Універсальний шарнір

Винахід відноситься до прокатного виробництва, а саме до механічного устаткування ліній прокатних станів і може бути використаний для передачі обертання і крутячих моментів. Відомо, що механічне устаткування прокатного виробництва, призначене для передачі обертання і крутячих моментів, піддається динамічним навантаженням ударної дії в умовах постійної зміни кутового перекосу взаємодіючих валів. Це приводить до швидкого зносу контактних поверхонь в універсальних шарнірах (шпинделях) і їхнього виходу з ладу. Одним зі шляхів рішення задачі зменшення ударних динамічних навантажень є технічні рішення, спрямовані на поглинання частини ударного навантаження і його розподілу по безлічі контактних площадок, що досягається спеціальним виконанням опорних елементів універсального шарніра, а саме сполучних проміжних ланок і пазів. Відомий універсальний шарнір [AC US №1493344 МПК В21В35/14, 1989р.], що включає обойму і голівку, постачені пазами, у яких рівномірно по окружності розміщені сполучні проміжні ланки, виконані еліпсоїдальними зі сферичними торцевими поверхнями, змонтовані з можливістю осьового переміщення, при цьому осі симетрії пазів і проміжних ланок у поперечному перерізі збігаються і зміщені щодо центра шарніра. Це технічне рішення дозволяє замінити тертя ковзання на тертя катання, що знижує знос робочих поверхонь, однак, у момент динамічного прикладання сил ударне навантаження сприймає лише частина проміжних ланок, що призводить до їх перевантаження і швидкого виходу з ладу. Відомий універсальний шарнір, прийнятий прототипом, що включає обойму і голівку, постачені пазами, у яких рівномірно по колу розміщені сполучні проміжні ланки, змонтовані з можливістю переміщення в пазах і виконані у виді пружних елементів [патент UA №42976 А МПК В21В35/14, 2001р.]. Останні виконані у виді пружних циліндричних склянок, шарнірно закріплених у центрі пазів голівки, кожний з яких містить подовжні прорізи і кільце, розміщене на внутрішній поверхні і валики, розміщені з торця на зовнішній поверхні циліндра. Пази обойми виконані по її довжині симетрично щодо центра шарніра, а пази голівки спрямовані перпендикулярно пазам обойми. Відоме технічне рішення забезпечує більш рівномірний розподіл навантаження на пружні сполучні ланки, що підвищує довговічність роботи шарніра. Однак, позитивний ефект відомого технічного рішення знижується через наявність вільного простору уздовж осі паза голівки між зовнішнім валиком сполучної ланки і циліндричною поверхнею паза. У результаті цього недоліку конструкції, у момент дії ударних навантажень відсутня опорна поверхня з протилежної сторони дії сили, тобто сполучний елемент працює як консоль із твердим закладенням у підставі, де і відбувається його руйнування. Задачею винаходу є виключення поломок сполучних ланок за рахунок самокомпенсації напруг і деформацій усередині їхніх корпусів. Поставлена задача вирішується тим, що в універсальному шарнірі, що включає обойму і голівку, постачені пазами, у яких рівномірно по колу розміщені сполучні проміжні ланки у виді пружних елементів, відповідно до винаходу, сполучні ланки виконані у вигляді симетричних тіл обертання, корпуси яких мають біконічну форму і містять у середній частиш гофри, а по торцях сектори сфер, при цьому кожний корпус містить отворикомпенсатори, кожна пара яких з'єднана між собою біконічним повздовжнім отвором з конусностями, зворотними конусностям відповідних частин біконічного корпусу, крім того, сполучні ланки розміщені в пазахотворах голівки та криволінійних пазах обойми без зазорів між контактними поверхнями з можливістю шарнірного самовстановлення в цих пазах, ширина яких рівна наружному діаметру сполучної ланки, глибина рівна половині довжини сполучної ланки, а поперечні вісі симетрії сполучних ланок співпадають з радіусом кривизни контактної сферичної поверхні універсального шарніру у будь-якому положенні голівки відносно обойми. Виконання сполучних ланок у виді симетричних фігурних тіл обертання дозволяє реалізувати ефекти їхнього самовстановлення в пазах обойми і голівки без люфтів і без заклинювання, а також самокомпенсації і урівноваження напруг і деформацій у стінках корпуса, що гарантує сприйняття ударного динамічного навантаження всіма ланками одночасно. Біконічна форма корпусів сполучних ланок, які містять у середній частині гофри, а по торцях сектори сфер забезпечує можливість шарнірного самовстановлення сполучних ланок в пазах голівки та обойми і зосередити динамічні навантаження на контактних майданчиках симетрично поперечній вісі симетрії корпуса, що дає змогу взаємно компенсувати зустрічно направлені навантаження. Виконання пазів обойми криволінійними обмежує величину зсуву сполучних ланок від відцентрових сил у радіальному напрямку, тобто зменшується до мінімуму осьовий люфт, а рівність розмірів ширини пазів і діаметрів сполучних ланок виключає люфти в поперечному напрямку, що зм'якшує удари і знижує рівень шуму при роботі шарніра. Виконання пазів голівки у виді отворів глибиною рівній половині довжини корпуса сполучних ланок забезпечує прикладання ударних зусиль по центрах гофрів, розподіляючи їх симетрично в двох протилежних напрямках, а діаметр паза-отвору який дорівнює діаметру корпуса сполучної ланки забезпечує відсутність люфтів у поперечному напрямку і плавність деформацій. Виконання отворів-компенсаторів, які прорізані в корпусі сполучних ланок у районі торцевих сферичних секторів, забезпечує можливість пружної деформації всього тіла корпусу і поглинання енергії ударів, при цьому вони усувають концентрацію напруг, розподіляючи їх по поверхні торцевих частин корпуса. Попарне з'єднання отворів-компенсаторів біконічними повздовжніми отворами з конусностями, зворотними конусностям відповідних частин біконічного корпусу дає можливість реалізувати ефект самоустановки сполучних ланок в пазах обойми та голівки і можливість пружного зміщення при ударних навантаженнях обойми відносно голівки по опорній поверхні універсального шарніру у напрямку обертання в радіальній площині. Завдяки цьому зміщенню корпус сполучної ланки має можливість пружньо деформуватися і поглинати пікові ударні навантаження з реалізацією при цьому ефекту самокомпенсації навантажень в тілі корпусу. Ширина біконичних повздовжніх отворів визначає й обмежує величину зсуву стінок пазів голівки й обойми друг щодо друга, тобто обмежує кут провертання в радіальній площині шарніра перпендикулярно пазам. Біконічна форма повздовжніх отворів з заданим співвідношенням довжини і ширини прорізів забезпечує у залежності від рівня механічних властивостей металу сполучних ланок і товщини стінки такий режим роботи корпусу, щоб його деформація завжди була в пружній зоні., а при максимальному стиску сполучної ланки бічні поверхні прорізів стуляються по площині, що охороняє корпус від пластичної деформації в результаті багаторазового підвищення жорсткості профілю корпусу, тобто сполучна ланка стає незламною. Розміщення поперечних осей симетрії сполучних ланок у пазах обойми і голівки так, щоб вони співпадали з радіусом кривизни контактної сферичної поверхні універсального шарніру забезпечує стабільну, однотипну та синхронну роботу всіх сполучних ланок у будь-якому положенні голівки відносно обойми. Таким чином, сукупність ознак технічного рішення, що заявляється, надійно забезпечує ефективне поглинання ударного динамічного навантаження синхронно всіма сполучними ланками без їхніх поломок і заклинювання в умовах постійно мінливих кутів перекосу обойми щодо голівки шарніра в процесі обертання валів з максимальним рівнем надійності і довговічності роботи механізму, що недосяжно при використанні прототипу. За результатами розширеного пошуку по патентній і науково-технічній літературі у відповідних рубриках МПК і УДК сукупність істотних ознак, цілком чи частково співпадаючих із тим, що заявляється і що дозволяє вирішувати поставлену задачу, не була виявлена в жодному технічному рішенні. Отже, винахід, що заявляється відповідає критерію «новизна». З відомого рівня техніки сукупність істотних ознак технічного рішення, що заявляється, з очевидністю не випливає. Отже, винахід, що заявляється, відповідає критерію «винахідницький рівень». Винахід пропонується використовувати при виробництві універсальних шарнірів в умовах підприємства Новокраматорський машинобудівний завод. Отже, пропонований винахід відповідає критерію «промислова застосовність», що підтверджується прикладом конкретного виконання. На Фіг.1 зображений подовжній розріз універсального шарніра, на Фіг.2 розріз по А-А на Фіг.1, на Фіг.3 фрагмент роботи сполучної ланки під ударним навантаженням, на Фіг.4 конструкція сполучної ланки. Універсальний шарнір містить обойму 1 із криволінійними пазами 2 радіусом R на поверхні контакту шарніру (Фіг.1, поз.6) і радіусом по дну R+K (Фіг.1, поз.16, Фіг.3), довжиною В, шириною Е, глибиною K (Фіг.3), голівку 3 з пазами-отворами 4 діаметром F, глибиною K, що розміщені рівномірно по колу в кількості від шести до дванадцяти (Фіг.2). У пазах обойми і голівки встановлені симетрично поверхні контакту 6 кульового шарніра з центром О сполучні ланки 5 у виді фігурних тіл обертання, виконаних симетричними за формою, які мають у середній частині гофри 7, що сполучаються з біконічними елементами 8, які з другого кінця сполучаються з торцевими сферичними секторами 9. Рівномірно по колу в корпусі сполучної ланки 5 у районі торцевих сферичних секторів 9 виконані отвори-компенсатори 10, кожна пара яких з'єднана між собою біконичним повздовжним отвором 11 з конусністю зворотною конусності біконічних елементів 8 у кількості 2-4 штук з кожного торця. Кут конусності β (Фіг.4) біконічних повздовжніх отворів встановлюється пропорційним куту γ відносного зміщення обойми щодо голівки (Фіг.3). Найбільша ширина біконічних повздовжніх отворів С (Фіг.4 розріз по А-А) зумовлює рівень зменшення діаметру сполучних ланок 5 в районі гофрів при їх деформації під дією динамічних навантажень Ρ (Фіг.3). В середині сполучної ланки 5 виконана порожнина 12 діаметром d, яка зумовлює рівень жорсткості корпусу. Ця порожнина може бути фігурною і повторювати зовнішній профіль сполучної ланки з урахуванням необхідної товщини стінки корпусу. Для виключення заклинювання і поломки сполучні ланки 5 встановлені в пазах обойми 2 і голівки 4 вільно без люфтів, що забезпечується рівністю їх посадкових габаритних розмірів, тобто розміри D=F=Е. Внутрішня порожнина сполучної ланки заповнюється густим мастилом. Довжина L сполучної ланки 5 (Фіг.4) зумовлює глибину K пазів обойми і голівки, які рівні між собою і пропорційні розміру L/2, який співвідноситься з діаметром сполучної ланки в межах L/2=(1...2)D. На Фіг.3 і Фіг.4 показаний варіант, коли L/2=D. Як варіант, донні поверхні пазів 2 та 4 можуть бути виконані не конічними (Фіг.3), а сферичними, що збільшує площу торцевих контактних майданчиків при потребі. На Фіг.1 показаний варіант конструктивного виконання обойми 1 в зборі з фланцем 13, кільцевою кришкою 14, які скріплені в єдиний вузол кріпильними елементами 15. Розмір В довжини обойми 1 зумовлює величину кута о перекосу осей симетрії обойми 1 і голівки 3, який лежить у межах від 0° до 30°. Універсальний шарнір з'єднується з валами шпинделю шліцами. Універсальний шарнір працює в такий спосіб. Якщо немає перекосу між осями валів, які з'єднуються універсальним шарніром (кут α=0), то він працює як пружна муфта. Таке положення показано на Фіг.1 та Фіг.2, розріз по А-А. В цьому випадку пази обойми 2 та голівки 4 можуть бути ідентичними, тобто отворами діаметром F=Ε=О , а довжини обойми В та голівки Μ рівними. Якщо є перекіс між осями, то передача крутячого моменту від обойми 1 до голівки 3 (чи навпаки) здійснюється через сполучні ланки 5 і пази 2 та 4 таким чином. Унаслідок перекосу подовжніх осей обойми 1 і голівки 3 на кут α, у процесі обертання кульового шарніра відносно центру кулі О (Фіг.1) опорні сферичні поверхні 6 (що мають однаковий радіус R, але протилежне викривлення) обойми 1 і голівки 3 сковзають друг по другу, а сполучні ланки 5 сковзають вільно по бічних поверхнях 17 (Фіг.3) пазів 2 без деформації їх корпусів, тому що жорсткість корпуса розрахована на зусилля робочого діапазону крутячих моментів, що передаються, при яких сполучні ланки 5 працюють без коливань розмірів чотирьох біконічних повздовжніх отворів 11, тобто розміри С та величини кутів β залишаються незмінними. В процесі обертання шарніра кожна сполучна ланка 5 скоює зворотно-поступальну ходу від одного краю паза 2 обойми 1 до іншого в межах його довжини В при максимальному куті перекосу α, за напівоберту в одну сторону і подальші напівоберту в іншу сторону по синусоїдальному закону руху по колу. При цьому корпуси сполучних ланок 5 вільно ковзають своїми контактними майданчиками по бічних стінках 17 на довжині В пазів 2 обойми 1 в напрямі перпендикулярному площині симетрії шарніру, по якій виконаний розріз А-А, як показано на Фіг.1 та Фіг.2. Контактні майданчики показані на Фіг.3 в районі прикладання сил Р. При передачі моментів, що крутять, з ударними динамічними навантаженнями, виникаючими, наприклад, при задачі металу в прокатні валки, сполучні ланки 5 компенсують пікові навантаження Р, деформуючись в пружних межах пропорційно енергії удару. При цьому розміри С і кути β зменшуються пропорційно навантаженню, як показано на Фіг.3. Завдяки тому що сполучні ланки 5 встановлені в пазах 2 і 4 обойми 1 і голівки 3 без зазорів (люфтів), навантаження сприймають усі сполучні ланки 5 одночасно, у результаті чого зусилля розподіляються рівномірно на усі сполучні ланки. На Фіг.2 показаний варіант з шістьома сполучними ланками. При прикладенні ударного навантаження Ρ обойма 1 і голівка 3 універсального шарніру зміщуються друг щодо друга по ходу обертання на кут g (Фіг.3), тому що обойма одержує імпульс прискорення, а голівка імпульс інерційного гальмування. У результаті піддатливості пружного корпуса сполучної ланки 5 під дією симетричних сил навантаження Р, прикладених до гофри 7, конічні частини 8 корпуса симетрично згинаються, а торцеві сферичні сектори 9 повертаються і самовстановлюються в пазах обойми та голівки, при цьому діаметр корпуса в районі гофрів зменшується за рахунок зменшення кута конусності β біконічних повздовжніх отворів, аж до їхнього змикання (β=0). Так як сили навантаження Ρ розподіляються по периметру гофрів 7 нерівномірно, то в кожному з чотирьох біконічних повздовжніх отворів 11 розмір С і кут конусності β самовстановлюються пропорційно силам Р, тобто в районі гофров корпус сполучної ланки 5 в результаті його пружної деформації приймає форму овалу. Виникаючий від прикладення сил Ρ перекидаючий момент розвертає на кут g і деформує в пружних межах весь корпус сполучної ланки 5, як показано на Фіг.3, у результаті чого його подовжня вісь симетрії нахиляється убік обертання шарніра, а торцеві сферичні сектори 9 шарнірно провертаються щодо дна пазів 4 і 2 голівки 3 і обойми 1, вільно змінюючи свій профіль у пружних межах. Усі прикладені до сполучної ланки 5 сили, в результаті її деформації перерозподіляються і завдяки симетричності самокомпенсуються в тілі корпуса внаслідок різнонаправленості. Після зняття ударного навантаження накопичена сполучними ланками 5 пружна енергія звільняється, відновлюючи первісні форми їхніх корпусів. При цьому обойма 1 і голівка 3 універсального шарніру зміщуються друг щодо друга в зворотному напрямку, відновлюючи симетрію вихідного положення. На Фіг.3 це зміщення n-n1 показано по вісі поперечної симетрії сполучної ланки, яка співпадає з радіусом кривизни R контактної сферичної поверхні 6 універсального шарніра. Сполучні ланки такої конструкції є об'ємними пружинами, які оптимально виконують функції самовстановлення в пазах голівки і обойми та самокомпенсації напруг і деформацій від дії динамічних навантажень. Крім того, така конструкція сполучної ланки є універсальною для передачі широкого діапазону моментів, що крутять, завдяки можливості при незмінному зовнішньому профілі суттєво змінювати профіль внутрішньої порожнини і таким чином регулювати силові властивості сполучної ланки, тобто пружність, жорсткість та інші, а підбором марки сталі і режимів термічної обробки можливо забезпечити будь-які потрібні властивості та якість. Таким чином, винахід дозволяє ефективно зм'якшувати ударні динамічні навантаження, що з'являються при передачі крутячих моментів, в умовах постійного перекосу частин шарніра, що з'єднуються по сферичній поверхні, що підвищує надійність і довговічність роботи даного універсального шарніра в порівнянні з прототипом.