СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ШПОНОЧНО-ШЛИЦЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ
KEYED-AND-SPLINED JOINT TEST BENCH

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для проведения триботехнических испытаний в колебательных механических системах на износостойкость деталей подвижных сопряжений.
Известны различные колебательные системы, например механический осциллятор (К.Мангус. Колебания. М.: Мир, 1982, рис.84, стр.108) или маятник Фуко (Ч.Китель и др. Механика. М.: Наука, 1975, рис.3.22, стр.105), которые имеют шарнир и качающуюся часть в виде маятника.
Однако недостатком этих механизмов является, с одной стороны, неприспособленность к проведению исследований с позиции трения/изнашивания, а с другой - не имеют случайных возмущающих ударных воздействий.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является маятниковое устройство в виде стенда для определения коэффициента трения FIAT-BA3, имеющее вертикальную опору, горизонтальный вал, связанный с ручной приводной рукояткой, маятник и нагрузочную пружину с гайкой, а также плоский образец (Карасик И.И. Методы трибологических испытаний в национальных стандартах стран мира. Серия: международная энциклопедия. Под ред. Вс.Кершенбаума. Центр «Наука и техника». Фирма «Интак» М., 1993. Стр.199).
Недостатком такого регулятора является невозможность проведения исследований износостойкости шпоночно-шлицевых соединений со случайными ударными нагрузками при принудительном реверсивном колебательном движении от привода.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании стенда для испытаний шпоночно-шлицевых соединений, с помощью которого дополнительно, кроме типовой оценки коэффициента трения, имеется возможность учета изменений сил и моментов трения, а также износа с учетом воспроизводства сложных эксплуатационных условий.
Технический результат достигается тем, что в стенде для испытания шпоночно-шлицевых соединений, содержащем маятниковое устройство и вертикальную стойку, через которую в верхней части, перпендикулярно к ней, проходит вал, один конец вала соединен с выходным валом электродвигателя постоянного тока, а другой- с концом вертикального рычага, а маятниковое устройство содержит горизонтальный рычаг, один конец которого шарнирно соединен с вертикальной штангой, нижний конец которой выполнен в виде шпоночно-шлицевого соединения по схеме «втулка-вал», на концах которого размещены пустотелые грузы, внутри которых шарнирно закреплены разные по массе бойки, закрепленные на разновеликих подвесках, при этом вал шпоночно-шлицевого соединения опирается на две вертикальные опоры, свободный конец горизонтального рычага шарнирно и телескопически соединен со свободным концом вертикального рычага.
Новыми по сравнению с прототипом в заявленном устройстве являются следующие признаки, которые в прототипе не реализуются:
- новая комплексная связь между элементами с использованием электрического двигателя;
- разновеликие бойки с разными массами размещены на разноразмерных шарнирно закрепленных подвесках внутри пустотелых грузов;
- наличие телескопического крепления на рычаге, обеспечивающее получение различных требуемого угла поворота шпоночно-шлицевого соединения и создаваемых крутящих/вращающих моментов, а также ударных нагрузок, вызывающих вибрацию, что позволяет увеличить число проверяемых триботехнических характеристик сопряжения.
Перечисленные новые признаки в предлагаемом сочетании дают решение поставленной задачи. Эти признаки характеризуют новизну устройства и по сравнению с прототипом обеспечивают надежность воспроизводства сложных эксплуатационных условий, в которых часто находятся шпоночные и шлицевые соединения, что является следствием следующих факторов:
- наличие несинхронных ударных нагрузок;
- наличие разных по силе ударных нагрузок в плоскости, перпендикулярной к расположению шпонки или шлицевого соединения;
- возможность изменения частоты поворота/покачивания системы за счет введенного в систему электрического двигателя (ЭД) постоянного тока;
- возможность изменения величины вращающего/крутящего момента в шпоночном/шлицевом соединении за счет использования телескопического рычага.
Изложенное выше дает основание сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна». Кроме того, заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня развития техники и не может быть легко разработано с использованием общеизвестных методов, методик, способов и приемов конструирования машин и механизмов.
Заявляемый стенд иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена общая структурная схема; на фиг.2 - схема размещения бойка в левом грузе; на фиг.3 - схема размещения бойка в правом грузе.
Предлагаемый стенд для испытания шпоночно-шлицевых соединений (фиг.1) содержит вертикальную стойку 1, через которую в верхней части, перпендикулярно к ней, проходит приводной вал 2, вращаемый электрическим двигателем (ЭД) постоянного тока. Приводной вал 2 жестко соединен с вертикальным рычагом 3, имеющим отверстия 4 для обеспечения возможности его жесткого телескопического соединения с нижней частью того же рычага 3, который имеет шарнирное соединение с другим ниже расположенным горизонтальным рычагом 5, который, в свою очередь, шарнирно соединен с вертикальной штангой 6. Последняя в нижней части имеет втулку 7 с одним или несколькими пазами для соединения через шпонку/шпонки со шлицом/шлицами на горизонтальном валу 8, что и образует шпоночно-шлицевое соединение. На концах вала 8 закреплены пустотелые грузы 9, 10, а сам вал опирается на две вертикальные опоры 11 и 12. Внутри пустотелого груза 9 шарнирно закреплен на подвеске 13 боек 14. Внутри пустотелого груза 10 также на шарнирно закрепленной подвеске 15 закреплен боек 16.
На фиг.2 пустотелый левый груз 9 имеет внутри шарнирно к нему прикрепленную подвеску 13, заканчивающуюся бойком 14.
На фиг.3 пустотелый правый груз 10 имеет внутри шарнирно к нему прикрепленную подвеску 15, заканчивающуюся бойком 16. При этом бойки 14 и 16 - разные по массе, а подвески 13 и 15 - разноразмерные по длине.
Предлагаемый стенд для испытания шпоночно-шлицевых соединений работает следующим образом.
Вначале выбирается конкретная схема испытания: со шпонкой/ шпонками или со шлицом/шлицами, что и определяет при сборке конструкцию узла с деталями 7 и 8 (втулка - вал). Далее устанавливаются внутри пустотелых грузов 9 и 10 разновеликие по массе бойки (безразлично в каком порядке) 14 и 16, подвешиваемые на разноразмерных по длине подвесках 13 и 15. Путем включения электродвигателя (ЭД) постоянного тока, который соединен с приводным валом 2, устанавливается требуемое число оборотов. При этом вертикальный рычаг 3 с фиксацией по своему соединению через выбранные отверстия 4 с его нижней частью будет вращаться по окружности, заставляя горизонтальный рычаг 5 попеременно перемещаться вверх и вниз по вертикальной штанге 6, которая в зависимости от места фиксации верхней части вертикального рычага 3 будет наклоняться попеременно то влево, то вправо на определенный угол. Это будет являться реверсированием нагрузки, воздействующей на испытываемое горизонтально расположенное шпоночное/шлицевое соединение. Случайные ударные нагрузки, которые обычно имеют место в подобных соединениях деталей машин и механизмов, будут периодически возникать при ударах бойков 14 и 16 о внутренние поверхности пустотелых грузов 9 и 10.
После остановки стенда анализируется износостойкость испытанного сопряжения (втулка-вал, фиг.1) с учетом выбранных нагрузок и режимов.
Таким образом, расширяется возможность при качательных движениях штанги 6 не только анализировать коэффициент трения, но и учитывать силовые характеристики: нагрузки, момент трения, а также оценивать надежность и износостойкость шпоночно-шлицевых соединений, делать выбор оптимальных пар трения, в том числе и при внесение в сопряжение конкретного типа смазочного материала.
Опытный образец стенда изготовлен и успешно апробирован. Он показал свою надежность в работе, возможность оценивать триботехнические характеристики и моделировать сложные процессы, которые происходят в реальной эксплуатации машин и механизмов, что выгодно отличает данный стенд от прототипа и иных подобных механических колебательных систем. Это достигается широкими возможностями варьирования статических и динамических нагрузок, наложением ударно-вибрационных воздействий, происходящих случайным образом и с разной частотой, а также различными вращающими/крутящими моментами за счет наличия телескопического соединения в одном из рабочих звеньев стенда.