ШКВОРЕНЬ В СБОРЕ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению, а именно, к шкворням с полусферическими опорами поворотных кулаков жестких управляемых мостов колесных транспортных средств.
Известен поворотный кулак, содержащий шаровую опору, корпус поворотного кулака со шкворнями в виде ступенчатых цилиндров и радиальными подшипниками скольжения, упорные подшипники в виде шайб с углублениями на рабочих поверхностях для смазки, опорные кольца, регулировочные прокладки, обеспечивающие требуемую величину предварительного нагружения упорных подшипников (Руководство по эксплуатации « Автомобили УАЗ-3160, УАЗ-3162 и их модификации», г.Ульяновск, «Ульяновский Дом печати», 2000 г., с.131).
Недостатками известного поворотного кулака являются: отсутствие возможности устранения радиального зазора в подшипниках скольжения, возникающего в процессе эксплуатации, высокая трудоемкость изготовления и регулировки узла, необходимость применения специального оборудовании при ремонте и замене радиальных подшипников скольжения, высокая трудоемкость обслуживания узла, обусловленная необходимостью периодического смазывания поверхностей трения.
Близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является поворотный кулак (свидетельство на полезную модель РФ №33357, кл. В62D 7/18, 02.06.2003), содержащий корпус поворотного кулака, шаровую опору с парой противолежащих полусферических опор, шкворни, механизм регулирования зазоров, шкворни выполнены с полусферической опорной поверхностью, полусферические опоры снабжены полусферическими вкладышами.
Поворотный кулак, согласно свидетельству, характеризуется тем, что полусферические опоры снабжены сквозным центральным отверстием.
Кроме того, поворотный кулак, согласно свидетельству, характеризуется тем, что полусферические вкладыши снабжены выступами, установленными в ответные пазы полусферических опор.
Кроме того, поворотный кулак, согласно свидетельству, характеризуется тем, что полусферические вкладыши снабжены наружным каркасом в виде втулки с выступами, установленными в ответные пазы полусферических опор.
Кроме того, поворотный кулак, согласно свидетельству, характеризуется тем, что внутренняя поверхность полусферической опоры и наружная поверхность полусферического вкладыша снабжены кольцевыми канавками, в которых размещено пружинное стопорное кольцо.
Полусферические опоры шкворней снабжены сквозным центральным отверстием для подачи смазки по внутренним канавкам вкладышей к контактирующим поверхностям вкладышей и шкворней. Описанное выше устройство принимается за аналог.
Аналог имеет небольшое усовершенствование в части исполнения вкладыша, центральный цилиндрический выступ которого устанавливается в сквозное центральное отверстие полусферической опоры шкворня (патент РФ на полезную модель № 104914, публ. 27.05.2011), однако в выбранном аналоге технические решения изложены подробнее.
В аналоге шкворень с полусферической поверхностью, полусферический вкладыш и полусферическая втулка представляют собой отдельные детали. Их установка осуществляется непосредственно на автомобиле последовательно: полусферической опоры с вкладышем в шаровую опору, затем надвигания поворотного кулака и установки в его отверстие шкворня, затем заворачивания по резьбе конической втулки на коническую часть шкворня с последующим надеванием шайбы и затягиванием гайки через шайбу на резьбовой части шкворня. Аналогично устанавливается другой шкворень.
Недостатками аналога являются:
отсутствие предварительной подсборки собираемых деталей, в результате чего установка шкворней на автомобиле представляет определенные трудности. Однако такая подсборка на прототипе не представляется возможной по конструктивным соображениям;
повышенная трудоемкость и неудобство при сборке узла, при установке шкворней на шаровую опору, особенно нижнего шкворня, т.к. все элементы: шкворень, вкладыш и полусферическая опора представляют собой отдельные детали, соединяемые вместе только в процессе сборки узла «поворотный кулак - шаровая опора - шкворень - вкладыш - полусферическая опора». Таким образом, не реализована концепция подшипника цельной конструкции, обладающего большей технологичностью;
неудовлетворительная герметизация шкворня в связи с отсутствием защитного чехла, что приводит к возможной потере смазки, особенно нижнего шкворня, а также к попаданию грязи, песка и т.п. в зону трущейся пары «вкладыш-шкворень», при отсутствии защитного чехла, что уменьшает долговечность узла в целом;
выполнение площади контакта трущейся пары «шкворень - вставка» минимальной. Это получается потому, что конструктивно полусферическая опорная поверхность шкворня выполнена по сути только наполовину в виде сферы, т.е. высота полусферы примерно равна ее радиусу. Аналогично, полусферический вкладыш имеет высоту примерно равную радиусу его внутренней сферической поверхности. В результате ухудшаются условия эксплуатации, и увеличивается износ сферической поверхности шкворня.
Известен поворотный кулак, включающий в себя корпус поворотного кулака и шаровую опору, верхний и нижний шкворни, выполненные в виде пальцев с головками, опоры шкворней с выемками и вкладыши из антифрикционного материала, уставленные в выемках опор шкворней, отличающийся тем, что каждая опора шкворня выполнена в виде цилиндрического корпуса с выемкой, глубина которой превышает величину радиуса головки шкворня, и снабжена защитным чехлом, заполненным смазкой, головка каждого шкворня выполнена сферической формы, а вкладыш охватывает большую часть сферической поверхности головки, снабжен боковой полостью, заполненной смазкой, и зафиксирован в углублении опоры шкворня стопорным кольцом (патент РФ № 160616, публ. 27.03.2016 - аналог).
Поскольку в патенте рассмотрен поворотный кулак в целом, а в заявке представлено техническое решение, относящееся только к шкворню, являющемуся составной частью поворотного кулака, остановимся на сравнении шкворневого узла, как он описан в патенте, и заявляемого решения - шкворень. Согласно патенту шкворневой узел включает в себя опору шкворня, шкворень, вкладыш, стопорное кольцо, защитный чехол и пружинное кольцо. Аналогичный состав деталей и в заявляемом техническом решении.
Известен шкворень, имеющий сферическую опорную поверхность, а также сферическую опору и сферический вкладыш, при этом вышеуказанные детали дополнительно содержат защитный чехол, заполняемый смазкой, образуя единую сборочную единицу, при этом сферическая опорная поверхность шкворня, а также внутренняя сферическая поверхность вкладыша имеют сферическую часть с высотой, превышающей радиус сферы, а вкладыш изготовлен из полимерного материала, характеризующийся тем, что сферическая опорная поверхность шкворня, а также внутренняя сферическая поверхность вкладыша имеют сферическую часть с высотой, превышающей радиус сферы не менее чем на 1/3 его величины, сферический вкладыш имеет входное отверстие с диаметром, меньшим диаметра сферы шкворня, а снаружи - сферическую поверхность, переходящую в цилиндрическую поверхность со стороны входного отверстия, а сферическая опора на внутренней сферической части внизу имеет компенсационную зону (патент РФ № 191961, дата публикации 28.08.2019, патентообладатель - ООО "Белебеевский завод "Автокомплект" (ООО «БЗАК»).
Кроме того, шкворень по вышеупомянутому патенту характеризуется тем, что вкладыш изготовлен из угленаполненного пластика.
Техническое решение по патенту РФ № 191961 по совокупности признаков и достигаемому результату принимается за прототип.
Техническим результатом прототипа является выполнение изделия в виде неразъемного узла, обеспечение постоянства моментов вращения шкворня за счет применения вкладыша из полимерного материала в конструктивном исполнении, описанном ниже, создания в сферической опоре внизу внутренней сферической части компенсационной зоны, увеличения площади охвата сферы шкворня полусферическим вкладышем, что в конечном итоге приводит к повышению технологичности сборки, увеличению срока службы изделия, уменьшению затрат на ремонт и техническое обслуживание.
Технический результат прототипа достигается реализацией концепции заявителя по созданию закрытого неразъемного подшипника с решением сформулированных ниже принципиальных задач. При этом под подшипником можно понимать совокупность фрагментов деталей, играющих роль подшипника: сферическая опора, сферическая опорная поверхность шкворня, вкладыш.
Техническое решение по прототипу решает следующие основные задачи:
1. Сборка шкворня вместе с опорой, вкладышем и защитным чехлом с образованием единой сборочной единицы - шкворень в сборе.
Такая сборка позволяет разделить операции по сборке узла и установке его на автомобиль. В этом заключается существенное отличие от аналога (патент РФ № 160616), в котором установка всех деталей осуществляется непосредственно на автомобиле, а защитного чехла нет.
Операция по сборке узла «шкворень - вкладыш - опора - защитный чехол» обеспечивает гарантированно качественную сборку узла, т.к. сборка осуществляется в удобных условиях на рабочем месте сборщика, не привязываясь к монтажу узла на автомобиль. Помимо улучшения качества сборки узла, снижается ее трудоемкость и тем самым повышается технологичность операции.
Кроме того, узел может быть разъемным или неразъемным. В заявляемом варианте предпочтение отдается неразъемному узлу, как более простому и надежному. Неразъемный узел не подлежит ремонту и при его замене на новый хорошее качество гарантируется производителем.
2. Увеличение площади поверхностей контактирующих деталей - шкворня и вкладыша.
Такое увеличение прогнозируемо обеспечивает уменьшение удельных нагрузок на эти поверхности в процессе эксплуатации автомобиля, тем самым повышая срок службы узла. Эта задача решается конструктивными изменениями сферических поверхностей шкворня и вкладыша.
Задача увеличения площади поверхностей контактирующих деталей - шкворня и вкладыша реализуется использованием вкладыша, изготовляемого из полимера, что позволяет вкладышу за счет определенных эластичных свойств полимера охватывать дополнительную поверхность сферы шкворня, заставляя и ее «работать» в сложных дорожных условиях.
3. Защита узла от грязи, воды и т.п.
Защита узла от грязи, воды и т.п. - логичное решение для узлов ходовой части автомобилей. Тем не менее, в конструкции аналога эта задача не решена, да она и выглядит трудно решимой. В прототипе при решении принципиальной задачи по созданию единой сборочной единицы - шкворень в сборе, установка на нем защитного чехла является совершенно логичной.
В конструкции шкворня прототипа (патент РФ 191961, правообладатель тот же - ООО «БЗАК») использован защитный чехол старой конструкции, в котором чехол крепится пружинным элементом только к корпусу шкворня, а горловина (верхняя часть) чехла обжимает стержень шкворня за счет упругой деформации, вызванной разностью между диаметром стержня и внутренним радиусом горловины чехла. Практика показала, что в процессе эксплуатации шкворня чехол со временем теряет эластичность, поэтому ухудшается или даже теряется герметичность в горловине чехла, что приводит к проникновению грязи и ржавчины в область сопряжения горловины чехла и тела пальца шкворня во время работы. Потеря герметичности со временем в результате потери эластичности является главным недостатком крепления чехла при отсутствии второй пружины в горловине чехла, снижающим срок службы шкворня в целом.
Немаловажно, что новая конструкция шкворня в сборе согласно заявляемой полезной модели позволяет использовать ее в качестве запасных частей для уже эксплуатируемых автомобилей, в частности автомобилей УАЗ: Профи, Профи - 2, Патриот (с поворотным кулаком открытого типа), а также при установке его на конвейере УАЗ. Т.е. новый шкворень идёт на замену старого.
4. Смазка шкворня.
Смазка трущихся поверхностей шкворня и вкладыша - важнейшая задача, влияющая на срок службы узла и на периодичность регулировки зазоров в трущейся паре путем затяжки втулки и гайки, расположенных в поворотном кулаке (не показано). В аналоге, а также в развивающем его патенте РФ № 104914, подача смазки к контактирующим поверхностям вкладышей и шкворней осуществляется через центральное сквозное отверстие в полусферической опоре. В прототипе смазка закладывается в защитный чехол при сборке.
Поставленные задачи реализованы в заявляемой полезной модели.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении долговечности при эксплуатации шкворня, определяемой:
повышенной долговечностью шкворня по прототипу за счет совокупности признаков, относящихся к конструкции рабочей внутренней части шкворня;
повышенной долговечностью шкворня за счет признаков, относящихся к конструкции чехла и его креплению с помощью двух пружинных элементов.
Таким образом, долговечность шкворней заявляемой конструкции повышается еще больше. Шкворень может использоваться не только на автомобилях УАЗ, но и на других транспортных средствах, а также в качестве запасных частей к ним.
Технический результат достигается решением технической задачи по созданию шкворня в сборе, имеющего сферическую опорную поверхность, а также сферическую опору и сферический вкладыш, при этом вышеуказанные детали дополнительно содержат защитный чехол, заполняемый смазкой, образуя единую сборочную единицу, при этом сферическая опорная поверхность шкворня, а также внутренняя сферическая поверхность вкладыша имеют сферическую часть с высотой, превышающей радиус сферы, а вкладыш изготовлен из полимерного материала, сферическая опорная поверхность шкворня, а также внутренняя сферическая поверхность вкладыша имеют сферическую часть с высотой, превышающей радиус сферы не менее чем на 1/3 его величины, сферический вкладыш имеет входное отверстие с диаметром, меньшим диаметра сферы шкворня, а снаружи - сферическую поверхность, переходящую в цилиндрическую поверхность со стороны входного отверстия, а сферическая опора на внутренней сферической части внизу имеет компенсационную зону, отличающегося тем, что защитный чехол крепится с помощью двух пружинных элементов.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что пружинные элементы представляют собой витые пружины с количеством витков один или более.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что вверху защитного чехла на внутренней поверхности имеются одна или несколько канавок. Количество канавок не имеет принципиального значения. Например, в варианте исполнения, приведенном на фиг. 2,  используются две канавки: первая - малая верхняя канавка, как барьер-накопитель грязи, а вторая - нижняя (побольше), как резервуар для смазки.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что канавки имеют треугольный профиль.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что защитный чехол изготовлен из резины.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что защитный чехол изготовлен из полиуретана или силикона.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что вкладыш изготовлен из угленаполненного пластика.
Кроме того, шкворень характеризуется тем, что вкладыш изготовлен из полиоксиметилена (РОМ), полиацеталя или полиформальдегида.
Таким образом, единая сборочная единица, включающая, по меньшей мере, собственно шкворень, а также сферическую опору и сферический вкладыш, представляет собой узел, преимущественно неразборный узел - шкворень в сборе.
В качестве полимерного материала для вкладыша  используется материал, обладающий высокими прочностными и износостойкими характеристиками. Примерный перечень материалов приведен выше.
Сферическая опора состоит из металлического корпуса, имеет внутреннюю полость, состоящую из сферической части внизу и цилиндрической части сверху, с посадочным гнездом для установки шайбы, а наружная поверхность опоры имеет отбортовку в верхней части и кольцевую канавку под установку и закрепление защитного чехла пружинным кольцом, а в нижней части - кольцевую канавку под стопорное кольцо для закрепления шкворня в сборе на шаровой опоре.
Шкворень в сборе представляют собой неразборный узел за счет установки шайбы в посадочное гнездо и последующей завальцовки верхней кромки сферической опоры на шайбе.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежных рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежами, где
фиг.1 - шкворень в сборе, в разрезе;
фиг.2 - чехол, в разрезе;
фиг.3 - фрагмент верхней части чехла (увеличено);
фиг.4 - фрагмент нижней части чехла (увеличено).
В предлагаемом варианте исполнения шкворень в сборе состоит собственно из шкворня 1, сферической опоры 2 с расположенным между ними вкладышем 3, шайбы 4 и защитного чехла 5 с пружинным кольцом 6.
Шкворень 1 состоит из сферической опорной поверхности 7, цилиндрической поверхности 8, конической поверхности 9 и резьбового наконечника 10 с отверстием для законтривания резьбового соединения (на шкворне верхнем) при установке шкворня в сборе на автомобиль.
Сферическая опора 2 опора состоит из металлического корпуса, имеет внутреннюю полость, состоящую из сферической части внизу и цилиндрической части сверху, с посадочным гнездом 11, а наружная поверхность опоры, выполненная преимущественно цилиндрической формы, имеет посадочный поясок 12 и кольцевую канавку 13 в верхней части под установку и закрепление защитного чехла пружинным кольцом 6, а также кольцевую канавку 14 в нижней части опоры 2 под стопорное кольцо (не показано) для закрепления шкворня в сборе в шаровой опоре.
Сферическая опорная поверхность 7 шкворня имеет радиус 15 и высоту «H», которая больше радиуса 15 или даже больше его на 1/3. Соответственно внутренняя сферическая поверхность вкладыша 3 имеет такой же радиус 15, как и сферическая поверхность шкворня, и высоту «Н», которая также больше радиуса 15 или даже больше его на 1/3. Такие параметры двух соприкасающихся сферических поверхностей позволяют получить максимально возможные площади трущейся пары.
В рассматриваемом варианте исполнения вкладыш 3 изготовлен из полимерного материала, обладающего высокими прочностными и износостойкими характеристиками.
Как видно из фиг. 1 сферический вкладыш 3 имеет входное отверстие с диаметром, меньшим диаметра сферы шкворня, а снаружи - сферическую поверхность, переходящую в цилиндрическую поверхность со стороны входного отверстия. При этом внутренняя сферическая поверхность вкладыша 3 и в верхней части прилегает к сферической поверхности шкворня, обеспечивая наибольшую площадь соприкосновения трущейся пары. При этом верхняя кромка вкладыша может иметь утолщение 16.
Для хорошей посадки вкладыша 3 в нижней части сферической поверхности опоры 2 может быть создана компенсационная зона 17.
Шкворень в сборе собирается следующим образом. Во внутреннюю полость сферической опоры 2 вставляется вкладыш 3, с выравниванием его верхней кромки относительно нижней кромки посадочного гнезда 11. Внутренняя поверхность вкладыша 3 смазывается маслом. Затем вставляется шкворень и в посадочное гнездо устанавливается шайба. Затем верхняя кромка 18 сферической опоры 2 завальцовывается до плотной посадки шайбы 4 в посадочном гнезде 11, Таким образом, шкворень в сборе представляют собой неразборный узел. Затем защитный чехол заполняется смазкой, надевается на шкворень, нижней кромкой натягивается на кольцевую канавку 13 и крепится пружинным кольцом 6.
С целью сохранения герметичности между защитным чехлом и телом шкворня во время его длительной эксплуатации горловина (верхняя часть) защитного чехла надежно закрепляется с помощью дополнительного пружинного элемента 19 на цилиндрической части шкворня.
Шкворни в сборе, верхний и нижний, устанавливаются на автомобиль следующим образом. Шкворень в сборе плотно устанавливается нижним цилиндрическим концом в сквозное отверстие с наружной стороны шаровой опоры (не показана) до упора посадочного пояска 12 в соответствующую поверхность. Затем шкворень в сборе фиксируется стопорным кольцом (не показано), устанавливаемым в кольцевой канавке 14. Аналогично устанавливается другой шкворень в сборе. Шкворни устанавливаются в шаровой опоре навстречу друг другу.
Жесткая связь между корпусом поворотного кулака (не показан) и шкворнем в сборе обеспечивается затяжкой резьбовой втулки (не показана) на конической поверхности 9 шкворня и гайки (не показана) на резьбовом наконечнике 10 шкворня 1.
Механизм регулирования зазоров служит для устранения зазоров и создания предварительного нагружения узла и выполнен в виде резьбовой втулки, воздействующей через внутренние конические отверстия на конические части 9 шкворней 1.
При воздействии управляющего усилия на корпус поворотного кулака, он поворачивается вокруг шкворневой оси вместе со шкворнями. При этом происходит скольжение сферических поверхностей шкворней по поверхности вкладышей. Тем самым обеспечивается поворот управляемого колеса транспортного средства. При этом в полезной модели обеспечивается постоянство моментов вращения шкворня за счет применения подшипника из полимерного материала, обладающего высокими прочностными и износостойкими характеристиками, и увеличения площади охвата сферы шкворня.
Заявляемое конструктивное исполнение шкворня в сборе на основе приведенной формулы полезной модели не является единственным. Как пример, возможны варианты исполнения шкворня в сборе как в части материала вкладыша, так и в части выполнения узла разборным. Также возможны варианты исполнения с защитными чехлами, изготовленными из других материалов, помимо описанных в заявленном решении.
Описанное выше выполнение полезной модели приводит к повышению технологичности сборки, еще большему  увеличению срока службы изделия по сравнению с прототипом, уменьшению затрат на ремонт и техническое обслуживание. Шкворень (шкворневый узел) собирается по хорошо отработанной при производстве шаровых опор технологии.
Заявляемая конструкция шкворня защищает, в частности следующие сборочные единицы:
1) Шкворень верхний в сборе, 236021-3001014.
2) Шкворень нижний в сборе, 236021-3001013.