Соединение типа "вал-втулка" - RU2501996C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к соединению типа «вал-втулка», имеющему гнездо втулки, образованное валом и втулкой узла, который принимает гнездо втулки, при этом вышеуказанное гнездо втулки и вышеуказанная втулка вышеуказанного узла образуют некруглое соединение.

«Некруглое соединение», в смысле настоящего изобретения, включает все соединения, не имеющие форму круга, следовательно, эллипсы, полигоны, типы зубчатого зацепления, асимметричные полигоны и т.п. В дальнейшем так называемое «полигональное соединение» будет всегда использоваться в качестве рабочего термина. В дальнейшем, что касается «полигональных соединений», как правило, всегда будут иметься в виду и включаться все возможные некруглые соединения.

Из уровня техники, относящегося к данному изобретению, известны многочисленные и многообразные виды присоединения валов, осей и зубьев ко втулкам узлов, таких как, например, ходовые колеса, зубчатые колеса, эксцентриковые колеса, рычаги и/или подобного рода узлы. Их можно сгруппировать по способу передачи нагрузки на неподвижные соединения, соединения, вводимые в зацепление фрикционно, неподвижные соединения, выполняемые при помощи предварительного создания напряжений, и прочно склеиваемые соединения. В неподвижных соединениях соединение между валом и втулкой устанавливается созданием определенного профиля, такого как, например, шлицевой профиль, рифление канавками или полигональный профиль, или дополнительными элементами, которые следует назвать «собачками», такими как, например, призматические шпонки, скользящие шпонки или поперечные штифты.

Будучи неподвижными соединениями, полигональные соединения в особенности подходят для передачи прерывистых вращающих моментов и в особенности предусматриваются для разъемных соединений, скользящих гнезд и прессовых посадок. Полигональные соединения, более того, являются самоцентрирующимися, так как в итоге имеющее место свободное колебание симметрично компенсируется во время вращения. Кроме того, полигональные соединения во многих случаях являются более подходящими в отношении влияния надреза, чем другие неподвижные соединения.

Хотя неподвижные соединения типа «вал-втулка», и в особенности полигональные соединения, оказались успешными в повседневном практическом использовании, по-прежнему существует необходимость в усовершенствовании. Поэтому цель изобретения - предложить соединение «вал-втулка» указанного вначале типа, улучшенное в том, что касается известного уровня техники, и которое, в частности, оптимизировано в отношении прикладывания усилия к валу. Более того, соединение будет упрощено в отношении производства и/или сборки.

Для решения этой проблемы изобретение предлагает, чтобы соединение типа «вал-втулка» включало, по меньшей мере, одно радиальное плечо в продольном направлении вала.

Соединение типа «вал-втулка» должно включать, по меньшей мере, одно радиальное плечо. Это включает то, что образуется, по меньшей мере, одна радиальная ступенька в одной из этих двух деталей, а именно на гнезде втулки со стороны вала или на втулке узла. Гнездо втулки, соответственно втулка, может включать цилиндрические или/и конические секции. Под «радиальным плечом» или радиальной ступенькой может также пониматься как ортогональный или также конический, так и закругленный профиль перехода.

В полигональных соединениях между валом и втулкой, известных из уровня техники, предусматривается, что гнездо втулки включает полигональные поверхности, располагающиеся соответственно в одной плоскости в продольном направлении вала. В отличие от этого, в изобретении теперь предлагается, чтобы соединение, следовательно, например, гнездо втулки, включало, по меньшей мере, одно радиальное плечо, то есть, по меньшей мере, двухступенчатое гнездо втулки. Так, согласно изобретению, для каждой полигональной стороны обеспечивается, по меньшей мере, две полигональные базовые поверхности.

Предпочтительно, несколько радиальных плеч и, таким образом, многоступенчатое гнездо втулки предусматривается в продольном направлении вала. Здесь, количество радиальных плеч или ступенек гнезда втулки является функцией длины всего гнезда втулки в продольном направлении вала и случая применения. Здесь, отдельные ступеньки гнезда втулки, предпочтительно, дают одинаковую длину, а именно одинаковую осевую протяженность в продольном направлении вала.

Разделение гнезда втулки на отдельные ступеньки, посредством обеспечения отдельных радиальных плеч, является особенно выгодным из-за вызываемого таким образом распределения усилия, усилия, действующего на вал в ожидаемом случае применения. Максимальное усилие, действующее на вал в ожидаемом случае применения, как следствие нагрузки на соединение типа «вал-втулка» будет распределяться именно на отдельные ступеньки, из-за того, что на них разделено гнездо втулки, в особенности, если к отдельным ступенькам прикладываются предварительные напряжения, при этом, предпочтительно, предварительные напряжения отличаются. Здесь, из-за различных припусков создаются различные предварительные напряжения. Вследствие этого получается выгодное распределение усилия, выявляющее меньше максимальных напряжений по сравнению с гнездом втулки, имеющим только одну ступеньку. Большим преимуществом варианта осуществления согласно изобретению, таким образом, является то, что при постоянном суммарном напряжении на валу достигается в целом уменьшенное значение максимального напряжения. Особенно нагружаемые, согласно уровню техники, участки гнезда втулки вала могут таким образом быть разгружены, что ведет к уменьшению максимального напряжения вала. Таким образом, можно избежать нежелательных высоких напряжений материала как в вале, так и в области втулки, что является причиной факта значительно более долгого срока службы или более высокой общей производительности соединения типа «вал-втулка», имеющего те же размеры. При неизменном сроке службы, по сравнению с существующим уровнем техники, конструкция согласно изобретению позволяет задавать меньшие размеры отдельных деталей, что ведет к экономии материала. Однако вариант осуществления согласно изобретению, в частности, предлагает больше конструкционной свободы, и, в зависимости от соответствующего случая применения, по отношению к известному уровню техники, можно использовать значительно улучшенные решения.

Другое преимущество, по сравнению с известным уровнем техники, в виде, например, конических прессовых гнезд является результатом того факта, что требуемая для ожидаемого использования точность доводки не должна быть такой высокой. В частности, с точки зрения расположения в точно заданном месте в продольном направлении вала, это оказывается выгодным, потому что на эффективность соединения более не влияют, в частности, осевые допуски, по сравнению с ранее известными конически-круглыми прессовыми соединениями.

В общем, устройство согласно изобретению позволяет распределить максимальные усилия или напряжения, действующие на вал, на несколько плечей, так что может достигаться, в общем, скомпенсированное распределение усилия или напряжения. Это выгодно приводит к снижению контактной коррозии.

Согласно другому аспекту изобретения, гнездо втулки включает радиальный припуск по отношению ко втулке узла. Этот припуск может, например, находиться между 10 и 100 мкм. В зависимости от случая применения может быть предусмотрен припуск, находящийся между 20 и 80 мкм, и еще более предпочтительно между 25 и 75 мкм. В сочетании многоступенчатого гнезда втулки с конструкцией согласно изобретению, такой радиальный припуск, опять же, обусловливает улучшенное распределение усилия или напряжения. В одном отдельном варианте осуществления изобретения может предусматриваться разный радиальный припуск по отношению к отдельным ступенькам гнезда втулки. Так, первая ступенька гнезда втулки может, например, иметь другой припуск, чем вторая, третья или четвертая ступенька гнезда втулки. Конструкция, имеющая разные припуски по отношению к отдельным ступенькам гнезда втулки, преимущественно предлагает конструкционную возможность заранее определенным образом влиять на распределение усилия или напряжения на отдельные ступеньки гнезда втулки. Благодаря соответственно разному расположению радиального припуска по отношению к отдельным ступенькам гнезда втулки можно, например, обеспечить, чтобы ступеньки гнезда втулки, расположенные при концах, по отношению к продольному протяжению вала, испытывали меньшее напряжение в ожидаемом случае нагружения, чем, например, промежуточные ступеньки гнезда втулки по отношению к продольному протяжению вала.

Конструкция, обеспечиваемая согласно изобретению, относится к полигональному соединению между валами и втулками в общем и не ограничивается определенными конструкциями вала и/или конструкциями узла. Поэтому втулка может являться отдельным или встроенным компонентом узла, принимаемого валом. Согласно изобретению, это лишь вопрос конструкции фактического соединения между валом с одной стороны и втулкой с другой стороны. Изобретение может варьироваться в нескольких отношениях. Рабочее название «полигональное соединение» очень широко относится к некруглым соединениям, а именно к симметричным или асимметричным полигонам, эллипсам, типам зубчатого зацепления, утолщениям и подобным некруглым конструкциям. Термин «радиальное плечо» обозначает, по меньшей мере, один ступенеобразный радиальный перепад. Разные ступеньки могут объединяться друг с другом, а именно цилиндрические, конические, коническая-коническая, цилиндрическая-цилиндрическая и т.п. Переходные ступеньки или плечи могут быть радиальными, закругленными, коническими и т.п. Также здесь в изобретение включаются все комбинации.

Более того, достаточно, если радиальное плечо формируют на одной из взаимодействующих деталей. В зависимости от случая применения плечи можно формировать последовательно с соответствующими припусками, чтобы вызвать оптимальные условия усилия.

Наконец, согласно изобретению может быть предусмотрено, чтобы последовательные полигоны проходили со смещением вокруг продольной оси вала. В простом вообразимом случае пятиугольного полигона, например, вторая ступенька полигона, следующая за первой ступенькой полигона, может быть смещена на очень маленький угол. Это приводит к дальнейшим улучшениям в том, что касается передачи усилия.

Другие преимущества и особенности станут видны из следующего описания при помощи фигур, на которых:

фиг.1 показывает схематическое изображение соединения типа «вал-втулка» согласно существующему уровню техники;

фиг.1а показывает кривую распределения усилия по отношению к соединению типа «вал-втулка» согласно фиг.1;

фиг.2 показывает схематическое изображение соединения типа «вал-втулка» согласно изобретению;

фиг.2а показывает кривую распределения усилия по отношению к соединению типа «вал-втулка» согласно фиг.2;

фиг.3 показывает схематическое изображение соединения типа «вал-втулка» согласно изобретению по линии зрения III согласно фиг.2.

На фиг.1 показано соединение типа «вал-втулка», имеющее гнездо 2 втулки, образованное валом 1 и втулкой 5 узла, принимаемого гнездом втулки. Гнездо 2 втулки и втулка узла 5 образуют полигональное соединение, а именно гнездо 2 втулки имеет внешний контур, дающий полигональное поперечное сечение, при этом узел 5 включает приемник, который, например, представляет собой расточку и имеет внутренний контур, формируемый по отношению ко внешнему контуру гнезда 2 втулки так, чтобы соответствовать ему. Используемый полигональный профиль может, например, представлять собой пятиугольник. В основном, конечно, верно, что полигональный профиль, как некруглый профиль, может иметь столько углов, сколько соответствует потребности. Таким образом, изобретение не ограничивается пятиугольным полигональным профилем.

Как видно на изображении согласно фиг.1, гнездо 2 втулки и узел 5, принимаемый им, имеют одинаковую длину в продольном направлении 11 вала 1 или они имеют одинаковую ширину по отношению к плоскости листа согласно фиг.1. По отношению к плоскости рисунка согласно фиг.1 гнездо 2 втулки ограничено как с левой стороны, так и с правой стороны соответственно прилегающей областью 3 или прилегающей областью 4, при этом прилегающие области 3 и 4 имеют круглое поперечное сечение в отличие от гнезда 2 втулки.

Соединение типа «вал-втулка», изображенное на фиг.1, - это соединение согласно уровню техники. Соединение типа «вал-втулка» согласно изобретению показано на фиг.2.

Как видно на изображении согласно фиг.2, гнездо 2 втулки включает два радиальных плеча 9 и 10 в показанном иллюстративном варианте осуществления так, что в итоге образуется трехступенчатое гнездо 2 втулки, имеющее три ступени I, II и III. Втулка узла 5 спроектирована в соответствии с многоступенчатой конструкцией гнезда 2 втулки согласно изобретению.

Отдельные ступеньки I, II и III гнезда втулки имеют одинаковую ширину по отношению к плоскости рисунка согласно фиг.2, а именно они имеют одинаковую длину по отношению к продольному направлению 11 вала 1.

Радиальное плечо 9, образующее вторую ступеньку II гнезда 2 втулки, выступает над ступенькой I гнезда 2 втулки в радиальном направлении, по меньшей мере, на несколько микрометров, вплоть до нескольких миллиметров, в зависимости от варианта осуществления и случая применения. Таким же образом, третья ступенька III, образованная радиальным плечом 10, выступает над второй ступенькой II гнезда 2 втулки, что обеспечивается радиальным плечом 9 в радиальном направлении.

Фиг.3 показывает соединение типа «вал-втулка» по линии зрения III согласно фиг.2. В этом изображении хорошо видны отдельные радиальные плечи 9 и 10, или отдельные ступеньки I, II и III гнезда втулки. Это изображение, в частности, показывает, что гнездо 2 втулки образует пятиугольный полигональный профиль, тогда как прилегающие области 3 и 4, которые примыкают к гнезду 2 втулки с левой и с правой стороны относительно изображения согласно фиг.2, имеют круглые поперечные сечения.

В случае, когда усилие нагрузки действует на узел 5 с правой стороны узла относительно плоскости рисунка согласно фиг.2, как это показано стрелкой, обозначающей усилие F, вал 1 будет подвергаться напряжению в области гнезда 2 втулки, как иллюстративно показано на фиг.2а. Фиг.2а показывает диаграмму, которая показывает распределение 8 усилия и напряжения в области гнезда 2 втулки вала 1, при этом усилие, прикладываемое к валу 1, откладывается как ось у 7 по осевой протяженности гнезда 2 втулки согласно оси х 6. Как раскрывает эта диаграмма, результаты продвижения 8 усилия или напряжения, по отношению к плоскости рисунка согласно фиг.2, увеличиваются от левой стороны к правой стороне в зависимости от ступеньки I, II и III гнезда 2 втулки. Максимальная нагрузка соответственно достигается с правой стороны каждой ступеньки I, II и III гнезда 2 втулки по отношению к плоскости рисунка согласно фиг.2.

Здесь следует подчеркнуть, что фигуры 1а и 2а служат только для иллюстрации объяснений и не должны быть каким-либо образом научно технически корректными.

Пики усилия, более того, определяют среднее усилие, примерно соответствующее среднему значению между 0 и F_mах. Это среднее усилие является инструментом для измерения эффективности соединения типа «вал-втулка», и это среднее значение прочерчено пунктирной линией.

Результатом соединения типа «вал-втулка», согласно уровню техники, является распределение 8 усилия или напряжения, показанное на фиг.1а. Сравнение диаграмм согласно фиг.1а и фиг.2а показывает, что любое усилие, полностью прикладываемое к гнезду 2 втулки, является одинаково высоким, однако распределение усилия с учетом максимального действующего усилия на отдельные ступеньки I, II и III гнезда 2 втулки достигается по конструкции согласно изобретению. Или, наоборот, соединение типа «вал-втулка» согласно изобретению может больше нагружаться и может передавать большее среднее усилие. Это приводит к тому, что в результате в варианте осуществления согласно изобретению, на вал 1 действует сниженная до минимума Iмаксимальная нагрузка по сравнению с уровнем техники, и это при прикладывании одинакового усилия. Снижение до минимума максимальной нагрузки достигается тем, что, согласно варианту осуществления согласно изобретению, максимальные усилия и/или напряжения распределяются на отдельные ступеньки I, II и III гнезда втулки. Благодаря этому распределению напряжения достигается улучшение в отношении контактной коррозии, а именно ее уменьшение, по сравнению с уровнем техники. Или же соединение типа «вал-втулка» согласно изобретению, может также считаться несомненно более эффективным, что означает, что оно является значительным усовершенствованием во всех отношениях.

Список позиционных обозначений

1 вал

2 гнездо втулки/соединение типа «вал-втулка»

3 прилегающая область

4 прилегающая область

5 узел

6 ось х

7 ось у

8 распределение усилия

9 радиальное плечо

10 радиальное плечо

11 продольное направление

I ступенька

II ступенька

III ступенька

F усилие

F_max максимальное усилие

Реферат

Соединение «вал-втулка» содержит гнездо (2) втулки, образованное валом (1) и втулкой узла (5), принимаемого гнездом втулки. Гнездо втулки и втулка реализуют полигональное соединение. Гнездо втулки имеет радиальные плечи (9, 10) в продольном направлении (11) вала c радиальными секциями (I, II, III). Гнездо втулки включает радиальный припуск по отношению к втулке, который отличается размером по отношению к отдельным радиальным секциям. Уменьшается значение максимального напряжения на валу, увеличивается срок службы соединения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула