ПОДУЗЕЛ ПОДВЕСКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к автомобильному компоненту подвески, имеющему выступающий бесприводный шпиндель для поддержания вращающегося колеса, причем шпиндель и компонент подвески имеют коническое соединение друг с другом.
Уровень техники
В автомобилях ведомые колеса обычно соединены с системой подвески автомобиля с помощью вращающегося элемента, например, ступицы с подшипником, расположенной на свободном конце не вращающегося элемента, например, шпинделя.
Обычно шпиндели соединяют с компонентом подвески, например, кулаком, при этом свободный конец шпинделя выступает наружу из компонента подвески. Колесо транспортного средства в сборе с шиной соединяется со шпинделем при помощи ступицы с подшипником. Такая конструкция известна, например, из публикации патента США №3,563,564 от 16.02.1971, которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога полезной модели. Под действием веса транспортного средства вращающиеся шпиндель и кулак устанавливаются в определенное положение. Из-за крутящего момента кулак подвергается усталостной нагрузке в месте входного и выходного отверстий в канале для шпинделя. Были предприняты попытки противодействия этой усталостной нагрузке, включающие в себя увеличение диаметра канала для шпинделя и кулака для увеличения площади контактной поверхности деталей, и установку муфт между двумя деталями. Поскольку производители транспортных средств продолжают повышать требования к долговечности, при одновременном уменьшении размера и/или массы деталей, становится регулировать усталостную нагрузку кулака становится все сложнее.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является снижение усталостной нагрузки поворотного кулака.
Для достижения указанного эффекта предложен подузел подвески транспортного средства, который содержит компонент подвески с коническим каналом для шпинделя, а также шпиндель, имеющий коническую часть, по крайней мере частично расположенную внутри канала для шпинделя, и консольную часть, отходящую от конической части и выходящую из компонента подвески.
Канал для шпинделя и коническая часть шпинделя сужаются вовнутрь в направлении консольной части шпинделя, а коническая часть шпинделя расположена внутри канала для шпинделя, обеспечивая коническое соединение между шпинделем и компонентом подвески.
Коническая часть шпинделя соответствует коническому каналу для шпинделя, что позволяет обеспечить гнездовую посадку шпинделя и компонента подвески.
В процессе эксплуатации под весом транспортного средства под воздействием момента сил шпиндель устанавливается в соответствующий канал. Сопряженная с кулаком коническая часть, а также канал для шпинделя распределяют силы, создаваемые крутящим моментом, между контактными поверхностями и уменьшают усталостную нагрузку на кулак по сравнению с неконическим соединением.
Шпиндель имеет головную часть, выступающую от конической части напротив консольной части, причем головная часть имеет диаметр, превышающий диаметр канала для шпинделя.
Подузел подвески также содержит ступицу с подшипником, а также стопорную гайку, расположенную на консольной части шпинделя, причем ступица с подшипником соединена с компонентом подвески, а стопорная гайка фиксирует ступицу с подшипником на шпинделе.
Подузел подвески содержит прокладку, расположенную на шпинделе между компонентом подвески и ступицей с подшипником в контакте с ними, причем стопорная гайка взаимодействует со ступицей, шайбой и компонентом подвески для посадки конической части шпинделя в канале для шпинделя.
Канал для шпинделя имеет центральную ось, а угол скоса канала для шпинделя относительно центральной оси больше или равен 4 градусам.
Коническое шпиндельное соединение в компоненте подвески уменьшает усталостную нагрузку, которую крутящий момент оказывает на шпиндель внутри кулака, по сравнению с неконическими соединениями.
Краткое описание чертежей
Более подробно вышеперечисленные и другие принципы предложенной конструкции будут рассмотрены ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На Фиг. 1 представлено поперечное сечение шпинделя, имеющего зауженную часть, по крайней мере частично расположенную в зауженном канале кулака.
На Фиг. 2 представлено поперечное сечение подузла подвески, включающего себя ступицу с подшипником, расположенную на шпинделе, а также шпиндель с зауженной частью, по крайней мере частично расположенной в зауженном канале кулака.
На Фиг. 3 представлено поперечное сечение шпинделя с зауженным концом.
На Фиг. 4 представлен частичный поперечный разрез канала для шпинделя с зауженным концом.
Осуществление полезной модели
На Фиг. 1 представлено поперечное сечение подузла 10 подвески транспортного средства, включающего в себя шпиндель 12, по крайней мере частично расположенный внутри компонента 14 подвески. На этом рисунке компонент 14 подвески показан в виде автомобильного переднего поворотного кулака, однако компонент 14 не обязательно должен являться поворотной деталью подвески. Компонент 14 подвески должен обеспечивать общую вертикальную опору, от которой в практически поперечном направлении может отходить консольный шпиндель 12.
Положение по вертикали и горизонтали указаны в настоящем описании относительно положения транспортного средства, и термин «по существу» в отношении таких положений означает, что детали могут быть расположены не точно вдоль вертикальной или поперечной оси. Положение компонентов может отклоняться от вертикального и поперечного в случае проседания транспортного средства, при повороте, движении по рельефной местности и по наклонной поверхности, в результате чего подвеска переместится из верхнего предельного положения в нижнее предельное положение, что часто является причиной изменения углового положения компонентов относительно продольной оси транспортного средства, а также потенциальной возможности регулировать развал, схождение, и/или угол продольного наклона компонентов подвески транспортного средства.
Шпиндель 12 показан выступающим из кулака 14 в ортогональном направлении, хотя существует возможность применения и других ориентаций. Шпиндель 12 является неприводной деталью, которая не поворачивается относительно компонента подвески, из которого она выступает. Шпиндель 12 выступает за пределы кулака 14 для обеспечения возможности вращения колеса и шины (не изображены) вокруг шпинделя, и их соединения с транспортным средством при помощи подузла 10 подвески, который является частью системы подвески транспортного средства. Одним из примеров неприводного шпинделя является шпиндель, который выступает из переднего поворотного кулака автомобиля с задним приводом. Другим примером неприводного шпинделя является шпиндель, выступающий из детали подвески задней оси, особенно в случае независимой задней подвески, когда на автомобиле с передним приводом не используют цельную заднюю ось.
Кулак 14 имеет внутреннюю сторону 16 и внешнюю сторону 18 относительно расположения транспортного средства. В кулаке 14 выполнен канал 20 для шпинделя, который проходит через кулак 14 от внутренней стороны 16 к внешней стороне 18. Канал 20 для шпинделя имеет внутреннее отверстие 22, направленное к внутренней стороне 16, и наружное отверстие 24, которое направлено к наружной стороне 18. Канал 20 для шпинделя имеет коническую поверхность, и показано, что он сужается в направлении от внутреннего отверстия 22 к наружному отверстию 24.
Шпиндель 12 имеет часть 28, сопряженную с кулаком и частично находящуюся в канале 20 для шпинделя, и консольную часть 30, соединенную с частью 28 и проходящую наружу от внешней стороны 18 кулака 14. Сопряженная с кулаком часть 28, имеет внутренний конец 32 и наружный конец 34. Сопряженная с кулаком часть 28 сужается так же, как и канал 20 для шпинделя, т.е. вовнутрь в направлении от внутреннего конца 32 к наружному концу 34. Сопряженная с кулаком часть 28 имеет полость 36, которая может увеличивать упругость соприкасающихся поверхностей шпинделя 12 и кулака 14.
Участок сопряженной с кулаком конической части 28 шпинделя 12 находится внутри конического канала 20 для шпинделя кулака 14 для обеспечения конического соединения 38 между двумя деталями. Внутренний конец 32 сопряженной с кулаком части 28 выступает из внутреннего отверстия 22 и расположен за пределами канала 20 для шпинделя, однако он может быть расположен и в канале 20, оставаясь с внутренней стороны от наружного отверстия 24 канала 20 для шпинделя. Наружный конец 34 сопряженной с кулаком части 28 показан расположенным внутри канала 20 у наружного отверстия 24, однако наружный конец 34 может выступать и располагаться за пределами канала 20. Канал 20 для шпинделя и сопряженная с кулаком часть 28 могут иметь соответствующие конические участки, которые сужаются вовнутрь к консольной части 30 шпинделя 12.
Сопряженная с кулаком коническая часть 28 шпинделя 12 может совпадать с конической частью канала 20 для шпинделя в кулаке 14, чтобы обеспечить гнездовую посадку для шпинделя 12 и кулака 14. Гнездовая посадка может быть определена как взаимодействие между двумя деталями, при котором одна деталь ограничивает движение другой детали в соответствующем направлении. При перемещении шпинделя 12 наружу он может проходить сквозь внутреннее отверстие 22 конического канала 20. Сопряженная с кулаком коническая часть 28 может соприкасаться с коническим каналом 20, препятствуя дальнейшему движению шпинделя 12 наружу. Внутренний конец 32 сопряженной с кулаком части 28 не проходит сквозь наружное отверстие 24 канала 20. Гнездовая посадка обеспечивает внешнюю самоблокировку без необходимости упругой деформации материалов, исключающую проблему превышения предела текучести.
Сопряженная с кулаком коническая часть 28 шпинделя 12 может быть также запрессована в конический канал 20 кулака 14. Прессовая посадка, также известная как неподвижная или фрикционная посадка, представляет собой крепление двух деталей, которое достигается за счет трения после стыковки деталей, а не за счет других способов крепления. Трение, удерживающее детали вместе, часто значительно увеличивается за счет прижима одной детали к другой и обеспечения упругой деформации одной или обеих деталей, обусловленной сопротивлением разрыву и сжатию материалов в рамках предела текучести. При превышении предела текучести при прессовой посадке или во время эксплуатации деталей в транспортном средстве может произойти упругая деформация, ослабляющая соединение. Коническое соединение 38 обеспечивает дополнительную устойчивость к моментальной нагрузке во время эксплуатации транспортного средства по сравнению с неконическим соединением.
Кулак 14 и шпиндель 12 могут быть изготовлены из различных металлов, сплавов и композитных материалов с применением различных технологий формования. Неограничивающими примерами материалов, используемых для изготовления двух деталей, являются алюминий, железо, сталь и титан. Неограничивающими примерами технологий формования, используемых для изготовления двух деталей, являются литье, горячая штамповка, горячее прессование, прессовка методом порошковой металлургии и гидравлическое прессование. Технологии прессования также могут включать в себя различные формы механической обработки и закалки. Кулак 14 и шпиндель 12 могут быть изготовлены из одного материала при помощи одинаковой технологии прессования, или отличаться друг от друга по одному или нескольким признакам. Разница пределов текучести разнородных материалов и технологий прессования может усилить проблему ослабления соединения в процессе эксплуатации. Более мягкий материал может раньше деформироваться под воздействием более твердого материала по сравнению с одинаковыми материалами, воздействующими друг на друга. Таким образом, коническое соединение 38 обеспечивает дополнительную устойчивость к моментальным нагрузкам во время эксплуатации транспортного средства, когда более прочный шпиндель 12 из кованой стали расположен в кулаке 14 из более мягкого литого алюминия, по сравнению с неконическим соединением одинаковых деталей.
На Фиг. 2 показан узел 10 автомобильного поворотного кулака со ступицей 42 на подшипнике, расположенной на шпинделе 12 рядом с кулаком 14. Ступица 42 на подшипнике может иметь одно или пару внутренних колец 44, размещенных на консольной части 30 шпинделя 12, а также набор роликовых элементов 46, показанных на рисунке в виде шариковых подшипников, расположенных между внутренними кольцами 44 и наружным кольцом 48. Роликовые элементы 46 позволяют наружному кольцу 48 вращаться вокруг внутренних колец 44 и шпинделя 12. Наружное кольцо 48 может составлять одно целое со ступицей 50, являющейся опорой для колесных шпилек 52.
В данном примере шпиндель 12 имеет головную часть 56, выступающую из сопряженной с кулаком конической части 28, с другой стороны от консольной части 30. Головная часть 56 может контактировать с участком внутренней стороны 16 кулака 14. Головная часть 56 имеет диаметр, превышающий наибольший диаметр канала 20 для шпинделя.
Стопорная гайка 58 может быть навинчена на консольную часть 30 шпинделя 12 с наружной стороны от внутренних колец 44 для фиксации ступицы 42 с подшипником на шпинделе 12. Прокладка 60 может быть размещена на шпинделе между кулаком 14 и ступицей 42 с подшипником, контактируя с ними. Прокладка 60 служит, в первую очередь, для установки положения ступицы 42 с подшипником с наружной стороны кулака 14. Стопорная гайка 58 может также взаимодействовать со ступицей 42 с подшипником, прокладкой 60 и кулаком 14 при дальнейшей посадке и фиксации сопряженной с кулаком конической части 28 шпинделя 12 в канале 20 кулака 14. Стопорная гайка 58 может тянуть шпиндель 12 наружу по мере затягивания на резьбе, расположенной с наружного конца консольной части 30 шпинделя 12, задвигая сопряженную с кулаком коническую часть 28 шпинделя плотнее в канал 20 кулака 14.
Колесо и шина (не изображены) могут быть расположены на ступице 50, являющейся частью узла 42 ступицы с подшипником. Колесо и шина являются опорой транспортного средства на землю, вес транспортного средства давит на колесные шпильки 52, как показано стрелками 64. Усилие 64, прилагаемое к колесным шпилькам 52, преобразуется главным образом в вертикальное усилие, действующее на консольную часть 30 шпинделя 12. Усилие, действующее на консольную часть 30, передает крутящий момент, как показано стрелкой 66, на сопряженную с кулаком часть 28 шпинделя 12 внутри канала 20 в кулаке 14. Сопряженная с кулаком коническая часть 28, а также канал 20 для шпинделя помогают распределять усилия контакта, показанные стрелками 68, между контактными поверхностями шпинделя 12 и кулака 14.
Во время движения транспортного средства система подвески поднимается и опускается, при этом величина крутящего момента 66 может соответственно увеличиваться и уменьшаться. Циклический характер крутящего момента вызывает локализованную механическую усталость, сконцентрированную на кулаке 14 около внутреннего и наружного отверстий 22, 24. Коническое соединение обеспечивает лучшую ориентацию контактных поверхностей, подвергающихся локализованной механической усталости, за счет увеличения зоны локализации усталости. Увеличение зоны локализации снижает вероятность деформации материала. Сопряженная с кулаком коническая часть 28, а также канал 20 для шпинделя распределяют усилия контакта лучше, чем шпиндель с неконическим концом, находящийся внутри неконического канала для шпинделя.
На Фиг. 3 и 4 показаны шпиндель 12 и участок кулака 14, в котором выполнен соответствующий канал 20 для шпинделя. Шпиндель 12 имеет сопряженную с кулаком коническую часть 28 с внутренним концом 32, имеющим первый внешний диаметр 72, и наружным концом 34, имеющим второй внешний диаметр 74. Шпиндель 12 имеет первую центральную ось 76, при этом сопряженная с кулаком часть 28 сужается вовнутрь от внутреннего конца 32 к наружному концу 34 под углом скоса α относительно первой центральной оси 76. Угол скоса α может составлять по меньшей мере 4 градуса относительно первой центральной оси 76. Канал 20 для шпинделя имеет внутреннее отверстие 22 с первым внутренним диаметром 80, а также наружное отверстие 24 со вторым внутренним диаметром 82. Канал 20 для шпинделя имеет вторую центральную ось 84 и сужается вовнутрь от внутреннего отверстия 22 к наружному отверстию 24 под углом скоса β по отношению к первой центральной оси 76. Угол скоса β может составлять по меньшей мере 4 градуса относительно второй центральной оси 84.
Шпиндель 12 может быть вставлен в канал 20 таким образом, чтобы первая центральная ось 76 и вторая центральная ось 84 практически совпадали. Первый наружный диаметр 72 сопряженной с кулаком части 28 может быть больше первого внутреннего диаметра 80 канала 20 для шпинделя, таким образом, чтобы внутренний конец 32 не находился внутри канала 20 для шпинделя. Первый внешний диаметр 72 может быть меньше или равен первому внутреннему диаметру 80, и находиться внутри канала 20 для шпинделя при условии, что первый внешний диаметр 72 больше второго внутреннего диаметра 82, что препятствует полному прохождению шпинделя 12 через канал 20 для шпинделя. Второй внешний диаметр 74 сопряженной с кулаком части 28 шпинделя 12 может быть меньше или равен второму внутреннему диаметру 82 канала 20 для шпинделя, что позволяет наружному концу 34 входить или выдвигаться из канала 20 для шпинделя.
Углы скоса α, β могут иметь практически одинаковое значение наклона в градусах. Углы скоса α, β сопряженной с кулаком части 28 шпинделя 12 могут обеспечивать гнездовую посадку или прессовую посадку конического соединения 38 (см. Фиг. 1). Коническое соединение 38 также может иметь сужение с углом скоса относительно коаксиальной центральной линии (не изображена), который больше или равен 4 градусам.