УСИЛЕННЫЙ СТУПИЧНЫЙ УЗЕЛ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПОДВОДА ВОЗДУХА ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ПОДКАЧКИ КОЛЁС В ДВИЖЕНИИ
ENHANCED HUB ASSEMBLY WITH THE POSSIBILITY TO SUPPLY AIR FOR CENTRAL PUMPING WHEELS IN MOTION

Изобретение относится к области транспорта, в частности к ступичным узлам, используемым на ведущих мостах различных конструкций (мост типа «Спайсер» с неразъемным картером, мосты с разъемным картером - «редукторный» и «гражданский») серийно устанавливаемых на автомобилях УАЗ. Кроме того, возможно применение на ведущих мостах других производителей аналогичных конструкций (например, автомобили ГАЗ).
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известен редуктор колесный, содержащий ведущую шестерню, установленную на оси ведущего моста и зацепленную с ведомой шестерней, закрепленной на ведомом валу, который соединен со ступицей, через подшипниковые опоры установленной на цапфе, разъемно соединенной с крышкой колесного редуктора, а также корпус поворотного кулака. Редуктор оснащен картером, размещенным между крышкой колесного редуктора и корпусом поворотного кулака, при этом ведущая шестерня установлена в картере вне подшипниковой опоры (патент РФ №149905, опубликован 20.01.2015).
В указанном устройстве применяется унифицированный ступичный узел, штатно устанавливаемый на все модели ведущих мостов УАЗ. Недостатки указанного устройства заключаются в сложности устройства и, как следствие - достаточно значительных временных и материальных затратах на его обслуживание. Многолетний опыт эксплуатации узла показал его недостаточную герметичность, и при эксплуатации в условиях бездорожья, особенно при погружении в грязную, насыщенную абразивными частицами (например, песком) воду, требует частого технического обслуживания. Сложность устройства: 1. Большое количество деталей (два конических однорядных подшипника, два стопорных упорных внутренних пружинных кольца, манжетное уплотнение - сальник, две гайки ступичных, шайба замочная, корпус ступицы, фланец, цапфа); 2. Корпус ступицы имеет точные внутренние расточки под посадку подшипников, стопорных упорных колец и сальника; 3. Корпус цапфы имеет точные наружные посадочные места подшипников, наружную резьбу, канавки для установки замочной шайбы; 4. Ступичный узел при проведении обслуживания необходимо разбирать, промывать, заполнять свежей консистентной смазкой, производить регулировку натяга (зазора) в подшипниках. Если сложность изготовления составных частей устройства, в современных условиях поточного производства не критична для конечного потребителя, то вопрос надежности (ресурса), и связанных с этим временных и материальных затрат в настоящее время стоит особенно остро. Для обслуживания вышеуказанного узла необходимо наличие не только специальных инструментов и материалов, но и обслуживающего персонала, имеющего достаточно высокую квалификацию и опыт. Совокупность вышеописанных обстоятельств значительно осложняет эксплуатацию и обслуживание штатного ступичного узла, указанной конструкции, в «полевых условиях», что особенно актуально для широкого круга потребителей, эксплуатирующих автотранспортные средства в условиях серьезного бездорожья.
Также известно устройство подвода воздуха к шинам транспортного средства, в котором воздухоподводящая головка выполнена в виде диска с радиальным сверлением, установленного на ступице колеса через уплотнительные элементы с образованием полости, сообщающейся с каналом отвода воздуха от головки к шине, проходящего через ступицу и фланец полуоси (патент РФ №113697, опубликован 27.02.2012).
Недостатки указанного устройства известны из опыта эксплуатации аналогичной конструкции устройства подвода воздуха к шинам, реализованной на автомобиле ГАЗ-66. Воздухоподводящая головка в ней выполнена вмонтированной в корпус цапфы, через которую проходит частично полая полуось, передающая крутящий момент на ведущие колеса автомобиля, а также сжатый воздух в полость шины. Шлифованная шейка полуоси, с выполненным радиальным сверлением, соединенным с осевой полостью полуоси, вращается внутри уплотнительных элементов воздухоподводящей головки. С течением времени происходит выработка кромок уплотнительных элементов, и сопряженной с ними шейки полуоси, в результате чего появляется неконтролируемая утечка сжатого воздуха в полость цапфы и далее в корпус ведущего моста ГАЗ-66. Ремонт, особенно в полевых условиях, сложен. Заключается в полном разборе ступичного узла. Замене уплотнительных элементов и полуосей.
На полноприводных моделях автомобилей, в частности на всем модельном ряду УАЗ и частично ГАЗ, используются ведущие мосты различных конструкций (мост типа «Спайсер» с неразъемным картером, «редукторный» и «гражданский» мосты с разъемными картерами). Разработаны они были еще в 60-70 г.г. прошлого века и до настоящего момента востребованы, устанавливаются различными производителями спецтехники, разнообразными тюнинг-ателье и спортсменами-трофистами на автомобили, в том числе и на УАЗ, на различные внедорожники, вездеходы (например, ТРЕКОЛ), т.е. как на вновь разрабатываемые, так и на серийные (дорабатываемые) транспортные средства.
Некоторые конструктивные элементы мостов, в частности ступичные узлы, были рассчитаны с некоторым запасом, на передачу относительно небольших крутящих моментов, и скоростей (т.е. на установку колес диаметром не более 32'', и двигателей до 120 л.с. с моментами до 300 н.м., скоростей до 90 км/ч), что не соответствует нынешним реалиям и потребностям конечного потребителя (с целью увеличения геометрической проходимости на бездорожье часто устанавливаются колеса большего диаметра, до 50'', двигатели мощностью 600 л.с./моментом 700 н.м. и более).
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является колесный узел с устройством подвода воздуха к шине, содержащий картер колесного редуктора, крышку колесного редуктора с установленной на подшипниковых опорах ступицей, имеющей каналы подвода воздуха, а также ведущую шестерню, установленную на оси ведущего моста и зацепленную с ведомой шестерней, закрепленной на ведомом валу, ведущая и ведомая шестерни консольно установлены в картере и крышке колесного редуктора соответственно, при этом ведомый вал выполнен частично полым и разъемно соединен со ступицей (патент РФ №154956, опубликован 20.09.2015).
В описанном устройстве применяется оригинальный ступичный узел, собственной разработки, представляющий собой обслуживаемую, разборную конструкцию, интегрированную в переднюю крышку бортового редуктора. Внутри установлены ступичные подшипники, уплотнения, дистанционные и регулировочные кольца, узел подвода воздуха с уплотнительными элементами. Корпус сложен по устройству и соответственно дорог в производстве, имеет большое количество различных уступов, каналов для подвода масла, точных посадок под подшипники и кольца. В части конструкции узла подвода воздуха устройству присущи недостатки, аналогичные описанным выше для узла подвода воздуха ГАЗ-66. Ввиду необходимости проведения полной разборки для проведения обслуживания ступичного узла данная конструкция требует достаточно высокой квалификации обслуживающего персонала и значительных временных затрат (нормо-часов). Обслуживание данного узла в полевых условиях представляется маловероятным.
Техническая задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в разработке унифицированного усиленного ступичного узла, подходящего для установки на всю номенклатуру ведущих мостов УАЗ и частично ГАЗ, посредством применения оригинального стыковочного элемента - плиты переходной, производимой отдельно для каждого из типов ведущих мостов. Разработанный усиленный ступичный узел должен обеспечивать передачу увеличенных крутящих моментов и мощностей, установку ведущих колес увеличенного диаметра, до 50'', с целью увеличения геометрической проходимости автомобиля, с реализацией возможности централизованной регулировки давления в шинах (подкачки) с водительского места и в движении.
Технический результат изобретения заключается в повышении срока службы ступичного узла с возможностью подкачки колес за счет снижения общих нагрузок на ступичный узел за счет смещения оси радиальной нагрузки от диска с колесом внутрь ступичного узла, ближе к геометрической оси транспортного средства, а также за счет взаимной центровки осей вала ведомой шестерни бортового редуктора и усиленного ступичного узла относительно корпуса бортового редуктора.
Указанный технический результат достигается за счет создания оптимальной конструкции усиленного ступичного узла с возможностью подвода воздуха для организации централизованной подкачки колес в движении, включающего картер колесного редуктора, крышку колесного редуктора с полым валом ведомой шестерни, ось которого закреплена внутри ступицы, установленной внутри блока подшипников на переходной плите и закрытой фланцем, имеющим штуцер с уплотнением, вставленный в полость вала, канал, закрытый с одной стороны фитингом с накидной гайкой и сообщающийся с полостью вала с другой стороны. При этом в полости вала со стороны, противоположной фланцу, закреплено съемное поворотное высокоскоростное пневмосоединение, передающее сжатый воздух из компрессорной установки транспортного средства в полость вала и далее через фланец и фитинг с накидной гайкой в полость колесной шины.
В заявленной конструкции ступичного узла ступица является единым простым по форме изделием (тело вращения), в ней отсутствуют какие-либо дополнительные детали, сложные пазы, расточки и т.п. Отличие предлагаемого изделия от ближайшего аналога заключается в том, что ступица вращается внутри консольно установленного на оригинальном переходном элементе, необслуживаемого ступичного блока подшипников серийного производства (блок ступичных подшипников автомобиля Toyota LC200/Lexus GX470FL, кат. №43570-60030). Данный блок подшипников меняется в сборе и не требует обслуживания, замена блока не представляет сложностей для слесаря самой низкой квалификации, и сокращает время обслуживания ступичного узла более чем в 4 раза. Указанный блок ступичных подшипников рассчитан под значительно большие нагрузки и крутящие моменты, что позволяет применять колеса значительных диаметров, вплоть до 50'' (штатный ступичный узел рассчитан, с некоторым запасом, под установку ведущих колес до 32'') без ущерба для подвески и трансмиссии автомобиля. Кроме того, указанное конструктивное решение, связанное с установкой вращающейся ступицы внутри блока подшипников, позволило сместить ось радиальной нагрузки от диска с колесом внутрь ступичного узла, ближе к геометрической оси транспортного средства, и соответственно ближе к самой консольной опоре подшипникового узла, что еще более снизило общие нагрузки на ступичный узел. В заявленном узле кроме блока подшипников ничего не заменяется, в узле отсутствуют сальники (установлены внутри блока ступичного подшипника), отсутствует цапфа. Узел состоит из меньшего количества деталей, он более надежен, технологичен и дешев в серийном производстве.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее:
Фиг. 1 - общий вид ступичного узла. Вариант для установки на «редукторный» мост УАЗ.
Фиг. 2 - вид конструкции ступичного узла в разрезе. Вариант для установки на «редукторный» мост УАЗ.
Фиг. 3 - общий вид плиты переходной.
Предлагаемый ступичный узел, в совокупности с разработанным валом бортового редуктора рассчитан на передачу увеличенных крутящих моментов и скоростей, установку ведущих колес до диаметра 50'', кроме того, узел позволяет реализовать централизованную регулировку давления в шинах (подкачку) с водительского места и в движении, посредством установки на автотранспортном средстве компрессорной установки и пневмолинии (в варианте установки узла на редукторном ведущем мосту). Передача сжатого воздуха во вращающееся колесо (шину) осуществляется через полый вал бортового редуктора предлагаемой усиленной конструкции, посредством применения высокоскоростного пневмосоединения, разработанного компанией SMC для передачи сжатых газов, без потери давления и утечек во вращающиеся конструкции промышленного оборудования, роботизированных линий и станков.
Увеличение передаваемого крутящего момента на ведущие колеса достигнуто за счет применения блока ступичного подшипника с большими динамическими и статическими нагрузочными параметрами, увеличения геометрических размеров (диаметров) ступицы и вала ведомой шестерни бортового редуктора (диаметра полуоси, в случае установки на мост типа «Спайсер»). Например, в штатном ступичном узле УАЗ, диаметр вала - 32 мм, в представленном варианте усиленного ступичного узла, диаметр вала - 45 мм.
Заявленный усиленный ступичный узел, в отличие от штатного узла, является не обслуживаемым, т.е. в нем не требуется производить регулировку подшипников (пред натяг и зазор), промывку и замену смазки. В разработанном усиленном ступичном узле применяется штатно производимый, закрытый и необслуживаемый блок ступичного подшипника от автомобиля Toyota LC 200/Lexus GX 470FL. По достижении ресурса, блок ступичного подшипника меняется в сборе. Практически подтвержденный, средний статистический пробег примененного в данной конструкции необслуживаемого блока ступичного подшипника, до замены составляет, в среднем 100000 км. Данное обстоятельство значительно удешевляет и упрощает текущее обслуживание автомобиля, а кроме того, значительно повышает надежность конструкции в целом.
На фигурах 1 и 2 показаны общий вид конструкции предлагаемого узла (вариант для установки на редукторный мост УАЗ) и его вид в разрезе, причем номера позиций на чертежах узла обозначают следующие конструктивные элементы:
1 - усиленный вал ведомой шестерни колесного редуктора. Новое изделие. Производство. Заменяет кат. №№469-2407122, 469-2407123, 469-2307123, 469-2307122;
2 - шестерня ведомая колесного редуктора УАЗ. Стандартное изделие, кат. №469-2407124;
3 - шайба 10Л 65Г 05 ГОСТ 6402-70. Стандартное изделие, кат. №252156-П2;
4 - болт М10 ГОСТ 7796-70. Стандартное изделие, кат. №350204-П;
5 - крышка картера колесного редуктора УАЗ. Стандартное изделие, кат. №469-2407104;
6 - подшипник радиальный однорядный 55×100×21. Стандартное изделие, кат. №2407126 (102211М ГПЗ);
7 - плита переходная. Новое изделие. Производство;
8 - винт М10 ГОСТ 11738-84. Стандартное изделие;
9 - ступица. Новое изделие. Производство;
10 - маслоотражатель. Стандартное изделие, кат. №3741-3103060;
11 - болт ступицы колеса. Стандартное изделие, кат. №20-3103008-Б;
12 - подшипник ступичный. Стандартное изделие, Toyota кат. №43570-60030;
13 - гайка подшипника. Новое изделие. Производство;
14 - гайка ступицы. Новое изделие. Производство;
15 - шайба 12OT 65Г 05 ГОСТ 6402-70. Стандартное изделие;
16 - болт M12x1.25 ГОСТ 7808-70. Стандартное изделие;
17 - поворотное высокоскоростное быстросъемное соединение. Стандартное изделие, SMC кат. № KXH08-02S;
18 - фланец. Новое изделие. Производство;
19 - шайба 8 65Г 05 ГОСТ 6402-70. Стандартное изделие;
20 - винт M8-6gx25.88.35x.013 ГОСТ 11738-84. Стандартное изделие;
21 - фитинг с накидной гайкой для пластиковых трубок. Стандартное изделие, Camozzi кат. №1511 8/6-1/4.
Ступица 9 разъемно установлена с возможностью вращения в корпусе подшипника 12, консольно закрепленного на переходной плите 7. Фиксация ступицы от осевого смещения в процессе эксплуатации осуществляется посредством легкопрессовой посадки в корпус ступичного подшипника, а также закрепления гайками 13 и 14. Переходная плита 7, в представленном варианте, предназначена для установки разработанного усиленного ступичного узла на переднюю крышку бортового редуктора ведущего моста УАЗ, взамен штатного ступичного узла УАЗ. Взаимная концентричность (центровка) осей вала ведомой шестерни бортового редуктора и усиленного ступичного узла достигается за счет монтирования переходной плиты по посадке внешнего кольца подшипника 6. Оригинальность указанного переходного элемента 7 (плиты) заключается, прежде всего, в его универсальности. Разработано несколько вариантов переходных плит, позволяющих, без принципиальных изменений конструкции усиленного ступичного узла, производить установку последнего, не только на различные модификации ведущих мостов УАЗ, но и на ведущие мосты ГАЗ. Кроме того, в конструкции переходной плиты 7 заложена возможность закрепления тормозного суппорта переднего (кат. №3160-00-3501011/3160-00-3501010) и заднего (кат. №, 2110-00-3501017/2110-00-3501018) дискового тормоза, а также установки датчика оборотов системы ABS (кат. №89542-60050/89543-60050). На Фиг. 3 показан общий вид плиты переходной в варианте для установки на «редукторный» мост УАЗ, где 22 - полка для установки тормозного суппорта, 23 - паз для крепления датчика системы ABS, 24 - посадка блока ступичного подшипника. Вышеуказанные конструктивные особенности переходной плиты 7, позволяют при сравнительно небольших затратах дооснастить устаревшие транспортные средства современными системами безопасности (дисковые тормоза, система ABS), с целью приведения их технического состояния к нормам, установленным действующими законодательными актами РФ в области безопасности дорожного движения (технический регламент таможенного союза о безопасности колесных транспортных средств от 09.12.2011 года №877, нормы Евро - 3/4/5).
Усиленный вал 1 ведомой шестерни 2 закреплен от осевого смещения внутри ступицы 9 посредством гайки 14 ступицы. Центровка вала, а также передача крутящего момента в системе вал - ступица осуществляется посредством шлицевого соединения, выполненного на ответных сопрягаемых поверхностях. Гайка 14 выполняет одновременно задачу фиксации от смещения вала 1 относительно установленного по посадке подшипника 6, т.к. внутреннее кольцо подшипника 6 оказывается зажато между упорной полкой вала 1 и торцом ступицы 9 с накрученной гайкой подшипника 13. С целью передачи воздуха в полость шины усиленный вал 1 выполнен полым. Увеличение передаваемого валом крутящего момента достигнуто за счет разработки оптимальной по напряжениям конструкции - увеличен внешний диаметр с 32 мм до 45 мм, по описанным выше обстоятельствам, за ненадобностью, исключена наружная резьба в основании вала, ранее выполнявшая функции фиксации от смещения внутреннего кольца подшипника 6, посредством специальной гайки. Указанные изменения позволили минимизировать концентраторы напряжений на поверхности вала, путем создания галтелей между соседними диаметрами, максимально возможных радиусов, что еще более увеличило максимальный передаваемый валом крутящий момент.
Маслоотражатель 10 закреплен на ступице 9 посредством болтов 11 ступицы колеса. Применение в конструкции усиленного ступичного узла продиктовано необходимостью защиты уплотнений, установленных в блоке ступичных подшипников, от попадания загрязнений, с целью увеличения общего срока эксплуатации узла.
Переходная плита 7 установлена по посадке на внешнем кольце радиального однорядного подшипника 6, что обеспечивает взаимную концентричность (центровку) осей вала ведомой шестерни бортового редуктора и усиленного ступичного узла относительно корпуса бортового редуктора.
Шестерня 2 ведомая колесного редуктора крепится по посадке на валу 1 посредством болтов 4 с уплотнением в виде шайбы 3.
Фланец 18 является переходным элементом. Установлен в верхней части ступицы 9 посредством центрирующей посадки, выполненной в виде выступа на поверхности фланца. Крепление фланца к ступице осуществляется посредством винтов 20 (фиг. 1). Канал, выполненный внутри фланца 18, с одной стороны закрыт фитингом 21 с накидной гайкой, с другой стороны сообщается с полостью вала 1, выполненным на фланце штуцером с уплотнением, входящим в полость вала. При этом полость вала 1 выполнена с переменным сечением и со стороны, противоположной фитингу, включает поворотное разъемное высокоскоростное пневмосоединение 17 для передачи сжатого воздуха в полость шины. Указанное пневмосоединение разработано компанией SMC, обеспечивает, по заявлению производителя, передачу воздуха давлением от - 100 кРа до 1 МРа без потери и утечек во вращающиеся конструктивные элементы узла, в широком диапазоне температур, и минимальном передаваемом крутящем моменте 0.014 N*m. По имеющейся информации в состав устройства входят два миниатюрных прецизионных шарикоподшипника с установленными между ними уплотнениями из материалов FKM (NBR). Использованное в конструкции пневмосоединение неоднократно, начиная с 2010 года, испытано на ранее изготовленных опытных образцах изделий «усиленный ступичный узел с возможностью подвода воздуха…», в варианте установки на «редукторный» мост УАЗ.
Изделие в сборе устанавливается на автомобили конечного пользователя, география испытаний - от экстремально низких температур Якутии, до высоких температур и разреженной атмосферы гор Кавказа и Монголии. За многолетний опыт эксплуатации изделий не выявлено ни одного отказа по причине выхода из строя, использованного в представленной конструкции пневмосоединения SMC.