ШАРОВОЙ ШАРНИР
BALL JOINT

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 основной вкладыш с кольцевым ступенчатым выступом на наружной поверхности, соответствующим проточке в корпусе шарнира, причем основной вкладыш имеет наружную сферическую поверхность, соответствующую внутренней сферической поверхности цельноштампованного корпуса, и внутреннюю сферическую поверхность, соответствующую наружной сферической поверхности шаровой головки, кроме того, имеет наружную цилиндрическую поверхность, соответствующую внутренней цилиндрической поверхности цельноштампованного корпуса, во внутренней цилиндрической полости основного вкладыша и на шаровой головке пальца размещен дополнительный вкладыш и зафиксирован на ней фиксирующим элементом с использованием выступов корпуса шарнира, при этом центры наружной сферической поверхности основного вкладыша и внутренней сферической поверхности корпуса смещены относительно центра шаровой головки пальца, а дополнительный вкладыш выполнен с центральным отверстием, на внутренних сферических поверхностях основного и дополнительного вкладышей выполнены вертикальные смазочные канавки, а на внутренней сферической поверхности основного вкладыша выполнена со смещением от экватора горизонтальная смазочная канавка, пересекающая все вертикальные смазочные канавки, при этом наружная поверхность дополнительного вкладыша выполнена без выступов и без канавок и эквидистантна контактирующей с ней внутренней поверхности фиксирующего элемента шарнира (см. патент РФ №2296249, МПК F16C 11/06, 2006 г.).
Однако известный шаровой шарнир при своем использовании имеет следующие недостатки:
- недостаточно высокие эксплуатационные характеристики из-за повышенного неравномерного износа вкладышей, выполненных из антифрикционного полимерного композиционного материала и сферической головки шарового пальца,
- недостаточным обжатием вкладыша сферической головки шарового пальца, т.е. наличием возможного радиального зазора между внутренней поверхностью основного вкладыша и сферической головки шарового пальца,
- наличием углового и (или) линейного смещения осей основного и дополнительного вкладышей относительно друг друга и оси полости корпуса,
- деформированием сферических поверхностей основного вкладыша (образование складок) при запрессовке пальца шарового с вкладышем в корпус шарнира и, как следствие, неравномерного облегания 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, особенно при автоматизированной сборке,
- возможность разрушения основного вкладыша при сборке шарового шарнира, вызванная тем, что при сборке нагрузка через стопорный элемент вкладыша и палец шаровой на корпус может одновременно распределяться через две связанные между собой основным вкладышем размерные цепочки. Первая - это стопорный элемент - дополнительный вкладыш - головка пальца шарового - через внутреннюю сферическую поверхность основного вкладыша - корпус шарнира. Вторая - это стопорный элемент - через кольцевой ступенчатый выступ основного вкладыша - корпус шарнира. Если размерные цепочки по тем или иным причинам не будут соответствовать друг другу, произойдет разрушение основного вкладыша.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности из известных решений является шаровой шарнир, содержащий цельноштампованный корпус с внутренней сферической поверхностью, установленный в корпус палец с шаровой головкой, выполненной в виде усеченной или полной сферы, размещенный на шаровой головке вкладыш, выполненный из полимера, обладающего хорошим сопротивлением износу и высоким антифрикционным свойством, в форме полого тела вращения с наружной боковой поверхностью в виде цилиндра, переходящего в усеченную сферу, и внутренней поверхностью, состоящей из сопряженных полусфер, и имеющий центральные отверстия на торцевых частях в области полюсов, вкладыш зафиксирован фиксирующим элементом с использованием выступов корпуса шарнира, при этом наружная и внутренняя сферические поверхности вкладыша, образующие контур боковых упругих элементов, выполнены с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность, а дуга, образующая внутренний контур боковых упругих элементов, в состоянии до сборки, выполнена со смещением по отношению к условному контуру сферической головки пальца шарового, условно вписанного во вкладыш, при этом на торцевой части вкладыша выполнены осевые прорези, а на внутренней поверхности выполнена горизонтальная смазочная канавка (патент DE 1198365, IA-E2 F 1T1, МПК F 16 с 11/06, 18.01.1968).
Однако известный шаровой шарнир при своем использовании имеет следующие недостатки:
- недостаточная жесткость конструкции вкладыша,
- торцевой упругий элемент шарового шарнира в процессе эксплуатации работает как демпфирующий элемент, позволяющий головке пальца шарового перемещаться внутри шарнира под действием внешних нагрузок, при этом удельное давление на контактную поверхность вкладыша в области, сопряженной с упругими элементами, резко возрастает, особенно при ударных нагрузках, что приводит к пластическому деформированию вкладыша в данной области и разрушению,
- недостаточная смазываемость шаровой головки и внутренней поверхности трения вкладыша, так как циркуляция смазки внутри шарнира обеспечивается наличием лишь одной горизонтальной смазочной канавки, а конструкция канавки и прорезей не обеспечивает эффективную подачу (затягивание) и циркуляцию смазки между сферической головкой пальца и внутренними поверхностями вкладыша,
- возможность перекоса вкладыша в корпусе шарнира при сборке и последующего разрушения вкладыша при 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, исключения 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 надежного и равномерного охвата вкладышем сферической головки пальца после сборки.
сферы
сферы
сферы
сферы
сферы
Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен шаровой шарнир, содержащий цельноштампованный корпус с внутренней сферической поверхностью, установленный в корпус палец с шаровой головкой, выполненной в виде усеченной или полной сферы, размещенный на шаровой головке вкладыш, выполненный из полимера, обладающего хорошим сопротивлением износу и высоким антифрикционным свойством, в форме полого тела вращения с наружной боковой поверхностью в виде цилиндра, переходящего в усеченную сферу, и внутренней поверхностью, состоящей из сопряженных полусфер, и имеющий центральные отверстия на торцевых частях в области полюсов, вкладыш зафиксирован фиксирующим элементом с использованием выступов корпуса шарнира, при этом наружная и внутренняя сферические поверхности вкладыша, образующие контур боковых упругих элементов, выполнены с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность, а дуга, образующая внутренний контур боковых упругих элементов, в состоянии до сборки, выполнена со смещением по отношению к условному контуру сферической головки пальца шарового, условно вписанного во вкладыш, при этом на торцевой части вкладыша выполнены осевые прорези, а на внутренней поверхности выполнена горизонтальная смазочная канавка, при этом внутренняя поверхность вкладыша выполнена в виде двух сопряженных через переходной элемент полусфер, первая внутренняя сферическая поверхность со стороны торца вкладыша соответствует сферической поверхности головки шарового пальца R и сопряжена с внутренней поверхностью переходного элемента через фаску или галтель со скругленными углами, вторая сферическая внутренняя поверхность контура упругих элементов, в исходном состоянии, без установленной во вкладыш сферической головки пальца шарового выполнена с радиусом образующей R2, выбранным от 0,9 до 1,1·R, внутренняя поверхность переходного элемента выполнена эквидистантной наружной поверхности вкладыша с конструктивным образованием горизонтальной смазочной канавки, центр радиуса внутренней поверхности контура упругих элементов вкладыша выполнен со смещением t вдоль оси вкладыша Y-Y и со смещением от нуля до t1 вдоль оси вкладыша Х-Х таким образом, что внутренняя сферическая поверхность упругих элементов вкладыша с радиусом R2 в ненагруженном состоянии пересекает и углубляется в условную сферическую головку пальца шарового R, при этом в состоянии после сборки внутренняя сферическая поверхность упругих элементов вкладыша соответствует форме сферической головки R, а наружная сферическая поверхность упругих элементов соответствует форме сферической полости корпуса шарнира R; на внутренней поверхности вкладыша выполнены меридиональные смазочные канавки, переходящие в радиальные прорези боковой поверхности и в осевые прорези торцевой поверхности. При этом наружная поверхность контура упругих элементов вкладыша выполнена эквидистантной внутренней сферической поверхности контура упругих элементов. При этом горизонтальная смазочная канавка вкладыша в поперечном сечении выполнена в форме двухстороннего клина, вытянутого остриями в меридиональном направлении. При этом боковые радиальные прорези на внутренней поверхности вкладыша проходят через горизонтальную смазочную канавку. При этом контуры поверхности в области торцевых (полюсных) отверстий вкладыша, контуры поверхности вертикальных смазочных канавок, а также вертикальных и радиальных прорезей выполнены скругленными с образованием между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями данных элементов вкладыша зазоров клиновидной формы. При этом цилиндрическая наружная поверхность вкладыша, в состоянии до сборки шарнира, со стороны торца переходит в коническую поверхность с наибольшим диаметром D1 со стороны торца вкладыша, превышающим диаметр D сопрягаемой полости корпуса шарнира.
Среди признаков, характеризующих предложенный шаровой шарнир, существенными являются:
- выполнение наружной и внутренней сферических поверхностей вкладыша, образующих контур боковых упругих элементов, с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность, а дуга, образующая внутренний контур боковых упругих элементов, в состоянии до сборки, выполнена со смещением по отношению к условному контуру сферической головки пальца шарового, условно вписанного во вкладыш,
- выполнение на торцевой части вкладыша осевых прорезей, а на внутренней поверхности выполнение горизонтальной смазочной канавки,
сферы
сферы
- выполнение внутренней поверхности вкладыша в виде двух сопряженных через переходной элемент полусфер, первой внутренней сферической поверхности со стороны торца вкладыша, соответствующей сферической поверхности головки шарового пальца R и сопряженной с внутренней поверхностью переходного элемента через фаску или галтель со скругленными углами, выполнение второй сферической внутренней поверхности контура упругих элементов, в исходном состоянии, без установленной во вкладыш сферической головки пальца шарового с радиусом образующей R2, выбранным от 0,9 до 1,1·R,
- выполнение внутренней поверхности переходного элемента эквидистантной наружной поверхности вкладыша с конструктивным образованием горизонтальной смазочной канавки,
сферы
- выполнение центра радиуса внутренней поверхности контура упругих элементов вкладыша со смещением t вдоль оси вкладыша Y-Y и со смещением от нуля до t1 вдоль оси вкладыша Х-Х таким образом, что внутренняя сферическая поверхность упругих элементов вкладыша с радиусом R2 в ненагруженном состоянии пересекает и углубляется в условную сферическую головку пальца шарового R,
сферы
сферы
- соответствие в состоянии после сборки внутренней сферической поверхности упругих элементов вкладыша форме сферической головки R и соответствие наружной сферической поверхности упругих элементов форме сферической полости корпуса шарнира R,
- выполнение на внутренней поверхности вкладыша меридиональных смазочных канавок, переходящих в радиальные прорези боковой поверхности и в осевые прорези торцевой поверхности,
- выполнение наружной поверхности контура упругих элементов вкладыша эквидистантной внутренней сферической поверхности контура упругих элементов,
- выполнение горизонтальной смазочной канавки вкладыша в поперечном сечении в форме двухстороннего клина, вытянутого остриями в меридиональном направлении,
- переход боковых радиальных прорезей на внутренней поверхности вкладыша через горизонтальную смазочную канавку,
- выполнение контуров поверхностей в области торцевых (полюсных) отверстий вкладыша, контуров поверхностей вертикальных смазочных канавок, а также вертикальных и радиальных прорезей, скругленными с образованием между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями данных элементов вкладыша зазоров клиновидной формы,
- переход цилиндрической наружной поверхности вкладыша, в состоянии до сборки шарнира, со стороны торца в коническую поверхность с наибольшим диаметром D1 со стороны торца вкладыша, превышающим диаметр D сопрягаемой полости корпуса шарнира.
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 сферической 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 7% ресурс эксплуатации.
В связи с сокращением количества применяемых комплектующих, появления возможности применения автоматизированной сборки и снижения трудоемкости изготовления изделий снизилась стоимость шарнира.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1а показан общий вид (местный разрез) предложенного шарового шарнира на примере наконечника тяги рулевой трапеции, на фиг.1б показан разрез общего вида на примере пальца шарового передней подвески с вариантом исполнения стопорного элемента, на фиг.2 - выносной элемент А фиг.1а и фиг.1б, на фиг.3а - выносной элемент Б фиг.1а или 1б, на фиг.3б - частный случай выносного элемента Б фиг.1а или 1б с вариантом исполнения стопорного элемента, на фиг.4 - вкладыш, вид сверху, на фиг.5 - разрез В-В фиг.4, на фиг.6 - выносной элемент Г фиг.5 и на фиг.7 - сечение Д-Д фиг.5.
сферы
сферы
ск
Шаровой шарнир (фиг.1а и 1б) содержит цельноштампованный корпус 1, внутри которого 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 12 (фиг.5), вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность и образующими упругие элементы 13, необходимые для ввода сферической головки шарового пальца 3 при соответствующем осевом усилии, а на внутренней поверхности вкладыша выполнены вертикальные 14 (фиг.5) и горизонтальная 10 (фиг.2) смазочные канавки, при этом вертикальные смазочные канавки 14 (фиг.5) с радиусом основания R совмещены с боковыми радиальными 12 (фиг.5) и осевыми торцевыми 11 (фиг.4) прорезями вкладыша, сам вкладыш 4 (фиг.1a и 1б) зафиксирован герметично фиксирующим элементом 5 с использованием выступов корпуса шарнира 1 в полости корпуса, которая выполнена в виде сферической полости с радиусом R1 сферы (фиг.2), переходящей в цилиндрическую диаметром D.
Для предотвращения попадания влаги и грязи шаровой шарнир закрыт защитным чехлом 6 (фиг.1а и 1б), который зафиксирован на корпусе 1 пружинным кольцом 8. Чтобы защитный чехол 6 не сползал на галтель пальца шарового 2, на галтели закреплена распорная втулка 9 (фиг.1б). Внутрь шарового шарнира, в полости между сферической головкой 3 пальца шарового и вкладышем 4, включая смазочные канавки и прорези, а также под чехол 6 заложена смазка 7, необходимая для снижения коэффициента трения между вкладышем и головкой пальца шарового и соответственно износа вкладыша и выхода из строя шарнира.
сферы
сферы
сферы
сферы
сферы
сферы
Вкладыш (фиг.5, 6) выполнен из полимера, обладающего хорошим сопротивлением износу и высоким антифрикционным свойством в форме полого тела вращения с наружной боковой поверхностью в виде цилиндра, переходящего в усеченную сферу R3, и внутренней поверхностью в виде сопряженных через переходной элемент lmk полусфер с радиусами, при этом одна внутренняя сферическая поверхность соответствует сферической поверхности головки пальца шарового R, а другая выполнена с радиусом образующей R2=1,01·R. Центры радиусов внутренних сферических поверхностей R2 и R вкладыша выполнены со смещением t вдоль оси Y-Y и со смещением tl по оси Х-Х вкладыша (фиг.6). Смещения t и t1 выполнены таким образом, что внутренняя сферическая поверхность упругих элементов 13 вкладыша с радиусом R2 в ненагруженном состоянии пересекает и углубляется в условную сферическую головку пальца шарового R на величину, которая изменяется от нуля в области оси Х-Х до величины а в области торцевой части упругих элементов 13, а в состоянии после сборки внутренняя сферическая поверхность упругих элементов R2 вкладыша за счет упругой деформации принимает форму сферической головки R (фиг.2), прижимая головку пальца 3 к сферической поверхности вкладыша 15, соответствующей сферической поверхности головки пальца шарового 3. Таким образом, упругие элементы 13 и сферическая полость 15 вкладыша 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 R1.
Часть наружной боковой поверхности вкладыша со стороны торца выполнена в форме усеченного конуса с углом наклона образующей а и с большим диаметром со стороны торца вкладыша D1 (фиг.5, 6), превышающим диаметр цилиндрической части полости корпуса шарового шарнира D (фиг.2). Причем коническая часть поверхности по меньшему диаметру сопряжена с цилиндрическим участком наружной боковой поверхности вкладыша (фиг.5), соответствующего внутреннему диаметру цилиндрической части полости корпуса шарнира D (фиг.2). При сборке шарнира коническая часть наружной поверхности обеспечивает центрирование вкладыша относительно полости корпуса шарнира, исключая перекос вкладыша в полости и появление возможных зазоров между корпусом шарнира и вкладышем. 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.
сферы
Внутренняя поверхность переходного элемента вкладыша mk выполнена в области экватора полости вкладыша диаметром, равным 2-R2, эквидистантной наружной цилиндрической поверхности вкладыша. Через фаску внутренняя поверхность переходного элемента вкладыша сопряжена с поверхностью полусферы радиусом R, что конструктивно образует горизонтальную смазочную канавку lmk (фиг.2, 6), при этом горизонтальная смазочная канавка вкладыша в поперечном сечении выполнена в форме двухстороннего клина lmk, вытянутого остриями в меридиональном направлении. Через горизонтальную смазочную канавку lmk проходят боковые радиальные прорези 12 (фиг.5). Радиальные прорези 12 сопряжены с вертикальными смазочными канавками 14, которые, в свою очередь, переходят в осевые торцевые прорези 11. 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, вертикальных и радиальных прорезей выполнены скругленными радиусами r таким образом, что между поверхностью сферической головки и скругленными поверхностями r данных элементов вкладыша сформированы зазоры клиновидной формы (фиг.3а, 3б, 6, 7).
На торцевой поверхности стержня пальца шарового 2 (фиг.1а) выполнена полость с поперечным сечением в форме шестигранника, torx, или другого многогранника. Полость позволяет проводить:
- автоматизированный контроль формы и геометрических параметров, отсутствие поверхностных дефектов пальца шарового;
- автоматизированный контроль моментов сопротивления качанию и вращению пальцев относительно корпуса шарнира;
- упрощает процесс монтажа на автомобиль и демонтажа шарового шарнира с автомобиля.
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 полости между головкой пальца шарового и внутренней сферической поверхностью стопорного элемента 5, перемещается в направлении поворота усеченной плоскости сферической головки пальца и 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 смазывание 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 продлевает 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 (пальцы шаровые) и рулевом управлении (тяги и наконечника тяг рулевой трапеции) автотранспортных средств. Эксплуатация предложенного шарового шарнира является традиционной и не требует конструктивных изменений подвесок и рулевого управления.