Фрикционный амортизатор
FRICTION SHOCK ABSORBER

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и касается фрикционных амортизаторов транспортных средств, преимущественно для поглощающих аппаратов, устанавливаемых между вагонами железнодорожного состава.
Известен фрикционный амортизатор [1, Патент US2701063, МПК B61G 9/10, приоритет 28.11.1951, публикация 01.02.1955], содержащий размещенные в корпусе клинья, которыми защемлены на корпус пластинчатые пакеты, состоящие из подвижной пластины и направляющих пластин, между которыми она расположена, причем одна из направляющих пластин в пластинчатых пакетах расположена между корпусом и подвижной пластиной, а другая - между подвижной пластиной и одним из клиньев.
Такой фрикционный узел не очень энергоемок, что обусловлено образующейся со стороны его нажимного конуса низкой силой прижатия клиньев к подвижным пластинам и направляющим пластинам. Возникающие при этом силы трения недостаточны для достижения высокого энергопоглощения. Недостаточная эффективность связана с тем, что возвратно-подпорное устройство занимает пространство только под фрикционным узлом, и поэтому в устройства с существующими габаритами невозможно вписать пружины с большим усилием, вследствие чего и эффективность устройств оказывается невысокой.
Указанная проблема решается в устройстве [2, SU 253861, МПК B61G 11/16, приоритет 27.09.1968, опубликовано 19.01.1970), принятом за прототип.
Он содержит корпус с образованной его стенками горловиной, а также с днищем, на котором расположено выполненное с возможностью своего максимального сжатия, предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство, сверху которого расположен фрикционный узел, состоящий из нажимного клина и контактирующих с ним распорных клиньев. В горловине корпуса расположены установленные на внутренних выступах корпуса направляющие пластины в контакте с распорными клиньями и с подвижными пластинами, которые расположены в контакте со стенками корпуса.
С целью повышения эффективности фрикционного амортизатора [2] на подвижных пластинах выполнены выступы, контактирующие с опорной плитой. Между такими выступами расположены направляющие пластины. В этом случае, каждая подвижная пластина опирается не нижним торцом на опорную плиту, как в аналоге [1], а боковыми выступами, что позволяет увеличить высоту возвратно-подпорного устройства, его жесткость, и эффективность всего изделия. При этом не требуется изменять его габариты, распорное усилие становится выше, увеличивается энергопоглощение во фрикционном узле. Направляющие пластины снабжены фрикционными поверхностями, которые преимущественно ограничены в зоне, определяемой протяженностью от концов направляющих пластин со стороны днища корпуса в сторону горловины корпуса.
Протяженность такой зоны меньше трети общей длины направляющих пластин, поэтому в конце полного хода сжатия с возвратно-подпорным устройством высокой жесткости происходит нарастание распорных усилий, что может зачастую приводить к заклиниванию. Это часто наблюдается в пружинно-фрикционных амортизаторах. Такой эффект наблюдается во всех конструкциях амортизаторов по прототипу [2], и реже - в конструкциях по аналогу [1], так как там в конечном положении фрикционного амортизатора, распорные клинья опускаются ниже фрикционной поверхности направляющих пластин. Причем так, что часть фрикционной поверхности клиньев оказывается высвобожденной из зоны трения. В конечном же положении амортизатора по прототипу [2] вся фрикционная поверхность клиньев остается перекрытой фрикционной поверхностью направляющих пластин, либо высвобождается ее незначительная часть, около 10% от общей площади фрикционной поверхности клина.
Поэтому с ростом распорных усилий в конце рабочего хода сжатия возвратно-подпорного устройства фрикционного амортизатора по прототипу [2] между фрикционными поверхностями его распорных клиньев и направляющих пластин, наблюдается не только увеличение сил трения, не зависящих от площади контакта, но и происходят сложные адгезивно-диффузионные процессы в поверхностных слоях трущихся поверхностей. При этом на большой площади контакта происходит «залипание» распорных клиньев на направляющих пластинах.
Описанные выше недостатки фрикционного амортизатора по прототипу [2] снижают надежность его работы.
Поэтому задачей изобретения является достижение технического результата, направленного на повышение надежности работы фрикционного амортизатора путем устранения вероятности заклинивания фрикционного амортизатора при ходе сжатия возвратно-подпорного устройства или при обратном его ходе, вызванной «залипанием» распорных клиньев на фрикционных поверхностях направляющих пластин.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный амортизатор, содержащий корпус с образованной его стенками горловиной, а также с днищем, на котором расположено, выполненное с возможностью своего максимального сжатия, предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство, сверху которого расположен фрикционный узел, состоящий из нажимного клина и контактирующих с ним распорных клиньев, кроме того, в горловине корпуса расположены направляющие пластины в контакте с распорными клиньями и с подвижными пластинами, которые расположены в контакте со стенками корпуса и снабжены выступами, между которыми и расположены направляющие пластины, установленные на внутренних выступах корпуса, при этом направляющие пластины снабжены фрикционными поверхностями, которые преимущественно ограничены в зоне, определяемой протяженностью от концов направляющих пластин со стороны днища корпуса в сторону горловины корпуса, имеет отличительный признак: протяженность зоны ограничения фрикционных поверхностей на направляющих пластинах, больше трети общей длины направляющих пластин.
Такой отличительный признак позволяет исключить возможность заклинивания фрикционного амортизатора при ходе сжатия его возвратно-подпорного устройства или при обратном его ходе, а также позволяет применить возвратно-подпорное устройство высокой жесткости, что увеличит усилие начальной его затяжки. Это практически устранит риск заклинивания элементов внутри фрикционного амортизатора, как на ходе сжатия, так и при обратном ходе его возвратно-подпорного устройства, будь то пакет вставленных друг в друга пружин сжатия или пакет упруго-эластичных элементов, что повысит надежность работы фрикционного амортизатора в целом. За счет минимизации адгезивно-диффузионных воздействий в конце хода возвратно-подпорного устройства, дает возможность устанавливать высокоупругие их конструкции, что позволяет:
- достигать высокого усилия их затяжки;
- ограничивать чрезмерный рост силы амортизатора в конце хода;
- получать высокую энергоемкость амортизатора;
- обеспечивать легкий его возврат в исходное положение.
Дополнительные отличительные признаки:
- для усиления упомянутых выше эффектов рекомендуется, чтобы взаимное расположение фрикционного узла, подвижных и направляющих пластин было выполнено таким образом, что при максимальном сжатии его возвратно-подпорного устройства протяженность контактов распорных клиньев с направляющими пластинами до упомянутой зоны ограничения фрикционных поверхностей составляло бы не более 80% длины распорных клиньев;
- для препятствия образованию вредных адгезивно-диффузионных явлений между трущимися поверхностями упомянутых элементов фрикционного амортизатора рекомендуется на направляющих пластинах со стороны распорных клиньев располагать вставки твердой смазки;
- для упрощения конструкции средней части корпуса целесообразно, чтобы направляющие пластины были выполнены с Т-образными ограничителями их обратного хода, которые были бы расположены ближе к днищу корпуса за его внутренними выступами;
- для повышения энергоемкости фрикционного амортизатора рекомендуется, чтобы подвижные пластины в части ближе к днищу корпуса, были снабжены хвостовиками, ширина концов которых была бы меньше ширины концов подвижных пластин возле начала горловины корпуса;
- для повышения долговечности стенок корпуса рекомендуется, чтобы в корпусе между его стенками и подвижными пластинами были бы установлены фрикционные вкладыши.
Сущность изобретения поясняется иллюстрациями (перечень ссылочных обозначений см. в графической части), где на фиг. 1 показан вид сверху на фрикционный амортизатор без фрикционных вкладышей в его корпусе; на фиг. 2-4 показан, в различных вариантах исполнения фрикционного амортизатора, его совмещенный профильный разрез А-А по фиг. 1, где на левой части изображен фрикционный амортизатор в исходном состоянии, а на правой части - в полностью сжатом своем состоянии; на фиг. 5 показан вид В с местным разрезом по фиг. 4; на фиг. 6 и 7 показаны варианты исполнения распорного клина фрикционного амортизатора; на фиг. 8 - сечение его направляющей пластины, в одном из вариантов ее исполнения; на фиг. 9 - вид С по фиг. 8; на фиг. 10-14 - другие варианты выполнения направляющей пластины; на фиг. 15 показан разрез подвижной пластины фрикционного амортизатора в варианте ее исполнения с хвостовиком; на фиг. 16 - вид D по фиг. 15; на фиг. 17 показан совмещенный профильный разрез А-А фрикционного амортизатора по фиг. 1 в варианте исполнения его подвижных пластин по фиг. 15, 16, где на левой части изображен фрикционный амортизатор в исходном состоянии, а на правой части - в полностью сжатом своем состоянии; на фиг. 18 показан совмещенный профильный разрез А-А фрикционного амортизатора по фиг. 1 в варианте исполнения его направляющих пластин по фиг. 12, где на левой части изображен фрикционный амортизатор в исходном состоянии, а на правой части - в полностью сжатом своем состоянии; на фиг. 19 показан вид сверху на фрикционный амортизатор с фрикционными вкладышами в его корпусе, на фиг. 20 - совмещенный профильный разрез Е-Е по фиг. 19, где на левой части изображен фрикционный амортизатор в исходном состоянии, а на правой части - в полностью сжатом своем состоянии.
Фрикционный амортизатор (фиг. 1-5, 17, 18) содержит корпус 1 с горловиной 2, образованной его стенками 3 и днищем 4, на котором расположено предварительно поджатое возвратно-подпорное устройство 5, сверху которого непосредственно (не показано) или через опорную плиту 6 расположен фрикционный узел 7.
Возвратно-подпорное устройство 5 может быть выполнено в виде вставленных друг в друга пружин сжатия (не показано) или в виде пакета опирающихся на шайбы 8 упруго-эластичных элементов 9 (фиг. 2, 4, 17, 18).
Фрикционный узел 7 (фиг. 1-4, 17, 18) состоит из нажимного клина 10 и контактирующих с ним распорных клиньев 11. В горловине 2 корпуса 1 расположены направляющие пластины 12, которые снабжены фрикционными поверхностями (фиг. 3), одна из которых F1 обращена в сторону возвратно-подпорного устройства 5, а другая F2 - в сторону стенок 3 корпуса 1. В свою очередь, направляющие пластины 12 (фиг. 2-5, 17, 18) расположены в контакте с упомянутыми распорными клиньями 11 и с подвижными пластинами 13, которые расположены между и в контакте со стенками 3 корпуса 1.
Для центрирования возвратно-подпорного устройства 5, опорной плиты 6 и нажимного клина 10 в корпусе 1 и для фиксации фрикционного узла 7 применен стержень 14, головка 15 которого упирается в буртик выступа 16 на днище 4 корпуса 1, а с другой стороны на его резьбовую часть накручена гайка 17.
Для препятствия образованию вредных адгезивно-диффузионных явлений между трущимися поверхностями упомянутых элементов фрикционного амортизатора, рекомендуется (фиг. 2-4, 8, 9, 11, 17, 18) на направляющих пластинах 12 со стороны распорных клиньев 11 располагать вставки твердой смазки 18, например, из бронзы специального состава. Причем вставка 18 на направляющей пластине 12 - это часть ее фрикционной поверхности F1. Такие же вставки полезно устанавливать (не показано) и между направляющими и подвижными пластинами 12, 13, а также, при необходимости, между подвижными пластинами 13 и стенками 3 корпуса 1.
0
0
Упомянутые фрикционные поверхности F1 и F2 (фиг. 2-4, 17, 18) направляющих пластин 12 расположены не по всей их длине Lo. Они преимущественно ограничены (фиг. 9-14) в зоне Z1, определяемой протяженностью Lz от концов направляющих пластин со стороны днища корпуса в сторону горловины 2 корпуса 1. Причем протяженность Lz зоны Z1 ограничения фрикционных поверхностей F1 и F2 на направляющих пластинах 12 больше трети 1/3 L общей длины L направляющих пластин 12.
Взаимное расположение фрикционного узла (7), подвижных и направляющих пластин 13, 12 выполнено таким образом, что при максимальном сжатии (правые половины фигур 2-4, 17, 18) его возвратно-подпорного устройства 5, при воздействии внешней силы Q, прилагаемой к нажимному клину 10, протяженность контактов Lk распорных клиньев 11 с направляющими пластинами 12 до упомянутой зоны Z1 ограничения фрикционных поверхностей F1 и F2 составляет не более 80% длины М распорных клиньев 11.
Возможен вариант, когда фрикционные поверхности F1 и F2 (фиг. 2-4, 17) на направляющих пластинах 12 в зоне Z1 (фиг. 9, 11) их ограничения полностью ограничены с помощью выборок 19, 20 (фиг. 8) в направляющих пластинах 12 по плоскости их фрикционных поверхностей F1 и F2.
Подвижные пластины 13 (фиг. 1) расположены в контакте со стенками 3 корпуса 1 и снабжены выступами 21, между которыми расположены направляющие пластины 12 и которые, в свою очередь, расположены в контакте с выступами 22 опорной плиты 6 (фиг. 2, 17, 18).
В варианте исполнения подвижных пластин по фиг. 2 и 3 направляющие пластины 12 снабжены загибами 23, которые расположены в окнах 24 стенок 3 корпуса 1.
Для упрощения конструкции средней части корпуса 1 целесообразно, чтобы направляющие пластины 12 (фиг. 9-14) были выполнены с Т-образными ограничителями их обратного хода, которые были бы расположены (фиг. 4, 5, 17, 18) ближе к днищу 4 корпуса 1 за его внутренними выступами 26.
Возможен вариант, когда фрикционные поверхности (F1 и F2) (фиг. 18) на направляющих пластинах 12 в зоне Z1 (фиг. 12-14) их ограничения, частично ограничены с помощью полостей 27-29 в направляющих пластинах 12 по плоскости их фрикционных поверхностей (F1 и F2).
В конструкции фрикционного амортизатора могут применяться распорные клинья 11 с различным выполнением своих концов 30 - с выступом (фиг. 6) и без него (фиг. 7).
Также возможен вариант, когда фрикционные поверхности F1 и F2 (фиг. 18) на направляющих пластинах 12 в зоне Z1 (фиг. 10) их ограничения, частично ограничены с помощью выборок 31 по боковым сторонам направляющих пластин 12.
Для повышения энергоемкости фрикционного амортизатора рекомендуется, чтобы подвижные пластины 13 (фиг. 15, 16) в части ближе к днищу 4 корпуса 1, были снабжены хвостовиками 32, ширина концов b2 которых была бы меньше ширины концов b1 подвижных пластин 13 возле начала горловины 2 (фиг. 17) корпуса 1.
Полезно (фиг. 19, 20) между стенками 3 корпуса 1 и подвижными пластинами 13 устанавливать фрикционные вкладыши 33, опирающиеся на опорные выступы 34 корпуса 1. С целью предотвращения вытягивания фрикционных вкладышей 33 из корпуса при обратном ходе амортизатора, в горловине 2 корпуса 1 предусмотрены фиксирующие выступы 35 корпуса 1. Фрикционные вкладыши 33 служат для обеспечения неизнашиваемости стенок 3 корпуса 1. Фрикционные вкладыши 33 возможно изготавливать из термообработанных сталей, предотвращающих взаимное «залипание» подвижных пластин 13 и фрикционных вкладышей 33, при этом сам корпус 1 можно не подвергать термообработке, изготавливать его из более дешевых сталей общего назначения, а в случае необходимости ремонта требуется замена не всего корпуса 1, а только изношенных фрикционных вкладышей 33.
Фрикционные вкладыши 33, в обоснованных случаях, возможно изготавливать из других металлов или их сплавов, керамических и других материалов, которые в заданных условиях работы фрикционного амортизатора способны обеспечить высокую надежность и стабильность его работы.
Принцип действия фрикционного амортизатора основан на том, что при воздействии внешней силы Q прилагаемой к нажимному клину 10, например, со стороны сцепного устройства при соударении вагонов, сжимается возвратно-подпорное устройство 5 (правые части фиг. 2-4, 17, 18, 20).
В этом случае фрикционный узел 7 работает следующим образом. Нажимной клин 10 увлекает распорные клинья 11 вовнутрь корпуса 1. В определенный период рабочего хода упорная плита (не показана) автосцепного устройства вагона начинает давить на подвижные пластины 13. Под действием этой силы подвижные пластины 13 с трением по направляющим пластинам 12 и стенкам 3 корпуса 1 (фиг. 2-4, 17, 18) или фрикционным вкладышам 33 (фиг. 20) входят вовнутрь корпуса 1. Распорные клинья 11, за счет уклона на направляющих пластинах 12, сходятся внутрь и к оси амортизатора, скользя по направляющим пластинам 12, а также по фрикционным поверхностям нажимного клина 11 и опорной плиты 6. При этом к самому концу рабочего хода амортизатора распорные усилия настолько нарастают (за счет высокоупругого возвратно-подпорного устройства 5), что на большой площади контакта между распорными клиньями 11 и направляющими пластинами 12 возможны адгезивно-диффузионные процессы, приводящие к «залипанию» и возможному заклиниванию амортизатора, что заключается в невозможности возвратно-подпорному устройству 5 вытолкнуть «залипшие» детали фрикционного узла 7 и вывести фрикционный амортизатор в исходное положение. Однако в конструкции по полезной модели, в самом конце рабочего хода, выборка 19 (фиг. 2, 3) на направляющих пластинах 12 со стороны распорных клиньев 11 образует между ними зазор, вследствие которого площадь «залипания» значительно уменьшается. Кроме того, такая выборка 19 снижает резкое нарастание силы, что позволяет применить более жесткое возвратно-подпорное устройство с высоким усилием затяжки, и, следовательно, повысить энергоемкость амортизатора без риска заклинивания.
При снятии внешнего воздействия на амортизатор возвратно-подпорное устройство 5 разжимается, выталкивает опорную плиту 6 вместе с установленными на ней распорными клиньями 11 и нажимным клином 10. При прохождении некой величины обратного хода, выступы 22 (фиг. 1) опорной плиты 6 захватывают выступы 21 подвижных пластин 13 и устройство выходит в исходное положение до упора внутренней части нажимного клина 10 в гайку 17.
Применение вставок твердой смазки 18 (фиг. 2, 3), например, на направляющих пластинах 12 также способствует повышению эффективности и надежности работы амортизатора. Растирание частиц вставок твердой смазки 18 при многократных циклах воздействия внешней силы обеспечивает плавное изменение коэффициента трения трущихся поверхностей фрикционного амортизатора. При этом его рабочая характеристика становится также плавной, с меньшими пиками, а процесс изнашивания основного материала его деталей снижается.
Наиболее лучший вариант исполнения фрикционного амортизатора (фиг. 19, 20), когда в процессе его циклической работы происходит истирание фрикционных вкладышей 33 со стороны подвижных пластин 13, при этом стенки 3 корпуса 1 в процессе трения не участвуют.
Источники информации
1. Патент US 2701063, МПК B61G 9/10, приоритет 28.11.1951, публикация 01.02.1955.
2. SU 253861, МПК B61G 11/16, приоритет 27.09.1968, опубликовано 19.01.1970 /прототип/.