Вилка карданного шарнира

Вилка карданного шарнира

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в карданных передачах транспортных средств. Сущность изобретения: корпус вилки с. выступами и соосными отверстиями в них выполнен по меньшей мере из двух коаксиальных трубчатых элементов , Одни концы которых жестко свлза2 ны, а другие концы, образующие выступы, свободны для поворота трубчатых элементов друг относительно друга. Длины трубчатых элементов увеличиваются при переходе от внутреннего к периферийному элементу. Размеры трубчатых элементов связаны со- - 2Li отношением , где U тотносительная длина 1-го трубчатого элемента; - соответственно длины 1-го и 1-го трубчзтых элементов; Dmi и Dmi - относительный средний диаметр i-ro трубчатого элемента; 5mrDmi/Dmi - соответственно средние диаметры 1-го и 1-го трубчатых элементов. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 16 D 3/26

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ь/1г = (с%г/0к1), (21) 4930953/27 (22) 23.04,91 (46) 15.01.93. Бюл. ¹ 2 (71) Институт проблем надежности и долговечности машин АН БССР (72) П.А.Удовидчик, Н,Т,Минченя, К.П.Удовидчик и С.И.Черных (56) Патент CLIJA ¹ 4334414, кл. F 16 D 3/26, 1982. (54) ВИЛКА КАРДАННОГО ШАРНИРА (57) Использование: в карданных передачах транспортных средств. Сущность изобретения: корпус вилки с выступами и соосными отверстиями в них выполнен по меньшей мере из двух коаксиальных трубчатых элементов, одни концы которых жестко связаИзобретение относится к машиностроению и может быть использовано в карданных передачах транспортных средств.

Важнейшим фактором, определяющим долговечность и несущую способность асинхронных карданных шарниров, является величина контактной нагруженности пар трения: шип крестовины — игольчатые ролики карданных подшипников. В соответствии с известной формулой отношение долговечностей двух сравниваемых шарниров обратно пропорционально отношению контактных напряжений в шарнирах в шестой степени, т.е. где Li, г — долговечности двух сравниваемых шарниров одинаковой размерности

5U 1788358 À1 ны, а другие концы, образующие выступы, свободны для поворота трубчатых элементов друг относительно друга. Длины трубчатых элементов увеличиваются при переходе от внутреннего к периферийному элементу.

Размеры трубчатых элементов связаны со,г L; отношением Ll=D i, где Li= — относительI ная длина i-го трубчатого элемента; Ь=Ь— соответственно длины i-го и 1-го трубчатых элементов; D и Dm> — относительный средний диаметр i-го трубчатого элемента;

Dmi=DmiИ п1 — соответственно средние диаметры I-го и 1-го трубчатых элементов. 1 з,п. ф-лы, 5 ил. при одинаковых внешних нагрузках, имеющих разные конструктивные особенности;

0k1 О г — максимальные контактные напряжения на поверхностях трения шипов . крестовин двух сравниваемых шарниров одинаковой размерности при одинаковой внешней нагрузке, но с разными конструктивными особенностями (разным качеством конструкции), обуславливающими различные величины максимальных контактных напряжений.

Величина контактной нагруженности при прочих равных условиях определяется законом распределения нагрузки по окружности шипа (между игольчатыми роликами) и по длине игольчатых роликов, Наиболее благоприятным законом распределения нагруженности по окружности шипов крестовин является косинусный за1788358 кон, по которому нагрузка на ролик пропор, циональна косинусу угла. расположения роликэ от плоскости крестовины, при этом угол нагруженной зоны окружности шипов составляет 180 . С увеличением радиального зазора в карданных подшипниках.угсл нагружения уменьшается, максимальные контактные напряжения при этом увеличиваются.

Наиболее благоприятным законом распределения нагруженности по длине иголь чэтых роликов является закон, при котором величина удельной распределенной нагруженности по длине игольчатого ролика является величиной постоянной, т,е. имеет место равномерная нагруженность по длине линейного контакта. В реальных шарнирах игольчэтые ролики нагру>каются неравномерно по длине, при этом по мере приближения к торцам шипов нагруженность увеличивается. Это обусловлено как отрицательным влиянием радиального зазора в кэрданных подшипниках, так и упругими характеристиками вилок шарниров и их компоновкой (относительным расположением элементов шарнира). Решение задачи .оптимизации закона распределения нагруженности по длине игольчатых роликов может быть найдено как путем совершенствования конструкции шипов крестовин. и карданных подшипников (например, введением конусности),так и формы и упругих характеристик вилок.

Известна вилка асинхронного карданного шэрнира, содержащая корпус и двэ выступа с соосными отверстиями для установки карданных игольчатых подшипников, при этом сечение выступов вилок в плоскости крестовины выполнено в виде трапеции, обращенной большим основанием к оси шарнира, Благодаря такому. выполнению вилок обеспечивается условие, при котором расстояние между серединами длин игольчэтых роликов соосных карданных подшипников (плечо приложения равнодействующей распределенной нагрузки нэ игольчатые ролики) равно или превышает расстоянйе между медианами (плечо нейтральных осей при закручивании выступов вилок) выступов вилок. В этих условиях направление внешнего крутящего момента и момента закручивания вь1ступов вилок совпадают по направлениям. Поворот крестовины и упругие закручивания выступов вилОк происходят в одном направлении. Это снижает радиальный перекос в кэрданных подшипниках и повышает равномерность распределения нагрузки по длине игольчатых роликов, снижаются мэксимэльные контактные напряжения. Однэко известная вилка имеет высокую жесткость, что ограничивает упругое закручивание выступов, в результэте чего эффект повышения равномерности распределения нэгруженности по длине игольчатых роликов может быть реализован только при жестких допусках на радиальные зазоры в кэрданных подшипниках. Кроме того, вилка слабо демпфирует динамические нагрузки.

10 Наиболее близкой к заявляемой является вилка асинхронного кэрданного шэрнирэ, содержащая корпус и два выступа со сквозными отверстиями для установки кэрданных игольчатых подшипников и шипов крестовины. Известная вилка облэдает достаточной упругой податливостью и обеспечивает снижение динамической нагруженности линейных контактов игольчэтых роликов. Однако, вследствие небольшой высоты образующих отверстий

20 выступов под кардэнные подшипники, вилка не обеспечивает установку игольчатых подшипников с большей длиной роликов для повышения несущей способности шарнира, а тэк>ке не обеспечивается равномерность нагружения игольчатых роликов по длине. Недостатком известной вилки явля25 ется небольшая нагрузочная способность

Цель изобретения — повышение долговечности шарнира путем выполнения вилки с упругими и демпфирующими свойствами.

Выполнение вилки, при котором с увеличением среднего диаметра трубчатого

30 элемента соответственно увеличивается и

его длина, обеспечивает различную жесткость на кручение трубчатых элементов, образующих вилку, при этом жесткость на кручение трубчатых элементов уменьшается при переходе от внутреннего трубчэтого элемента к периферийному, имеющему наибольшую длину. Это обеспечивает нэгру40 жение всех трубчатых элементов при увеличении внешней нагрузки и выборе рэдиэльного зазора в подшипниках, Жест45 кость нэ кручение трубчатых элементов благодаря рациональному соотношению их длин и диэметров обеспечивает выравнивэние нагруженности по длине линейного контакта игольчатых роликов подшипников.

Кроме того, податливость трубчатых элементов способствует хорошему демпфированию динамических нэгрузок.

Таким образом достигается повышение долговечности и демпфирующих свойств исполнении ее в виде фланца-вилки и шлицевой вилки; на фиг, 2 — общий вид вилки при исполнении ее в виде приварной вилки; на фиг, 3 показан вид вилки со стороны

55 шэрнира.

На фиг. 1 показан общий вид вилки, при

1788358

hp =р 1 /Н, 25

2

Li =Dml, 35

t=(DH-De)/2n, выступов; на фиг. 4 показана схема выбора радиального зазора в карданном подшипнике; на фиг. 5 показана схе ла упругих деформаций трубчатых элементов вилки в зависимости от внешней нагрузки.

Вилка асинхронного карданного шарнира содержит корпус 1 и два выступа 2 со сквозными соосными отверстиями 3 для установки карданных игольчатых подшипников и шипов крестовины (на чертеже не показаны). Корпус 1 вилки и выступы 2 выполнены иэ соосных коаксиальных трубчатых элементов внутреннего 4, промежуточных 5 и периферийного 6, жестко связанных одними концами 7, другие концы 8 которых, образующие выступы вилки 2, имеют возможность поворачиваться друг относительно друга, при этом длины . трубцатых элементов 4,5 и 6 от места 7 жесткого закрепления до оси отверстий 3 выступов 2 вилки увеличиваются при переходе от внутреннего трубчатого элемента 4 к периферийному 6.

Длины и средние диаметры трубчатых элементов вилки связаны соотношением где Li= Ll/Ll — относительная длина i-го трубчатого элемента 5 или 6;

Li — длина i-го трубчатого элемента 5 или

L> — длина внутреннего трубчатого элемента 4 с i=1;

Оп ;=Dml/Dmt — ОтНОСИтЕЛЬНЫй СРЕДНИЙ диаметр i-го трубчатого элемента 5 или 6;

Dmi — средний диаметр I го трубчатого элемента 5 или 6;

Dm1 — среДний диаметр внутреннего трубчатого элемента 4 с i=1.

Толщина стенки t у всех трубчатых элементов 4,5. или 6 одинакова и определяется по формуле где 0Н вЂ” наружный диаметр вилки (наружный диаметр периферийного трубчатого элемента 6 с i=n);

D0 — внутренний диаметр вилки (внутренний диаметр внутреннего трубчатого элемента 4 с i=1);

n — число трубчатых элементов, образующих вилку.

При выполнении вилки в виде фланцавилки концы 7 трубчатых элементов 4,5 и 6 жестко соединены с фланцем 9 (фиг.1). При выполнении вилки в виде шлицевой вилки концы 7 трубчатых элементов 4,5 и 6 жестко

20 соединены с шлицевым хвостовиком 10 (фиг.1). При выполнении вилки в виде приварной вилки концы 7 трубчатых элементов

4,5 и 6 жестко соединены с трубой 11 карданного вала (фиг.2).

Вилка асинхронного карданного шарнира работает следующим образом.

При отсутствии крутящего момента, т,е. при Мк=О (фиг.4 и 5а), радиальный зазор р в карданных подшипниках распределяется равномерно по окружности, При повороте крестовины в ее плоскости в пределах радиального зазора, крестовина поворачивается на угол ро и занимает положение "0", При этом в шарнире образуется геометрический радиальный перекос (максимальный зазор между игольчатым роликом, расположенным в плоскости крестовины в пределах его длины и поверхностью крестовины), равный (фиг.4). где Лр — радиальный перекос при М,=О;

L — длина игольчатого ролика;

Н вЂ” расстояние между торцами соосных шипов крестовины;

p — радиальный зазор.

При увеличении внешнего крутящего момента, приложенного к шарниру, упруго деформируется (закручивается) периферийный трубчатый элемент 6 с порядковым номером i=n (нумерация элементов производится от внутреннего элемента 4 с

i=1 к периферийному 6 с i=n по мере увеличения радиуса расположения элемента), При дальнейшем увеличении внешнего крутящего момента в работу включаются элементы с меньшими порядковыми номерами (п-1), (и-2) и т.д. При некоторой нагрузке

M<=Mmln в РаботУ включены все тРУбчатые элементы вилки от i=n до i=1, при этом крестовина повернется на угол @min (фиг.5 и 6) и занимает положение "Мп о". В этом случае геометрический радиальный перекос равен нулю. При внешней нагрузке MK MHDM>Mmin угол поворота крестовины равен р, (ôèã, 4 и 5б), все трубчатые элементы нагружены. В этом состоянии приращение внешнего крутящего момента на величину h M приводит к дополнительному упругому закручиванию трубчатых элементов 4,5 и 6 на угол

Лр (фиг.4 и 5в), при этом приращения угла поворота Ар для всех трубчатых элементов i=1...n одинаково, т.е. соблюдается условие отсутствия радиального перекоса (геометрического) Ьр1.=hщ = ... =b,p = ... =Ьрл. (2) 1788358

ЛМ1 Li

Р 2 .1010. 3

Dmi Dmi г г

30. -,г

Ь â€” Dml, (9) ЛМ=ЛР Dml, при этом

Величина приращения угла поворота трубчатого элемента Лр определяется по известной формуле где h,p — приращение угла поворьта I-ro трубчатого элемента вилки от момента

Л Mi, hMi — приращение крутящего момента, приходящегося на i-й элемент вилки;

Э вЂ” средний диаметр i-ro трубчатого элемента:

ti — толщина стенки i-го трубчатого элемента;

4 — длина I-го трубчатого элемента.

Однако, несмотря на отсутствие геометрического радиального перекоса. может иметь место силовой радиальный перекос, т.е, неодинаковость нагружения трубчатых элементов вилки, неравномерность нагружения по линии контактирования игольчатых роликов. Условие отсутствия радиального перекоса, т.е. равномерного нагружения игольчатых роликов по длине, запишется в следующем виде:

Лц1= hq2= ЛЩЭ=...= hqi= hqn (4) где Л ql — удельная линейная нагруженность i- го элемента, равная

Лql = М/», Нlм, (5) где Л и — радиальная нагрузка 1-ro элемента от момента Л Мь

Доля приращения крутящего момента

hMi, приходящаяся íà i-й трубчатый элемент от общего приращения внешнего крутящего момента ЛМ. равна:

Подставляя величину ЛВ из (5), получим;

ЛМ =hq ti D I. (6) Подставляя выражение (6) в (3), получим уравнение связи между приращением угла закручивания трубчатого элемента и приращением удельной распределенной нагрузки в зоне рассматриваемого трубчатого элемента

Лр- 1 0 г hq (7) L

2 л 10 D 2п

Учитывая условие отсутствия геометрического (2) и силового (4) радиальных перекосов и уравнение связи (7), получим уравнение связи геометрических размеров трубчатых элементов вилки, обеспечивающей выравнивание нагруженности по длине линейного контакта игольчатых роликов и поверхности крестовины асинхронных кар5 данных шарниров

L1 . L2 LI Ln — — =К, Dmi Dm2 Dml Dmn

2 2 " 2 " 2

20 (8) где К вЂ” постоянная, характеризующая податливость на кручение вилки (демпфирующие свойства) вилки асинхронного карданного шарнира.

Из уравнения (8) имеем

Введя понятие относительной длины трубчатого элемента Ll и относительного среднего диаметра 0 i-lo трубчатого элемента

35 Li=Li/L1 N Dmi=Dml/Dm1, получим

Вилка из трубчатых элементов, выпол40. ненная с соблюдением условия (9), обеспечивает равномерность распределения нагрузки по длине игольчатых роликов благодаря большей податливости на кручение периферийных элементов 6 па сравнению с

45 элементами 5, расположенными ближе к внутреннему трубчатому элементу 4, имеющему наибольшую жесткость на кручение.

Вилка из трубчатых элементов обеспечивает постепенное, начиная с периферий50 ного. включение трубчатых элементов в работу по мере увеличения внешнего крутящего момента, При этом равнодействующая

R радиальных сил (фиг.5) смещается к оси шарнира, т.е. величина Ня уменьшается. до55 стигая значения Hm при номинальном нагружении, Следовательно, при увеличении нагрузки условия работы шарнира становятся более благоприятными по параметру равномерности нагружения по длине линей1788358

10 ного контакта в карданных игольчатых подшипниках. Таким образом вигка (шарнир) приспосабливается, адаптируется к повышению внешней нагрузки.

ПРИ НЕбОЛЬШИХ НаГРУЗКаХ M

Использование вилки позволит снизить величину динамических нагрузок в трансмиссии транспортного средства благодаря податливости вилок, Пример. Проведем расчет длин трубчатых элементов вилки с заданными параметрами (фиг, 1):

О =0,1 м; Ов=0,06 м; п=4; L1=0,06 м.

Толщина стенки трубчатых элементов

1 Он Ов 0,1 — 0,06 р р05 м, 2 и 2 4

Средние диаметры трубчатых элементов определяются по формуле

Dml=Ðâ+(2 1-1) м.

При этом

Dm1=De+t=0,06+0,005=0,065 м, Огпг=Ов+3 t=0,06+3 0,005=0,075 м, Рвз=Ов+5 t+0,06+5 0,005=0,085 м, Оп 4=0в+7 t=0,06+7 0,005=0,095 м.

Относительные средние диаметры трубчатых элементов

Dm1-"

Dm2=0,075/0,065=1,15, О пз=0,085/0,065=1.30, 5m 4=0,095/0,065=1,46.

В соответствии с формулой (9) имеем;

L1=1, (.г=1,15 =1,32, э=1,30 =1.69, L4=1.46 =2,13, Следовательно, искомые длины трубчатых элементов равны:

L1=0,06 м, 1.г=1,32 0,06=0,079 м, бз=1,69. 0,06=0,101 м, 1.4=2,13 0,06=0,127 м, 15 По данным размерам построена фиг.1.

Формула изобретения,г

Ll=Dml

45 где L Ll/L1 — относительная длина i-го трубчатого элемента;

L и L1 — соответственно длины i-го и первого трубчатых элементов;

50 Dml=Dml/Dm1 — Отнсоительный сРедний диаметр 1-ro трубчатого элемента;

Dml и Dm1 — соответственно средние диаметры i-го и первого трубчатых элементов.

1. Вилка карданного шарнира, содержа20 щая корпус с двумя выступами со сквозными соосными отверстиями для установки карданных игольчатых подшипников и шипов крестовины, о т л и ч. а ю щ а я с я тем, что, с цель1о повышения долговечности пу25 тем выполнения вилки с упругими и демпфирующими свойствами, обеспечивающими выравнивание нагруженности по длине линейного контакта игольчатых роликов подшипников, корпус вилки с выступами

30. выполнен по меньшей мере из двух коаксиальных трубчатых элементов, одни концы которых жестко связаны, а другие концы, образующие выступы, свободны для поворота элементов друг относительно друга, 35 при этом длины трубчатых элементов от оси отверстий выступов вилки до места их жесткого соединения выполнены увеличивающимися при переходе от внутреннего трубчатого элемента к периферийному, 40 2. Вилка по и 1, отличающаяся тем, что размеры трубчатых элементов связаны соотношением

1788358

1788358

Корректор 0.ЮРковецкаЯ

Редактор

Заказ 66 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

1788358

R2CnpPoP, в

Составитель С.Черйых

Техред М.Моргентал фуа но