УДК 686.1
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
д. т.н., профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство»
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ НОВОГО ТИПА
В АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
Аннотация. В статье обосновывается возможность применения трибосопряжений нового типа и рассматриваются варианты использования пружинного вкладыша подшипника скольжения в автомобильных системах.
Ключевые слова: трибосопряжения, движение без трения, пружинный вкладыш, эффект храповика, изменение диаметра вкладыша, упругий натяг вместо зазора.
Vinogradov Aleksander Nikolayevich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department
of «Automobiles and Automobile Economy»
THE EFFICIENCY OF A NEW TYPE OF TRIBOLOGICAL JOINTS
IN AUTOMOTIVE SYSTEMS
Annotation. In the article substantiates the possibility of application of tribological joints of new type and options for using spring bearing liner in automotive systems.
Keywords: tribocoupling, movement without friction, the spring insert the ratchet effect, changing the diameter of the liner, elastic preload instead.
Возможность движения без трения впервые была предсказана профессором - отцом русской авиации, который оставил в наследство будущим поколениям две идеи о движении без трения. При этом речь идет не о движении без трения вообще, а о снижении его в рабочем органе. Общие потери энергии могут при этом даже возрастать [1].
Первая идея заключалась в компенсации трения за счет вспомогательного встречного движения промежуточной опоры, приводимой от постороннего источника энергии (рис. 1).
Как видно из рисунка 1, при движении четных и нечетных нитей в разных направлениях возникают две противоположные силы трения:
F1 = f G1 и F2 = f G2 ,
где G1 и G2 - части груза, находящиеся на четных и нечетных нитях; f - коэффициент трения.
Если система симметрична и G1 = G2, то F1 = F2 , и груз G будет двигаться по направлению движения нитей без трения (для тех случаев, когда сила трения не зависит от скорости).
Рис. 1. Иллюстрация идеи о компенсации трения
при встречном движении промежуточной опоры
Эта идея еще при жизни профессора была подтверждена с помощью маятника, который был подвешен на опоре скольжения с вкладышем в виде бронзовой втулки и совершал только несколько колебаний до остановки. Но, после того как втулку-вкладыш разрезали пополам (рис. 2) и каждую половину заставили вращаться от постороннего источника в противоположную сторону, этот маятник совершил несколько тысяч колебаний до остановки.
Рис. 2. Разрезанная втулка маятника
Но после того как втулку-вкладыш разрезали пополам (рис. 2) и каждую половину заставили вращаться от постороннего источника в противоположную сторону, этот маятник совершил несколько тысяч колебаний до остановки.
Вторую идею иллюстрирует рис. 3. Она отличается применением (вместо встречного) бокового вспомогательного движения платформы, скорость которой должна быть много больше, чем скорость скольжения груза G по платформе А.
Рис. 3. Иллюстрация второй идеи
о компенсации трения с помощью бокового вспомогательного
движения платформы
Как видно из рисунка 3, при Vx >>Vy сила трения по направлению Y будет меньше, чем по X, что зависит от угла α. Предполагается, что составляющие силы трения будут располагаться тоже по осям X и Y.
Fy = f G sinα = f G 
При Vx >>Vy sin α → 0 и Fy → min.
Наибольшее развитие эти идеи получили в гироскопических приборах, для чего были созданы специальные «реверсивно-вращающиеся опоры» - шариковые подшипники с двумя рядами шаров и промежуточными кольцами, которые через зубчатую передачу вращались в противоположных направлениях [2] (рис. 4).
Рис. 4. Реализация принудительного вращения промежуточного кольца
опоры гироскопа от дополнительного электродвигателя
Реализация этих идей с помощью принудительного вращения или вибрации промежуточной опоры подтвердила возможность снижения трения в рабочем органе. Однако величина фактического снижения трения оказалась меньше расчетной. Это расхождение, по-видимому, объясняется тем, что профессор объяснял снижение трения чисто геометрическими соображениями и не учитывал снижение при этом адгезионной составляющей при переходе от состояния покоя к движению с повышением скорости.
Переход от покоя к движению и дискретность трения обусловлены наличием упругого смещения и временем формирования адгезионных связей.
При снижении жесткости упругого элемента и скорости скольжения повышается время покоя, большее число фрикционных связей успевает сформироваться, что и повышает силу трения покоя вплоть до возникновения схватывания.
Это хорошо наблюдается при наличии в приводе упругого звена (в подвижных электрических контактах, распределительных механизмах автомобильных двигателей, компрессорах холодильников и др.).
В автомобильных двигателях введение упругого звена в привод распределительного механизма (цепь, зубчатый ремень) привело к возникновению режима схватывания и аномального износа кулачков распределительных валов (особенно в первых моделях автомобилей «Жигули»). Сказывалось при этом влияние и других факторов: высоких удельных нагрузок на вершине кулачка, разрывающих масляную пленку (в режиме масляного голодания), недостаточной твердости контактирующих материалов, стремления водителей к регулированию устойчивости холостого хода при минимальных оборотах и др. (рис. 5).
Рис. 5. Аномальный износ кулачков в двигателях с упругим звеном
привода распределительного механизма и гидрокомпенсатором зазора:
1 – кулачок распредвала; 2 - гидрокомпенсатор;
3 - износ кулачка; 4 - стержень клапана
Однако, в так называемых «тихоходных» двигателях, где применялся жесткий привод через зубчатые шестерни, аномального износа кулачков не наблюдалось в течение многих лет эксплуатации.
В двигателях с нижним расположением распределительного вала («Волга», «Москвич») и передачей движения на клапаны через толкатели и штанги (рис. 6) отсутствие аномального износа кулачков можно объяснить фактической реализацией второй идеи профессора Жуковского - наличием вспомогательного бокового движения (вращения толкателя) и переводом трения скольжения в трение качения, что достигается смещением кулачка относительно оси вращения толкателя.
Рис. 6. Схема реализации вспомогательного (бокового)
движения в опоре за счет смещения оси вращения кулачка
(без использования внешней энергии)
Особенностью такой схемы является то, что в ней для создания вспомогательного движения опоры не требуется внешняя энергия. Вращение толкателя осуществляется силами трения, но при этом не происходит увеличения общих затрат энергии. Рабочие поверхности кулачков после приработки становятся зеркальными, работают в режиме устойчивого нормального окислительного трения в течение длительной эксплуатации и не имеют заметного износа.
Нами предложена конструкция подшипника скольжения для возвратно-вращательного движения [3 - 6], в котором выполняются необходимые для его работы условия:
1. Активация рабочих поверхностей пластической деформацией.
2. Подавление (ограничение) окислительных процессов на рабочих поверхностях подшипников.
С этой целью подшипник снабжен подвижным вкладышем в виде винтовой цилиндрической пружины (промежуточным элементом), который в колебательном режиме принудительно поворачивается только в одну сторону и таким образом достигается равномерность износа и распределения смазки. Натяг пружины, необходимый для достижения микропластических деформаций, создается ее поджатием. В колебательном режиме за счет закручивания или раскручивания пружинного вкладыша возникает упругое натяжение соответственно на внутренней или наружной поверхности, и он принудительно поворачивается в одном направлении (эффект храповика). Подавление окислительных процессов в предложенной конструкции легко достигается сальниковым уплотнением. Положительный эффект получается также за счет снижения адгезионной составляющей трения (трения покоя) и частичной реализации идей «о движении без трения» (вращением промежуточной опоры) без использования для этого внешнего источника энергии.
Подобный подшипник (рис. 7) может, например, найти широкое применение взамен игольчатых подшипников карданного вала, сайлентблоков подвески, в шарнирах рулевого управления и других шарнирных узлах, работающих в возвратно-вращательном режиме.
Рис. 7. Схема подшипника с подвижным пружинным вкладышем
В разработанном группой авторов устройстве (рис. 8) задача повышения эксплуатационных характеристик достигается введением в подшипник упругого промежуточного элемента - подвижного вкладыша в виде винтовой цилиндрической пружины, регулированием усилия сжатия которого Рк на рабочих поверхностях создается уплотнение, необходимое для ограничения окислительных процессов и возникновения активации поверхности микропластической деформацией.
Рис. 8. Схема посадок на рабочих поверхностях шарнирного подшипника
с упругим пружинным вкладышем: А – подшипник находится в покое;
Б и В – вращение оси (цапфы) в разные стороны
Далее (на рис. 9 – 12) представлены различные варианты использования подшипников скольжения с подвижным пружинным вкладышем.
Рис. 9. Передняя подвеска автомобилей семейства ГАЗ с возможными вариантами замены существующих шарнирных узлов шарнирами новой конструкции |
Рис. 10. Фотография модернизированной (с одной стороны) опоры оси нижнего рычага подвески автомобиля ВАЗ |
а) б)
Рис. 11. Схема (а) и внешний вид (б) модернизированной
крестовины автомобиля «Нива»
Рис. 12. Модернизированные крестовины автомобиля ВАЗ (классика)
Необходимая точность изготовления традиционной посадки требует применения высокоточного оборудования и дорогостоящего инструмента, что экономически не выгодно для изготовления пружинного вкладыша и сопрягаемых с ним деталей. Поэтому было предложено выполнить пружинный вкладыш коническим, а остальные сопрягаемые с ним поверхности деталей – цилиндрическими.
Коническая пружина устанавливается между валом и втулкой, при этом будем считать, что материал вала и втулки не имеют возможности деформирования. При этом пружина займет на валу и втулке положение с неравномерным натягом по рабочим поверхностям. При этом диаметр проволоки равен половине зазора между диаметром вала и диаметром отверстия втулки, но, поскольку пружина изготовлена конической, то один из крайних диаметров пружины будет меньше, чем у вала, на 0,5 мм, а с другой стороны диаметр будет больше на 0,5 мм, чем у втулки (рис. 13).
Тем самым создается упругий натяг, который распределяется не как обычно, по всей поверхности, а убывает под углом 30 и к середине втулки и вала достигнет нулевого значения. С одной стороны на валу натяг, а с другой стороны – натяг на втулке. Величина упругого натяга зависит от угла, с которым пружина изготовлена.
Рис. 13. Конический подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения
В данном случае натяг не постоянен по длине и поле допуска будет изображаться не прямоугольником, как обычно, а треугольником, и натяг будет переменным, как показано на рис. 14.
|
|
а) б)
Рис. 14. Схема полей допусков для конической пружины:
а - сопряжение пружины и отверстия;
б - сопряжение пружины и вала
Данная конструкция подшипника скольжения с коническим пружинным вкладышем защищена патентом № 000 [7].
Иллюстрация зазоров и натягов, возникающих при установке конического пружинного вкладыша, представлена на рис. 15,16.
Рис. 15. Расположение пружины, надетой на вал с натягом на половине ее длины |
Рис. 16. Расположение пружины, вставленной во втулку с натягом на половине ее длины |
Одним из узлов автомобиля, в котором возможно применение данного устройства, является сайлентблок, который испытывает значительные деформации при работе (рис. 17), что приводит к разрывам и разрушению резины. Применение в конструкции сайлентблока подшипника скольжения с коническим пружинным вкладышем увеличит срок его эксплуатации.
Рис. 17. Возможные деформации резинометаллической втулки |
Рис. 18. Модернизированный сайлентблок |
Такой модернизированный сайлентблок был применен в амортизаторе автомобиля ВАЗ (рис. 19). Кроме того, в амортизаторе был модернизирован поршень (рис. 20), на котором в качестве лабиринтного уплотнения использован омедненный пружинный вкладыш (рис. 21).
Рис. 19. Амортизатор, в который устанавливается модернизированный сайлентблок |
Рис. 20. Стандартный поршень
Рис. 21. Поршень в сборе с уплотнительным омедненным пружинным вкладышем |
Еще одной нашей разработкой, в которой используется пружинный вкладыш, является поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания или компрессора, патент № 000.
Конструкция поршневого кольца, в состав которого входят элементы, представляющие собой пружину, и которое обеспечит лучшую обтюрацию газов, представлена на рис. 22 [8], а практическое применение – на рис. 23 на базе компрессора автомобиля.
Рис. 22. Составное поршневое кольцо для поршневых автомобильных и промышленных компрессоров |
Рис. 23. Шатун компрессора с поршнем и комплект деталей поршневого кольца новой конструкции |
ЛИТЕРАТУРА
Справочник Хютте. в 5 т. – М.: Главная редакция по машиностроению и металлообработке: – 1936. – Т. 1. –384 с. Ковалев приборов / , , . - М.: Машиностроение, 1967. – 205 с. Куранов и безызносность: моногр. / , , . – Саратов: СГТУ, 2000. – 136 с. Куранов без трения и износа: учеб. пособие / , . – Саратов: СГТУ, 2007. – 52 с. Пат. 2162556 РФ МПК7 F 16 C 17/00, 33/26. Подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения / , , - № 000/28; Заявлено 31.03.99; Опубл. 27.01.01 // Изобретения. Полезные модели. – 2001. – №3. – С. 147. Виноградов скольжения для возвратно-вращательного движения на основе новых трибологических принципов и эффектов / , // Восстановление и упрочнение деталей машин: межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2003. – С.175-182. Пат. РФ № 000 МПК F16C17/00, F16C33/26 Подшипник скольжения для возвратно-вращательного движения / , , ; Заявлено 03.07.2012; Опубл. 27.11.2013 // Изобретения. Полезные модели. – Бюл. № 33, 2013. Пат. РФ № 000 МПК F16J9/06 (2006.01) Составное поршневое кольцо для двигателя внутреннего сгорания или компрессора/ , ; Заявлено 08.08.2014; Опубл. 20.08.2015 // Изобретения. Полезные модели. – 2015.