относительно неподвижной части 3. Т.к. происходит два независимых поворота двух разных зубчатых торцев с разными числами зубьев на них а, значит, и с разными угловыми шагами между зубьями, то результат этих двух поворотов будет суммироваться, а, значит, и суммируются угловые шаги участвующих в повороте зубьев торцев 5 и 9 при повороте поворотной части 1 и промежуточного элемента 7 в одном направлении, увеличивая количество разных по величине рабочих углов фиксируемого шарнира. При повороте зубчатого торца 5 поворотной части 1 по зубчатому торцу 8 промежуточного элемента 7 в одном направлении, а поворот зубчатого торца 9 промежуточного элемента 7 по зубчатому торцу 6 неподвижной части 3 в противоположном направлении, результирующий поворот будет равен разнице угловых шагов зубчатых торцев 5, 8 и 6, 9. Направление результирующего поворота в этом случае определяет направление поворота зубчатого торца с большим по величине угловым шагом между зубьями, при повороте зубчатых торцев 5 и 9 на одинаковое число зубьев. При повороте зубчатых торцев 5 и 9 в разные стороны на разные числа зубьев, направление результирующего поворота определяет тот зубчатый торец, у которого сумма угловых шагов участвующих в данном повороте зубьев больше.
Если задать наружный диаметр зубчатой торцевой поверхности, исходя из условий эксплуатации, и требуемый минимальный угловой шаг поворота фиксируемого шарнира, который невозможно изготовить на имеющемся оборудовании, инструментом, исходя из условий прочности зубьев и заданного диаметра, то, не обращая внимания на этот требуемый минимальный угловой шаг фиксируемого шарнира, выбирают на поворотных и неподвижных зубчатых торцах числа зубьев с угловыми шагами между ними такими, которые позволяет изготовить имеющееся оборудование, инструмент и, чтобы разница между угловыми шагами двух соседних зубьев поворотного и неподвижного зубчатых торцев равнялась бы требуемому минимальному угловому шагу фиксируемого шарнира. Тогда при повороте поворотной части и промежуточного элемента в противоположных направлениях можно получать результирующий угол поворота поворотной части фиксируемого шарнира меньший, чем могут обеспечить имеющиеся угловые шаги зубьев на зубчатых торцах поворотной и неподвижной частях, и который невозможно получить в заданных диаметральных габаритах, на имеющемся оборудовании, инструментом, с обеспечением прочности зубьев.
При наличии промежуточного элемента 7 зубчатые торцы 5 и 6 могут участвовать в работе шарнира раздельно или совместно. При раздельной работе торцы 6 и 9 закреплены гайкой 15, а торец 5 может перемещаться по неподвижному торцу 8, обеспечивая шаговый угловой, поворот, зависящий от числа зубьев на торцах 5 и 8. Если торцы 5 и 8 закрепить гайкой 12, то торец 9 может перемещаться по неподвижному торцу 6, обеспечивая шаговый угловой поворот, зависящий от числа зубьев на торцах 6 и 9. Таким образом, можно раздельно получать два разных по величине шаговых угловых поворота из-за разного количества зубьев на торцах 6 и 5 неподвижной 3 и поворотной 1 частях и соединяющего эти торцы двустороннего зубчатого промежуточного элемента 7, чего нет у прототипа.
При совместном повороте торца 5 по торцу 8, и торца 9 по неподвижному торцу 6 в одну сторону можно получать дополнительные шаговые угловые повороты, каких нет у прототипа.
При совместном повороте торца 5 по торцу 8 и торца 9 по неподвижному торцу 6 в разных направлениях можно получать шаговые угловые повороты меньше, чем позволяет имеющееся на соединяемых торцах 5, 8 или 6, 9 число зубьев, чего нет у прототипа.
Полезная модель иллюстрируется следующим расчетным примером. Пусть по условиям эксплуатации фиксируемый шарнир должен обеспечивать минимальный угол поворота один градус, а диаметральный габарит не должен превышать 48 миллиметров. Угол между двумя соседними зубьями зависит от целого числа зубьев равномерно размещенных по окружности зубчатого торца,
угл
Где t° - угловой шаг между двумя соседними радиальными зубьями зубчатого торца, в градусах;
360° - развернутый угол окружности зубчатого торца, в градусах;
z - целое число зубьев, размещенных по окружности зубчатого торца.
угл
Чтобы обеспечить при повороте на один зуб угол t°=1° зубчатый торец должен иметь:
т.е.  зубьев.
нар
окр
Число зубьев z, равномерно располагаясь по дуге окружности диаметром D, с торцевым окружным шагом между двумя соседними зубьями t, связаны зависимостью через длину окружности:
где π=3,14 - число «пи»;
нар
D - наружный диаметр зубчатого торца, в миллиметрах;
z - целое число зубьев, расположенных на зубчатом торце;
окр
нар
t - окружной торцевой шаг между двумя соседними зубьями по длине дуги окружности зубчатого торца D, в миллиметрах.
Из формулы (3) следует:
приравнивая правые части формул (2) и (4), получаем:
или
или
или
нар
угл
подставляя в формулу (7) первоначально заданные значения D=48 мм, и t°=1°, получаем:
Имеющееся оборудование и инструмент позволяет получить торцевой окружной шаг не менее 2 мм, т.е. подставляя в формулу (8) значение
1
окр
t =2 мм, получаем:
округляя в большую сторону, принимаем угловой шаг
и из формулы (2) получаем:  зуба
1
окр
подставляя t =2 мм, в формулу (6), получаем:
.
Наружный диаметр зубчатого торца получился даже меньше заданных диаметральных габаритов. Угловой шаг между двумя соседними зубьями второго зубчатого торца принимаем на один градус больше углового шага первого зубчатого торца, т.к. меньше пяти градусов на таком диаметре зубчатого торца имеющееся оборудование и инструмент не позволяют получить, т.е. принимаем: . Из формулы (2) следует, что
зубьев
Из формулы (3) следует, что:
нар
нар
1
11
Такой окружной, торцевой шаг можно получить на имеющемся оборудовании и имеющимся инструментом. Если выполнить зубчатые торцы 5 и 8 поворотной части 1 и промежуточного элемента 7 на диаметре D=45,86 мм с z=72 зуба с угловым шагом между двумя соседними зубьями в 5°, а зубчатые торцы 6 и 9 неподвижной части 3 и промежуточного элемента 7 с z=60 зубьев на том же диаметре D=45,86 мм с угловым шагом между зубьями в шесть градусов, то, сдвинув торец 5 по торцу 8 на один зуб, т.е. повернув их относительно друг друга на угловой шаг 5° и закрепив их в таком положении гайкой 12, а потом сдвинуть торец 9, а значит и торец 8, со скрепленным с ним уже повернутый на 5° торец 5 по торцу 6 на один зуб, т.е. повернуть торец 9 относительно торца 6 на угловой шаг 6° в направлении противоположном первому пятиградусному повороту, получим результирующий поворот торца 5 относительно торца 6 на один градус.
окр
Чтобы получить угловой шаг в один градус, который получается при z=360 зубьев, и при t=2 мм, меньше которого невозможно получить на имеющемся оборудовании и имеющимся инструментом, то из формулы (6) диаметр зубчатого торца будет:
окр
Конечные результаты поворота поворотной части 1 относительно неподвижной части 3 одинаковые (1°), а диаметральные габариты разные, из-за применения промежуточного поворотного зубчатого элемента 7 с разными числами зубьев на своих торцах 8 и 9. Наличие промежуточного зубчатого элемента, находящегося между неподвижной и поворотной частями фиксируемого шарнира с разными числами зубьев на своих зубчатых торцах позволяет получать результирующий фиксированный поворот шарнира, соответствующий сдвигу не на целый зуб, имеющийся на этих торцах, а на часть целого нарезанного зуба. Величина этого сдвига заранее заложена в количестве зубьев расположенных на торцах поворотной и неподвижной частях фиксируемого шарнира еще при изготовлении зубчатых торцев. Поворот на один зуб в противоположных направлениях зубчатых торцев с разными числами нарезанных зубьев, а, значит, и с разными угловыми шагами между двумя соседними зубьями дает результирующий поворот подвижной части шарнира равный разнице угловых шагов зубчатых торцев с разными числами зубьев. Эта разница, выраженная в градусах, всегда меньше, чем угловой шаг между двумя соседними зубьями на любом из зубчатых торцев. Такого результата невозможно добиться без наличия промежуточного элемента. Для унификации измерительного инструмента можно изготовлять разные числа зубьев на поворотной и неподвижной частях шарнира с одинаковыми окружными торцевыми шагами между двумя соседними зубьями (t) При этом получаются разные наружные диаметры зубчатых торцев поворотной и неподвижной частей шарнира, что не влияет на его работоспособность, а влияет только на его внешний вид. Разные диаметры зубчатых торцев промежуточного элемента в этом случае соединяют переходной поверхностью вращения произвольной формы.
угл
угл
Если оборудование и инструмент позволяют выполнить на заданном диаметре с выбранным торцевым окружным шагом на одном из зубчатых торцев 300 зубьев, т.е. получить угловой шаг между двумя соседними зубьями t°=1,2°, а на втором зубчатом торце выполнить 288 зубьев с угловым шагом t°=1,25°, то, перемещая зубчатые торцы поворотной части по неподвижному промежуточному элементу, а потом соединенные между собой поворотную часть и промежуточный элемент по неподвижной части шарнира на один зуб в противоположных направлениях, можно получить результирующий поворот шарнира 0,05°, т.е. три угловые минуты. Суммируя количество таких двойных разнонаправленных поворотов, можно получать любой угол, кратный трем угловым минутам, (что соответствует смещению в 2 мм. на длине 2,3 метра). У прототипа для такой точности потребовалось бы 7200 зубьев и диаметр зубчатого торца в 24 раза больший. При прочих равных условиях.
С помощью такого шарнира можно и дальше уменьшать величину угла результирующего поворота, но при этом растет число зубьев, и увеличиваются диаметральные габариты устройства. Так при получении угла результирующего поворота в одну угловую секунду, (а это еще не предел), диаметры зубчатых торцев становятся больше десяти метров. Это могут использовать астрономы для поворотов своих телескопов в горизонтальной плоскости.
В качестве крепежного элемента в фиксируемом шарнире можно использовать резьбовую шпильку с двумя крепежными гайками на концах, неподвижно соединенную своей средней частью с промежуточным элементом. Шпилька своими выступающими разнонаправленными резьбовыми частями проходит через сквозные осевые отверстия в поворотной и неподвижной частях. Одна крепежная гайка прижимает поворотную часть шарнира к одному торцу промежуточного элемента, вторая крепежная гайка прижимает противоположный торец промежуточного элемента к неподвижной части шарнира. Этот вид крепления надо использовать, когда присутствие гайки со стороны поворотной части не мешает условиям эксплуатации фиксируемого шарнира.