ШАРОВАЯ ОПОРА Российский патент 2022 года по МПК F16C11/06 

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.

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_д=1,15…1,3 (принимаем K_д - 1,3). Учитывая, что в схеме подвеске исследуемого автомобиля применяется два шарнира, а распределение нагрузки F₁ равномерно, то получаемое значение необходимо поделить на два. Тогда нагрузка от подрессоренной части автомобиля равна:

где m - масса автомобиля, кг (m=10000 кг),

g - ускорение свободного падения (принимаем g=10 м/с²),

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:

S_{верт ср}=3…4 мм/км (принимаем S_верт=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)

S_верт=S_{верт ср}⋅36000=3,5⋅36000=12,6⋅10⁴ мм.

Путь трения от одного поворота колеса в сторону в среднем равен:

S_{пов ср}=7…9 мм/пов (принимаем S_{пов ср}=8 мм/пов).

Количество поворотов колеса за 1 км составляет в среднем N=0,1 раз/км, тогда:

S_пов=S_{пов ср}⋅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:

K_w=0,5⋅10^-7 мм²/кг; m=2,04;

Параметр изнашивания полиуретановых вкладышей со смазочными канавками:

K_w=0,2⋅10^-8 мм²/кг; m=2,04;

Угол контакта вкладыша для нижней части опоры:

ϕ₁=35°, ϕ₂=75°;

Расчет износа полиуретанового вкладыша на расчетный пробег без смазочных канавок:

Тогда

при допустимом для грузовых автомобилей [U_w]=2 мм.

Расчет износа полиуретанового вкладыша на расчетный пробег со смазочными канавками:

при допустимом для грузовых автомобилей [U_w]=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.

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 шаровой опоре 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. 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. Головка пальца шарового выполнена четырехгранной бобышкой в виде квадрата при сечении профиля. Технический результат: повышение износостойкости детали типа шаровой опоры и улучшение эксплуатационных свойств. 1 ил.

Шаровая опора, содержащая 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, отличающаяся тем, что 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.