КОЛЕСНЫЙ ДИСК ДЛЯ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2016 года по МПК B60B17/00 

Изобретение относится к колесному диску для рельсового транспортного средства согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Колесные диски для рельсовых транспортных средств известны из общего уровня техники. Они состоят обычно из вращающейся вокруг оси вращения колесной ступицы, а также обода колеса, который предназначен для качения по рельсам. При этом центрально лежащая колесная ступица и лежащий на наружной окружности обод колеса соединены друг с другом так называемой перемычкой. Эта перемычка, которая может быть выполнена в радиальном направлении прямой или изогнутой, обычно выполнена в виде круглого диска. Он может быть выполнен, в частности, ротационно-симметричным и иметь тем самым в каждом радиальном разрезе одинаковый или сравнимый контур. При этом под контуром в смысле данного изобретения следует понимать ограничивающую по сторонам форму поверхности колесного диска в радиальном разрезе. Таким образом, прямой колесный диск имеет образованный прямой линией контур, а изогнутый колесный диск - образованный S-образной дугой контур.

В частности, переход от колесной ступицы к перемычке и, в частности, при небольших колесных дисках, а также или альтернативно этому, переход между перемычкой и ободом колеса подвергается очень высокой нагрузке. Для противодействия этой высокой нагрузке необходимы различные значения толщины материала или подходящие стадии обработки для увеличения прочности материала в критических зонах. Это связано с большими затратами труда и средств и делает колесный диск соответственно тяжелым при использовании больших значений толщины материала.

Для противодействия этим проблемам из ЕР 0794872 А1 известна гомогенизация напряжений в колесном диске за счет сложной конструкции переходов, так что с помощью меньших значений толщины материала можно достигать высокой прочности. При этом конструкция является экстремально сложной и используется функция (парабола) пятого порядка для выполнения переходов. Это требует больших затрат труда на программирование, с одной стороны, при конструировании и, с другой стороны, при изготовлении.

Таким образом, задача данного изобретения состоит в создании колесного диска для рельсового транспортного средства, который обеспечивает еще дополнительно улучшенную прочность и который, кроме того, имеет простую и эффективную конструкцию и прост в изготовлении.

Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью колесного диска с признаками отличительной части пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения следуют из остальных зависимых пунктов формулы изобретения.

В колесном диске, согласно изобретению, для рельсового транспортного средства предусмотрено, что по меньшей мере один из переходов между перемычкой и ступицей и/или между перемычкой и ободом колеса по меньшей мере на одной осевой стороне в каждой из своих радиальных плоскостей сечения выполнен так, что выполняются три следующих условия. Переход образован, в принципе, функцией тангенса (тангенсоида). Такая тангенсоида проста, эффективна и одновременно обеспечивает возможность очень равномерного перехода с высокой прочностью и с очень хорошим распределением напряжений во всей зоне перехода. Эта тангенсоида переходит на своем одном конце непрерывно по касательной в контур перемычки. Кроме того, тангенсоида переходит на своем другом конце непрерывно по касательной в контур колесной ступицы или обода колеса, в зависимости от того, какой из переходов она образует. За счет этого сопряжения по касательной с контуром колесной ступицы и/или обода колеса возникает конструкция, которая может быть просто и эффективно сконструирована и запрограммирована для изготовления. Это обеспечивает очень высокую прочность колесного диска с минимальным использованием материала за счет равномерности распределения напряжений.

Кроме того, в одной предпочтительной модификации колесного диска, согласно изобретению, предусмотрено, что непрерывный переход по касательной тангенсоиды в контур колесной ступицы и/или обода колеса происходит в зоне перегиба тангенсоиды. Угол тангенсоиды в зоне точки перегиба относительно ординаты, т.е. радиального направления на примере прямой перемычки, можно в определенных границах выбирать свободно при конструировании тангенсоиды. Переход в зоне точки перегиба обеспечивает возможность сравнительно простого согласования, например, с прямым контуром, с заданным углом относительно радиального направления, так что переход становится соответственно гармоничным, и могут быть в последующем минимизированы пики напряжений в зоне перехода.

Согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения колесного диска, согласно изобретению, может быть дополнительно предусмотрено, что контур колесной ступицы или обода колеса в месте сопряжения с тангенсоидой образован круговой дугой, и образована примыкающая к этой круговой дуге прямая линия, при этом круговая дуга переходит непрерывно по касательной в прямую линию. Это выполнение контура колесной ступицы или обода колеса с помощью круговой дуги и примыкающей к ней по касательной прямой линии особенно предпочтительно при конструировании колесного диска. Круговая дуга позволяет иметь приблизительно любой концевой угол тангенсоиды в зоне перехода к колесной ступице или ободу колеса за счет примыкающей непрерывно по касательной круговой дуги и переводить в примыкающую непрерывно по касательной к круговой дуге прямую линию. За счет этого возникает гармоничный и с малыми напряжениями переход от тангенсоиды в прямую линию колесной ступицы или обода колеса.

В другом, очень предпочтительном варианте выполнения колесного диска дополнительно предусмотрено, что непрерывный по касательной переход тангенсоиды в круговую дугу происходит в зоне максимальной кривизны тангенсоиды. Математически точку максимальной кривизны тангенсоиды можно просто определять. Круговую дугу можно сопрягать в этой точке или в зоне этой точки непрерывно по касательной с тангенсоидой. За счет этого достигается дополнительно улучшение прочности.

Это справедливо, в частности, когда согласно одному особенно предпочтительному варианту выполнения радиус круговой дуги соответствует радиусу максимальной кривизны тангенсоиды. За счет этого достигается переход, при котором не происходит изменения радиуса кривизны в зоне перехода от тангенсоиды в круговую дугу. Исследования и расчеты показали, что это является идеальным относительно распределения напряжений, так что за счет этого особого выполнения достигаются наилучшие результаты относительно прочности перехода тангенсоиды в контур колесной ступицы и/или обода колеса.

Как уже указывалось выше, угол тангенсоиды в точке перегиба относительно ординаты можно свободно выбирать в определенных границах. При этом для достижения идеальных условий относительно прочности за счет применения тангенсоиды идеальным является угол относительно ординаты от 35° до 55°, предпочтительно от 40° до 50°, особенно предпочтительно примерно 45°. За счет выбора угла в этих интервалах можно достигать наилучшей прочности перехода.

Кроме того, в одной предпочтительной модификации колесного диска, согласно изобретению, может быть предусмотрено, что контур перемычки в точке сопряжения с тангенсоидой имеет соединительный контур в виде дуги. Такая дуга, которая непрерывно по касательной переходит в тангенсоиду, является особенно предпочтительной, в частности при изогнутых перемычках, т.е. проходящих в радиальном сечении S-образно перемычках.

В противоположность этому в одном альтернативном варианте выполнения предусмотрено, что контур перемычки в месте примыкания к тангенсоиде имеет наружный контур в форме прямой линии, при этом прямая линия выполнена с наклоном под углом меньше 2°, предпочтительно 0,5°-15° относительно радиального направления. Радиальное направление проходит при описываемой здесь прямой перемычке перпендикулярно осевому направлению. Прямые линии примыкающего контура проходят не параллельно этому вертикальному радиальному направлению, а под углом к нему. При этом угол выбран так, что перемычка сужается исходя из конца тангенсоиды. Угол может предпочтительно составлять больше 0,5°. Обычно он составляет меньше 20°, предпочтительно меньше 15°. Угол обеспечивает идеальный переход в тангенсоиду. Таким образом, подходящим образом выбранный в этой зоне угол обеспечивает возможность очень гармоничного непрерывного перехода по касательной от тангенсоиды в контур перемычки и уменьшает тем самым пики напряжений в зоне перемычки, так что с помощью использования минимального количества материала может быть увеличена прочность.

В одной особенно предпочтительной модификации, независимо от того, выполнен ли примыкающий контур в виде прямой линии или в виде дуги, предусмотрено, что тангенсоида выполнена так, что непрерывный переход по касательной к примыкающему контуру заканчивается перед расположением по меньшей мере в одном радиальном сечении соединительной зоны для приемного элемента и/или элемента присоединения на перемычке. Тангенсоида, а также переход тангенсоиды в примыкающий контур перемычки выбран в своем радиальном прохождении так, что она в любом случае заканчивается перед элементами присоединения и/или приемными элементами, например приемными элементами для тормозного диска или других подлежащих присоединению к колесному диску элементов. Это обеспечивает, что такие элементы присоединения и/или приемные элементы, которые могут мешать прохождению предполагаемой тангенсоиды, не появляются в этой зоне. Таким образом, тангенсоида в своем радиальном прохождении согласована так, что созданный с помощью тангенсоиды гармоничный переход с наилучшими свойствами прочности не прерывается такими создающими помехи местами. Это обеспечивает наилучшую прочность. Независимо от этого может быть предусмотрено, что в нижней зоне перемычки в материале колесной ступицы предусмотрено смазочное отверстие для смазки колесной ступицы на ее оси. Такое смазочное отверстие не следует рассматривать в качестве создающего помехи места в смысле данного изобретения.

Другие предпочтительные варианты выполнения колесного диска, согласно изобретению, следуют из приведенного ниже описания примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1 - колесный диск на виде сбоку;

фиг. 2 - радиальный разрез половины колесного диска; и

фиг. 3 - выполнение, согласно изобретению, перехода между колесной ступицей и перемычкой.

На фиг. 1 чисто в качестве примера показан на виде сбоку колесный диск 1. Такой колесный диск 1 применяется в качестве колеса для рельсового транспортного средства. Конструкция показана на фиг. 2 в разрезе по линии II-II на фиг. 1. Показанную на фиг. 2 конструкцию следует понимать чисто схематично в качестве иллюстрации элементов колесного диска 2. Конструкция, согласно изобретению, поясняется затем со ссылками на фиг. 3. В радиальном разрезе на фиг. 2 показано, что колесный диск 1 состоит из окружающей ось 2 вращения колесной ступицы 3. Эта колесная ступица 3 соединена через дискообразный конструктивный элемент, который называется перемычкой 4, с ободом 5 колеса, который при использовании колесного диска 1 катится по рельсам. Эта показанная на фиг. 2 конструкция широко известна и традиционна. На фиг. 2 показана конструкция с так называемой прямой перемычкой 4, которая проходит перпендикулярно оси 2 вращения в радиальном направлении. Вместо такой прямой перемычки возможно также применение S-образной перемычки, которая составлена из двух противоположно изогнутых дуг в радиальном направлении.

Особенно критичным в колесных дисках является переход между колесной ступицей 3 и перемычкой 4, соответственно между перемычкой 4 и ободом 5 колеса. Поэтому предусмотрено, что по меньшей мере один из этих обозначенных на фиг. 2 позицией 6 переходов выполнен поясненным ниже на примере перехода между колесной ступицей 3 и перемычкой 4 образом. При этом переход 6 выполнен так, что он в радиальном, перпендикулярном оси 2 направлении, которое на фиг. 3 обозначено позицией R, заканчивается перед началом изображенной утолщенно на фиг. 2 примыкающей зоной 7, которая предназначена для размещения присоединяемых элементов или приемных элементов для присоединяемых элементов. В качестве примера это показано на фиг. 2 в виде отверстия 8, которое служит для размещения присоединяемых элементов. Это могут быть, например, тормозные диски, поглотители колесного шума или т.п.

Переходы 6 или по меньшей мере один из изображенных на фиг. 2 переходов 6 контура колесного диска 1 выполнен поясняемым ниже на основе предпочтительного варианта выполнения образом. Это схематично показано на фиг. 3. При этом отдельные участки показаны не в масштабе и не математически точно. Изображение на фиг. 3 является схематичным и служит для облегчения описания контура. Основу перехода 6 образует обозначенная на фиг. 3 позицией Т тангенсоида, которая проходит в качестве примера от точки 9 в радиальном направлении вниз до точки 10. При этом точка 10 в идеальном случае является точкой перегиба тангенсоиды Т и переходит в круговую дугу 11, которая является частью изображенного штриховой линией круга. Затем в точке 12 примыкает прямая линия 13, которая затем само по себе известным образом, например по радиусу, переходит в проходящее перпендикулярно к нему осевое ограничение колесной ступицы 3. Осевое направление задается в свою очередь осью 2 вращения, перпендикулярно ему проходит на фиг. 3 радиальное направление, которое обозначено позицией R. Зона перемычки 4 в направлении не изображенного здесь обода 5 колеса проходит после точки 9 дальше в виде прямой линии 14, при этом эта прямая линия имеет угол φ относительно радиального, соответственно вертикального, направления R. Угол φ показан на фиг. 3 между прямой линией 14 и проходящей параллельно радиальному направлению R осью 15. Он должен быть в любом случае больше 0, предпочтительно больше 0,5°. Угол φ обычно составляет меньше 20°. В показанном здесь примере выполнения он выбран равным примерно 1,5°-2°.

Для тангенсоиды Т и, в частности, для перехода тангенсоиды Т в прямую линию 14 в точке 9, а также в контур колесной ступицы 3, который состоит из круговой дуги 11 и прямой линии 13, должны соблюдаться определенные условия. В принципе, переходы являются непрерывными по касательной. Если принять уравнение функции тангенса как

, Уравнение 1

то на функцию тангенса можно оказывать влияние с помощью некоторых параметров. Для исключения слагаемого с последующие выкладки делаются на основе системы координат, начало которой лежит в точке перегиба тангенсоиды Т, которая на фиг. 3 соответствует точке 10. Исходя из этой системы координат получается тангенсоида в виде

, Уравнение 2

где переменную х следует понимать в направлении оси 2 вращения, т.е. как осевую переменную.

Прямая линия 14 может быть представлена уравнением

. Уравнение 3

На основании возможно заданных контуров, которые заданы, в частности, присоединяемыми элементами и/или приемными элементами, которые часто требуют нормированных присоединений, получается ограничение тангенсоиды Т по радиальной высоте. Это приводит, в свою очередь, к ограничению координаты Х, которую можно использовать для расчета подходящей тангенсоиды. Вторая возможность выбора тангенса состоит в задании угла γ тангенса в точке 10 перегиба относительно обозначенной на фиг. 3 позицией 16 вертикали в выбранном здесь варианте системы координат, т. е. ординаты этой системы координат. Для особенно прочного перехода с очень равномерным распределением напряжений можно выбирать этот угол γ в диапазоне от 35° до 55°, предпочтительно в диапазоне между 40° и 50°.

Для следующего примера выбран угол γ, равный 45°. В этом случае tan(γ) принимает в этой точке значение 1, так что из уравнения 2 непосредственно следует

. Уравнение 4

С помощью обозначенного как х₁ заданного расстояния в направлении х, а также исходной точки прямой линии 14 в радиальном направлении d получается с учетом угла φ координата х₁ в виде

, Уравнение 5

а также коэффициент b в виде

. Уравнение 6

Таким образом, при подходящем выборе угла φ можно просто и эффективно определять тангенсоиду Т и в точно заданной точке перехода непрерывно по касательной сопрягать с прямой линией 14.

Поскольку переход между тангенсоидой Т и контуром колесной ступицы 3 не допускает любого сопряжения, а очень сильно ограничивает его на основе функции тангенса, если контур является прямой линией, то в идеальном случае обозначенная позицией 11 круговая дуга примыкает непрерывно по касательной к тангенсоиде Т, а затем снова непрерывно по касательной переходит в прямую линию 13 контура. При этом круг, часть которого образует круговая дуга 11, может быть, в принципе, выбран любым и в любой точке тангенсоиды Т непрерывно по касательной переходить в нее. Однако было установлено, что переход к круговой дуге 11 в точке 10 перегиба тангенсоиды Т, как показано на фиг. 3, является особенно простым относительно математического расчета.

Другая, особенно предпочтительная возможность состоит в реализации перехода между тангенсоидой Т и круговой дугой 11 так, что непрерывный (плавный) по касательной переход происходит в точке, соответственно в зоне, вокруг точки максимальной кривизны тангенсоиды Т. Этот переход в точке, соответственно в зоне, вокруг точки максимальной кривизны является идеальным, в частности, относительно распределения напряжений тогда, когда круговая дуга 11 в качестве радиуса имеет как раз этот радиус максимальной кривизны определенной ранее тангенсоиды Т. За счет того, что кривизны (криволинейные участки) непрерывно переходят друг в друга, получается идеальная конструкция относительно распределения напряжений. Это приводит к высокой прочности выполненного так перехода 6. Эта круговая дуга 11 может затем снова непрерывно по касательной переходить в прямую линию 13, которую на основании лежащей между тангенсоидой Т и прямой 13 круговой дуги 11 можно сравнительно свободно выбирать относительно ее положения и ее угла, с целью, например, обеспечения возможности получения желаемого или заданного осевого наружного контура колесной ступицы 3.

В целом, конструкция обеспечивает за счет гармонизации распределений напряжений очень высокую прочность при минимальном использовании материала и без необходимости затратных способов, таких как, например, повышение прочности материала в зоне перехода. Несмотря на это можно дополнительно повышать прочность с помощью таких способов упрочнения поверхности. При этом способы можно выполнять как механически (дробеструйная обработка, накаточное полирование роликами и т. д.), так и металлургически/химически (закалка на мартенсит, нитрирование и т. д.).

Колесный диск содержит окружающую ось вращения колесную ступицу, обод колеса и соединяющую колесную ступицу с ободом колеса перемычку. Переход между перемычкой и колесной ступицей и/или переход между перемычкой и ободом колеса по меньшей мере на одной осевой стороне в каждой из своих радиальных плоскостей сечения выполнен так, что переход образован тангенсоидой. Тангенсоида переходит непрерывно по касательной в контур перемычки и тангенсоида переходит непрерывно по касательной в контур колесной ступицы или обода колеса. Технический результат - повышение прочности колеса. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Колесный диск (1) для рельсового транспортного средства, содержащий
окружающую ось (2) вращения колесную ступицу (3);
обод (5) колеса и
соединяющую колесную ступицу (3) с ободом колеса перемычку (4);
отличающийся тем, что
переход (6) между перемычкой (4) и колесной ступицей (3) и/или переход (6) между перемычкой (4) и ободом (5) колеса по меньшей мере на одной осевой стороне в каждой из своих радиальных плоскостей сечения выполнен так, что
переход (6) образован тангенсоидой (Т),
тангенсоида (Т) переходит непрерывно по касательной в контур перемычки (4) и
тангенсоида (Т) переходит непрерывно по касательной в контур колесной ступицы (3) или обода (5) колеса.

2. Колесный диск (1) по п.1, отличающийся тем, что непрерывный по касательной переход тангенсоиды (Т) в контур колесной ступицы (3) или обода (5) колеса происходит в зоне точки (10) перегиба тангенсоиды (Т).

3. Колесный диск (1) по п.1, отличающийся тем, что контур колесной ступицы (3) или обода (5) колеса в месте сопряжения с тангенсоидой (Т) образован круговой дугой (11) и образована примыкающая к этой круговой дуге (11) прямая линия (13), при этом круговая дуга (11) переходит непрерывно по касательной в прямую линию (14).

4. Колесный диск (1) по п.3, отличающийся тем, что непрерывный по касательной переход тангенсоиды (Т) в круговую дугу (11) происходит в зоне максимальной кривизны тангенсоиды (Т).

5. Колесный диск (1) по п.4, отличающийся тем, что радиус круговой дуги (11) соответствует радиусу максимальной кривизны тангенсоиды (Т).

6. Колесный диск (1) по п.1, отличающийся тем, что угол (φ) тангенсоиды (Т) в точке (10) перегиба относительно ординаты составляет 35-55°, предпочтительно 40-50°, особенно предпочтительно примерно 45°.

7. Колесный диск (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что контур перемычки (4) в точке сопряжения с тангенсоидой (Т) имеет контур сопряжения в форме дуги.

8. Колесный диск (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что контур перемычки (4) в месте примыкания к тангенсоиде (Т) имеет контур сопряжения в форме прямой линии (14), при этом прямая линия (13) выполнена с наклоном под углом (φ) меньше 20°, предпочтительно 0,5-15° относительно радиального направления (15).

9. Колесный диск (1) по п.7, отличающийся тем, что тангенсоида (Т) выполнена так, что непрерывный по касательной переход к примыкающему контуру заканчивается перед расположением по меньшей мере в одном радиальном сечении соединительной зоны (7) для приемного элемента и/или присоединяемого элемента на перемычке (4).

10. Колесный диск (1) по п.8, отличающийся тем, что тангенсоида (Т) выполнена так, что непрерывный по касательной переход к примыкающему контуру заканчивается перед расположением по меньшей мере в одном радиальном сечении соединительной зоны (7) для приемного элемента и/или присоединяемого элемента на перемычке (4).