Рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство автопоезда
RECUPERATIVE SPRING-HYDRAULIC SADDLE-COUPLING DEVICE OF ROAD TRAIN

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности, к устройствам для сцепления полуприцепа с тягачом.
Известно седельно-сцепное устройство автопоезда (Патент №2503573 РФ; МПК B62D 53/08; опубл. 10.01.2014), содержащее плиту, в которой выполнено отверстие для ввода шкворня, запорное устройство для фиксации шкворня, фиксатор, предохранительное устройство со стопорным элементом.
Недостатком данного седельно-сцепного устройства автопоезда является отсутствие эффективных средств для смягчения ударов, возникающих в продольном и заднем направлениях в результате относительного ускорения тягача с полуприцепом или их замедлении.
Известно седельно-сцепное устройство автопоезда (Патент №4991864 США; МПК B62D 53/08; опубл. 12.02.1991), содержащее плиту, в которой выполнено отверстие для ввода шкворня, поперечную планку, опорную плиту, кронштейны, торцевые крышки, направляющие стержни, пружины, износостойкие пластины.
Недостатком рассматриваемого седельно-сцепного устройства автопоезда является ограниченная степень демпфирования ударных нагрузок пружин, установленных вокруг направляющих стержней, приводящая к повышенному износу его элементов при трогании, торможении, повороте автопоезда и наезде на препятствие, а также снижающая комфортные условия водителя и безопасность движения тягача с полуприцепом.
Известно седельно-сцепное устройство автопоезда (Патент №2391372 США; МПК B62D 53/08; опубл. 18.12.1945), содержащее плиту, в которой выполнено отверстие для ввода шкворня, опорные кронштейны, рычаги, гидравлические цилиндры, поршни, штоки.
Недостатками данного седельно-сцепного устройства автопоезда является ограниченный угол наклона поперечной оси полуприцепа относительно продольной оси тягача. Кроме того, оно не предусматривает использование гидравлической энергии, накапливаемой в пневмогидравлическом аккумуляторе при разгоне, торможении, поворотах, наезде на препятствия автопоезда, что приводит к увеличенному расходу топлива.
Известно седельно-сцепное устройство автопоезда (Патент №6692013 США; МПК B62D 53/08; опубл. 17.02.2004), содержащее закрепленную на раме тягача монтажную плиту с установленной на монтажной плите опорной плитой седла, две крайние опоры, установленные неподвижно на монтажной плите, гидроцилиндр, пружины сжатия. Принято за прототип.
Однако указанное седельно-сцепное устройство автопоезда не предусматривает аккумулирование и использование кинетической энергии движущихся масс автопоезда, а также не предотвращает значительные по величине динамические нагрузки, неизбежно возникающие в сцепке от взаимного воздействия сил инерции масс тягача и полуприцепа при разгоне, торможении, повороте, а также при их движении по неровностям на дороге.
В основу изобретения заложена техническая задача, заключающаяся в обеспечении рекуперативным пружинно-гидравлическим седельно-сцепным устройством автопоезда рекуперации энергии за счет аккумулирования кинетической энергии его движущейся массы, повышении надежности автопоезда, а также в снижении динамических нагрузок на элементы конструкции тягача и полуприцепа.
Технический результат достигается тем, что рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство автопоезда, содержащее закрепленную на раме тягача монтажную плиту с установленной на монтажной плите опорной плитой седла, две крайние опоры, установленные неподвижно на монтажной плите, гидроцилиндр, пружины сжатия, согласно изобретению, дополнительно содержит две промежуточные опоры, корпус, две направляющие оси, кронштейн, пневмогидравлический аккумулятор, редукционный и предохранительный клапаны, обратные клапаны, гидробак, гибкий, напорный и всасывающий трубопроводы, порт подачи рабочей жидкости потребителю, при этом промежуточные опоры установлены на монтажной плите неподвижно, а корпус выполнен в виде цилиндра с закрепленной внутри него перемычкой со сквозным каналом и снабжен жестко соединенными с ним торцевыми крышками с отверстиями, в которые пропущены направляющие оси, одни торцы которых закреплены в крайних опорах, а их свободные торцы являются опорой для размещенных внутри корпуса пружин сжатия, противоположные концы которых опираются в перемычку, причем промежуточные опоры являются направляющими для корпуса, обеспечивая ему как вращательное, так и возвратно-поступательное движения относительно продольной оси тягача, а на верхней поверхности корпуса закреплен кронштейн с поперечной осью для шарнирного соединения кронштейна с опорной плитой седла, при этом внутри пружины сжатия, размещенной в передней по ходу движения тягача части корпуса, установлен гидроцилиндр с плунжером, причем один из торцов гидроцилиндра герметично закреплен на перемычке, а свободный конец плунжера прикреплен к свободному торцу соответствующей направляющей оси, кроме этого, поршневая полость гидроцилиндра, посредством сквозного канала в перемычке и гибкого, напорного и всасывающего трубопроводов, сообщается как с гидробаком с помощью одного обратного клапана, так и с пневмогидравлическим аккумулятором посредством другого обратного клапана, в свою очередь, пневмогидравлический аккумулятор соединен как с гидробаком, посредством предохранительного клапана, так и с портом подачи рабочей жидкости потребителю посредством редукционного клапана.
Кроме этого, для сообщения поршневой полости гидроцилиндра посредством гибкого трубопровода как с гидробаком с помощью одного обратного клапана, так и с пневмогидравлическим аккумулятором, посредством другого обратного клапана, плунжер и соответствующая направляющая ось могут быть выполнены заодно, а вдоль их продольной оси может быть выполнен сквозной канал.
На фиг. 1 представлена схема рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства автопоезда в статическом состоянии; на фиг. 2 и 3 - сечения устройства по А-А и Б-Б соответственно; на фиг. 4 и 5 - схемы работы устройства соответственно при трогании с места и разгоне автопоезда; на фиг. 6 - схема исполнения устройства в статическом состоянии с выполненными заодно плунжером и соответствующей направляющей осью.
Рекуперативное пружинно-гидравлическое седельно-сцепное устройство автопоезда (фиг. 1-3) установлено на раме 1 тягача, соединенного с полуприцепом 2 с помощью монтажной плиты 3, закрепленной на раме 1 тягача болтами 4, и установленной на монтажной плите 3 опорной плиты седла 5. Устройство включает в себя две крайние 6, 7 и две промежуточные 8, 9 опоры, корпус 10, пружины сжатия 11, 12 (фиг. 3), две направляющие оси 13, 14, кронштейн 15, гидроцилиндр 16 с плунжером 17, пневмогидравлический аккумулятор 18, редукционный 19 и предохранительный 20 клапаны, обратные клапаны 21, 22, гидробак 23, гибкий 29, напорный 30 и всасывающий 31 трубопроводы, порт 32 подачи рабочей жидкости потребителю. При этом крайние 6, 7 и промежуточные 8, 9 опоры установлены на монтажной плите 3 неподвижно, а корпус 10 выполнен в виде цилиндра с закрепленной внутри него перемычкой 24 со сквозным каналом 28 и снабжен жестко соединенными с ним торцевыми крышками 25, 26 с отверстиями, в которые пропущены направляющие оси 13, 14. Причем одни торцы направляющих осей 13, 14 закреплены в крайних опорах 6, 7, а их свободные торцы являются опорой для размещенных внутри корпуса 10 пружин сжатия 11, 12, противоположные концы которых опираются в перемычку 24. При этом промежуточные опоры 8, 9 являются направляющими для корпуса 10, обеспечивая ему как вращательное, так и возвратно-поступательное движения относительно продольной оси тягача. На верхней поверхности корпуса 10 закреплен кронштейн 15 с поперечной осью 27 для шарнирного соединения кронштейна 15 с опорной плитой седла 5. Внутри пружины сжатия 11, размещенной в передней по ходу движения тягача части корпуса 10, установлен гидроцилиндр 16 с плунжером 17, причем один из торцов гидроцилиндра 16 герметично закреплен на перемычке 24, а свободный конец плунжера 17 прикреплен к свободному торцу направляющей оси 13. Кроме этого, поршневая полость А гидроцилиндра 16, посредством сквозного канала 28 в перемычке 24 и гибкого 29, напорного 30 и всасывающего 31 трубопроводов, сообщается как с гидробаком 23 с помощью обратного клапана 21, так и посредством обратного клапана 22 с пневмогидравлическим аккумулятором 18. В свою очередь, пневмогидравлический аккумулятор 18 соединен как с гидробаком 23, посредством предохранительного клапана 20, так и с портом 32 подачи рабочей жидкости потребителю посредством редукционного клапана 19.
Возможно исполнение рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства автопоезда (фиг. 6), в котором для сообщения поршневой полости А гидроцилиндра 16 посредством гибкого трубопровода 29 как с гидробаком 23 с помощью обратного клапана 21, так и с пневмогидравлическим аккумулятором 18, посредством обратного клапана 22, плунжер 17 и направляющая ось 13 выполнены заодно, а вдоль их продольной оси выполнен сквозной канал 28.
Работа рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства автопоезда основана на аккумулировании кинетической энергии, неизбежно возникающей от силы инерции массы полуприцепа 2 при многочисленных переходных процессах: разгоне, торможении тормозами и двигателем, поворотах, движении по неровностям поверхности дороги и накатом под уклон, переключении передач и др. Устройство позволяет преобразовывать эту энергию в потенциальную для ее дальнейшего полезного использования в технологическом гидравлическом оборудовании автопоезда.
1
2
В неподвижном (статическом) состоянии, когда автопоезд стоит на ровной поверхности (фиг. 1 и 2), все три геометрических параметра взаимного расположения тягача и полуприцепа 2 (поперечный α и продольные β, β углы наклона рамы полуприцепа 2 относительно рамы 1 тягача), а также смещение  (фиг. 4) полуприцепа 2 относительно тягача близки или равны нулю, а колеса тягача и (или) полуприцепа 2 находятся в расторможенном состоянии. В этом случае, благодаря способности корпуса 10 вместе с кронштейном 15 и опорной плитой седла 5 перемещаться возвратно-поступательно вдоль направляющих осей 13, 14 относительно жестко соединенных с монтажной плитой 3 крайних 6, 7 и промежуточных 8, 9 опор, предусмотрительно нагруженные перед установкой пружины сжатия 11 и 12 удерживают полуприцеп 2 в нейтральном (стационарном) положении относительно тягача (фиг. 3). Рекуперативная система устройства при этом также находится в готовности к работе благодаря рабочей жидкости, находящейся в полости А гидроцилиндра 16 и закрытых обратных клапанах 21 и 22.
При трогании с места или движении с ускорением (разгоне) автопоезда на опорную плиту седла 5 устройства начинает действовать сила инерции сопротивления движению со стороны массы полуприцепа 2 (фиг. 3). Вследствие этого, кинематически связанные между собой рама 1 тягача, монтажная плита 3, вместе с закрепленными на ней крайними 6, 7 и промежуточными 8, 9 опорами и направляющими осями 13, 14, начинают совместно перемещаться с тягачом (влево на фиг. 4) относительно неподвижных в этот момент полуприцепа 2, опорной плиты седла 5, кронштейна 15, поперечной оси 27 и корпуса 10 с его торцевыми крышками 25, 26. В результате этого направляющие оси 13, 14 смещаются относительно корпуса 10 на величину  (влево на фиг. 4), что приводит к сжатию пружины сжатия 12, потенциальная энергия которой обеспечивает плавное нарастание тягового усилия тягача до величины, превышающей усилие сопротивления движению со стороны полуприцепа 2, и началу его движения совместно с тягачом. Одновременно с этим пружина сжатия 11 разжимается, плунжер 17, закрепленный свободным концом с торцом направляющей оси 13, выдвигается из гидроцилиндра 16, вследствие чего создается разряжение рабочей жидкости в полости А. Это разряжение, посредством сквозного канала 28 в перемычке 24 и гибкого трубопровода 29, передается обратному клапану 21, который открывается, и рабочая жидкость из гидробака 23, посредством всасывающего трубопровода 31, поступает в гидроцилиндр 16. В данном случае пружина сжатия 12 выполняет роль амортизатора, снижая до безопасных значения динамических нагрузок на элементы конструкций тягача и полуприцепа 2.
После окончания движения с ускорением (разгона) и начала движения автопоезда с установившейся постоянной скоростью величина силы инерции массы полуприцепа 2, воздействующей на тягач, снижается. В результате этого, под воздействием усилия разжимающейся пружины сжатия 12, величина смещения  полуприцепа 2 относительно тягача уменьшается, и все рассмотренные элементы устройства возвращаются в исходное состояние в обратном порядке (фиг. 1 и 3). При этом рабочая жидкость из полости А гидроцилиндра 16 через сквозной канал 28, гибкий трубопровод 29, обратный клапан 22 и напорный трубопровод 30 вытесняется в пневмогидравлический аккумулятор 18. В данном случае пневмогидравлический аккумулятор 18 выполняет роль демпфера, способствующего быстрому затуханию возможных нежелательных колебаний в упругой системе заявляемого устройства. К тому же, благодаря противодействию усилию ранее сжатой пружины сжатия 12 со стороны усилия сжатия пружины сжатия 11, происходит эффект амортизации, способствующий снижению динамических нагрузок на автопоезд.
Аналогична работа рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства при движении с ускорением замедления или торможении автопоезда до полной его остановки, в том числе при возможном по разным причинам рассогласованном торможении тягача и полуприцепа 2. В то же время имеются отличия, которые заключаются в следующем. Под воздействием силы продолжающего двигаться по инерции вперед полуприцепа 2 относительно направления движущегося с торможением или остановившегося тягача сжимается пружина сжатия 11 (влево на фиг. 5). При этом гидроцилиндр 16 надвигается на плунжер 17 на величину смещения  и вытесняет рабочую жидкость под возросшим давлением в пневмогидравлический аккумулятор 18. Однако, в отличие от разгона автопоезда, при его торможении сила инерции, действующая на тягач со стороны полуприцепа 2, как правило, значительно больше по величине, а также отсутствует рассмотренная ранее характерная при разгоне автопоезда потеря энергии от усилия сжатия со стороны пружины сжатия 11, противодействующего усилию ранее сжатой пружины сжатия 12. Поэтому за счет более высокого значения давления рабочей жидкости, поступающей в пневмогидравлический аккумулятор 18, в нем аккумулируется рекуперируемая энергия. Кроме этого, сжимающаяся пружина сжатия 11 совместно с пневмогидравлическим аккумулятором 18 эффективно выполняют роль амортизатора и демпфера, что способствует значительному снижению динамических нагрузок на элементы конструкций тягача и полуприцепа 2.
Возвращение устройства в исходное положение (фиг. 3), после окончания притормаживания и последующего движения автопоезда с установившейся постоянной скоростью или после торможения до полной остановки автопоезда, происходит аналогично описанному выше случаю.
При движении автопоезда с чередующимися ускорениями и замедлениями, воздействующими на тягач и полуприцеп 2, обусловленными многочисленными факторами (неровностями, продольными и поперечными уклонами дороги, гололедом, осадками, техническим состоянием автопоезда, массой груза, квалификацией водителя и др.), рабочие циклы рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства автопоезда соответственно чередуются аналогично описанным выше образом. При этом необходимая величина давления рабочей жидкости, подаваемая потенциальному потребителю через порт 32, устанавливается с помощью редукционного клапана 19. При возможном временном отсутствии потребления рекуперируемой энергии накапливаемые в пневмогидравлическом аккумуляторе 18 излишки рабочей жидкости сбрасываются через предохранительный клапан 20 в гидробак 23.
Как при движении автопоезда с ускорением, так и при его движении с замедлением, элементы конструкции тягача и полуприцепа 2 подвергаются динамическим нагрузкам. И хотя такие нагрузки не являются значительными по величине и, как правило, не приводят к внезапным поломкам и повреждениям в начальный период эксплуатации автопоезда, но их постоянное воздействие неизбежно ведет к снижению надежности элементов его конструкции и неоправданному преждевременному выходу их из строя. В этой связи, благодаря амортизирующим свойствам пружин сжатия 11, 12 и демпфирующим свойствам пневмогидравлического аккумулятора 18 заявляемого устройства, как при разгоне, так и при торможении автопоезда, обеспечивается существенное снижение величины знакопеременных и ударных нагрузок на его конструкцию и повышение долговечности. При этом рекуперация энергии достигается в устройстве при торможении автопоезда, когда значительная по величине кинетическая энергия от силы инерции движения массивного полуприцепа 2 преобразуется в кинетическую энергию и аккумулируется для последующего ее использования в технологическом гидравлическом оборудовании тягача и полуприцепа 2. Важным достоинством заявляемого устройства является также то, что в отличие от традиционных конструкций седельно-сцепных устройств с двумя и тремя степенями свободы перемещения их ведомых относительно ведущих звеньев, добавляется четвертая степень свободы перемещения. Это положительное качество устройства достигается за счет его способности обеспечивать возвратно-поступательное перемещение полуприцепа 2 относительно тягача при их разгоне и торможении, что существенно повышает плавность хода автопоезда, особенно в условиях недостаточно обустроенных дорог. Предлагаемое устройство достаточно простое и компактное по конструкции, комплектуется серийно выпускаемыми опорными плитами седел 5 и легко компонуется на тягачах различного назначения.
Практическое использование заявляемого рекуперативного пружинно-гидравлического седельно-сцепного устройства автопоезда позволяет, при прочих достоинствах традиционных седельно-сцепных устройств, повысить эффективность автопоезда за счет уменьшения затрат мощности двигателем тягача и, как следствие, снижения расхода топлива в результате смещенного по времени поэтапного трогания с места или при торможении значительных по массе тягача и полуприцепа; снижения динамических нагрузок и повышения, таким образом, надежности благодаря амортизационным и демпфирующим свойствам упругой системы устройства; повышения плавности хода при движении автопоезда по недостаточно обустроенным дорогам и создания более комфортных условий труда водителю.