ШАРОВОЙ ШАРНИР
BALL HINGE

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к шаровым шарнирам, и может быть использовано в конструкциях подвесок и рулевого управления транспортных средств различного назначения.
Известен шаровой шарнир, содержащий цельноштампованный корпус с внутренней сферической поверхностью, установленный в корпус палец с шаровой головкой, размещенный на шаровой головке вкладыш, состоящий из двух частей, нижняя часть которого выполнена в виде части сферической оболочки, верхняя часть - в виде части сферической поверхности, ответной сфере шарового пальца, и цилиндра с наружной стороны вкладыша и имеет опорную поверхность, контактирующую со стопорным устройством, выполненным в виде кольца - силового элемента, воспринимающего осевые нагрузки на вырыв шарового пальца из корпуса, при этом между верхней и нижней частями вкладыша образован зазор, а выступание опорной поверхности вкладыша над опорной поверхностью корпуса перед сборкой не превышает зазор между частями вкладыша (см. патент РФ №2272187, МПК F16C 31/05, 2004 г.).
Однако известный шаровой шарнир при своем использовании имеет следующие недостатки:
- недостаточно высокие эксплуатационные характеристики из-за повышенного износа вкладышей в связи с незначительным наличием полостей между сферической головкой пальца и вкладышем, содержащих смазочный материал,
- наличие углового и (или) линейного смещения осей верхней и нижней частей вкладыша относительно друг друга и оси полости корпуса,
- деформирование сферической поверхности верхней и нижней частей вкладыша (образование складок) при запрессовке пальца шарового с вкладышем в корпус шарнира и, как следствие, неравномерное облегание внутренней сферической поверхности вкладыша сферической поверхности головки шарового пальца или разрушение,
- повышенные трудозатраты при изготовлении деталей составного вкладыша и соответственно повышенная стоимость составного вкладыша,
- повышенные трудозатраты при сборке шарового шарнира за счет дополнительной операции предварительного сжатия внутреннего пакета и невозможность проведения автоматизированной сборки,
- возможность локального деформирования или разрушения одной или двух частей вкладыша при сборке шарового шарнира, вызванная тем, что при сборке нижняя часть вкладыша, выполненная в виде сферической оболочки, может повернуться в меридиональном направлении относительно сферической полости корпуса, создав препятствие для сборки верхней части вкладыша.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности из известных решений является шаровой шарнир, содержащий цельноштампованный корпус, монолитно выполненный с присоединительным фланцем, имеющим монтажные отверстия, шаровой палец, вкладыш, расположенный между корпусом и сферической головкой шарового пальца и выполненный в форме полого тела вращения из полимерного материала, обладающего высоким сопротивлением износу и высокими антифрикционными свойствами, а также стопорный элемент, фиксирующий вкладыш с пальцем в полости корпуса в заданном положении (см. И.Раймпель. «Шасси автомобиля, конструкция подвесок». М., «Машиностроение». 1989, с.74-76, рис.2.50).
Однако известный шаровой шарнир при своем использовании имеет следующие недостатки:
- ограниченный ресурс эксплуатации в связи с отсутствием смазки в зоне трения между вкладышем и сферической головкой шарового пальца, т.к. использование только антифрикционного полимерного материала вкладыша недостаточно для шаровых шарниров подвески, так как шарниры подвески работают в сложных эксплуатационных условиях, при которых на шарниры воздействуют осевые, радиальные статические и динамические нагрузки и моменты качания и вращения,
- при наличии зазора между цилиндрическими поверхностями вкладыша и корпуса возможно смещение вкладыша в корпусе в радиальном направлении, что приводит к неравномерному износу, разбивке вкладыша, к снижению жесткости шарнира (увеличению осевых и радиальных зазоров, снижению моментов сопротивления качанию и вращению) и преждевременному выходу из строя шарнира, в случае натяга, возникают проблемы при запрессовке вкладыша с пальцем в корпус, поскольку при достаточно хорошем облегании вкладышем сферической головки шарового пальца в полости корпуса между дном и вкладышем создается воздушный буфер, препятствующий запрессовке вкладыша с пальцем,
- отсутствие стабильного равномерного обжатия вкладышем сферической головки пальца, что приводит к снижению жесткости шарнира, неравномерному износу вкладыша и преждевременному выходу шарнира из эксплуатации.
Задачей изобретения является создание шарового шарнира.
Техническим результатом при использовании предложенного шарового шарнира является значительное повышение эксплуатационных характеристик за счет повышения жесткости конструкции вкладыша, достижение снижения износа вкладыша и исключение его разрушения, повышение эффективности смазывания внутренних поверхностей трения вкладыша и наружной поверхности сферической головки пальца, исключение деформирования и перекоса вкладыша при сборке шарнира. Кроме того, техническим результатом от использования предложенного шарового шарнира является создание возможности адаптации упругих элементов вкладыша под наружный контур сферической головки пальца шарового и внутренний контур сферической полости корпуса шарнира, создание возможности самоцентрирования головки пальца во вкладыше, а также обеспечение надежного и равномерного охвата вкладышем сферической головки пальца после сборки.
сферы
1
сферы
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен шаровой шарнир, содержащий цельноштампованный корпус, монолитно выполненный с присоединительным фланцем, имеющим монтажные отверстия, или без фланца, или со стержнем, имеющим резьбовой участок или отверстие, шаровой палец, вкладыш, расположенный между корпусом и сферической головкой шарового пальца и выполненный в форме полого тела вращения из полимерного материала, обладающего высоким сопротивлением износу и высокими антифрикционными свойствами, а также стопорный элемент, фиксирующий вкладыш с пальцем в полости корпуса в заданном положении, при этом наружная поверхность вкладыша выполнена в форме цилиндра, эквидистантного внутренней поверхности цилиндрической полости корпуса, сопряженного с большим диаметром усеченного конуса, эквидистантного внутренней поверхности полости корпуса, с одной стороны и меньшим диаметром усеченного конуса, не эквидистантного внутренней поверхности полости корпуса, с другой стороны, при этом часть цилиндрической поверхности и сопряженная по меньшему диаметру коническая поверхность вкладыша, образующие контур боковых упругих элементов, выполнены с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, а внутренняя поверхность вкладыша выполнена в виде двух сопряженных полусфер со смазочными канавками, вытянутыми в меридиональном направлении от радиальных прорезей до центрального углубления, расположенного на полюсе торцевой части вкладыша, при этом первая внутренняя сферическая поверхность со стороны торца вкладыша соответствует сферической поверхности головки шарового пальца R , а другая сферическая внутренняя поверхность контура упругих элементов вкладыша, в исходном состоянии, до размещения во вкладыше сферической головки шарового пальца выполнена с радиусом образующей R, выбранным от 0,9 до 1,1·R, в донной конусной части полости корпуса шарнира выполнено углубление, при этом между углублением полости корпуса шарнира и торцевой наружной части запрессованного с пальцем в корпус вкладыша выполнен зазор. При этом на боковой образующей поверхности вкладыша выполнены радиальные канавки, вытянутые в осевом направлении вкладыша. При этом внутренние полусферические поверхности вкладыша разделены переходным элементом, внутренняя поверхность которого выполнена эквидистантной наружной поверхности вкладыша с образованием горизонтальной смазочной канавки, при этом горизонтальная смазочная канавка вкладыша в поперечном сечении выполнена в форме двухстороннего клина, вытянутого остриями в меридиональном направлении. При этом на боковой поверхности вкладыша выполнены радиальные канавки, вытянутые в осевом направлении шарнира. При этом на полюсе торцевой поверхности шарнира выполнено осевое сквозное отверстие, сопряженное со смазочными канавками. При этом боковые радиальные прорези проходят через горизонтальную смазочную канавку. При этом контуры поверхности в области торцевых (полюсных) отверстий вкладыша, контуры поверхности вертикальных смазочных канавок вкладыша, а также вертикальных и радиальных прорезей вкладыша выполнены скругленными с образованием между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями данных элементов вкладыша зазоров клиновидной формы.
Среди признаков, характеризующих предложенный шаровой шарнир, существенными являются:
- выполнение наружной поверхности вкладыша в форме цилиндра, эквидистантного внутренней поверхности цилиндрической полости корпуса, сопряженного с большим диаметром усеченного конуса, эквидистантного внутренней поверхности полости корпуса, с одной стороны и меньшим диаметром усеченного конуса, не эквидистантного внутренней поверхности полости корпуса, с другой стороны,
- выполнение части цилиндрической поверхности и сопряженной по меньшему диаметру конической поверхности вкладыша, образующих контур боковых упругих элементов, с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, при этом количество боковых упругих элементов составляет не менее трех,
сферы
1
сферы
- выполнение внутренней поверхности вкладыша в виде двух сопряженных полусфер со смазочными канавками, вытянутыми в меридиональном направлении от радиальных прорезей до центрального углубления, расположенного на полюсе торцевой части вкладыша, при этом первая внутренняя сферическая поверхность со стороны торца вкладыша соответствует сферической поверхности головки шарового пальца R, а другая сферическая внутренняя поверхность контура упругих элементов вкладыша, в исходном состоянии, до размещения во вкладыше сферической головки шарового пальца выполнена с радиусом образующей R, выбранным от 0,9 до 1,1·R,
- выполнение в донной конусной части полости корпуса шарнира углубления, при этом выполнение между углублением полости корпуса шарнира и торцевой наружной части запрессованного с пальцем в корпус вкладыша зазора,
- выполнение на боковой образующей поверхности вкладыша радиальных канавок, вытянутых в осевом направлении вкладыша,
- разделение внутренних полусферических поверхностей вкладыша переходным элементом, внутренняя поверхность которого выполнена эквидистантной наружной поверхности вкладыша с образованием горизонтальной смазочной канавки,
- выполнение горизонтальной смазочной канавки вкладыша в поперечном сечении в форме двухстороннего клина, вытянутого остриями в меридиональном направлении,
- выполнение на боковой поверхности вкладыша радиальных канавок, вытянутых в осевом направлении шарнира,
- выполнение на полюсе торцевой поверхности шарнира осевого сквозного отверстия, сопряженного со смазочными канавками, при этом боковые радиальные прорези проходят через горизонтальную смазочную канавку,
- выполнение контуров поверхности в области торцевых (полюсных) отверстий вкладыша, контуров поверхности вертикальных смазочных канавок вкладыша, а также вертикальных и радиальных прорезей вкладыша скругленными с образованием между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями данных элементов вкладыша зазоров клиновидной формы.
Экспериментальные исследования предложенного шарового шарнира показали его высокую эффективность. Было установлено, что предложенный шаровой шарнир обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, достигнутыми за счет повышения жесткости конструкции вкладыша, установлено достижение снижения износа вкладыша и исключение его разрушения, значительно повышена эффективность смазывания внутренних поверхностей трения вкладыша и наружной поверхности сферической головки пальца, исключены возможности возникновения деформирования и перекоса вкладыша при сборке шарнира. Кроме того, было установлено, что достигнута возможность создания адаптации упругих элементов вкладыша под наружный контур сферической головки пальца шарового и внутренний контур цилиндрической полости корпуса шарнира, достигнуто создание возможности самоцентрирования головки пальца во вкладыше, а также надежный и равномерный охват вкладышем сферической головки пальца после окончательной сборки. Одновременно было установлено, что уменьшен разброс механических свойств шарового шарнира, а именно: повысилась стабильность обеспечения заданных моментов сопротивлению качания и вращения пальца шарового относительно корпуса шарнира, снизились моменты сопротивления страгиванию при качании и вращении пальца шарового относительно корпуса шарнира, установлено изначальное отсутствие осевого и радиального зазоров, повышена жесткость и износостойкость предложенной конструкции шарового шарнира, что увеличило до 8% ресурс эксплуатации.
Кроме того, за счет сокращения количества применяемых комплектующих, создания возможности применения автоматизированной сборки и снижения трудоемкости изготовления изделий достигнуто снижение себестоимости шарового шарнира.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан разрез общего вида пальца шарового передней подвески (частный случай), на фиг.2 - выносной элемент А фиг.1, на фиг.3 - вкладыш, вид сверху, на фиг.4 - разрез Б-Б фиг.3.
сферы
сферы
ск
Шаровой шарнир (фиг.1) содержит цельноштампованный корпус 1, монолитно выполненный с присоединительным фланцем, имеющим монтажные отверстия, основание корпуса выполнено в форме полой полусферы или усеченного конуса (показано пунктирной основной линией), внутри корпуса размещен палец шаровой 2, выполненный со сферической полной (не показано) или усеченной в области полюса головкой 3 радиусом R, вкладыш 4, охватывающий головку 3 пальца шарового по радиусу R, при этом наружная сферическая поверхность вкладыша выполнена с радиальными прорезями 10 (фиг.4), вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность и образующими шесть упругих элементов 11, необходимых для ввода сферической головки шарового пальца 3 при соответствующем осевом усилии, а на внутренней поверхности вкладыша выполнены вертикальные 12 (фиг.4) и горизонтальная 13 (фиг.2, 4) смазочные канавки, при этом вертикальные смазочные канавки 12 (фиг.4) с радиусом основания R совмещены с боковыми радиальными 10 (фиг.5) прорезями вкладыша, сам вкладыш 4 (фиг.1) зафиксирован в соответствующем положении стопорным элементом 5 с использованием выступов корпуса шарнира 1 в полости корпуса, которая выполнена в виде цилиндрической полости диаметром D (фиг.1), переходящей в коническую, на меньшем основании которой выполнено углубление диаметром D1, при этом диаметр углубления D1 и глубина углубления выполнены таким образом, что торцевая наружная часть вкладыша, запрессованного с пальцем в корпус, не касается корпуса, т.е. между торцевой наружной частью вкладыша 15 и корпусом 1 остается зазор h. На боковой образующей поверхности вкладыша выполнены радиальные канавки 14 (фиг.3, 4), вытянутые в осевом направлении вкладыша 4. Канавки 14 необходимы для выхода воздуха из полости корпуса при запрессовке вкладыша с пальцем в корпус, обеспечивая полную (до упора о корпус) запрессовку вкладыша в случае отсутствия во вкладыше 4 торцевого отверстия 16, а при наличии торцевого осевого отверстия 16 во вкладыше 4 наличие радиальных канавок обеспечивает выход воздуха, исключая выдавливание воздухом смазки через смазочные канавки 12 и радиальные прорези 10.
Для предотвращения попадания влаги и грязи шаровой шарнир закрыт защитным чехлом 6 (фиг.1), который зафиксирован на корпусе 1 пружинным кольцом 8. Чтобы защитный чехол 6 не смещался на галтель пальца шарового 2, на галтели установлена распорная втулка 9 (фиг.1). Внутрь шарового шарнира, между сферической головкой 3 пальца шарового и вкладышем 4, включая смазочные канавки 12 и 13, прорези 10, отверстие вкладыша 16, в углубление между вкладышем 4 и корпусом 1 в углублении, а также под чехол 6 заложена смазка 7, необходимая для снижения коэффициента трения между вкладышем и головкой пальца шарового и соответственно износа вкладыша и предотвращения выхода из строя шарнира.
сферы
1
сферы
1
сферы
1
сферы
1
сферы
1
сферы
сферы
сферы
Вкладыш (фиг.3, 4) выполнен из полимерного антифрикционного материала, обладающего высоким сопротивлением износу и высокими антифрикционными свойствами, в форме полого тела вращения с наружной боковой поверхностью в виде цилиндра диаметром d, переходящего в усеченный конус по большему диаметру конуса с одной стороны (со стороны торца вкладыша 15, с углом образующей конуса α1) и переходящего в усеченный конус по меньшему диаметру конуса с другой стороны (со стороны упругих элементов 11, с углом образующей конуса α), и внутренней поверхностью в виде сопряженных (частный случай) через переходной элемент klm полусфер с радиусами, при этом одна внутренняя сферическая поверхность соответствует сферической поверхности головки пальца шарового R, а другая выполнена с радиусом образующей R=R (частный случай). В других частных случаях внутренняя сферическая поверхность упругих элементов 11 вкладыша с радиусом R в ненагруженном состоянии может пересекать и углубляется в условную сферическую головку пальца шарового R (например, при R=0,9R) или частично охватывать условную сферическую головку пальца шарового (например R=1,1R), но в состоянии после сборки внутренняя сферическая поверхность упругих элементов R вкладыша за счет упругой деформации принимает форму сферической головки R (фиг.1), прижимая к головке пальца 3 внутреннюю сферическую поверхность упругих элементов 11 вкладыша 4, соответствующую сферической поверхности головки пальца шарового 3. Таким образом, упругие элементы 13 и сферическая полость R вкладыша 4 обеспечивают упругий, плотный охват и самоцентрирование сферической головки 3 (фиг.2) пальца шарового относительно вкладыша. При этом прорези полностью исключают возможность локального деформирования (образование складок) сферических поверхностей вкладыша в процессе сборки, т.к. при плотном обжиме сферической головки пальца шарового упругие элементы сохраняют способность адаптироваться под контур внутренней полости корпуса шарового шарнира R.
Часть наружной боковой поверхности вкладыша 4 со стороны упругих элементов 11 выполнена в форме усеченного конуса с углом наклона образующей (и с большим диаметром со стороны торца вкладыша D1 (фиг.4), превышающим диаметр цилиндрической части полости корпуса шарового шарнира D (фиг.1). Причем коническая часть поверхности по меньшему диаметру d сопряжена с цилиндрическим участком наружной боковой поверхности вкладыша (фиг.4), соответствующего внутреннему диаметру цилиндрической части полости корпуса шарнира D (фиг.2), а с другой стороны цилиндрическая наружная боковая поверхность диаметром d переходит в коническую часть с углом образующей конуса α1. При этом цилиндрическая наружная боковая поверхность d и коническая с углом образующей конуса α1 выполнены эквидистантно соответствующим внутренним сопрягаемым поверхностям полости корпуса шарнира 1. При сборке шарнира конические части наружной поверхности вкладыша с углами образующих конусов α и α1 обеспечивают его центрирование относительно полости корпуса шарнира, исключая перекос вкладыша в полости и появление возможных зазоров между корпусом шарнира и вкладышем. При этом коническая часть вкладыша 4 со стороны упругих элементов 11 при сборке вкладыша 4 с пальцем шаровым 2 в корпус 1 сжимается до диаметра D, обеспечивая равномерное обжатие упругими элементами 11 сферической головки 3 пальца шарового 2 в корпусе 1. Известно, что при запрессовке с натягом во внутреннем элементе создается напряженное состояние сжатия, что препятствует разрушению, если элемент работает под воздействием растягивающих нагрузок. В данном случае вкладыш в процессе эксплуатации работает под воздействием растягивающих нагрузок, передаваемых через сферическую головку пальца шарового, а корпус шарнира служит бандажом, предохраняющим вкладыш от разрушения.
1
сферы
Внутренняя поверхность переходного элемента вкладыша kl выполнена в области экватора полости вкладыша, диаметром, равным 2·R, эквидистантной наружной цилиндрической поверхности вкладыша. Через фаску внутренняя поверхность переходного элемента вкладыша сопряжена с поверхностью полусферы радиусом R, что конструктивно образует горизонтальную смазочную канавку klm (фиг.2), при этом горизонтальная смазочная канавка вкладыша в поперечном сечении выполнена в форме двухстороннего клина klm, вытянутого остриями в меридиональном направлении. Через горизонтальную смазочную канавку klm проходят боковые радиальные прорези 10 (фиг.4). Радиальные прорези 10 сопряжены с вертикальными смазочными канавками 12, которые в свою очередь переходят в осевое торцевое отверстие 16 (частный случай). Все это образует систему смазочных каналов вкладыша. При этом контуры элементов вкладыша, контактируемых с поверхностью сферической головки пальцев шаровых, таких как поверхности в области торцевых (полюсных) отверстий вкладыша, поверхности вертикальных смазочных канавок, радиальных прорезей, выполнены скругленными радиусами r таким образом, что между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями r данных элементов вкладыша сформированы зазоры клиновидной формы (на фиг.1-4 не показаны).
На торцевой поверхности стержня пальца шарового 2 (фиг.1) выполнена полость с поперечным сечением в форме шестигранника, torx, star или другого многогранника. С использованием выполненной полости возможно проведение:
- автоматизированного контроля формы и геометрических параметров, отсутствие поверхностных дефектов пальца шарового;
- автоматизированного контроля моментов сопротивления качанию и вращению пальцев относительно корпуса шарнира;
- достигнуто упрощение процесса монтажа на автомобиль и демонтажа шарового шарнира с автомобиля.
Шаровой шарнир в общем случае может быть выполнен с цельноштампованным корпусом иной формы (цилиндрической, усеченного конуса, полусферы и т.д.), без фланца, или монолитно выполнен со стержнем, имеющим резьбовой участок или отверстие.
Шаровой шарнир работает следующим образом. В процессе эксплуатации шарнира под воздействием циклических знакопеременных внешних нагрузок палец шаровой 2 поворачивает вокруг своей оси и качает на угол β относительно продольной оси полости корпуса шарнира и центра сферической головки пальца. При качании на угол β, смазка 7, находящаяся в полостях между головкой пальца шарового и внутренними поверхностями корпуса и вкладыша, перемещается в направлении поворота сферической головки пальца, попадает под сферическую поверхность вкладыша, смазывая ее. Одновременно с поворотом и вращением сферической головки пальца смазка перемещается, перемешивается внутри системы смазочных каналов и затягивается в зону трения между головкой пальца и вкладышем. Клиновидная форма зазоров в приграничных областях контакта системы смазочных каналов вкладыша, сферической головки пальца шарового и смазки улучшает доступ и способствует попаданию смазки в зону трения и соответственно принудительному смазыванию трущихся частей шарнира. Таким образом, клиновидная форма зазоров в приграничных областях контакта системы смазочных каналов вкладыша, сферической головки пальца шарового и смазки, в сочетании с поворотом и качанием пальца шарового внутри шарнира, а также принудительное перемещение смазки по системе смазочных каналов вкладыша в процессе эксплуатации шарнира наиболее эффективно обеспечивают захват и подачу смазки в зону трения между вкладышем и сферической головкой пальца шарового, что соответственно улучшает технические характеристики шарнира и продляет срок его эксплуатации.
Предлагаемая конструкция шарового шарнира в сборе представляет собой достаточно жесткую конструкцию, у которой упругие деформации в процессе эксплуатации сведены к минимуму, т.е. только к тем пределам, что позволяют упругие свойства материала вкладыша, а не конструкции шарнира. За счет минимизации упругих характеристик шарнира, при плотном охвате головки пальца вкладышем и вкладыша корпусом шарнира снижается вероятность разбить вкладыш головкой пальца при ударных нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации.
Данную конструкцию шарового шарнира можно применять в подвесках или в рулевом управлении автотранспортных средств. Эксплуатация предложенного шарового шарнира является традиционной и не требует конструктивных изменений подвесок или рулевого управления.