RU2590428C2 - Ball hinge - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to universal joints, intended for transfer of rotation with misalignment of axes of connected shafts from engine to working mechanisms, for example, in rolling, transport and other equipment. Ball hinge comprises a collar and a sleeve with semi-cylindrical slots, in which there are inserts. Semi-cylindrical slots are concentric relative to centre of hinge, inserts have outer surface in form of semi-cylindrical slots, and are in contact with each other on spherical surface, centre of which is located in centre of hinge, wherein at centre there are hemispherical slots in which there are spheres.

EFFECT: proposed design solution increases its load-carrying capacity, durability, increases angle of skew and provides transmission of rotation with equal angular speed.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к карданам, предназначенным для передачи вращения с перекосом осей соединяемых валов от двигателя к рабочим механизмам, например, в прокатном оборудовании, в транспортном и другом.The invention relates to cardans designed to transmit rotation with a skew axis of the connected shafts from the engine to the working mechanisms, for example, in rolling equipment, in transport and other.

Известен универсальный кардан Рзеппа («Проектирование унифицированных шарниров и ведущих валов». / Пер. с англ. Ю.В. Попов. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1984 - 463 с., ил.), который предназначен для передачи вращения от двигателя в транспортных средствах с передними ведущими колесами.Rzepp's universal universal joint (“Designing unified joints and drive shafts.” / Transl. From English by Yu.V. Popov. - L.: Mechanical Engineering. Leningrad. Branch, 1984 - 463 p., Ill.), Which is intended for transmission rotation from the engine in vehicles with front drive wheels.

В этом кардане передача вращения от внутренней втулки, сидящей на ведущем валу, передается к наружной обойме, соединенной с ведомым валом, через шарики, которые располагаются в полуцилиндрических канавках втулки и обоймы. Для передачи вращения с постоянной угловой скоростью кардан Рзеппа снабжен промежуточным кольцом, размещенным между втулкой и обоймой, в отверстиях которого удерживаются шарики. Благодаря этому кольцу шарики удерживаются в плоскости постоянной частоты вращения, занимающей постоянное положение в пространстве и делящей угол перекоса в шарнире пополам. С этой же целью канавки выполнены криволинейными со смещенными центрами кривизны относительно центра шарнира в противоположные стороны.In this cardan, the rotation transmission from the inner sleeve sitting on the drive shaft is transmitted to the outer sleeve connected to the driven shaft through balls that are located in the half-cylindrical grooves of the sleeve and the sleeve. To transmit rotation with a constant angular velocity, Rzepp's cardan is equipped with an intermediate ring located between the sleeve and the holder, in the holes of which the balls are held. Thanks to this ring, the balls are held in the plane of a constant speed, which occupies a constant position in space and dividing the angle of bias in the hinge in half. For the same purpose, the grooves are made curved with offset centers of curvature relative to the center of the hinge in opposite directions.

Основным недостатком данного кардана является то, что в контакте шариков с полуцилиндрическими пазами втулки и обоймы возникающие контактные напряжения велики из-за геометрической формы соприкасающихся поверхностей. Известно, что величина контактных напряжений тем меньше, чем больше площадь контакта. Так, чем ближе друг к другу геометрические параметры соприкасающихся поверхностей, тем больше площадь контакта и тем меньше контактное напряжение. Например, при взаимодействии цилиндрического тела конечной длины с цилиндрической впадиной площадь контакта имеет определенную величину, а при взаимодействии шара с той же впадиной площадь контакта будет существенно меньше (при одинаковом усилии). Площадь контакта будет также существенно уменьшаться при увеличении разницы между радиусами этих соприкасающихся тел.The main disadvantage of this cardan is that in the contact of the balls with the semi-cylindrical grooves of the sleeve and cage, the resulting contact stresses are large due to the geometric shape of the contacting surfaces. It is known that the magnitude of contact stresses is the smaller, the larger the contact area. So, the closer the geometric parameters of the contacting surfaces to each other, the larger the contact area and the lower the contact stress. For example, in the interaction of a cylindrical body of finite length with a cylindrical cavity, the contact area has a certain value, and when the ball interacts with the same cavity, the contact area will be significantly smaller (with the same effort). The contact area will also decrease significantly with increasing difference between the radii of these contacting bodies.

В описываемом кардане контактные напряжения значительны потому, что:In the described cardan, contact stresses are significant because:

- контактируют между собой шар и полуцилиндрические впадины;- the ball and semi-cylindrical cavities contact each other;

- имеется существенная разница между радиусами шара и впадин, необходимая для обеспечения работоспособности кардана при работе с перекосом;- there is a significant difference between the radii of the ball and the troughs, necessary to ensure the operability of the cardan when working with skew;

площадь контакта уменьшена из-за наличия промежуточного кольца с пазами для шариков, располагающегося между втулкой и обоймой, тем самым уменьшая глубину впадин.the contact area is reduced due to the presence of an intermediate ring with grooves for balls located between the sleeve and the cage, thereby reducing the depth of the depressions.

Из известных карданов наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является шарнирное соединение, описанное в авторском свидетельстве СССР №1476693, кл. В21В3514, 1987.Of the known cardans, the closest in technical essence to the proposed invention is the articulated joint described in the USSR copyright certificate No. 1476693, class. B21B3514, 1987.

Шарнир содержит втулку со сферическими лунками и обойму с полуцилиндрическими пазами, в которых размещены промежуточные вкладыши, имеющие элементы со сферическими и цилиндрическими поверхностями и выполненные как единое целое.The hinge contains a sleeve with spherical holes and a holder with half-cylindrical grooves, in which intermediate liners are placed, having elements with spherical and cylindrical surfaces and made as a whole.

Крутящий момент в этом шарнире передается от втулки к вкладышам через ее сферические лунки к сферическим выступам вкладышей и далее к обойме через полуцилиндрические выступы вкладышей к полуцилиндрическим пазам обоймы.Torque in this hinge is transmitted from the sleeve to the liners through its spherical holes to the spherical protrusions of the liners and then to the clip through the semi-cylindrical protrusions of the liners to the semi-cylindrical grooves of the clip.

Перекос в шарнирном соединении, т.е. поворот втулки относительно обоймы вокруг их общего центра, обеспечивается за счет вращения сферических выступов вкладышей в сферических лунках втулки и за счет скольжения полуцилиндрических выступов вкладышей в полуцилиндрических пазах обоймы вдоль ее оси. Недостаток известной конструкции шарнирного соединения заключается в том, что он не обеспечивает передачу вращения с равномерной угловой скоростью, так как плоскость контакта контактирующих поверхностей втулки-вкладышей-обоймы находится в постоянном положении в плоскости, перпендикулярной оси втулки и проходящей через центры сферических лунок, тогда как в шарнирах равных угловых скоростей (ШРУС) она должна находиться в положении, разделяющем угол перекоса между втулкой и обоймой пополам.Swivel in swivel, i.e. the rotation of the sleeve relative to the cage around their common center is ensured by the rotation of the spherical protrusions of the liners in the spherical holes of the sleeve and due to the sliding of the semi-cylindrical protrusions of the liners in the semi-cylindrical grooves of the cage along its axis. A disadvantage of the known design of the swivel joint is that it does not provide rotation transmission with uniform angular velocity, since the contact plane of the contacting surfaces of the sleeve-liner-holder is in a constant position in the plane perpendicular to the axis of the sleeve and passing through the centers of the spherical holes in constant velocity joints (CV joints), it should be in a position that separates the skew angle between the sleeve and the holder in half.

Другим недостатком известной конструкции является то, что при передаче вращения с перекосом вкладыш в плоскости перекоса своим полуцилиндрическим выступом перемещается в полуцилиндрической впадине обоймы соосно оси обоймы, т.е. по одному радиусу. Так же перемещаются и полусферические выступы вкладыша в полусферической впадине втулки, которая вследствие перекоса смещается (удаляется) от полусферического выступа вкладыша. В результате этого контакт при передаче момента происходит не по сферическим поверхностям, а по кромке впадины втулки со сферической поверхностью выступа обоймы, т.е. присутствует кромочный контакт, который приводит к большим контактным напряжениям, износу и разрушению контактирующих поверхностей шарнира, а также не позволяющий получить большой угол перекоса в шарнире (не более 1-2 градусов).Another disadvantage of the known design is that when the rotation is skewed, the liner in the skew plane with its semi-cylindrical protrusion moves in the semi-cylindrical cavity of the holder coaxially to the axis of the holder, i.e. along one radius. The hemispherical protrusions of the insert also move in the hemispherical cavity of the sleeve, which, due to skewing, is shifted (removed) from the hemispherical protrusion of the insert. As a result of this, the contact during moment transfer does not occur along spherical surfaces, but along the edge of the sleeve depression with the spherical surface of the collar protrusion, i.e. there is an edge contact, which leads to large contact stresses, wear and destruction of the contacting surfaces of the hinge, and also does not allow to obtain a large skew angle in the hinge (no more than 1-2 degrees).

Задача настоящего изобретения состоит в создании шарикового шарнира с вкладышами скольжения для передачи вращения с перекосом соединяемых осей от двигателя к рабочим механизмам, например, в прокатном, транспортном и другом оборудовании, позволяющего повысить его нагрузочную способность, долговечность и угол перекоса (по сравнению с зубчатыми и роликовыми шарнирами)The objective of the present invention is to create a ball joint with sliding liners for transmitting rotation with a skew of the connected axes from the engine to operating mechanisms, for example, in rolling, transport and other equipment, which allows to increase its load capacity, durability and skew angle (compared to gear and roller hinges)

Поставленная цель достигается тем, что данный шарнир состоит из втулки (внутренняя деталь) и обоймы (наружная деталь). Обойма имеет внутренние полуцилиндрические пазы, а втулка - наружные.This goal is achieved in that this hinge consists of a sleeve (inner part) and a holder (outer part). The cage has internal semi-cylindrical grooves, and the sleeve is external.

Эти пазы расположены друг против друга, при этом они не прямолинейны, а концентричны относительно центра шарнира. Внутренняя поверхность обоймы и наружная поверхность втулки, которые являются поверхностями выступов пазов, соприкасаются друг с другом по сфере с центром в центре шарнира. При передаче вращения от втулки к обойме с перекосом оси они свободно поворачиваются относительно друг друга по этим поверхностям.These grooves are located opposite each other, while they are not linear, but concentric with respect to the center of the hinge. The inner surface of the cage and the outer surface of the sleeve, which are the surfaces of the protrusions of the grooves, are in contact with each other along a sphere centered in the center of the hinge. When transmitting rotation from the sleeve to the cage with a skew axis, they freely rotate relative to each other along these surfaces.

Внутри пазов обоймы и втулки располагаются вкладыши с полуцилиндрическими наружными поверхностями, которыми они контактируют с пазами, имеющими ту же форму. Благодаря этому вкладыши могут перемещаться в пазах. Соприкасаются вкладыши обоймы и втулки между собой также по сферической поверхности, поэтому они могут перемещаться относительно друг друга в любом направлении.Inside the grooves of the holder and the sleeve are liners with semi-cylindrical outer surfaces with which they come in contact with grooves having the same shape. Due to this, the liners can move in the grooves. The liners of the ferrule and the sleeve are in contact with each other also on a spherical surface, so they can move relative to each other in any direction.

В центре вкладышей обоймы и втулки выполнены полусферические гнезда, в которых располагаются шарики, тем самым соединяя вкладыши между собой.Hemispherical nests are made in the center of the liners of the holder and the sleeve, in which the balls are located, thereby connecting the liners to each other.

Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения шарнира со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:To explain the invention, the following is a specific example of the hinge with reference to the accompanying drawings, in which:

на фигуре 1 - продольный разрез шарнира с перекосом оси втулки и обоймы на угол

,figure 1 is a longitudinal section of a hinge with a skew axis of the sleeve and the holder at an angle

,

на фигуре 2 - поперечный разрез на фигуре 1.figure 2 is a cross section in figure 1.

Шарнир содержит обойму 1 и втулку 2 с полуцилиндрическими пазами 3 и 4, в которых установлены полуцилиндрические вкладыши 5 и 6. Во вкладышах имеются полусферические пазы 7 и 8 с установленными в них шариками 9. Обойма 1 и втулка 2 имеют выступы 10 и 11, которыми они соприкасаются по сферическим поверхностям 12. Обоймы и втулка посажены на концы соединяемых валов 13 и 14. Имеется уплотнительный узел 15.The hinge contains a sleeve 1 and a sleeve 2 with half-cylindrical grooves 3 and 4, in which half-cylindrical shells 5 and 6 are installed. The bushings have hemispherical grooves 7 and 8 with balls 9 installed in them. The holder 1 and sleeve 2 have projections 10 and 11, which they are in contact on spherical surfaces 12. The clips and the sleeve are seated on the ends of the connected shafts 13 and 14. There is a sealing assembly 15.

Предложенный шарнир работает следующим образом.The proposed hinge works as follows.

При передаче вращения от вала 13 к валу 14 с перекосом их осей на угол

крутящий момент передается от обоймы 1 через выступы 10, впадины 3 и вкладыши 5 обоймы к шарикам 9, затем через вкладыши 6, впадины 4 и выступы 11 к втулке 2, сидящей на валу 14. При этом вкладыши обоймы, шарики и вкладыши втулки остаются в одной плоскости I-I, находящейся посередине между плоскостями, проходящими через центр шарниров, одна перпендикулярно осям обоймы 1 и вала 13 (II-II), другая перпендикулярно осям втулки 2 и вала 14 (III-III), т.е. делящей угол перекоса пополам. При этом обойма 1 и втулка 2 за один оборот шарнира совершают поворот вокруг центра шарнира «о» и вокруг осей валов 13 и 14, скользя полуцилиндрическими впадинами по полуцилиндрическим выступам вкладышей. Вкладыши при этом поворачиваются относительно друг друга по своим сферическим основаниям и вокруг шариков на угол перекоса

за оборот от 0 до

/2 и обратно до 0, и то же движение в другую сторону.When the rotation is transmitted from the shaft 13 to the shaft 14 with the axes skewed at an angle

torque is transmitted from the cage 1 through the protrusions 10, the depressions 3 and the liners 5 of the cage to the balls 9, then through the inserts 6, depressions 4 and the protrusions 11 to the sleeve 2 sitting on the shaft 14. In this case, the liners of the cage, balls and bushings of the sleeve remain in one plane II, located in the middle between the planes passing through the center of the hinges, one perpendicular to the axes of the yoke 1 and shaft 13 (II-II), the other perpendicular to the axes of the sleeve 2 and shaft 14 (III-III), i.e. dividing the skew angle in half. In this case, the cage 1 and the sleeve 2 in one revolution of the hinge rotate around the center of the hinge "o" and around the axes of the shafts 13 and 14, sliding half-cylindrical hollows along the half-cylindrical protrusions of the liners. The liners thus rotate relative to each other along their spherical bases and around the balls at an angle of skew

per revolution from 0 to

/ 2 and back to 0, and the same movement in the other direction.

Такое конструктивное выполнение шарнира позволяет повысить его нагрузочную способность, долговечность и угол перекоса за счет следующего:Such a structural embodiment of the hinge allows to increase its load capacity, durability and skew angle due to the following:

- равномерное распределение нагрузок в контакте, а следовательно, и меньшая их величина, благодаря тому, что при перекосе не появляются разнозазорность в контактах вкладыш-впадина и шарик-полусферические впадины вкладышей, т.е. эти контактирующие поверхности имеют одинаковую геометрию, а зазоры, обеспечивающие их относительное перемещение, минимальны;- uniform distribution of loads in the contact, and therefore their smaller value, due to the fact that misalignment in the contacts of the insert-cavity and ball-hemispherical cavities of the inserts does not appear during skewing, i.e. these contacting surfaces have the same geometry, and the gaps providing their relative movement are minimal;

- существенное снижение контактных напряжений за счет совпадающей геометрии их поверхностей, радиусы кривизны их отличаются только на величину зазора и большой площади контакта.- a significant reduction in contact stresses due to the coincident geometry of their surfaces, their radii of curvature differ only by the size of the gap and a large contact area.

К достоинствам шарнира можно отнести также следующее:The advantages of the hinge can also include the following:

- он является шарниром равных угловых скоростей (ШРУС), т.к. выполняются все три условия для этого:- it is a joint of equal angular velocities (SHRUS), because all three conditions are fulfilled for this:

1) плоскость контакта занимает постоянное положение в пространстве;1) the contact plane occupies a constant position in space;

2) она перпендикулярна плоскости, проходящей через оси ведущего и ведомого валов шарнира;2) it is perpendicular to the plane passing through the axis of the drive and driven shafts of the hinge;

3) она делит пополам угол перекоса. Это очень важно для шарниров.3) she halves the skew angle. This is very important for hinges.

- исключено осевое смещение обоймы относительно втулки за счет того, что сферическая наружная поверхность втулки заключена в сферической поверхности обоймы.- excluded axial displacement of the cage relative to the sleeve due to the fact that the spherical outer surface of the sleeve is enclosed in the spherical surface of the cage.

Claims (1)

Шариковый шарнир, содержащий обойму и втулку с полуцилиндрическими пазами, в которых установлены вкладыши, отличающийся тем, что полуцилиндрические пазы концентричны относительно центра шарнира, вкладыши имеют наружную поверхность в форме полуцилиндрических пазов, а между собой контактируют по сферической поверхности, центр которой расположен в центре шарнира, при этом в центре имеются полусферические пазы, в которых установлены шарики. A ball hinge containing a cage and a sleeve with half-cylindrical grooves in which the liners are installed, characterized in that the half-cylindrical grooves are concentric with respect to the center of the hinge, the liners have an outer surface in the form of half-cylindrical grooves, and are in contact with each other along a spherical surface, the center of which is located in the center of the hinge while the center has hemispherical grooves in which the balls are mounted.

Images