Публикация описывает конструкцию стенда для испытания шарниров с гибкими элементами, в том числе шаровых, которые содержат внутренний гибкий элемент – аналог ligamentum capitis femoris (LCF).
СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ШАРОВЫХ ШАРНИРОВ
Заявка на патент RU2015102125A
Изобретатели
Архипов Сергей Васильевич
Архипова Александра Сергеевна
2015-01-23 Заявление подал: С.В. Архипов
2016-08-10 Публикация RU2015102125A
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров, содержащий станину с опорными элементами и устройством для закрепления пальца шарнира, одного или более приводов для создания рабочих движений, двигатель, приводной вал, корпус с держателями шарнира и грузовой балкой с подвижно закрепленной на ней нагрузкой, ОТЛИЧАЮЩИЙСЯ тем, что палец шарнира соединен со станиной шарниром с фиксатором и устройством для регулирования положения, а гнездо шарнира соединено с корпусом с возможностью закрепления в различных положениях, приводы для создания рабочих движений с регулируемой длиной подвижно соединены с корпусом и пальцем шарнира и содержат устройства для измерения силы, кроме этого корпус подвижно соединен с подвижной опорой с регулируемой высотой, причем шарнир может быть снабжен одним или более гибким нерастяжимым элементом, расположенных как снаружи, так и внутри шарнира, а корпус, гнездо шарнира и палец шарнира имеют элементы для крепления их концов и содержат тензометрические датчики, гибкие нерастяжимые элементы внутри шарнира могут быть соединены одним концом с головкой, а другим с фасонной выточкой, выполненной на внутренней поверхности гнезда шарнира, в фасонной выточке может быть установлена оптическая система и тензометрические датчики, коме этого тензометрические датчики могут быть расположены на поверхности головки шарнира и контактирующей с ней внутренней поверхности гнезда шарнира, а со станиной соединены две вертикально расположенные плоские поверхности с масштабно-координатной сеткой, образующие с верхней поверхностью станины трехмерную систему координат, причем на корпусе, пальце шарнира, нагрузке и подвижной опоре могут быть расположены источники электромагнитного излучения для регистрации изменения положения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытаний шаровых и цилиндрических шарниров, а также их конструктивных элементов, например прочностных свойств головки шарнира или гнезда шарнира, измерения амплитуды возможных движений в шарнире и действующих в нем усилиях с имитацией эксплуатационных нагрузок и движений.
Уровень техники.
При проведении испытаний большое значение имеет точный учет всех действующих в реальных условиях движения силовых факторов, моментов сил амплитуд возможных движений. В этих целях предложен испытательный стенд для подвески передней оси автомобиля, на котором проводились испытания передних подвесок легковых автомобилей, содержащий измерительный комплект, состоящий из диска, тормозного устройства, системы рычагов, датчиков, с соответствующей коммутационной аппаратурой, и приводного двигателя, создающего при помощи процессора необходимый тормозной момент и соответствующие усилия, учет которых повышает точность измерений [1].
Возможность испытаний шаровых и цилиндрических шарниров, а также их конструктивных элементов, например, прочностных свойств головки шарнира или гнезда шарнира, их износостойкости, измерения амплитуды возможных движений в шарнире и действующих в нем усилиях с имитацией эксплуатационных нагрузок и движений позволит увеличить срок службы шарниров и их элементов, а также повысить безопасность человека при их использовании в транспортных средствах.
Известен испытательный стенд, состоящий из неподвижной станины, установленной на фундаменте, горизонтально расположенной балки с перемещающимся по ней грузом, один конец которой шарнирно закреплен таким образом, чтобы свободный конец балки мог перемещаться в вертикальной плоскости, и рычага, расположенного перпендикулярно или параллельно оси горизонтальной балки оси горизонтальной балки, а один конец рычага закреплен на оси неподвижной станины стенда, а другой крепится, к качающейся серьге горизонтальной балки посредством гибкой проставки, причем расстояние от серьги балки до шарнира постоянное, расстояние от груза, расположенного на горизонтальной балке, до шарнира переменное [2].
Недостатком указанного стенда является отсутствие в конструкции устройств для измерения величины давления головки шарнира на гнездо шарнира в условиях реальной эксплуатации, а также возможности измерения амплитуды отклонения при движениях в шарнире.
Известен ротационный испытательный стенд, содержащий основание, двигатель собственного вращения, установленный в трехстепенном кардановом шарнире, приводящий во вращение вал, на одном конце которого установлен стол для закрепления испытуемого изделия, а также содержащий механизмы большого и малого конических движений [3].
Недостатком данной ротационной испытательной установки шарнира, обеспечивающей воспроизведение сложных пространственных перегрузок, является отсутствие возможности измерения и регулировки амплитуды отклонения при движениях в шарнире.
Известен стенд для испытания резинометаллического шарнира, содержащий механизмы нагружения закручиванием и радиальным усилием, элемент для установки испытываемого шарнира и измерительное устройство, выполненное в виде системы мотор-весы, содержащий механизм нагружения радиальным усилием выполнен в виде пружинного динамометра [4].
Недостатком указанного стенда является отсутствие в конструкции системы позволяющей регистрировать амплитуду совершающихся движений.
Известен стенд для ресурсных испытаний упругих муфт, содержащий расположенный на станине электродвигатель, приводной вал, соединенный с электродвигателем посредством муфты, технологический карданный шарнир с полой крестовиной, нагружатель статического момента, состоящий из рычагов, подвижную рамку, один свободный которой соединен последовательно через упругий элемент и тягу переменной длины, а на два других конца содержат дополнительные грузы, имеющие возможность перемещения относительно оси качания подвижной рамки [5].
Недостатком указанного стенда является отсутствие в конструкции системы позволяющей регистрировать амплитуду совершающихся движений, а также датчиков величины давления головки шарнира на гнездо шарнира при воспроизведении условий реальной эксплуатации.
Стенд для испытаний карданных передач, содержащий станину, неподвижные опоры, карданный шарнир, нагружатель, электродвигатель для вращения испытываемой карданной передачи и технологического карданного шарнира, гидроцилиндр для создания угла излома в испытываемой карданной передаче [6].
Недостатком указанного стенда является отсутствие в конструкции приводов устройств для измерения силы и величины давления головки шарнира на гнездо шарнира в условиях реальной эксплуатации, а также системы позволяющей регистрировать амплитуду совершающихся движений.
Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому стенду, является, стенд для испытаний шаровых шарниров, выбранный за прототип, является стенд, содержащий силовую раму с опорными элементами для закрепления пальца шарнира, два силовых привода для создания динамического воздействия на шаровые шарниры в продольном и поперечном направлениях относительно оси пальца, два привода создания рабочих движений - поворота пальца и качания корпуса шарнира, а также механизм качания корпусов шарниров выполненный в виде траверсы с посадочными местами, при этом опорами качания траверсы служат сферы испытываемых шарниров, а центры сфер шарниров находятся на одной линии с осью узла развязки [7].
Недостатком указанного стенда является не возможность нагрузки испытуемого узла асимметричным усилием, отсутствие в конструкции приводов устройств для измерения силы и величины давления головки шарнира на гнездо шарнира в условиях реальной эксплуатации.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является: создание стенда для испытания цилиндрических и шаровых шарниров, с возможностью нагрузки испытуемого узла асимметричным усилием, наличие в конструкции приводов устройств для измерения усилий, развиваемых приводами, прочностных свойств головки шарнира или гнезда шарнира, их износостойкости, датчиков для измерения величины давления на головку шарнира и гнездо шарнира в условиях близких реальной эксплуатации, системы позволяющей регистрировать амплитуду совершающихся в шарнире движений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что содержащий станину с опорными элементами и устройством для закрепления пальца шарнира, одного или более приводов для создания рабочих движений, двигатель, приводной вал, корпус с держателями шарнира и грузовой балкой с подвижно закрепленной на ней нагрузкой, кроме этого палец шарнира соединен со станиной шарниром с фиксатором и устройством для регулирования положения, а гнездо шарнира соединено с корпусом с возможностью закрепления в различных положениях, приводы для создания рабочих движений с регулируемой длиной подвижно соединены с корпусом и пальцем шарнира и содержат устройства для измерения силы, кроме этого корпус подвижно соединен с подвижной опорой с регулируемой высотой, причем шарнир может быть снабжен одним или более гибким нерастяжимым элементом, расположенных как снаружи, так и внутри шарнира, а корпус, гнездо шарнира и палец шарнира имеют элементы для крепления их концов и содержат тензометрические датчики, гибкие нерастяжимые элементы внутри шарнира могут быть соединены одним концом с головкой, а другим с фасонной выточкой, выполненной на внутренней поверхности гнезда шарнира, в фасонной выточке может быть установлена оптическая система и тензометрические датчики, коме этого тензометрические датчики могут быть расположены на поверхности головки шарнира и контактирующей с ней внутренней поверхности гнезда шарнира, а со станиной соединены две вертикально расположенные плоские поверхности с масштабно-координатной сеткой, образующие с верхней поверхностью станины трехмерную систему координат, причем на корпусе, пальце шарнира, нагрузке и подвижной опоре могут быть расположены источники электромагнитного излучения для регистрации изменения положения.
Предлагаемый стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров, позволит проводить испытания как целых шарниров так и в отдельности их составных элементов: шарнирной головки, гнезда шарнира при выполнении их из различных материалов, в стенде предусмотрена возможность испытания шарниров содержащих гибкие элементы расположенные как внутри, так и снаружи шарнира, предусмотрена возможность нагрузки испытуемого узла асимметричным усилием, наличие в конструкции приводов устройств для измерения силы, датчиков для измерения величины давления на головку шарнира и гнездо шарнира в условиях близких реальной эксплуатации, системы позволяющей регистрировать амплитуду совершающихся в шарнире движений, указанное позволит увеличить срок службы шарниров и их элементов, а также повысить безопасность человека при их использовании в транспортных средствах за счет снижения аварийности.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется представленными иллюстрациями:
Фиг. 1 – Вид шарнира с гибкими элементами в разрезе.
Фиг. 2 – Стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров.
Фиг. 3 – Траектория движения нагрузки при испытании одного из вариантов исполнения шарового шарнира с гибкими элементами.
Согласно предпочтительному варианту изготовления по фиг. 1-2, стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров содержит станину 1, выполненную, например, из фанеры, с опорными элементами 2, например, в виде резиновых ножек, устройством для закрепления 3, пальца 4, фасонной формы, шарнира 5, в представленном варианте, например, шарового, причем устройство для закрепления 3, пальца 4, шарнира 5, на станине 1, представляет собой карданный шарнир 6, с фиксатором 7, например болтом с гайкой 8, и устройством для регулирования положения 9, выполненным, например, в виде резьбового стержня 10, с гайками 11, посредством которых можно регулировать наклон пальца 4, и дополнительно закреплять его в избранном положении, стенд содержит один или более приводов 12, для создания рабочих движений в шарнире 5, содержащих отсоединяемый электродвигатель 13, а также, например, гибкий приводной вал 14, соединенный с полой резьбовой втулкой 15, в которую ввинчен резьбовой стержень 16, причем привод 12, для создания рабочих движений с регулируемой длиной подвижно соединен с корпусом 17, и пальцем 4, шарнира 5, и содержит устройство для измерения силы 18, например, динамометра 19, с одной стороны соединенного с резьбовым стержнем 16, привода 12, а другим с корпусом 17, выполненным, например, из органического стекла, соединенным с гнездом 20, выполненным, например, из металла, шарнира 4, причем, гнездо 20, шарнира 5, может закрепляться в избранном положении держателями 21, например, винтами или зажимами, кроме этого корпус 17, соединен, например, посредством болта, с грузовой балкой 22, например расположенной на задней стороне корпуса 17, с подвижно закрепленной на грузовой балке 22, нагрузкой 23, например, подвешенной на цепи к одному из отверстий грузовой балки 22, кроме этого корпус 17, подвижно, например, посредством шарового шарнира (не показан), соединен с подвижной опорой 24, с регулируемой высотой, представляющей собой каретку 25, снабженную колесами 26, на которой установлен стержень 27, и подвижно соединенные планки 28, в виде ромба, сближение его горизонтально расположенных соединений 29, снабженных резьбовыми втулками 30, например, посредством резьбового стержня 31, приводимого во вращение электродвигателем 13, снабженного гибким приводным валом 32, сближение горизонтально расположенных соединений 29, приводит к подъему над станиной 1, корпуса 17, что уменьшает нагрузку на шарнир 5, который может быть снабжен одним или более гибким нерастяжимым элементом 33, например, выполненным из металлического троса, расположенными снаружи от шарнира 5, соединяющих концы, которых прикреплены с одной стороны к пальцу 4, шарнира 5, а с другой стороны к гнезду 20, и / или к корпусу 17, а внутри шарнира 5, может располагаться один или более гибкий нерастяжимый элемент 34, выполненный, например, из металлического троса, в выполненной, на внутренней поверхности гнезда 20, шарнира 5, фасонной выточке 35, одним концом 36, один или более гибкий нерастяжимый элемент 34, соединяется элементами крепления 37, например винтом, с головкой 38, подвижно установленной в гнезде 20, шарнира 5, а другим концом, с гнездом 20, посредством специального зажима или винта, будучи пропущенным через отверстие 39, в дне фасонной выточки 35, кроме этого в дне гнезда 20, шарнира 5, может быть выполнено технологическое отверстие 40, для введения в фасонную выточку 35, оптической системы, для наблюдения за изменениями поверхности головки 38, распределении по ней смазки, а так же для установки тензометрических датчиков, причем гибкие нерастяжимые элементы 33, 34, соединяются с корпусом 17, пальцем 4, или гнездом 20, шарнира 5, через, например, S-образные тензометрические датчики 41, для регистрации усилия возникающего в гибких нерастяжимых элементах 33, 34, при движениях в шарнире 5, кроме этого на внутренней поверхности гнезда 20, шарнира 5, в специально выполненных углублениях 42, могут располагаться, например, цилиндрические тензометрические датчики 43, для регистрации давления на гнездо 20, со стороны головки 38, причем тензометрические датчики могут, по аналогии приведенной выше, располагаться и на поверхности головки 38, шарнира 5, кроме этого со станиной 1, соединены две вертикально расположенные плоские поверхности 44, с масштабно-координатной сеткой, (показана одна расположенная во фронтальной плоскости), кроме этого подобная плоская поверхность с масштабно-координатной сеткой 45, может располагаться и на верхней поверхности 46, станины 1, при этом данные плоские поверхности 44, 45, с масштабно-координатной сеткой, образуют трехмерную систему координат, причем на корпусе 17, пальце 4, шарнира 5, нагрузке 23, и подвижной опоре 24, могут быть расположены источники электромагнитного излучения 47, например, лазерные указки, числом 1 или более, для регистрации изменения положения корпуса 17, пальца 4, шарнира 5, нагрузки 23, и подвижной опоры 24, при движениях в шарнире 5, источники электромагнитного излучения 47, например, лазерные указки направляют лучи на плоские поверхности 44, 45, с масштабно-координатной сеткой, при этом по изменению положения луча можно в реальном времени отслеживать изменение положения элементов конструкции стенда.
Например, при изучении свойств шарнира с гибкими элементами, на предложенном стенде для испытания цилиндрических и шаровых шарниров в условиях асимметричной нагрузки отмечено, что нагрузка 23, перемещается не по дуге, как обычно в шаровых шарнирах, а по траектории напоминающей участок нисходящей спирали (см. фиг. 3). Данную траекторию удалось уточнить путем нанесения на плоские поверхности 44, 45, с масштабно-координатной сеткой, проекции лучей источника электромагнитного излучения 47. Движения в шарнире 5, обеспечивались как путем изменения длины привода 12, а также путем изменения высоты подвижной опоры 24.
 |
| Фиг. 1 – Вид шарнира с гибкими элементами в разрезе. |
 |
| Фиг. 2 – Стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров. |
 |
| Фиг. 3 – Траектория движения нагрузки при испытании одного из вариантов исполнения шарового шарнира с гибкими элементами. |
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка ФРГ №4208014, от 13.03.1992, МПК G01M 17/01
2. Патент РФ №2467303, от 07.05.2010, МПК G01M99/00
3. Патент РФ №2190201, от 14.06.2000, МПК G01M7/00
4. Патент СССР №657302, от 27.09.1976, МПК G01M13
5. Патент РФ №2367922, от 22.04.2008, МПК G01M13/02
6. Патент РФ №2129710, от 21.02.1996, МПК G01M13/02
7. Патент РФ №2263889, от 29.12.2003, МПК G01M13
Цитирование:
Архипов СВ, Архипова АС. Стенд для испытания цилиндрических и шаровых шарниров. Заявка на изобретение №2015102125 (003265) от 23.01.2015. [patents.google]
Ключевые слова:
связка головки бедра, круглая связка, шарнир, шаровой шарнир, шарнир с гибкими элементами, ligamentum capitis femoris, ligamentum teres
Механика и робототехника