УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПОПЕРЕЧНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ ОТ КУЗОВА НА ДВЕ ТЕЛЕЖКИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 1994 года по МПК B61F5/02 

Изобретение относится к колесному, в частности железнодорожному, транспорту и касается устройств, соединяющих тележки с кузовом железнодорожных транспортных средств.

Известно устройство для передачи поперечных сил от кузова на две тележки железнодорожного экипажа, состоящее из узла балансированной связи кузова с тележками, выполненного в виде Н-образной поперечно расположенной рамы, консольные участки которой соединены с боковинами рам тележек, средняя часть (основная балка) размещена в продольной плоскости симметрии экипажа, а на середине этой балки размещен подпятник, на который опирается пята кузова.

Недостаток этой конструкции - большой вес, так как поперечные нагрузки от кузова через пятниковый узел передаются на тележки балансиром балочного типа, т. е. элементом, работающим на изгиб. Кроме того, такая конструкция обуславливает высокую жесткость поперечной балансированной связи кузова с тележками, из-за чего динамические качества железнодорожного транспортного средства при движении с высокими скоростями оказываются неудовлетворительными.

Наиболее близким к предлагаемому (прототип) является устройство для передачи поперечных горизонтальных усилий от кузова на две тележки железнодорожного транспортного средства, состоящее из узла балансированной связи кузова с тележками, выполненного в виде балансирной балки, размещенной на уровне нижнего габаритного очертания и соединенной шарнирно своей серединой со шкворнем кузова, а по концам со шкворнями тележек.

Недостатком прототипа является большой вес устройства, так как поперечная сила, передаваемая от кузова на тележки, достигает 100-150 кН, а распределяется она между тележками балансиром балочного типа, работающим на изгиб. Длина такой балки весьма велика, поскольку этот балансир связывает между собой шарниры, расположенные в центрах тележек. Кроме того, отсутствие упругих элементов в данном устройстве обуславливает низкие динамические качества железнодорожного транспортного средства, выражающиеся повышенным воздействием на путь, большими поперечными горизонтальными ускорениями кузова и высокой динамической нагруженностью несущих элементов кузова и тележек.

Цель изобретения - уменьшение веса устройства для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на две тележки транспортного средства и улучшение его динамических характеристик.

Поставленная цель достигается тем, что в указанном устройстве для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова на две тележки транспортного средства, содержащем узел балансированной поперечной горизонтальной связи кузова с тележками, этот узел выполнен в виде продольного торсионного вала, установленного на кузове в подшипниках и несущего вертикальные рычаги, неподвижно закрепленные на концах указанного вала в поперечных плоскостях, проходящих через центры тележек, направленные в противоположные стороны и шарнирно связанные с тележками поперечными горизонтальными штангами.

Указанные штанги могут быть выполнены упругими на сжатие-растяжение или жесткими, в последнем случае упругость поперечной горизонтальной связи кузова с тележками может быть обеспечена применением упругого на кручение торсионного вала. При выполнении одинаковыми плеч рычагов, неподвижно закрепленных на концах торсионного вала, может быть достигнуто равномерное распределение поперечных горизонтальных сил, передаваемых от кузова на тележки. Узел балансированной поперечной горизонтальной связи тележек с кузовом может быть расположен по высоте над тележками, штанга поперечной горизонтальной связи с кузовом одной из тележек может быть расположена под рамой тележки, а другой тележки - над ней.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предложенное устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова транспортного средства на две тележки отличается тем, что балансирование указанных сил достигается применением установленного на кузове в подшипниках продольного торсионного вала, несущего неподвижно закрепленные на нем вертикальные рычаги, штангами шарнирно связанные с тележками, т.е. пространственного трехзвенного механизма, в отличие от плоского пятизвенного в прототипе. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими, кроме прототипа, известными техническими решениями в данной области показывает, что признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, в указанных известных технических решениях (аналогах) отсутствуют. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

В предлагаемом устройстве основной несущий элемент устройства - продольный торсионный вал работает на кручение, а не на изгиб, как в известных устройствах. Вспомогательные элементы - штанги поперечной горизонтальной связи кузова с тележками работают на растяжение-сжатие, а не на изгиб .

Кроме того, в предлагаемом устройстве возможно существенное уменьшение не только общей, но и приведенной к тележкам массы подвижных элементов узла балансированной связи, выполнение некоторых из них деформируемыми (в частности, с нелинейной характеристикой и диссипацией), а также получение простейшим путем - выбор соотношения плеч рычагов - практически любого распределения поперечных горизонтальных сил, передаваемых от кузова на тележки. Тем самым достигается улучшение динамических качеств транспортного средства.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство поперечной горизонтальной связи кузова транспортного средства с двумя тележками в продольном разрезе; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 (вариант расположения узла балансированной поперечной горизонтальной связи тележек с кузовом над тележками); на фиг. 4 - то же, вариант, в котором штанга поперечной горизонтальной связи с кузовом одной из тележек расположена над рамой тележки, а аналогичная штанга другой тележки - под ней; на фиг. 5 - устройство в аксонометрическом изображении с исполнением штанги поперечной горизонтальной связи с кузовом одной из тележек в виде стержня, жесткого на растяжение-сжатие, а штанги аналогичной связи другой тележки - в виде упругого на растяжение-сжатие стержня; на фиг. 6 - схема нагружения главного балансирующего узла предлагаемого устройства при передаче горизонтальных поперечных сил от кузова на тележки.

Предлагаемое устройство для передачи поперечных горизонтальных сил от кузова 1 на тележки 2 и 3 транспортного средства содержит продольно расположенный торсионный вал 4, установленный на кузове 1 в подшипниках 5 и 6 и имеющий неподвижно закрепленные на его концах и направленные в противоположные стороны вертикальные рычаги 7 и 8. Указанные рычаги расположены в поперечных плоскостях, проходящих через центры тележек 2 и 3, и имеют на концах шарниры 9 и 10, с которыми связаны поперечные горизонтальные штанги 11 и 12 также шарнирно с помощью шарниров 13 и 14, закрепленные на тележках 2 и 3.

Штанги 11 и 12 могут иметь различное исполнение: быть жесткими, т.е. иметь постоянную длину, либо с изменяемой длиной, т.е. упругими на растяжение-сжатие, что достигается включением, например, в эти штанги упругодиссипативных элементов 15 и 16. В них могут входить и элементы, регулирующие длину штанг 11 и 12 и поперечное положение кузова 1 относительно тележек 2 и 3.

Торсионный вал 4 может иметь различное исполнение: быть жестким или упругим (податливым) на кручение. В первом случае он конструктивно выполнен в виде тонкостенной трубы достаточно большого диаметра и используется в сочетании с упругими, т.е. имеющими деформируемые элементы 15 и 16, штангами 11 и 12 поперечной горизонтальной связи кузова 1 с тележками 2 и 3. При выполнении вала 4 податливым на кручение штанги 11 и 12 могут быть жесткими.

Равномерное распределение поперечных горизонтальных сил от кузова 1 между тележками 2 и 4 в предложенном устройстве достигается благодаря тому, что рычаги 7 и 8 выполнены с одинаковыми плечами. Вертикальное положение рычагов 7 и 8 обуславливает размещение штанг 11 и 12 в разных горизонтальных плоскостях. Это позволяет при оптимальной по конструктивным соображениям длине указанных рычагов иметь два исполнения предлагаемого узла балансированной поперечной горизонтальной связи кузова с тележками: а) размещение этого узла целиком над тележками (фиг. 3); б) размещение его в охват рам тележек, при котором штанга поперечной горизонтальной связи с кузовом одной из тележек расположена под рамой тележки, а другой тележки - над ней (фиг. 4).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При положении транспортного средства на прямом участке пути и отсутствии поперечных горизонтальных сил, действующих на экипаж, центры тележек 2 и 3 и соответственно шарниры 13 и 14 связанных с тележками поперечных горизонтальных штанг 11 и 12 расположены в продольной плоскости симметрии кузова 1. Все элементы устройства не нагружены.

При действии поперечных сил Т₂ и Т₃ между кузовом 1 и тележками 2 и 3 (фиг. 6) эти силы передаются штангами 11 и 12 на шарниры 9 и 10 рычагов 7 и 8 и стремятся вращать торсионный вал 4 в противоположные стороны. Равновесие указанного вала достигается тем, что в его подшипниках 5 и 6, закрепленных на кузове 1, возникают реакции Р₂ и Р₃, а моменты на торцах вала 4 равны
Т₂а₂ = Т₃а₃, (1) где а₂ и а₃ - плечи рычагов 7 и 8.

Второе условие равновесия вала 4
Р₂ + Р₃ = Т₂ + Т₃, (2) т.е. поперечные горизонтальные силы Т₂ и Т₃, приложенные к тележкам 2 и 3, в сумме составляют общую силу, передаваемую на тележки от кузова 1 в виде суммы сил Р₂ и Р₃ в подшипниках 5 и 6 торсионного вала 4, которая представляет собой общую силу, передаваемую от тележек на кузов. В результате осуществляется поперечная горизонтальная силовая связь между кузовом 1 и тележками 2 и 3. При этом, как следует из уравнения (1), эти силы распределяются по тележкам в соответствии с соотношением плеч рычагов 7 и 8. В частности, такие силы могут быть равными, если равны плечи рычагов 7 и 8, т.е. а₂ = а₃.

Наличие в кинематической цепи предлагаемого устройства деформируемых (упругих) элементов 15 и 16 позволяет поперечную горизонтальную силовую связь кузова 1 с тележками 2 и 3 иметь упругой, что дополнительно улучшает динамические качества транспортного средства. Такой же эффект может быть получен, если связи штанг 11 и 12 выполнить жесткими, а торсионный вал 4 - упругим на кручение. Очевидно, возможны и сочетания этих вариантов, при которых благодаря последовательному соединению указанных упругих элементов в кинематической цепи предлагаемого устройства эффект их упругости будет суммироваться.

Движение в кривых требует поперечного горизонтального смещения тележек 2 и 3 относительно друг друга, при этом необходимо полное сохранение возможности передачи поперечных горизонтальных сил между кузовом 1 и тележками 2 и 3. Эти условия в предлагаемом устройстве выполняются за счет того, что рычаги 7 и 8, неподвижно закрепленные на концах торсионного вала 4, направлены в противоположные стороны. Благодаря этому при вращении вала 4 в подшипниках 5 и 6 рычаги 7 и 8 с шарнирами 9 и 10 перемещаются в поперечном направлении в противоположные стороны, чем и обеспечивается размещение тележек 2 и 3 в кривой. Однако силовые соотношения в предлагаемом устройстве балансированной связи тележек 2 и 3 с кузовом 1 при этом не нарушаются - поперечные горизонтальные силы между кузовом и тележками по-прежнему передаются с выполнением уравнений (1) и (2).

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства поперечной горизонтальной связи кузова с двумя тележками транспортного средства в сравнении с прототипом определяется следующими фактами:
а) более рациональной схемой нагружения несущих элементов: вместо работающего на изгиб прямолинейного (мостового или балочного типа) рычага-балансира очень большой длины в прототипе в заявляемом решении функцию продольной передачи уравнительных сил выполняет работающий на кручение торсионный вал, передающий по всей длине постоянный момент и выполняемый на всей длине постоянного сечения, а также работающие на растяжение-сжатие штанги. Благодаря указанному рациональному нагружению основных элементов предлагаемого балансирующего устройства достигается уменьшение его общего веса;
б) возможность простейшим путем - изменением соотношения плеч рычагов торсионного вала балансирующего устройства - достигать практически любое распределение поперечных горизонтальных сил, передаваемых от кузова на тележки;
в) выполнением указанной силовой связи упругой как в виде деформируемых штанг связи рычагов торсионного вала балансирующего устройства с тележками, так и в виде упругого на кручение указанного вала и комбинации этих основных решений, что дополнительно улучшает динамические качества транспортного средства в наиболее неблагоприятных условиях поперечных горизонтальных колебаний.

Изобретение обеспечивает устойчивость транспортного средства при горизонтальных колебаниях кузова (К) на тележках (Т), имеет упрощенную кинематическую схему с меньшим числом шарниров при отсутствии плоских пар трения. Главный балансирующий элемент системы выполнен в виде продольного торсионного вала 4, установленного на К 1 в подшипниках 5 и 6. На валу 4 неподвижно закреплены вертикальные рычаги 7 и 8. Рычаги связаны с центрами Т 2 и 3 поперечными горизонтальными штангами 11 и 12 шарнирно закрепленными на концах рычагов 7 и 8 и на Т. Штанги 11 и 12 могут иметь постоянную длину либо быть упругими на растяжение-сжатие с включением в них упругодиссипативных элементов, а также могут иметь регулировочные элементы. Вал 4 может быть жестким или упругим на кручение и для упрощения монтажа составным. Весь механизм может быть расположен в К над Т 2 и 3 либо в охват по высоте рам Т. Заданное распределение поперечных горизонтальных сил, передаваемых от К на Т, достигается выбором соотношения плеч рычагов. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ПОПЕРЕЧНЫХ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СИЛ ОТ КУЗОВА НА ДВЕ ТЕЛЕЖКИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, содержащее узел балансированной связи тележек с кузовом в горизонтальной плоскости, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, узел балансированной связи включает в себя установленный в подшипниковых опорах кузова продольный торсионный вал, несущий по концам обращенные в противоположные стороны вертикальные рычаги, посредством поперечных горизонтальных штанг соединенные с центрами тележек. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что одна или обе горизонтальные штанги выполнены упругими. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что горизонтальные штанги выполнены жесткими, а продольный торсионный вал - упругим. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что плечи обоих рычагов выполнены одинаковой длины. 5. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что узел балансированной поперечной горизонтальной связи тележек с кузовом расположен над тележками. 6. Устройство по пп.1 - 4, отличающееся тем, что штанга поперечной горизонтальной связи с кузовом одной из тележек расположена под рамой тележки, а другой тележки - над ней.