Теоретическое обоснование применения конического пружинного вкладыша взамен цилиндрического для подшипника возвратно-вращательного движения в сайлентблоках амортизаторов

ТРАНСПОРТ

УДК 6166:614:9:

Д.К. Кушалиев

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОНИЧЕСКОГО ПРУЖИННОГО ВКЛАДЫША ВЗАМЕН ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ДЛЯ ПОДШИПНИКА ВОЗВРАТНОВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В САЙЛЕНТБЛОКАХ АМОРТИЗАТОРОВ

Теоретически обосновывается изменение диаметра пружинного вкладыша подшипника скольжения под действием осевой нагрузки, влияющее на работоспособность подшипника.

Детали подшипников, пружинный вкладыш, эффект храповика, изменение диаметра вкладыша, упругий натяг вместо зазора

D.K. Kushaliev

THEORETICAL SUBSTANTIATION TO APPLICATION OF CONICAL SPRINGS INSTEAD OF CYLINDRICAL BUSHING FOR BEARING WITH RECIPROCATING ROTATIONAL

MOTIONS

The paper theoretically substantiated the changes in the diameter of the spring bearing sliding under the influence of the axial load, which affects the efficiency of the bearing.

Details of bearings, spring inserts, ratchet effect, changing the diameter of the liner, instead of spring preload gap

Энергетической основой НОТ (нормального окислительного трения), как было показано Б.И. Костецким [1-3] и развито в наших работах [4-6, 10], является энергия пластической деформации (активация металла), которая частично реализуется скачкообразным возникновением пленки оксида металла. Энергетической основой ИП (избирательный перенос), как оказалось, также является мик-ропластическая деформация, которая локализована при нормальном трении в поверхностном слое (1-2 мкм) и может реализоваться возникновением как защитной структуры в виде пленки оксида (при НОТ), так и мягкого металла (Cu, Ag, Au) при ИП.

В традиционных подшипниках, работающих с зазором, эти условия не выполняются. В связи с этим предложена конструкция подшипника скольжения для возвратно-вращательного движения, который состоит из вала 1, наружного кольца 2 и размещенного между ними спирального вкладыша 3 в виде винтовой пружины. Спиральный вкладыш выполнен подвижным, коническим с углом конуса от 1о до 5о при этом диаметр проволоки пружины d равен половине зазора между диаметром вала D и диаметром отверстия вкладыша D+2d. При этом он установлен с натягом по торцам, а также с натягом по внутренней и наружной поверхностям для обеспечения постоянства «эффекта храповика».

Рис. 1. Конический подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения

Рис. 2. Расположение пружины, надетой на вал с натягом на половине ее длины

Рис. 3. Расположение пружины, вставленной во втулку с натягом на половине ее длины

Вкладыш находится между втулкой 1 и валом 2 (рис. 4). Изготавливаем коническую пружину, навивая проволоку на вал с образованием среднего диаметра ^рпр. Если коническая пружина надета на вал и находится во втулке, то обозначим ее диаметр на валу как ^рпр на отверстие Осрпр.

а б

Рис. 4 Схемы расположения пружины: а - расположение пружины, если считать ее жесткой, а вал и втулку пластически деформируемыми; б - пружина жестко зажата между валом и втулкой

Изготовим коническую пружину и разместим ее между валом и втулкой, при этом будем считать, что материал вала и втулки не имеет возможности деформирования. При этом пружина займет на валу и втулке положение с неравномерным натягом по рабочим поверхностям. Диаметр проволоки равен половине зазора между диаметром вала и диаметром отверстия втулки, но поскольку пружина изготовлена конической, один из крайних диаметров пружины будет меньше, чем у вала, на 0,5 мм, а с другой стороны диаметр будет больше на 0,5 мм, чем у втулки (рис. 6). Тем самым создается упругий натяг, который распределяется не как обычно по всей поверхности, а убывает под углом 30 и к середине втулки и вала достигнет нулевого значения. С одной стороны - натяг на валу, а с другой стороны - натяг на втулке. Величина упругого натяга зависит от угла, с которым пружина изготовлена.

В данном случае натяг не постоянен по длине и поле допуска будет изображаться не прямоугольником, как обычно, а треугольником, и натяг будет переменным, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Схема полей допусков для конической пружины: а - сопряжение пружины и отверстия;

б - сопряжение пружины и вала

Цилиндрическая винтовая пружина, которой является пружинный вкладыш подшипника, представляет собой брус, ось которого располагается на поверхности образующего цилиндра по винтовой линии. Ось этого бруса, образующего винтовую пружину, определяется тремя независимыми параметрами, за которые удобно принять: В - диаметр образующего цилиндра (средний диаметр пружины); а- угол подъема оси винтового бруса; I - длина оси рабочей части винтового бруса (основной части, образующей рабочие витки). Эти величины называются основными параметрами пружины [7-9].

Уравнения оси бруса в цилиндрических координатах (рис. 6):

D D . D j

x = — cos j; y = — sin j; z =--------tg a.

2 2 2

Рис. 6. Геометрические параметры цилиндрической винтовой пружины

Ось г направлена по оси пружины, ось х проходит через точку А, являющуюся началом отсчета длины I. Полярный угол р отсчитываем от оси х.

Обозначим наибольший полярный угол как р, тогда р=2га, где г - число рабочих витков пружины.

Так как лОг = Ор = I^а, то р = 11 .

2 ^ О

Отсюда можно выразить число рабочих витков пружины:

l cos a

Шаг оси винтового бруса

Длина рабочей части пружины

pD

h = pDtga.

H = hi, или H = l sin a.

Необходимая точность изготовления традиционной посадки требует применения высокоточного оборудования и дорогостоящего инструмента, что экономически невыгодно для изготовления пружинного вкладыша и сопрягаемых с ним деталей. Поэтому было предложено выполнить пружинный вкладыш коническим, а остальные сопрягаемые с ним поверхности деталей - цилиндрическими.

Фотографии изношенных деталей подшипникового узла крестовины со следами «ложного бринели-рования» представлены на рис. 7. Модернизированная крестовина автомобиля ВАЗ «Нива» - на рис. S.

Рис. 7. Внешний вид изношенных деталей («ложное бринелирование») подшипникового узла крестовины

Рис. S. Модернизированные крестовины автомобиля ВАЗ «Нива»

Подавление окислительных процессов в предложенной конструкции легко достигается сальниковым уплотнением. Положительный эффект получается также за счет снижения адгезионной составляющей трения (трения покоя) и частичной реализации идей Н.Е. Жуковского «о движении без трения» (вращением промежуточной опоры) без использования для этого внешнего источника энергии. Подобный подшипник может найти широкое применение взамен игольчатых подшипников карданного вала, сайлентблоков подвески, шарниров рулевого управления и других шарнирных узлов, работающих в возвратно-вращательном режиме.

Пример применения конического пружинного вкладыша для сайлентблока амортизатора приведен на рис. 9.

В конструкцию поршня амортизатора внесены изменения, касающиеся поршневого кольца, выполненного по типу винтовой цилиндрической пружины с поджатыми витками (рис. 10). Материал такого кольца - проволока квадратного сечения из стали 65Г, омеднённая.

Стандартная конструкция уплотнительных колец амортизаторов представляет собой полимерное кольцо (разрезное или неразрезное). В двигателях внутреннего сгорания и компрессорах также применяют разрезные чугунные поршневые кольца [11, 12].

Рис. 9. Сайлентблок амортизатора новой конструкции Рис. 10. Конструкция поршня с уплотнением

с пружинным вкладышем из винтовой цилиндрической пружины

квадратного сечения с поджатыми витками

ЛИТЕРАТУРА

1. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костецкий. Киев: Техшка, 1970. 296 с.

2. Костецкий Б.И. Износостойкость деталей машин / Б.И. Костецкий. Киев - М.: Машгиз, 1950. 168 с.

3. Костецкий Б.И. Поверхностная прочность материалов при трении / Б.И. Костецкий. Киев: Техшка, 1976. 326 с.

4. Kuranov V. Unity and contrast of normal oxidizing friction and selective transfer / V. Kuranov,

A. Vinogradov, A. Buzov // VII international symposium intertribo’99 proceedings tribological problems in exposed friction systems. Slovak Republic, Stara Lesna, 1999. Р. 128-134.

5. Влияние среды и свойств материалов на упрочняющее действие и активацию процессов при пластической деформации и трении / В.Г. Куранов, А.Н. Виноградов, А.В. Бузов, Ю.А. Петров,

B.А. Каракозова // МЕТАЛЛДЕФОРМ’99: сб. материалов 1-й Междунар. науч.-техн. конф. Самара, 1999. С. 122-126.

6. Kuranov V. Unity and contrast of normal oxidizing friction and selective transfer / V. Kuranov, A. Vinogradov, S. Mironov // POLISH ACADEMY OF SCIENCES EXPLOITATION PROBLEMS OF MACHINES A quarterly concerning problem of tribology, reliability, exploitation, diagnostics. VOL.XXXIII, ISSUE2(114), Warshaw, 1998. P. 239-245.

7. Пономарев С.Д. Расчет упругих элементов машин и приборов / С.Д. Пономарев, Л.Е. Андреева. М.: Машиностроение? 1980. 326 с.

8. Виноградов А.Н. Эксплуатационные характеристики подшипников с пружинным вкладышем на основе новых принципов и эффектов / А.Н. Виноградов, Д.К. Кушалиев // Fbrnbrn жэне бшм: Научно-исследовательский журнал. 2010. № 1(18). С. 55-62.

9. Виноградов А.Н. Повышение качества подшипников на основе формирования рациональных физико-механических свойств контактных поверхностных слоев применением триботехнических методов при финишной обработке: дис. ... д-ра техн. наук: 05.02.08 / А.Н. Виноградов. Саратов, 2008. С. 370.

10. Виноградов А.Н. Подшипники скольжения с пружинным вкладышем и область их применения / А.Н. Виноградов, Д.К. Кушалиев // Тяжелое машиностроение. 2012. № 10. С. 29-35.

11. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей / Д. Н. Вырубов и др. М.: Машиностроение, 1983.

12. Данилов И.К. Аналитические устройства для оценки износа цилиндропоршневой группы дизелей / И.К. Данилов, К. Л. Слитников, Ю.И. Данилов // Мир транспорта и технологических машин. 2012. № 1 (36). С. 15-19.

Кушалиев Даурен Кайсарович -

магистр транспорта, транспортной техники и технологии, старший преподаватель кафедры «Строительство и строительные материалы» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана

Dauren K. Kushaliev -

Master in Transport and Transport Engineering, Senior Teacher

Department of Building Materials,

Zhangir han West Kazakhstan Agro-Technical University

Статья поступила в редакцию 14.10.13, принята к опубликованию 15.12.13