Шарнир равных угловых скоростей с плоским угловым смещением осей 360º

Изобретение относится к устройствам для передачи вращения между валами, которые могут совершать плоское угловое смещение относительно друг друга, в том числе во время вращения, и может быть использовано в машиностроении. Шарнир равных угловых скоростей включает ведущий вал (1), установленный в корпусе (2) и связанный с водилом (Н) планетарной передачи. Зубчатые сателлиты (3) водила (H) входят в зацепление с центральными зубчатыми колесами (4, 5), свободно установленными на валу (1) и имеющими дополнительные зубчатые венцы (6, 7). Колесо (4) своим венцом (6) входит в зацепление под прямым углом с промежуточным зубчатым колесом (8), которое своим дополнительным зубчатым венцом (9) или напрямую входит в зацепление под прямым или иным углом с зубчатым колесом (10) ведомого вала (11). Вал (11) находится на цапфе (12). Поворотный вал (13) цапфы (12) установлен в корпусе (2) перпендикулярно валу (1) и перпендикулярно или под иным углом валу (11). На валу (11) находится колесо (8) и зубчатое колесо (14), входящее в зацепление с венцом (7) колеса (5) планетарной передачи, при этом колесо (8) установлено на валу (13) свободно, а цапфа (12) и колесо (14) жестко. Передаточные числа зубчатых колес заявленного шарнира имеют следующие значения. Между венцом (6) и колесом (8) - u=1, между колесом (14) и венцом (7) - u=1, между колесом (5) и колесом (4) при неподвижном водиле (H) - u=1, между венцом (9) и колесом (10) вала (11) - u=2. Технический результат: разработка устройства для соединения валов, передающих вращение с высокой скоростью, позволяющего осям валов совершать неограниченное плоское угловое смещение относительно друг друга, без изменения положения оси углового смещения, без зависимости нагрузки на узлы шарнира от величины углового смещения валов, с возможностью применения для ведущего управляемого моста транспортного средства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящий шарнир относится к устройствам для передачи вращения между валами, которые могут совершать плоское угловое смещение относительно друг друга, в том числе во время вращения, и может быть использовано в машиностроении.

Известен шарнир равных угловых скоростей, содержащий две полумуфты, одна из которых выполнена с внешней и внутренней сферическими соосными поверхностями, а другая выполнена с внешней сферической поверхностью, связанные с соединяемыми валами и имеющие возможность взаимодействия между собой, ось, проходящую через траверсу, концы которой связаны с полумуфтами через имеющие сферические элементы соединительные узлы, размещенные в соответствующих отверстиях полумуфт, отличающийся тем, что на концах оси дополнительно установлены внутренние и наружные вкладыши, взаимодействующие своими торцевыми поверхностями с торцевыми рабочими поверхностями пазов полумуфт, в которых они установлены, а в средней части оси в месте установки траверсы размещена подвижная направляющая, имеющая отверстие круглого сечения для прохождения через него оси и наружный профиль прямоугольного сечения с пазом для установки в него траверсы, концы которой связаны с полумуфтами через шарнирные подшипники [патент РФ №2391567, кл. F16C 11/06, опубл. 10.06.2010, Бюл. №16].

Недостатками данного и аналогичных ему устройств являются ограниченная (примерно до 70°) величина углового смещения валов, а также возрастание нагрузки на узлы устройств, при увеличении углового смещения валов.

Известен шарнир равных угловых скоростей с плоским угловым смещением осей 360°, в котором передача вращения осуществляется через сферическое зацепление, при этом сферическое зацепление может быть зубчатым или сферическое зацепление может быть магнитным, при этом осевое смещение зубчатых сфер осуществляется с помощью толкателя и кулачка, при этом правильный угол зацепления сфер обеспечивается зубчатыми цилиндрическими секторами, жестко соединенными со ступицами - опорами валов [патент РФ №2373440, кл. F16D 3/00, опубл. 20.11.2009, Бюл. №32].

Недостатки данного устройства заключаются в том, что:

1. Имеется предельная точка углового смещения ведущего и ведомого валов, т.е. невозможность совершать угловое смещение на неограниченный угол без необходимости возврата ведомого вала в исходное положение.

2. Точка, через которую проходит ось углового смещения валов, меняет свое положение по мере увеличения угла смещения, что усложняет при этом траекторию движения оси ведомого вала и может отрицательно отразиться при взаимодействии данного устройства с другими шарнирами.

Известен также выбранный в качестве ближайшего аналога шарнир равных угловых скоростей с плоским угловым смещением осей 360°, характеризующийся тем, что передача крутящего момента между ведущим и ведомым валами, расположенными в корпусах, имеющих возможность вращаться относительно друг друга, осуществляется через кривошипно-шатунный шарнир, который имеет на каждом из валов по два кривошипа, расположенных под углом 90° относительно друг друга, при этом штоки, связывающие соответствующие кривошипы через шатуны, имеют общую продольную ось симметрии, пересекающуюся с осями валов, выполнены в виде цилиндра и входящего в него стержня, при этом каждый из штоков состоит из двух частей, соединенных между собой так, чтобы они имели возможность независимо вращаться вокруг продольной оси вместе с корпусами ведущего и ведомого валов [патент РФ №127419, кл. F16D 3/00, F16C 11/06, опубл. 27.04.2013, Бюл. №12].

К недостатку данного устройства можно отнести дисбаланс ведущего и ведомого валов, который будет проявляться при высоких оборотах и как следствие, необходимость их балансировки.

Задача заявленного технического решения заключается в разработке устройства для соединения валов, передающих вращение с высокой скоростью, позволяющего осям валов совершать неограниченное плоское угловое смещение относительно друг друга, без изменения положения оси углового смещения, без зависимости нагрузки на узлы шарнира от величины углового смещения валов, с возможностью применения для ведущего управляемого моста транспортного средства.

Поставленная задача решается за счет того, что ведущий вал связан с водилом планетарной передачи, при этом зубчатые сателлиты водила входят в зацепление с зубчатыми центральными колесами, имеющими дополнительные зубчатые венцы, при этом одно из центральных колес своим дополнительным зубчатым венцом входит в зацепление под прямым углом с промежуточным зубчатым колесом, которое своим дополнительным зубчатым венцом или напрямую входит в зацепление под прямым или иным углом с зубчатым колесом ведомого вала, находящегося на цапфе, установленной на поворотном валу, перпендикулярном ведущему валу и перпендикулярном или иным углом ведомому валу шарнира, и на котором установлено промежуточное зубчатое колесо и зубчатое колесо, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом другого центрального колеса планетарной передачи, при этом промежуточное зубчатое колесо установлено на поворотном валу цапфы свободно, а цапфа и зубчатое колесо жестко, при этом передаточные числа между колесами планетарной передачи, дополнительным венцом одного из центральных колес и промежуточным колесом, а также между зубчатым колесом поворотного вала цапфы и дополнительным зубчатым венцом другого центрального колеса подобраны таким образом, чтобы промежуточное колесо дополнительно поворачивалось на тот же угол и в том же направлении, что и колесо поворотного вала цапфы вместе с цапфой, при этом скорость вращения ведомого вала относительно ведущего установлена за счет подбора передаточного числа между зубчатыми колесами планетарной передачи, а также между дополнительным зубчатым венцом промежуточного колеса и зубчатым колесом ведомого вала.

Предлагается четыре варианта конструктивного исполнения

1. (фиг.1) Шарнир равных угловых скоростей включает ведущий вал 1, установленный в корпусе 2 и связанный с водилом H планетарной передачи (в данном случае водило представляет одно целое с ведущим валом). Конические зубчатые сателлиты 3 водила входят в зацепление с центральными коническими зубчатыми колесами 4, 5, свободно установленными на ведущем валу и имеющими дополнительные конические зубчатые венцы 6, 7. Одно из центральных колес 4 своим дополнительным венцом 6 входит в зацепление под прямым углом с промежуточным коническим зубчатым колесом 8, которое своим дополнительным коническим зубчатым венцом 9 входит в зацепление под прямым углом с коническим зубчатым колесом 10 ведомого вала 11. Ведомый вал 11 находится на цапфе 12. Поворотный вал 13 цапфы установлен в корпусе 2 перпендикулярно ведущему и ведомому валам шарнира. На этом же валу находится промежуточное колесо 8 и коническое зубчатое колесо 14, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом 7 центрального колеса 5 планетарной передачи, при этом промежуточное колесо 8 установлено на валу 13 свободно, а цапфа 12 и колесо 14 жестко. Передаточные числа u зубчатых колес данного шарнира имеют следующие значения:

Между дополнительным венцом 6 и промежуточным колесом 8 u=1, между колесом 14 и дополнительным венцом 7 u=7, между центральным колесом 5 и центральным колесом 4 при неподвижном водиле u=1, между дополнительным венцом 9 и колесом 10 ведомого вала u=2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Ведущий вал 1 вращается со скоростью w вместе с водилом Н и свободно посаженными на него сателлитами 3. Сателлиты, обкатываясь вокруг колеса 5, вращают колесо 4 со скоростью 2w. Дополнительный венец 6 колеса 4 передает вращение на промежуточное колесо 8, которое будет вращаться так же со скоростью 2w. Дополнительный венец 9 промежуточного колеса 8 вращает колесо 10 ведомого вала 11, который будет вращаться со скоростью w. Таким образом, для данного шарнира скорости вращения ведущего и ведомого валов равны по величине и по направлению. При угловом смещении ведомого вала вместе с поворотным валом 13 цапфы 12 происходит поворот колеса 14. Колесо 14 через венец 7 поворачивает центральное колесо 5, которое через сателлиты поворачивает центральное колесо 4 в противоположном направлении. При этом центральное колесо 4 через венец 6 поворачивает промежуточное колесо 8 в одном направлении с колесом 14. Так как передаточные числа между данными колесами равны единице, промежуточное колесо будет поворачиваться дополнительно к вращению от ведущего вала на угол, совпадающий по величине и направлению с угловым смещением ведомого вала.

Таким образом, при любом угловом смещении ведомого вала его колесо 10 не будет дополнительно обкатываться вокруг промежуточного колеса 8, поэтому не будет меняться и его угловая скорость относительно ведущего вала.

2. (фиг.2) Шарнир равных угловых скоростей включает ведущий вал 1, установленный в корпусе 2 и связанный с водилом H планетарной передачи. Ведущий вал состоит из двух частей «а» и «б», соединенных с помощью муфты 15, позволяющей им вращаться под углом α относительно друг друга, при этом часть «а» ведущего вала является полуосью ведущего моста транспортного средства.

Конические зубчатые сателлиты 3 водила входят в зацепление с центральными коническими зубчатыми колесами 4, 5, свободно установленными на ведущем валу и имеющими дополнительные конические зубчатые венцы 6, 7. Одно из центральных колес 4 своим дополнительным венцом 6 входит в зацепление под прямым углом с промежуточным коническим зубчатым колесом 8, которое своим дополнительным коническим зубчатым венцом 9 входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 10 ведомого вала 11 под углом, равным 90°-(α+β). При этом ведомый вал имеет отклонение на угол β от перпендикуляра к части «а» ведущего вала, что соответствует углу развала колес ведущего управляемого моста транспортного средства. Поворотный вал 13 цапфы 12 вместе с корпусом планетарной передачей и соответствующими зубчатыми колесами имеет отклонение на угол α от перпендикуляра к части «а» ведущего вала, что соответствует поперечному наклону оси поворота ведущего управляемого моста транспортного средства. На этом же валу находится промежуточное колесо 8 и коническое зубчатое колесо 14, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом 7 центрального колеса 5 планетарной передачи, при этом промежуточное колесо 8 установлено на валу 13 свободно, а цапфа 12 и колесо 14 жестко. Передаточные числа и зубчатых колес данного шарнира имеют следующие значения:

Между дополнительным венцом 6 и промежуточным колесом 8 u=1, между колесом 14 и дополнительным венцом 7 u=1, между центральным колесом 5 и центральным колесом 4 при неподвижном водиле u=7, между дополнительным венцом 9 и колесом 10 ведомого вала u=2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Ведущий вал 1, состоящий из двух частей «а» и «б», соединенных с помощью муфты 15 под углом α, вращается со скоростью w вместе с водилом Н и свободно посаженными на него сателлитами 3. Сателлиты, обкатываясь вокруг колеса 5, вращают колесо 4 со скоростью 2w. Дополнительный венец 6 колеса 4 передает вращение на промежуточное колесо 8, которое будет вращаться так же со скоростью 2w. Дополнительный венец 9 промежуточного колеса 8 вращает колесо 10 ведомого вала 11, который будет вращаться со скоростью w. Таким образом, для данного шарнира скорости вращения ведущего и ведомого валов равны по величине и по направлению. При угловом смещении ведомого вала вместе с поворотным валом 13 цапфы 12 происходит поворот колеса 14. Колесо 14 через венец 7 поворачивает центральное колесо 5, которое через сателлиты поворачивает центральное колесо 4 в противоположном направлении. При этом центральное колесо 4 через венец 6 поворачивает промежуточное колесо 8 в одном направлении с колесом 14. Так как передаточные числа между данными колесами равны единице, промежуточное колесо будет поворачиваться дополнительно к вращению от ведущего вала на угол, совпадающий по величине и направлению с угловым смещением ведомого вала.

Таким образом, при любом угловом смещении ведомого вала его колесо 10 не будет дополнительно обкатываться вокруг промежуточного колеса 8, поэтому не будет меняться и его угловая скорость относительно ведущего вала.

3. (фиг.3) Шарнир равных угловых скоростей включает ведущий вал 1, установленный в корпусе 2 и связанный с водилом Н планетарной передачи. Ведущий вал состоит из двух частей «а» и «б», соединенных с помощью муфты 15, позволяющей им вращаться под углом α относительно друг друга, при этом часть «а» ведущего вала является полуосью ведущего моста транспортного средства.

Конические зубчатые сателлиты 3 водила входят в зацепление с центральными коническими зубчатыми колесами 4, 5, свободно установленными на ведущем валу и имеющими дополнительные конические зубчатые венцы 6, 7. Одно из центральных колес 4 своим дополнительным венцом 6 входит в зацепление под прямым углом с промежуточным коническим зубчатым колесом 8, которое своим дополнительным коническим зубчатым венцом 9 входит в зацепление с коническим зубчатым колесом 10 ведомого вала 11 под углом, равным 90°+α+β. При этом ведомый вал находится в одном корпусе с ведущим и имеет отклонение на угол β от перпендикуляра к части «а» ведущего вала, что соответствует углу развала колес ведущего управляемого моста транспортного средства. Поворотный вал 13 цапфы 12 вместе с корпусом, планетарной передачей и соответствующими зубчатыми колесами имеет отклонение на угол α от перпендикуляра к части «а» ведущего вала, что соответствует поперечному наклону оси поворота ведущего управляемого моста транспортного средства. На этом же валу находится промежуточное колесо 8 и коническое зубчатое колесо 14, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом 7 центрального колеса 5 планетарной передачи, при этом промежуточное колесо 8 установлено на валу 13 свободно, а цапфа 12 и колесо 14 жестко. Передаточные числа u зубчатых колес данного шарнира имеют следующие значения:

Между дополнительным венцом 6 и промежуточным колесом 8 u=1, между колесом 14 и дополнительным венцом 7 u=1, между центральным колесом 5 и центральным колесом 4 при неподвижном водиле u=1, между дополнительным венцом 9 и колесом 10 ведомого вала u=2.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Ведущий вал 1, состоящий из двух частей «а» и «б», соединенных с помощью муфты 15 под углом α, вращается со скоростью w вместе с водилом Н и свободно посаженными на него сателлитами 3. Сателлиты, обкатываясь вокруг колеса 5, вращают колесо 4 со скоростью 2w. Дополнительный венец 6 колеса 4 передает вращение на промежуточное колесо 8, которое будет вращаться так же со скоростью 2w. Дополнительный венец 9 промежуточного колеса 8 вращает колесо 10 ведомого вала 11, который будет вращаться со скоростью w в направлении, противоположном ведущему валу. Таким образом, для данного шарнира скорости вращения ведущего и ведомого валов равны по величине и противоположны по направлению. При угловом смещении ведомого вала вместе с поворотным валом 13 цапфы 12 происходит поворот колеса 14. Колесо 14 через венец 7 поворачивает центральное колесо 5, которое через сателлиты поворачивает центральное колесо 4 в противоположном направлении. При этом центральное колесо 4 через венец 6 поворачивает промежуточное колесо 8 в одном направлении с колесом 14. Так как передаточные числа между данными колесами равны единице, промежуточное колесо будет поворачиваться дополнительно к вращению от ведущего вала на угол, совпадающий по величине и направлению с угловым смещением ведомого вала.

Таким образом, при любом угловом смещении ведомого вала его колесо 10 не будет дополнительно обкатываться вокруг промежуточного колеса 8, поэтому не будет меняться и его угловая скорость относительно ведущего вала.

Для данного варианта максимальное угловое смещение ведомого вала ограничивается конструкцией корпуса шарнира.

4. (фиг.4) Шарнир равных угловых скоростей включает ведущий вал 1, установленный в корпусе 2 и связанный с водилом Н планетарной передачи. Конические зубчатые сателлиты 3 водила входят в зацепление с центральными коническими зубчатыми колесами 4, 5, свободно установленными на ведущем валу и имеющими дополнительные конические зубчатые венцы 6, 7. Одно из центральных колес 4 своим дополнительным венцом 6 входит в зацепление под прямым углом с промежуточным коническим зубчатым колесом 8, которое входит в зацепление под прямым углом с коническим зубчатым колесом 10 ведомого вала 11. При этом ведомый вал находится в одном корпусе с ведущим. Поворотный вал 13 цапфы установлен в корпусе 2 перпендикулярно ведущему и ведомому валам шарнира. На этом же валу находится промежуточное колесо 8 и коническое зубчатое колесо 14, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом 7 центрального колеса 5 планетарной передачи, при этом промежуточное колесо 8 установлено на валу 13 свободно, а цапфа 12 и колесо 14 жестко. Передаточные числа u зубчатых колес данного шарнира имеют следующие значения:

Между дополнительным венцом 6 и промежуточным колесом 8 u=7, между колесом 14 и дополнительным венцом 7 u=7, между центральным колесом 5 и центральным колесом 4 при неподвижном водиле u=1, между промежуточным колесом 8 и колесом 10 ведомого вала u=1.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Ведущий вал 1 вращается со скоростью w вместе с водилом Н и свободно посаженными на него сателлитами 3. Сателлиты, обкатываясь вокруг колеса 5, вращают колесо 4 со скоростью 2w. Дополнительный венец 6 колеса 4 передает вращение на промежуточное колесо 8, которое будет вращаться так же со скоростью 2w. При этом промежуточное колесо 8 вращает колесо 10 ведомого вала 11, который будет вращаться со скоростью 2w. Таким образом, для данного шарнира скорость вращения ведомого вала в два раза больше, чем ведущего, а направление вращения противоположно ведущему. При угловом смещении ведомого вала вместе с поворотным валом 13 цапфы 12 происходит поворот колеса 14. Колесо 14 через венец 7 поворачивает центральное колесо 5, которое через сателлиты поворачивает центральное колесо 4 в противоположном направлении. При этом центральное колесо 4 через венец 6 поворачивает промежуточное колесо 8 в одном направлении с колесом 14. Так как передаточные числа между данными колесами равны единице, промежуточное колесо будет поворачиваться дополнительно к вращению от ведущего вала на угол, совпадающий по величине и направлению с угловым смещением ведомого вала.

Таким образом, при любом угловом смещении ведомого вала его колесо 10 не будет дополнительно обкатываться вокруг промежуточного колеса 8, поэтому не будет меняться и его угловая скорость относительно ведущего вала.

Для данного варианта максимальное угловое смещение ведомого вала ограничивается конструкцией корпуса шарнира.

Для всех предложенных вариантов шарниров скорость вращения ведомого вала относительно ведущего можно изменить за счет изменения передаточного числа между дополнительным венцом 9 (или промежуточным колесом 8 для варианта 4) и колесом 10 ведомого вала.

При реализации заявляемого изобретения могут быть получены следующие технические результаты:

1. Отсутствие предельной точки углового смещения ведущего и ведомого валов (для вариантов 1 и 2).

2. Изменение углового смещения можно производить во время передачи крутящего момента.

3. Ось углового смещения ведущего и ведомого валов всегда находится на пересечении их продольных осей и не меняет своего положения в пространстве при угловом смещении валов, что позволяет удобно взаимодействовать данному устройству с другими механизмами.

4. Отсутствие зависимости нагрузки на узлы шарнира от величины углового смещения валов.

5. Возможность передавать вращение с высокой скоростью.

6. Возможность применения шарнира для ведущего управляемого моста транспортного средства (варианты 2, 3).

Описание прилагаемых фигур.

На фигуре 1 изображен эскиз продольного разреза предложенного шарнира.

На фигуре 2 изображен эскиз продольного разреза шарнира для ведущего управляемого моста транспортного средства с соблюдением угла поперечного наклона оси поворота и угла развала колес (пункт 2 формулы).

На фигуре 3 изображен эскиз продольного разреза более компактного варианта шарнира для ведущего управляемого моста транспортного средства с соблюдением угла поперечного наклона оси поворота и угла развала колес, в котором ведущий и ведомый валы находятся в близко расположенных друг от друга плоскостях, внутри одного корпуса (пункт 3 формулы).

На фигуре 4 изображен эскиз продольного разреза шарнира, в котором ведущий и ведомый валы расположены в одной плоскости внутри одного корпуса (пункт 4 формулы).

1. Шарнир равных угловых скоростей, характеризующийся тем, что ведущий вал связан с водилом планетарной передачи, при этом зубчатые сателлиты водила входят в зацепление с зубчатыми центральными колесами, имеющими дополнительные зубчатые венцы, при этом одно из центральных колес своим дополнительным зубчатым венцом входит в зацепление под прямым углом с промежуточным зубчатым колесом, которое своим дополнительным зубчатым венцом входит в зацепление под прямым углом с зубчатым колесом ведомого вала, находящегося на цапфе, установленной на поворотном валу, перпендикулярном ведущему и ведомому валам шарнира, и на котором установлено промежуточное зубчатое колесо и зубчатое колесо, входящее в зацепление с дополнительным зубчатым венцом другого центрального колеса планетарной передачи, при этом промежуточное зубчатое колесо установлено на поворотном валу цапфы свободно, а цапфа и зубчатое колесо жестко, при этом передаточные числа между колесами планетарной передачи, дополнительным венцом одного из центральных колес и промежуточным колесом, а так же между зубчатым колесом поворотного вала цапфы и дополнительным зубчатым венцом другого центрального колеса подобраны таким образом, чтобы промежуточное колесо дополнительно поворачивалось на тот же угол и в том же направлении, что и колесо поворотного вала цапфы вместе с цапфой, при этом скорость вращения ведомого вала относительно ведущего установлена за счет подбора передаточного числа между зубчатыми колесами планетарной передачи, а так же между дополнительным зубчатым венцом промежуточного колеса и зубчатым колесом ведомого вала.

2. Шарнир по п.1, отличающийся тем, что поворотный вал цапфы вместе с планетарной передачей и соответствующими зубчатыми колесами имеет отклонение от перпендикуляра к ведущему валу на угол α, a ведомый вал отклонен от перпендикуляра к поворотному валу цапфы на угол β, при этом величины углов α и β подобраны таким образом, чтобы выполнялись требования к конструкции ведущего управляемого моста транспортного средства относительно угла поперечного наклона оси поворота и угла развала колес, при этом ведущий вал состоит из двух частей, соединенных с помощью муфты, позволяющей им вращаться под углом α относительно друг друга, при этом одна из частей ведущего вала является полуосью ведущего моста.

3. Шарнир по п.2, отличающийся тем, что ведущий и ведомый валы находятся в близко расположенных друг от друга плоскостях, внутри одного корпуса, при этом максимальное угловое смещение ведомого вала ограничивается конструкцией корпуса шарнира.

4. Шарнир по п.3, отличающийся тем, что ведущий и ведомый валы находятся в одной плоскости или в параллельных, близко расположенных друг от друга плоскостях, при этом плоскость или плоскости перпендикулярны поворотному валу цапфы, при этом зубчатое колесо ведомого вала входит в зацепление непосредственно с промежуточным зубчатым колесом, не имеющим дополнительного зубчатого венца.