В автомобиле шаровые шарниры представляют собой сферические подшипники , которые соединяют рычаги управления с поворотными кулаками и используются практически в каждом произведенном автомобиле . [1] Они бионически напоминают шаровые шарниры, встречающиеся у большинства четвероногих животных. [2]
Шаровой шарнир состоит из опорного пальца и гнезда, заключенных в корпус; все эти детали изготовлены из стали . Опорный палец имеет коническую форму и резьбу и вставляется в коническое отверстие в поворотном кулаке. Защитный кожух предотвращает попадание грязи в узел шарнира. Обычно это резиноподобный чехол, который допускает движение и расширение смазки. Шаровые шарниры управления движением, как правило, удерживаются внутренней пружиной, что помогает предотвратить проблемы с вибрацией в тяге.
«Смещенный» шаровой шарнир обеспечивает средства движения в системах, где присутствуют тепловое расширение и сжатие, удары, сейсмические колебания, крутильные движения и силы. [3]
Шаровой шарнир используется для обеспечения свободного вращения в двух плоскостях одновременно, предотвращая перемещение 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 пружинно-амортизационной подвеске — сделать езду комфортной.
Простая подвеска с поворотным шкворнем требует, чтобы верхние и нижние рычаги управления (поперечные рычаги) имели оси поворота, которые параллельны и находятся в строгой геометрической связи с поворотным шкворнем, или верхняя и нижняя цапфы, которые соединяют поворотный шкворень с рычагами управления, будут сильно нагружены, а 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 того, чтобы можно было выполнить большую регулировку кастера , а также вводило податливость там, где конструктор подвески мог не желать этого в своем стремлении к оптимальному управлению. Угол развала обычно можно было отрегулировать, перемещая оба внутренних шарнира верхнего или нижнего рычага управления внутрь или наружу на абсолютно одинаковую величину. Но податливость внутренних шарниров рычага управления, как правило, из-за использования эластомерных подшипников, снова приводила к напряжению цапф. Свобода действий конструктора подвески была ограничена: необходимо было обеспечить некоторую податливость там, где она не требовалась, и совсем немного там, где она могла быть полезна для поглощения передней и задней ударной нагрузки от неровностей.
Введение шаровых шарниров сверху и снизу позволило осуществить трехосное сочленение и, таким образом, устранить все ограничения на точную параллельность осей рычагов управления, поэтому кастер можно было свободно регулировать, как правило, путем асимметричной регулировки положения внутренних шарниров рычага управления, в то время как развал регулировался путем симметричной регулировки этих же шарниров.
Механизмы регулировки угла схождения не изменяются при установке шаровых шарниров в подвеску, хотя сама рулевая тяга должна использовать 4 или более шарниров, также обычно шаровых шарниров, и почти в каждом когда-либо произведенном транспортном средстве некоторые из них регулируются с помощью резьбового конца и контргайки, что позволяет точно отрегулировать схождение.
Эта возможность тонкой настройки подвески с шаровыми шарнирами позволяет производителям сделать автомобиль более устойчивым и более управляемым по сравнению со старой подвеской с поворотным шкворнем. Он также может быть тише и комфортнее, поскольку боковая и продольная податливость подвески может быть введена в контролируемых количествах на внутренних шарнирах рычага управления без ущерба для целостности шарниров оси рулевого управления, которые теперь представляют собой шаровые шарниры вместо поворотного шкворня и цапф. Более плавная езда может также увеличить срок службы протектора шины, поскольку подвеска с шаровыми шарнирами позволяет лучше контролировать геометрию подвески и, таким образом, может обеспечить лучший контакт шины с дорогой.
В современных транспортных средствах шарниры являются осью между колесами и подвеской автомобиля. Сегодня они почти повсеместно используются в передней подвеске, заменив конструкцию шкворень /рычаг или шкворень/цапфа, но их также можно найти в задней подвеске некоторых более мощных автомобилей. [4] Шаровые шарниры играют важную роль в безопасной работе рулевого управления и подвески автомобиля .
Во многих выпускаемых в настоящее время автомобилях по всему миру используется подвеска MacPherson , которая использует один шаровой шарнир с каждой стороны, между нижним концом стойки и рычагом управления, с необходимым небольшим количеством сочленения в верхней части стойки, которое обычно обеспечивается эластомерным подшипником, внутри которого находится шариковый подшипник, обеспечивающий свободное вращение вокруг оси рулевого управления. Таким образом, в подвеске обычно имеется только два шаровых шарнира, однако в рулевом приводе их будет не менее четырех (наконечники рулевой тяги и концы рейки).
В подвеске автомобиля без стойки Макферсона два шаровых шарнира называются «верхний шаровой шарнир» и «нижний шаровой шарнир». Нижние шаровые шарниры иногда больше и могут изнашиваться быстрее, поскольку передние и задние нагрузки, в первую очередь из-за торможения, выше на нижнем шаровом шарнире. (Реакция крутящего момента и сопротивление добавляются на нижнем шарнире и частично компенсируются на верхнем шарнире.) Кроме того, боковые нагрузки при повороте выше на нижнем шарнире. В зависимости от конструкции подвески вертикальная нагрузка от пружины подвески может полностью восприниматься верхним шаровым шарниром или полностью нижним шаровым шарниром. Нагрузка на амортизатор (которая в нормальных условиях мала, равна нулю в неподвижном состоянии, но при пиковой скорости удара или отскока может быть почти такой же большой, как нагрузка на пружину) обычно, но не всегда, воспринимается тем же шаровым шарниром, что и нагрузка на пружину. Нагрузка на стабилизатор поперечной устойчивости часто, но не всегда, воспринимается нижним шаровым шарниром. Она может восприниматься верхним шаровым шарниром или непосредственно от поворотного кулака с помощью шаровых шарнирных тяг.
Если один из шаровых шарниров не несет пружинной нагрузки, он может быть оснащен внутренней противодребезжащей пружиной, чтобы удерживать шар преимущественно в контакте с одним седлом. Так было в BMC Mini 1959 года и его многочисленных производных, где нижний рычаг управления не нес вертикальной нагрузки, поэтому шарниру требовалась противодребезжащая пружина, в то время как верхний шарнир, состоящий из идентичных частей, всегда находился в сжатом состоянии из-за пружинных (резиновый конус) и демпфирующих нагрузок и поэтому не был оснащен пружиной.
В других транспортных средствах 1960-х годов, включая некоторые модели Vauxhall, нижние шаровые шарниры имели значительный осевой зазор, поскольку шарнир всегда находился в напряженном состоянии, поскольку нагрузки пружин и амортизаторов 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 передние и задние тягово-тормозные нагрузки и боковые нагрузки при поворотах.
В отличие от шкворня, которому для поворота требуется сборка в центре колеса, шарниры соединяются с верхним и нижним концом шпинделя ( рулевой цапфой), с рычагами управления . Это оставляет центральную часть открытой, позволяя использовать передний привод . Старые конструкции шкворня могут использоваться только в конфигурации с задним приводом .
Герметичные шаровые шарниры не требуют смазки , поскольку они «смазаны на всю жизнь». Раньше большинство шаровых шарниров имели масленку (иногда называемую смазкой Зерком ) и были разработаны для периодического добавления смазки, однако почти все современные автомобили используют герметичные шаровые шарниры, чтобы свести к минимуму требования к техническому обслуживанию. Смазка обычно была очень высоковязкой . Обычно считается, что стандартные шаровые шарниры переживут герметичные, потому что в конечном итоге уплотнение сломается , в результате чего шарнир высохнет и заржавеет . [4] Кроме того, процесс добавления новой смазки выталкивает старую и сухую смазку, продлевая срок службы шарнира. Это должно было делаться с интервалом от 1000 до 2000 миль на многих транспортных средствах, что несовместимо с интервалом обслуживания современных автомобилей, часто 12000 миль или более, и в любом случае редко обслуживалось владельцами, что приводило к сильному износу и возможному отказу шарового шарнира, что может привести к серьезным авариям. По этой причине почти все шаровые шарниры на современных европейских или дальневосточных автомобилях являются герметичными на всю жизнь. Новая технология, особенно примененная к конструкции внутреннего подшипника, позволила шаровым шарнирам соответствовать этим более длительным интервалам обслуживания. Специальные конструкции включают спеченные металлические подшипники, которые заменяют OEM-герметизированные полимерные/пластиковые версии, и улучшенные пылезащитные уплотнения, которые работают намного лучше, удерживая смазку.
Сферический шарнир качения — это высокоточный шаровой шарнир, состоящий из сферической внешней и внутренней дорожки качения, разделенных шарикоподшипниками. Шарикоподшипники размещены в сферическом фиксаторе и катятся как по внутренней, так и по внешней поверхностям. Такая конструкция позволяет шарниру иметь очень низкое трение, сохраняя при этом большой диапазон движения и люфт до 1 мкм . SRJ часто используются в параллельных робототехнических приложениях, таких как платформа Стюарта , где высокая жесткость и низкий люфт имеют важное значение. [5] [6]
Большинство SRJ спроектированы со смещенным корпусом, что позволяет выдерживать более высокие нагрузки на сжатие в меньшем пространстве. В качестве альтернативы соединение может быть собрано в обратном направлении для более высокой способности к растяжению, но с меньшим диапазоном движения.
Альтернативой SRJ является универсальный шарнир , который состоит из двух поворотных шарниров . [7] Используя сферические шарниры качения вместо универсальных, конструкторы могут сократить количество шарниров для достижения того же результата. Использование сферического шарнира вместо универсального шарнира также устраняет проблемную возможность кинематической сингулярности . [8] Вместо SRJ можно использовать сферические подшипники скольжения за счет увеличения трения, но при этом появляется возможность дополнительно нагрузить шарнир.
Хотя точного срока службы герметичных шаровых шарниров не существует, они могут выйти из строя уже через 80 000 миль (130 000 км) в современных автомобилях и гораздо раньше в старых автомобилях. [ требуется ссылка ] Признаки выхода из строя шарового шарнира могут начаться с внезапного разрыва звука в результате демонтажа шарового шарнира. Затем он продолжается со щелчками, треском или щелчками 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. Другим симптомом могут быть «глухие» звуки, исходящие от передней подвески при проезде неровностей. Сухие шаровые шарниры имеют значительно повышенное трение и могут привести к застреванию или затруднению рулевого управления.
Если шаровой шарнир выходит из строя, результаты могут быть опасными, так как угол колеса становится неограниченным, что приводит к потере управления. Поскольку шина будет находиться под непреднамеренным углом, автомобиль резко остановится, повредив шины. Кроме того, во время отказа мусор может повредить другие части автомобиля. [4]
Хотя в автомобильной терминологии термин «шаровой шарнир» обычно относится к первичным шаровым шарнирным соединениям на концах рычагов управления, этот тип шарнира используется и в других деталях, включая наконечники рулевых тяг. В этих других приложениях их обычно называют наконечниками рулевых тяг или, когда они являются внутренним наконечником рулевой тяги в реечной рулевой системе, их называют внутренними гнездовыми узлами. Эти шарниры также используются в ряде других неавтомобильных приложений, от шарниров кукол до других механических соединений для различных устройств или в любом месте, где требуется определенная степень вращения при движении.