Публикация
описывает конструкцию шарового шарнира с гибкими элементами, в том числе внутренним,
который является – аналогом ligamentum capitis femoris (LCF).
Шарнир с гибкими элементами
Заявка
на патент RU2014142675A
Изобретатели
Архипов Сергей Васильевич
Архипова Александра Сергеевна
2014-10-22 Заявление подал:
С.В. Архипов
2016-05-20
Публикация RU2014142675A
ФОРМУЛА
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Шарнир содержащий шаровой палец с
шаровой головкой, шейкой и стержнем, а также корпус с гнездом в котором
подвижно установлена шаровая головка и закреплена упруго-эластичным кольцом, а
с краем корпуса и стержнем соединен герметичный чехол, заполненный смазочной
жидкостью, отличающийся тем, что
на поверхности головки имеются продольные канавки, и, по меньшей мере, одно
углубление, а гнездо корпуса имеет фасонное углубление, которое соединено с
наружным краем корпуса каналом или канавкой, содержащими клапан, открытых в
полость ограниченную герметичным чехлом, а корпус и шаровой палец, соединены
гибкими элементами, которые могут располагаться внутри чехла, снаружи от него,
либо с ним соединены, причем один или более гибкий элемент соединен одним
концом с углублением на головке, а другим концом с фасонным углублением гнезда
корпуса, кроме этого длина гибких элементов может регулироваться в процессе
эксплуатации шарнира, а головка закреплена в гнезде с возможностью вращения, поворота
и продольного люфта, а шейка может располагаться под углом к стержню, имеющему
фасонную форму.
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область
техники, к которой относится изобретение.
Предлагаемое
техническое решение относится к транспортному машиностроению и может быть
использовано в конструкциях подвесок и рулевого управления транспортных средств
различного назначения, а также при изготовлении манипуляторов роботов и
педипуляторов шагающей техники.
Уровень
техники.
В
настоящее время шарнирные опоры транспортных средств содержат корпус, палец с
шарнирной головкой, в отдельных конструкциях имеется вкладыша и чехол,
герметизирующий пару трения. Вкладыш обычно располагается между шаровой
головкой и корпусом. Нагрузка от кузова транспортного средства на шасси либо от
рулевой тяги на подвеску передается через шарнир. Как правило, шарнирные опоры
транспортных средств и шарниры рулевого управления транспортных средств,
представляют собой сферические шарниры. Шаровая головка подобного шарнира
заключена в корпусе с возможностью поворота и вращения. Подобные виды движений
необходимы и при конструировании манипуляторов роботов и педипуляторов шагающей
техники. Вместе с тем, учитывая особенности их функционирования, имеется
необходимость ограничения движений в отдельных плоскостях.
Известен шаровой
шарнир с ограниченным ходом, содержащий образующий гнездо корпус с отверстием,
нижний подшипник, верхний вкладыш и шаровой палец, имеющий головку, шейку и
стержень. Головка расположена в гнезде между нижним подшипником и вкладышем с
возможностью перемещения, а стержень выходит наружу корпуса через его
отверстие, при этом шейка образует сужение между головкой и стержнем. На уровне
своего отверстия корпус содержит, по меньшей мере, одну опорную поверхность,
выполненную с возможностью контакта со стержнем шарового пальца для ограничения
его отклонения в этом направлении [1].
Однако известный
шаровой шарнир с ограниченным ходом имеет следующие недостатки: имеется вероятность
рушения края корпуса и стержня при максимальных амплитудах отклонения в
шарнире, кроме этого, в шарнире не предусмотрено постоянное присутствие смазочной
жидкости, а между трущимися поверхностями могут попадать инородные тела,
увеличивающие трение в шарнире и приводящие к преждевременному повреждению и
износу поверхностей пары трения.
Известна шаровая опора
транспортного средства, которая содержит корпус, палец с шаровой головкой,
вкладыш, расположенный между шаровой головкой и корпусом, причем на поверхности
головки расположена смазка, а шаровая головка на своей поверхности содержит две
области твердость одной из них меньше твердости другой области, причем палец с
шаровой головкой выполнен с возможностью вращения относительно продольной оси
пальца при отклоненном угловом положении пальца относительно продольной оси
шаровой опоры [2].
Известная шаровая опора
транспортного средства
имеет следующие недостатки: в конструкции не предусмотрена циркуляция смазочной
жидкости и ее эффективная подача область соприкосновения трущихся поверхностей,
а между трущимися поверхностями могут попадать инородные тела, увеличивающие
трение в шарнире и приводить к преждевременному повреждению поверхностей пары
трения.
Известен шаровой
шарнир, внутренняя поверхность вкладыша которого выполнена в виде двух
сопряженных через переходной элемент полусфер, первая внутренняя сферическая
поверхность со стороны торца вкладыша соответствует сферической поверхности
головки шарового пальца и сопряжена с внутренней поверхностью элемента через
фаску или галтель со скругленными углами, а вторая сферическая внутренняя
поверхность контура упругих элементов, в исходном состоянии, без установленной
во вкладыш головки выполнена с определенным радиусом, а внутренняя поверхность
элемента эквидистантна наружной поверхности вкладыша с конструктивным
образованием горизонтальной смазочной канавки, а на внутренней поверхности
вкладыша выполнены меридиональные смазочные канавки, переходящие в радиальные
прорези боковой поверхности и в осевые прорези торцевой поверхности [3].
Известный шаровой
шарнир
имеет следующие недостатки: между трущимися поверхностями могут попадать
инородные тела, увеличивающие трение в шарнире и приводить к преждевременному
повреждению поверхностей пары трения, а шаровая головка недостаточно надежно
закреплена в корпусе шарнира.
Известен
сферический шарнир содержащий корпус со сферической внутренней поверхностью,
палец с шаровой головкой, установленный в корпусе, и два вкладыша, первый
вкладыш расположен со стороны пальца, а второй вкладыш полусферической формы
расположен со стороны, противоположной пальцу. Второй вкладыш имеет сплошную
наружную поверхность и выполнен с толщиной, превышающей 1/3 радиуса сферы
пальца, и снабжен обоймой, установленной в кольцевой выточке корпуса с зазором
«h» и выполняющей роль фиксирующего элемента, кроме этого, сферический шарнир
снабжен чехлом защитным выполненным из эластичного материала, а в месте контакта
чехла с пальцем чехол армирован металлическим кольцом [4].
Известный
сферический шарнир имеет следующие недостатки: в шарнире не предусмотрена
компенсация продольных нагрузок, которые могу привести к преждевременному
разрушению шарнира, а также отсутствует механизм ограничение амплитуды движений
шарового пальца.
Известно
сочленение для соединения продольной стороны с верхней стороной конструктивных
элементов которое содержит, по меньшей мере, две взаимодействующие ленты, которые своими
первыми концами закреплены соответственно на различных, расположенных
противоположно друг к другу сторонах первого конструкционного элемента и своими
вторыми концами закреплены соответственно на зажимном элементе, расположенном
на втором конструкционном элементе, причем взаимодействующие ленты в области
между конструкционными элементами пересекают продольную среднюю ось первого
конструкционного элемента в противоположных направлениях, а сочленение содержит
также расположенный, по меньшей мере, на одном зажимном элементе опорный
элемент для опоры первого конструкционного элемента, кроме этого ленты сбоку от
опорного элемента перекрещиваются друг с другом в осевом направлении и
закреплены между зажимным элементом и вторым конструкционным элементом [5].
Известное
сочленение для соединения продольной стороны с верхней стороной конструктивных
элементов имеет следующие недостатки: в данном сочленении не предусмотрена
компенсация продольных нагрузок, а также отсутствует возможность вращательных
движений.
Наиболее
близким к заявляемому техническому решению, взятому в качестве прототипа,
является техническое решение, в котором шаровой шарнир для транспортного
средства имеет корпус и шаровой палец, шаровая головка которого установлена во
вкладыше опоры с возможностью вращения и поворота, а вкладыш опоры имеет
снабженную выемками и пластически деформированную для образования вкладыша
опоры или составной части вкладыша опоры полосу листового металла, а для защиты
внутренних конструктивных деталей шарнира от проникновения загрязнений или
влаги, шаровой шарнир имеет уплотнительный сильфон, закрепленный посредством
зажимного кольца на наружной поверхности корпуса, а противоположный конец
уплотнительного сильфона фиксируется зажимным кольцом на шаровом пальце [6].
Известный шаровой
шарнир имеет следующие недостатки: амплитуда движения в данном шарнире
ограничена краями вкладыша опоры и не может изменяться в процессе эксплуатации,
кроме этого, в конструкции шарнира не предусмотрена циркуляция смазочной жидкости
и ее эффективная подача в область соприкосновения трущихся поверхностей.
Задачей,
на
решение
которой
направлено
изобретение
является:
создание
шарнира,
в
котором
имеются
элементы,
произвольно
ограничивающие
амплитуду
движений
в
процессе
функционирования,
обеспечиваются
условия
для
циркуляции
смазочной
жидкости
и
гидродемпфирования
пары
трения,
а
также
снижения
удельной
нагрузки
на
трущиеся
поверхности
и
приводы.
Поставленная
задача решена в шарнире с гибкими элементами, в частности подвески и рулевого управления
транспортных средств различного назначения, манипуляторов роботов и
педипуляторов шагающей техники, содержащий
шаровой палец с шаровой головкой, шейкой и стержнем, а также корпус с гнездом,
в котором подвижно установлена шаровая головка и закреплена упруго-эластичным
кольцом, а с краем корпуса и стержнем соединен герметичный чехол, заполненный
смазочной жидкостью, причем на поверхности головки имеются продольные канавки,
и, по меньшей мере, одно углубление, а гнездо корпуса имеет фасонное углубление,
которое соединено с наружным краем корпуса каналом или канавкой, содержащими
клапан, открытых в полость ограниченную герметичным чехлом, а корпус и шаровой
палец, соединены гибкими элементами, которые могут располагаться внутри чехла,
снаружи от него, либо с ним соединены, причем один или более гибкий элемент
соединен одним концом с углублением на головке, а другим концом с фасонным
углублением гнезда корпуса, кроме этого длина гибких элементов может
регулироваться в процессе эксплуатации шарнира, а головка закреплена в гнезде с
возможностью вращения, поворота и продольного люфта, а шейка может
располагаться под углом к стержню, имеющему фасонную форму
Соединение
корпуса шарнира со стержнем посредством гибких элементов позволяет ограничивать
амплитуду движений, а изменение их длины в процессе эксплуатации, например,
путем натяжения их шаговыми двигателями, позволит не только произвольно изменять
амплитуду движений, но также стопорить шарнир в определенных положениях, что
позволит снизить нагрузку на приводы порождающие движения в шарнире.
Наличие
продольных канавок на поверхности головки обеспечит не только «затягивание»
смазочной жидкости между трущимися поверхностями, но и обеспечит поступление
смазочной жидкости из гнезда корпуса в область, ограниченную герметичным чехлом
и обратно для ее обновления и вывода из гнезда шарнира продуктов износа пары
трения.
Установка
головки в гнезде с возможностью вращения, поворота, и продольного люфта в
совокупности со смазочной жидкостью, позволит создать эффект гидродемпфирования
шарнира.
Под
действием веса подвески транспортного средства, во время его движения по
неровной поверхности, головка будет частично извлекаться из гнезда корпуса, до
предела ограниченного упруго-эластичным кольцом и гибкими элементами,
соединяющими корпус шарнира и стержень шарового пальца. При этом, смазочная
жидкость через клапан установленный в канавке или канале корпуса будет устремляться
из области, ограниченной герметичным чехлом в гнездо шарнира благодаря
присасывающему эффекту. В результате смазочная жидкость заполнит гнездо и фасонное
углубление гнезда шарнира, а также зазор, образовавшийся между поверхностями
пары трения. Под действием массы транспортного средства, головка будет
устремляться в обратном направлении, в гнездо корпуса шарнира, при этом
имеющаяся в гнезде шарнира смазочная жидкость, не имея возможности
беспрепятственно выйти из гнезда по канавке или каналу корпуса, снабженного
клапаном, явится своего рода «гидроподушкой», и будет постепенно оттекать из
гнезда корпуса шарнира по канавкам, имеющимся на поверхности головки в область,
ограниченную герметичным чехлом.
Наличие
в гнезде шарнира фасонного углубления не только позволит беспрепятственно
функционировать и перемещаться внутри шарнира одному или более гибких
элементов, но также исключит перегрузку дна гнезда шарнира, то есть
предотвратит концентрацию напряжений, обеспечивая распределение давления
головки на гнездо по периферии фасонного углубления, то есть на значимо большую
по площади поверхность. Это снизит удельное давление, увеличит срок
безотказного функционирования шарнира, уменьшить скорость износа пары трения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется представленными иллюстрациями:
Фиг. 1 – Вид шарнира с гибкими элементами в разрезе.
Фиг. 2 – Вид изготовленных из металла основных
элементов шарнира с гибкими элементами.
Фиг. 3 – Испытательный стенд с шарниром с гибкими
элементами.
Фиг. 4 – Траектория движения полезной нагрузки
испытательного стенда с шарниром с гибкими элементами.
Согласно предпочтительному варианту
изготовления по фиг. 1-2, шарнир с гибкими элементами содержит корпус 1,
выполненный, например, из металла, шаровой палец 2, выполненный, например, из
металла, содержащий шаровую головку 3, расположенную под углом к стержню 5, фасонной
формы, шейку 4, а корпус 1, содержит гнездо 6, в котором установлена шаровая головка
3, и закреплена упруго-эластичным кольцом 7, выполненным, например, из
пружинистой стали, причем головка 3, имеющая возможность вращения и поворота, а
также люфта вдоль продольной оси гнезда 6, корпуса 1, кроме этого шаровая головка
3, имеет на своей поверхности продольные канавки (не показаны) числом одна или
более, расположенных вдоль меридианов шаровой головки 3, и углубление 8, а
корпус 1, соединен со стержнем 5, шарового пальца 2, гибким герметичным чехлом
9, выполненным, например, из резины, который отграничивает от внешней среды
полость 10, шарнира, которая содержит смазочную жидкость 11, например, машинное
масло, которое по продольным канавкам головки 3, может поступать в гнездо 6,
имеющего фасонное углубление 12, также заполненное смазочной жидкостью 11,
причем, фасонное углубление 12, сообщается с полостью 10, шарнира, канавкой или
каналом 13, в котором установлен клапан 14, ближе к наружному краю 15, корпуса
1, препятствующий движению смазочной жидкости 11, из фасонного углубления 12,
гнезда 6, корпуса 1, в полость 10, шарнира, и свободно пропускающим смазочную
жидкость 11, в обратном направлении, кроме этого, корпус 1, и шаровой палец 2,
например, его стержень 5, соединены гибкими элементами 16, числом один или
более, выполненными, например, из металлического троса, которые могут
закрепляться, например, винтами 17, 18, причем, гибкие элементы 16, могут располагаться внутри чехла 9, снаружи от него, либо с
ним соединены, а один или более гибкий элемент 19, выполненный,
например, из металлического троса,
соединен одним концом с углублением 8, шаровой головки 3, а другим концом 20, с фасонным углублением 12,
гнезда 6, корпуса 1, Причем размеры и форма фасонного
углубления 12, гнезда 6, корпуса 1, позволяют беспрепятственно перемещаться в
нем гибкому элементу 19, при вращении, повороте и продольном люфте шаровой головки
3, шарового пальца 1, кроме этого,
длина гибких элементов 16 и 19, может изменяться в процессе эксплуатации
шарнира, что может достигаться тем, что один из концов гибких элементов 16 и
19, например конец 20, гибкого элемента 19, будучи проведенным через отверстие
21, соединяется, например, с валом, например, шагового двигателя (не показан).
Предлагаемое техническое решение может быть использовано в конструкциях подвесок и рулевого управления транспортных средств различного назначения, а также при изготовлении манипуляторов роботов и педипуляторов шагающей техники. При вращении вала шагового двигателя на него будет наматываться избранный гибкий элемент 16 или 19, что будет приводить к его укорочению, а при вращении вала шагового двигателя в обратном направлении гибкий элемент 16 или 19, будет удлиняться. Укорочение гибких элементов 16 и 19 будет приводить к уменьшению амплитуды возможных движений шарового пальца 2, в гнезде 6, корпуса 1, шарнира, а также препятствовать соударению шейки 4, шарового пальца 2, с наружным краем 15, корпуса 1. Кроме этого укорочение гибких элементов 16 и 19, будет приводить к уменьшению возможного продольного люфта шаровой головки 3, в гнезде 6, корпуса 1, который также будет ограничивать упруго-эластическое кольцо 7. Под действием нагрузки направленной от корпуса 1, и приложенной по оси шейки 4, шарового пальца 2, шаровая головка 3, благодаря имеющемуся люфту, будет ограниченно выходить из гнезда 6, корпуса 1. За счет возникающего разряжения в гнезде 6, корпуса 1, в него будет перетекать смазочная жидкость 11, из полости 10, шарнира, преимущественно через канавку или канал 13, которым снабжен корпус 1. При действии нагрузки вдоль шейки 4, шарового пальца 2, в направлении к корпусу 1, шаровая головка 3, будет перемещаться в гнездо 6, при этом смазочная жидкость 11, будет выдавливаться из гнезда 6, в полость 10, шарнира, ограниченную гибким герметичным чехлом 9, по продольным канавкам, имеющимся на поверхности шаровой головки 3, и щелевидному зазору между шаровой головкой 3, и гнездом 6. Указанное будет способствовать гидродинамическому демпфированию в шарнире, циркуляции смазочной жидкости 11, оптимальному смазыванию узла подвижности шарнира. Благодаря предложенному шарниру с гибкими элементами, длина которых произвольно регулируема, имеется возможность стопорить шарнир в избранном положении, а также изменять траекторию движения корпуса и шарового пальца. Изучение свойств, предлагаемого шарнира с гибкими элементами проведено на специально сконструированном испытательном стенде (см. фиг. 3). Отмечено, что при движениях в шарнире с гибкими элементами, при их натяжении, общий центр масс перемещается не по дуге, как обычно в шаровых шарнирах, а по траектории напоминающей участок нисходящей спирали (см. фиг. 4), что может быть использовано, например при конструировании шагающей техники и роботов.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2466306, от
28.10.2008 г., МПК F16C 11/06
2. Патент РФ №2439386, от 24.01.2008 г., МПК F16C 11/06
3. Патент РФ №2440517, от 24.08.10 г., МПК F16C 11/06
4. Патент РФ №2362920, от 14.01.2008 г., МПК F16C 11/06
5. Патент РФ №2305051, от 20.01.2003 г., МПК F16C 11/12
6. Патент РФ №2499919, от
11.08.2009 г., МПК F16C 11/06
Цитирование:
Архипов
СВ, Архипова АС. Шарнир с гибкими элементами. Заявка на изобретение №2014142675
(068934) от 22.10.2014. [patents.google]
Ключевые
слова:
связка головки бедра, круглая связка, шарнир, шаровой шарнир, шарнир с гибкими элементами, ligamentum capitis femoris, ligamentum teres
Механика и робототехника