ШАРОВОЙ ШАРНИР

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения, а именно к шаровым шарнирам и может быть использована в конструкциях реечного рулевого управления транспортных средств различного назначения, а именно внутренних шарниров боковых тяг.
Известен внутренний шаровой шарнир боковой тяги рулевой трапеции реечного рулевого механизма, содержащий цельноштампованный корпус, выполненный заодно с цилиндрическим хвостовиком, имеющим наружную или внутреннюю резьбу для зацепления с ответной внутренней резьбой в рейке рулевого механизма, установленный в корпус палец с резьбой, многогранным элементом и с шаровой головкой, размещенный на шаровой головке составной полиуретановый вкладыш, защитный чехол, устанавливаемый с помощью хомутов на стержень пальца и на корпус рулевого механизма (Шасси автомобиля: Рулевое управление / Раймпель Й., пер. с нем. В.Н. Пальянова; под ред. А.А. Гальбрейха. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.: ил., с. 100, рис. 3.58, с. 108, рис. 3.67), (патент РФ № RU 2501995 С1, МПК F16C 11/06, B62D 7/16, приоритет от 13.07.2012 г.).
Однако известный шаровой шарнир обладает существенным недостатком:
- износ вкладыша в процессе эксплуатации шарнира приводит к появлению зазоров между контактными сферическими поверхностями шаровой головки пальца и вкладыша;
- с появлением зазоров к износу добавляется биение пальца о вкладыш в шарнире, разбивающее вкладыш и ускоряющее процесс его разрушения;
- с ростом зазоров возможен поворот вкладыша в корпусе с износом не только внутренней, но и наружных контактных поверхностях вкладыша;
- износ и деформация вкладыша проявляются через люфт и стук в шарнире, рулевом управлении и затруднениями в управлении автомобилем.
6
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности из известных решений является внутренний шаровой шарнир боковой тяги рулевой трапеции реечного рулевого механизма, содержащий цельноштампованный корпус, выполненный заодно с цилиндрическим хвостовиком, имеющим наружную резьбу, установленный соосно в полость корпуса вкладыш и компенсатор в виде компенсационного резинового кольца из достаточно жесткого и упругого материала, расположенного в кольцевой внутренней проточке корпуса и сжатого между корпусом и вкладышем, выполненным из полимерного композиционного материала, характеризующимся хорошим сопротивлением износу и высоким антифрикционным свойством, охватывающим наружную поверхность шаровой головки пальца, выполненного со стержнем, с расположенными на стержневой части пальца резьбой, многогранным элементом, элементом для крепления защитного чехла. При этом внутренняя кольцевая проточка выполнена в корпусе на наклонной к оси корпуса, опорной для вкладыша поверхности, с образованием ступени, переходящей в наклонную поверхность, расположенную под еще большим углом к оси корпуса, образующей опорную поверхность для компенсационного кольца, переходящую по большему диаметру в боковую поверхность полости корпуса, охватывающую наружную боковую поверхность вкладыша. А компенсационное резиновое кольцо выполнено с поперечным круглым сечением в исходном, не деформированном состоянии, которое принимает иное, отличное от круглой формы, поперечное сечение в сжатом состоянии (см. патент US 5851082, Int. Cl. F16C 11/00, Date of Patent: Dec. 22, 1998 г.).
Применение упругого компенсатора позволяет повысить качество осевого шарового шарнира и продлить срок эксплуатации за счет компенсации осевых зазоров, остающихся после сборки и возникающих в процессе эксплуатации шарнира. Однако известный шаровой шарнир обладает рядом недостатков:
- наружный диаметр компенсационного кольца изначально в исходном, не деформированном состоянии выполнен меньше диаметра внутренней полости корпуса шарнира, обеспечивая таким образом технологичность сборки шарнира. При этом компенсационное кольцо круглого сечения, заложенное в корпус, не обеспечивает соосное размещение кольца в кольцевой проточке корпуса. Учитывая материал компенсационного кольца и условия его обжатия высока вероятность сохранения несоосного расположения кольца относительно корпуса, перекос и смещение оси вкладыша относительно корпуса с неравномерным обжатием кольца по периметру между корпусом и вкладышем;
- при поперечном сечении компенсационного кольца, выполненном с превышением площади поперечного сечения замкнутой полости, образованной внутренней кольцевой проточкой корпуса и наружной наклонной опорной поверхностью вкладыша, несоосное положение и избыточный материал компенсационного кольца не позволит равномерно без перекоса вкладыша сомкнуться опорным поверхностям корпуса и вкладыша, из-за избыточного материала компенсационного кольца, выдавливаемого за пределы полости кольцевой проточки в смыкаемую область между вкладышем и корпусом. При этом возможно разрушение части избыточного материала кольца, сдавленного в данной области.
Приведенные недостатки снижают эффективность применения компенсатора в следствии перекоса и нарушения соосности расположения компенсационного кольца и вкладыша относительно внутренней полости корпуса. Перекос вкладыша или разрушение кольца способствуют снижению функциональных свойств (угла качания) шарнира, росту износа вкладыша и осевого зазора, то есть появлению люфта и ухудшению условий рулевого управления автомобилем.
Задачей полезной модели является создание шарового шарнира, в котором были бы предусмотрены конструктивные меры по повышению эффективности применения компенсатора, обеспечивающие равномерное обжатие по периметру компенсационного кольца, соосность положения автокомпонентов и исключение вероятности их повреждения при сборке.
Техническим результатом при использовании предложенного шарового шарнира является значительное повышение надежности и долговечности работы шарнира, рулевого механизма в целом, надежности рулевого управления автомобилем и безопасности вождения.
Технический результат при осуществлении полезной модели достигается тем, что предложен шаровой шарнир рулевого управления, содержащий цельноштампованный корпус, выполненный заодно с цилиндрическим хвостовиком, имеющим наружную резьбу, установленный соосно в полость корпуса вкладыш и компенсатор в виде компенсационного резинового кольца из достаточно жесткого и упругого материала, сжатого между корпусом и вкладышем, выполненным из полимерного композиционного материала, характеризующимся хорошим сопротивлением износу и высоким антифрикционным свойством, охватывающим наружную поверхность шаровой головки пальца, выполненного со стержнем, с расположенными на стержневой части пальца резьбой, многогранным элементом, элементом для крепления защитного чехла, при этом:
- компенсационное кольцо в исходном, не деформированном состоянии выполнено с поперечным сечением в форме равнобедренного треугольника, сопряженного большим основанием с сектором окружности радиусом R, а места сопряжения и вершина треугольника выполнены скругленными, причем вершина треугольной части поперечного сечения выполнена в направлении к оси кольца;
- площадь поперечного сечения компенсационного кольца не превышает площадь поперечного сечения кольцевой полости, выполненной в корпусе шарового шарнира в области расположения компенсационного кольца, которая при замыкании контура полости наружной поверхностью вкладыша совместно с вкладышем обжимают компенсационное кольцо, придавая контуру поверхности сечения компенсационного кольца форму треугольника со скругленными вершинами и большим основанием со стороны контакта с вкладышем;
- компенсационное кольцо в исходном, не деформированном состоянии выполнено с углом между осью кольца и одной из боковых сторон треугольной части поперечного сечения, равным углу между осью и образующей наружной контактной с компенсационным кольцом поверхностью вкладыша.
Описанное техническое решение позволяет добиться наибольшего эффекта компенсации износа автокомпонентов шарнира за счет равномерного обжатия по периметру компенсационного кольца, обеспечения соосности положения автокомпонентов и исключения вероятности их повреждения при сборке.
Среди признаков, характеризующих предложенный шаровой шарнир, существенными являются:
- компенсационное кольцо в исходном, не деформированном состоянии выполнено с поперечным сечением в форме равнобедренного треугольника, сопряженного большим основанием с сектором окружности радиусом R, а места сопряжения и вершина треугольника выполнены скругленными, причем вершина треугольной части поперечного сечения выполнена в направлении к оси кольца;
- площадь поперечного сечения компенсационного кольца не превышает площадь поперечного сечения кольцевой полости, выполненной в корпусе шарового шарнира в области расположения компенсационного кольца;
- компенсационное кольцо в исходном, не деформированном состоянии выполнено с углом между осью кольца и одной из боковых сторон треугольной части поперечного сечения, равным углу между осью и образующей наружной контактной с компенсационным кольцом поверхностью вкладыша.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, описывающими конкретный способ реализации приведенной выше сущности полезной модели на примере шарнира внутреннего наконечника тяги рулевой трапеции реечного рулевого механизма, где на фиг. 1 показан общий вид (разрез) шарнира, на фиг. 2 - выносной элемент А фиг. 1 в начальный период обжатия корпуса; на фиг. 3 - выносной элемент Б фиг. 1; на фиг. 4 - компенсационное кольцо (разрез), на фиг. 5 - выносной элемент В фиг. 4. В данном случае шаровой шарнир (фиг. 1) содержит:
- цельноштампованный корпус 1, выполненный заодно с цилиндрическим хвостовиком, имеющим наружную резьбу 2 для зацепления с ответной внутренней резьбой в полой или частично полой рейке рулевого механизма, или же не имеющий наружной резьбы и обеспечивающий крепление корпуса шарнира к рейке рулевого механизма любым другим известным способом (сварка, посредством соединения с натягом или шпоночного соединения, с помощью фиксирующего штифта и т.п.);
- установленный в корпус палец 3 с шаровой головкой 4 и стержневой частью 5, содержащей резьбой участок, многогранный элемент, элемент для крепления защитного чехла;
- размещенный на шаровой головке 4 пальца 3 вкладыш 6;
- обжатое к кольцевой канавке корпуса 1 компенсационное кольцо 7;
- защитный чехол (не показан), устанавливаемый с помощью хомутов на стержень пальца 3 и на корпус рулевого механизма (не показан).
При сборке шарового шарнира в пространство между шаровой головкой пальца и внутренней сферической поверхностью вкладыша закладывается смазка.
Предложенное техническое решение работает следующим образом. При сборке шарового шарнира (фиг. 1, фиг. 2) в корпус 1 задают последовательно компенсационное кольцо 7 и вкладыш 6 с предварительно собранными во вкладыше 6 смазкой (не показана) и шаровой головкой 4 пальца 3, затем стенки корпуса 1 со стороны выхода пальца шарового 3 обжимают на вкладыше 6 и шаровой головке 4 пальца 3 до получения требуемого момента сопротивления качанию и вращению пальца 3 относительно корпуса шарнира 1.
Компенсационное кольцо (фиг. 4) в исходном, не деформированном состоянии выполнено с поперечным сечением в форме равнобедренного треугольника, сопряженного большим основанием с сектором окружности радиусом R (фиг. 5). Учитывая что контактные плоскости в области 8 кольца компенсационного 7 (в исходном состоянии) и вкладыша 6 выполнены под одним углом к оси кольца и вкладыша (фиг. 2), в данном случае по 45°, а площадь контакта компенсационного кольца 7 с вкладышем 6, в начальный момент сборки, намного превышает площадь контакта кольца компенсационного 7 с кольцевой полостью корпуса 1, заданная исходная форма кольца компенсационного 7 объектно-ориентирует его на вкладыше 6 в кольцевой полости корпуса 1 и в дальнейшем (фиг. 3) удерживает без перекосов при сжатии кольца 7 в полости корпуса 1 до максимального контакта поверхностей вкладыша 6 и корпуса 1 в контактной области 9.
Компенсационное кольцо 7 по высоте в осевом направлении в области контакта 8 с вкладышем 6 (фиг. 2) выполнено с превышением высоты той же самой области, оставшейся после сборки шарнира (фиг. 3). При обжатии стенок корпуса 1 на вкладыш 6 вместе с пальцем 3 (фиг. 2) передается нагрузка, осевая составляющая которой Р смещает вкладыш 6 с пальцем 3 до упора посадочных плоскостей корпуса 1 и вкладыша 6 (фиг. 3) в контактной области 9, сжимая по высоте кольцо компенсационное 7. За счет обжатия стенок корпуса и сжатия комплектующих шарового шарнира (фиг. 3) в кольце компенсационном 7 и между другими компонентами шарнира 1, 4, 6 формируют напряжение, обеспечивающее удаление осевых зазоров и появление моментов сопротивления качанию и вращению пальца шарового 3 относительно корпуса 1 (фиг. 1). При этом, сферическая головка 4 пальца шарового 3, вкладыш 6, компенсационное кольцо 7, по окончании процесса сборки, за счет обжатия вкладыша 6 на сферической головке 4 пальца 3 деформированными стенками корпуса 1 и конфигурации контактных поверхностей 8, 9 и 10 (фиг. 1, фиг. 3) принимают фиксированное соосное положение с внутренней полостью корпуса 1 шарового шарнира (фиг. 1).
Компенсационное кольцо 7 выполнено с площадью поперечного сечения меньшим чем площадь поперечного сечения кольцевой полости корпуса 1, поэтому при полном обжатии кольца компенсационного 7 отсутствует избыточный материал, который мог бы быть выдавлен за пределы кольцевой полости корпуса 1 шарнира (фиг. 3) в контактную область между поверхностями корпуса 1 и вкладыша 6. Для обеспечения технологичности сборки симметричная внутренняя концевая часть компенсационного кольца (фиг. 4, фиг. 5), выполнена в форме равнобедренного треугольника, а наружный диаметр не превышает внутренний диаметр внутренней полости корпуса шарнира 1.
Предлагаемое компенсационное кольцо и описанные ранее ограничения формы его поперечного сечения в исходном, не деформированном, состоянии позволяют обеспечить равномерную посадку и центровку кольца относительно вкладыша и корпуса 1 шарнира и соответственно равномерное обжатие кольца при сборке, и соответственно меньший локальный износ вкладыша и равномерную компенсацию износу в процессе эксплуатации шарнира.
Шаровой шарнир с компенсационным кольцом (фиг. 1) работает следующим образом. В рулевом механизме к обоим концам полой или частично полой рейки разъемно крепятся два предлагаемых шаровых шарнира любым из известных способов. В процессе эксплуатации управление автомобилем через руль передается на рейку рулевого механизма. Рейка совершает возвратно-поступательные движения вдоль своей оси, а палец шарового шарнира 3, прикрепленный разъемно к наружному наконечнику рулевой тяги (не показан), кинематически связанным через другие узлы рулевого механизма с колесом, поворачивается и качается в корпусе шарнира. Нагрузки, передаваемые через палец 3, вкладыш 6, корпус шарнира 1 и движение сферической головки 4 пальца шарового 3 относительно вкладыша 6 и корпуса 1 приводят в процессе эксплуатации шарнира к износу внутренней поверхности вкладыша 6, контактируемой со сферической головкой 4 пальца шарового 3. По мере износа вкладыша 6 (условного появления зазоров между компонентами шарнира), снижается контактное давление между сферической головкой 4 пальца шарового 3, вкладышем 6 и корпусом 1. Возникает дисбаланс межу внешним давлением на компенсационное кольцо 7 со стороны вкладыша 6, корпуса 1 и внутренним напряжением материала кольца 7, сформированным после сборки при сжатии кольца 7 внутри кольцевой полости корпуса 1. Поперечное сечение компенсационного кольца 7 расправляется пока внутренне напряжения материала кольца не уравновесит уровень внешнего давления со стороны других автокомпонентов. Изменение формы поперечного сечения сжатого кольца компенсационного 7, по мере износа вкладыша 6 и снижения внешнего давления на кольцо со стороны других автокомпонентов 6 и 1, постепенно восстанавливает исходную форму его поперечного сечения. При этом, изменение (восстановление) формы поперечного сечения кольца компенсационного 7 приводит к смещению вкладыша 9 с пальцем 4 внутри корпуса 1 до тех пор, пока не сравняет напряжения между контактирующими компонентами шарнира с устранением зазоров. Таким образом, кольцо компенсационное 7 обеспечивает постоянную компенсацию износу вкладыша 6, появляющегося в процессе эксплуатации шарнира, путем смещения вкладыша 6, обеспечивая при этом обжатие сферической головки пальца упругими элементами вкладыша все дополнительное (в сравнении с шарниром без компенсатора) время эксплуатации, пока накопленное материалом кольца 7 напряжение, в процессе его сжатия при сборке, сможет обеспечивать наличие требуемых моментов сопротивления качанию и вращению пальца 3 относительно корпуса 1.
Данную конструкцию шарового шарнира можно применять в виде внутренних шарниров боковых тяг рулевого управлении автотранспортных средств различного назначения. Предлагаемая конструкция повышает надежность и долговечность работы шарнира, рулевого механизма в целом, способствует повышению надежности рулевого управления автомобилем и безопасности вождения.