Універсальний шарнір

1. Універсальний шарнір, що включає обойму і головку, забезпечені пазами, в яких рівномірно по колу розміщені з'єднувальні проміжні ланки, змонтовані з можливістю переміщення, які виконані у вигляді пружних елементів, шарнірно закріплених в пазах головки, пази обойми виконані по довжині C2 1 3 Відоме технічне рішення забезпечує рівномірний розподіл навантажень на з'єднувальні ланки при великих кутах перекосу осей взаємодіючих валів та поглинає частину динамічних навантажень, що збільшує плавність передачі моментів, що крутять. Проте, 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. Крім того, наявність на торцевій поверхні циліндричного стакану зовнішнього валику вимагає збільшення ширини пазу обойми, отже збільшення габаритів шарніру, а практично точковий контакт із стінками пазу створює концентрацію напруг і збільшення сил тертя, які прискорюють знос контактних поверхонь, особливо у моменти прикладання ударних навантажень. Практично точкове торкання в поєднанні з великими зазорами між стінками пазу обойми і циліндричною поверхнею пружного елементу є причинами великих люфтів у шарнірі, що неприпустимо при дії ударних навантажень. Оскільки у дні пазу голівки по її центру виконане прямокутне заглиблення, де розташована хвостова частина пружного елементу такої ж форми, а від випадіння він фіксується відносно прямокутного заглиблення стрижнем, то у винаході реалізована схема роботи пружного елементу як консолі з жорстким закладенням в підставі, що неприпустимо при наявності ударних навантажень. У поєднанні з циклічною дією ударних навантажень концентрація напружень в закладенні призводить до появи тріщин і руйнування пружного елементу. Внаслідок різних пружних властивостей стінок пружного елементу і внутрішнього кільця, їх синхронна робота по деформаціях і переміщеннях неможлива, що призводить до виштовхування кільця з порожнини циліндра при ударних навантаженнях. Виріз під розміщення внутрішнього кільця ослаблює перетин працюючих на вигин стінок пружного елементу, створюючи концентрацію напружень, які сприяють руйнуванню в цьому перетині. Подовжні прорізи в корпусі пружного елементу і внутрішнє кільце є антагоністами, оскільки виконують протилежні функції. Прорізи зменшують жорсткість пружного елементу, а кільце її збільшує, що ускладнює розрахунки пружних властивостей і досягнення позитивного результату. Задачею винаходу є виключення умов для руйнування з'єднувальних пружних елементів шляхом їх самоустановки відносно контактних поверхонь. Поставлена задача вирішується тим, що в універсальному шарнірі, що включає обойму і голівку, забезпечені пазами, в яких рівномірно по колу розміщені з'єднувальні проміжні ланки, змонтовані з можливістю переміщення, які виконані у вигляді пружних елементів, шарнірно закріплених в пазах голівки, пази обойми виконані по довжині обойми з осями, симетричними відносно центру шарніру, який відрізняється тим, що голівка виконана з зрі 76816 4 заних півсфер, по роз'єму яких в сферичних заглибленнях розташовані з можливістю повертання сферичні корінні частини порожнистих з'єднувальних пружних елементів, при цьому одна з зрізаних півсфер містить отвір з шліцьовими пазами, канали для мастила і отвори для кріплення, розміщені між сферичними заглибленнями, а кільцева кришка по внутрішній поверхні кільця містить сферичний сегмент з ущільненням, при цьому з'єднувальні пружні елементи на циліндричних ділянках між подовжніми прорізами забезпечені плоскими гранями шириною рівною 2...5 товщин стінки корпусу, а вихідні отвори голівки виконані конусними. При цьому, пружний елемент може бути виконаний з додатковими подовжніми прорізами у зоні плоских граней та вставкою у внутрішній порожнині. Виконання голівки з двох зрізаних півсфер дозволяє проточити півсферичні заглиблення при їх виготовленні і зібрати голівку в єдиний вузол з пружними з'єднувальними елементами за допомогою кріпильних деталей. Сферичні корінні частини пружних елементів унеможливлюють їх випадіння з пазів голівки при обертанні і в поєднанні з конусністю пазів голівки забезпечують можливість повороту, запобігаючи заклинюванню пружних елементів в процесі роботи механізму. Виконання у однієїіз зрізаних півсфер осьового отвору з шліцьовими пазами дозволяє здійснити співвісне роз'ємне з'єднання з валом шпинделю, а отвори для деталей, що кріплять, забезпечують можливість збірки з другою зрізаною півсферою та кінцем валу шпинделю. Канали між шліцьовими пазами та днищами сферичних заглиблень забезпечують прохід мастила до деталей шарніру, що труться. Виконання кільцевої кришки з сферичним сегментом, в зоні якого проточений кільцевий паз з ущільненням, дозволяє змонтувати сферичний шарнір голівки та обойми за допомогою кріпильних деталей та прокладок і забезпечити роботу шарніру без люфтів та заклинювань з герметизацією порожнини шарніру. Виконання частин корпусу пружного елементу між подовжніми прорізами плоскими дозволяє збільшити площу контакту з боковими стінками паза обойми та знизити рівень контактних навантажень, що забезпечує збільшення терміну служби конструкції. Крім того, плоскі грані фіксують пружний елемент від провороту навкруги його подовжньої осі, орієнтуючи подовжні прорізи корпусу уздовж осі симетрії паза обойми. Плоскі контактні грані шириною менш двох товщин стінок пружного елементу недостатньо точно фіксують його від провороту навкруги подовжньої осі, а шириною понад п'яти товщин стінок утворюють зайву площу контакту та збільшують нагрів при терті. Така конструкція з'єднувального пружного елементу завжди орієнтована перпендикулярно дії сил і напівциліндричні ділянки корпусу працюють як консолі до моменту змикання подовжніх кромок прорізів і, якщо навантаження росте, то корпус пружного елементу продовжує пружно деформуватися як овальний патрубок з більш жорсткими 5 властивостями пружності, практично виконуючи функцію шпонки. Виконання пружного елементу з додатковими подовжніми прорізами у зоні плоских граней дозволяє регулювати властивості жорсткості пружного елементу у широких межах без зміни геометричних розмірів корпусу і марки сталі. Розміщення вставки у внутрішній порожнині підвищує рівень надійності роботи шарніру, гарантуючи неможливість руйнування пружного елементу при дії ударних навантажень будь якої величини. Таким чином, сукупність ознак технічного рішення, що заявляється, надійно забезпечує ефективне поглинання ударного динамічного навантаження синхронно всіма сполучними ланками без їх поломок і заклинювань в умовах постійно мінливих кутів перекосу обойми щодо голівки шарніра в процесі обертання валів з максимальним рівнем надійності і довговічності роботи механізму, що недосяжне при використовуванні 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 шпинделів прокатних станів в умовах підприємства Новокраматорський машинобудівний завод. Отже, пропонований винахід відповідає критерію «промислова застосовність». Надалі винахід пояснюється докладним описом його конкретного виконання з посиланням на креслення. На Фіг.1 зображений розріз універсального шарніра, на Фіг.2 розріз по А-А на Фіг.1, на Фіг.3 розріз універсального шарніру у робочому положенні з максимальним перекосом валів, на Фіг.4 приведений вид з'єднувального пружного елементу з прорізами максимальної довжини, на Фіг.5 показані положення з'єднувального пружного елементу в початковому положенні а) і під дією максимального динамічного навантаження б), на Фіг.6 показаний пружний елемент з додатковими подовжніми прорізами, на Фіг.7 показаний пружний елемент з внутрішньою вставкою. Універсальний шарнір містить сполучну обойму 1 прокатного валку, сферичну обойму шарніру 2 з подовжніми пазами 3, зрізаних півсфер 4 та 5, сполучених кріпильними деталями 6 у вузол голівки шарніру, що містить рівномірно розміщені по колу конусні пази 7 з сферичними заглибленнями 8, в яких розміщені з можливістю повороту корінні сферичні частини пружних з'єднувальних елементів 9. З'єднувальні пружні елементи 9 виконані у вигляді порожнистих тіл обертання, які забезпечені подовжніми прорізами 10 і плоскими контактни 76816 6 ми гранями 11. В зрізаних півсферах 4 і 5 рівномірно по колу між сферичними заглибленнями 8 виконані отвори 12 для розміщення кріпильних деталей 6, а півсфера 5 додатково забезпечена отвором з шліцьовими пазами 13 по периметру для співвісного шліцьового з'єднання з валом шпинделя 14 і каналами 15 для подачі мастила на контактні поверхні шарніра, що труться. Кільцева кришка 16 на внутрішній поверхні кільця містить сферичний сегмент з кільцевою проточкою 17, у якій розміщений елемент ущільнювача. Через отвори 18 кільцеву кришку 16 кріпильними деталями 19 сполучено з сферичною обоймою 2 шарніру та сполучною обоймою 1 прокатного валку. Для забезпечення герметичності порожнини шарніру та необхідної рівномірності зазорів між контактними поверхнями сферичних частин шарніру, між торцевими поверхнями сферичної обойми 2 та прилеглими деталями 16 і 1 розміщені прокладки 20. Для регулювання властивостей жорсткості пружного елементу та шарніру в цілому, у зоні плоских граней 11 можуть бути виконаю додаткові подовжні прорізи 21 (Фіг.6). Для запобігання руйнуванню пружного елементу в його внутрішній порожнині може бути розміщено із зазором 22 вставку 23 у вигляді суцільного або полого стрижня (Фіг.7). Ширина прорізів пружного елементу визначає і обмежує величину кута повороту голівки відносно обойми в радіальній площині шарніру у напрямку обертання. Обираючи ширину прорізів задають величину переміщень в шарнірі (оптимальні 1...3мм). Співвідношення довжини і ширини прорізів пружного елементу встановлюють залежно від рівня механічних властивостей металу і товщини стінки корпусу таким, щоб його деформація завжди була у пружній зоні. Як окремі випадки, пружний елемент може бути з прорізами без зазорів або без прорізів, але з максимально високою жорсткістю і необтимальною компенсацією ударних навантажень. Форма корпусу з'єднувального пружного елементу у вигляді тіла обертання є оптимальною по критерію простоти виготовлення і працездатності, поперечний перетин може бути і не круглим. Універсальний шарнір працює наступним чином. Передача моменту, що крутить від голівки шарніру до сферичної обойми здійснюється через з'єднувальні пружні елементи 9 та пази 3 і 7. Унаслідок перекосу подовжніх осей голівки і вала шпинделя 14 відносно осей сферичної обойми 2 і сполучної обойми 1 на кут з максимальною величиною 25...30°, в процесі обертання шарніру опорні сферичні поверхні голівки і обойми ковзають щодо один одного, а плоскі грані 11 з'єднувальних пружних елементів 9 ковзають по бічних поверхнях пазів 3 без деформації профілю, оскільки жорсткість корпуса з'єднувального пружного елементу розрахована на зусилля робочого діапазону крутячих моментів, що передаються, при яких з'єднувальні пружні елементи працюють як суцільний стрижень (шпонка). 7 При передачі моментів, що крутять з ударним динамічним навантаженням, що виникає, наприклад, при задачі металу в прокатні валки, з'єднувальні пружні елементи 9 компенсують пікові перевантаження, деформуючись в пружних межах пропорційно енергії удару. Від ударного перевантаження голівка провертається відносно обойми на кут , як показано на Фіг.5, під дією пари сил Р, а корпус з'єднувального пружного елементу деформується і провертається в сферичних заглибленнях 8, самовстановлюючись по контактних майданчиках. Завдяки тому, що з'єднувальні пружні елементи 9 встановлені в пазах 3 і 7 обойми і голівки без зазорів (люфтів), то навантаження сприймають всі з'єднувальні пружні елементи одночасно, внаслідок чого загальне навантаження розподіляється рівномірно на всі ланки шарніру, чим забезпечується плавність обертання та мінімальність вібрацій. Жорсткість кожного пружного елементу та їх кількість в шарнірі вибирають такими, щоб передавати заданий робочий момент, що крутить, без деформації корпусів навіть в пружній області, але будь яке перевантаження понад заданий рівень починає компенсуватися роботою пружної деформації корпусу. Оскільки динамічні ударні навантаження короткочасні, то після зняття перевантаження накопичена енергія пружної деформації вивільнюється, стінки корпусу розпрямляються до початкового стану, провертаючи голівку відносно обойми в радіальній площині шарніру у зворотному напрямі пропорційно куту повороту, який був отриманий в результаті дії сили перевантаження, відновлюючи симетрію початкового положення. Якщо перевантаження довготривале, наприклад, в 76816 8 калібри задали метал з температурою нижчою від розрахункової, то пружні елементи спрацюють як ресори, запобігши руйнування шпинделя. При дії аварійних ударних навантажень, які багаторазово більше за розрахунковий робочий рівень, стінки корпусів пружних елементів, пружно деформуючись, компенсують більшу частину пікового навантаження, однак вигин і переміщення стінок у напрямку дії сили Ρ понад розрахункові величини може привести до пластичної деформації корпусу, що запобігається внутрішньою вставкою, яка виконує функцію упору після переміщення стінки на ширину зазору, як показано на Фіг.7. Виконання з'єднувальних елементів пружними, вигідно відрізняє конструкцію шпинделю, що заявляється, від інших конструкцій, де в якості з'єднувальних елементів використовують жорсткі кулі або ролики, які передають без поглинання всі види перевантажень на деталі шпинделю, останні, щоб уникнути руйнування, виготовляють масивними з багаторазовим запасом міцності, а даний винахід, завдяки ефекту компенсації динамічних навантажень, що реалізується конструкцією, забезпечує зменшення габаритів і маси шпинделю на 30...40% та здешевлює його виготовлення. Таким чином, винахід дозволяє ефективно пом'якшувати ударні динамічні перевантаження, а шарнірне самовстановлення з'єднувальних пружних елементів в пазах голівки у процесі роботи в будь-яких режимах виключає можливість їх руйнування, що підвищує надійність і довговічність роботи цього універсального шарніру порівняно з прототипом. 9 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 76816 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601