Карданный шарнир

 

Изобретение относится к прокатному оборудованию и может использоваться для передачи крутящего момента в станах с высокими динамическими нагрузками. Карданный шарнир содержит крестовину и вилки, соединенные с пальцами через тела качения ролики. Ролики по длине пальца установлены многорядно, а в пальцах выполнены осевые расточки с уменьшением их диаметров к днищам пальцев. Толщина стенки в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика, относительно центра крестовины, составляет 0,1-0,2 диаметра пальца, а в плоскости между торцами двух соседних роликов, в зоне середины длины пальца 1,1-1,4 толщины стенки пальца в плоскости дальнего торца дальнего ролика. Осевой упорный подшипник расположен в днище расточки и упирается в тело вилки через штангу. Технический результат - увеличение контактной поверхности роликов относительно поверхности пальцев крестовины, более равномерное перераспределение нагрузки на подшипниковый узел по длине пальца. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к прокатному оборудованию и может быть использовано для передачи крутящего момента с динамическими и статическими нагрузками.

Известен карданный шарнир (а. с. 903598, МКл. 3 F 16 C 11/06, 1982, БИ 5), содержащий крестовину и вилки, соединенные с пальцами крестовины через тела качения - ролики. Ролик выполнен в виде усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону днища стакана подшипника.

Конусность где р - радиальный зазор карданного подшипника, Н - высота крестовины, l - длина ролика.

Недостатком известного шарнира является невысокая его долговечность, особенно при передаче крутящих моментов с высокими динамическими нагрузками. Ролик подшипника в первый момент передает усилия на палец крестовины своим участком, лежащим в зоне большего его основания, затем усилие передается пальцу всем по длине пальца участком ролика и после возникновения максимально необходимого крутящего момента, при котором, как правило, происходит изгиб пальца по кривой кубической параболы, контактное давление на палец снова переходит на участок ролика у большего его основания, где возникает максимальная нагрузка на подшипник. При частых динамических нагрузках на шарнир, свойственных, например, пильгерстану, возможно образование трещин у роликов, вмятин на участках пальца и вилки в зоне высоких контактных давлений и выход шарнира из строя.

В основу изобретения поставлена задача повысить стойкость шарнира за счет увеличения контактной поверхности роликов относительно поверхности пальцев крестовины и повысить стойкость подшипниковых узлов путем перераспределения нагрузок на подшипниковый узел по длине и по боковым поверхностям пальцев крестовины, за счет изменения формы поперечного сечения одновременно с изгибом пальца при приложении усилия и увеличения площади охвата поверхности пальца радиальными роликами.

Поставленная задача достигается тем, что в карданном шарнире, содержащем крестовину и вилки с выступами, соединенные с пальцами крестовины через тела качения - ролики, согласно изобретению ролики установлены по длине пальцев многорядно и в пальцах выполнены осевые расточки с днищами, с уменьшением диаметров в поперечных сечениях расточек по длине пальцев от плоскостей, проходящих по дальним торцам дальних роликов относительно центра крестовины, к днищам расточек, при этом стенка расточки по длине пальца в сечении выполнена в виде выше второго порядка так, что толщина стенки пальца, лежащей в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца, а в плоскости между торцами двух соседних роликов в зоне середины длины пальца - 1,1-1,4 толщины стенки в плоскости дальнего торца дальнего ролика, относительно центра крестовины.

Приведенная совокупность признаков заявляемого карданного шарнира является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты.

Кроме того, заявляемый карданный шарнир имеет и другие отличительные признаки, которые развивают, дополняют и характеризуют изобретение в отдельных случаях его выполнения и используются в зависимости от конкретных условий изготовления и эксплуатации.

В карданном шарнире согласно изобретению в днище осевой расточки установлен осевой упорный подшипник, упирающийся в тело через штангу, зафиксированную в расточке выступа вилки, входя свободно с зазором в расточку пальца.

Установка роликов по длине пальца крестовины многорядно обеспечивает при прочих условиях увеличение площади их прилегания к внешним поверхностям пальцев по их длинах при смене геометрического профиля поверхности пальца, при его изгибе в процессе приложения усилий от ведущей вилки карданного шарнира.

Выполнение осевой расточки в пальце крестовины по его длине с уменьшением ее диаметра в поперечных сечениях расточки по длине пальца от плоскостей, проходящих по дальним торцам дальних роликов относительно центра крестовины, к днищу расточки, при этом стенка расточки по длине пальца в сечении выполнена в виде кривой выше второго порядка так, что толщина стенки пальца, лежащей в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца, обеспечивает изменение формы поперечного сечения пальца с одновременным его изгибом в момент приложения усилия от ведущей вилки.

Изменение формы поперечного сечения пальца с расширением его диаметра в зонах, перпендикулярных относительно зоны приложения усилия на палец ведущей вилкой шарнира, на величину, равную двум технологическим зазорам в подшипнике, обеспечивает увеличение площади контактного давления большим числом радиальных роликов и равномерное распределение нагрузки на ролики и палец крестовины. Этот процесс может происходить при толщине стенки пальца в плоскости, проходящей по дальнему торцу дальнего ролика относительно центра крестовины, равной 0,1-0,2D - диаметра пальца.

При толщине стенки менее 0,1D будет происходить резкое изменение формы поперечного сечения пальца без его изгиба, т. е. не будет выбираться зазор по всей длине пальца и возможно заклинивание роликов в зонах пальца, перпендикулярных зоне приложения усилий от ведущей вилки. Кроме того, может произойти смятие стенки пальца в зоне приложения усилий и разрушение шарнира в целом.

При толщине стенки более 0,2D форма поперечного сечения пальца может не измениться, будет происходить только изгиб пальца, и на участке ближе к его торцу, в начальный момент передачи усилия от ведущей вилки резко увеличивается контактное давление и соответственно возникает пиковая нагрузка на палец и подшипник. При отсутствии процесса изменения формы поперечного сечения пальца происходит резкое перераспределение нагрузки по длине пальца от максимальной нагрузки в зоне торца пальца и нулевой нагрузки у его основания в первый момент приложения усилия от ведущей вилки в период выборки технологических зазоров по длине пальца до максимальной нагрузки у основания пальца и нулевой в торцевой зоне пальца при установившемся приложении усилий на него и после выборки технологических зазоров по длине пальца. Такое неравномерное распределение нагрузки по длине пальца крестовины и на подшипниковом узле увеличивает контактное давление в зоне основания пальца и приводит к быстрому износу подшипникового узла.

Выполнение толщины стенки пальца в зоне средней его длины в плоскости между торцами двух соседних роликов, равной 1,1-1,4 толщины стенки пальца в плоскости дальнего торца относительно центра крестовины необходимо для обеспечения плавного затухания процесса изменения формы поперечного сечения пальца к точке пересекания линии изменения нагрузки на подшипниковый узел при переходе от начального момента приложения усилия на палец до стабилизированного процесса передачи усилий от ведущей вилки шарнира. В этом случае создаются условия плавного перехода нагрузки на подшипниковый узел и более равномерное перераспределение нагрузки на подшипниковый узел по длине пальца.

При толщине стенки в средней части пальца менее 1,1 толщины стенки пальца в плоскости дальнего торца дальнего ролика затухание деформации в поперечном сечении пальца будет происходить выше зоны разъема соседних по длине пальца роликов, и какой-то ролик будет находиться в зоне конца деформации сечения, где будет максимальное контактное давление на этот ролик. Кроме того, точка пересекания линий нагрузки при переходе от начального момента приложения усилия вращения до стабилизированного будет находиться ближе к торцу пальца крестовины и равномерность перераспределения напряжения на подшипниковый узел при стабилизированном процессе будет снижена.

Благодаря выполнению стенки расточки в пальце по его длине в виде кривой линии выше второго порядка, что фактически соответствует кривой прогиба пальца после приложения усилий ведущей вилкой, происходит плавное изменение формы в поперечных сечениях пальца по его длине.

Выполнение расточки с днищем позволяет установить в нем осевой упорный подшипник, а выполнение выступа в вилке для крепления штанги и через нее осевого упорного подшипника обеспечивает повышение прочностных характеристик вилки, исключаются дополнительные расточки в вилке и пальцы крестовины под крепление осевого подшипника.

Устройство поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан узел шарнира в сборе в продольном сечении; на фиг. 2 - эпюра распределения нагрузок в начальный момент приложения усилия от ведущей вилки; на фиг. 3 - эпюра распределения нагрузок в момент перехода от начального приложения усилия до установившегося процесса передачи усилия от ведущей вилки; на фиг. 4 - эпюра распределения нагрузок на палец крестовины в установившемся процессе вращения шарнира; на фиг. 5 - эпюра распределения радиальных нагрузок на палец крестовины.

Карданный шарнир состоит из крестовины 1 и вилок 2 (фиг. 1), соединенных с пальцами 3 через тела качения - ролики 4. В пальцах 3 крестовины 1 выполнены осевые расточки 5. Между внешней поверхностью пальца 3 и поверхностью расточки в вилке 2 установлены многорядно ролики 4, размещенные в сепараторах 6. Расточка в пальце 3 по ее длине l выполнена с уменьшением ее диаметра от плоскости, проходящей по дальнему торцу ролика 4 относительно центра крестовины 1 (фиг. 5). Днище 7 лежит в зоне плоскостей С-С; С₁-С₁ между участками СС₁ сопряжения пальца 3 крестовины 1 с соседними пальцами.

Толщина стенки пальца 3, лежащей в плоскости по дальнему торцу Р ролика 4 относительно центра крестовины 1, составляет 0,1-0,2D - диаметра пальца 3 крестовины 1.

Толщина стенки пальца 3, лежащей в плоскости m-n, проходящей между торцами двух соседних роликов 4 в зоне средины длины l пальца 3, составляет 1,1-1,4 толщины стенки пальца 3 в плоскости дальнего торца дальнего ролика 4.

Стенка расточки 5 по длине l пальца 3 в продольном сечении представляет собой кривую выше второго порядка.

В днище 7 расточки 5 пальца 3 установлен осевой подшипник 8, упирающийся в тело вилки 2 через штангу 9, зафиксированную в расточке выступа 10 вилки 2. Выступ 10 свободно входит в расточку 5. Вилка 2 имеет канал 11 для подачи смазки в подшипник 8. Ролики 4 у основания пальца 3 закрыты уплотнительным кольцом-крышкой 12.

Сборку карданного шарнира осуществляют следующим образом.

(На фиг. 1 показан как вариант узел шарнира с составной вилкой, скрепленной стяжным болтом. Чертеж крепления полувилок стяжным болтом отсутствует). В расточку в выступе 10 вилки 2 устанавливают штангу 9 крепления подшипника 8. В расточку вилки 2 устанавливают сепаратор 6 с роликами 4 и фиксируют уплотнительным кольцом 13. Затем полувилку надевают вместе с роликами 4 на палец 3 крестовины 1, предварительно установив на днище 7 осевой подшипник 8. Аналогично производят сборку противоположной полувилки, затем стяжным болтом (на чертеже отсутствует) соединяют полувилки.

Карданный шарнир работает следующим образом: при условии, что ведущей является вилка 2, усилие от нее передается в начальный момент через ролики 4 на дальний - концевой участок пальца 3. В этот момент происходит изгиб стенки 13 пальца 3 и изменение формы расточки и соответственно пальца 3 в поперечном сечении, нагрузка на подшипниковый узел распределяется по эпюре фиг. 2. Стенка 13 пальца 3 увеличивается в диаметре в точках, перпендикулярных точке приложения усилий роликами 4. Диаметр стенки увеличивается при заданной толщине стенки, равной 0,1-0,2D - диаметра пальца, на величину двух технологических зазоров δ (δ= 20-40 мкм при D= 150-280 мм). При этом участвует в приложении усилий на палец 3 большее количество роликов 4, тем самым перераспределяется и уменьшается контактное давление роликов на поверхности пальца 3. Нагрузка на подшипниковый узел и палец 3 крестовины 1 радиально распределяется более равномерно (см. эпюру 15 фиг. 5 взамен эпюры 14) на большую площадь пальца 3 (фиг. 5). В период перехода от начального приложения усилий, в момент выборки технологических зазоров по длине bb' пальца к стабилизированному усилию распределение нагрузки происходит по эпюре (фиг. 3). В установившемся режиме вращения шарнира нагрузка на подшипниковый узел и на палец 3 крестовины 1 распределяется более равномерно по длине bb'пальца 3 (фиг. 4).

Данное изобретение может быть использовано на всех станах для передачи крутящих моментов с углом переноса до 16^o.

Формула изобретения

1. Карданный шарнир, содержащий крестовину и вилки с выступами, соединенные с пальцами крестовины через тела качения - ролики, отличающийся тем, что ролики установлены по длине пальцев многорядно и в пальцах выполнены осевые расточки с днищами, с уменьшением диаметров поперечных сечениях расточек по длине пальцев, от плоскостей, проходящих по дальним торцам дальних роликов, относительно центра крестовины к днищам расточек, при этом стенка расточки по длине пальца в сечении выполнена в виде кривой выше второго порядка, так что толщина стенки пальца, лежащей в плоскости по дальнему торцу дальнего ролика, составляет 0,1-0,2 диаметра пальца, а в плоскости между торцами двух соседних роликов, в зоне середины длины пальца - 1,1-1,4 толщины стенки в плоскости дальнего торца дальнего ролика, относительно центра крестовины.

2. Карданный шарнир по п. 1, отличающийся тем, что в днище осевой расточки установлен осевой упорный подшипник, упирающийся в тело вилки через штангу, зафиксированную в расточке выступа вилки, входя свободно с зазором в расточку пальца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5