ШАРОВАЯ ОПОРА
SPHERICAL JOINT

Изобретение относится к шарнирной опоре, в частности, для шаровой опоры с вкладышем подшипника скольжения и может быть использовано в шаровых опорах управляемых колес и шарнирных соединениях рулевых механизмов транспортных средств.
В шаровых опорах в результате циклических нагрузок возникает износ вкладыша, что приводит к увеличению зазора между сферой шарового пальца и вкладышем. Зазор между деталями повышает ударные нагрузки на шарнир и способствует выходу его из строя.
Известна шаровая опора, содержащая 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 (патент РФ №2296249, МПК F16C 11/06, опубл. 27.03.2007 г.).
Однако известная шаровая опора 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,
- 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,
Известна шаровая опора, содержащая 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, МПК F16с 11/06, опубл. 18.01.1968).
- недостаточная жесткость конструкции вкладыша,
- 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.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности из известных решений является шаровая опора, содержащая цельноштампованный корпус, внутри которого размещен палец шаровой, выполненный со сферической полной или усеченной в области полюса головкой; вкладыш, охватывающий головку пальца шарового, при этом наружная сферическая поверхность вкладыша выполнена с радиальными прорезями, вытянутыми в меридиональном направлении, частично переходящими на наружную цилиндрическую поверхность и образующими упругие элементы, необходимые для ввода сферической головки шарового пальца при соответствующем осевом усилии, а на внутренней поверхности вкладыша выполнены вертикальные и горизонтальная смазочные канавки, при этом вертикальные смазочные канавки совмещены с боковыми радиальными и осевыми торцевыми прорезями вкладыша. Вкладыш 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. Таким образом, упругие элементы и сферическая полость вкладыша обеспечивают упругий, плотный охват и самоцентрирование сферической головки 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 шаровой опоры (патент РФ №2440517, МПК F16C 11/06, опубл. 20.01.2012).
Недостатком ближайшего аналога является дефицит смазки в зоне повышенных нагрузок в опорной части шарового пальца.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока эксплуатации шаровой опоры за счет уменьшения коэффициента трения и улучшение эксплуатационных свойств в условиях сервисного обслуживания.
Техническим результатом является повышение износостойкости шаровой опоры, повышение технологичности ее изготовления и улучшение эксплуатационных свойств в условиях сервисного обслуживания.
Задача решается, а технический результат достигается тем, что в шаровой опоре, содержащей цельноштампованный корпус, внутри которого размещен палец шаровой, вкладыш, охватывающий головку пальца шарового, при этом наружная сферическая поверхность вкладыша выполнена с прорезями, а на внутренней поверхности вкладыша выполнены смазочные канавки, согласно изобретению, вкладыш выполнен в виде цельной отливки, имеющей сферическую поверхность внутри, радиусом равным наружному диаметру сферы пальца шарового, сферическую поверхность снаружи, радиусом равным внутренней сферической поверхности цельноштампованного корпуса, при этом вкладыш выполнен с отверстием с возможностью монтажа шара пальца во внутреннею часть вкладыша, а вдоль отверстия перпендикулярно ему выполнены прорези, с возможностью расширяться при монтаже и принимать обратно сферическую форму, по поверхности вкладыша выполнены сквозные канавки, расположенные полосами по меридиану сферы, обеспечивающие самоциркуляцию смазочного средства, за счет вращательного движения шара пальца, а головка пальца шарового выполнена четырехгранной бобышкой в виде квадрата в сечении профиля.
Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображена шаровая опора. Шаровая опора содержит: цельноштампованный корпус 1, внутри которого размещен палец шаровой 2 и вкладыш 3, охватывающий головку пальца шарового 2. На корпус 1 для фиксации деталей палец шаровой 2 и вкладыш 3 вальцуют кольцо 4. Вкладыш 3 выполнен в виде цельной отливки, имеющей сферическую поверхность внутри, радиусом равным наружному диаметру сферы пальца шарового, сферическую поверхность снаружи, радиусом равным внутренней сферической поверхности цельноштампованного корпуса, при этом вкладыш 3 выполнен с отверстием с возможностью монтажа шара пальца шарового 2 во внутреннею часть вкладыша 3, а вдоль отверстия перпендикулярно ему выполнены прорези, с возможностью расширяться при монтаже и принимать обратно сферическую форму, по поверхности вкладыша 3 выполнены сквозные канавки, расположенные полосами по меридиану сферы, обеспечивающие самоциркуляцию смазочного средства, за счет вращательного движения шара пальца шарового 2, а головка пальца шарового 2 выполнена четырехгранной бобышкой в виде квадрата в сечении профиля. В процессе сборки шаровой опоры с другими элементами подвески, а именно - с рулевой тягой, происходит закручивание гайки для зажатия тяги в фиксированное положение. При затяжке гайки и демонтаже, т.к. палец шаровой 2 имеет на конце сферу, происходит прокручивание шара пальца вокруг своей оси, что значительно увеличивает трудоемкость при замене шаровой опоры в подвеске. Для улучшения условий удобства обслуживания, на противоположном от шара конце пальца выполнена четырехгранная бобышка в виде квадрата при сечении профиля, шириной сторон от 12 до 17 мм и высотой от 6 до 15 мм, что дает возможность фиксации шара пальца при монтаже или демонтаже гаечным ключом размером зева на от 12 до 17 мм.
д
д
1
Расчет нагрузки шаровой опоры начинается с определения действующих сил на переднюю ось подвески автомобиля. В статическом положении на шаровую опору, в общем случае, действует в вертикальном направлении сила тяжести. Однако в движении добавляется динамическая нагрузка, учитываемая коэффициентом динамического фактора K=1,15…1,3 (принимаем K - 1,3). Учитывая, что в схеме подвеске исследуемого автомобиля применяется два шарнира, а распределение нагрузки F равномерно, то получаемое значение необходимо поделить на два. Тогда нагрузка от подрессоренной части автомобиля равна:
где m - масса автомобиля, кг (m=10000 кг),
2
g - ускорение свободного падения (принимаем g=10 м/с),
γ - распределение массы автомобиля, в зависимости от измеряемой оси, % (на переднюю ось нагрузка 35%),
Износ полиуретанового вкладыша вызван циклическим повторением вращательного движения шара пальца в процессе поворота колес, и вертикальным перемещением в результате проезда какой-либо неровности в движении. На основе полученных экспериментальных данных, в проектных расчетах используют следующие значения:
Путь трения от одного вертикального движения колеса в среднем на 1 км равен:
верт ср
верт
S=3…4 мм/км (принимаем S=3,5 мм/км).
Тогда за 36000 км пробега (средний пробег автобуса за принятые полгода эксплуатации до замены шаровой опоры, согласно регламенту замены шаровой опоры)
верт
верт ср
4
S=S⋅36000=3,5⋅36000=12,6⋅10 мм.
Путь трения от одного поворота колеса в сторону в среднем равен:
пов ср
пов ср
S=7…9 мм/пов (принимаем S=8 мм/пов).
Количество поворотов колеса за 1 км составляет в среднем N=0,1 раз/км, тогда:
пов
пов ср
S=S⋅N=8⋅0,1=0,8 мм/пов.
Радиус поверхности шарового пальца
где d - диаметр шара шаровой опоры, мм (d=32 мм)
Параметр изнашивания полиуретановых вкладышей без смазочных канавок:
w
-7
2
K=0,5⋅10 мм/кг; m=2,04;
Параметр изнашивания полиуретановых вкладышей со смазочными канавками:
w
-8
2
K=0,2⋅10 мм/кг; m=2,04;
Угол контакта вкладыша для нижней части опоры:
1
2
ϕ=35°, ϕ=75°;
Расчет износа полиуретанового вкладыша на расчетный пробег без смазочных канавок:
Тогда
w
при допустимом для грузовых автомобилей [U]=2 мм.
Расчет износа полиуретанового вкладыша на расчетный пробег со смазочными канавками:
w
при допустимом для грузовых автомобилей [U]=2 мм.
В результате наличия сквозных смазочных канавок на полиуретановом вкладыше смазочная жидкость поступает к большей площади рабочей поверхности наружной сферы шарового пальца и внутренней сферической поверхности корпуса, увеличивая, таким образом, смазываемое пятно контакта. Результат расчетов показал, что износ рабочей поверхности уменьшается в два раза, т.к. коэффициент трения из-за хорошей циркуляции смазочной жидкости значительно снижается.
Выполнение головки пальца шарового в виде четырехгранной бобышки с квадратом в сечении профиля значительно повышает технологичность сборки и улучшает эксплуатационные свойства в условиях сервисного обслуживания.
Таким образом, заявленное изобретение позволяет значительно повысить износостойкость шаровой опоры, за счет уменьшения коэффициента трения, соответственно продлить срок эксплуатации шаровой опоры, а также повысить технологичность ее изготовления и улучшить эксплуатационные свойства в условиях сервисного обслуживания.