Шаровой шарнир - Ball joint

Эта статья про автомобильные сочленения. Анатомическое строение см. шаровое соединение.
Типовой шаровой шарнир с разрезом (справа)
Конец внутренней рулевой тяги разрезан, чтобы обнажить шаровую опору.

В автомобиль, шаровые шарниры находятся сферические подшипники которые соединяют контрольные рычаги к поворотные кулаки, и используются практически на каждом автомобиле.[1] Они бионически напоминать шарниры шарнирные найдено в большинстве четвероногий животные.[2]

Шаровой шарнир состоит из опорного штифта и гнезда, заключенный в кожух; все эти части сделаны из стали. Шпилька подшипника имеет коническую форму с резьбой и входит в коническое отверстие поворотного кулака. Защитный кожух предотвращает попадание грязи в узел шарнира. Обычно это резиновый чехол, который позволяет смазке двигаться и расширяться. Шаровые шарниры с контролем движения, как правило, удерживаются внутренней пружиной, которая помогает предотвратить вибрация проблемы в связке.

"Смещенный" шаровой шарнир обеспечивает средство передвижения в системах, где присутствуют тепловое расширение и сжатие, удары, сейсмические движения, крутильные движения и силы.[3]

Теория

Шаровые опоры обеспечивают ограниченный диапазон плавного движения во всех направлениях

Шаровой шарнир используется для обеспечения свободного вращение в двух плоскостях одновременно, предотвращая перевод в любом направлении,[1] включая вращение в этих плоскостях. Сочетание двух таких шарниров с рычагами управления обеспечивает движение во всех трех плоскостях, позволяя управлять передней частью автомобиля, а пружинно-амортизационная (демпферная) подвеска делает поездку комфортной.

Простой вор в законе подвеска требует, чтобы верхние и нижние поперечные рычаги (поперечные рычаги) имели оси вращения, которые параллельны и находились в строгом геометрическом соотношении с шкворнем, или чтобы верхняя и нижняя цапфы, соединяющие шкворень с поперечными рычагами, были сильно нагружены и подшипники сильно изнашиваются. На практике многие транспортные средства имели эластомерные подшипники в горизонтальных шарнирах цапф, что давало некоторую небольшую гибкость, однако этого было недостаточно, чтобы позволить большую регулировку заклинатель , а также ввел соответствие там, где проектировщик подвески мог не желать этого в своем стремлении к оптимальной управляемости. Камбер угол обычно можно регулировать, перемещая оба внутренних шарнира верхнего или нижнего рычага управления внутрь или наружу на точно равную величину. Но податливость внутренних шарниров поперечного рычага, как правило, из-за использования эластомерных подшипников, снова вызовет нагрузку на цапфы. Свобода конструктора подвески была ограничена, необходимо было иметь некоторую податливость там, где это могло быть нежелательно, и очень мало там, где больше было бы полезно для поглощения ударной нагрузки в носу и корме от неровностей.

Внедрение верхних и нижних шаровых шарниров позволило обеспечить 3-осевое шарнирное соединение и, таким образом, сняло все ограничения на точную параллельность осей рычага управления, так что ролик можно было свободно регулировать, как правило, путем асимметричной регулировки положения внутренних шарниров рычага управления, в то время как развал регулировался симметричной регулировкой этих же шарниров.

Порядок регулировки палец угол поворота не изменяется путем введения в подвеску шаровых опор, хотя сама рулевая тяга должна использовать 4 или более шарниров, обычно также шаровых шарниров, и почти в каждом когда-либо производившемся автомобиле некоторые из них регулировались с помощью резьбового конца и контргайки. , чтобы можно было точно установить палец.

Эта способность точно настраивать шарнирно-сочлененную подвеску позволяет производителям сделать автомобиль более устойчивым и более легким в управлении по сравнению с более старой подвеской с шкворнем. Он также может быть более тихим и комфортным, потому что поперечная и продольная податливость в подвеске может быть обеспечена в контролируемых количествах на внутренних шарнирах рычага управления без ущерба для целостности шарниров оси поворота, которые теперь являются шаровыми шарнирами, а не королем. штифт и цапфы. Более плавный ход может также увеличить срок службы протектора шины, поскольку подвеска с шаровым шарниром позволяет лучше контролировать геометрию подвески и, таким образом, может обеспечить лучший контакт шины с дорогой.

Цель

Автомобиль с задним приводом, передний подвеска на двойных поперечных рычагах показаны верхние и нижние шаровые шарниры и конец рулевой тяги.

На современных автомобилях, [4] шарниры - это стержень между колесами и приостановка автомобиля. Сегодня они почти повсеместно используются в передней подвеске, заменив вор в законе / рычажный шкворень или шкворень / цапфа, но его также можно найти в задней подвеске некоторых высокопроизводительных автомобилей.[5] Шаровые опоры играют решающую роль в безопасной эксплуатации автомобиля. рулевое управление и подвеска.

Многие автомобили, производимые в настоящее время во всем мире, используют Стойка Макферсон подвеска, в которой используется по одному шаровому шарниру с каждой стороны между нижним концом стойки и рычагом управления, при этом необходимое небольшое сочленение в верхней части стойки обычно обеспечивается эластомерным подшипником, внутри которого находится шарикоподшипник для допускать свободное вращение вокруг оси поворота. Таким образом, в подвеске обычно всего два шаровых шарнира, однако в рулевой трапеции будет как минимум четыре (концы рулевой тяги и концы рейки).

В автомобильной подвеске без стоек MacPherson два шаровых шарнира называются «верхний шаровой шарнир» и «нижний шаровой шарнир». Нижние шаровые опоры иногда больше и могут изнашиваться быстрее, потому что продольные и задние нагрузки, в первую очередь из-за торможения, выше на нижнем шаровом шарнире. (Реакция крутящего момента и сопротивление увеличиваются в нижнем шарнире и частично компенсируются в верхнем шарнире.) Кроме того, боковые угловые нагрузки выше в нижнем шарнире. В зависимости от конструкции подвески вертикальная нагрузка от пружины подвески может полностью восприниматься верхним шаровым шарниром или полностью нижним шаровым шарниром. Демпферная нагрузка (которая низкая в нормальных условиях, равна нулю в неподвижном состоянии, но при пиковом толчке или отскоке может быть почти такой же большой, как нагрузка на пружину) обычно, но не всегда, принимается на тот же шаровой шарнир, что и нагрузка на пружину. . Нагрузка на стабилизатор поперечной устойчивости часто, но не всегда, принимается на нижний шаровой шарнир. Он может сниматься за верхний шаровой шарнир или непосредственно от поворотного кулака с помощью шарнирных опорных тяг.

Если один из шаровых шарниров не воспринимает нагрузку пружины, он может быть оснащен внутренней пружиной, препятствующей дребезжанию, чтобы шарик предпочтительно контактировал с одним седлом. Так было в BMC. Мини 1959 года и многих его производных, где нижний рычаг управления не нес вертикальной нагрузки, поэтому требовался шарнир и пружина, предотвращающая дребезжание, в то время как верхний шарнир, состоящий из идентичных частей, всегда находился в сжатии из-за пружины (резиновый конус) и демпферных нагрузок , и поэтому не был снабжен пружиной.

Другие автомобили 1960-х годов, в том числе некоторые Vauxhall, имели нижние шаровые опоры со значительным концевым зазором, потому что шарнир всегда находился в напряжении, поскольку нагрузки пружины и амортизатора прикладывались через нижний рычаг подвески и всегда были ненулевыми.

Другой пример - Ford Focus, в котором используются стойки MacPherson, а стабилизатор поперечной устойчивости соединен непосредственно со стойкой, поэтому нижний шаровой шарнир воспринимает только продольные тяговые / тормозные и боковые нагрузки на поворотах.

Передний привод

В отличие от поворотного шкворня, который требует сборки в центре колеса для поворота, шарниры соединяются с верхним и нижним концом колеса. шпиндель (поворотный кулак), на контрольные рычаги. Это оставляет центральную часть открытой, чтобы можно было использовать передний привод. Старые конструкции шкворня можно использовать только в задний привод конфигурация.

Смазка

Герметичные шаровые опоры не требуют смазка поскольку они «смазаны на всю жизнь». Раньше большинство шаровых опор имели пресс-масленка (иногда называемый смазка зерк) и были разработаны для периодического добавления смазки, однако почти все современные автомобили используют герметичные шаровые шарниры, чтобы минимизировать требования к техническому обслуживанию. Смазка обычно была очень высокой.вязкость смазка. Принято считать, что стандартные шаровые опоры переживут герметичные, потому что в конечном итоге тюлень сломается, в результате чего соединение высохнет и ржавчина.[5] Кроме того, добавление новой смазки вытесняет старую и сухую смазку, продлевая срок службы соединения. Предполагалось, что это будет выполняться с интервалом от 1000 до 2000 миль на многих транспортных средствах, что несовместимо с интервалом обслуживания на современных автомобилях, часто 12000 миль или более, и в любом случае владельцы редко обращались к нему, что приводило к серьезному износу и возможный выход из строя шарового шарнира, что может привести к серьезным авариям. По этой причине почти все шаровые опоры современных европейских или дальневосточных автомобилей являются герметичными. Новая технология, особенно применяемая для внутренней конструкции подшипников, позволила шаровым шарнирам выдерживать более длительные интервалы обслуживания. Специальная конструкция включает подшипники из спеченного металла, которые заменяют герметичные полимерные / пластиковые версии OEM, и улучшенные пыльники, которые намного лучше удерживают смазку.

Шарнир качения сферический

Сферический шарнир качения SRJ024C-P

Сферический шарнир качения - это высокоточный шаровой шарнир, состоящий из сферического внешнего и внутреннего кольца, разделенных шарикоподшипниками. Шариковые подшипники помещены в сферический фиксатор и катятся как по внутренней, так и по внешней поверхностям. Такая конструкция позволяет соединению иметь очень низкое трение при сохранении большого диапазона движений и люфта на уровне 1мкм. SRJ часто используются в параллельных робототехнических приложениях, таких как Платформа Стюарта, где высокая жесткость и низкая люфт необходимы.[6][7]

Большинство SRJ имеют смещенный корпус, что позволяет выдерживать более высокие сжимающие нагрузки в меньшем пространстве. В качестве альтернативы, соединение может быть собрано задом наперед для более высокой прочности на растяжение, но меньшего диапазона движения.

Альтернативой SRJ является универсальный шарнир, состоящий из двух вращательные суставы.[8] Используя сферические шарниры качения вместо универсальных, конструкторы могут уменьшить количество шарниров для достижения того же результата. Использование сферического шарнира вместо универсальный шарнир также исключает проблемную возможность кинематическая особенность.[9] Подшипники скольжения сферические может использоваться вместо SRJ за счет увеличения трения, но дает возможность дополнительно нагружать соединение.

Отказ

Хотя не существует точного срока службы герметичных шаровых шарниров, они могут выйти из строя уже на 80 000 миль (130 000 км) в современных автомобилях, а в более старых - гораздо раньше.[нужна цитата ] Признаки неисправности шарового шарнира могут начаться с внезапного взрыва в результате демонтажа шарового шарнира. Затем он продолжает издавать щелкающий, щелкающий или щелкающий звук при повороте колеса и в конечном итоге превращается в скрипящий звук в конце остановки, при использовании педали газа и / или также при наезде на неровности. Еще одним признаком может быть стук, исходящий от передней подвески при движении по неровностям. Сухие шаровые опоры резко увеличивают трение и могут вызвать заедание рулевого управления или затруднить его.

Если шаровой шарнир выходит из строя, результаты могут быть опасными, поскольку угол колеса становится неограниченным, что приводит к потере управления. Поскольку шина окажется под непредусмотренным углом, транспортное средство резко остановится, повредив шины. Также при выходе из строя обломки могут повредить другие части автомобиля.[5]

Другое использование

Основная статья: Шаровое соединение

Хотя в автомобильной терминологии термин «шаровой шарнир» обычно относится к первичным соединениям шарового шарнира на концах рычагов управления, этот тип шарнира также используется в других частях, включая концы рулевых тяг. В этих других применениях они обычно называются концами рулевой тяги или, когда они являются концом внутренней рулевой тяги в реечной системе рулевого управления, они называются узлами внутренних гнезд. Эти соединения также используются в ряде других неавтомобильных приложений, начиная с соединений куклы к другим механическим связям для различных устройств или к любому месту, где желательна степень вращения при движении.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Бамбек, Майк. "Шаровые шарниры - как сохранить вместе переднюю подвеску". Мобильное масло. Получено 10 октября, 2012.
  2. ^ «Шаровые шарниры вашего автомобиля - центральная часть системы». Калифорнийский департамент по делам потребителей, Бюро ремонта автомобилей. 2010 г.. Получено 10 октября, 2012.
  3. ^ ООО "Шаровые шарниры-Данненбаум". ООО «Данненбаум».
  4. ^ секс
  5. ^ а б c Аллен, Майк (29 марта 2006 г.). «Замена шарового шарнира». Популярная механика. Получено 10 октября, 2012.
  6. ^ Мерле, Дж.П. «Параллельным механизмам еще предстоит пройти долгий путь». Конференция ASME 2002 DETC, Монреаль. Архивировано из оригинал 11 декабря 2008 г.. Получено 10 июн 2013.
  7. ^ Горс, Джо (13 декабря 2011 г.). "Роликовая шестерня ускоряет движение робота-ротопода". Мир дизайна. Получено 9 августа, 2016.
  8. ^ Отани, Т .; Иидзука, А .; Takamoto, D .; Motohashi, H .; Киши, Т .; Kryczka, P .; Заканчивается в.; Jamone, L .; Хашимото, К .; Takashima, T .; Lim, H.O .; Таканиши, А. (2013). «Новый хвостовик для робота-гуманоида, имитирующего походку человека в горизонтальной и фронтальной плоскости». Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации, 2013 г.. С. 667–672. Дои:10.1109 / ICRA.2013.6630644. ISBN  978-1-4673-5643-5. S2CID  17394569.
  9. ^ Силиано, Хатиб (2008). Справочник Springer по робототехнике. Springer. п. 22. ISBN  9783540239574.