ШАРНИР РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ
ROLLING FRICTION CONSTANT VELOCITY JOINT

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть применено в трансмиссионных валах, передающих крутящий момент от силового агрегата транспортного средства к движителю.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, к заявляемому техническому решению является шарнир равных угловых скоростей трения качения, известный из описания к патенту Силовая передача с шарниром равных угловых скоростей трения качения, РФ N 2172874, МПК 7 F16D 3/223, F16C 11/06, публикация 20.01.2001 г., содержащий полый корпус, имеющий дорожки качения на внутренней цилиндрической поверхности, расположенный внутри корпуса вал, на котором неподвижно посредством шлицевого соединения закреплена обойма с дорожками качения на ее наружной поверхности, шарики, расположенные в дорожках качения и в окнах сепаратора, на наружной поверхности которого со стороны его большего диаметра выполнен сферический участок, которым он контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, а на внутренней поверхности сепаратора со стороны его меньшего диаметра имеется сферический участок, которым он контактирует со сферической поверхностью управляющей втулки, установленной на валу с возможностью скольжения по нему и с возможностью вращения на нем. Управляющая втулка установлена на участке вала между внутренним торцом обоймы и упором вала и в ней со стороны шариков выполнена внутренняя полость, диаметр которой больше диаметра обоймы.
Управляющая втулка в статическом положении вала и полого корпуса шарнира расположена относительно вала так, что плоскость, перпендикулярно расположенная к валу и проходящая через середину участка поверхности управляющей втулки, контактирующего с валом, находится посередине участка вала между внутренним торцом обоймы и торцом упора вала.
Относительные продольные перемещения корпуса и вала ограничиваются, с одной стороны, за счет возможности контакта торца управляющей втулки во внутренней полости и внутреннего торца обоймы, а с другой стороны - за счет возможности контакта другого торца управляющей втулки и упора вала.
Сферическая поверхность втулки, контактирующая со сферическим участком сепаратора, выполнена на ней так, что плоскость, проходящая через середину сферической поверхности втулки, смещена в сторону шариков относительно плоскости, проходящей через середину участка поверхности втулки, контактирующего с валом.
Конструкция данного технического решения шарнира равных угловых скоростей трения качения не обеспечивает повышенные рабочие углы в шарнире и повышенное относительное осевое перемещение его корпуса и вала при использовании его с присущими ему характеристиками - габаритами, массой, в более жестких условиях с повышенными требованиями к максимальным рабочим углам шарнира, к его грузоподъемности, например, при использовании шарнира в валах силовой передачи автомобиля повышенной проходимости.
Техническим результатом настоящего изобретения является: улучшение технических характеристик шарнира равных угловых скоростей трения качения, а именно увеличение его максимальных рабочих углов, увеличение относительного перемещения его корпуса и вала.
Указанный технический результат достигается тем, что в шарнире равных угловых скоростей трения качения, включающем в себя полый корпус, имеющий дорожки качения на внутренней цилиндрической поверхности, расположенный внутри корпуса вал, на котором посредством шлицевого соединения установлена обойма с дорожками качения на наружной поверхности, управляющую втулку, установленную на валу за обоймой с возможностью скольжения по нему и с возможностью контакта первым из своих торцов с упором, расположенным на валу, а вторым торцом - с торцом обоймы, шарики, установленные в дорожках качения корпуса, обоймы и в окнах установленного между корпусом и валом сепаратора, имеющего на наружной поверхности сферический участок, контактирующий с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, и сферический участок на внутренней поверхности, контактирующий со сферической поверхностью, выполненной на управляющей втулке, согласно изобретению, управляющая втулка зафиксирована от возможности поворота относительно вала выполненными в ней и на валу взаимодействующими элементами, и выполнена с выемками, предназначенными для возможности вхождения в них шариков и расположенными соответственно напротив дорожек качения обоймы с образованием между ними в теле управляющей втулки выступающих клювиков, на которых выполнены участки сферической поверхности, причем донные части образующих поверхностей выемок управляющей втулки расположены между плоскостями ее первого и второго торцов.
В частном случае, шарнир выполнен с восемью шариками и с соответствующим количеством дорожек качения в корпусе, обойме и соответствующим количеством окон в сепараторе и выемок в управляющей втулке.
В частном случае, взаимодействующие элементы управляющей втулки и вала шарнира выполнены в виде двух пар лысок. В данном частном случае, упор на валу шарнира выполнен в виде торцевых участков вала, образующих внутренние кромки взаимодействующих элементов в виде лысок.
В частном случае, шлицы шлицевого соединения обоймы и вала шарнира выполнены эвольвентными, причем шлицы вала выполнены эвольвентными спиральными.
В другом частном случае, взаимодействующие элементы управляющей втулки и вала могут быть выполнены в виде прямых шлицов, причем на валу взаимодействующие элементы будут выполнены в виде единых прямых шлицов и под шлицевое соединение с управляющей втулкой, и под шлицевое соединение с обоймой. В данном частном случае, упор на валу выполнен в виде опоясывающего упорного бурта.
В частном случае, в поперечном сечении корпуса и обоймы шарнира профили их дорожек качения выполнены в виде эллипса.
В частном случае, на посадочном участке корпуса шарнира выполнен по меньшей мере один опоясывающий установочный бурт, предназначенный для расположения в одной из кольцевых канавок внутренней поверхности установочного участка большего диаметра чехла.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявляемого решения ранее не была известна, следовательно оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предлагаемое решение имеет признаки, отсутствующие в известных решениях, а их использование в заявляемой совокупности признаков дает возможность получить новый технический эффект, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, так как может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется на чертежах:
Фиг.1. - шарнир равных угловых скоростей трения качения, общий вид;
Фиг.2. - корпус шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.3. - обойма шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.4. - сепаратор шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.5. - управляющая втулка шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.6. - вал шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (местный разрез по продольной оси);
Фиг.7. - шарнир равных угловых скоростей трения качения, общий вид в разобранном состоянии в аксонометрии (взаимодействующие элементы управляющей втулки и вала шарнира выполнены в виде прямых шлицов);
Фиг.8. - схемы работы шарнира равных угловых скоростей трения качения (осевое перемещение при нулевом рабочем угле), общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.9. - схемы работы шарнира равных угловых скоростей трения качения (при определенном рабочем угле), общий вид (разрез по продольной оси);
Фиг.10. - схемы работы шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси, вариант шарнира без хвостовика с заглушкой и взаимодействующие элементы управляющей втулки и вала шарнира выполнены в виде прямых шлицов);
Фиг.11. - схема работы шарнира равных угловых скоростей трения качения, общий вид (разрез по продольной оси, вариант шарнира без хвостовика с заглушкой и взаимодействующие элементы управляющей втулки и вала шарнира выполнены в виде прямых шлицов).
Шарнир равных угловых скоростей трения качения содержит полый корпус 1, имеющий дорожки качения 2 на внутренней цилиндрической поверхности, расположенный внутри корпуса 1 вал 3, на котором посредством шлицевого соединения 4 установлена обойма 5 с дорожками качения 6 на наружной поверхности, управляющую втулку 7, установленную на валу 3 за обоймой 5 с возможностью скольжения по нему (валу 3) и с возможностью контакта первым из своих торцов 8 с упором 9, расположенным на валу 3, а вторым торцом 10 - с торцом 11 обоймы 5, шарики 12, установленные в дорожках качения 2 корпуса 1, в дорожках качения 6 обоймы 5 и в окнах 13 установленного между корпусом 1 и валом 3 сепаратора 14, имеющего на наружной поверхности сферический участок 15, контактирующий с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1, и сферический участок 16 на внутренней поверхности, контактирующий со сферической поверхностью 17, выполненной на управляющей втулке 7.
Управляющая втулка 7 зафиксирована от возможности поворота относительно вала 3 выполненными в ней (во втулке 7) и на валу 3 соответствующими взаимодействующими элементами 18 и 19, и выполнена с выемками 20, предназначенными для возможности вхождения в них шариков 12 и расположенными соответственно (в строгом соответствии - точно) напротив дорожек качения 6 обоймы 5 с образованием между ними (выемками 20) в теле управляющей втулки 7 выступающих клювиков 21, на которых выполнены участки сферической поверхности 17, контактирующей со сферическим участком 16 на внутренней поверхности сепаратора 14. Донные части 22 образующих поверхностей выемок 20 управляющей втулки 7 расположены между плоскостями «α» и «β» ее первого 8 и второго 10 торцов соответственно.
В частном случае, шарнир выполнен с восемью шариками 12 и с соответствующим количеством дорожек качения 2 в корпусе 1, обойме 5 и соответствующим количеством окон 13 в сепараторе 14 и выемок 20 в управляющей втулке 7.
В частном случае, показанном на чертежах 1-6, 8, 9, взаимодействующие элементы 18 и 19 управляющей втулки 7 и вала 3 шарнира выполнены в виде двух пар лысок. В данном частном случае, упор 9 на валу 3 шарнира выполнен в виде торцевых участков вала 3, образующих внутренние кромки взаимодействующих элементов 19 в виде лысок. В данном частном случае, шлицы шлицевого соединения 4 обоймы 5 и вала 3 шарнира выполнены эвольвентными, причем шлицы вала 3 выполнены эвольвентными спиральными.
В другом частном случае, показанном на фиг.7, 10, 11, взаимодействующие элементы 18 и 19 управляющей втулки 7 и вала 3 шарнира могут быть выполнены в виде прямых шлицов, причем на валу 3 взаимодействующие элементы 19 будут выполнены в виде единых прямых шлицов и под шлицевое соединение с управляющей втулкой 7 и под шлицевое соединение 4 с обоймой 5. В данном частном случае, упор 9 на валу 3 выполнен в виде опоясывающего упорного бурта.
В частном случае, показанном на чертежах, в поперечном сечении корпуса 1 и обоймы 5 шарнира профили их дорожек качения 2 и 6 выполнены в виде эллипса.
В частном случае, показанном на чертежах, на посадочном участке 23 корпуса 1 шарнира выполнено три опоясывающих установочных бурта 24, предназначенных для расположения в кольцевых канавках внутренней поверхности установочного участка большего диаметра 25 чехла 26, закрывающего внутреннюю полость корпуса 1 шарнира с составляющими деталями спереди.
В частном случае, показанном на чертежах 1, 2, 7, 8, 9, сзади внутренняя полость корпуса 1 закрыта фланцем 27 хвостовика 28, предназначенного для соединения его с определенным узлом трансмиссии транспортного средства, например с коробкой передач или задним мостом.
В другом частном случае, как, например, показано на фиг.10, 11, когда в корпусе 1 установлены крепежные шпильки 29, предназначенные для соединения его с определенным узлом трансмиссии, корпус 1 шарнира сзади закрыт синтетической заглушкой 30.
Сборка и установка шарнира осуществляется следующим образом.
На первом этапе осуществляется подсборка сепаратора 14 с управляющей втулкой 7, для этого управляющая втулка 7 сферической поверхностью 17 заводится в контакт со сферическим участком 16 на внутренней поверхности сепаратора 14.
Далее, на вал 3 одевается чехол 26 установочным участком меньшего диаметра 31, на котором закрепляется хомут 32.
Потом в управляющую втулку 7 заводится вал 3 с совмещением их взаимодействующих элементов 18 и 19, в частности в случае, показанном на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9 взаимодействующих элементов 18 и 19, выполненных в виде двух пар лысок.
Затем, в сепаратор 14 заводится обойма 5 с одновременной установкой в ее дорожки качения 6 и окна 13 сепаратора 14 шариков 12, причем обойма 5 заводится в сепаратор 14 с одновременной установкой посредством шлицевого соединения 4 на вал 3 таким образом, чтобы ее дорожки качения 6 были расположены строго напротив выемок 20 управляющей втулки 7, а потом выход обоймы 5 фиксируется стопорным кольцом 33 в канавке вала 3.
Далее в корпус 1 шарнира набивается смазка.
После чего вся вышеописанная подсборка, включающая вал 3, чехол 26, управляющую втулку 7, обойму 5, сепаратор 14, шарики 12, соединяется с корпусом 1, а именно, данная подсборка заводится шариками 12 в дорожки качения 2 корпуса 1, а затем на торец корпуса 1 шарнира устанавливается ограничительная шайба 34, которая предварительно располагается в чехле 26 до завода в управляющую втулку 7 вала 3 и которая ограничивает перемещение шариков в корпусе 1 (препятствует саморазбору шарнира). Далее, установочный участок большего диаметра 25 чехла надевается на посадочный участок 23 корпуса 1 таким образом, что в кольцевых канавках внутренней поверхности установочного участка большего диаметра 25 чехла 26 оказываются три опоясывающих установочных бурта 24 посадочного участка 23 корпуса 1, а потом на установочный участок большего диаметра 25 чехла 26 закрепляется хомут 35. В частном случае, как показано выше по тексту, на фиг.1, 2, 7, 8, 9 внутренняя полость корпуса 1 шарнира предварительно закрыта снаружи фланцем 27 хвостовика 28, а в другом частном случае, как показано на фиг.10, 11, внутренняя полость корпуса 1 шарнира предварительно закрыта снаружи синтетической заглушкой 30.
Работа конструкции шарнира в эксплуатации заключается в следующем.
Крутящий момент от силовой передачи (не показана) передается на корпус 1 шарнира, а далее через его дорожки качения 2 на шарики 12 и дорожки качения 6 обоймы 5, а затем через шлицевое соединение 4 последней с валом 3 на сам вал 3. Заявляемый шарнир выполнен с возможностью относительного осевого перемещения корпуса 1 и вала 3, а это делает возможным в процессе движения транспортного средства изменяться длине силовой передачи, что требуется, например, при наезде ведущего колеса на неровности дороги. При вертикальных же перемещениях ведущего колеса в шарнире изменяется угол между его корпусом 1 и валом 3, а это позволяет равномерно передавать крутящий момент под любым допустимым углом между ними.
Расстояние от торца 11 обоймы 5 до второго торца 10 управляющей втулки 7 определяет часть основной составляющей полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 3 шарнира. Возможный диапазон основной составляющей полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 3 шарнира расположен в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения и охватывает фактический рабочий диапазон относительного перемещения вала 3 и корпуса 1 шарнира. Дополнительную составляющую полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 3 силовой передачи определяет конструктивная длина дорожек качения 2 корпуса 1, в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения-скольжения, т.е. когда вал 3, шарики 12 и управляющая втулка 7 с сепаратором 14 перемещаются как одно целое относительно корпуса 1, при этом шарики 12 катятся и скользят по поверхности дорожек качения 2 корпуса 1, т.е. катятся с «пробуксовкой». Возможность этого относительного перемещения вала 3 и корпуса 1 в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения-скольжения может закладываться в его конструкцию при разработке посредством заданной длины дорожек качения 2 корпуса 1 чисто из конструктивных и кинематических соображений, но, как правило, в конструкциях шарниров эта возможность не используется, так как практически нет в этом необходимости, потому что фактический рабочий диапазон шарнира (относительное перемещение вала 3 и корпуса 1 шарнира) вполне вписывается в диапазон работы шарнира в режиме трения качения.
Относительное перемещение вала 3 и корпуса 1 шарнира в диапазоне его работы в режиме трения качения заключается в следующем.
При перемещении вала 3 из корпуса 1 шарнира его обойма 5 с дорожками качения 6 перемещается к управляющей втулке 7, например, на некоторое расстояние "L", т.е. происходит относительное перемещение вала 3 относительно корпуса 1 шарнира. Одновременно за счет того, что вал 3 перемещается относительно корпуса 1 - шарики 12 вращаются между поверхностями дорожек качения 6 обоймы 5 и поверхностями дорожек качения 2 корпуса 1 шарнира, в результате чего сепаратор 14 совместно с управляющей втулкой 7 совершают дополнительное перемещение относительно корпуса 1 и вала 3 на расстояние L/2 (расстояние, равное половине расстояния L). Ограничивает перемещение вала 3 вправо (если смотреть на фиг.1) относительно корпуса 1 шарнира, в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения, момент, когда торец 11 обоймы 5 упрется во второй торец 10 управляющей втулки 7 (т.е. когда торец 11 обоймы 5 как бы догонит торец 10 управляющей втулки 7). В целом, это перемещение (ход) вала 3 относительно корпуса 1 шарнира из среднего положения вправо (если смотреть на фиг.1) до ограничения равно двойному расстоянию от торца 11 обоймы 5 до второго торца 10 управляющей втулки 17 в среднем положении вала 3 и корпуса 1 (т.е. перемещение равно 2L, см. на фиг.1).
Аналогичный процесс происходит при перемещении вала 3 внутрь корпуса 1 шарнира в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения, с разницей лишь в том, что перемещение вала 3 относительно корпуса 1 ограничивается упором 9, который упирается в первый торец 8 управляющей втулки 7. В целом, это перемещение (ход) вала 3 относительно корпуса 1 шарнира из среднего положения влево (если смотреть на фиг.1) до ограничения равно двойному расстоянию от первого торца 8 управляющей втулки 7 до упора 9 вала 3 в среднем положении вала 3 и корпуса 1 (т.е. перемещение равно 2М или т.к. М=L, то перемещение равно 2L, см. на фиг.1).
Полное относительное перемещение вала 3 и корпуса 1 в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения равно двойной сумме расстояния между торцом 11 обоймы 5 и вторым торцом 10 управляющей втулки 7 и расстояния между первым торцом 8 управляющей втулки 7 и упором 9 вала 3 в среднем положении вала 3 и полого корпуса 1, т.е. полное относительное перемещение вала 3 и корпуса 1 шарнира равно 2L+2М или т.к. М=L, то равно 2L+2L=4L.
За счет выполнения управляющей втулки 7 зафиксированной от возможности поворота относительно вала 3 выполненными в ней (во втулке 7) и на валу 3 соответствующими взаимодействующими элементами 18 и 19, и за счет выполнения ее с выемками 20, предназначенными для возможности вхождения в них шариков 12 и расположенными соответственно (в строгом соответствии - точно) напротив дорожек качения 6 обоймы 5 с образованием между ними (выемками 20) в теле управляющей втулки 7 выступающих клювиков 21, на которых выполнены участки сферической поверхности 17, - появилась возможность расположения этой сферической поверхности 17 управляющей втулки 7, контактирующей со сферическим участком 16 сепаратора 14, ближе по сравнению с прототипом к плоскости «γ», проходящей через центры шариков 12, а поскольку по условиям кинематики шарниров равных угловых скоростей расстояния от плоскости «γ», проходящей через центры шариков 12, до плоскостей, перпендикулярно расположенных к оси вращения сепаратора 14 и проходящих через вершины его сферических участков 15 и 16 (и естественно проходящих через центры этих сферических участков 15 и 16), одинаковы, то расстояние между этими плоскостями, проходящими через вершины сферических участков 15 и 16 сепаратора 14, уменьшается, что, в свою очередь, опять-таки по условиям кинематики шарниров равных угловых скоростей приводит к увеличению наибольшего рабочего угла шарнира. Чем ближе друг к другу расположены перпендикулярные к оси вращения сепаратора 14 и проходящие через вершины его сферических участков 15 и 16 плоскости (т.е. когда сепаратор 14 более короткий), тем на больший угол может переместиться крайняя наружная точка на наружном диаметре сепаратора 14, со стороны расположения его сферического участка 16, к внутренней поверхности корпуса 1 шарнира относительно центра поворота сепаратора 14. Центр поворота сепаратора 14 в шарнире расположен в плоскости «γ», проходящей через центры шариков 12. К тому же сближение сферических участков 15 и 16 сепаратора 14 друг к другу означает уменьшение его длины, массы и увеличивает ход в шарнире (т.е. увеличивает относительное перемещение его корпуса и вала).
Или, если рассмотреть по-другому, то за счет выполнения управляющей втулки 7 шарнира с выемками 20, донные части 22 образующих поверхностей которых расположены между плоскостями «α» и «β» ее первого 8 и второго10 торцов, по сравнению с прототипом увеличилось расстояние «N» между максимально углубленными точками «G» донных частей 22 образующих поверхностей выемок 20 втулки 7 и плоскостью «γ», проходящей через центры шариков 12, а увеличение данного расстояния увеличивает максимальные рабочие углы шарнира при заходе шарика 12 в выемку 20 втулки 7 (см. фиг.10, 11).
Таким образом, уменьшение расстояния от плоскости «γ», проходящей через центры шариков 12 до крайней наружной точки на наружном диаметре сепаратора 14, со стороны расположения его сферического участка 16 (или по-другому, увеличение расстояния между максимально углубленными точками «G» донных частей 22 образующих поверхностей выемок 20 втулки 7 и плоскостью «γ», проходящей через центры шариков 12) позволяет уменьшить радиус поворота (перемещения) этой точки к внутренней поверхности корпуса 1 шарнира, что однозначно ведет к увеличению угла ее перемещения к внутренней поверхности корпуса 1, и тем самым к увеличению наибольшего рабочего угла шарнира. При этом фиксация управляющей втулки 7 от возможности поворота относительно вала 3 посредством выполненных в ней и на валу 3 соответствующих взаимодействующих элементов 18 и 19 является обязательной конструктивной особенностью заявляемого шарнира, так как дорожки качения 6 обоймы 5 и выемки 20 управляющей втулки 7 должны соответственно (в строгом соответствии - точно) совпадать друг с другом.
В частном случае, показанном на чертежах, при применении в конструкции шарнира большего числа шариков 12 по сравнению с прототипом, а именно восьми шариков 12, и как следствие, уменьшение диаметра этих шариков 12, появилась возможность повысить его плавность работы, увеличить его грузоподъемность при тех же габаритах и массе (или снизить массу с уменьшением габаритов при сохранении той же грузоподъемности).
В результате выполнения шарнира с управляющей втулкой, которая зафиксирована от возможности поворота относительно вала выполненными в ней и на валу взаимодействующими элементами, и выполнения ее с выемками, предназначенными для возможности вхождения в них шариков и расположенными соответственно (в строгом соответствии - точно) напротив дорожек качения обоймы с образованием между ними в теле управляющей втулки выступающих клювиков, на которых выполнены участки сферической поверхности, а также в результате выполнения донных частей образующих поверхностей выемок управляющей втулки с расположением между плоскостями ее первого и второго торцов, - технический результат, в заявляемом техническом решении шарнира равных угловых скоростей трения качения, заключающийся в улучшение технических характеристик шарнира, а именно увеличение его максимальных рабочих углов, увеличение относительного перемещения его корпуса и вала, достигается.