Шаровой шарнир
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( ноябрь 2023 г. ) |
В автомобиле , шаровые опоры представляют собой сферические подшипники которые соединяют рычаги управления с поворотными кулаками и используются практически на каждом произведенном автомобиле . [1] они Бионически напоминают шаровидные суставы, встречающиеся у большинства четвероногих животных. [2]
Шаровой шарнир состоит из шпильки подшипника и втулки, заключенных в корпус; все эти детали изготовлены из стали . Шпилька подшипника имеет коническую форму и имеет резьбу и входит в коническое отверстие поворотного кулака. Защитный кожух предотвращает попадание грязи в шарнирный узел. Обычно это резиновый пыльник, допускающий движение и расширение смазки. Шаровые шарниры управления движением, как правило, удерживаются внутренней пружиной, что помогает предотвратить проблемы с вибрацией в рычажном механизме.
«Смещенный» шаровой шарнир обеспечивает возможность движения в системах, где присутствуют тепловое расширение и сжатие, удары, сейсмические движения, крутильные движения и силы. [3]
Теория
[ редактировать ]
Шаровой шарнир используется для обеспечения свободного вращения в двух плоскостях одновременно и предотвращения смещения в любом направлении. [1] включая вращение в этих плоскостях. Объединение двух таких шарниров с рычагами управления обеспечивает движение во всех трех плоскостях, позволяя управлять передней частью автомобиля, а рессорно-амортизирующую (амортизирующую) подвеску - сделать езду комфортной.
Простая подвеска шкворня требует, чтобы оси поворота верхнего и нижнего рычагов подвески были параллельны и находились в строгом геометрическом соотношении с шкворнем, иначе верхняя и нижняя цапфы, которые соединяют шкворень с рычагами управления, были бы сильно нагрузка, и подшипники будут сильно изнашиваться. На практике многие автомобили имели эластомерные подшипники в горизонтальных шарнирах цапф, что обеспечивало некоторую небольшую гибкость, однако этого было недостаточно для возможности значительной регулировки продольного наклона , а также обеспечивало соответствие там, где разработчик подвески, возможно, не желал. это в его стремлении к оптимальному управлению. Угол развала обычно можно регулировать, перемещая обе внутренние оси верхнего или нижнего рычага внутрь или наружу на абсолютно равную величину. Но податливость внутренних шарниров рычага подвески, как правило, из-за использования эластомерных подшипников, снова приведет к нагрузке на цапфы. Свобода конструктора подвески была ограничена, необходимо было обеспечить некоторую податливость там, где она могла быть нежелательна, и очень небольшую, где больше было бы полезно для поглощения ударной нагрузки вперед и назад от неровностей.
Внедрение шаровых шарниров сверху и снизу обеспечило трехосное шарнирное соединение и, таким образом, устранило все ограничения на то, чтобы оси рычага управления были точно параллельными, поэтому кастор можно было свободно регулировать, обычно путем асимметричной регулировки положения внутренних шарниров рычага управления, в то время как Развал регулировался симметричной регулировкой этих же шкворней.
Способы регулировки угла схождения не изменяются за счет введения шаровых шарниров в подвеску, хотя сама рулевая тяга должна использовать 4 или более шарниров, также обычно шаровые шарниры, и почти в каждом когда-либо созданном автомобиле некоторые из них можно было регулировать с помощью с резьбовым концом и контргайкой для точной установки носка.
Эта возможность точной настройки подвески с шаровым шарниром позволяет производителям сделать автомобиль более устойчивым и легким в управлении по сравнению со старой подвеской типа шкворня. Он также может быть тише и комфортнее, поскольку боковая, продольная и продольная податливость подвески может быть обеспечена в контролируемых количествах на внутренних шарнирах рычага управления без ущерба для целостности шарниров оси рулевого управления, которые теперь представляют собой шаровые шарниры вместо короля. штифт и цапфы. Более плавная езда 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
[ редактировать ]
На современных автомобилях шарниры являются шарнирами между колесами и подвеской автомобиля. Сегодня они почти повсеместно используются в передней подвеске, заменив шкворень / тягу или конструкцию шкворня / цапфы, но их также можно найти в задней подвеске некоторых автомобилей с более высокими характеристиками. [4] автомобиля Шаровые опоры играют решающую роль в безопасной работе рулевого управления и подвески .
Многие автомобили, выпускаемые в настоящее время по всему миру, используют подвеску со стойками МакФерсон , в которой используется один шаровой шарнир с каждой стороны между нижним концом стойки и рычагом подвески, при этом необходимый небольшой шарнир в верхней части стойки обычно обеспечивается эластомерным подшипником. , внутри которого находится шарикоподшипник, обеспечивающий свободное вращение вокруг оси рулевого управления. Так, в подвеске обычно всего два шаровых шарнира, однако в рулевой тяге их будет как минимум четыре (наконечники рулевой тяги и наконечники рейки).
В автомобильной подвеске без стойки МакФерсон два шаровых шарнира называются «верхним шаровым шарниром» и «нижним шаровым шарниром». Нижние шаровые опоры иногда имеют больший размер и могут изнашиваться быстрее, поскольку нагрузки вперед и назад, в первую очередь связанные с торможением, выше на нижнем шаровом шарнире. (Реакция крутящего момента и сопротивление добавляются в нижнем шарнире и частично исчезают в верхнем шарнире.) Кроме того, боковые нагрузки на поворотах выше в нижнем шарнире. В зависимости от конструкции подвески вертикальная нагрузка от пружины подвески может восприниматься полностью верхней шаровой опорой или полностью нижней шаровой опорой. Нагрузка на демпфер (которая в нормальных условиях мала, равна нулю в неподвижном состоянии, но при пиковых нагрузках или скорости отскока может быть почти такой же большой, как и 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, приходится на нижнюю шаровую опору. Его можно снимать за верхний шаровой шарнир или непосредственно с поворотного кулака с помощью шарнирных тяг.
Если один из шаровых шарниров не несет пружинной нагрузки, он может быть оснащен внутренней пружиной, предотвращающей дребезжание, чтобы шар предпочтительно контактировал с одним седлом. Так было в BMC Mini 1959 года и многих его производных, где нижний рычаг не нес вертикальной нагрузки, поэтому для шарнира требовалась противодребезжащая пружина, в то время как верхний шарнир, состоящий из идентичных частей, всегда находился в сжатом состоянии из-за пружина (резиновый конус) и демпфер нагрузки, поэтому пружина не была установлена.
Другие автомобили эпохи 1960-х годов, в том числе некоторые Vauxhall, имели нижние шаровые опоры со значительным люфтом концов, поскольку шарнир всегда находился в напряжении, поскольку нагрузки на пружину и амортизатор прикладывались через нижний рычаг подвески и всегда были ненулевыми.
Другим примером является Ford Focus, в котором используются стойки МакФерсон, а стабилизатор поперечной устойчивости соединен непосредственно со стойкой, поэтому нижний шаровой шарнир воспринимает только переднюю и заднюю тягу/торможение и боковые нагрузки на поворотах.
Передний привод
[ редактировать ]В отличие от шкворня, для поворота которого требуется узел в центре колеса, шарниры соединяются с верхним и нижним концом шпинделя ( поворотным кулаком) с рычагами управления . Это оставляет центральную часть открытой, что позволяет использовать передний привод . Старые конструкции шкворня можно использовать только в заднеприводной конфигурации.
Смазка
[ редактировать ]Герметичные шаровые опоры не требуют смазки , поскольку они «смазаны на весь срок службы». Раньше большинство шаровых шарниров имели масленки (иногда называемые масленками ) и были предназначены для периодического добавления смазки, однако почти во всех современных автомобилях используются герметичные шаровые шарниры, чтобы свести к минимуму требования к техническому обслуживанию. Смазка обычно представляла собой смазку с очень высокой вязкостью . Принято считать, что стандартные шаровые опоры переживут запечатанные, поскольку со временем уплотнение выйдет из строя, что приведет к высыханию и ржавчине шарнира . [4] Кроме того, добавление новой смазки вытесняет старую и сухую смазку, продлевая срок службы сустава. На многих автомобилях это предполагалось делать с интервалом от 1000 до 2000 миль, что несовместимо с межсервисным интервалом на современных автомобилях, зачастую 12000 миль и более, и в любом случае редко обслуживалось владельцами, что приводило к сильному износу и возможен выход из строя шарового шарнира, что может привести к серьезной аварии. По этой причине практически все шаровые опоры на современных европейских или дальневосточных автомобилях являются герметичными на весь срок службы. Новая технология, особенно примененная к внутренней конструкции подшипников, позволила шаровым шарнирам обеспечить более длительные интервалы обслуживания. Специальные конструкции включают в себя подшипники из спеченного металла, которые заменяют герметичные версии из полимера и пластика OEM, а также улучшенные уплотнения пылезащитных чехлов, которые намного лучше удерживают смазку.
Сферическое шарнирное соединение
[ редактировать ]
Сферический шарнир качения представляет собой высокоточный шаровой шарнир, состоящий из сферического наружного и внутреннего кольца, разделенных шарикоподшипниками. Шарикоподшипники размещены в сферическом сепараторе и катятся как по внутренней, так и по внешней поверхности. Такая конструкция позволяет шарниру иметь очень низкое трение, сохраняя при этом большой диапазон движений и люфт всего 1 мкм . SRJ часто используются в параллельных приложениях робототехники, таких как платформа Стюарта высокая жесткость и низкий люфт . , где важны [5] [6]
Большинство SRJ имеют смещенный корпус, что позволяет выдерживать более высокие сжимающие нагрузки в меньшем пространстве. В качестве альтернативы шарнир можно собрать задом наперед, чтобы обеспечить более высокую растягивающую нагрузку, но меньший диапазон движения.
Альтернативой SRJ является универсальный шарнир , состоящий из двух поворотных шарниров . [7] Используя сферические шарниры качения вместо универсальных, конструкторы могут уменьшить количество соединений и добиться того же результата. Использование сферического шарнира вместо универсального шарнира также устраняет проблематичную возможность кинематической сингулярности . [8] Сферические подшипники скольжения можно использовать вместо SRJ за счет увеличения трения, но они дают возможность дополнительно нагружать шарнир.
Отказ
[ редактировать ]Хотя не существует точного срока службы герметичных шаровых опор, они могут выйти из строя уже через 80 000 миль (130 000 км) в современных автомобилях и гораздо раньше в старых автомобилях. [ нужна ссылка ] Признаки неисправности шарового шарнира могут начинаться с внезапного звука взрыва в результате демонтажа шарового шарнира. Затем он продолжает издавать щелкающий, хлопающий или щелкающий звук при повороте колеса и в конечном итоге превращается в скрипящий звук в конце остановки, при нажатии педали газа и / или также при наезде на неровности. Еще одним симптомом может быть стук, исходящий от передней подвески при проезде неровностей. Сухие шаровые опоры имеют значительно повышенное трение и могут привести к заеданию рулевого управления или затруднению его работы.
Если шаровой шарнир выйдет из строя, последствия могут быть опасными, поскольку угол поворота колеса становится неограниченным, что приводит к потере контроля. Поскольку шина окажется под непредвиденным углом, автомобиль резко остановится, повредив шины. Также при выходе из строя мусор может повредить другие части автомобиля. [4]
Другое использование
[ редактировать ]Хотя на автомобильном языке термин «шаровой шарнир» обычно относится к основным соединениям шарового шарнира на концах рычагов подвески, этот тип шарнира используется и в других деталях, включая наконечники рулевых тяг. В этих других случаях их обычно называют наконечниками рулевых тяг или, если они представляют собой внутренние наконечники рулевых тяг реечной системы рулевого управления, их называют узлами внутренних гнезд. Эти соединения также используются в ряде других неавтомобильных применений, от суставов кукол до других механических соединений для различных устройств или в любом месте, где желательна степень вращения при движении.
См. также
[ редактировать ]- Голова в подушке (металлургия)
- Список автозапчастей
- Подшипник на конце шатуна (шейный шарнир)
- Кресло-шейкер с наклоном (одно из первых запатентованных применений этой технологии)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Бамбек, Майк. «Шариковые опоры — как сохранить целостность передней подвески» . Мобильное масло . Проверено 10 октября 2012 г.
- ^ «Шарики вашего автомобиля — основная часть системы» . Калифорнийский департамент по делам потребителей, Бюро ремонта автомобилей. 2010. Архивировано из оригинала 1 сентября 2012 года . Проверено 10 октября 2012 г.
- ^ ООО «Шариковые шарниры-Данненбаум» . ООО «Данненбаум» .
- ^ Jump up to: а б с Аллен, Майк (29 марта 2006 г.). «Замена шаровой опоры» . Популярная механика . Проверено 10 октября 2012 г.
- ^ Мерле, JP. «До создания параллельных механизмов еще далеко» . Конференция ASME 2002 DETC, Монреаль. Архивировано из оригинала 11 декабря 2008 года . Проверено 10 июня 2013 г.
- ^ Горс, Джо (13 декабря 2011 г.). «Роликовая шестерня ускоряет движение робота-ротопода» . Мир дизайна . Проверено 9 августа 2016 г.
- ^ Отани, Т.; Иизука, А.; Такамото, Д.; Мотохаси, Х.; Киши, Т.; Крычка, П.; Эндо, Н.; Хамон, Л.; Хасимото, К.; Такашима, Т.; Лим, ХО; Таканиши, А. (2013). «Новый механизм хвостовика для робота-гуманоида, имитирующий человеческую ходьбу в горизонтальной и фронтальной плоскостях». 2013 Международная конференция IEEE по робототехнике и автоматизации . стр. 667–672. дои : 10.1109/ICRA.2013.6630644 . ISBN 978-1-4673-5643-5 . S2CID 17394569 .
- ^ Сцилиано, Хатиб (2008). Справочник Спрингера по робототехнике . Спрингер. п. 22. ISBN 9783540239574 .