Автокөлік рулелік механизмдерінде қолданылатын шарлы буын

Кіріспе

Шарлы подшипниктер көбінесе автомобильдердің рульдік механизмдерінде қолданылады. Автомобиль буындары.

Автомобильде шарлы буындар – бұл басқару қолдарын рульдік түйіндерімен байланыстыратын шар тәрізді подшипниктер, және олар дерлік барлық автомобильдерде қолданылады. Шарлы буын – подшипник мойыны мен қаптамасынан тұрады; осы бөліктердің барлығы болаттан жасалған. Подшипник мойыны конустық және бұрандалы, ол рульдік түйіндің конустық тесігіне орналасады. Қорғау қаптамасы буынға кірдің енуіне кедергі келтіреді. Әдетте, бұл майлау құралының қозғалысына және кеңеюіне мүмкіндік беретін резеңкедей қапшық болып табылады. Қозғалысты бақылайтын шарлы буындар көбінесе ішкі серіппемен бекітіледі, бұл байланыстағы дірілдердің алдын алуға көмектеседі. "Смещениелі" шарлы буын, жылулық кеңею мен тарылу, соққы, сейсмикалық қозғалыс, бұрылу қозғалысы және күштер болатын жүйелерде қозғалыс мүмкіндігін қамтамасыз етеді.

Теория

Шарықты буын бір уақытта екі жазықтықта еркін айналуға мүмкіндік беру үшін қолданылады, сонымен бірге кез келген бағытта, тіпті сол жазықтықта айналуды да болдырмайды. Мұндай екі буынды басқару қолдарымен біріктіру үш жазықтықта да қозғалыс жасауға мүмкіндік береді, бұл автомобильдің алдыңғы бөлігін басқаруға және серіппелі және амортизаторлық (демперлі) аспапты ыңғайлы етуге мүмкіндік береді. Қарапайым кингпин аспабында жоғарғы және төменгі басқару қолдарының (тіректердің) пішінді ошақтары параллель болуы және кингпинмен қатаң геометриялық қатынаста болуы керек, әйтпесе кингпинге басқару қолдарымен жалғастыратын жоғарғы және төменгі трюниондар күшті жүктемеге ұшырап, подшипниктер тез тозып кетеді. Іс жүзінде көптеген көліктерде трюниондардың көлденең осінде эластомерлік подшипниктер болған, ол аз мөлшерде икемділікке мүмкіндік берген. Алайда, бұл кастерді көп реттеуге жеткіліксіз болды және сонымен қатар аспап дизайнера оңтайлы басқаруға ұмтылғанда қажет емес жерде серпімділікке әкелді. Кемпер бұрышын әдетте жоғарғы немесе төменгі басқару қолдарының ішкі екі осін бірдей мөлшерде ішке немесе сыртқа жылжыту арқылы реттеуге болады. Бірақ басқару қолдарының ішкі півотарының серпімділігі, әдетте эластомерлік подшипниктерді пайдаланудан туындайды, трюниондарға қайтадан жүктеме түсіреді. Аспап дизайнераның еркіндігі шектеулі болды, қажет емес жерде серпімділік болуы керек еді, ал соққыдан жүктемені сіңіру үшін пайдалы болатын жерде өте аз болды. Шарықты буындарды жоғарғы және төменгі бөліктерге енгізу 3 осьті бұрылысқа мүмкіндік берді, сонымен қатар басқару қолдарының осьтерінің дәл параллель болуына қатысты барлық шектеулерді жойды, сондықтан кастерді еркін реттеуге болады, әдетте басқару қолдарының ішкі півотарының орналасуын асимметриялық түрде реттеу арқылы, ал кемперді осы півотардың симметриялық реттелуі арқылы реттеуге болады. Аяқ бұрышын реттеуге арналған құрылым шарықты буындарды аспапқа енгізу арқылы өзгермейді, бірақ рульдік байланыстың өзі 4 немесе одан да көп півотарды пайдалануы керек, сонымен қатар көбінесе шарықты буындарды, және жасалған барлық көліктердің ішінде олардың кейбіреулері аяқ бұрышын дәл орнатуға мүмкіндік беретін бұрандалы ұшы мен бекіту гайкасы арқылы реттелген. Шарықты буындармен жабдықталған аспапты мұндай дәл баптау өндірушілерге автомобильді ескі кингпин аспабымен салыстырғанда тұрақтырақ және басқаруға оңайрақ етуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ол тыныш және ыңғайлы болуы мүмкін, өйткені аспаптың бүйірлік және бойлық серпімділігі басқару қолдарының ішкі півотарында, басқару осінің півотарының тұтастығына зиян келтірмей, бақыланатын мөлшерде енгізілуі мүмкін, бұл енді кингпин мен трюниондар емес, шарықты буындар. Жұмсақ жүру сонымен қатар шинаның протектор өмірін ұзартуы мүмкін, өйткені шарықты буындармен жабдықталған аспап аспап геометриясын жақсырақ басқаруға мүмкіндік береді және осылайша шинаның жолмен жақсы байланысын қамтамасыз етеді.

A ball joint is used for allowing free rotation in two planes at the same time while preventing translation in any direction, including rotating in those planes. Combining two such joints with control arms enables motion in all three planes, allowing the front end of an automobile to be steered and a spring and shock (damper) suspension to make the ride comfortable. A simple kingpin suspension requires that the upper and lower control arms (wishbones) have pivot axes that are parallel, and in strict geometric relationship to the kingpin, or the top and bottom trunnions, which connect the kingpin to the control arms, would be severely stressed and the bearings would suffer severe wear. In practice, many vehicles had elastomeric bearings in the horizontal pivots of the trunnions, which allowed some small amount of flexibility, however this was insufficient to allow much adjustment of caster to be made, and also introduced compliance where the suspension designer may not have desired it in his quest for optimum handling. Camber angle could generally be adjusted by moving both inner pivots of either the upper or lower control arm inwards or outwards by an exactly equal amount. But compliance of the control arm inner pivots, typically due to the use of elastomeric bearings, would again cause the trunnions to be stressed. The suspension designer's freedom was limited, it was necessary to have some compliance where it might not be wanted, and very little where more would have been useful in absorbing the fore and aft impact loading from bumps. The introduction of ball joints top and bottom allowed 3 axis articulation and so removed all the constraints on the control arm axes being exactly parallel, so caster could be freely adjusted, typically by asymmetric adjustment of the position of the control arm inner pivots, while camber was adjusted by the symmetric adjustment of these same pivots. The arrangements for adjusting the toe angle are not changed by introducing ball joints in the suspension, although the steering linkage itself must use 4 or more pivots, also usually ball joints, and in almost every vehicle ever made, some of these have been adjustable by having a threaded end and locknut, to enable the toe to be set precisely. This ability to fine tune ball jointed suspension allows manufacturers to make the automobile more stable and easier to steer, compared to the older kingpin style suspension. It may also be quieter and more comfortable, because lateral and fore and aft compliance in the suspension can be introduced in controlled amounts at the control arm inner pivots without compromising the integrity of the steering axis pivots, which are now ball joints instead of a king pin and trunnions. The smoother ride may also increase tire tread life, since the ball joint suspension allows better control of suspension geometry and so can provide better tire to road contact.

Мақсаты

Қазіргі көліктерде шарлы буындар дөңгелектер мен автомобильдің аспасы арасындағы тірек болып табылады. Олар бүгінде көбінесе алдыңғы аспаларда қолданылады, kingpin/link pin немесе kingpin/trunnion конструкциясын ығыстырып, бірақ кейбір жоғары өнімділік автомобильдердің артқы аспасында да кездеседі. Шарлы буындар автомобильдің рульдік басқару және аспалы жүйесінің қауіпсіз жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады. Бүкіл әлемде көптеген автомобильдер MacPherson тіректі аспасын пайдаланады, ол тіректің төменгі жағы мен басқару қолдары арасында бір шарлы буынды қолданады, ал тіректің жоғарғы жағындағы қажетті кішкентай қозғалыс әдетте эластомерлік подшипникпен қамтамасыз етіледі, оның ішінде рульдік осінің айналуын қамтамасыз ететін шарлы подшипник орналасқан. Демек, аспалы жүйеде әдетте екі шарлы буын болады, бірақ рульдік басқару байланысында кемінде төрт (жетек буындары және тіреу ұштары) болады. MacPherson тірегі жоқ автомобильдердің аспалы жүйесінде екі шарлы буын "жоғарғы шарлы буын" және "төменгі шарлы буын" деп аталады. Төменгі шарлы буындар кейде үлкенірек болады және тез тозуы мүмкін, себебі тежеу кезіндегі алдыңғы және артқы жүктемелер төменгі шарлы буында жоғары болады. (Бұрылу моменті мен созылу төменгі буында жинақталады және жоғарғы буында ішінара теңеседі.) Сонымен қатар, бұрылыс кезіндегі бүйірлік жүктемелер төменгі буында жоғары болады. Аспалы жүйенің конструкциясына байланысты, аспалы серіппеден түсетін тік жүктеме жоғарғы шарлы буынмен немесе төменгі шарлы буынмен толығымен қабылдануы мүмкін. Демпфердің жүктемесі (қалыпты жағдайда төмен, тоқтағанда нөлге тең, бірақ ең жоғары соққы немесе серіппе кезінде серіппе жүктемесімен шамалас болуы мүмкін) көбінесе, бірақ әрқашан емес, серіппе жүктемесімен бірге бір шарлы буынға түседі. Антиролл штангасының жүктемесі көбінесе, бірақ әрқашан емес, төменгі шарлы буынға түседі. Ол жоғарғы шарлы буын арқылы немесе тікелей рульдік тізектен шарлы буындармен байланысқан иілімдер арқылы қабылдануы мүмкін. Егер шарлы буындардың бірі серіппе жүктемесін қабылдамаса, онда шарды бір орынмен байланыста ұстау үшін ішкі сырғанауға қарсы серіппемен жабдықталуы мүмкін. Бұл 1959 жылғы BMC Mini және оның көптеген түрлерінде болды, онда төменгі басқару қолға тік жүктеме түспеді, сондықтан буынға сырғанауға қарсы серіппе қажет болды, ал бірдей бөліктерден тұратын жоғарғы буын серіппе (резеңді конус) және демпфер жүктемелерінің әсерінен әрқашан қысылып тұрды, сондықтан серіппемен жабдықталмады. 1960 жылдардың басқа көліктерінде, соның ішінде кейбір Vauxhall-дарда, төменгі шарлы буындарда айтарлықтай бос орын болды, өйткені буын әрқашан серіппе және демпфер жүктемелері төменгі басқару қол арқылы қолданылғандықтан және әрқашан нөлден жоғары болғандықтан кернеуде болды. Тағы бір мысал - MacPherson тіректерін пайдаланатын Ford Focus, онда антиролл штангасы тікелей тірекке қосылған, сондықтан төменгі шарлы буын тек алға және артқа сүйреу/тежеу және бүйірлік бұрылыс жүктемесін қабылдайды.

On modern vehicles, joints are the pivot between the wheels and the suspension of an automobile. They are today almost universally used in the front suspension, having replaced the kingpin/link pin or kingpin/trunnion arrangement, but can also be found in the rear suspension of a few higher performance autos. Ball joints play a critical role in the safe operation of an automobile's steering and suspension. Many currently manufactured automobiles worldwide use MacPherson strut suspension, which utilises one ball joint per side, between the lower end of the strut and the control arm, with the necessary small amount of articulation at the top of the strut being usually provided by an elastomeric bearing, within which is a ball bearing to allow free rotation about the steering axis. So, there are commonly only two ball joints in the suspension, however there will be at least four (track rod ends and rack ends) in the steering linkage. In non MacPherson strut automobile suspension, the two ball joints are called the "upper ball joint" and "lower ball joint". Lower ball joints are sometimes larger and may wear out faster, because the fore and aft loads, primarily due to braking, are higher at the bottom ball joint. (Torque reaction and drag add at the bottom joint, and partly cancel at the top joint.) Also, lateral cornering loads are higher at the bottom joint. Depending on the suspension design, the vertical load from the suspension spring may be handled entirely by the top ball joint, or entirely by the bottom ball joint. The damper load, (which is low in normal conditions, zero when stationary, but in peak bump or rebound rate may be almost as large as the spring load) is usually, but not always, taken on the same ball joint as the spring load. The anti roll bar loading is often, but not always, taken on the bottom ball joint. It may be taken by the top ball joint, or directly from the steering knuckle by ball jointed drop links. If one of the ball joints does not carry spring load, it may be fitted with an internal anti rattle spring to keep the ball preferentially in contact with one seat. This was the case in the BMC Mini of 1959 and its many derivatives, where the lower control arm carried no vertical loading, so the joint needed and anti rattle spring, while the top joint, comprising identical parts, was always in compression due to spring (rubber cone) and damper loads, and so was not fitted with a spring. Other vehicles of the 1960s era, including some Vauxhalls, had lower ball joints with considerable end float, because the joint was always in tension as the spring and damper loads were applied via the lower control arm and were always non zero. Another example is the Ford Focus, which uses MacPherson struts, and the anti roll bar is connected directly to the strut, so the lower ball joint is only carrying fore and aft traction/braking and lateral cornering loads.

Алдыңғы дөңгелекті қозғалтқыш

Кірпіштің ортасында бұрылу үшін жинау қажет болса, буындар шпиндельдің (бағдарлау түйінінің) жоғарғы және төменгі ұштарына, сондай-ақ басқару қолдарына жалғанады. Бұл алдыңғы жетек қолдануға орталық бөлікті бос қалдырады. Ескі кірпіш конструкциялары тек артқы жетек конфигурациясында ғана қолданылуы мүмкін.

Сымдау

Жабық шарлы буындар майлауды қажет етпейді, себебі олар "өмір бойына майланған". Бұрын көптеген шарлы буындар май құюға арналған тесікке (кейде май құю құрылғысы деп те аталады) ие болған және мерзімді түрде майлау үшін жасалған, бірақ қазіргі заманғы көліктердің басым көпшілігі техникалық қызмет көрсетуді азайту мақсатында жабық шарлы буындарды қолданады. Қолданылатын май әдетте өте жоғары тұтқырлыққа ие болатын. Көптеген адамдар стандартты шарлы буындар жабық буындардан ұзақ қызмет етеді деп санайды, себебі уақыт өте келе тығыздық бұзылып, буын құрғап, тоттана бастайды. Көптеген SRJ (сфералық шарлы буындар) ығысқан корпуспен жасалған, бұл кішірек кеңістікте жоғары компрессиялық жүктемелерге төзуге мүмкіндік береді. Балама ретінде, буынды кері жинауға болады, бұл жоғары созу жүктемесіне төзуге мүмкіндік береді, бірақ қозғалыс диапазоны төмендейді. SRJ-ге балама ретінде екі айналмалы буындардан тұратын универсалды буынды қолдануға болады. Сфералық иілгіш буындарды универсалды буындардың орнына пайдалану арқылы конструкторлар бірдей нәтижеге қол жеткізу үшін буындардың санын азайта алады. Универсалды буындарға қарағанда сфералық буындарды пайдалану кинематикалық сингулярлықтың туындау мүмкіндігін жояды. SRJ орнына қарапайым сфералық подшипниктерді қолдануға болады, бірақ бұл сүргіштің ұлғаюына әкеледі, сонымен бірге буынды одан әрі алдын ала жүктеуге мүмкіндік береді.

Қателік

Мөрленген шарлы буындардың қызмет ету мерзімі нақты анықталмаған, бірақ олар қазіргі көліктерде де, ескі көліктерде одан да ертерек істен шығуы мүмкін. Шарықты буынның тозу белгілері шарлы буынның бөлшектері ажырағанда кенеттен жарылыс сияқты дыбыспен басталуы мүмкін. Содан кейін рульді бұрғанда щылдырлау, қағу немесе сықырлау дыбыстары естіледі, ал тоқтағанда, газ педалін басқанда және/немесе соққыға түскенде шырылдау пайда болады. Тағы бір белгі – көлікті соққыларға түсіргенде алғы аспадан "жарылыс" немесе "дүркіл" дыбысы шығуы мүмкін. Құрғақ шарлы буындар үйкелісті күрт арттырады, соның салдарынан рульді бұру қиын немесе жабысып қалуы мүмкін. Егер шарлы буын істен шықса, дөңгелектің бұрышы бақыланбай қалып, басқару жоғалып, қауіпті жағдай тууы мүмкін. Дөңгелек қажетсіз бұрышта болғандықтан, көлік кенеттен тоқтап, дөңгелектерге зақым келтіруі мүмкін. Сонымен қатар, істен шығу кезінде пайда болатын сынықтар көліктің басқа бөліктеріне де зиян келтіруі мүмкін.

Басқа қолданыстар

Автомобиль терминологиясында "шарик буын" термині көбінесе басқару тіреулерінің соңындағы негізгі шарик буын қосылыстарын білдірсе де, бұл типтегі буын басқа бөліктерде де қолданылады, оның ішінде руль таяқшаларының ұштарында да. Осы басқа қолданыстарда олар әдетте руль таяқшаларының ұштары деп аталады немесе тісті рельс және пиньонды рульдік жүйеде ішкі руль таяқшасы болған жағдайда, ішкі муфта жинағы деп аталады. Бұл буындар автомобильдік емес көптеген басқа да қолданыстарда қолданылады, қуыршақтардың буындарынан бастап, әртүрлі құрылғылар үшін басқа механикалық байланыстарға дейін, немесе қозғалыста белгілі бір дәрежеде айналу қажет болатын кез келген жерде.