УПЛОТНЕНИЕ УЗЛА СОЧЛЕНЕНИЯ
JOINT ASSEMBLY SEAL

Область техники
Изобретение в целом относится к сжимаемому уплотнению для уплотнения механического соединения машины, в частности, к сухому пружинному уплотнению для создания уплотнения между двумя поворачивающимися элементами без их смазки.
Уровень техники
Машины обычно содержат подвижные соединения, в которых детали или элементы машины способны перемещаться или сочленяться шарнирами относительно друг друга. Одним из примеров может служить система рулевого управления и подвесная система внедорожной машины или транспортного средства, позволяющая колесам перемещаться относительно рамы для приведения в движение машины и/или управления. Например, типовая система рулевого управления машиной может включать в себя узел, называемый рулевой сошкой, который напоминает рычаг, шарнирно прикрепленный одним концом к рулевому механизму, рулевая колонка которого, функционально связана с рулевым колесом. Противоположный конец рулевой сошки соединен тягами с рулевыми рычагами, которые обычно связаны с передними колесами машины. При повороте водителем рулевого колеса для изменения направления движения машины, рулевая сошка поворачивается к одной или другой стороне машины, заставляя колеса поворачиваться или отклоняться относительно рамы.
Для предотвращения износа взаимосвязанных и перемещаемых деталей системы рулевого управления из-за взаимного трения, грязи и/или посторонних предметов, которые могут попасть в соединение, применяется смазочный материал, например консистентная смазка. Однако смазочные материалы в конечном итоге разлагаются или выдавливаются из соединения за счет перемещения элементов. Соответственно, данные соединения машины требуют пополнения смазочного материала, например, путем повторной смазки деталей. Это приводит к простою машины по причине плановых регламентных работ, к снижению производительности и тому подобное.
В дополнение или в качестве альтернативы использованию смазочных материалов для защиты соединений могут использоваться уплотнения. В некоторых случаях уплотнение способно препятствовать выдавливанию смазки из соединения, а в других случаях способствовать относительному перемещению деталей. Один пример уплотнения раскрыт в патенте США 4364572 («патент '572»), выданном автору Кабушики Кайша Комацу Сейсакушо, Япония. В патенте '572 описывается узел сочленения, который включает уплотнительное кольцо, имеющее изогнутый или волнообразный профиль поперечного сечения, которое описывается в патенте '572 как w-образное поперечное сечение, и способно плотно прилегать опорному кольцу. Уплотнительное кольцо и опорное кольцо помещены в паз, образованный между двумя различными узлами машины, которые соединяются вместе. Когда два узла прижимаются друг к другу, уплотнительное кольцо с изогнутым поперечным сечением частично охватывается и сжимается опорным кольцом, тем самым образуя уплотнение между компонентами. Настоящее изобретение относится к уплотнению, имеющему особый профиль поперечного сечения для уплотнения подвижных соединений машины.
Раскрытие изобретения
В одном варианте осуществления предлагается узел сочленения для соединения рычага с рамой машины. Узел сочленения включает в себя соединительный элемент рамы для крепления к раме машины. Соединительный элемент рамы имеет верхнюю первую опору, определяющую первое отверстие, и нижнюю вторую опору, определяющую второе отверстие, причем первая опора и вторая опора расположены на расстоянии друг от друга и соосны оси поворота. Узел сочленения также включает рычаг, имеющий первый конец и дальний второй конец, определяющие протяженность рычага. Втулка располагается на первом конце и определяет отверстие поперек протяженности рычага. Втулка находится между первой опорой и второй опорой, причем отверстие втулки соосно оси поворота первого отверстия и второго отверстия. Для шарнирного соединения рычага с первой и второй опорами через первое отверстие, второе отверстие и отверстие втулки проходит палец. Для уплотнения деталей узла, первое пружинное уплотнение располагается между втулкой и первой опорой, а второе пружинное уплотнение располагается между втулкой и второй опорой, причем оба пружинных уплотнения описывают окружность вокруг отверстие втулки. Первое пружинное уплотнение и второе пружинное уплотнение представляют собой кольцевое тело с W-образным поперечным сечением, имеющим первую ветвь со свободным концом и вторую ветвь со свободным концом, параллельную первой ветви со свободным концом и расположенную от нее на расстоянии, и пружинящую ветвь, соединяющую первую и вторую ветви со свободными концами, приспособленные для сохранения уплотняющего контакта с соединительным элементом рамы и втулкой.
В другом варианте осуществления, предлагается способ шарнирного соединения рычага с рамой машины. Способ предусматривает выполнение соединительного элемента рамы, который включает в себя первую опору, определяющую первое отверстие, и вторую опору, определяющую второе отверстие. Первая опора и вторая опора расположены на расстоянии друг от друга, при этом первые и вторые отверстия соосны оси поворота. Втулка выполнена на рычаге и располагается между первой опорой и второй опорой таким образом, что отверстие втулки соосно оси поворота. Способ дополнительно предусматривает первое пружинное уплотнение и второе пружинное уплотнение, каждое из которых имеет кольцевое тело с W-образным поперечным сечением. Первое пружинное уплотнение располагается между первой несущей поверхностью втулки и первой опорой, а второе пружинное уплотнение располагается между второй несущей поверхностью втулки и второй опорой, причем оба пружинных уплотнения описывают окружность вокруг отверстия втулки. В соответствии с данным способом первое пружинное уплотнение сжимается за счет перемещения в осевом направлении втулки в сторону первой опоры, с одновременным разжатием второго пружинного уплотнения и сохранением уплотняющего контакта между второй опорной поверхностью и второй опорой.
В еще одном варианте осуществления, предлагается пружинное уплотнение между плоской поверхностью первой детали и пазом, расположенным на второй детали. Пружинное уплотнение представляет собой кольцевое тело, описывающее окружность вокруг центральной оси и имеющее W-образное поперечное сечение, включающее в себя первую ветвь со свободным концом, вторую ветвь со свободным концом, расположенную на расстоянии и проходящую параллельно первой ветви со свободным концом, и пружинящую ветвь, соединяющую первую и вторую ветви со свободными концами. Первая кольцевая уплотняющая поверхность выполнена на первой ветви со свободным концом для обеспечения скользящего контакта с плоской поверхностью. Аналогичным образом вторая кольцевая уплотняющая поверхность выполнена на второй ветви со свободным концом для обеспечения скользящего контакта с дном паза. Дополнительно, кольцевое тело имеет высоту в разжатом состоянии между первой кольцевой уплотняющей поверхностью и второй кольцевой уплотняющей поверхностью, которая больше глубины паза.
Краткое описание чертежей
На рис. 1 представлен вид сбоку примерного внедорожного грузовика с самосвальным кузовом, включающего одно или несколько подвижных соединений в системе рулевого управления, которые могут использовать узел сочленения с уплотнением, выполненным в соответствии с данным изобретением.
На рис. 2 схематически представлен пример системы рулевого управления машиной, изображенной на рис. 1, включающей одно или несколько подвижных соединений, шкворни и тяги для поворота колес машины.
На рис. 3 представлен вид в перспективе снизу подвижного узла сочленения системы управления, который включает рычаг в виде рулевой сошки, шарнирно соединенной с рамой машины.
На рис. 4 представлено поперечное сечение подвижного узла сочленения в виде цилиндрического шарнира с пальцем, закрепляющим один конец рычага между первой опорой и второй опорой, выступающих от рамы машины, и с первым пружинным уплотнением и вторым пружинным уплотнением, способными осуществлять уплотнение узла сочленения в точках сопряжения рычага и первой и второй опор.
На рис. 5 показан вид сверху пружинного уплотнения, изображенного на рис. 4, которое представляет собой кольцевое тело, простирающееся в радиальном направлении вокруг оси поворота.
На рис. 6 представлен вид в поперечном разрезе пружинного уплотнения по линии 6-6, изображенного на рис. 5, показывающий W-образное поперечное сечение кольцевого тела на рисунке 6A, включающего первую и вторую ветви со свободными концами, соединенные вместе пружинящей ветвью.
На рис. 7 схематически представлено поперечное сечение узла сочленения, изображенного на рис. 4 с вытащенным пальцем, причем на рисунке 7А представлено пружинное уплотнение в разжатом состоянии при минимальном контактном давлении, а на рисунке 7В пружинное уплотнение в сжатом состоянии при максимальном контактном давлении.
На рис. 8 схематически представлен вид сверху пружинного уплотнения при максимальном контактном давлении, действующем на уплотнение, после его установки в узел сочленения.
На рис. 9 схематически представлен вид сверху пружинного уплотнения при минимальном контактном давлении, действующем на уплотнение, после его установки в узел сочленения.
Осуществление изобретения
Изобретение относится к уплотнительным узлам и способам уплотнения стыков между движущимися деталями или узлами машин, например, рабочих машин при выполнении определенных видов работ. Обращаясь к рисункам, на которых одинаковые позиции, как правило, обозначены одинаковыми цифрами, примером такой машины 100 является машина на рис. 1, в которой используются уплотнительные узлы в соответствии с настоящим изобретением. Хотя конкретная машина 100 представляет собой внедорожный самосвал для перевозки и выгрузки материала в месте производства работ, следует понимать, что используемый здесь, термин «машина» может относиться к любой машине, которая выполняет некоторый вид работ, связанных с промышленностью, например: горнодобывающей промышленностью, строительством, сельским хозяйством, транспортом или любой другой отраслью, известной в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Например, машина может представлять собой землеройную машину, такую как колесный погрузчик, экскаватор, экскаватор с обратной лопатой, автогрейдер, погрузчик и тому подобное. Кроме того, к машине может присоединяться рабочее орудие. Данные рабочие орудия могут использоваться для выполнения множества задач, в том числе: погрузки, уплотнения, подъема, чистки проволочными щетками, и представляют собой: ковши, дорожные катки, вилочные подъемные устройства, металлические щетки, грейферы, резаки, ножницы, отвалы, ударные рабочие инструменты/копры, шнеки и т.д.
При транспортировке материалов, например, в ходе горных работ, машина 100 оборудуется передней кабиной 102 водителя и расположенным сзади кузовом 104 самосвала для размещения материалов, например щебня или грунта. Кабина 102 водителя и кузов 104 самосвала опираются на шасси или раму 106 машины. Рама 106 выполняется из прочных жестких элементов, например, металлических ферм и т. п., для создания достаточной механической прочности, соответствующей выполняемым функциям. В кабине 102 водителя размещаются различные приборы, рычаги управления, интерфейсы и считывающие устройства, которые используются при работе машины. Кузов 104 самосвала выполняется в виде конструкции с несущими стенками, определяющими объем загрузки материала. При разгрузке кузов 104 самосвала поднимается гидравлическими цилиндрами 108 вверх относительно нормального горизонтального положения рамы 106, осуществляя выгрузку через заднюю часть кузова.
Для перемещения машины 100 в месте производства работ относительно земли, рама 106 опирается на несколько ведущих колес, включая пару передних колес 110 и пару задних колес 112. Однако в других вариантах осуществления могут использоваться не колеса, а прочие типы тяговых механизмов. Кроме того, колеса могут оснащаться надувными шинами или, в других вариантах осуществления, оснащаться твердыми шинами. Задние колеса 112 могут быть ведущими колесами, которые приводят машину 100 в движение от источника 114 энергии, например, двигателя внутреннего сгорания, хотя в других вариантах осуществления могут использоваться другие источники энергии, представляющие собой гибридные двигатели, электрические двигатели и тому подобное. Задние колеса 112 функционально связаны с источником 114 энергии соответствующей силовой передачей для передвижения по грунту. Для изменения направления движения машины 100 используются передние рулевые колеса 110, которые могут поворачиваться в одну или другую сторону. Чтобы водитель смог управлять передними колесами 110, машина содержит систему 120 рулевого управления или рулевой механизм. Система 120 рулевого управления включает устройство управления, например, рулевое колесо 122, или аналогичный операторский интерфейс, расположенный в кабине 102 водителя, функционально соединенный с передними колесами 110. В дополнение к способности управлять машиной в различных вариантах осуществления, передние колеса 110 также могут быть ведущими колесами, например, в полноприводном исполнении.
На рис. 2 схематически представлен пример системы 120 рулевого управления машиной, механически соединяющей рулевое колесо 122 с передними колесами 110. Следует отметить, что проиллюстрированный вариант осуществления является только схематичным и типичным примером осуществления системы рулевого управления и поэтому настоящее изобретение может быть использовано в любом числе различных конструкций или вариантов системы рулевого управления. В проиллюстрированном варианте осуществления, рулевое колесо 122 соединено с рулевой колонкой 124 в кабине оператора 102, которая крепится кронштейнами или скобами к раме 106. Зависимая рулевая колонка 124 крепится к узлу, который называется рулевым механизмом 126. Рулевой механизм 126, что хорошо известно специалистам в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, представляет собой механический узел, преобразующий вращательное движение рулевого колеса 122 и рулевой колонки 124 в поперечное горизонтальное движение, используемое для поворота колес относительно рамы 106 машины. Рулевой механизм 126 крепится к раме 106 любым подходящим способом и включает выступающий из механизма рычаг 128, который способен смещаться поперек рамы, как показано стрелкой 130. Рычаг 128 упоминается здесь как рулевая сошка и будет описываться подробнее.
Для соединения рычага 128 или рулевой сошки с передними колесами 110 для осуществления поворота колес, система 120 рулевого управления может включать в себя дополнительные тяговые элементы, например, тяги, шкворни, шаровые шарнирные соединения и тому подобное. Например, система 120 рулевого управления может включать расположенную по центру поперечную рулевую тягу 132, соединенную с рычагом 128, которая способна перемещаться поперек рамы в направлении, показанном стрелкой 130. Маятниковые рычаги рулевого привода, что хорошо известно специалистам в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, способны удерживать поперечную рулевую тягу 132, давая ей возможность перемещаться в поперечном направлении относительно рамы. Наконечники 134 тяги соединяются с каждым из концов поперечной рулевой тяги 132 и функционально связаны с каждым из передних колес 110. В частности, каждое из передних колес 110 связано с рулевым рычагом 136, который соединяется с соответствующим наконечником тяги 134 карданным шарниром, который способен поворачивать колеса под требуемыми относительными углами относительно рамы 106. Система 120 рулевого управления способна осуществлять регулировку передаточного отношения и облегчать механическое усилие при увеличении входной нагрузки на рулевое колесо 122, вращение которого преобразуется в смещение поперечной рулевой тяги 132. Для выполнения вышеописанных функций компоненты системы рулевого управления должны быть жесткими и их следует изготавливать из штампованного металла и/или в виде отливок.
На рис. 3 показан вариант осуществления рычага 128, часто называемого рулевой сошкой, функционально соединенного с системой рулевого управления, однако в других вариантах осуществления конфигурация соединения и/или форма рычага могут отличаться от представленного варианта. Рычаг 128 может иметь продолговатую конструкцию, шарнирно прикрепленную к раме 106 первым концом 140, и функционально соединен дальним вторым концом 142 с поперечной рулевой тягой или несколькими тягами 144. Рычаг изготавливается из твердого металла, имеющего высокую прочность на разрыв. В представленном варианте осуществления, дальний второй конец 142 может раздваиваться и соединяться с тягами 144, а в других вариантах осуществления может иметь другую конфигурацию. Таким образом, рычаг 128 ограничивает горизонтальное перемещение или ход между первым концом 140 и дальним вторым концом 142. Таким образом, дальний второй конец 142 может поворачиваться на определенный угол в поперечном направлении относительно шарнира, закрепленного на первом конце 140. Для поворота рычага 128 относительно рамы 106, рычаг 128 может соединяться с ней узлом сочленения 150, который, в данном варианте осуществления, может быть выполнен в виде цилиндрического шарнира с пальцем или поворотного шарнира.
Как показано на рис. 3 и 4, для образования узла сочленения 150, первый конец 140 рычага 128 выполняется в виде втулки 146, которая взаимодействует с соответствующим соединительным элементом 152, закрепленном на раме 106 машины. Втулка 146 на рычаге 128 выполнена в виде гильзы или втулки с отверстием 148, проходящим вертикально через первый конец 140, и сориентированном в целом перпендикулярно направлению протяженности рычага. Отверстие 148 втулки имеет в целом цилиндрический профиль. Отверстие 148 втулки определяет ось поворота 156 узла сочленения 150 после присоединения к раме. Втулка 146, включающая отверстие 148, имеет высоту 149, как показано на рис. 4. Для сопряжения с втулкой 146 соединительный элемент 152 может включать в себя первый выступающий элемент, в дальнейшем первую опору 160, выступающую от поверхности рамы 106 и соответствующий второй выступающий элемент или вторую опору 162 от рамы. Первая опора 160 и вторая опора 162 могут иметь любой подходящий профиль, но в данном варианте осуществления, они закруглены. Первая опора 160 и вторая опора 162 разнесены в противоположных направлениях, причем первая опора находится над второй опорой на расстояние или высоте 164, как показано на рис. 4.
Для создания шарнирного соединения соединительного элемента 152 рамы с втулкой 146 выполняется первое отверстие 166, проходящее вертикально через первую закругленную опору 160, тогда как идентичное второе отверстие 168 проходит вертикально через вторую опору 162. Оси первого отверстия 166 и второго отверстия 168 совпадают с осью 156 поворота. Для соединения рычага 128 и рамы 106 посредством втулки 146 и соединительного элемента 152 рамы через первое и второе отверстия 166 168 и отверстие 148 втулки проходит цилиндрический палец 170, сохраняющий соосность с осью 156 поворота указанных отверстий и отверстия втулки. Длина или высота пальца 170 предпочтительно такова, что палец способен пройти через отверстие 148 втулки и первое и второе отверстия 166, 168. Диаметр пальца 170, образующего цилиндрическое соединение 171, меньше соответствующего диаметра отверстия 148 втулки. Палец 170 дополнительно позволяет рычагу 128 поворачиваться или вращаться вокруг оси поворота, обеспечивая равномерное угловое перемещение. В соответствии с рис. 2, рычаг 128 способен осуществлять смещение поперечной рулевой тяги 132 в направлении, указанном стрелкой 130, чтобы поворачивать передние колеса 110 машины 100.
Соответственно, специалистам в данной области техники очевидно, что узел сочленения 150 представляет собой создающую трение конструкцию с несколькими деталями, движущимися относительно друг друга. В некоторых вариантах осуществления, палец 170 может крепиться к первой и второй опорам 160, 162 стопорными винтами и т.п., а втулка 146 будет вращаться вокруг пальца, в то время как в других вариантах осуществления палец и втулка крепятся и поворачиваются внутри первого и второго отверстий 166, 168, расположенных в опорах. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, все компоненты узла сочленения 150 могут свободно перемещаться относительно друг друга, а палец 170 крепиться в узле шплинтом или тому подобное. Для облегчения относительного перемещения деталей и предотвращения загрязнения узла сочленения 150 внутрь узла набивается смазка и размещается в отверстии 148 втулки и в первом и втором отверстиях 166, 168. Однако в жестких условиях эксплуатации смазка выдавливается из отверстий из-за движения деталей. Кроме того, смазка может загрязняться твердыми частицами, что приводит к увеличению трения и, возможно, повреждению узла сочленения. Смазку можно нанести вновь, но из-за места расположения узла сочленения ее нанесение неудобно и ведет к снижению производительности машины и ее простою по причине плановых регламентных работ.
Поэтому, в соответствии с изобретением, предлагаются уплотнения в виде механических уплотнений для защиты и облегчения поворота узла сочленения. Пружинные уплотнения способны работать сухими без необходимости нанесения дополнительных смазочных материалов. Согласно рис. 4, уплотнения располагаются на стыках между втулкой 146 и первой и второй опорами 160, 162 соединительного элемента 152 рамы. Для обеспечения сопряжения втулка 146 включает в себя первую опорную поверхность 172 и вторую опорную поверхность 174, выполненные на противоположных сторонах первого конца 140 рычага 128. Первая и вторая опорные поверхности обычно находятся в одной плоскости с отверстием 148 втулки, расположенной между противоположными опорными поверхностями. Следовательно, первая и вторая опорные поверхности 172, 174 определяют высоту 149 втулки 146. Аналогично, первая опора 160 может иметь на своей нижней поверхности первую поверхность 176 опоры, которая выполнена плоской и через которую проходит первое отверстие 164. Вторая опора 162 также может иметь на своей верхней поверхности вторую поверхность 178 опоры, которая расположена напротив и направлена в сторону первой поверхности опоры. Расстояние между первой поверхностью 176 опоры и второй поверхностью 178 опоры соответственно образует высоту отверстия 164 между опорами.
Если втулка 146 расположена между первой опорой 160 и второй опорой 162, то первая опорная поверхность 172 обращена в направлении первой поверхности 176 опоры и, как правило, параллельна ей, в то время как вторая опорная поверхность 174 также обращена к и, как правило, параллельна второй поверхности 178 опоры. Для перемещения смежных опорных поверхностей и поверхностей опор относительно друг друга между первой опорной поверхностью 172 и первой поверхностью 176 опоры размещается первое пружинное уплотнение 180, в то время как второе пружинное уплотнение 182 размещается между второй опорной поверхностью 174 и второй поверхностью 176 опоры. Следует понимать что первое и второе пружинные уплотнения 180, 182, как правило, охватывают палец 170 и, таким образом, предотвращают проникновение грязи и/или посторонних предметов в стыки между опорными поверхностями и поверхностями опор. Также следует понимать, что разница между высотой 149 втулки и высотой 164 опор может быть такой, что между втулкой 146 и опорами 160, 162 и первым и вторым пружинными уплотнениями 180, 182 может образоваться первый зазор 184 и второй зазор 186. В качестве примера первый зазор 184 и второй зазор 186 могут составлять примерно 6,35 мм (0,25 дюйма). Первое и второе пружинные уплотнения 180, 182 могут выполняться из упругого материала и иметь размеры, которые позволяют перекрывать первый и второй зазоры 184, 186 и взаимодействовать с противоположными опорными поверхностями и поверхностями опор. Для сохранения упругих свойств первое и второе пружинные уплотнения могут изготовляться из подходящего упругого материала, например, полиуретана.
Для размещения первого и второго пружинного уплотнения 180, 182 и облегчения функционирования пружинных уплотнений в первой опорной поверхности 172 втулки 146 выполняется первый паз 190, а соответствующий второй паз 192 выполняется во второй опорной поверхности 174. Первый и второй пазы 190, 192 имеют три стороны и включают в себя дно 194, 196 паза, которое параллельно и разнесено от соответствующих первой и второй опорных поверхностей 172, 174. Расстояние между дном 194, 196 паза и соответствующей первой и второй опорными поверхностями 172, 174 определяет глубину 198 паза, которая может быть одинаковой или отличаться между первым пазом и вторым пазом 190, 192. В одном варианте осуществления глубина 198 паза может составлять примерно 5,6 мм (0,22 дюйма). Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления первый и второй пазы 190, 192 расположены во втулке 146 рычага 128, очевидно, что пазы также могут быть выполнены в первой и второй опорах 160, 162 в обратной проекции. Кроме того, пазы могут иметь разные профили, а не как показанная трехстенная конструкция.
На рис. 5 и 6 проиллюстрирован вариант осуществления первого и второго пружинных уплотнений 180, 182. Первое и второе пружинные уплотнения целом одинаковы и нижеследующее описание может относиться к обоим. Пружинные уплотнения, как правило, имеют кольцевое тело 200, описывающее окружность вокруг центральной оси 202, внешний диаметр 204 и внутренний диаметр 206, достаточные по размеру, чтобы охватывать палец узла сочленения и простираться вдоль поверхности раздела между опорными поверхностями и поверхностями опор. В качестве примера внешний диаметр 204 кольцевого тела 200 может составлять приблизительно 111,6 мм (4,39 дюйма), а внутренний диаметр 206 может составлять приблизительно 94,6 мм (3,72 дюйма). Аналогично, кольцевое тело 200 имеет заданную высоту, измеренную в несжатом или разжатом состоянии параллельно центральной оси 202, упомянутую здесь как высота 208 в разжатом состоянии, которая достаточна для возвышения над пазом и охвата зазора между опорными поверхностями и поверхностями опор. Например, высота 208 в разжатом состоянии может составлять приблизительно 8,9 миллиметра (0,35 дюйма). Для сохранения упругости пружинных уплотнений, кольцевое тело 200 может иметь профиль, обеспечивающий сжимаемость и упругость по отношению к величине высоты 208 в разжатом состоянии, а само кольцевое тело в целом функционирует подобно пружине.
Например, в варианте осуществления, изображенном на рис. 4 и 5, кольцевое тело 200 может иметь W-образное или М-образное поперечное сечение, выполненное в кольцевой полосе 210, которая образует кольцевое тело, и которая ориентирована радиально наружу от центральной точки или центральной оси 202 кольцевого тела. W-образное поперечное сечение может включать в себя сжимаемые ветви, которые позволяют кольцевой полосе 210 сжиматься относительно высоты 208 в разжатом состоянии. В частности, для сохранения W-образного поперечного сечения, кольцевая полоса 210 включает первую ветвь 220 со свободным концом и вторую ветвь 222 со свободным концом, расположенную на расстоянии и параллельную первой ветви со свободным концом. Первая ветвь 220 со свободным концом и вторая ветвь 222 со свободным концом, как правило, имеют прямой профиль и простираются параллельно друг другу в радиальном направлении от центральной оси 202 кольцевого тела. Для соприкосновения с опорными поверхностями или поверхностями опор узла сочленения первая ветвь 220 со свободным концом включает в себя первую кольцевую поверхность 224, ориентированную в направлении одной осевой стороны кольцевой полосы 210 относительно центральной оси 202. Вторая ветвь 222 со свободным концом включает в себя вторую кольцевую поверхность 226, ориентированную в направлении, противоположном оси кольцевой полосы 210 в качестве первой кольцевой поверхности 224. Следовательно, первая и вторая кольцевые поверхности 224, 226 определяют высоту 208 в разжатом состоянии кольцевого тела 200. Первая и вторая кольцевые поверхности 224, 226 обычно ровные и плоские и способны упираться в поверхность с аналогичной конфигурацией.
Для соединения первой ветви 220 со свободным концом и второй ветви 222 со свободным концом, и кольцевое тело 200 включает в себя пружинящую ветвь 230, расположенную между двумя ветвями со свободными концами, соединяя их. В проиллюстрированном варианте осуществления пружинящая ветвь 230 соединяется с первой и второй ветвями 220, 222 со свободными концами по внутренней периферийной кромке 232 кольцевой полосы 210, которая проходит в виде окружности вокруг центральной оси 202. Таким образом, диаметр внутренней периферийной кромки 232 совпадает с внутренним диаметром 206 кольцевого тела 200. Первая и вторая ветви 220, 222 со свободными концами простираются радиально наружу от внутренней периферийной кромки к расположенной на отдалении внешней периферийной кромке 234, диаметр которой соответствует наружному диаметру 204. Пружинящая ветвь 230 включает в себя первую подветвь 236, соединенную с первой ветвью (220) со свободным концом вблизи внутренней периферийной кромки 232, которая простирается наружу по направлению к внешней периферийной кромке 234 под наклоном относительно первой ветви со свободным концом. Пружинящая ветвь 230 также включает в себя вторую подветвь 238, соединенную со второй ветвью 222 со свободным концом вблизи внутренней периферийной кромки 226, которая простирается наружу по направлению к внешней периферийной кромке 234 под наклоном относительно первой ветви со свободным концом.
Кроме того, первая и вторая подветви 236, 238 сходятся друг с другом, образуя пересечение 240, которое может иметь радиус закругления. Пересечение 240 подветвей может располагаться в осевом направлении между первой кольцевой поверхностью 224 и второй кольцевой поверхностью 226, а в радиальном направлении между внутренней периферийной кромкой 232 и внешней периферийной кромкой 234. Параллельное расположение первой и второй ветвей 220, 222 со свободными концами и наклон первой и второй подветвей 236, 238 пружинящей ветви 230 между ветвями со свободными концами образуют кольцевую полосу 210 с W-образным поперечным сечением. Как поясняется ниже, первая и вторая ветви 220, 222 со свободными концами и подветви 236, 238 пружинящей ветви 230 могут сжиматься вместе, обеспечивая упругие свойства пружинных уплотнений 180, 182.
В одном варианте осуществления, кольцевое тело 200, образующее пружинные уплотнения 180, 182, может включать в себя периферийное ребро 242, проходящее в радиальном направлении от внешней периферийной кромки 234 первой ветви 220 со свободным концом. Периферийное ребро 242 по существу тоньше, чем первая ветвь 220 со свободным концом и располагается на стороне ветви противоположной первой кольцевой поверхности 224. В одном варианте осуществления, периферийное ребро может выступать на 0,7 миллиметра (0,027 дюйма) или менее. Периферийное ребро 242 отделяет первую ветвь 220 со свободным концом от второй ветви 222 со свободным концом и может иметь разные профили, толщину или свойства. Например, первая ветвь 220 со свободным концом может иметь толщину, позиция 244, около 1,78 мм (0,07 дюйма), тогда как вторая ветвь 222 со свободным концом может иметь толщину, позиция 245, равную примерно 1,80 мм (0,078 дюйма). Разная толщина способна улучшить уплотняющие свойства пружинных уплотнений.
На рис. 7 представлено схематическое изображение расположения и функционирования первого и второго пружинных уплотнений 180, 182 в узле сочленения 150 при удаленном пальце. В частности, пружинные уплотнения 180, 182 расположены таким образом, что их W-образное поперечное сечение ориентировано радиально наружу относительно оси 156 поворота, хотя в других вариантах осуществления эта ориентация может быть изменена на противоположную. Первое пружинное уплотнение 180 размещается в первом пазу 190, расположенном на первой опорной поверхности 172 втулки 146, причем первая ветвь 220 со свободным концом возвышается над первым пазом по направлению к первому выступу 160, а вторая ветвь 222 со свободным концом располагается параллельно и рядом с дном 194 первого паза. В вариантах осуществления, где пружинные уплотнения включают в себя периферийные ребра 242, периферийные ребра способны указать ориентацию пружинного уплотнения внутри паза 190 за счет того, что периферийное ребро находится над пазом и направлено в сторону первой опоры 160. Это гарантирует расположение более толстой второй ветви со свободным концом в пазу рядом с его дном. Второе пружинное уплотнение 182 подобным образом размещается во втором пазу 192, выполненном на второй опорной поверхности 174.
Для сохранения уплотняющего контакта при повороте рычага первое упорное кольцо 250 может размещаться на стыке между втулкой 146 и первой опорой 160, а второе упорное кольцо 252 может размещаться на стыке между втулкой и второй опорой 162. Дисковые упорные кольца 250, 252 выполняются из низкофрикционного материала, обладающего низким коэффициентом трения относительно материала рычага и рамы. Примерами материалов с низким коэффициентом являются ПТФЭ или композитные материалы Teflon. Первое и второе упорные кольца 250, 252 размещаются рядом с соответствующими первой и второй опорами 160, 162 и имеют размеры, позволяющие охватывать отверстие 148 втулки, проходящее через втулку 146. При повороте рычага в направлении, указанном стрелкой 254, первое и второе пружинные уплотнения 180, 182 удерживаются в фиксированном положении в соответствующем первом и втором пазах 190, 192, поворачиваясь вместе с втулкой 146. Первое и второе упорные кольца 250, 252 удерживаются в фиксированном положении рядом с первой и второй опорами 160, 162, позволяя первым ветвям 220 со свободными концами пружинных уплотнений скользить по поверхности упорных колец и сохранять уплотняющий контакт. Вторые ветви 222 со свободными концами, которые могут быть толще, чем первые ветви 220 со свободными концами, остаются во фрикционном контакте с дном пазов.
В показанном варианте осуществления, втулка 146 может находиться на расстоянии от первой опоры 160, приводя в разжатое состояние первое пружинное уплотнение 180, а первая и вторая ветви 220, 222 со свободными концами будут разведены расширяющейся пружинящей ветвью 230. Как показано на рис. 7А, при расширении пружинящей ветви 230 первая подветвь 236 и вторая подветвь 238 наклонены и сходятся вместе. Как уже упоминалось выше, высота пружинного уплотнения 180 между ветвями 220, 222 со свободными концами должна быть достаточной для перекрытия обеих зазоров 184 между первой опорой 160 и первой опорной поверхностью 172 втулки 146, а глубина 198 паза выполняться такой, чтобы пружинное уплотнение одновременно прижималось к первой опоре 160 и дну 194 паза. Это гарантирует, что первое пружинное уплотнение сохранит уплотняющий контакт как с втулкой, так и с первой опорой для уплотнения отверстия 148 втулки, в которое обычно помещается палец, функционирующий как точка поворота узла сочленения.
В дополнение к уплотнению отверстия 148 втулки, первое и второе пружинные уплотнения способны взаимодействовать и обеспечивать относительное осевое перемещение между втулкой 146 и первой и второй опорами 160, 162 соединительного элемента 152 рамы относительно оси 156 поворота. В частности, обращаясь к нижней части изображения на рис. 7, второе пружинное уплотнение 182, расположенное во втором пазу 192, на второй опорной поверхности 174 может находиться сжатом состоянии, в случае если втулка 146 и вторая опора 162 смещаются в осевом направлении навстречу друг другу. В этом случае зазор 184 между опорной поверхностью и опорой сокращается и второе пружинное уплотнение 182 сжимается во втором пазу 192. При сжатии второго пружинного уплотнения 182 первая ветвь со свободным концом ориентирована в направлении второй опоры 162, параллельна второй ветви 222 со свободным концом на дне 196 паза, а пружинящая ветвь 230 вдавливается в них, как показано на рис. 7B. В частности, первая подветвь 236 и вторая подветвь 238 шарнирно или гибко связаны с пересечением 240 подветвей для прижатия друг к другу, когда первая ветвь 220 со свободным концом и вторая ветвь 222 со свободным концом двигаются навстречу друг к другу. Упругий материал пружинного уплотнения обеспечивает это сжатие. Кроме того, упругие свойства возвращают назад второе пружинное уплотнение 182 ко второй опоре 160 и дну 196 второго паза 192, в результате чего отверстие 148 втулки эффективно уплотняется. В вариантах осуществления, использующих упорные кольца, материал упорного кольца с низким коэффициентом трения допускает осуществление поворота, в случае если втулка и опоры соединительного элемента рамы соприкасаются своими нижними точками.
Упругие свойства первого и второго пружинных уплотнений 180, 182 дополнительно способствует обратному движению втулки 146 между первой и второй опорами 160, 162 вдоль оси 156 поворота. В частности, если втулка 146 перемещается в осевом направлении к первой опоре 160, упругость позволяет первому пружинному уплотнению 180 сжиматься в первом пазу, одновременно сжимая вместе первую и вторую ветви 220, 222 со свободными концами и пружинящую ветвь 230, как показано на рис. 7B для первого пружинного уплотнения 180. Чтобы способствовать уплотнению путем заполнения паза, периферийное ребро 242 втягивается в паз и выгибается над дальним концом первой ветви 220 со свободным концом. Аналогично, как показано на рис. 7A, второе пружинное уплотнение 182 разжимается и благодаря W-образному поперечному сечению сохраняет уплотняющий контакт между дном 196 второго паза 192 и второй опорой 162.
Как схематически показано на рис. 8 и 9, данные переменные состояния сжатия и разжатия приводят к тому, что кольцевое тело 200 первого пружинного уплотнения и второго пружинного уплотнения являются альтернативными состояниями максимального и минимального сжатия. Согласно рис. 8, при максимальном сжатии по существу вся первая и вторая кольцевые поверхности 224, 226 кольцевого тела 200 оказывают максимальное контактное давление, обозначенное светлым и темным затенением 260, на соответствующие компоненты узла сочленения. Соответственно, максимальное контактное давление 260, по существу, воздействует по всей ширине первой и второй кольцевых поверхностей 224, 226. Максимальное контактное давление 260 также воздействует по всей окружности вокруг кольцевой поверхности 224, 226 кольцевого тела. При минимальном сжатии, показанном на рис. 9, первая и вторая кольцевые поверхности 224, 226 оказывают минимальное контактное давление, обозначенное штриховкой 262, которое показано узкой полоской по ширине кольцевых поверхностей. Для надлежащего уплотнения узла сочленения полоса минимального контактного давления 262 может простираться по всей окружности, ограничивающей кольцевое тело 200. Соответственно, первое и второе пружинные уплотнения работают совместно, чередуя сжатие и разжатие и поддерживая уплотнение вокруг отверстия втулки.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение применимо для уплотнения узла сочленения, который поворачивает рычаг, например, рулевую сошку, используемую в узле управления машиной. В соответствии с изобретением, данный узел сочленения практически не требует технического обслуживания шарнира рычага поворота. Как показано на рис. 4 и 7, для уплотнения узла сочленения 150, выполненного в виде цилиндрического шарнира с пальцем или поворотного шарнира, первое и второе упругие пружинные уплотнения 180, 182 могут размещаться на стыках между втулкой 146 рычага 128 поворота и неподвижным соединительным элементом 152 рамы. В частности, втулка 146 располагается между верхней первой опорой 160 и нижней второй опорой 162, которые соединены с рамой 106 машины. Кроме того, первое и второе пружинные уплотнения 180, 182 проходят по окружности вокруг пальца 170, размещенного в отверстии 148 втулки 146. Соответственно, пружинные уплотнения предотвращают попадание грязи и посторонних веществ через места сопряжений и защищают внутренние компоненты узла сочленения.
Для сохранения уплотнения при осевом перемещении втулки 146 относительно соединительного элемента 152 рамы первое и второе пружинные уплотнения 180, 182 могут иметь W-образное поперечное сечение, что позволяет им сжиматься и разжиматься, изменяя высоту уплотнения. Согласно рис. 7, например, при отходе втулки 146 от верхней первой опоры 160 происходит увеличение зазора между ними, что приводит к расширению первого пружинного уплотнения 180 с W-образным поперечным сечением и сохранению уплотняющего контакта с параллельными первой и второй ветвями 220, 222 со свободными концами уплотнения и соответствующими компонентами узла сочленения. Аналогично, при смещении втулки 146 в осевом направлении к нижней второй опоре 162, происходит уменьшение зазора, что приводит к сжатию второго пружинного уплотнения 182 с W-образным поперечным сечением, позволяя параллельным первой и второй ветвям 220, 222 со свободными концами перемещаться вместе. Соответственно, сжатые и разжатые состояния сохраняют уплотнение вокруг пальца 170, который определяет ось 156 поворота узла сочленения 150 даже при осевом перемещении поворачиваемых и неподвижных компонентов узла сочленения.
Для сохранения уплотнения при повороте втулки 146 пружинные уплотнения 180, 182 с W-образным поперечным сечением частично удерживаются в пазу, выполненном, например, во втулке, причем первая ветвь 220 со свободным концом выступает над пазом, а вторая ветвь 222 со свободным концом скользит по дну паза. Кроме того, упорные кольца 250, 252 из материала с низким коэффициентом трения могут размещаться в местах сопряжения и взаимодействовать с выступающей первой ветвью 220 со свободным концом. При повороте втулки 146 пружинные уплотнения 180, 182 вращаются вместе с втулкой из-за фрикционного контакта с пазом и сохраняют скользящий контакт с упорными кольцами 250, 252. Было обнаружено, что вышесказанное устройство облегчает поворот рычага в пределах +/- 50 градусов относительно соединительного элемента рамы. Кроме того, скольжение без трения между жесткими узлами и упругими уплотняющими материалами способно устранить потребность в смазочных материалах и сократить время простоя для обслуживания.
Следует понимать, что приведенное выше описание содержит примеры раскрытых систем и способов. Тем не менее, предполагается, что другие варианты реализации изобретения могут отличаться в деталях от вышеприведенных примеров. Все ссылки на раскрытие или примеры подразумевают ссылку на конкретный пример, обсуждаемый в этот момент, и не подразумевает каких либо ограничений в отношении объема изобретения в более общем смысле. Все формулировки отличительных особенностей и пренебрежение определенными признаками предназначаются для указания на отсутствие предпочтения для данных признаков, а не для их полного исключения из объема изобретения, если не указано иное.
Перечисление диапазонов значений в основном служит для условного обозначения индивидуальной ссылки на каждое отдельное значение, попадающее в данный диапазон, если здесь не указано иное, а каждое отдельное значение включается в описание, как если бы оно было указано здесь отдельно. Все описанные здесь способы могут выполняться в любом подходящем порядке, если здесь не указано иное, или иным образом явно не противоречит контексту.
Соответственно, данное изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета изобретения, изложенные в формуле изобретения, приложенной к данному документу в соответствии с действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех их возможных вариантах охватывается настоящим описанием, если не указано иное или иным образом явно не противоречит контексту.