Шаровые опоры в автомобильных механизмах рулевого управления.

Введение

Сферические подшипники наиболее часто используются в механизмах рулевого управления автомобилей, а также в автомобильных шарнирах.

В автомобиле шаровые опоры – это сферические подшипники, соединяющие рычаги подвески с поворотными кулаками, и используются практически во всех современных автомобилях. Шаровая опора состоит из подшипникового пальца и чашки, заключенных в корпус; все эти детали изготавливаются из стали. Подшипниковый палец имеет коническую резьбу и входит в коническое отверстие поворотного кулака. Защитный чехол предотвращает попадание грязи внутрь шарнира. Обычно это резиновый пыльник, который обеспечивает свободу движения и расширение смазки. Шаровые опоры с контролем движения обычно фиксируются внутренней пружиной, что помогает предотвратить вибрации в системе рулевого управления. "Смещенная" шаровая опора обеспечивает возможность движения в системах, подверженных тепловому расширению и сжатию, ударам, сейсмическим колебаниям, а также крутильным движениям и силам.

Теория

Шаровой шарнир используется для обеспечения свободного вращения в двух плоскостях одновременно, предотвращая поступательное перемещение в любом направлении, включая вращение в этих плоскостях. Соединение двух таких шарниров с рычагами управления позволяет движение во всех трех плоскостях, обеспечивая управляемость передней частью автомобиля и комфорт при езде благодаря пружинной и амортизаторной подвеске. Простая подвеска на цапфе требует, чтобы верхние и нижние рычаги управления (косые рычаги) имели оси поворота, параллельные друг другу и строго геометрически связанные с цапфой, иначе верхние и нижние втулки, соединяющие цапфу с рычагами управления, будут подвергаться сильным напряжениям, а подшипники – значительному износу. На практике многие автомобили оснащались эластомерными подшипниками в горизонтальных точках опоры втулок, что обеспечивало некоторую гибкость, однако этого было недостаточно для существенной регулировки угла продольного наклона (кастера), а также приводило к люфту, который конструктор подвески мог не допустить в стремлении к оптимальной управляемости. Угол поперечного наклона (камбера) обычно можно было регулировать, перемещая оба внутренних узла верхнего или нижнего рычага управления внутрь или наружу на одинаковое расстояние. Однако люфт внутренних узлов рычага управления, как правило, из-за использования эластомерных подшипников, снова приводил к напряжениям во втулках. Свобода конструктора подвески была ограничена: требовалось некоторое соответствие там, где оно могло быть нежелательным, и очень мало там, где большее соответствие было бы полезно для поглощения ударной нагрузки от неровностей дороги. Внедрение шаровых шарниров в верхней и нижней точках позволило обеспечить вращение вокруг трех осей, тем самым устранив все ограничения на точное параллельное расположение осей рычагов управления. Это позволило свободно регулировать угол продольного наклона (кастер), обычно асимметричной регулировкой положения внутренних узлов рычага управления, а угол поперечного наклона (камбер) – симметричной регулировкой тех же узлов. Устройство регулировки угла схождения колес не изменяется при использовании шаровых шарниров в подвеске, хотя сам рулевой механизм должен иметь 4 или более узла поворота, также обычно шаровые шарниры, и почти в каждом когда-либо созданном автомобиле некоторые из них регулируются с помощью резьбового соединения и контргайки для точной установки схождения. Эта возможность точной настройки подвески на шаровых шарнирах позволяет производителям сделать автомобиль более устойчивым и легким в управлении по сравнению со старыми подвесками на цапфах. Она также может быть тише и комфортнее, поскольку боковой и продольный люфт в подвеске может быть введен в контролируемых количествах в точках крепления рычагов управления, не нарушая целостности узлов поворота оси рулевого управления, которые теперь являются шаровыми шарнирами вместо цапфы и втулок. Более плавная езда также может увеличить срок службы шин, поскольку подвеска на шаровых шарнирах обеспечивает лучший контроль над геометрией подвески и, следовательно, лучшее сцепление шин с дорогой.

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.

Цель

На современных автомобилях шаровые опоры служат точкой соединения между колесами и подвеской. В настоящее время они практически повсеместно используются в передней подвеске, заменив собой систему с цапфой и кулаком или цапфой и поворотным кулаком, но также могут встречаться и в задней подвеске некоторых автомобилей с повышенной производительностью. Шаровые опоры играют критически важную роль в обеспечении безопасной работы рулевого управления и подвески автомобиля. Многие современные автомобили, производимые по всему миру, используют подвеску типа Макферсон, которая предполагает использование одной шаровой опоры с каждой стороны, между нижним концом стойки и рычагом подвески, при этом небольшая необходимая степень свободы в верхней части стойки обычно обеспечивается эластомерным подшипником, внутри которого расположен шариковый подшипник, позволяющий свободно вращаться вокруг оси поворота. Таким образом, в подвеске обычно присутствует только две шаровые опоры, однако в рулевом управлении их будет не менее четырех (наконечники рулевых тяг и наконечники рулевой рейки). В подвесках, отличных от типа Макферсон, две шаровые опоры называются "верхней шаровой опорой" и "нижней шаровой опорой". Нижние шаровые опоры иногда имеют больший размер и могут изнашиваться быстрее, поскольку продольные нагрузки, возникающие в основном при торможении, выше в нижней шаровой опоре. (Реактивный момент и сопротивление суммируются в нижней опоре и частично компенсируются в верхней опоре.) Кроме того, поперечные нагрузки при поворотах выше в нижней опоре. В зависимости от конструкции подвески, вертикальная нагрузка от пружины подвески может полностью восприниматься верхней шаровой опорой или полностью нижней шаровой опорой. Нагрузка от амортизатора (которая в нормальных условиях невелика, равна нулю в неподвижном состоянии, но при максимальных ходах сжатия или отбоя может быть почти такой же большой, как и нагрузка от пружины) обычно, но не всегда, воспринимается той же шаровой опорой, что и нагрузка от пружины. Нагрузка от стабилизатора поперечной устойчивости часто, но не всегда, воспринимается нижней шаровой опорой. Она может восприниматься верхней шаровой опорой или непосредственно от поворотного кулака через шаровые наконечники. Если одна из шаровых опор не воспринимает нагрузку от пружины, она может быть оснащена внутренней пружиной, предотвращающей люфт, чтобы шарик оставался в предпочтительном контакте с одной из опорных поверхностей. Это было реализовано в BMC Mini 1959 года и его многочисленных модификациях, где нижний рычаг подвески не воспринимал вертикальную нагрузку, поэтому соединение нуждалось в пружине, предотвращающей люфт, в то время как верхняя опора, состоящая из идентичных деталей, всегда находилась в сжатии из-за нагрузки от пружины (резинового конуса) и амортизатора, и поэтому не была оснащена пружиной. Другие автомобили 1960-х годов, включая некоторые Vauxhall, имели нижние шаровые опоры со значительным осевым люфтом, поскольку соединение всегда находилось в натяжении, поскольку нагрузки от пружины и амортизатора передавались через нижний рычаг подвески и всегда были ненулевыми. Другой пример – Ford Focus, который использует стойки Макферсон, а стабилизатор поперечной устойчивости подключен непосредственно к стойке, поэтому нижняя шаровая опора воспринимает только продольные нагрузки при тяге/торможении и поперечные нагрузки при поворотах.

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.

Передний привод

В отличие от цапфы, для поворота которой требуется сборка в центре колеса, шарниры соединяются с верхним и нижним концами поворотного кулака (рулевого костяка), а также с рычагами управления. Это освобождает центральную часть, позволяя использовать передний привод. Более старые конструкции цапф могут применяться только в конфигурациях с задним приводом.

Смазка

Запечатанные шаровые опоры не требуют смазки, поскольку они "смазаны на весь срок службы". Ранее большинство шаровых опор имело маслёнку (иногда называемую пресс-масленкой) и были рассчитаны на периодическое добавление смазки, однако почти во всех современных автомобилях используются герметичные шаровые опоры для минимизации требований к техническому обслуживанию. Обычно использовалась смазка с очень высокой вязкостью. Распространено мнение, что обычные шаровые опоры прослужат дольше герметичных, поскольку со временем уплотнение может разрушиться, что приведет к высыханию и коррозии опоры. Большинство SRJ (шаровых шарниров) имеют смещенный корпус, что позволяет выдерживать более высокие компрессионные нагрузки в меньшем пространстве. В качестве альтернативы, шарнир можно установить в обратном порядке для повышения устойчивости к растяжению, но с меньшим углом поворота. Альтернативой SRJ является карданный шарнир, состоящий из двух вращающихся шарниров. Используя сферические роликовые шарниры вместо карданных, конструкторы могут уменьшить количество шарниров для достижения того же результата. Использование сферического шарнира вместо карданного также устраняет возможность возникновения кинематической сингулярности. Вместо SRJ можно использовать простые сферические подшипники, но это увеличит трение, зато позволит дополнительно предварительно нагрузить шарнир.

Неудача

Хотя точный срок службы герметичных шаровых опор определить невозможно, они могут выйти из строя даже в современных автомобилях, а в старых – и того раньше. Признаки износа шаровой опоры могут начаться с резкого хлопка, возникающего при разрушении шаровой опоры. Затем появляются щелчки, потрескивания или хлопки при повороте руля, которые в конечном итоге переходят в скрип при торможении, при нажатии на педаль газа и/или при наезде на неровности. Другим симптомом могут быть глухие удары из передней подвески при проезде неровностей. Сухие шаровые опоры значительно увеличивают трение и могут привести к заеданию или затруднению управления. Выход из строя шаровой опоры может быть опасен, так как угол наклона колеса становится неуправляемым, что приводит к потере контроля над автомобилем. Из-за непреднамеренного угла наклона колеса автомобиль может резко остановиться, повредив шины. Кроме того, обломки, образующиеся при разрушении, могут повредить другие детали автомобиля.

Другие применения

В то время как в автомобильной терминологии термин "шаровой сустав" обычно относится к основным шаровым соединениям на концах рычагов подвески, этот тип соединения используется и в других деталях, включая рулевые наконечники. В этих других применениях они обычно называются рулевыми наконечниками или, если это внутренний рулевой наконечник в системе рулевого управления типа "рейка и шестерня", – внутренними шарнирными узлами. Эти соединения также применяются в различных областях, не связанных с автомобилестроением, от шарниров кукол до других механических связей в различных устройствах, или везде, где требуется определенная степень вращения при движении.