Болтовое соединение для крепления цилиндрического тела в полуцилиндрическом гнезде опорной детали
BOLTED CONNECTION FOR FASTENING A CYLINDRICAL BODY IN A SEMI-CYLINDRICAL SEAT OF THE SUPPORTING PART

Изобретение относится к области машиностроения, к крепежным деталям, конкретно - болтовым соединениям «болт+гайка+шайба». Преимущественная область использования - железнодорожные вагоны, конкретно - в составе стабилизаторов поперечной устойчивости (бокового наклона) железнодорожных, главным образом двухэтажных пассажирских вагонов.
В подавляющем большинстве сферических подшипников устройства (элементы) крепления выполнены в виде фланцев или лап с отверстиями под болты [1. RU 2107846 С1, F16C 11/06, 17.03.1998 «Шаровой шарнир»; 2. RU 2151926 С1, F16C 11/06, 27.06.2000 «Сферический шарнир и способ его сборки»; 3. RU 2127835 С1, F16C 11/06, 20.03.1999 «Сферический шарнир и способ его изготовления»; 4. RU 2272187 С2, F16C 11/06, 20.03.2006 «Шаровой шарнир и способ его сборки»; 5. RU 2267665 С2, F16C 11/06, 10.01.2006 «Шаровой шарнир, корпус, вкладыш и защитный чехол этого шарнира»; 6. RU 180267 U1, B60G 3/18, 07.06.2018 «Подвеска упругого колеса транспортного средства»].
Однако эти элементы крепления предполагают плоские поверхности сопряжения, что сужает технико-эксплуатационные возможности подшипника, поскольку рассчитаны на продольную нагрузку крепежа (болтов) и не всегда позволяют получить высококомпактное сборочное устройство.
Известны также проблемные группы сборочных узлов, в частности в подвижном составе на железнодорожном транспорте, где от конструкции шарового шарнира многое зависит.
Так, известны торсионные стабилизаторы с шаровыми шарнирами (сферическими подшипниками), в которых, по крайней мере, один из них связывает друг с другом рычаг торсионного вала и тягу [7. RU 2738872 С1, B61F 5/24, B60G 21/04, F16C 11/06, 17.12.2020 «Наконечник тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства»; 8. RU 200948 U1, B61F 5/24, B60G 21/05, 20.11.2020 «Торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости транспортного средства»; 9. RU 200957 U1, B61F 5/24, F16F 15/06, 20.11.2020 «Тяга торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства»; 10. RU 202677 U1, B61F 5/24, F16C 11/06, B60G 21/04, 02.03.2021].
Наиболее подходящим известным примером применения такого шарнира в стабилизаторе железнодорожного вагона может служить германская конструкция, представленная в источнике [11. Auto-shimming und auto-levelling. - URL: https://wvvw.hemscheidt.de/produkte-services/federn/]. В ней корпус шарового шарнира закреплен в тяге, а крепление шарового пальца организовано на раздвоенном конце вилочного рычага, так что корпус подшипника с «яблоком» расположен частично в пространстве между этими «рогами» рычага, а оси болтов крепления шарового пальца шарнира перпендикулярны продольной плоскости рычага, совпадающей с осью его рабочего поворота (то есть продольной осью торсионного вала стабилизатора). Что способствует повышению компактности стабилизатора, но не в полной мере.
В условиях возрастания роли стабилизаторов поперечной устойчивости («поперечной качки») в приложении к вагонам высокоскоростных подвижных составов, становится особенно актуальной задача повышения технико-эксплуатационных возможностей и характеристик конструкции, а именно - повышения компактности и увеличения долговечности (работоспособности, срока службы до капитального ремонта) этих узлов.
Одна из проблем - уменьшение габаритов устройства - напрямую связана и с возможностями сборки стабилизаторов не на вагонах (рельсовых путях), что не достаточно обеспечено технически и в принципе не может обеспечить должной точности сборки. В свою очередь, неточная сборка может стать причиной аварии с материальными и человеческими жертвами (последнее относится прежде всего к высокоскоростным пассажирским составам с двухэтажными вагонами).
Наиболее удачной конструкцией, решающей упомянутую проблему компактности, представляется болтовое соединение для крепления цилиндрических пальца или оси шарового шарнира в полуцилиндрическом гнезде в торце свободного конца рычага торсионного стабилизатора поперечной устойчивости железнодорожного вагона, где используется шаровой шарнир с одиночными лысками на пальцах [12. RU 2763301, F16C 11/06, B61F 5/24, 28.12.2021 «Шаровой шарнир», фиг. 2-5].
В то же время в общем машиностроении известно множество шайб, которые ГОСТированы и среди многообразия которых известны плоские цилиндрические, конические и сферические [13. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т.Т. 1. - 5-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 728 с. - С. 565, 574; 14. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. - М.: Машиностроение, 1977. - 623 с. - С. 503, рис. 353 поз. 1 и 2]. Здесь наибольший интерес представляют сферические подкладные шайбы [15. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 3. - М.: Машиностроение, 1977. - 360 с. - С. 54, рис. 118].
В них сферическая поверхность тыльной (от головки болта) стороны - выпуклая, что в принципе не годится для силового поджатия шайбы к выпуклой детали, в том числе цилиндрического пальца или цилиндрической оси шарового шарнира.
Известны также разнообразные шайбообразные промежуточные прокладки (по сути, упорные детали), но и они имеют выпуклую тыльную поверхность [16. RU 2151078 С1, B61L 23/16; Е01 В 11/54, 20.06.2000 «Электроизолирующий стык для рельсовых цепей», поз. 1, 2, 10, 6, 9; 17. RU 2292411 С1, Е01В 11/54, В60М 5/00, 27.01.2007 «Электроизолирующий стык для рельсовых цепей», поз 2, 7, 3, 8], что также делает их неприемлемыми для указанных актуальных нужд, к тому же они не исключают необходимости в металлических шайбах с последовательной схемой установки.
Встречаются и шайбы «стаканы» - с плоской тыльной поверхностью (здесь - недостаток), но с трубчатой развитой стенкой, охватывающей с боков головку болта, при этом последняя выполнена с внутренним шестигранником под ключ [18. RU 189674 U1, F16B 41/00, 30.05.2019 «Антивандальное болтовое соединение»]. Такая конструкция шайбы не только изолирует головку болта с боков, но и характеризуется большей жесткостью в сравнении с тривиально плоской.
Все описанные выше шайбы выполнены металлическими, что особенно важно в условиях больших силовых переменных нагрузок в конструкциях железнодорожных вагонов.
Известны, однако, неметаллические шайбообразные накладки (по сути, упорные детали), применение которых возможно только в слабонагруженных, менее ответственных соединениях с относительно небольшим ресурсом работы [19. RU 125859 U1, А63В 17/04, 20.03.2013 «Разъемное соединение труб», поз. 3, 4, 7].
В качестве наиболее близкого к заявляемому устройства аналога (прототипа) по назначению и (главное) по совокупности существенных конструктивных признаков, принято болтовое соединение для крепления цилиндрического тела (трубы) в полуцилиндрическом гнезде опорной детали (буферного элемента перед торцом другой трубы, установленной перпендикулярно первой), содержащее болт, встроенный в сквозное поперечное гладкое отверстие в закрепляемом цилиндрическом теле радиусом R, гайку с резьбовым отверстием, по крайней мере, в составной части опорной детали в продолжение упомянутого гладкого отверстия за цилиндрическим телом, металлическую шайбу непосредственно под головкой болта и упорную деталь, выполненную с центральным отверстием под болт и с полуцилиндрической выборкой радиусом R на тыльном своем торце, а на лицевом торце - элементом жесткости в виде цилиндрической юбки высотой, соразмерной с высотой головки болта, при этом упорная деталь установлена враспор между головкой болта и цилиндрическим телом, с возможностью фиксации цилиндрического тела на опорной детали [20. RU 53924 U1, А63В 17/04, 10.06.2006 «Разъемное соединение двух труб с перпендикулярно пересекающимися осями»].
В нем шайба и упорная деталь выполнены в виде двух разных деталей, при этом шайба - плоской металлической непосредственно под головку болта, а упорная деталь - неметаллической, установленная между металлической шайбой и цилиндрическим телом, выполненным трубчатым; гайка выполнена как отдельная деталь-переходник к торцу опорной детали (тоже цилиндрической трубчатой); предусмотрена вторая деталь, идентичная упорной, установленная оппозитно ей с другой стороны цилиндрического тела.
При этом головка болта выполнена с классическим внешним шестигранником под ключ; цилиндрическое тело выполнено в виде одной трубы, а опорная деталь - в виде другой трубы, перпендикулярной первой; болтовое соединение входит в качестве узла взаимосвязи двух взаимно перпендикулярных труб в приложении к гимнастическому снаряду).
Однако для актуальных задач транспортного, в частности железнодорожного, машиностроения, совершенствования наземного безрельсового и рельсового наземного транспорта, такое техническое решение неприемлемо по причинам больших силовых нагрузок и потребного срока службы сборочных единиц в тяжелых дорожных и климатических условиях. Поскольку в названных изделиях речь идет о тяжелонагруженных узлах взаимосвязи с использованием шаровых шарниров, в качестве последних предпочтительно использовать шарниры с цилиндрическими пальцами или осями, посаженными в свободный конец рычагов, то есть без лысок. Особенно если шаровые шарниры уже производятся и поставляются таковыми.
Это обусловливает задачу адаптации конструкции (устройства) прототипа к указанным конкретным условиям.
Таким образом, проблемой (задачей) заявляемого изобретения является улучшение технико-эксплуатационных и экономических характеристик известного устройства-прототипа [20], с учетом близкого аналога [12].
Соответственно, планируемый технический результат использования изобретения - улучшение ТЭХ болтового соединения и сборочных узлов определенного назначения на его основе.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что болтовое соединение для крепления цилиндрического тела в полуцилиндрическом гнезде опорной детали содержит болт, встроенный в сквозное поперечное гладкое отверстие в закрепляемом цилиндрическом теле радиусом R, гайку с резьбовым отверстием, по крайней мере, в составной части опорной детали в продолжение упомянутого гладкого отверстия за цилиндрическим телом, металлическую фигурную шайбу с функцией упорной детали, выполненную с центральным отверстием под болт и с вогнутой полуцилиндрической выборкой радиусом R на тыльном своем торце, а на лицевом торце - элементом жесткости в виде цилиндрической юбки высотой, соразмерной с высотой головки болта, при этом металлическая фигурная шайба установлена враспор между головкой болта и цилиндрическим телом, с возможностью фиксации цилиндрического тела на опорной детали.
На решение поставленной комплексной задачи направлен и ряд частных существенных признаков устройства в рамках основной совокупности признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно:
- головка болта может быть выполнена с утопленным завертным элементом, например внутренним шестигранником или шлицом типа Torx (это позволяет использовать болты с цилиндрической головкой и минимизировать, за счет этого, диаметр юбки фигурной шайбы, дополнительно повысив, в свою очередь, компактность сборочного узла);
- цилиндрическое тело может быть выполнено в виде пальца или оси шарового шарнира, а опорная деталь - в виде рычага торсионного вала (это позволяет применить заявляемое болтовое соединение в условиях поставок в качестве комплектующих готовых шаровых шарниров с цилиндрическими пальцами или осями для сборочных узлов «шарнир-рычаг»);
- болтовое соединение может входить в качестве узла взаимосвязи шарового шарнира с рычагом торсионного вала в состав торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, например железнодорожного вагона (это позволяет применить заявляемое болтовое соединение в конкретной области техники - транспортном машиностроении в решении актуальных задач стабилизации поперечного наклона кузовов автомобильного грузового и пассажирского транспорта и кузовов двухэтажных пассажирских вагонов скоростных и высокоскоростных поездов и рельсовых автобусов).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства первого квалификационного признака изобретения - «мировой уровень новизны».
Совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак изобретения, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает из огромного мирового опыта проектирования, промышленного производства, ремонта и эксплуатации деталей машин и составных устройств, включая крепежные элементы.
Подробнее сущность изобретения (с примером практического применения в составе стабилизатора поперечной устойчивости кузова железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фиг. 1-3:
на фиг. 1 представлено болтовое соединение цилиндрического тела (преимущественно пальца или оси шарового шарнира) с опорной деталью (рычагом), вид сбоку в разрезе, где R - радиус кривизны посадочной поверхности гнезда в опорной детали и наружной поверхности цилиндрического тела; Н - высота цилиндрической юбки фигурной шайбы; Fн, Fп - соответственно нормальная и перпендикулярная (касательная, боковая) составляющие;
на фиг. 2 - фигурная шайба, вид сбоку в разрезе, где R - радиус кривизны посадочной поверхности гнезда в опорной детали и наружной поверхности цилиндрического тела; Н - высота цилиндрической юбки фигурной шайбы;
на фиг. 3 - фигурная шайба, вид сверху в разрезе, где Н - высота цилиндрической юбки фигурной шайбы;
на фиг. 4 - фрагмент 3D-изображения компьютерной модели установленного на железнодорожный вагон стабилизатора поперечной устойчивости кузова, с показом шарнирного соединения рычага торсиона с тягой, вид сбоку-спереди-снизу.
На фиг. 1-4 позициями обозначены:
1 - цилиндрическое тело (как объект фиксации относительно другого тела); 2 - полуцилиндрическое гнездо опорной детали; 3 - опорная деталь (упомянутое «другое тело»); 4 - болт; 5 - сквозное поперечное гладкое отверстие в цилиндрическом теле под болт; 6 - гайка (конструктивно совмещена с опорной деталью 3); 7 - резьбовое отверстие гайки; 8 - металлическая фигурная шайба; 9 - центральное гладкое отверстие в фигурной шайбе под болт; 10 - вогнутая полуцилиндрическая тыльная поверхность (выборка) радиусом R в шайбе; 11 - цилиндрическая юбка фигурной шайбы; 12 - утопленный завертный элемент болта 4; 13 - кузов (рама) вагона; 14 - колесная тележка вагона; 15 - торсионный вал (торсион); 16 - тяга торсионного стабилизатора; 17 - шарнирное соединение тяги стабилизатора на колесной тележке вагона; 18 - продольная ось (линия) цилиндрического тела (пальца, оси-тела) 1.
Болтовое соединение для крепления цилиндрического тела 1 в полуцилиндрическом гнезде 2 опорной детали 3 содержит (см. фиг. 1-3):
- болт 4, встроенный в сквозное поперечное гладкое отверстие 5 в закрепляемом цилиндрическом теле 1 радиусом R,
- гайку 6 с резьбовым отверстием 7, по крайней мере, в составной части опорной детали 3 в продолжение гладкого отверстия 5 за цилиндрическим телом 1 (т.е. «гайку» в общем случае, в данном примере гайкой 6 служит сама опорная деталь 3);
- металлическую фигурную шайбу 8 с центральным отверстием 9 под болт 4, с вогнутой полуцилиндрической тыльной поверхностью (выборкой) 10 радиусом R на тыльном своем торце, а на лицевом своем торце - с элементом жесткости в виде цилиндрической юбки 11 высотой Н, соразмерной с высотой головки болта 4, причем шайба 8 установлена непосредственно под головкой болта 4 с функцией упорной детали - враспор между головкой болта 4 и цилиндрическим телом 1, с возможностью фиксации цилиндрического тела 1 на опорной детали 3.
Рекомендуется выполнение головки болта с утопленным завертным элементом 12 (см. фиг.1), например внутренним шестигранником или шлицом типа Torx (T, ТХ), что позволяет минимизировать зазор между головкой болта 4 и цилиндрической юбкой 11, уменьшив при этом габарит соединения (узла) в целом.
Цилиндрическое тело 1, предпочтительно, выполнено (актуальное конкретное применение) в виде пальца или оси (частные случаи) шарового шарнира, а опорная деталь 3 - в виде рычага (см. фиг. 1) торсионного вала (см. фиг. 4).
При этом заявляемое болтовое соединение входит в качестве узла взаимосвязи упомянутых шарового шарнира и рычага торсионного вала в состав торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, например железнодорожного вагона (см. обзор аналогов в характеристике современного уровня техники).
При такой конфигурации упорной детали - металлической шайбы 8 достигается, без увеличения габаритов соединения (узла), возможность применения, в частности, шаровых шарниров (как покупных изделий) с цилиндрическими пальцами или осями. Иначе говоря, нет необходимости снятия на них фаски(ок), что целесообразно с технологической и экономической точек зрения.
Ослабление шайбы 8 выборкой 10 скомпенсировано юбкой 11 (форма «стакан»), повышающей жесткость шайбы 8.
Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1-4).
В результате сборки болтового соединения, завершающегося силовой затяжкой комплекта «болт 4 - шайба 8 - гайка 6» инструментом (гаечным ключом), цилиндрическое тело 1, в частности палец или ось (полуось) шарового шарнира, плотно поджимается, благодаря выполнению радиусов кривизны R сопрягаемых поверхностей выборки жесткой фигурной шайбы 8, тела 1 и гнезда 2 опорной детали 3, что в итоге обеспечивает надежную фиксацию цилиндрического тела 1 относительно опорной детали 3.
В условиях внешних силовых воздействий (характерных в частности, для примера с торсионным стабилизатором (см. фиг. 4) на узел и, соответственно, на болтовое соединение, перпендикулярная (касательная) составляющая Fп рабочего усилия (то есть силы взаимодействия соединяемых деталей) воспринимается соответствующей частью площадей сопрягаемых полуцилиндрических поверхностей в гнезде 2, заполненном половиной тела 1, в отличие от нормальной составляющей Fн (см. фиг. 1), Благодаря чему болтовое соединение 4, 6, 8 разгружено от изгибающих моментов силы.
При этом расширяются возможности сокращения габаритов узла вдоль осей болтового соединения при сохранении положения продольной оси 13 шарового пальца (шаровой оси) 3, то есть повышения компактности сборочного узла (подробнее см. далее по тексту пример узла - стабилизатор в сборе).
Рассмотрим упомянутый выше пример конкретного применения шарового шарнира с цилиндрическим пальцем или цилиндрической осью в составе стабилизатора поперечной устойчивости (поперечного наклона) кузова железнодорожного пассажирского вагона (в частности, разрабатываемых при авторском участии двухэтажного пассажирского электрического поезда - «электрички» 2ЭПЭ или подвижного состава на водородном топливе) - см. фиг. 4.
На этом примере становится более понятным как работа устройства, так и технический результат его использования.
Узел с шаровым шарниром (сферическим подшипником), в качестве упомянутого выше цилиндрического тела 1, представляет собой стабилизатор поперечной устойчивости (поперечного наклона) подрессоренного кузова (рамы кузова) 13 железнодорожного вагона относительно его колесной тележки - 14. Стабилизатор содержит в качестве основных составных частей торсионный вал (торсион) 15, каждый конец которого связан с рычагом 3 вилочного типа (здесь и далее - на примере видимого на фиг.4 одного из сборочных узлов), на торцах свободного раздвоенного конца которого («рогов») установлен шаровой шарнир, обеспечивающий подвижное в пространстве соединение свободного от связи с торсионным валом 15 конца рычага 3 с тягой 16, другим своим концом шарнирно закрепленной (соединение 17 на фиг. 3) на колесной тележке 14 вагона.
Посадочные места для шарового пальца (или шаровой оси как тела) 1 - гнезда 2 полуцилиндрической (радиусом R) формы, с продольными осями, совпадающими с продольной осью 18 (как прямой линией) пальца (оси) 1, выполненные на торцах вилочного рычага 3. Шарнир поджат к рычагу 3 с натягом за счет болтового соединения.
Сборку узла (во всяком случае, торсионного вала 15 с рычагами 3) осуществляют, предпочтительно, вне вагона (на предприятии-производителе (поставщике) стабилизаторов. Тогда последний (вал 15+рычаг 3) в собранном виде заводят внутрь рамы, возможно через монтажное окно, предусмотренное в раме кузова 13 вагона, и закрепляют на раме и на тележке 14 соответствующими крепежными элементами. Чем компактнее узел «рычаг+торсионный вал», тем больше возможностей его хранения, доставки, и, что особенно важно, - монтажа-демонтажа на вагоне. В частности, меньше потребный размер монтажного окна (при его необходимости) в раме и, в свою очередь, тем прочнее рама при прочих равных ее размерах.
)
Усилие в стабилизаторе действует вдоль тяги 16 и может быть разложено на нормальную (Fн и перпендикулярную (Fп) составляющие силы (см. фиг. 1). Нормальная составляющая Fн нагружает болты 4 продольными усилиями и воспринимаются их резьбой (как и должны работать болтовые соединения), а усилие перпендикулярное (Fп) принимает на себя рычаг 3 в полуцилиндрических расточках - гнездах 2 его «рогов» (на конце рычага 3 - два одинаковых «рога»).
При этом важно, что имеет место заметное сокращение габаритной длины узла «рычаг - торсионный вал» в «нормальном» направлении (по линии действия силы Fн на фиг. 1, то есть вдоль рычага 3). Это определяет высокую компактность рассматриваемого сборочного узла, возможностей монтажа / демонтажа стабилизатора в целом.
Таким образом, предлагаемое техническое новшество позволяет использовать шаровые шарниры с цилиндрическими пальцами или осями, не в ущерб компактности узла, то есть решает поставленную комплексную задачу. Использование таких болтовых соединений не только позволит увеличить надежность и долговечность (срок службы) изделий в целом, но и повысить компактность сборочных узлов, технологичность и точность сборки и ремонта. А значит, улучшить технико-эксплуатационные и экономические характеристики сборочных устройств в целом (в том числе торсионных стабилизаторов поперечной устойчивости кузовов железнодорожных вагонов).