.jpg)
В автомобиле , шаровые шарниры являются сферическими подшипниками , соединяющих рычаги управления с рулевыми суставами , и используются практически на каждом автомобиле сделаны. [1] Они бионически напоминают шарнирно -шарнирные соединения, обнаруженные у большинства четвероногих животных. [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 проблемы с вибрацией в рычажном механизме.
«Смещенный» шаровой шарнир обеспечивает средство передвижения в системах, в которых присутствуют тепловое расширение и сжатие, удары, сейсмические движения, крутильные движения и силы. [3]
Теория [ править ]
Шаровая опора используется для обеспечения свободного вращения в двух плоскостях одновременно, предотвращая поступательное движение 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.
Простая подвеска поворотного шкворня требует, чтобы верхние и нижние рычаги управления (поперечные рычаги) имели оси поворота, параллельные и строго геометрически соотносящиеся с поворотным шкворнем, иначе верхняя и нижняя цапфы, соединяющие поворотный шкворень с рычагами управления, были бы сильно повреждены. нагружены, и подшипники будут сильно изнашиваться. На практике многие транспортные средства имели эластомерные подшипники в горизонтальных шарнирах цапф, что позволяло немного гибкость, однако этого было недостаточно для того, чтобы можно было произвести большую регулировку ролика , а также вводилось соответствие там, где разработчик подвески, возможно, не желал. это в его стремлении к оптимальной управляемости. Камберугол обычно можно регулировать, перемещая оба внутренних шарнира верхнего или нижнего рычага управления внутрь или наружу на точно равную величину. Но податливость внутренних шарниров рычага управления, как правило, из-за использования эластомерных подшипников, снова вызывает напряжение цапф. 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.
Устройства для регулировки угла схождения не изменяются путем введения в подвеску шаровых шарниров, хотя сама рулевая тяга должна использовать 4 или более шарниров, обычно также шаровых шарниров, и почти в каждом автомобиле, когда-либо производившемся, некоторые из них регулировались с помощью с резьбовым концом и контргайкой для точной установки носка.
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, поскольку поперечная и продольная податливость в подвеске может быть обеспечена в контролируемых количествах на внутренних шарнирах рычага управления без ущерба для целостности шарниров оси рулевого управления, 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 [ править ]
В современных автомобилях шарниры - это стержень между колесами и подвеской автомобиля. Сегодня они почти повсеместно используются в передней подвеске, заменив шкворень / шкворень или шкворень / цапфа, но их также можно найти в задней подвеске некоторых высокопроизводительных автомобилей. [4] Шаровые опоры играют решающую роль в безопасной эксплуатации рулевого управления и подвески автомобиля.
Во многих автомобилях, производимых в настоящее время по всему миру, используется подвеска стойки Макферсон , в которой используется по одному шаровому шарниру с каждой стороны между нижним концом стойки и рычагом подвески, при этом необходимое небольшое сочленение в верхней части стойки обычно обеспечивается эластомерным подшипником. , внутри которого находится шариковый подшипник, обеспечивающий свободное вращение вокруг оси рулевого управления. Таким образом, в подвеске обычно всего два шаровых шарнира, однако в рулевой тяги их будет как минимум четыре (концы рулевой тяги и концы рейки).
В автомобильной подвеске без стоек MacPherson два шаровых шарнира называются «верхним шаровым шарниром» и «нижним шаровым шарниром». Нижние шаровые шарниры иногда больше и могут изнашиваться быстрее, потому что продольные и задние нагрузки, в первую очередь из-за торможения, выше на нижнем 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, нулевая 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, предотвращающей дребезжание, чтобы шарик преимущественно находился в контакте с одним седлом. Так было в BMC Mini 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 пружина (резиновый конус) и демпфер нагрузки, 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.
Другим примером является Ford Focus, в котором используются стойки MacPherson, а стабилизатор поперечной устойчивости соединен непосредственно со стойкой, поэтому нижний шаровой шарнир воспринимает только продольные / поперечные тяговые / тормозные и боковые нагрузки на поворотах.
Передний привод [ править ]
В отличие от поворотного шкворня, для поворота которого требуется сборка 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 могут использоваться только в заднеприводной конфигурации.
Смазка [ править ]
Герметичные шаровые опоры не требуют смазки, так как смазаны на весь срок службы. Раньше большинство шаровых шарниров были масленки (иногда называемая смазка Zerk ) и предназначены для периодического добавления смазки, однако почти все современные автомобили используют герметизированные шаровые шарниры , чтобы свести к минимуму потребность в техническом обслуживании. Смазка обычно представляла собой смазку с очень высокой вязкостью . Принято считать, что стандартные шаровые шарниры переживут герметичные, потому что в конечном итоге уплотнение сломается, что приведет к высыханию и ржавчине соединения . [4] Кроме того, добавление новой смазки вытесняет старую и сухую смазку, продлевая срок службы соединения. Предполагалось, что это будет происходить 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 обращали на это внимание, что приводило к сильному 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 герметичны. 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 [ править ]
Сферический шарнир качения - это высокоточный шаровой шарнир, состоящий из сферического внешнего и внутреннего кольца, разделенных шарикоподшипниками. Шариковые подшипники заключены 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 всего 1 мкм . SRJ часто используются в параллельных робототехнических приложениях, таких как платформа Стюарта , где важны высокая жесткость и низкий люфт . [5] [6]
Большинство SRJ сконструированы со смещенным корпусом, что позволяет выдерживать более высокие сжимающие нагрузки в меньшем пространстве. В качестве альтернативы, соединение может быть собрано в обратном направлении для более высокой прочности на растяжение, но меньшего диапазона движения.
Альтернативой SRJ является универсальный шарнир , который состоит из двух поворотных шарниров . [7] Используя сферические шарниры качения вместо универсальных, конструкторы могут уменьшить количество шарниров для достижения того же результата. Использование сферического шарнира вместо универсального также устраняет проблематичную возможность кинематической сингулярности . [8] Сферические подшипники скольжения могут использоваться вместо SRJ за счет увеличения трения, но дают возможность дополнительно нагружать соединение.
Ошибка [ править ]
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 автомобилях - гораздо раньше. [ необходима цитата ] Признаки неисправности шарового шарнира могут начаться с внезапного взрыва звука 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 контроля. Поскольку шина окажется под непредусмотренным углом, автомобиль резко остановится, повредив шины. Также при выходе из строя обломки могут повредить другие части автомобиля. [4]
Другое использование [ править ]
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 внутренним концом рулевой тяги в реечной системе рулевого управления, они называются узлами внутренних гнезд. Эти соединения также используются в ряде других неавтомобильных применений, от шарниров кукол до других механических соединений для различных устройств или в любом месте, где желательна степень вращения при движении.
См. Также [ править ]
- Подшипник штока (шарнир)
- Качающееся кресло-качалка (одно из первых запатентованных приложений этой технологии)
- Голова в подушке (металлургия)
Ссылки [ править ]
- ^ a b Бамбек, Майк. «Шаровые шарниры - как сохранить переднюю подвеску вместе» . Мобильное масло . Проверено 10 октября 2012 года .
- ^ «Шаровые шарниры вашего автомобиля - основная часть системы» . Департамент по делам потребителей Калифорнии, Бюро ремонта автомобилей. 2010 . Проверено 10 октября 2012 года .
- ^ "Шаровые шарниры-Dannenbaum LLC" . ООО "Данненбаум" .
- ^ a b c Аллен, Майк (29 марта 2006 г.). «Замена шарового шарнира» . Популярная механика . Проверено 10 октября 2012 года .
- ^ Мерле, JP. «Для параллельных механизмов еще предстоит пройти долгий путь» . Конференция ASME 2002 DETC, Монреаль. Архивировано из оригинала 11 декабря 2008 года . Проверено 10 июня 2013 года .
- ^ Дрок, Джо (13 декабря 2011). «Роликовая шестерня ускоряет движение робота-ротопода» . Мир дизайна . Проверено 9 августа 2016 года .
- ^ Отани, Т .; Иидзука, А .; Takamoto, D .; Motohashi, H .; Киши, Т .; Kryczka, P .; Заканчивается.; Jamone, L .; Хашимото, К .; Takashima, T .; Lim, HO; Таканиси, А. (2013). «Новый стержневой механизм для робота-гуманоида, имитирующего походку человека в горизонтальной и фронтальной плоскости». 2013 IEEE Международная конференция по робототехнике и автоматизации . С. 667–672. DOI : 10.1109 / ICRA.2013.6630644 . ISBN 978-1-4673-5643-5. S2CID 17394569 .
- ^ Sciliano Хатиб (2008). Справочник Springer по робототехнике . Springer. п. 22. ISBN 9783540239574.
