Шарнир равных угловых скоростей

Изобретение относится к области автомобилестроения и машиностроения, в частности, к шарнирам равных угловых скоростей, и может быть использовано в приводах машин для передачи вращающих моментов в условиях, когда оси соединяемых валов расположены с угловым смещением и пересекаются, а угловые скорости ведущего и ведомого вала совпадают.

Аналогом изобретения является шарнир равных угловых скоростей, свободный от люфтовых зазоров (пат. № 2422691, опубл. 27.06.2011г. Бюл. №18), содержащий внешнюю часть шарнира с распределенными по окружности внешними шариковыми дорожками, внутреннюю часть шарнира с распределенными по окружности внутренними шариковыми дорожками, передающие крутящий момент шарики, которые посажены в парах дорожек из соответствующих друг другу внешних и внутренних шариковых дорожек, а также кольцеобразный шариковый сепаратор, который посажен между внешней частью шарнира и внутренней частью шарнира и имеет распределенные по окружности окна шариков, в которых передающие крутящий момент шарики удерживаются в одной общей плоскости, причем, по меньшей мере, при частично вытянутом шарнире пары дорожек расширяются в соответствующем осевом направлении, шариковый сепаратор подпирается по оси во внешней части шарнира, а внутренняя часть шарнира имеет осевой зазор по отношению к шариковому сепаратору, при этом предусмотрены средства для пружинящей подпорки внутренней части шарнира по отношению к внешней части шарнира, которые воздействуют на внутреннюю часть шарнира по отношению к внешней части шарнира в том же направлении, в котором расширяются пары дорожек, при этом внешняя часть шарнира имеет основание или крышку, в которой соосно проведена укрепленная с подпружиниванием цапфа, причем на внутренней части шарнира с наружной стороны сформирована выпуклая опорная поверхность, к которой с предварительным напряжением прилегает цапфа.

Недостатком данного изобретения является контактно-усталостное выкрашивание и отслаивание поверхности шариковых дорожек вследствие воздействия контактных напряжений, возникающих во время передачи крутящего момента от внешней части шарнира к внутренней посредством контакта шариков с шариковыми дорожками. При этом поверхность контакта (пятно контакта) имеет малую площадь сопряжения шарика с шариковой дорожкой. Пятно контакта с учетом возникающих деформаций поверхностей при взаимодействии сопрягаемых тел представляет собой круг, площадь которого стремится к минимуму (практически к точке) и, как следствие, имеет одно из наибольших значений возникающих контактных напряжений среди всех существующих типов сопряжений контактных поверхностей деталей. Это в свою очередь ограничивает величину максимально возможного передаваемого крутящего момента. Частицы металла, полученные в результате выкрашивания и отслаивания, ускоряют разрушение поверхностей, так как играют роль абразивных частиц. Таким образом, происходит контактный тип износа, а в последующем и абразивный, что значительно сокращает срок службы шарнира равных угловых скоростей.

Прототипом изобретения является шарнир равных угловых скоростей (пат. №2704649, опубл. 30.10.2019 Бюл. №31), содержащий внешнюю часть шарнира с внутренними шариковыми дорожками, внутреннюю часть шарнира с внешними шариковыми дорожками, передающие крутящий момент шарики, которые расположены в парах дорожек из соответствующих друг другу внешних и внутренних шариковых дорожек, а также кольцеобразный шариковый сепаратор, который посажен между внешней частью шарнира и внутренней частью шарнира и имеет по окружности окна для шариков, в которых передающие крутящий момент шарики удерживаются в биссекторной плоскости, при этом внешние и внутренние шариковые дорожки в шарнире имеют постоянное сечение и расположены аксиально и перпендикулярно друг другу и/или параллельно, а внешняя часть шарнира и внутренняя часть шарнира имеют общий центр возможного вращения, соответствующий, по меньшей мере, аксиальной точке пересечения осей валов, при этом шарики имеют одинаковый и/или разный размер, соответствующий шариковым дорожкам, а вдоль возможного качения шариков на внешних и/или внутренних дорожках выполнены продольные углубления, разделяющие на равные и/или неравные части шариковые дорожки, на внешней части шарнира выполнены ребра охлаждения, а внутренняя часть шарнира имеет крышку, выполненную с возможностью защиты и охлаждения внутренних и внешних элементов шарнира, на крышке выполнены ребра охлаждения.

Недостатком данного изобретения является контактно-усталостное выкрашивание и отслаивание поверхности шариковых дорожек вследствие воздействия контактных напряжений, возникающих во время передачи крутящего момента от внешней части шарнира к внутренней посредством контакта шариков с шариковыми дорожками. При этом поверхность контакта (пятно контакта) имеет малую площадь сопряжения шарика с шариковой дорожкой. Пятно контакта с учетом возникающих деформаций поверхностей при взаимодействии сопрягаемых тел представляет собой круг, площадь которого стремится к минимуму (практически к точке) и, как следствие, имеет одно из наибольших значений возникающих контактных напряжений среди всех существующих типов сопряжений контактных поверхностей деталей. Это в свою очередь ограничивает величину максимально возможного передаваемого крутящего момента. Частицы металла, полученные в результате выкрашивания и отслаивания, ускоряют разрушение поверхностей, так как играют роль абразивных частиц. Таким образом, происходит контактный тип износа, а в последующем и абразивный, что значительно сокращает срок службы шарнира равных угловых скоростей.

Задачей изобретения является усовершенствование конструкции шарнира равных угловых скоростей, обеспечивающее повышение его эксплуатационных характеристик и срока службы.

Техническим результатом является обеспечение передачи крутящего момента между сопрягаемыми деталями шарнира, имеющими поверхности сопряжения (пятно контакта), соответствующие поверхностям сопряжения шлицевого типа соединения деталей, увеличение срока службы и несущей нагрузочной способности шарнира.

Технический результат достигается тем, что шарнир равных угловых скоростей содержит внешнюю и внутреннюю части шарнира, при этом внутренняя часть шарнира представляет собой два стержня, сообщенных между собой посредством шарнирного соединения с выполненным на торце первого стержня сферическим сегментом, а на торце второго стержня выполнен фланец с внутренним полусферическим сегментом, соответствующим по форме сферическому сегменту первого стержня, на внешней поверхности фланца второго стержня выполнена резьба, предназначенная для гайки, имеющей со стороны одного торца внутреннюю резьбу, соответствующую внешней резьбе фланца второго стержня, а со стороны второго торца внутренний сферический пояс, соответствующий по форме сферическому сегменту первого стержня, ограниченный со стороны торца гайки с резьбой плоской поверхностью, проходящей через центр соответствующей сферы, а со стороны второго торца гайки - плоской поверхностью, проходящей на расстоянии 1/3 от центра соответствующей сферы, сферический пояс гайки и сферическая внутренняя поверхность фланца второго стержня в сборе формируют внутреннюю сферическую поверхность, обеспечивающую фиксацию сферического сегмента первого стержня и шарнирное соединение первого и второго стержня внутренней части шарнира, при этом на цилиндрической поверхности обоих стержней выполнена внешняя резьба с правым направлением резьбы для первого стержня и левым направлением резьбы для второго стержня, внешняя часть шарнира представляет собой два фланца, с внутренней резьбой с правым направлением резьбы на первом фланце, соответствующей резьбе первого стержня, и левым направлением на втором фланце резьбы для второго стержня, на контактной торцевой поверхности каждого фланца выполнены призматические пазы, дополнительно внешняя часть шарнира включает гибкий вал, выполненный полым, имеющий отверстия, выполненные в форме лепестков, по всей цилиндрической поверхности, которые образуют синусоиды, на обоих торцах гибкого вала выполнены призматические выступы по геометрическим параметрам соответствующие призматическим пазам на торцевых поверхностях фланцев, при этом гибкий вал выполнен из сплава с эффектом памяти формы.

Предлагаемая конструкция позволяет осуществлять передачу крутящего момента между фланцами посредством сопряжения призматических пазов, выполненных на фланцах, и призматических выступов, выполненных на обоих торцах гибкого вала. При этом гибкий вал выполнен полым, с отверстиями, выполненными в форме лепестков по всей цилиндрической поверхности, которые образуют синусоиды. Такая форма, имитирующая пружину, позволяет валу передавать крутящий момент между фланцами под задаваемым углом за счет изгибания вала, при котором гибкий вал одновременно работает на сжатие и растяжение, обеспечивая плотное прижатие торцевых поверхностей самого гибкого вала к торцам фланца, чем обеспечивается постоянное зацепление призматических пазов на торцах фланцев и призматических выступов, выполненных на обоих торцах гибкого вала. В прототипе и в аналоге передача крутящего момента под углом с сохранением угловой скорости при любом угле поворота осуществляется за счёт перекатывания шариков по дорожкам внешней и внутренней части шарнира, в предлагаемой конструкции перекатывание шариков по дорожкам внешней и внутренней части шарнира заменено деформацией гибкого вала, также позволяющего передавать крутящий момент под углом с сохранением угловой скорости при любом угле поворота, что делает предлагаемую конструкцию шарниром равных угловых скоростей. При этом гибкий вал при передаче крутящего момента работает на скручивание, а сопряжения призматических пазов, выполненных на фланцах и призматических выступов, выполненных на обоих торцах гибкого вала, работают на смятие/срез. Таким образом, величина передаваемого крутящего момента предлагаемой конструкции шарнира равных угловых скоростей значительно превышает этот параметр у аналогичной конструкции, в которой передача крутящего момента обеспечивается за счет сопряжения тел качения (шариков или роликов) и соответствующих им дорожек внешней и внутренней части шарнира. Выполнение гибкого вала из сплава с эффектом памяти формы позволяет обеспечить высокую усталостную стойкость вала, а также сохранять форму и жесткость при временных перегрузках, динамических и ударных нагрузках за счет явления псевдоупругости/сверхэластичности.

Внутренняя часть шарнира выполнена в виде шарового шарнира, формируя центр наклона (колено), что позволяет изменять угол передачи крутящего момента между фланцами, формируя изгиб гибкого вала относительно центра сферического сегмента первого стержня. Кроме того внутренняя часть шарнира обеспечивает цельность конструкции и необходимую жёсткость, а также фиксирует детали конструкции в заданных положениях, чем обеспечивает позиционирование деталей друг относительно друга. Шарнирное шаровое соединение обеспечивается за счет выполнения на торце первого стержня сферического сегмента, а на торце второго стержня - фланца с внутренним полусферическим сегментом, соответствующим по форме сферическому сегменту первого стержня, на внешней поверхности фланца второго стержня выполнена резьба, предназначенная для гайки, имеющей со стороны одного торца внутреннюю резьбу, соответствующую внешней резьбе фланца второго стержня, а со стороны второго торца внутренний сферический пояс, соответствующий по форме сферическому сегменту первого стержня, ограниченный со стороны торца гайки с резьбой плоской поверхностью, проходящей через центр соответствующей сферы, а со стороны второго торца гайки - плоской поверхностью, проходящей на расстоянии 1/3 от центра соответствующей сферы, сферический пояс гайки и полусферический внутренний сегмент фланца второго стержня в сборе формируют внутреннюю сферическую полость, обеспечивающую фиксацию сферического сегмента первого стержня и шарнирное соединение первого и второго стержня внутренней части шарнира. Таким образом, формируемое шарнирное шаровое сопряжение двух стержней обеспечивает фиксацию стержней друг относительно друга в силу введённой связи, ограничивающей их линейное перемещение параллельно трём координатным осям и обеспечивающей их вращение относительно трех координатных осей, чем и обеспечивается изменение углов передачи крутящего момента. Таким образом, шарнирное шаровое соединение имеет три связи и три степени свободы. При этом сопряжение внешней части шарнира с внутренней частью шарнира осуществляется посредством фиксации фланцев на стержнях и обеспечивается за счет резьбового соединения, выполненного внешней резьбой на цилиндрической части стержней и внутренней резьбой, выполненной в отверстии фланцев. Такое резьбовое соединение обеспечивает необходимое первичное сжатие гибкого вала, а также позволяет осуществлять регулировку величины сжатия гибкого вала за счет изменения межфланцевого расстояния. При этом шаровой шарнир не воспринимает значительных нагрузок, на него действуют нагрузки при растяжении и изгибе, возникающие в результате обеспечения необходимого первичного сжатия гибкого вала при регулировке этой величины за счет изменения межфланцевого расстояния. При этом шаровой шарнир не передает крутящий момент, в силу чего не является главным несущим звеном, а площадь его контакта равна площади формируемой фланцем второго стержня и гайкой внутренней сферической полости, что позволяет избежать значительных величин контактного напряжения и тем самым избежать контактного выкрашивания поверхностей сопрягаемых элементов, работающих только на износ трением скольжения, и поэтому, шаровой шарнир предлагаемой конструкции не является слабым элементом (узлом) данного шарнира равных угловых скоростей.

На фиг.1 представлена схема исполнения предлагаемой конструкции шарнира в аксонометрии в разрезе.

Два стержня внутренней части шарнира сопряжены между собой посредством выполненного на торце первого стержня 1 сферического сегмента 2, который в свою очередь концентрично расположен в выполненном на торце второго стержня 3 фланце 4, содержащем внутренний полусферический сегмент 5, соответствующий по форме сферическому сегменту 2 первого стержня 1. При этом на внешней поверхности фланца 4 выполнена внешняя резьба 6, предназначенная для гайки 7, имеющей со стороны одного торца внутреннюю резьбу 8, соответствующую внешней резьбе 6 фланца 4, а со стороны второго торца внутренний сферический пояс 9, соответствующий по форме сферическому сегменту 2 стержня 1, ограниченный со стороны торца гайки 7 с резьбой 8 плоской поверхностью, проходящей через центр соответствующей сферы, а со стороны второго торца гайки 7 – плоской поверхностью, проходящей на расстоянии 1/3 диаметра сферы от центра соответствующей сферы. Сферический пояс 9 гайки 7 и внутренний полусферический сегмент 5 фланца 4 в сборе формируют внутреннюю сферическую полость, обеспечивающую фиксацию сферического сегмента 2 первого стержня 1. На цилиндрической поверхности каждого из стержней 1 и 3 выполнены резьбы: внешняя с правым направлением 10 для первого стержня 1 и внешняя с левым направлением 11 для второго стержня 3. Конструкция внешней части шарнира включает в себя два фланца 12 и 13, с внутренней резьбой с правым направлением 14 для первого фланца 13, соответствующей внешней резьбе 10 первого стержня 1, и с внутренней резьбой с левым направлением 15 для второго фланца 13, соответствующей внешней резьбе 11 второго стержня 3. Также на контактной торцевой поверхности каждого из фланцев выполнены призматические пазы 16. Помимо фланцев внешняя часть шарнира включает в себя гибкий вал 17, выполненный полым, с отверстиями 18, выполненными в форме лепестков по всей цилиндрической поверхности вала, образуя синусоиды. На обоих торцах вала выполнены призматические выступы 19, по форме соответствующие призматическим пазам 16 на торцевых поверхностях фланцев 12 и 13. Гибкий вал 17 выполнен из сплава с эффектом памяти формы.

Работает шарнир равных угловых скоростей следующим образом. Передача вращающего момента между фланцами 12 и 13 осуществляется посредством сопряжения призматических пазов 16, выполненных на фланцах 12 и 13, и призматических выступов 19, выполненных на обоих торцах гибкого вала 17. При этом гибкий вал 17 выполнен полым, с отверстиями 18, выполненными в форме лепестков по всей цилиндрической поверхности вала, образуя синусоиды. Такая форма вала, имитирующая пружину, позволяет валу передавать крутящий момент между фланцами под задаваемым углом с сохранением угловой скорости при любом угле поворота. Выполнение гибкого вала 17 из сплава с эффектом памяти формы позволяет обеспечить высокую усталостную стойкость вала, а также сохранять форму и жесткость при временных перегрузках, динамических и ударных нагрузках за счет явления псевдоупругости/сверхэластичности. Внутренняя часть шарнира, выполненная в виде шарового шарнира, позволяет изменять угол передачи между фланцами 12 и 13, формируя изгиб гибкого вала 17 относительно центра сферического сегмента 2 первого стержня 1, который в свою очередь зафиксирован во внутренней полости, образуемой внутренним полусферическим сегментом 5 стержня 3 и сферическим поясом 9 гайки 7, посредством резьбового соединения гайки 7 и фланца 4 стержня 3. Также внутренняя часть шарнира равных угловых скоростей обеспечивает цельность конструкции, необходимую жесткость и правильное позиционирование всех её элементов за счёт резьбовых соединений стержней 1 и 3 с фланцами 12 и 13.

Таким образом, предлагаемая конструкция шарнира равных угловых скоростей может передавать значительный по величине крутящий момент, а также имеет более высокий срок службы и улучшенные эксплуатационные характеристики.