ОСНОВЫ РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЯ ШТОКА АМОРТИЗАТОРА
Наиболее распространенным типом подвижного уплотнения штока является манжетное. Наборные сальники с поджимом гайкой встречаются очень редко (фирма КОНИ, рис. 86, в). Среди манжет выделяется конструкция втулочного типа с несколькими маслосъемными кромками, так называемая манжета «мульти-лип» (см. рис. 5, 86 и 91), получившая широкое применение с 40-х годов в США (фирма Делько). Это уплотнение сочетает свойство обычной манжеты счищать масло со штока со свойствами лабиринтного уплотнения, что приводит к последовательному понижению рабочего давления в камерах расширения и повышению герметичности системы. Простота конструкции и технологии изготовления манжет «мульти-лип» при сравнительно высокой надежности и долговечности гарантирует их применение и в будущем. Вследствие указанных качеств манжету используют в качестве основного, а в большинстве зарубежных конструкций амортизаторов и единственного уплотнительного элемента штока. Последнее, однако, не всегда оправдано, так как один конструктивный элемент в тяжелых эксплуатационных условиях оказывается функционально перегруженным.
Условия работы основной манжеты штока зависят от следующих основных факторов:
1) чистоты и вида покрытия поверхности штока, влияющих на величину коэффициента трения (обычно 11—12-й класс чистоты по хрому);
2) натяга манжеты на шток; натяг обусловливает давление на поверхности контакта и определенную силу трения;
3) поджима манжеты пружиной, удерживающей манжету в обойме; поджим обусловливает дополнительное давление на поверхностях контакта;
4) давления в резервуаре, которое действует аналогично давлению пружины и связано с нагревом амортизатора и повышением давления воздуха;
5) воздействия амортизаторной жидкости (набухание), к которой манжета должна иметь минимальную чувствительность;
6) тепловой напряженности, которая изменяет физико-механические свойства резины, способствует ее старению и разрушению;
7) гидравлического действия горячей струи жидкости, вытекающей через зазор между направляющей и штоком, которое ускоряет старение и износ;
8) образования продольных рисок на уплотняющих кромках, вызываемых продуктами износа деталей амортизатора и другими механическими примесями;
9) попадания в амортизатор извне инородных частиц, которые действуют аналогично продуктам износа (связано с дорожными условиями);
10) изменения со временем физико-механических свойств резины, приводящего к ослаблению ее сопротивления воздействующим факторам, и т. п.
Борьба с вредным влиянием большинства указанных факторов является основным содержанием работы по увеличению надежности узла уплотнения штока, определяющего долговечность всей конструкции.
Материалом для манжет служит масло-тепло-морозостойкая резина средней твердости (60—75 по Шору). Применяемая в отечественных амортизаторах резиновая смесь ИРП-1100 обладает сравнительно высокими физико-механическими свойствами: сопротивление разрыву стр = 100 кГ/см2 ± 10; относительное удлинение 200—400%; остаточное удлинение не более 12%; температура хрупкости [24] — 44° С.
К отрицательным свойствам всех эластичных материалов относится релаксация вследствие продолжительного действия нагрузки. Это приводит к тому, что начальное давление на контактной поверхности манжеты, вызванное предварительным натягом, постепенно уменьшается независимо от ее формы. В большинстве существующих конструкций это свойство учитывают соответствующим подбором диаметров штока йш и внутреннего отверстия манжеты йм. Разность этих диаметров составляет 1—2 мм и обусловливает некоторый относительный натяг ев, который является наиболее объективным параметром оценки данного сопряжения с учетом допускаемых технологических отклонений размера йм:
Величина напряжения растяжения ав = гвЕ на внутреннем диаметре манжеты зависит от твердости резины и величины ев — при малых ев = 5-5-10% модуль упругости Е = 25ч-50 кПсм* и ств < 0,05сГр.
Зависимость между ав (гв) и удельной силой трения о шток Ртр = £Р (Ртр — максимальная сила трения, 5 — площадь
Поверхности, прилегающей к штоку) позволяет определить допустимые пределы увеличения ев с учетом других конструктивных размеров (рис. 88). Зная величину контактного давления
Рис. 88. Схема действующих на манжету сил и деформаций манжеты штока: А — поперечное сеченне манжеты; б — радиальное сечение манжеты при ее надевании на тток (показано штриховой линией); / —манжета; 2 — шток; — 02 — 20®; = = 25-і-35°; а2 = 1,54-2,5 мм |
Между поверхностями манжеты и штока рм, можно определить силу нормального давления N и силу Ртр — /Л/- (/ — коэффициент трения), а также величину давления рабочей среды, герметизируемой в резервуаре: рв ^ рм.
Выделив в поперечной плоскости сечения участок штока, ограниченный малым углом йа, найдем /? = Р йа учитывая, что длина площадки вдоль оси штока приближенно равна сумме высот 2 Л выступов гребешков манжеты, определим рм — —
——^—, так как с/5 = 0,5
Лщ. 2лА
Величина N = рм8 = рм лйш Л Л, следовательно,
Ртр = —— 5^- = /р*. (179)
Для конкретизации расчетной модели напряженного состояния манжеты штока в радиальном сечении выделяется два основных элемента (рис. 88, б): маслосъемные кромки, которые испытывают сложные объемные деформации, и основной резиновый блок
с трапециевидным сечением, который подвергается главным образом растяжению (при отсутствии значительного обжатия манжеты по наружному диаметру).
Рис. 89. Характер увеличения силы трения манжеты о шток при увеличении относительного натяга е„ (по данным испытаний в амортизаторах автомобиля «Москвич») |
Заметим, что с увеличением натяга по внутреннему диаметру удлинение манжеты по наружному диаметру возрастает. При этом в большей мере деформируются маслосъемные кромки, а силы 7? и Ртр возрастают непропорционально усилию натяга манжеты на шток (рис. 89). Можно считать, что при растяжении основного резинового блока (трапециевидного сечения) создается сила Р, пропорциональная интегралу напряжений ов по площади сечения; тогда выражение для Р с учетом геометрических соотношений и объемного закона Гука можно представить в следующем виде:
Р 0,33££ {е’вН + гнН +
+ У евенннх (180)
Где е„ = ш0,—^^ м%, . —относительный
Натяг резинового блока по диаметру (1М1 [-1 — коэффициент Пуассона (для резины |х = = 0,45-5-0,5);
(и йМ1 — конструктивные размеры манжеты (см. рис. 88, 90 и табл. 13); ен — относительное удлинение резины манжеты по наружному диаметру Д* при надевании ее на шток (е„ = 0,25ев); кф — коэффициент формы, учитывающий деформации сжатия маслосъемных гребешков (кф •< < 1; в расчетах принимается кф = 0,9).
Расчеты показывают, что сила Р вызывает начальное давление рм = 1,5-т-З кПсм2 (без учета возможного обжима по наружному диаметру).
Усилие пружины, поджимающей манжету, подбирается из условия сохранения силового контакта между манжетой и торцом обоймы:
Рпр — 1,5 ч — 2 Р тр,
Где Ртр — максимальная сила трения между манжетой и штоком (без смазки).
Конструктивные размеры манжет штоков
|
От силы Рпр пружины возникают давления: на площади 5*=^;
Р
Рис. 90. Радиальное сечение модернизированной манжеты штока |
0,785 фм—йш) имеем рх=-^- и на штоке (по радиусу сальника) р’м = дрх, где коэффициент, зависящий от конструкции и свойств материала манжеты (внутреннее трение, жесткость, угол Р и т. п.; <7 = 0,4-г-0,8).
Найдем максимальную силу пружины:
О
5 Я* |
Пр гпах
1-2/?
Из формулы следует, что с увеличением силы Рпр одновременно увеличивается сила трения между манжетой и штоком. Эта закономерность подтверждается опытами. Вместе с тем несимметричность маслосъемных кромок манжеты (в радиальном сечении, см. рис. 88) обусловливает продольное перераспределение контактных
Напряжений между прилегающими к штоку поверхностями, в результате чего при растяжении амортизатора сила трения Ртр0 при отдаче всегда больше силы трения Ртрс при сжатии.
Млн цикла! |
Рис. 91. Зависимость долговечности манжет от величины относительного натяга на шток (по данным испытаний амортизаторов автомобиля «Москвич-407») |
На основании приведенных данных можно спроектировать манжету, но оценить износостойкость и определить долговечность манжет штока телескопических амортизаторов в эксплуатационных условиях, пользуясь аналитическими методами, затруднительно. Поэтому основным £в°/0 способом решения вопроса является опытная проверка натурных образцов манжет.
5 N. |
В инженерной практике износ трущихся деталей оценивают линейным /; или весовым 10 износами [27] по величине пути трения:
^ ЬсрЬт И 1а = Ур1ь
Где I — толщина (высота) изношенного материала;
Ьт — путь трения (в стендовых условиях требуется ш1п 5-10 М), вм — вес изношенного материала;
Ур = объемный вес изношенного материала;
I ^ Ьср
£ Кр — средняя площадь контакта.
Долговечность манжеты можно повысить, снижая коэффициент трения / (за счет рецептуры резины и введения смазки) и увеличивая относительный натяг е„. Это следует из последних формул и подтверждается испытаниями, выполненными на МКЗ (рис. 91). В качестве примера можно привести также повышение срока службы узла уплотнения амортизаторов автомобиля ЗИЛ-130 на 30— 50% с увеличением относительного натяга ев = 4-^6% до ев = = 7-5-9%.
Рассмотрим другие изменения конструкции узла уплотнения, направленные на увеличение его надежности (рис. 92).
Лучшими являются узлы уплотнения амортизаторов автомобилей «Москвич», которые отличаются центрированием (базированием) обоймы основной манжеты штока по направляющей штока и ослаблением действия перечисленных выше вредных факторов.
Рис. 92. Конструкции узлов уплотнения штоков телескопических амортизаторов: |
12 А 11 10 Г) |
А — автомобилей «Москвич-402» и «Москвич-407»; б — автомобилей ЗИЛ-164, ЗИЛ-157 и др.; в —модернизированного автомобиля ЗИЛ-164; г —типовая конструкция (новые амортизаторы автомобилей ЗИЛ, «Москвич* и ГАЗ); А — дренажные риски глубиной до 0,1 мм, <30°; / — гайка резервуара; 2 — прокладка; 3 — фетровый или поропласто — вый сальник (смазывающий элемент); 4 — обойма маижеты штока; 5 — манжета штока; 6 — шайба; 7 — пружина; 8 — уплотнительное кольцо резервуара; 9 — направляющая с фаской на торце для улучшения дренажа газа; 10 — шток; // — защитно-уплотнительное кольцо; 12 — резервуар; 13 — грязезащитная манжета; 14 — обойма грязезащитной
Манжеты
Рис. 92. Конструкции узлов уплотнения штоков телескопических амортизаторов: |
12 А 11 10 Г) |
А — автомобилей «Москвич-402» и «Москвич-407»; б — автомобилей ЗИЛ-164, ЗИЛ-157 и др.; в —модернизированного автомобиля ЗИЛ-164; г —типовая конструкция (новые амортизаторы автомобилей ЗИЛ, «Москвич* и ГАЗ); А — дренажные риски глубиной до 0,1 мм, <30°; / — гайка резервуара; 2 — прокладка; 3 — фетровый или поропласто — вый сальник (смазывающий элемент); 4 — обойма маижеты штока; 5 — манжета штока; 6 — шайба; 7 — пружина; 8 — уплотнительное кольцо резервуара; 9 — направляющая с фаской на торце для улучшения дренажа газа; 10 — шток; // — защитно-уплотнительное кольцо; 12 — резервуар; 13 — грязезащитная манжета; 14 — обойма грязезащитной
Маижеты
Резиновые круглые кольца обеспечивают сравнительно высокую герметизацию. Предварительное диаметральное сжатие материала составляет обычно не более 20% общего и создает только начальное контактное давление, которое увеличивается вследствие пере-
Рис. 94. Конструкции поршневого узла н уплотнения амортизаторов: 50 мм; резиновое О |
Кольцо; б — йц = 30 мм, пластмассовое разрезное кольцо из фторопласта 4 или 3 (автомобиль «Москвич-408») |
|
|
![]() |
Дачи на кольцо рабочего давления (рис. 95). В продольном направлении О-кольца устанавливают, как правило, свободно. Размеры канавок и колец, а также допускаемых отклонений выбирают
|
Р £ 50нГ/смг — |
Р>100кГ/смг |
Рис. 95. Кольцевое уплотнение:
А — схема работы кольцевого уплотнения при увеличении давления; б — конструкция кольцевого уплотнения с защитными шайбами, препятствующими выдавливанию резины
В зазор и закусыванию при р > 100 ат
По известным рекомендациям [37]. Однако всегда приходится учитывать свойства резины: усадку, набухание, релаксацию и т. п.
Применение для уплотнения поршней современных амортизаторов автомобильного типа дорогостоящих металлических колец не является оправданным, так как их преимущества — возмож
ность работы при высокой температурной напряженности (250° С и более) и больших скоростях колебаний в данном случае не используются. Заметим также, что уплотнительная способность чугунных колец при малых скоростях поршня (рп ^ 20 см/сек) существенно ниже, чем при высоких скоростях, когда уплотнение зазора в амортизаторе менее необходимо.