В патенте [1] авторами предложена новая конструкция карданного механизма, которая может применяться в областях машиностроения и автомобилестроения и использована для соединения валов с пересекающимися осями. Данное изобретение является упрощением, как конструкции карданного механизма (карданово соединение, шарнир Гука, карданный шарнир, шарнирная муфта, кардан) [2], так и процесса его сборки-разборки [1].
Рассмотрим устройство предложенного карданного механизма [1] (рис. 1), которое содержит муфту-звёздочку 1 и две вилки 2, отличающаяся тем, что муфта выполнена в виде муфты-звёздочки, где вилки соединены с муфтой-звездочкой по кольцевым пазам через заходные плоскости перпендикулярно друг другу. Новый способ зацепления реализуется при помощи кольцевых пазов с заходными плоскостями на поверхности муфты-звёздочки и вилок вставляющихся через заходные плоскости в кольцевые пазы на поверхности муфты-звёздочки, при этом уменьшается количество деталей данного механизма до абсолютного минимума (уменьшение габаритов), механизм избавлен от крепежа и сокращена время сборки-разборки самого механизма до нескольких секунд.
Рис. 1. Конструкция карданного механизма [1]: 1 — муфта-звёздочка, 2 — вилка
В рабочем положении, когда оси вилок соосны или пересекаются, простейший карданный механизм (карданово соединение, шарнир Гука, карданный шарнир, шарнирная муфта, кардан) не разъединится. Разборку можно произвести лишь при угле между осями 90°, при котором карданный механизм (карданово соединение, шарнир Гука, карданный шарнир, шарнирная муфта, кардан) уже не может работать по определению.
Расстояние С вилки 2 равно расстоянию между заходными плоскостями В муфты-звёздочки 1. Диаметры кольцевых пазов А и цилиндрического отверстия вилки 2 равны, но больше расстояния С. Для зацепления вилки 2 со муфтой-звёздочкой 1 необходимо взаимно правильно расположить эти детали. Соединить детали можно лишь при указанном на рис. 2 положении и через две заходные плоскости В муфты-звёздочки 1 завести по кольцевому пазу А детали одну в другую.
Рис. 2. Конструкция муфты-звездочки (1) и вилки (2): А — кольцевой паз, Б — оси пересечения кольцевых пазов, В — заходные плоскости, С — расстояние вилки равное расстоянию между заходными плоскостями муфты-звёздочки
На рис. 3 показана конструкция после поворота вилки 2 в кольцевом пазу А муфты-звёздочки 1 на 90°, при этом пропадает возможность расцепления уже соединённых деталей, но появляется возможность заведения второй вилки 2 в муфту-звёздочку 1.
Рис. 3. Конструкция карданного механизма после поворота вилки 2 в кольцевом пазу А муфты-звёздочки 1 на 90°
Заведение второй вилки 2 по свободному кольцевому пазу А муфты-звёздочки 1 через заходные плоскости В показан на рис. 4. Так как карданный шарнир не может работать при угле между осями валов равном 90°, то его нужно значительно уменьшить путём вращения вилки 2 по кольцевому пазу А муфты-звёздочки 1. При этом у деталей автоматически пропадает возможность расцепления.
Рис. 4. Заведение второй вилки 2 по свободному кольцевому пазу А муфты-звёздочки 1 через заходные плоскости В
Карданный механизм [1] (рис. 1) может применяться для соединения валов, передающих крутящий момент под различными, возможно, меняющимися углами работает следующим образом. При передаче вращения между основными валами передаточное число, получается непостоянным: за время одного оборота оно меняется от cos(а) до 1/cos(а), где а — угол между осями валов. При а = 90° передача невозможна; при а близком к 90° неравномерность вращения весьма значительна, поэтому карданный механизм в чистом виде может применяется лишь при небольших углах между основными валами. Достоинствами данного изобретения являются его компактность, простота изготовления, отсутствие крепёжных деталей и специального инструмента для сборки-разборки, которые обеспечиваются новым способом зацепления деталей данного карданного механизма.
Анализ конструкции предлагаемого карданного механизма определил три основные задачи исследования, которые необходимо решить для определения области применения данного устройства:
1) Выбор материалов деталей и смазки, определение взаимных геометрических зависимостей деталей, доработка геометрии сопрягаемых поверхностей, а также получение зависимости предельного момента от размеров.
2) Определение оптимальных рабочих параметров (момент и частота вращения) для конкретного размера деталей и сравнение характеристик данного карданного механизма с шарниром аналогичного назначения (например, с шарниром Гука).
3) Определение предельной частоты вращения для конкретного размера карданного механизма.
Литература:
1. Тарасов В. К. Курс теоретической механики для математиков. ТулГУ, 2008. С. 264–266.
2. Заутренников И. В., Кожанова Е. Р., Ткаченко И. М. Карданный механизм // Патент № 2499918 зарегистрировано в государственном реестре изобретений Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам от 27.11.2013г.
