З’єднання типу вал-маточина

Корисна модель відноситься до машинобудування, зокрема до з'єднань типу вал-маточина для передачі обертального руху між співвісними деталями з застосуванням затискних конічних втулок і кілець, і може бути використана для закріплення шківів, муфт, з убчасти х коліс і подібних деталей на кінці вала. Широко відомі кінематичні зв'язки вала з маточиною на основі стандартних шліцьових (зубчасти х) з'єднань [САПР у машинобудуванні, з'єднання шліцьові (зубчасті), http://sapr.km.ru/techirifo/Techinfo.htm], у яких виступаючі на одній деталі (валу) подовжні зуби входять у подовжні пази іншої деталі (маточини). Такі з'єднання відносно прості для зборки і демонтажу і можуть передавати досить значні крутильні моменти. Однак, поряд з цими перевагами, наявність радіальних люфтів між валом і маточиною, які розвиваються в процесі експлуатації механізму, погіршує динаміку шліцьового з'єднання, приводить до передчасного його зносу. Цей недолік властивий більшості конструкцій шліцьових з'єднань і особливо актуальний у високошвидкісних і потужних передачах. Також широко відомі кінематичні зв'язки вала з маточиною тертям із застосуванням стандартних затискних деталей з конусними посадками [САПР у машинобудуванні, з'єднання затискними конічними розрізними втулками, http://sapr.km.ru/techiiifo/Techinfo.htm], які передбачають установку в зазорі між маточиною і валом двох деталей з зустрічними конічними поверхнями, що сполучаються. Такі деталі встановлюють з можливістю зустрічного переміщення уздовж осі вала, при якому взаємодія сполучених конічних поверхонь викликає радіальне деформування деталей і заклинювання вала з маточиною. Зазначені деталі, як правило, виконують у вигляді втулок - внутрішньої втулки з конічною зовнішньою поверхнею і зовнішньою втулкою з конічною внутрішньою поверхнею. Для забезпечення можливості радіального деформування втулки виконують розрізними уздовж утворюючої лінії. Крутильний момент у такому з'єднанні передається від вала до маточини за рахунок сил тертя, які виникають між сполученими деталями з'єднання по ланцюгу: "вал - вн утрішня втулка - зовнішня втулка маточина". У таких з'єднаннях відсутні радіальні люфти, забезпечується задовільне балансування, що поліпшує динаміку з'єднання, однак ці з'єднання мають свої недоліки: передача крутильного моменту заснована тільки на терті між деталями з'єднання, що викликає обмеження в частині застосовування матеріалів, форми поверхонь і, що саме головне, обмеження величини крутильного моменту, що передається. Відомі з'єднання типу вал - маточина, у яких мають місце елементи шліцьового з'єднання і з'єднання тертям з застосуванням стандартних затискних деталей з конусними посадками. Так, відоме з'єднання вала з маточиною по патенту Російської Федерації №RU2006710, МПК5 F16D1/08, дата подачі заявки 26.11.1991. З'єднання вала з маточиною містить розміщені в кільцевому зазорі між валом і маточиною зовнішню втулку з з устрічно спрямованими конічними ділянками і внутрішню циліндричну втулк у, виконану з шліцами, що утворять шліцьове з'єднання з шліцами, виконаними на кінцевій ділянці вала. Зовнішня втулка виконана розрізною уздовж її утворюючої. Між зовнішньою і внутрішньою втулками розташовані з протилежних сторін конічні кільця, вершини конусів яких спрямовані назустріч один одному. Конічні поверхні кілець сполучені з відповідними конічними ділянками зовнішньої втулки. Конічні кільця виконані з різьбою на їх внутрішній поверхні, яка відповідає різьбовим ділянкам на зовнішній поверхні внутрішньої циліндричної втулки. Напрямок витків різьбових ділянок однаковий. Робота з'єднання при передачі розрахункового (номінального) крутильного моменту здійснюється за рахунок початкового гарантованого натягу, створюваного розпірним зусиллям при деформації зовнішньої розрізної конічної втулки внаслідок затягування назустріч один одному конічних кілець по різьбі на внутрішній циліндричній втулці. При дії на маточину короткочасного перевантаження крутильного моменту, перевищуючого розрахункову величину, відбувається порушення з'єднання (відносне обертання) по поверхні різьби конічних кілець, при цьому вони переміщаються по витках різьби до вершин конусів. Таким чином, при перевантаженні крутильного моменту відбувається автоматичне затягування зовнішньої розрізної конічної втулки конічними кільцями, що збільшує її радіальну деформацію пропорційно величині перевантаження крутильного моменту до відновлення працездатності з'єднання вал-маточина. Загальними ознаками аналога і рішення, що заявляється, являються: вал, на якому виконані шліцьова і циліндрична ділянки, маточина, що змонтована на валу з утворенням кільцевого зазору між валом і маточиною, зовнішня і внутрішня втулки з протилежно спрямованими конічними поверхнями, які встановлені в кільцевому зазорі між валом і маточиною з можливістю переміщення і взаємодії конічними поверхнями. В зазначеному з'єднанні передача крутильного моменту від валу до маточини відбувається за рахунок сил тертя між конструктивними елементами з'єднання, що по відомим причинам обмежує величину крутильного моменту, що передається. Як прототип вибрано з'єднання маточини з валом по патенту Німеччини №DE3443757, МПК: F16D1/091, F16D1/093, F16D1/06, дата публікації 05.06.1986, у якому мають місце елементи шліцьового з'єднання і з'єднання тертям із застосуванням стандартних затискних деталей з конусними посадками. З'єднання включає співвісно розташовані вал і маточину, у зазорі між якими встановлені з можливістю зустрічного переміщення уздовж осі вала зовнішня і внутрішня втулки. Зовнішня втулка виконана з конічною внутрішньою поверхнею, внутрішня втулка - з конічною зовнішньою поверхнею. Втулки встановлені так, що їх конічні поверхні зустрічно сполучаються. Внутрішня втулка з'єднана з валом шліцьовим (шпонковим) з'єднанням. Зовнішня втулка вільно встановлена в отворі маточини. З'єднання також включає стяжні гвинти, які встановлені уздовж осі вала в отворах зовнішньої втулки і з'єднані різьбовим сполученням з внутрішньою втулкою. При закручуванні стяжних гвинтів зовнішня і внутрішня втулки зустрічно переміщаються, взаємодіючи між собою конічними поверхнями. У результаті зазначеної взаємодії відбувається радіальне деформування втулок і заклинювання вала з маточиною. Крутильний момент у такому з'єднанні передається від вала до маточини по ланцюгу: "вал - вн утрішня втулка - зовнішня втулка - маточина". При цьому передача крутильного моменту від вала до внутрішньої втулки здійснюється переважно через шліцьове (шпонкове) з'єднання, від внутрішньої втулки до зовнішньої - за рахунок сил тертя і стяжних гвинтів, якими з'єднані внутрішня і зовнішня втулки, від зовнішньої втулки до маточини - тільки за рахунок сил тертя між зовнішньою втулкою і маточиною. Загальними ознаками прототипу і рішення, що заявляється, являються: вал, на якому виконані шліцьова і циліндрична ділянки, маточина, що змонтована на валу з утворенням кільцевого зазору між валом і маточиною в області циліндричної ділянки вала, зовнішня і внутрішня втулки з протилежно спрямованими конічними поверхнями, які встановлені в кільцевому зазорі між валом і маточиною з можливістю зустрічного переміщення і взаємодії конічними поверхнями. Зазначене з'єднання вирішує проблему радіальних люфтів, однак передача крутильного моменту від зовнішньої втулки до маточини відбувається винятково за рахунок сил тертя, що обмежує величину крутильного моменту, що передається. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення з'єднання типу вал-маточина, у якому за рахунок конструктивних особливостей забезпечується збільшення величини крутильного моменту, що передається. Поставлена задача вирішується тим, що в з'єднанні типу вал-маточина, що включає вал, на якому виконані шліцьова і циліндрична ділянки, маточину, що змонтована на валу з утворенням кільцевого зазору між валом і маточиною в області циліндричної ділянки вала, зовнішню і внутрішню втулки з протилежно спрямованими конічними поверхнями, які встановлені в кільцевому зазорі між валом і маточиною з можливістю зустрічного переміщення і взаємодії конічними поверхнями, відповідно до корисної моделі, зовнішня втулка виконана з різьбою на зовнішній поверхні, а на маточині виконана шліцьова ділянка, яка відповідає шліцьовій ділянці вала, з утворенням шліцьового з'єднання вала з маточиною і різьбова ділянка, яка відповідає різьбі зовнішньої втулки з утворенням гвинтового з'єднання зовнішньої втулки з маточиною. Перераховані ознаки є істотними ознаками корисної моделі. Доцільно в торці вала виконати співвісний з валом різьбовий отвір, в якому установити гвинт з можливістю упирання головки гвинта в зовнішню втулк у з боку її вільного торця. Таке виконання дозволяє зафіксувати положення зовнішньої втулки в маточині звичайним затягуванням гвинта. Істотні ознаки корисної моделі знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, виконання з'єднання типу вал-маточина, в якому вал виконаний з шліцьовою і циліндричною ділянками, маточина виконана з шліцьовою і різьбовою ділянками, маточина змонтована на валу з утворенням шліцьового з'єднання вала з маточиною і кільцевим зазором між валом і маточиною в області циліндричної ділянки вала, зовнішня і внутрішня втулки з протилежно спрямованими конічними поверхнями встановлені в кільцевому зазорі між валом і маточиною з можливістю зустрічного переміщення і взаємодії конічними поверхнями, зовнішня втулка виконана з різьбою на зовнішній поверхні, яка відповідає різьбовій ділянці маточини, з утворенням гвинтового з'єднання зовнішньої втулки з маточиною дозволяє збільшити, у порівнянні з прототипом, величину крутильного моменту, що передається. Це пояснюється тим, що відмітні ознаки корисної моделі (виконання зовнішньої втулки з різьбою на зовнішній поверхні, виконання на маточині шліцьової ділянки, яка відповідає шліцьовій ділянці вала, з утворенням шліцьового з'єднання вала з маточиною, а також різьбової ділянки, яка відповідає різьбі зовнішньої втулки, з утворенням гвинтового з'єднання зовнішньої втулки з маточиною) разом з істотними ознаками корисної моделі, загальними з прототипом, забезпечують можливість шліцьового з'єднання вала з маточиною, яке, як відомо, здатне передавати значні крутильні моменти, а також центрування осей вала і маточини з виключенням радіальних люфтів між валом і маточиною, що поліпшує динаміку з'єднання, знижує знос деталей, збільшує термін служби з'єднання. Нижче приводиться докладний опис з'єднання, що заявляється, з посиланнями на графічні матеріали, на яких показано: Фіг.1 - З'єднання типу вал - маточина, поздовжній розріз. Фіг.2 - З'єднання типу вал - маточина, розріз А-А на Фіг.1. Фіг.3 - З'єднання типу вал - маточина, розріз Б-Б на Фіг.1. Фіг.4 - З'єднання типу вал - маточина, розріз В-В на Фіг.1. Фіг.5 - З'єднання типу вал - маточина, вид Г на Фіг.1. Фіг.6 - З'єднання типу вал - маточина, зовнішня втулка, поздовжній розріз. Фіг.7 - З'єднання типу вал — маточина, розріз Е-Е на Фіг.6. Фіг.8 - З'єднання типу вал - маточина, розріз Д-Д на Фіг.6. Фіг.9 - З'єднання типу вал - маточина, вид Ж на Фіг.6. Фіг.10 - З'єднання типу вал - маточина, внутрішня втулка, поздовжній розріз. Фіг.11 - З'єднання типу вал - маточина, вид И на Фіг.10. Фіг.12 - З'єднання типу вал - маточина, вал і маточина в зборі. Фіг.13 - З'єднання типу вал - маточина, схема технологічного членування елементів фіксації вала відносно маточини. Фіг.14 - З'єднання типу вал-маточина, схема фіксації вала в маточині. Фіг.15 - З'єднання типу вал - маточина, схема демонтажу з'єднання. З'єднання типу вал - маточина включає вал 1, маточину 2, зовнішню втулку З, вн утрішню втулку 4, гвинт 5, опорну шайбу 6, пружну шайбу 7. Вал 1 має шліцьову ділянку 8, яка сполучена з шліцьовою ділянкою 9, виконаною на маточині 2, а також циліндричну ділянку 10 з боку торця вала 1. Циліндричній ділянці 10 вала 1 відповідає циліндричній ділянці 11 на маточині 2. Діаметри циліндричних ділянок 10, 11 такі, що в зібраному виді між валом 1 і маточиною 2 утворюється кільцевий зазор 12. У торці вала 1 виконаний співвісно з валом 1 різьбовий отвір 13. Зовнішня втулка 3 має різьбову ділянку 14, що сполучена з різьбовою ділянкою 15 на маточині 2. На одному кінці зовнішньої втулки 3 виконана розрізна ділянка 16 з конічною внутрішньою поверхнею. Розрізи 17 виконані уздовж утворюючої лінії розрізної ділянки 16. На другому кінці зовнішньої втулки 3 виконані пази 18 під торцевий ключ (не показаний). На внутрішній поверхні втулки 3 виконана різьбова ділянка 19 для установки монтажно-демонтажного пристосування. Внутрішня втулка 4 виконана у вигляді кільця з конічною зовнішньою поверхнею і поздовжнім розрізом 20. Конусність зовнішньої поверхні втулки 4 відповідає конусності внутрішньої поверхні розрізної ділянки 16 втулки 3. Гвинт 5, опорна шайба 6 і пружна шайба 7 є стандартними деталями. У зібраному виді маточина 2 розміщена на валу 1. Шліцьова ділянка 8 на валу 1 і шліцьова ділянка 9 на маточині 2 сполучені й утворять шліцьове з'єднання вала 1 з маточиною 2. Між циліндричною ділянкою 10 вала 1 і циліндричною ділянкою 11 маточини 2 є кільцевий зазор 12. Внутрішня втулка 4 вільно встановлена на циліндричній ділянці 10 вала 1 у кільцевому зазорі 12. Зовнішня втулка 3 встановлена в маточині 2. Різьбова ділянка 14 зовнішньої втулки 3 збігається з різьбовою ділянкою 15 маточини 2, утворюючи гвинтове з'єднання зовнішньої втулки 3 з маточиною 2. Розрізна ділянка 16 зовнішньої втулки 3 розташована у кільцевому зазорі 12 і охоплює внутрішню втулк у 4 таким чином, що зовнішня конічна поверхня внутрішньої втулки 4 сполучається з внутрішньою конічною поверхнею розрізної ділянки 16 зовнішньої втулки 3. Гвинт 5 встановлений у різьбовому отворі 13 вала 1. Головка гвинта 5 упирається в зовнішню втулк у 3 через опорну шайбу 6 і пружну шайбу 7. У процесі зборки з'єднання (дивись Фіг.14) провертають зовнішню втулку 3 пристосуванням 21 з торцевим ключем, який взаємодіє з пазами 18 на втулці 3. При цьому втулка 3 за рахунок гвинтового сполучення з маточиною 2 переміщається убік кільцевого зазору 12. Внутрішня втулка 4 залишається нерухомою на валу 1. Взаємодія зустрічно спрямованих вн утрішньої конічної поверхні розрізної ділянки 16 зовнішньої втулки 3 і зовнішньої конічної поверхні внутрішньої втулки 4 викликає радіальну деформацію розрізної ділянки 16 зовнішньої втулки 3 і заклинювання вала 1 з маточиною 2 на ділянці кільцевого зазору 12 між валом 1 і маточиною 2. При цьому відбувається жорстка фіксація вала 1 відносно маточини 2, автоматичне центрування вала 1 і маточини 2, а також усуваються радіальні люфти між валом 1 і маточиною 2. Після затиснення з'єднання зазначеним обертанням зовнішньої втулки 3 гвинт 5 встановлюють у різьбовому отворі 13 вала 1 і закручують. Головка гвинта через опорну шайбу 6 і пружну шайбу 7 упирається в зовнішню втулку 3 з боку її вільного торця, фіксуючи положення зовнішньої втулки 3. При демонтажі з'єднання викручують гвинт 5, зовнішню втулк у 3 обертають у зворотному напрямку, при якому вона переміщається із зазору 12. Відбувається розклинення вала 1 з маточиною 2. Після цього на різьбову ділянку 19 зовнішньої втулки 3 установлюють демонтажне пристосування 22 (дивись Фіг.15), обертаючи яке виштовхують вал 1 з отвор у маточини 2, тобто демонтують маточину 2 з вала 1. При роботі з'єднання крутильний момент передається від вала 1 до маточини 2 через шліцьове з'єднання, яке, як відомо, дозволяє передавати значні крутильні моменти. Наявність зовнішньої і внутрішньої втулок, як затискних деталей з конусними посадками, встановлених описаним вище чином, забезпечує центрування вала і маточини, усунення радіальних люфтів між валом і маточиною, що поліпшує динаміку з'єднання, збільшує термін його служби.