Шаровой шарнир
BALL JOINT

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к шарнирным соединениям деталей и узлов механизмов и машин. Преимущественная область использования - транспортное машиностроение, в частности вагоностроение, конкретно в составе стабилизаторов поперечной устойчивости (бокового наклона) железнодорожных, главным образом двухэтажных пассажирских вагонов, например перспективных электрических и водородных подвижных составов.
В шаровых шарнирах, широко применяемых в разнообразных областях техники, взаимно подвижные корпус и палец/ось снабжены каждый своими элементами крепления - соответственно к одной (первой) и к другой (второй) шарнирно соединяемым друг с другом деталям, например рычагом с тягой. Здесь рассматриваются только шаровые шарниры - с шаровыми пальцем, то есть выполненные заодно целое с шаровой частью сферического подшипника («яблоком») - см. далее ближайший аналог (прототип), или шаровой осью или осью (проходящей сквозь шаровую часть «яблоко»). В обоих случаях - с оппозитными, симметричными свободными (снаружи корпуса) концами.
Примером шарового шарнира / сферического подшипника не с шаровым пальцем, а с шаровой осью (со сферическим элементом в составе пары трения, устанавливаемом на оси) может служить устройство, описанное в патентном источнике [1. RU 2556266 С2, F16C 11/06. F16C 17/12, 10.07.2015, «Узел подшипника (варианты) и способ установки подшипника в корпусе», патентообладатель - Клейверхэм Лимитед (GB)].
В подавляющем большинстве сферических подшипников устройства (элементы) крепления выполнены в виде фланцев или лап с отверстиями под болты [2. RU 2107846 С1, F16C 11/06, 17.03.1998 «Шаровой шарнир»; 3. RU 2151926 С1, F16C 11/06, 27.06.2000 «Сферический шарнир и способ его сборки»; 4. RU 2127835 С1, F16C 11/06, 20.03.1999 «Сферический шарнир и способ его изготовления»; 5. RU 2272187 С2, F16C 11/06, 20.03.2006 «Шаровой шарнир и способ его сборки»; 6. RU 2267665 С2, F16C 11/06, 10.01.2006 «Шаровой шарнир, корпус, вкладыш и защитный чехол этого шарнира»; 7. RU 180267 U1, B60G 3/18, 07.06.2018 «Подвеска упругого колеса транспортного средства»].
Однако эти элементы крепления предполагают плоские поверхности сопряжения, что сужает технико-эксплуатационные возможности подшипника, поскольку рассчитаны на продольную нагрузку крепежа (болтов) и не всегда позволяют получить высококомпактное сборочное устройство.
Известны также проблемные группы сборочных узлов, в частности в подвижном составе на железнодорожном транспорте, где от конструкции шарового шарнира многое зависит.
Так, известны торсионные стабилизаторы с шаровыми шарнирами (сферическими подшипниками), в которых, по крайней мере, один из них связывает друг с другом рычаг торсионного вала и тягу [8. RU 2738872 С1, B61F 5/24, B60G 21/04, F16C 11/06, 17.12.2020 «Наконечник тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства»; 9. RU 200948 U1, B61F 5/24, B60G 21/05, 20.11.2020 «Торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости транспортного средства»; 10. RU 200957 U1, B61F 5/24, F16F 15/06, 20.11.2020 «Тяга торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства»; 11. RU 202677 U1, B61F 5/24, F16C 11/06, B60G 21/04, 02.03.2021].
Наиболее подходящим известным примером применения такого шарнира в стабилизаторе железнодорожного вагона может служить германская конструкция, представленная в источнике [12. Auto-shimming und auto-levelling. - URL: https://www.hemscheidt.de/produkte-services/federn/]. В ней корпус шарового шарнира закреплен в тяге, а крепление шарового пальца организовано на раздвоенном конце вилочного рычага, так что корпус подшипника с «яблоком» расположен частично в пространстве между этими «рогами» рычага, а оси болтов крепления шарового пальца шарнира перпендикулярны продольной плоскости рычага, совпадающей с осью его рабочего поворота (то есть продольной осью торсионного вала стабилизатора). Что способствует повышению компактности стабилизатора, но не в полной мере.
В условиях возрастания роли стабилизаторов поперечной устойчивости («поперечной качки») в приложении к вагонам высокоскоростных подвижных составов, становится особенно актуальной задача повышения технико-эксплуатационных возможностей и характеристик конструкции, а именно - повышения компактности и увеличения долговечности (работоспособности, срока службы до капитального ремонта) этих узлов.
Одна из проблем - уменьшение габаритов устройства - напрямую связана и с возможностями сборки стабилизаторов не на вагонах (рельсовых путях), что не достаточно обеспечено технически и в принципе не может обеспечить должной точности сборки. В свою очередь, неточная сборка может стать причиной аварии с материальными и человеческими жертвами (последнее относится прежде всего к высокоскоростным пассажирским составам с двухэтажными вагонами).
В качестве наиболее близкого к заявляемому устройства аналога (прототипа) по назначению и по совокупности существенных конструктивных признаков, принят шаровой шарнир, содержащий сферическую пару трения, корпус с элементом его крепления на одной из подвижно соединяемых деталей и встроенные в него шаровой палец или шаровую ось с внешними, по отношению к корпусу, элементами крепления на другой подвижно соединяемой детали, выполненными в виде концевых участков оппозитной и симметричной конструкции, с посадочными поверхностями, сквозными отверстиями под болты и плоскими поверхностями под головки упомянутых болтов [13. HEYD. Made in Germany. HEYD-Vebshop. Fahrwerksteile für die Automobilindustrie innovative Losungen für Antriebe und Ferbindungen. Achsstrebengelenke (Molekularausfürung). - URL: https://www.heyd-parts.de/shop/index.php?cat=c52].
В нем посадочные поверхности выполнены идентично поверхностям под головки болтов - плоскими, в виде односторонних лысок на цилиндрических концевых участках шарового пальца, так что лыски на каждом концевом участке разнесены на 180° и образуют параллельные плоскости.
Такие элементы крепления шарового пальца (или, при неуказанном в прототипе, но принципиально возможном варианте замены шарового пальца осью) пригодны в качестве посадочных мест для плоских ответных поверхностей на соответствующей соединяемой детали (см. также источник [12]).
Однако при наличии в работающем узле с таким шарниром (то есть с плоской опорой элементов крепления шарового пальца в посадочных местах соответствующей соединяемой детали) составляющей усилия, перпендикулярной плоскости, содержащей оси пальца и болта, эту «перпендикулярную» составляющую воспринимают только болты, работающие при этом на изгиб (помимо работы на растяжение), что, разумеется, весьма негативно отражается на работоспособности и долговечности шарнирного узла и машины/механизма в целом. В дополнение к этому следует отметить и ограниченные возможности повышения компактности сборочного узла на основе такого шарнира, возможностей сборки / разборки узла в целом или фрагмента.
Итак, задача (проблема), на решение которой направлено заявляемое изобретение, - предложить устройство (техническое решение обозначенных выше проблем поперечной нагрузки, в виде изгибающего момента силы, на болты крепления шаровых пальца или оси) шарового шарнира, обладающее более высокими работоспособностью и долговечностью (ресурсом работы), плюс расширенными возможностями сокращения габаритов сборочного узла на основе шарнира, его монтажа / демонтажа. А значит - комплексно улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (ТЭХ) / возможностями шарового шарнира и машины / механизма в целом.
Соответственно, планируемый технический результат использования изобретения - улучшение ТЭХ шарового шарнира.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в шаровом шарнире, содержащем сферическую пару трения, корпус с элементом его крепления на одной из подвижно соединяемых деталей и встроенные в него шаровой палец или шаровую ось с внешними, по отношению к корпусу, элементами крепления на другой подвижно соединяемой детали, выполненными в виде концевых участков оппозитной и симметричной конструкции, с посадочными поверхностями, сквозными отверстиями под болты и плоскими поверхностями под головки упомянутых болтов, согласно заявляемому изобретению, посадочные поверхности выполнены выпуклыми полуцилиндрическими, образующие которых параллельны продольной оси пальца или оси.
На решение поставленной комплексной задачи направлены и частный существенный признак устройства в рамках основной совокупности признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно: концевые участки пальца или оси выполнены цилиндрическими, с односторонними лысками, образующими упомянутые плоские поверхности под головки болтов (это усиливает технический результат использования изобретения, определяет предельную геометрическую и технологическую простоту неплоской, фигурной опорной поверхности шаровых пальца или оси при рациональных габаритах элементов ее крепления в узле, не содержит повышенных требований к точности сопряжений);
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства первого квалификационного признака изобретения - «мировой уровень новизны».
Совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак изобретения, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает из огромного мирового опыта проектирования, промышленного производства, ремонта и эксплуатации деталей машин и составных устройств.
Подробнее сущность изобретения (с примером практического применения в составе стабилизатора поперечной устойчивости кузова железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-5:
на фиг. 1 представлен шаровой шарнир (сферический подшипник) с оппозитным шаровым пальцем, общий вид;
на фиг. 2 - поперечное сечение концевого участка шарового пальца (или шаровой оси) с условным изображением болтового соединения с ответной деталью (обобщение упомянутого рычага), совмещенное со схемой действия усилий, где Fн, Fп - соответственно нормальная и перпендикулярная (касательная, боковая) составляющие; R - радиус кривизны посадочных поверхностей концевых участков пальца (оси);
на фиг. 3 - фрагмент 3D-изображения компьютерной модели установленного на железнодорожный вагон стабилизатора поперечной устойчивости кузова, с показом шарнирного соединения рычага торсиона с тягой, вид сбоку-спереди-снизу;
на фиг. 4 - то же, укрупнено вид спереди-сбоку-снизу (при условно снятых болтах и с выделением черной заливкой видимой части шарового пальца / шаровой оси);
на фиг. 5 - то же, вид спереди-сбоку-сверху.
На фиг. 1-5 позициями обозначены:
1 - корпус шарового шарнира (сферического подшипника); 2 - элемент крепления корпуса (ножка, палец корпуса); 3 - шаровой палец (шаровая ось); 4 и 5 - концевые (посадочные) участки (элементы) крепления шарового пальца (шаровой оси); 6 - одна из двух соединяемых, посредством шарнира, деталей; 7 и 8 - посадочные поверхности элементов 4 и 5 соответственно; 9 и 10 - сквозные отверстия в концевых элементах 4 и 5 соответственно под болты (винты); 11 и 12 - болты (винты); 13 - продольная ось шарового пальца (шаровой оси); 14 и 15 - односторонние лыски под головки болтов на концевых элементах шарового пальца (шаровой оси); 16 и 17 - расточки радиуса R в детали 6; 18 - условная (не существующая) лыска с плоской поверхностью; 19 - рама (балка рамы) кузова железнодорожного вагона (рама вагона); 20 - колесная тележка (одна из тележек) железнодорожного вагона; 21 - торсионный вал стабилизатора поперечной устойчивости кузова; 22 - рычаг (вилочного типа) стабилизатора; 23 - тяга стабилизатора; 24 - шарнир соединения тяги с колесной тележкой вагона.
Шаровой шарнир (сферический подшипник) содержит (см. фиг. 1-5) сферическую пару трения с уплотнительными элементами (на них внимание не сконцентрировано), корпус 1 с элементом (ножкой, пальцем корпуса) 2 его крепления на одной из подвижно соединяемых деталей и деталь крепления «яблока» (шарового тела, ядра) шарнира - встроенные в корпус 1 шаровой палец 3 или (как вариант) шаровую ось (3) с внешними, по отношению к корпусу 1, элементами 4 и 5 крепления на другой подвижно соединяемой детали - 6. Элементы 4 и 5 выполнены в виде концевых участков пальца (оси) 3, оппозитной («вверх-вниз» на фиг. 1 и «влево и вправо» на фиг. 3-5) и симметричной конструкции, с посадочными поверхностями 7 и 8, сквозными отверстиями 9 и 10 под болты (винты) 11 и 12 и плоскими поверхностями под головки упомянутых болтов (винтов).
Посадочные поверхности 7, 8 выполнены выпуклыми полуцилиндрическими (по радиусу R - см. фиг. 2), образующие которых параллельны продольной оси 13 шарового(ой) пальца (оси) 3.
Концевые участки (элементы) 4 и 5 пальца (оси) 3 могут быть выполнены (рекомендуется выполнять) цилиндрическими (радиусом R), с односторонними лысками 14 и 15, образующими упомянутые плоские поверхности (14 и 15) под головки болтов (винтов) 11, 12.
Допускаются дополнительно две лыски на каждом элементе (не показаны), плоскости которых перпендикулярны плоскости, образованной осями отверстий 9, 10 и осью 13.
В ответной детали 6 (одной из соединяемых деталей) посадочные поверхности (посадочные места) для концевых участков 4 и 5 (то есть сопрягаемые с полуцилиндрическими поверхностями 7 и 8) выполнены в виде расточек 16 и 17 полуцилиндрической (по радиусу R - см. фиг. 2) формы в теле соединяемой детали 6, из расчета беззазорного прилегания каждой из двух выпуклых полуцилиндрических поверхностей 7 и 8 к поверхностям соответственно расточек 16 и 17, причем при посадке пальца (оси) 3 в расточки 16, 17 с натягом (за счет силовой закрутки болтов /винтов) 11, 12.
Здесь уместно напомнить, что в прототипе посадочные поверхности - плоские, образованы лысками 18 (показано пунктиром на фиг. 2).
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 3).
В сравнении с конструкцией прототипа - с плоскими посадочными поверхностями 18, перпендикулярная (касательная) составляющая Fп рабочего усилия (то есть силы взаимодействия соединяемых деталей) воспринимается соответствующей частью площадей сопрягаемых полуцилиндрических поверхностей в расточках 16 и 17, заполненных телами концевых элементов 4 и 5 соответственно, в отличие от нормальной составляющей Fн (см. фиг. 2), Благодаря чему болты (винты) 11 и 12 разгружены от изгибающих моментов силы.
При этом очевидно, расширяются возможности сокращения габаритов узла вдоль осей болтового соединения при сохранении положения продольной оси 13 шарового пальца (шаровой оси) 3, то есть повышения компактности сборочного узла (подробнее см. далее по тексту пример узла - стабилизатор в сборе).
Рассмотрим упомянутый выше пример конкретного применения заявляемого шарового шарнира в составе стабилизатора поперечной устойчивости (поперечного наклона) кузова железнодорожного пассажирского вагона (в частности, разрабатываемых при авторском участии двухэтажного пассажирского электрического поезда - «электрички» 2ЭПЭ или подвижного состава на водородном топливе) - см. фиг. 3-5. На этом примере становится более понятным как работа устройства, так и технический результат его использования.
Узел с заявляемым шаровым шарниром (сферическим подшипником) представляет собой стабилизатор поперечной устойчивости (поперечного наклона) подрессоренного кузова (рама 19 кузова) железнодорожного вагона относительно его колесной тележки - 20. Стабилизатор содержит в качестве основных составных частей торсионный вал (торсион) 21, каждый конец которого связан с рычагом 22 вилочного типа (здесь и далее - на примере видимого на фиг. 3-5 одного из сборочных узлов), на торцах свободного раздвоенного конца которого («рогов») установлен заявляемый шаровой шарнир, обеспечивающий подвижное в пространстве соединение свободного от связи с торсионным валом 21 конца рычага 22 с тягой 23, другим своим концом шарнирно закрепленной (соединение 24 на фиг. 3) на колесной тележке 20 вагона (см. фиг. 3).
Посадочные места для шарового пальца (или шаровой оси как тела) 3 - расточки 16 и 17 полуцилиндрической (радиусом R) формы, с продольными осями, совпадающими с продольной осью 13 (как прямой линией) пальца (оси) 3, выполненные на торцах вилочного рычага 22. Элементы 4 и 5 встроены в расточки, соответственно, 16 и 17 своими полуцилиндрическими частями и с натягом закреплены болтами 11 и 12 (см. фиг. 3).
Сборку узла (во всяком случае, торсионного вала 21 с рычагами 22) осуществляют, предпочтительно, вне вагона (на предприятии-производителе (поставщике) стабилизаторов. Тогда последний (вал 21 + рычаг 22) в собранном виде заводят внутрь рамы, возможно через монтажное окно, предусмотренное в раме 19 кузова вагона и закрепляют на раме 19 и на тележке 20 соответствующими крепежными элементами (см. фиг. 3-5). Чем компактнее узел «рычаг + торсионный вал», тем больше возможностей его хранения, доставки, и, что особенно важно, - монтажа-демонтажа на вагоне. В частности, меньше потребный размер монтажного окна (при его необходимости) в раме 19 и, в свою очередь, тем прочнее рама 19 при прочих равных ее размерах.
Усилие в стабилизаторе действует вдоль тяги 23 и может быть разложено на нормальную (Fн) и перпендикулярную (Fп) составляющие силы (см. фиг. 2). Нормальная составляющая Fн нагружает болты 11 и 12 продольными усилиями и воспринимаются их резьбой (как и должны работать болтовые соединения), а усилие перпендикулярное (Fп) принимает на себя рычаг 22 в полуцилиндрических расточках 16 и 17 его «рогов».
При этом важно, что имеет место заметное сокращение габаритной длины узла «рычаг - торсионный вал» в «нормальном» направлении (по линии действия силы Fн на фиг. 2, то есть вдоль рычага 22). Это определяет повышение компактности рассматриваемого сборочного узла возможностей монтажа / демонтажа стабилизатора в целом.
Повышается технологичность и точность сборки и ремонта (в том числе соблюдение допустимых зазоров), поскольку при компактом устройстве легче обеспечить сборку не на месте (на вагоне), а еще на сборочном производстве предприятия-изготовителя, ремонтной мастерской или промежуточного сборочного участка. В свою очередь, это снижает вероятность аварии на железной дороге при эксплуатации устройства, с возможными человеческими и материальными жертвами.
Таким образом, предлагаемое техническое новшество решает поставленную комплексную задачу. Использование таких шарниров не только позволит увеличить их надежность и долговечность (срок службы), но и повысить компактность сборочных узлов на их базе, повышает технологичность и точность сборки и ремонта. А значит, улучшить ТЭХ сборочных устройств в целом (в том числе торсионных стабилизаторов поперечной устойчивости кузовов железнодорожных вагонов).