ШАРОВОЙ ШАРНИР С ОГРАНИЧЕННЫМ ХОДОМ
BALL HINGE WITH LIMITED STROKE

Изобретение относится к шаровому шарниру, в частности, для рулевой тяги, поворотного рычага, стойки стабилизатора подвески и т.д. Такие шаровые шарниры часто используют в автотранспортных средствах, таких как легковые автомобили, грузовики, тягачи и т.д. Существуют также и другие области применения таких шаровых шарниров.
Как правило, шаровой шарнир содержит корпус, образующий гнездо, отверстие, нижний вкладыш и верхний вкладыш. Кроме того, шаровой шарнир содержит шаровой палец, содержащий головку, шейку и стержень, при этом стержень выходит за пределы корпуса через его отверстие, головка расположена в гнезде между нижним и верхним вкладышами с возможностью перемещения в гнезде. Такая конструкция является общей для большинства шаровых шарниров. Во время работы стержень шарового пальца может перемещаться с ограниченным ходом относительно корпуса. Это становится возможным за счет того, что головка шарового пальца может перемещаться внутри гнезда корпуса, скользя по вкладышам. Таким образом, стержень шарового пальца может перемещаться вдоль двух перпендикулярных осей. Ход стержня вдоль этих двух осей ограничен конфигурацией отверстия гнезда, край которого обычно заходит в шейку шарового пальца, находящуюся между головкой и стержнем. В данном случае описана классическая конструкция шарового шарнира. Таким образом, выполняя отверстие корпуса соответствующим образом, можно по-разному ограничивать ход стержня вдоль двух перпендикулярных осей. Например, можно ограничить отклонение стержня вдоль одной оси углом 90°, а вдоль другой, перпендикулярной ей, - углом 30°. Различное ограничение отклонений стержня выбирают в зависимости от варианта применения шарового шарнира.
В некоторых случаях желательно даже, чтобы отклонение стержня шарового пальца происходило в основном только по одной оси, при этом отклонение вдоль перпендикулярной оси является практически нулевым. Существуют системы ограничения отклонения на головке шарового пальца, но они являются ненадежными и дорогими.
Задачей изобретения является устранение вышеуказанного недостатка, присущего известным техническим решениям, за счет создания шарового шарнира, в котором отклонение стержня шарового пальца можно ограничить и даже практически исключить без снижения надежности шарового шарнира и без повышения его стоимости.
Поставленная задача решена в шаровом шарнире, в частности, для рулевой тяги или поворотного рычага, содержащем образующий гнездо корпус с отверстием, нижний подшипник, верхний вкладыш, шаровой палец, имеющий головку, шейку и стержень, при этом головка расположена в гнезде между нижним и верхним вкладышами с возможностью перемещения, стержень выходит наружу корпуса через его отверстие, а шейка образует сужение между головкой и стержнем. Согласно изобретению на уровне своего отверстия корпус содержит по меньшей мере одну опорную поверхность, выполненную с возможностью контактирования со стержнем шарового пальца для ограничения его отклонения в этом направлении.
Вместо выполнения средств ограничения отклонения стержня на уровне головки или шейки, как в известных технических решениях, настоящее изобретение обеспечивает ограничение отклонения непосредственно на уровне стержня за счет продолжения корпуса в области его отверстия таким образом, чтобы он доходил до стержня. Таким образом, опора, ограничивающая отклонения, находится на некотором расстоянии от точки поворота стержня, расположенной в центре головки. Это повышает точность ограничения отклонения и прочность шарового шарнира, поскольку опорный контакт происходит между двумя очень прочными деталями, а именно между корпусом и стержнем шарового пальца. Удлинение или продолжение корпуса, обеспечивающее опору, выполняют в виде опорной поверхности, определение которой может быть самым широким: опорная поверхность является частью корпуса, выполненной в осевом направлении до уровня стержня шарового пальца. За счет своего расположения эта опорная поверхность образует часть края отверстия корпуса, обеспечивающего доступ во внутреннее гнездо, в котором расположена головка шарового пальца.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения корпус содержит две противоположных опорных поверхности, расположенных по обе стороны от стержня, для ограничения отклонения стержня по одной из осей. В некоторых вариантах опорные поверхности расположены таким образом, чтобы ограничить отклонение стержня до нескольких градусов, предпочтительно от 1° до 3°, а предпочтительно до примерно 1°30'. Практически невозможно уменьшить осевое отклонение до 0°, поскольку это будет препятствовать повороту головки внутри гнезда корпуса, поэтому необходимо сохранять минимальное отклонение, которое может составлять примерно 1°.
Предпочтительно по меньшей мере одна опорная поверхность при контакте со стержнем не контактирует с шейкой. Иными словами, опорная поверхность не заходит внутрь шейки шарового пальца.
Стержень шарового пальца может содержать цилиндрический участок, при этом указанная по меньшей мере одна опорная поверхность контактирует с этим цилиндрическим участком. Предпочтительно цилиндрический участок сопрягается непосредственно с шейкой и имеет диаметр, превышающий диаметр шейки. В этом случае шаровой шарнир может содержать гофрированный чехол, плотно охватывающий одной стороной корпус вокруг отверстия и, а другой стороной - цилиндрическую часть стержня шарового пальца.
Предпочтительно указанная по меньшей мере одна опорная поверхность образует часть края отверстия, проходящую в осевом направлении стержня шарового пальца дальше, чем другие части края отверстия, которые предпочтительно тоже должны упираться в стержень шарового пальца или заходить в шейку шарового пальца, ограничивая максимальный поперечный ход стержня. В другом осевом направлении отклонение стержня ограничено опорными поверхностями.
Предпочтительно указанная по меньшей мере одна опорная поверхность образует профилированную часть края отверстия.
Кроме того, отверстие может иметь продолговатую или овальную форму и содержит опорный край переменной высоты, при этом опорные поверхности находятся на длинных сторонах отверстия. Понятно, что конфигурация отверстия и особенно его края является относительно сложной, так как его форма не является круглой (продолговатой или овальной), а также его край не находится в одной плоскости (а описывает кривую переменной высоты). По продольной оси головки шарового пальца опорные поверхности выполнены в осевом направлении ниже, чем другие части отверстия, на уровне которых ход шарового пальца является максимальным. Таким образом, профиль края отверстия можно определить как по существу синусоидальный с продолговатым или овальным контуром.
Предпочтительно опорные поверхности могут содержать внутренние опорные поверхности, по существу параллельные друг другу.
Основной идеей изобретения является ограничение хода стержня шарового пальца на расстоянии от центра поворота стержня.
Далее более подробно описан неограничивающий пример осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан шаровой шарнир в сборе, вид в перспективе;
на фиг.2 - корпус шарового шарнира, изображенного на фиг.1, вид в перспективе;
на фиг.3 - шаровой шарнир, изображенный на фиг.1, вид сверху;
на фиг.4 - шаровой шарнир, изображенный на фиг.1, вид в вертикальном поперечном разрезе по плоскости, проходящей через хвостовик корпуса;
на фиг.5 - то же, но в вертикальном поперечном разрезе по плоскости, перпендикулярной к плоскости разреза на фиг.4.
Показанный на фигурах шаровой шарнир в основном содержит корпус 1 и шаровой палец 6.
Корпус 1 включает в себя корпус 2 гнезда, крышку 3 (фиг.4, 5), верхний вкладыш 4, пружину 34 и хвостовик 5.
Корпус 2 гнезда может быть выполнен за одно целое с хвостовиком 5 или, как вариант, может быть выполнен отдельно и затем соединен с ним при помощи известных способов. На верхнем конце корпус 2 гнезда содержит приемный паз 22, в который заходит наружный край крышки 3. Внутри корпус 2 гнезда расположен вкладыш 4, поджатый пружиной 34 в направлении от крышки 3. Вкладыш 4 выполнен в виде кольцевой детали, ограничивающей центральное отверстие и кольцевую канавку. С одной стороны пружина 34 опирается на нижнюю поверхность крышки 3, а с другой стороны - на дно канавки вкладыша 4. На фиг.4 и 5 пружина показана в состоянии максимального сжатия, при этом верхний вкладыш 4 входит в контакт с крышкой 3. Корпус 2 гнезда, крышка 3 и верхний вкладыш 4 образуют вместе внутреннее гнездо 21, в которое должен заходить шаровой палец, что будет пояснено ниже. Корпус 2 гнезда образует также нижний подшипник 24, выполненный в данном случае за одно целое с телом 2. В варианте, не показанном на фигурах, нижний подшипник 24 можно также выполнить в виде отдельного вкладыша, установленного в корпусе 2 гнезда. Корпус 2 гнезда ограничивает также отверстие 25, расположенное противоположно крышке 3. Отверстие 25 обеспечивает сообщение внутреннего гнезда 21 с внешней средой. Что же касается крышки 3, то она полностью закрывает гнездо 21 со стороны, противоположной отверстию 25. Конфигурации отверстия 25, которая определяет особенность настоящего изобретения, будет описана ниже.
Шаровой палец 6 содержит головку 61, шейку 62 и стержень 63. Головка 61 шарового пальца в основном имеет сферическую форму и заходит внутрь гнезда 21 корпуса 1. В частности, головку 61 устанавливают между верхним вкладышем 4 и нижним подшипником 24, которые содержат сферические ответные контактные поверхности. По мере износа головки пружина 34 давит на верхний вкладыш 4, прижимая его к головке, что предотвращает появление любого нежелательного люфта. За пределы корпуса 1 через отверстие 25 корпуса 2 гнезда выступает стержень 63. Шейка 62, соединяющая головку 61 со стержнем 63, находится по существу на уровне отверстия 25. Головка 61 является частью шарового пальца, имеющей максимальный диаметр. Диаметр шейки 62 меньше диаметра головки. Диаметр стержня 63 на уровне сопряжения с шейкой 62 превышает диаметр шейки. Таким образом, шейка 62 образует сужение в области между головкой 61 и стержнем 63. Обычно стержень 63 содержит цилиндрическую часть 64, непосредственно сопрягающуюся с шейкой 62. Эта цилиндрическая часть 64 стержня тоже находится по существу на уровне отверстия 25 корпуса 1. Под этой цилиндрической частью стержень 63 может иметь часть 65 в виде усеченного конуса, которая может заканчиваться другой цилиндрической частью 66, используемой для соединения.
Шаровой шарнир содержит также гофрированный чехол 7, обеспечивающий герметичное гибкое соединение корпуса 1 со стержнем 63 шарового пальца 6. Гофрированный чехол 7 содержит первый хомут 71, охватывающий заплечик 23 на корпусе 2 гнезда. Заплечик 23 выполнен вблизи отверстия 25, в частности вокруг отверстия 25. С другой стороны чехла 7 имеется второй хомут 72, плотно охватывающий стержень 63 шарового пальца 6, а предпочтительно - цилиндрическую часть 64 стержня 63. Между двумя хомутами 71 и 72 чехол 7 образует мягкую часть 70, которая позволяет стержню 63 перемещаться с поворотом относительно тела 2.
Описанный выше шаровой шарнир является шарниром известного типа. Стержень 63 шарового пальца может перемещаться относительно корпуса 1 с поворотом вокруг головки 61, плотно установленной в гнезде 21 между верхним вкладышем 4 и нижним подшипником 24. Стержень 63 может перемещаться вдоль двух перпендикулярных осей с ограниченным ходом.
Глядя на фиг.4, можно легко понять, что стержень 63 может перемещаться вдоль оси, которая находится в плоскости фигуры, с относительно большим ходом, учитывая, что часть 26 края отверстия 25 находится на расстоянии от шарового пальца 6, в частности от стержня 63 шарового пальца. Таким образом, стержень может поворачиваться в плоскости листа до тех пор, пока цилиндрическая часть 64 не упрется в часть 26 края отверстия. Таким образом, стержень 63 может отклоняться на угол, например, от 60 до 90°.
Как показано на фиг.5, часть 27 края отверстия 25 находится в непосредственной близости от шарового пальца 6, в частности от стержня 63 шарового пальца. Край отверстия образует две противоположных опорных поверхности 27, между которыми стержень 63 шарового пальца может отклоняться лишь с ограниченным ходом α, например, около 1-3°, предпочтительно около 1°30'. Это значит, что стержень 63 может отклоняться только на 65' в обе стороны от оси X, обозначающей нулевое отклонение. Действительно, опорные поверхности 27 невозможно расположить таким образом, чтобы они идеально стопорили стержень 63 шарового пальца, так как необходимо, чтобы головка 61 шарового пальца могла поворачиваться внутри гнезда 21 между верхним вкладышем и нижним подшипником. Необходимо всегда сохранять небольшой ход, который в данном случае составляет 1°30', так как при таком ходе рабочие характеристики шарнира являются оптимальными.
Опорные поверхности 27 выглядят как удлинение края отверстия в нижнем направлении на фигурах, то есть в направлении стержня 63 шарового пальца или в направлении удаления от крышки 3. Предпочтительно опорные поверхности 27 выполнены за одно целое с корпусом 2 гнезда. Они доходят до уровня цилиндрической части 64 стержня 63 шарового пальца. Предпочтительно опорные поверхности 27 содержат внутренние поверхности 271, расположенные вдоль оси X параллельно друг другу. Таким образом, цилиндрическая часть 64 стержня может входить в непосредственный контакт с внутренними поверхностями 271, образуя протяженную линейную зону контакта, а не зону точечного контакта.
Следует отметить, что контакт между стержнем 63 и опорными поверхностями 27 происходит на некотором расстоянии от центра сферы 61, который является центром поворота стержня. В результате снижается эффект рычага, поэтому действующая на опорные поверхности сила не является слишком большой. Кроме того, следует отметить, что опорные поверхности 27 выполнены в исключительно прочной и массивной части шарнира, а именно в корпусе 2 гнезда, выполненном путем литья. Кроме того, учитывая положение контакта между стержнем и корпусом 2 гнезда, можно легко и точно регулировать угол отклонения стержня относительно корпуса.
На фиг.1-3 наглядно представлена конфигурация края отверстия 25 и его действие на стержень 63 шарового пальца. Как показано на фиг.3, отверстие содержит край или опорную кромку 28, которая имеет продолговатую, овальную или эллипсовидную форму. Очевидно, что стержень 63 шарового пальца может перемещаться с большим ходом в направлении большой оси продолговатого отверстия. Однако в направлении малой оси отклонение будет намного меньше, так как оно ограничено углом в 1°30'. Таким образом, можно выделить четыре отдельные части края, расположенные в виде противолежащих пар, а именно части 26 края, находящиеся на большой оси продолговатой формы, и части 27 края, находящиеся на малой оси продолговатой формы. Именно части 26 края, показанные также на фиг.4, должны упираться в стержень 63 шарового пальца. Что касается частей 27 края, показанных на фиг.5, то они образуют опорные поверхности 27, которые должны входить в контакт с цилиндрической частью 64 стержня 63 шарового пальца. На фиг.1 и 2 показано, что край или опорная кромка 28 отверстия 25 имеет овальную, продолговатую или эллипсовидную форму и не расположена в одной плоскости, а следует по криволинейной траектории с верхними и нижними участками. Нижние участки траектории находятся в области частей 26 края, а высокие - в области частей 27 края. При полном прохождении по опорному краю 28 траектория движения два раза поднимается и два раза опускается. Эту траекторию можно сравнить с замкнутыми двумя волнами синусоиды. В частях опорных поверхностей 27 опорный край 28 имеет профилированную форму, плавно переходящую затем в края части 26. Положение опорных поверхностей 27 можно также определить как положение на длинных и прямых сторонах продолговатого отверстия, тогда как части 26 отверстия находятся на коротких и криволинейных сторонах продолговатого отверстия.
Таким образом, стержень 63 шарового пальца может перемещаться с поворотом в основном вдоль одной оси, а его отклонение вдоль другой, перпендикулярной оси ограничено опорными поверхностями 27. Иными словами, стержень 63 скользит между двумя опорными поверхностями 27 и приходит в положение упора на части 26. Перемещение со скольжением между поверхностями 27 происходит вдоль стержня 63, в частности в зоне его цилиндрической части 64. Упор происходит также в цилиндрическую часть 64. Вместе с тем, края 26 отверстия можно сконфигурировать так, чтобы они приходили в положение упора внутри шейки 62.
Следует также отметить, что опорный край 28 является прямолинейным на уровне опорных поверхностей 27, если смотреть под углом (фиг.3), оставаясь при этом профилированным, что можно увидеть на фиг.1 и 2.
Такой шаровой шарнир предпочтительно можно использовать для рулевой тяги, поворотного рычага или стойки стабилизатора.
Благодаря изобретению, можно легко ограничивать отклонение шарового пальца в корпусе, не усложняя конструкцию корпуса или шарового пальца и не снижая прочности шарнира. В примере, использованном для иллюстрации настоящего изобретения, отклонение ограничено несколькими градусами, но изобретение можно также применять для ограничения больших отклонений, сохраняя при этом принцип опоры не на шейку шарового пальца, а на его стержень.