СИЛОВАЯ ПЕРЕДАЧА С ШАРНИРОМ РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть применено в валах силовой передачи, передающих крутящий момент от силового агрегата транспортного средства к движителю.

Известен синхронный шарнир, патент ФРГ N 2164433, МПК F 16 D 3/22, 1973 г., содержащий полый наружный корпус с дорожками качения на внутренней поверхности, расположенный в полости внутренний корпус с дорожками качения на наружной поверхности, расположенными напротив дорожек качения наружного корпуса, причем в дорожках корпусов расположены шарики. Сепаратор установлен между корпусами и управляется с одной стороны своей наружной сферической поверхностью, контактирующей с внутренней поверхностью наружного корпуса, а с другой стороны - внутренней сферической поверхностью, контактирующей с поверхностью управляющей втулки, установленной на внутреннем корпусе. Причем управляющая втулка находится в зоне расположения шариков, имеет выемки под них и установлена на внутреннем корпусе в зоне дорожек качения шариков по этому корпусу.

Недостатком такой конструкции является то, что управляющая втулка, находясь в зоне размещения шариков, предполагает наличие в ее теле выемок, которые снижают жесткость детали и приводят к технологическим сложностям при ее изготовлении. Расположение управляющей втулки над дорожками качения обуславливает уменьшение толщины стенки сепаратора, что сказывается на жесткости и прочности сепаратора и на величине рабочих углов в шарнире, которые ограничиваются выходом точки контакта шарика с окном сепаратора за кромку окна при работе шарнира под углом. Таким образом, даже при условии сглаживания только технологических недостатков путем применения сложного высокоточного оборудования и повышенных затрат на производство, такая конструкция не обеспечит приемлемые рабочие углы в шарнире и его достаточную надежность в эксплуатации.

Наиболее близким из аналогов к заявляемому техническому решению является шарнир равных угловых скоростей, известный из описания к патенту РФ N 2098679, МПК 6 F 16 C 11/06, публикация 10.12.97.г. (Бюл. N 34), содержащий полый корпус с дорожками качения, выполненными на его внутренней цилиндрической поверхности, вал с выполненными на одном из его участков (диаметр которого больше диаметра самого вала) дорожками качения, который расположен внутри полого корпуса, управляющую втулку, которая установлена на валу за границей его участка с дорожками качения с возможностью скольжения по нему и возможностью контакта одним из своих торцев с упорным кольцом, установленным в радиальной выемке вала, а вторым торцем - с торцем участка вала с дорожками качения, шарики, установленные в дорожках качения корпуса и вала в окнах установленного между корпусом и валом сепаратора, который имеет с одного конца на наружной поверхности сферический участок, контактирующий с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса, и с другого конца на внутренней поверхности сферический участок, контактирующий со сферической поверхностью управляющей втулки, выполненной на ней. Управляющая втулка выполнена в виде широкой шайбы, на наружной торцевой части которой выполнена сферическая поверхность. Сферический участок, выполненный на внутренней поверхности сепаратора и контактирующий со сферической поверхностью управляющей втулки, расположен на некотором расстоянии от краев окон сепаратора под шарики.

Наряду с преимуществами такого технического решения по сравнению с предыдущим, в части повышения надежности конструкции и ее упрощения оно не обеспечивает повышенные рабочие углы в шарнире и достаточное большое относительное осевое перемещение корпуса и вала при использовании данной конструкции шарнира, с присущими ей характеристиками, в более жестких условиях с повышенными требованиями к максимальным рабочим углам шарнира и к максимальному относительному осевому перемещению его корпуса и вала, например при использовании шарнира в валах силовой передачи автомобиля повышенной проходимости.

Задачей настоящего изобретения является улучшение технических характеристик силовой передачи с шарниром равных угловых скоростей трения качения, а именно увеличение рабочих углов шарнира с одновременным увеличением относительного осевого перемещения его корпуса и вала.

Поставленная задача решается следующим образом. В силовой передаче с шарниром равных угловых скоростей трения качения, включающей в себя полый корпус, имеющий дорожки качения на внутренней цилиндрической поверхности, расположенный внутри корпуса вал с дорожками качения, выполненными на одном из его участков, управляющую втулку, установленную на валу за границей его участка с дорожками качения с возможностью скольжения по нему и с возможностью контакта одним из своих торцев с упором, расположенным на валу, а вторым торцем - с торцем участка вала с дорожками качения, шарики, установленные в дорожках качения корпуса и вала 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, со стороны шариков в управляющей втулке выполнена внутренняя полость, диаметр которой больше диаметра участка вала с дорожками качения, для обеспечения возможности сближения вершин наружного и внутреннего сферических участков сепаратора и увеличения наибольшего рабочего угла шарнира.

Упор, расположенный на валу и предназначенный для ограничения взаимоперемещения вала и управляющей втулки, может быть выполнен, в частном случае, в виде выступа вала.

Для собираемости шарнира на управляющей втулки, кроме ее сферической поверхности, выполнена сопряженная с ней коническая поверхность, причем на сферической поверхности управляющей втулки выполнена, по крайней мере, одна лыска, расстояние от которой до диаметрально противоположной точки наружной поверхности управляющей втулки меньше заходного диаметра сепаратора со стороны его торца с внутренним сферическим участком.

Сравнение заявляемого технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета показывает, что совокупность существенных признаков этого решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной 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, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 - 3:
фиг. 1 - фрагмент силовой передачи с шарниром равных угловых скоростей, продольный разрез;
фиг. 2 - управляющая втулка;
фиг. 3 - процесс подсборки сепаратора с управляющей втулкой.

Силовая передача с шарниром равных угловых скоростей трения качения содержит полый корпус 1, имеющий дорожки качения 2 на внутренней цилиндрической поверхности 3, расположенный внутри корпуса вал 4 с дорожками качения 5, выполненными на его участке 6, имеющим торцы 7 и 8 (в частном случае дорожки качения 5 могут быть выполнены на поверхности обоймы, выполненной отдельно от вала и неподвижно закрепленной на нем). Шарики 9, расположенные в дорожках качения 2 и 5, установлены в окнах 10 сепаратора 11. На наружной поверхности 12 сепаратора 11, со стороны его большего диаметра выполнен сферический участок 13, которым он контактирует с внутренней цилиндрической поверхностью 3 корпуса 1. На внутренней поверхности 14 сепаратора 11, со стороны его меньшего диаметра имеется сферический участок 15, которым он контактирует со сферической поверхностью 16 управляющей втулки 17, установленной на валу 4 с возможностью скольжения по нему.

Управляющая втулка 17 установлена на участке вала 4 вне дорожек качения 5.

В управляющей втулке 17, со стороны шариков 9 выполнена внутренняя полость 18 глубиной N, которая имеет поверхность 19, причем диаметр d₁ внутренней полости 18 управляющей втулки 17 больше диаметра d₂ участка 6 вала 4 с дорожками качения 5. Управляющая втулка 17 в статическом положении вала 4 и полого корпуса 1 шарнира расположена относительно вала 4 так, что плоскость β, перпендикулярно расположенная к валу 4 и проходящая через середину участка поверхности 20 управляющей втулки 17, контактирующего с валом 4, находится посередине участка вала 4 между торцем 8 его участка 6 и торцем его упора.

Относительные продольные перемещения корпуса 1 и вала 4 ограничиваются, с одной стороны, за счет возможности контакта торца 21 управляющей втулки 17 и торца 8 участка 6 с дорожками качения 5 вала 4, а с другой стороны - за счет возможности контакта торца 22 управляющей втулки 17 и упора, выполненного, в частном случае, в виде выступа 23 вала 4.

На управляющей втулки 17, с целью собираемости шарнира, а именно сепаратора 11 с управляющей втулкой 17, кроме сферической поверхности 16, выполнена еще и коническая поверхность 24, сопряженная с ней (поверхностью 16).

На сферической поверхности 16 управляющей втулки 17, в частном случае исполнения выполнены две диаметрально противоположные лыски 25, расположенные между собой на расстоянии менее заходного диаметра сепаратора 11 (величины внутреннего диаметра сепаратора 11) со стороны его торца со сферическим участком 15, выполненного на его внутренней поверхности 14. Без наличия конической поверхности 24 на наружной поверхности управляющей втулки 17, при указанной ее геометрической форме ее невозможно бы было вставить в сферический участок 15 сепаратора 11 при подсборке сепаратора 11 с управляющей втулкой 17.

На фиг. 3 показан процесс подсборки сепаратора 11 с управляющей втулкой 17, имеющей лыски 25 на сферической поверхности 16. Управляющая втулка 17 вводится во внутреннюю полость сепаратора 11 со стороны ее сферического участка 15, причем продольная ось управляющей втулки 17 для обеспечения собираемости располагается перпендикулярно продольной оси сепаратора 11. Затем управляющая втулка 17 разворачивается до совмещения сферической поверхности 16 втулки 17 с поверхностью сферического участка 15 сепаратора 11.

Работает конструкция вала силовой передачи с шарниром равных угловых скоростей трения качения следующим образом. Крутящий момент от си повой передачи (не показана) передается на корпус 1 шарнира. И далее через дорожки качения 2 на внутренней цилиндрической поверхности 3 корпуса 1 через шарики 9 и дорожки 5 качения на вал 4. Представленный шарнир допускает относительное осевое перемещение корпуса 1 и вала 4, что позволяет в процессе движения автомобиля изменяться длине силовой передачи. Это необходимо, например, при наезде ведущего колеса на неровности дороги. Кроме того, при вертикальных перемещениях ведущего колеса шарнир как бы переламывается, что позволяет не только изменяться углу между корпусом 1 и валом 4 силовой передачи, но и равномерно передавать крутящий момент под любым допустимым углом между ними.

За счет выполнения управляющей втулки 17 с внутренней полостью 18, диаметр d₁ которой больше чем диаметр d₂ участка 6 вала 4, увеличилось расстояние между торцем 8 участка 6 вала 4 и торцем 21 управляющей втулки 17 по сравнению с прототипом на величину глубины N полости 18 в статическом положении вала 4 и полого корпуса 1 шарнира относительно друг друга (т.е. когда плоскость β, проходящая через середину участка поверхности 20 управляющей втулки 17, контактирующего с валом 4, расположена посередине участка вала 4 между торцем 8 его участка 6 и торцем его выступа 23, в виде которого выполнен его упор).

Это расстояние от торца 8 участка 6 вала 4 до торца 21 управляющей втулки 17 определяет часть основной составляющей полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 4 шарнира силовой передачи. При этом возможный диапазон основной составляющей полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 4 шарнира силовой передачи расположен в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения и охватывает фактический рабочий диапазон относительного перемещения вала 4 и корпуса 1 шарнира. Дополнительную составляющую полного относительного перемещения корпуса 1 и вала 4 силовой передачи определяет конструктивная длина дорожек качения 2 на внутренней цилиндрической поверхности 3 корпуса 1, в диапазоне работы шарнира в режиме трения скольжения, т.е. когда вал 4, шарики 9 и управляющая втулка 17 с сепаратором 11 перемещаются как одно целое относительно корпуса 1, при этом шарики 9 не катятся, а скользят по поверхности дорожек качения 2 корпуса 1. Возможность этого относительного перемещения вала 4 и корпуса 1 в диапазоне работы шарнира в режиме трения 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 и корпуса шарнира) вполне вписывается в диапазон работы шарнира в режиме трения качения.

Рассмотрим подробнее относительное перемещение вала 4 и корпуса 1 шарнира силовой передачи в диапазоне его работы в режиме трения качения. При перемещении вала 4 из корпуса 1 шарнира (т.е. вправо, если смотреть на фиг. 1) его участок 6 с дорожками качения 5 перемещается в полость 18 управляющей втулки 17, например, на некоторое расстояние "S ", т.е. происходит относительное перемещение вала 4 относительно корпуса 1 шарнира. В это же время за счет того, что вал 4 перемещается относительно корпуса 1 - шарики 9 вращаются между поверхностями дорожек качения 5 участка 6 вала 4 и поверхностями дорожек качения 2 полого корпуса 1 шарнира, в результате чего сепаратор 11 совместно с управляющей втулкой 17 совершают дополнительное перемещение относительно полого корпуса 1 и вала 4 на расстояние S/2 (расстояние, равное половине расстояния S). Ограничивает перемещение вала 4 из его статического положения (см. выше по тексту) вправо (если смотреть на фиг. 1) относительно полого корпуса 1 шарнира, в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения, момент, когда торец 8 участка 6 вала 4 упрется в торец 21 управляющей втулки 17 (т.е. когда торец 8 участка 6 вала 4 как бы догонит торец 21 управляющей втулки 17). Фактически это перемещение (ход) вала 4 относительно полого корпуса 1 шарнира из статического положения вправо (если смотреть на фиг. 1) до ограничения равно двойному расстоянию от торца 8 участка 6 вала 4 до торца 21 управляющей втулки 17 в статическом положении вала 4 и корпуса 1 (т.е. перемещение равно 2S, см. на фиг. 1). Наглядно выше описанное выглядит следующим образом: вал 4 как бы телескопически выдвигается (перемещается) из управляющей втулки 17 с сепаратором 11, а сепаратор 11 с втулкой 17 как бы телескопически выдвигается (перемещается) из полого корпуса 1 шарнира. Аналогичный процесс происходит при перемещении вала 4 внутрь полого корпуса 1 шарнира (т. е. из статического положения влево, если смотреть на фиг. 1) в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения, с единственной разницей лишь в том, что перемещение вала 4 относительно корпуса 1 ограничивается упором, выполненным, в частном случае, в виде выступа 23 вала 4, который упирается в торец 22 управляющей втулки 17. Фактически это перемещение (ход) вала 4 относительно полого корпуса 1 шарнира из статического положения влево (если смотреть на фиг. 1) до ограничения равно двойному расстоянию от торца 22 управляющей втулки 17 до обращенного к ней торца выступа 23 вала 4 в статическом положении вала 4 и корпуса 1 (т.е. перемещение равно 2L или т.к. L= S, то перемещение равно 2S, см. на фиг. 1). Наглядно процесс перемещения вала 4 внутрь полого корпуса 1 шарнира выглядит следующим образом - вал 4 как бы телескопически входит (перемещается) в управляющую втулку 17 с сепаратором 11, а сепаратор 11 с управляющей втулкой 17 как бы телескопически входит (перемещается) в полый корпус 1 шарнира.

Итак, полное относительное перемещение вала 4 и полого корпуса 1 в диапазоне работы шарнира в режиме трения качения равно двойной сумме расстояния между торцем 8 участка 6 вала 4 и торцем 21 управляющей втулки 17 и расстояния между торцем 22 управляющей втулки 17 и обращенного к ней торца выступа 23 вала 4 в статическом положении вала 4 и полого корпуса 1. Иными словами, если смотреть на фиг. 1, это полное относительное перемещение вала 4 и корпуса 1 шарнира равно 2S + 2L или т.к. L=S, то равно 2S + 2S = 4S.

За счет выполнения управляющей втулки 17 с внутренней полостью 18, диаметр d₁ которой больше, чем диаметр d₂ участка 6 вала 4, появилась возможность расположения сферической поверхности 16 управляющей втулки 17, контактирующей со сферическим участком 15 сепаратора 11, ближе по сравнению с прототипом к плоскости, проходящей через центры шариков 9, а поскольку по условиям кинематики шарниров равных угловых скоростей расстояния от плоскости, проходящей через центры шариков 9, до плоскостей, перпендикулярно расположенных к оси вращения сепаратора 11 и проходящих через вершины его сферических участков 13 и 15 (и естественно проходящих через центры этих сферических участков 13 и 15), одинаковы, то расстояние между этими плоскостями, проходящими через вершины сферических участков 13 и 15 сепаратора 11 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 11 и проходящие через вершины его сферических участков 13 и 15 плоскости (т. е. когда сепаратор 11 более короткий), тем на больший угол может переместится крайняя наружная точка на наружном диаметре сепаратора 11, со стороны расположения его сферического участка 15, к внутренней цилиндрической поверхности 3 полого корпуса 1 шарнира относительно центра поворота сепаратора 11. Центр поворота сепаратора 11 в шарнире расположен в плоскости, проходящей через центры шариков 9.

Рассмотрим подробнее выше сказанное. Уменьшение расстояния от плоскости проходящей через центры шариков до крайней наружной точки на наружном диаметре сепаратора 11, со стороны расположения его сферического участка 15 позволяет уменьшить радиус поворота (перемещения) этой точки к внутренней поверхности 3 полого цилиндра 1 шарнира, что однозначно ведет к увеличению угла ее перемещения к внутренней цилиндрической поверхности 3 полого корпуса 1, и тем самым к увеличению наибольшего рабочего угла шарнира.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет улучшить технические характеристики вала силовой передачи с шарниром равных угловых скоростей трения качения, а именно увеличить рабочие углы шарнира с одновременным увеличением относительного осевого перемещения его корпуса и вала.