Сферичний шарнір

Реферат: Винахід належить до загального машинобудування і може бути використаний при розробці точних просторових механізмів, зокрема механізмів-гексаподів, що складають основу прогресивного технологічного обладнання таких як промислові роботи, маніпулятори, вимірювальні машини, верстати паралельної кінематики та інші. Сферичний шарнір містить корпус, в якому встановлена на піввісь та рухома штанга із сферичною головкою, яка спряжена із сферичною поверхнею торця півосі, причому на спряженій із сферою поверхні торця півосі виконані розвантажувальні кармани, а на протилежному торці півосі виконано компенсуючі кармани, при цьому порожнини відповідних розвантажувальних і компенсуючих карманів з'єднані між собою через дроселі, а порожнини усіх компенсуючих карманів через дроселі з'єднані із джерелом стисненого робочого середовища, а корпус має кришку, на яку спирається протилежний торець півосі, при цьому піввісь виконана у вигляді двох концентрично розташованих постійних магнітів - кільцевого і циліндричного, причому полюси магнітів знаходяться на торцях магнітів та розташовані протилежно по довжині півосі, при цьому кільцевий проміжок між циліндричним та кільцевим магнітами заповнено немагнітним матеріалом, який утворює робочі поверхні торців півосі, при цьому на сферичній поверхні торця виконано канавки у вигляді 2-х перехресних по Т-подібній схемі рисок, причому основа Тподібної риски з'єднана із розвантажувальним карманом, а перпендикулярна основі риска орієнтована в тангенціальному напрямку відносно півосі, а на периферії торця виконана кільцева канавка, яка підключена до дренажної магістралі відведення робочого середовища, при цьому торець кільцевого магніту з боку сферичної головки штанги має сферичну поверхню, яка з гарантованим зазором взаємодіє із сферичною головкою, а сферична головка виконана із феромагнітного матеріалу, а зазор між торцем кільцевого магніту і сферичною головкою заповнено феромагнітною рідиною на основі мінеральної оливи, при цьому кришка корпуса, яка взаємодіє із протилежним торцем півосі, виконана із феромагнітного матеріалу і одночасно UA 114488 C2 (12) UA 114488 C2 контактує із торцями циліндричного та кільцевого магнітів. В основу винаходу поставлена задача суттєвого розширення діапазону поперечно-кутових переміщень шарніра. UA 114488 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до загального машинобудування і може бути використаний при розробці просторових систем приводів типу механізму-гексапода. Відомі шарніри, що забезпечують поворот штанги в трьох напрямках [1]. Вони мають сферичні опори ковзання або кочення. Недоліком даних конструкцій є низька точність та незадовільні експлуатаційні характеристики, обумовлені зносом несучих поверхонь шарніра під час експлуатації, а також невеликий кутовий діапазон роботи. За найближчий аналог прийнято шарнір [2], що містить корпус з отворами, в яких розміщені півосі та рухому штангу із сферичною головкою, яка взаємодіє із сферичними поверхнями півосей. При цьому на сферичних поверхнях півосей виконано розвантажувальні кармани; а на протилежних торцях напівосей виконані компенсуючі кармани, при цьому порожнини відповідних розвантажувальних та компенсуючих карманів з'єднані між собою через дроселі, а порожнини всіх компенсуючих карманів через дроселі з'єднані із джерелом робочого середовища, а корпус додатково споряджений закріпленими на ньому кришками, на які спираються протилежні торці півосей, а також наявність більше ніж 2-х півосей висока витрата робочого середовища. Недоліком прототипу є незначний діапазон поперечно-кутових переміщень штанг, який не перевищує 60°. В основу винаходу поставлена задача суттєвого збільшення діапазону поперечно-кутових переміщень штанги (240°-250° і вище). Це досягається використанням лише однієї півосі. Утримання сфери на поверхні півосі шарніра забезпечується за рахунок використання магнітів. Збільшення діапазону дає можливість використати даний шарнір в просторових механізмах із суттєво розширеним робочим простором. Поставлена задача вирішується тим, що сферичний шарнір містить корпус, в якому встановлена півісь та рухома штанга із сферичною головкою, яка спряжена із сферичною поверхнею торця півосі 240-250°, причому на спряженій із сферою поверхні горця напівосі виконані розвантажувальні кармани, а на протилежному горці напівосі виконано компенсуючі кармани, при цьому порожнини відповідних розвантажувальних і компенсуючих карманів з'єднані між собою через дроселі, а порожнини усіх компенсуючих карманів через дроселі з'єднані із джерелом стисненого робочого середовища, а корпус має кришку, на яку спирається протилежний торець півосі. Новим є те, що піввісь виконана у вигляді двох концентрично розташованих постійних магнітів - кільцевого і циліндричного, причому полюси магнітів знаходяться на торцях магнітів та розташовані протилежно по довжині півосі, при цьому кільцевий проміжок між циліндричним та кільцевим магнітами заповнено немагнітним матеріалом, який утворює робочі поверхні торців півосі, при цьому на сферичній поверхні торця виконано канавки у вигляді 2-х перехресних по Тподібній схемі рисок, причому основа Т-подібної риски з'єднана із розвантажувальним карманом, а перпендикулярна основа риски орієнтована в тангенціальному напрямку відносно півосі, при цьому торець кільцевого магніту з боку сферичної головки штанги має сферичну поверхню, яка з гарантованим зазором взаємодіє із сферичною головкою, а сферична головка виконана із феромагнітного матеріалу, при цьому кришка корпуса, яка взаємодіє із протилежним торцем півосі, виконана із феромагнітного матеріалу і одночасно контактує із торцями циліндричного та кільцевого магнітів. У конструкції шарніра забезпечується низька сила тертя за рахунок використання аеростатичних опорних елементів. У корпусі передбачені канали для дренажу робочого середовища, що повністю виключає зовнішні витоки робочого середовища за межі шарніра. Як ущільнення між сферичною головкою півосі шарніра використовується феромагнітна рідина, яка забезпечує повну герметизацію дренажних каналів. Таким чином, запропоноване технічне рішення є новим у порівнянні з відомими і дозволяє суттєвим чином збільшити діапазон поперечних переміщень штанги (до 240°-250° і вище). Суть запропонованого технічного рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показано перетин шарніра в діаметральній площині півосі. На фіг. 2 дано вигляд сферичної поверхні торця півосі. На фіг. 3 у збільшеному вигляді показано розвантажувальний карман із канавкою у вигляд двох перехресних по Т-подібній схемі рисок, а на фіг. 4 показано перетин розвантажувального кармана та рисок. Сферичний шарнір (фіг. 1) містить корпус 1, в якому встановлена піввісь 2 та рухома штанга 3 із сферичною головкою 4, яка спряжена із сферичною поверхнею торця півосі. На спряженій із сферою поверхні торця півосі виконані розвантажувальні кармани 5, а на протилежному торці півосі виконано компенсуючі кармани 6. Кількість пар карманів залежить від регламентованого 1 UA 114488 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 навантаження на шарнір і складає три, чотири, п'ять, шість або більше. Розвантажувальні кармани розташовані рівномірно по поверхні торця півосі (фіг. 2) Порожнини відповідних розвантажувальних і компенсуючих карманів з'єднані між собою через дроселі у вигляді отворів 7 (фіг. 1). Порожнини всіх компенсуючих карманів через дроселі у вигляді отворів 8 з'єднані із джерелом стисненого робочого середовища 9. Корпус має кришку 10, на яку спирається торець півосі. Піввісь виконана у вигляді двох концентрично розташованих магнітів - кільцевого 11 та циліндричного 12, причому полюси магнітів N і S знаходяться на торцях магнітів та розташовані протилежно по довжині півосі. Кільцевий проміжок 13 між кільцевим і циліндричним магнітами заповнено немагнітним матеріалом, який утворює робочі поверхні торців півосі. Як немагнітний матеріал застосовано металполімерний композит із антифрикційними властивостями. Металополімерний композит в пастоподібному стані вводиться в проміжок між магнітами і сферичною головкою. Після затвердіння полімерного композита утворюється піввісь у вигляді однієї деталі, в яку включено кільцевий і циліндричний магніти. Сферична поверхня торця півосі формується по поверхні сферичної головки шарніра і має високу точність. Відхилення від сферичності поверхні торця півосі складає 2-4 мкм. Після затвердіння полімерний композит обробляється. На поверхнях торця півосі виконуються розвантажувальні та компенсуючі кармани, а в об'ємі півосі виконуються необхідні отвори та канавки. На сферичній поверхні торця півосі виконано канавки у вигляді 2-х перехресних по Тподібній схемі рисок, а саме: риски основи 14 та перпендикулярна їй риска 15 (фіг. 3). Основа Тподібної риски 14 з'єднана із розвантажувальним карманом 5, а риска 15 орієнтована в тангенціальному напрямку відносно півосі. Форма перетину риски, як правило, трикутна 16 (фіг. 4). Розміри рисок складають 0,5-0,8 мм. Використання Т-подібних канавок для підводу стисненого робочого середовища до щілини шарніра змінює епюру розподілу тиску в щілині шарніра, що приводить до збільшення несучої здатності шарніра при збереженні необхідних параметрів вібростійкості. На периферії торця півосі виконана кільцева канавка 17, яка через канал 18 підключена до дренажної магістралі 19. Торець кільцевого магніту 11 з боку сферичної головки 4 штанги має сферичну поверхню 20, яка з гарантованим зазором взаємодіє із поверхнею сферичної головки 4. При цьому сферична головка виконана із феромагнітного матеріалу. Зазор між торцем 20 кільцевого магніту 11 та поверхнею сферичної головки 4 заповнено феромагнітною рідиною на основі мінеральної оливи. Цим забезпечується ущільнення, яке запобігає зовнішнім витокам робочого середовища і канавки 17. Кришка корпуса 10 виконана із феромагнітного матеріалу і одночасно контактує із торцями циліндричного 12 та кільцевого 11 магнітів. Сферичний шарнір працює наступним чином. Корпус шарніра 1 закріплений нерухомо, а на рухому штангу 3 діє навантаження Р. В магнітах 11, 12 півосі виникає магнітне поле із замкненими силовими лініями, які проходять через сферичну головку 4 (силові лінії 21) та через кришку 10 (силові лінії 22). При цьому на сферичну головку 4 діє магнітна сила F, яка притискає її до торця півосі. При підводі стисненого робочого середовища (рідини або газу) від джерела 9 до компенсуючих карманів 6 та розвантажувальних карманів 5, в порожнинах вказаних карманів встановлюється тиск робочого середовища. Тиск середовища в компенсуючих карманах 5 створює сили тиску Fк на сферу 4 компенсуючи дію магнітної сили F і знижуючи контактне навантаження на сферичну поверхню торця півосі. Робоче середовище під тиском із кармана 5 через перетин риски 14 проходить в об'єм риски 15 і через зазор між сферою і поверхнею торця півосі витікає назовні (фіг. 2.2). Потік робочого середовища показано стрілками 20. При цьому на поверхні сфери в околиці риски 15 утворюється область підвищеного тиску, яка створює додаткову компенсуючу силу FТ1 (фіг. 1). Додаткова компенсуюча сила FТ1 залежить від величини зазору між сферою 4 та сферичним торцем півосі. Під дією корисного навантаження Р сфера зміщується в напрямку дії сили Р. Відповідно зазор між сферою і сферичним торцем півосі в області кармана 5 зменшується, а збільшується зазор між сферою і торцем з протилежного боку. Тому сила FТ1 буде більшою сили FТ2. Цим забезпечується ефективне сприйнято діючого навантаження Р. Розвантажувальні кармани 5 і дроселі 7 утворюють з поверхнею сфери 4 сферичну гідростатичну або аеростатичну опору. Компенсуючі кармани 6 призначені для компенсації зусиль, що діють на піввісь 2. Площі карманів 5 і 6 підібрані таким чином, що при збільшенні навантаження на сферу 4 зусилля на піввісь з боку компенсуючих карманів 6 росте більш інтенсивно, ніж з боку розвантажувальних карманів 5. Це забезпечує необхідну жорсткість сферичного шарніра. 2 UA 114488 C2 5 10 15 20 Шарнір не має зовнішніх витоків робочого середовища. Це забезпечується дренажом робочого середовища із канавки 17 та ущільненням зазору між поверхнею 20 кільцевого магніту та поверхнею сферичної головки 4 феромагнітною рідиною. Феромагнітна рідина має основу у вигляді мінеральної оливи, в якій знаходяться дрібнодисперсні частинки із феромагнітного матеріалу. Під дією магнітного поля магніту 11 феромагнітна рідина щільно заповнює зазор надійно герметизуючи порожнину шарніра. Запропоноване конструктивне рішення шарніра має високу несучу здатність, обумовлену значною магнітною силою F. В той же час, контактні навантаження в парі тертя між сферою і сферичним торцем півосі можуть бути зменшені, в тому числі до нульового значения. При повній компенсації магнітної сили реалізується аеростатична або гідростатична сферична опора. При цьому момент тертя при переміщенні сфери є незначним, а шар робочого середовища між поверхнею сфери та сферичною поверхнею торця півосі ефективно демпфує вібрації штанги із сферою. Джерела інформації: 1. Крижанівський В.А., Кузнецов Ю. М., Валявський І. А., Скляров Р. А. Технологічне обладнання з паралельною кінематикою: Навчальний посібник для ВНЗ. Під ред. Ю.М. Кузнецова. - Кіровоград, 2004. - 449 с. 2. Патент України на корисну модель № 43729, МПК R6D3/16. Шарнір для просторового механізму / Струтинський С.В. - u200903735, заявл. 16.04.2009, опубл. 25.08.2009, Бюл. № 16. 3с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 Сферичний шарнір, що містить корпус, в якому встановлена піввісь та рухома штанга із сферичною головкою, яка спряжена із сферичноюповерхнею торця півосі, причому на спряженій із сферою поверхні торця півосі виконані розвантажувальні кармани, а на протилежному торці півосі виконано компенсуючі кармани, при цьому порожнини відповідних розвантажувальних і компенсуючих карманів з'єднані між собою через дроселі, а порожнини усіх компенсуючих карманів через дроселі з'єднані із джерелом стисненого робочого середовища, а корпус має кришку, на яку спирається протилежний торець півосі, який відрізняється тим, що піввісь виконана у вигляді двох концентрично розташованих постійних магнітів - кільцевого і циліндричного, причому полюси магнітів знаходяться на торцях магнітів та розташовані протилежно по довжині півосі, при цьому кільцевий проміжок між циліндричним та кільцевим магнітами заповнено немагнітним матеріалом, який утворює робочі поверхні торців півосі, при цьому на сферичній поверхні торця виконано канавки у вигляді 2-х перехресних по Тподібній схемі рисок, причому основа Т-подібної риски з'єднана із розвантажувальним карманом, а перпендикулярна основа риски орієнтована в тангенціальному напрямку відносно півосі, а на периферії торця виконана кільцева канавка, яка підключена до дренажної магістралі відведення робочого середовища, при цьому торець кільцевого магніту з боку сферичної головки штанги має сферичну поверхню, яка з гарантованим зазором взаємодіє із сферичною головкою, а сферична головка виконана із феромагнітного матеріалу, а зазор між торцем кільцевого магніту і сферичною головкою заповнено феромагнітною рідиною на основі мінеральної оливи, при цьому кришка корпуса, яка взаємодіє із протилежним торцем півосі, виконана із феромагнітного матеріалу і одночасно контактує із торцями циліндричного та кільцевого магнітів. 3 UA 114488 C2 4 UA 114488 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5