ШАРОВОЙ ШАРНИР

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и может быть использована в конструкции шарового шарнира передней подвески транспортного средства, преимущественно, легкового автомобиля повышенной проходимости.
К конструкции шарового шарнира передней подвески автомобиля повышенной проходимости предъявляются весьма жесткие требования, что обусловлено воздействием на палец шарнира значительных знакопеременных нагрузок, возникающих в процессе перемещения автомобиля по пересеченной местности.
Из уровня техники известна конструкция шарового шарнира передней подвески легкового автомобиля повышенной проходимости, см. патент RU 2296249 C1, МПК F16C 11/06, публ. 27.03.2007 г., содержащая цельноштампованный полый корпус, крышку, палец с шаровой головкой, установленной в полости корпуса, а также основной и дополнительный вкладыши, на внутренних поверхностях которых выполнены смазочные канавки.
Недостатками конструкции указанного выше шарового шарнира являются:
- сложность конструкции;
- повышенная трудоемкость сборки;
- повышенный уровень брака при сборке изделия.
Сложность конструкции обусловлена использованием двух вкладышей, основного и дополнительного, а также наличием на внутренних поверхностях вкладышей вертикальных и горизонтальных смазочных канавок.
Повышенная трудоемкость сборки обусловлена особенностями конструкции. Например, из описания к патенту следует, что смазку при сборке шарового шарнира закладывают дважды, в основной и дополнительный вкладыш раздельно.
Повышенный уровень брака при сборке изделия связан с возможным пропуском операции:
- по установке одного из вкладышей в корпус;
- по нанесению смазки на внутреннюю поверхность одного из вкладышей.
Из патента RU 2362920 C1, МПК F16C 11/06, публ. 27.07.2009 г., известна конструкция шарового шарнира передней подвески легкового автомобиля повышенной проходимости, включающая цельноштампованный полый корпус, крышку в форме усеченной сферы, палец с шаровой головкой, установленной в полости корпуса, первый вкладыш, расположенный на шаровой головке со стороны пальца, второй вкладыш полусферической формы, расположенный на шаровой головке со стороны, противоположной пальцу, при этом второй вкладыш имеет сплошную наружную поверхность и выполнен с толщиной, превышающей 1/3 радиуса сферы пальца.
Указанный выше шарнир имеет следующие недостатки:
- сложность конструкции;
- повышенная трудоемкость сборки.
Сложность конструкции и повышенная трудоемкость сборки обусловлены использованием двух вкладышей.
Наконец, из патента RU 2440517, МПК F16C 11/06, публ. 20.01.2012 г., известна конструкция шарового шарнира, включающая цельноштампованный полый корпус, плоскую крышку, палец с шаровой головкой, установленной в полости корпуса, а также цельный эластичный вкладыш, размещенный на шаровой головке и выполненный в форме полого тела вращения с наружной боковой поверхностью в виде цилиндра, переходящего в усеченную сферу. 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.
Недостатки конструкции описанного выше шарового шарнира обусловлены выполнением части вкладыша цилиндрической формы с плоским торцом, предназначенным для фиксирования в корпусе. Из-за такой конструкции вкладыша высота стенок корпуса завышена, масса корпуса и масса вкладыша неоправданно, завышены.
За прототип заявляемой полезной модели принята конструкция шарового шарнира, известная из патента US 6733200, МПК F16C 11/08, публ. 11.05.2б04 г. Конструкция прототипа включает цельноштампованный полый корпус, крышку, палец с шаровой головкой, установленной в полости корпуса, а также цельный эластичный вкладыш, выполненный в форме полого тела вращения и снабженный кольцевым выступом, расположенным на боковой наружной поверхности вкладыша между полюсом и экватором. Выступ предназначен для фиксирования вкладыша в корпусе. Конструкция прототипа имеет улучшенные массо-габаритные показатели за счет оптимизации формы вкладыша, уменьшения высоты стенок корпуса и использования выпуклой крышки.
Патент US 6733200 посвящен решению следующей проблемы, присущей конструкции рассматриваемого типа. При закатке крышки в корпус из-за прикладываемого значительного давления, прикладываемого краевым участком крышки на кольцевой выступ, происходит разрушение кольцевого выступа вкладыша, с механическим отделением кольцевого выступа от вкладыша, вследствие чего вкладыш проворачивается внутри корпуса шарового шарнира и изделие становится непригодным к эксплуатации. Для уменьшения брака авторы патента US 6733200 предлагают снабдить крышку выступом, воздействующим на край кольцевого выступа вкладыша и выполняющим роль ограничителя перемещения крышки относительно кольцевого выступа вкладыша, при сборке шарового шарнира. При этом авторы патента US 6733200 предполагают, что кольцевой выступ будет разрушаться лишь на периферическом участке, непосредственно взаимодействующем с ограничителем.
Прототип характеризуется повышенной сложностью конструкции и повышенной трудоемкостью изготовления, обусловленными необходимостью выполнения на крышке специального выступа для ограничения усилия сжатия крышкой кольцевого вкладыша при сборке изделия.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является создание шарового шарнира, характеризующегося наличием цельного вкладыша, простотой конструкции, пониженной трудоемкостью изготовления, надежной фиксацией вкладыша внутри корпуса, пониженными массо-габаритными характеристиками, надежностью в процессе эксплуатации и увеличенным ресурсом эксплуатации.
Заявленный технический результат достигается в конструкции шарового шарнира, включающей в себя, по меньшей мере, цельноштампованный полый корпус, участок полости которого выполнен цилиндрическим, палец с шаровой головкой, установленной в полости корпуса и цельный вкладыш из эластичного материала, расположенный на шаровой головке и выполненный в форме полого тела вращения с кольцевым выступом, расположенным на боковой наружной поверхности вкладыша между полюсом и экватором.
Технический результат достигается тем, что вкладыш снабжен участком с конической в недеформированном состоянии формой наружной поверхности, примыкающим к кольцевому выступу и расширяющимся в направлении к кольцевому выступу, при этом упомянутый выше участок вкладыша расположен в деформированном состоянии внутри цилиндрического участка полости корпуса.
В предпочтительном варианте исполнения вкладыш может быть снабжен полюсным отверстием и меридианальными прорезями, сообщающимися с полюсным отверстием, при этом в полюсном отверстии и меридианальных прорезях размещена смазка.
Следует отметить, что отверстие во вкладыше для размещения смазки может быть выполнено и в экваториальной части вкладыша.
В предпочтительном варианте исполнения вкладыш может быть выполнен из полимера Delrin100P, разработанного фирмой DuPont.
В варианте исполнения шаровой шарнир может быть снабжен фланцем, выполненным зацело с корпусом.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1 представлен общий вид шарового шарнира в продольном разрезе;
На Фиг.2 представлена конструкция вкладыша.
Полезная модель может быть успешно реализована в конструкции шарового шарнира, см. Фиг.1, включающей в себя, по меньшей мере, цельноштампованный полый корпус 1, крышку 2, палец 3 с шаровой головкой 4, установленной в полости корпуса 1, а также эластичный вкладыш 5 с кольцевым выступом 6 на наружной поверхности, расположенный на шаровой головке 4.
Вкладыш 5 (см. Фиг.2) может быть выполнен, например, на базе вкладыша, имеющего форму усеченной сферы с внутренней сферической поверхностью диаметром D и наружной сферической поверхностью радиусом R. Центр внутренней сферической поверхности вкладыша смещен относительно центра внешней сферической поверхности в направлении к торцу вкладыша. Таким образом, толщина стенки вкладыша плавно уменьшается к торцу вкладыша.
На наружной поверхности вкладыша между полюсом и экватором выполнен кольцевой выступ 6 для фиксирования вкладыша в корпусе шарового шарнира.
Для обеспечения собираемости изделия на части вкладыша, прилегающей к торцу, выполнены меридианальные прорези, делящие стенку вкладыша на гибкие лепестки.
Диаметр D внутренней сферической поверхности вкладыша 5 соответствует диаметру шаровой головки пальца, для достижения минимальных значений осевого и радиального зазоров.
Следует заметить, что часть наружной поверхности вкладыша и соответствующий ей участок полости корпуса, в который данная часть устанавливается, могут иметь форму, отличную от сферической, например, образованную комбинацией конических и цилиндрических поверхностей,, как это описано в патенте RU 121020 U1, МПК F16C 11/06, публ. 10.10.2012 г.
Для реализации полезной модели в конструкции вкладыша шарового шарнира выполняют следующее изменение (см. Фиг.2).
На наружной поверхности вкладыша 5 формируют участок 7 с конической (угол наклона α=1,5 градуса) формой наружной поверхности, примыкающий к кольцевому выступу 6 и расширяющийся в направлении к кольцевому выступу 6.
В процессе сборки изделия палец 3 с вкладышем 5 устанавливают полость корпуса 1 и осаживают вкладыш 5 в цилиндрический участок полости корпуса, деформируя таким образом конический участок 7 вкладыша.
Вкладыш 5 в корпусе 1 шарового шарнира в предлагаемой конструкции удерживается не только за счет прижатия кольцевого выступа крышкой 2 к корпусу, но и за счет упругой деформации участка 7 вкладыша между цилиндрическими стенками полости корпуса.
Благодаря предлагаемому техническому решению, по сравнению с прототипом, с одной стороны, упрощается конструкция крышки, снижается трудоемкость изготовления крышки, а, следовательно, и всего изделия, исключается брак, связанный с деформацией и отрывом кольцевого выступа при закатке крышки, а с другой стороны, повышается надежность изделия в эксплуатации, в частности, возрастает усилие, после которого происходит выдавливание пальца из корпуса шарового шарнира.
При упругой деформации участка 7 вкладыша одновременно происходит поджатие стенок вкладыша 5 к поверхности шаровой головки 4, благодаря чему большая часть внутренней поверхности вкладыша 5 контактирует с поверхностью шаровой головки 4 пальца 3, обеспечивая равномерный износ стенок вкладыша 5 и увеличение ресурса эксплуатации изделия.
Вкладыш 5 в наилучшем варианте реализации полезной модели снабжают полюсным отверстием 8 и меридианальными прорезями 9, сообщающимися с полюсным отверстием 8, в которые закладывают смазку. Объем закладываемой смазки при этом примерно равен объему полостей, ограниченных стенками отверстия, прорезей, наружной поверхностью шаровой головки 4 пальца 3 и внутренней стенкой корпуса 1 шарового шарнира. Смазка из полюсного отверстия 8 и меридианальных прорезей 9 в процессе эксплуатации шарового шарнира захватывается поверхностью шаровой головки 4, благодаря чему происходит смазывание взаимодействующих поверхностей шаровой головки 4 и вкладыша 5.
Вкладыш 5 выполняют из эластичного материала с высокими антифрикционными характеристиками. В наилучшем варианте реализации, определенном опытным путем, вкладыш выполняют из полимера Delrin100P, разработанного фирмой DuPont.
Центральный выступ в крышке 2 может быть выполнен сферической формы, как показано на Фиг.1, или в форме усеченного конуса.
Сборку изделия выполняют в следующей последовательности.
В полость вкладыша 5 вводят смазку. Затем размещают в полости вкладыша 5 шаровую головку 4. Избыток смазки при этом перемещается в полюсное отверстие 8 и меридианальные прорези 9.
Палец 3 шарового шарнира с вкладышем 5 устанавливают в полость корпуса 1.
Вкладыш 5 осаживают внутрь корпуса 1, деформируя конический участок 7 вкладыша 5 и уплотняя посадку шаровой головки 4 за счет поджатия стенок вкладыша 5. Корпус 1 закрывают крышкой 2.
Закатывают крышку 2 в корпусе 1 посредством загиба краевых кромок корпуса 1.
Корпус 1 обычно снабжают защитным кожухом 10, который устанавливают со стороны пальца 3.
В торец защитного кожуха закладывают стальную коническую шайбу 11.
На палец 3 надевают распорную втулку 12 кожуха, исключающую возможность попадания стенки защитного кожуха 10 внутрь корпуса 1 шарового шарнира.
Боковую поверхность защитного кожуха 10 выполняют в виде гофры.
В защитный кожух 10 закладывают смазку.
Надевают защитный кожух 10 на палец 3 шарового шарнира.
Фиксируют края защитного кожуха 10 в проточке корпуса 1 посредством фиксирующего стального кольца (на Фиг.1 позицией не обозначено).
В варианте исполнения, соответствующем конструкции автомобиля, корпус может быть снабжен фланцем 13 с крепежными отверстиями 14. Фланец 13 при этом может быть изготовлен зацело с корпусом 1.
Палец с шаровой головкой выполнен с возможностью качения и вращения относительно корпуса шарового шарнира. Механически соединенный с элементами подвески, при движении автомобиля палец испытывает на себе действие знакопеременных динамических нагрузок, которые передаются головкой на вкладыш, оказывая на него радиальные и продольные воздействия.
Заявителем освоен выпуск изделий для автомобилей повышенной проходимости Chevrolet Niva и LADA 4×4, отвечающих требованиям заводов-изготовителей.