ХОДОВАЯ ЧАСТЬ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAIL VEHICLE RUNNING GEAR

Область техники
Изобретение относится к ходовой части рельсового транспортного средства, содержащей каркас рамы, определяющий продольное направление, поперечное направление и направление по высоте. Каркас рамы содержит две продольные балки и поперечину, соединяющую продольные балками в поперечном направлении с образованием по существу Н-образной конструкции. Каждая продольная балка имеет участок сопряжения подвески, объединенный со свободным концом продольной балки и образующий поверхность сопряжения первичного подвешивания для устройства первичного подвешивания, соединенного с соответствующим колесным узлом. Каждая продольная балка имеет участок поворотного сопряжения, объединенный с участком поверхности сопряжения первичного подвешивания и образующий поворотное сопряжение для поворотного рычага, соединенного с соответствующим колесным узлом. Поверхность сопряжения первичного подвешивания выполнена с возможностью восприятия результирующей опорной силы, действующей на свободный конец, когда каркас рамы опирается на соответствующий колесный узел. Изобретение также относится к рельсовому транспортному средству с ходовой частью в соответствии с изобретением.
Уровень техники
Такая рама ходовой части известна, например, из DE 4136926 А1. Эта рама благодаря особой конструкции опоры на колесные узлы (например, колесные пары или колеса в сборе и т.д.) особенно хорошо приспособлена для применения в транспортных средствах с низким уровнем пола, таких как трамваи и т.п. Тем не менее, благодаря опоре, использующей горизонтально расположенную первичную подвесную пружину, примыкающую к стойке, которая существенно оттянута в продольном направлении относительно поворотного сопряжения, рама ходовой части имеет очень сложную, разветвленную геометрию. Следовательно, как и для многих других структурных компонентов для рельсового транспортного средства, изготовление рамы ходовой части, известной из документа DE 4136926 А1, выполняют с помощью сварки листового материала не только из-за ее сравнительно сложной геометрии. Этот способ изготовления имеет недостаток, который заключается в том, что он требует сравнительно большой доли ручного труда, что делает производство рам ходовых частей сравнительно дорогостоящим.
С другой стороны, стойка и горизонтально расположенная первичная подвесная пружина требуют сравнительно много места. Так как обычно доступное пространство в ходовой части (для размещения множества компонентов, требуемых в современных рельсовых транспортных средствах) сильно ограничено, то такая конструкция является менее предпочтительной. Кроме того, необходимо приложить большие усилия, чтобы поместить все необходимые компоненты в ограниченное доступное пространство, что, в конечном счете, увеличивает общую стоимость транспортного средства. При этом поворотный рычаг имеет сравнительно сложную и нагруженную конструкцию, тем самым также увеличивая общую сложность, вес и, в конечном счете, общую стоимость транспортного средства.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание ходовой части, которая не имеет указанных выше недостатков или обладает ими в меньшей степени, более компактных размеров и позволяет упростить ее изготовление благодаря повышению степени автоматизации.
Указанные задачи решены в раме ходовой части, соответствующей п. 1 формулы изобретения.
Изобретение позволяет получить более компактную и простую конструкцию в изготовлении, если поверхность сопряжения первичного подвешивания выполнена так, что результирующая опорная сила, действующая на соответствующий свободный конец (т.е. суммарная сила, складывающаяся из всех опорных сил, действующих посредством первичного подвешивания на свободный конец, когда рама ходовой опирается на колесный узел) наклонена относительно продольного направления и направления по высоте.
Следует отметить, что, если ниже не сказано иное, то все утверждения, касающиеся наклона суммарной результирующей силы, относятся к неподвижному состоянию, когда рельсовое транспортное средство стоит на прямом горизонтальном пути при номинальной нагрузке.
Наклон результирующей опорной силы относительно и продольного направления, и направления по высоте, в частности, позволяет реализовать хорошие конструкции с точки зрения требуемого пространства. В частности, по сравнению с конструкцией, известной из DE 4136926 А1, такое расположение позволяет устройству первичного подвешивания сместиться ближе к колесному узлу, а именно, ближе к оси вращения колесного узла. Это дает то, что поверхность сопряжения первичного подвешивания также может быть расположена ближе к колесному блоку, экономя пространство в центральной части ходовой части. В частности, поворотный рычаг, соединенный с колесным узлом, может иметь малые размеры и быть более легким и менее сложной конструкции.
Например, такая наклонная суммарная опорная сила дает возможность реализовать соединение между поворотным рычагом и каркасом рамы на участке поворотного сопряжения, которое является саморегулируемым под нагрузкой (из-за компонента результирующей силы, действующего в продольном направлении и направлении по высоте), при этом оставаясь легко демонтируемым при отсутствии нагрузки на опоры, как более подробно описано в заявке DE 102011110090.7.
В такой конструкции участок поверхности сопряжения смещается ближе к колесному узлу, что позволяет использовать автоматизированный процесс литья для производства каркаса рамы.
Ходовая часть рельсового транспортного средства согласно изобретению содержит каркас рамы, определяющий продольное направление, направление поперечное и направление по высоте. Каркас рамы включает в себя две продольные балки и поперечину, соединяющую продольные балки в поперечном направлении с образованием по существу Н-образной конструкции. Каждая продольная балка имеет участок сопряжения подвески, объединенный со свободным концом продольной балки и образующий поверхность сопряжения первичного подвешивания для устройства первичного подвешивания, соединенного с соответствующим колесным узлом. Каждая продольная балка имеет также участок поворотного сопряжения, объединенный с участком поверхности сопряжения первичного подвешивания и образующий поворотное сопряжение для поворотного рычага, соединенного с соответствующим колесным узлом. Поверхность сопряжения первичного подвешивания выполнена с возможностью восприятия результирующей опорной силы, действующей на свободный конец, когда каркас рамы опирается на соответствующий колесный узел. Поверхность сопряжения первичного подвешивания выполнена так, что результирующая опорная сила наклонена относительно продольного направления и направления по высоте.
В основном, результирующая опорная сила может иметь любой желаемый и подходящий наклон относительно продольного направления и направления по высоте. Предпочтительно, результирующая опорная сила наклонена относительно направления по высоте на угол первичного подвешивания, составляющий от 20° до 80°, предпочтительно от 30° до 70°, а наиболее предпочтительно - от 40° до 50°, так как эти значения, помимо прочего, особенно благоприятны с точки зрения компактности конструкции, а также передачи опорных нагрузок от колесного блока через первичное подвешивание на каркас рамы.
Между результирующей опорной силой и колесным узлом, в частности, осью вращения колеса, можно выбрать любое желаемое соотношение. Предпочтительно, соответствующий колесный узел соединен с каркасом рамы через поворотный рычаг, шарнирно соединенный с поворотным сопряжением. Поверхность сопряжения первичного подвешивания и устройство первичного подвешивания выполнены так, что результирующая опорная сила пересекает вал колеса колесного узла, в частности, его ось вращения. Такая конструкция, помимо прочего, приводит к наилучшей передаче опорных нагрузок от колесного узла на первичное подвешивание и далее на каркас рамы.
Поверхность сопряжения первичного подвешивания может иметь любую желаемую форму. Например, может быть выполнена одна или несколько отдельных поверхностей сопряжения. Эти поверхности сопряжения могут также иметь любую желаемую форму, например, плоскую, изогнутую, а также ступенчатую форму в сечении и т.д.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения поверхность сопряжения первичного подвешивания определяет основную плоскость сопряжения, которая выполнена с возможностью восприятия по меньшей мере большей части результирующей опорной силы. Основная плоскость сопряжения наклонена относительно продольного направления и/или наклонена относительно направления по высоте. Предпочтительно, основная плоскость сопряжения наклонена относительно направления по высоте на угол основной плоскости сопряжения, составляющий от 20° до 80°, предпочтительно от 30° до 70°, а наиболее предпочтительно от 40° до 50°. Кроме того, предпочтительно основная плоскость сопряжения по существу параллельна поперечному направлению, что дает конструкцию очень простую в изготовлении, а также приводит к благоприятной передаче сил на каркас рамы.
Может быть выбрано любое желаемое и подходящее положение поверхности сопряжения первичного подвешивания относительно поворотного сопряжения. Тем не менее, предпочтительно участок поворотного сопряжения в продольном направлении расположен так, что он, по меньшей мере частично, находится за центром поверхности сопряжения первичного подвешивания, что дает очень простую конструкцию конца продольной балки в виде стойки. Это позволяет изготавливать каркас рамы путем автоматического процесса литья. Кроме того, такая конструкция благоприятна для конструкции поворотного рычага и передачи опорных нагрузок на каркас рамы.
Центры передней и задней поверхностей сопряжения первичного подвешивания одной из продольных балок в продольном направлении определяют максимальное расстояние между ними. Кроме того, передний участок поворотного сопряжения объединен с передней поверхностью сопряжения первичного подвешивания и определяет переднюю ось поворота переднего поворотного рычага, а задний участок поворотного сопряжения объединен с задней поверхностью сопряжения первичного подвешивания и определяет заднюю ось поворота заднего поворотного рычага, при этом передняя и задняя оси поворота в продольном направлении определяют расстояние между ними. Предпочтительно, расстояние между осями поворота составляет от максимального расстояния между центрами поверхностей сопряжения первичного подвешивания от 60% до 105%, предпочтительно от 70% до 95%, а наиболее предпочтительно от 80% до 85%. Такая конструкция особенно благоприятна с точки зрения конструкции поворотного рычага и передачи опорных нагрузок на каркас рамы.
В основном, узел первичного подвешивания и, следовательно, поверхность сопряжения первичного подвешивания могут иметь любую желаемую и подходящую форму. Например, применительно к соответствующему сопряжению можно использовать любое желаемое число и/или любой тип первичного пружинного элемента. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения, имеющих очень простую конструкцию, поверхность сопряжения первичного подвешивания выполнена с возможностью взаимодействия с одним устройством первичного подвешивания. Предпочтительно, устройство первичного подвешивания сформировано в виде единого узла первичного подвешивания, который, предпочтительно, образован одной первичной подвесной пружиной, что дает конструкцию, которую очень просто и легко изготовить. Можно использовать первичную подвесную пружину любого типа. Предпочтительно в качестве первичной подвесной пружины используется резинометаллический пружинный узел из-за его компактности и надежности.
Каркас рамы, в общем, может быть изготовлен с применением любого желаемого производственного процесса. Тем не менее, конструкция участка поверхности сопряжения с наклонной результирующей опорной силой и близким расположением участка поверхности сопряжения и колесного блока позволяет перейти к более экономичному производству каркаса рамы с использованием автоматизированного процесса литья. При сдвиге конца продольной балки в сторону колесного узла каркас может быть менее разветвленным и, следовательно, иметь менее сложную конструкцию (по сравнению с каркасом, известным из DE 4136926 А1), которая подходит для автоматизированного процесса литья.
Таким образом, в предпочтительных вариантах осуществления изобретения каркас рамы выполнен в виде монолитного компонента из серого чугуна. Серый чугун обладает хорошей текучести во время литья благодаря высокому содержанию углерода и, следовательно, допускает очень высокую надежность технологического процесса. Было установлено, что из-за одного или нескольких изменений геометрии, допустимо перейти на серый чугун, что позволяет производить сравнительно большой каркас рамы со сложной трехмерной геометрией в обычных литейных формах производственной линии автоматического литья. Таким образом, производство каркаса рамы сильно упрощается и становится более экономичным. На практике оказалось, что по сравнению с обычной сварной рамой ходовой части при таком автоматизированном процессе литья можно получить снижение затрат более чем на 50%.
Еще одним преимуществом серого чугуна является его улучшенные свойства демпфирования по сравнению с обычно используемой сталью. Это особенно предпочтительно в отношении сокращения передачи вибраций в пассажирский салон рельсового транспортного средства.
Серый чугун может представлять собой любой подходящий серый литейный чугун. Предпочтительно использовать серый чугун с шаровидным графитом или чугун со сфероидным графитом (SGI). Также можно использовать высокопрочный чугун после изотермической закалки с выдержкой в бейнитной области (ADI). Таким образом, можно использовать материалы EN-GJS в соответствии с действующими европейскими стандартами EN 1563 (для материалов SGI) и EN 1564 (для материалов ADI). Особенно подходящими материалами являются материалы EN-GJS-400 (в соответствии с европейским стандартом EN 1563), которые обеспечивают хороший компромисс между прочностью, удлинением при разрыве и ударной прочностью. Предпочтительно использовать материал EN-GJS-400-18U LT, который отличается повышенной ударной прочностью при низких температурах. Другим предпочтительным материалом может быть EN-GJS-350-22-LT.
В других предпочтительных вариантах осуществления изобретения, позволяющих получить сравнительно простую конструкцию каркаса рамы, хорошо приспособленную для автоматизированного процесса литья, каждая продольная балка имеет объединенную со свободным концом угловую часть, образующую стойку, в основном проходящую в направлении по высоте. Предпочтительно, участок поворотного сопряжения встроен в угловую часть. Объединение участка поворотного сопряжения с угловой частью обеспечивает заметное снижение сложности геометрии рамы, что упрощает использование серого чугуна для формирования каркаса рамы в виде монолитного компонента (т.е. для формирования каркаса рамы в виде одной детали) в ходе автоматизированного процесса литья.
Встраивание участка поворотного сопряжения в угловую часть можно получить посредством любой подходящей геометрии, предотвращающей разделение конструкции на отдельные ответвления, в которые должен следовать поток материала во время литья. Предпочтительно, участок поворотного сопряжения в продольном направлении расположен так, что он, по меньшей мере частично, находиться за соответствующим свободным концом, что позволяет простым способом обеспечить внедрение участка поворотного сопряжения в угловую часть.
Передний и задний свободные концы одной из продольных балок в продольном направлении определяют ее максимальную длину. Передний участок поворотного сопряжения объединен с передним свободным концом, а задний участок поворотного сопряжения объединен с задним свободным концом, при этом передний и задний участки поворотных сопряжений в продольном направлении определяют максимальный размер между поворотными сопряжениями. Предпочтительно, максимальный размер между поворотными сопряжениями составляет от 70% до 110%, предпочтительно от 80% до 105%, а наиболее предпочтительно от 90% до 95% от максимальной длины продольной балки. В результате получается очень компактная конструкция, имеющая (или совсем не имеющая) сравнительно небольшой продольный выступ в области поворотного сопряжения и, следовательно, выполняются соответствующие начальные условия для оптимального течения материала во время литья, которые имеют важное значение в автоматизированном процессе.
В некоторых вариантах осуществления изобретения передний участок поворотного сопряжения, объединенный с передним свободным концом, определяет переднюю ось поворота переднего поворотного рычага, а задний участок поворотного сопряжения, объединенный с задним свободным концом, определяет заднюю ось поворота заднего поворотного рычага. Передняя и задняя оси поворота в продольном направлении определяют расстояние между ними, которое составляет от максимальной длины продольной балки от 60% до 90%, предпочтительно от 70% до 80%, а наиболее предпочтительно от 72% до 78%.
При соответствии требованиям автоматизированного литья можно получить каркасы рам ходовых частей, имеющих значительный размер во всех трех измерениях в пространстве, в частности, не только в «горизонтальной» плоскости (т.е. в плоскости параллельной продольному и поперечному направлениям), но также и в направлении по высоте. В направлении по высоте одна из продольных балок в центральной по ее длине части определяет нижнюю сторону и максимальную высоту в центре продольной балки над ее нижней стороной, а один из свободных концов продольной балки определяет максимальную высоту над ее нижней стороной. Максимальная высота балки составляет от максимальной высоты в центре балки от 200% до 450%, предпочтительно от 300% до 400%, более предпочтительно от 370% до 380%. Такой существенный размер по высоте стойки, помимо прочего, упрощает конструкцию узла первичного подвешивания (а именно, переход от известной горизонтальной конструкции к наклонной конструкции), что более подробно будет объяснено далее.
Поперечина может иметь любую желаемую форму и конструкцию. Например, она может содержать одну или несколько поперечных балок, соединяющих между собой две продольные балки. Такая поперечная балка может иметь любое желаемое поперечное сечение. Например, поперечная балка может иметь в целом прямоугольную форму с замкнутым или в целом кольцевым поперечным сечением. Тем не менее, можно выбрать множество других типов поперечных балок. Например, можно выбрать обычную двутавровую балку.
Предпочтительно поперечина содержит по меньшей мере одну поперечную балку, которая в плоскости, параллельной продольному направлению и направлению по высоте, имеет по существу С-образное поперечное сечение. Такая открытая конструкция обладает тем преимуществом, что (несмотря на общую жесткость используемых материалов) поперечная балка является сравнительно податливой на скручивание, т.е. обладает сравнительно низким сопротивлением крутящим моментам вокруг поперечной оси (по сравнению с наиболее близкой конструкцией поперечной балки, в целом имеющей прямоугольную форму). Эта конструкция особенно предпочтительна в отношении безопасности при сходе с рельсов ходовой части, так как сама рама ходовой части может обеспечить некоторую деформацию кручения для выравнивания сил контакта колеса с рельсом на всех четырех колесах.
Можно выбрать любую желаемую ориентацию по существу С-образного поперечного сечения. В частности, ее можно задать в зависимости от величины и/или ориентации изгибающей нагрузки, прилагаемой к поперечной балке. Предпочтительно по существу С-образное поперечное сечение открыто в продольном направлении в сторону свободного конца каркаса рамы и по существу замкнуто в направлении к центру каркаса рамы. Такая конструкция особенно благоприятна при наличии более одной поперечной балки и с обеспечением низкой жесткости на кручение поперечины.
По существу С-образное поперечное сечение может быть расположено в любом месте поперечины. Предпочтительно С-образное поперечное сечение проходит в поперечном направлении в центральной части поперечины, так как именно в этом месте может быть достигнуто благоприятное влияние на жесткость поперечины на кручение.
По существу С-образное поперечное сечение может проходить по всей протяженности поперечины. Предпочтительно по существу С-образное поперечное сечение проходит в поперечном направлении в центральной части поперечины, занимая по отношению к поперечному расстоянию между продольными средними линиями продольных балок в области поперечины не менее 50%, предпочтительно не менее 70%, а наиболее предпочтительно - от 80% до 95%.
Предпочтительно поперечина содержит вторую поперечную балку. Такая конструкция по сравнению с конструкцией с одной поперечной балкой позволяет легко обеспечить соответствие механических свойств с конкретными требованиями к ходовой части. Предпочтительно первая и вторая поперечные балки расположены по существу симметрично относительно плоскости, параллельной поперечному направлению и направлению по высоте, тем самым обеспечивая идентичные рабочие характеристики, независимо от направления движения.
Кроме того, поперечные балки, имеющие С-образные поперечные сечения, открытые стороны которых направлены в противоположные стороны, позволяют удержать сравнительно низкой увеличенную из-за наличия двух поперечных балок общую жесткость поперечины на кручение. Это вызвано тем, что замкнутые стороны двух поперечных балок (в продольном направлении) расположены близко к центру поперечины, так что их вклад в момент сопротивления скручиванию сравнительно низок.
Предпочтительно первая и вторая поперечные балки разделены в продольном направлении пазом, имеющим продольный размер. Такой паз между двумя поперечными балками придает каркасу рамы следующее преимущество: сопротивление скручиванию в плоскости основной протяженности двух балок увеличивается без добавления массы каркаса рамы, так что получается сравнительно легкая по весу конструкция. Кроме того, в такой паз легко можно встроить другие компоненты ходовой части, что особенно благоприятно в современных рельсовых транспортных средствах с их жесткими ограничениями по доступному пространству.
Продольный размер паза может быть выбран таким, какой необходим. Продольный размер паза составляет от 70% до 120%, предпочтительно от 85% до 110%, наиболее предпочтительно - от 95% до 105% от минимального продольного размера одной из поперечных балок в продольном направлении. В результате получается хорошо сбалансированная конструкция, имеющая как сравнительно низкую жесткость на кручение (вокруг поперечного направления), так и сравнительно высокую жесткость на изгиб (вокруг направления по высоте).
Первая и вторая поперечные балки могут иметь любую желаемую форму. Предпочтительно по меньшей мере одна из средних линий первой и второй поперечных балок имеет в целом криволинейную или многоугольную форму в первой плоскости, параллельной продольному и поперечному направлениям, и/или во второй плоскости, параллельной поперечному направлению и направлению по высоте. Такие в целом криволинейные или многоугольные формы средних линий поперечных балок позволяют приспособить форму поперечной балки к распределению нагрузок, действующих на соответствующую поперечную балку, что обеспечивает сравнительно плавное распределение напряжений в поперечной балке и, в конечном счете, дает сравнительно легкий по весу и оптимизированный по напряжениям каркас рамы.
В некоторых вариантах осуществления изобретения поперечина представляет собой локально, в частности в центре, суженный элемент, имеющий суженный участок, определяющий минимальный размер поперечины в продольном направлении. Такая суженная конструкция, помимо прочего, обладает преимуществом с точки зрения низкой жесткости на кручение каркаса рамы вокруг поперечного направления.
Суженный участок можно выбрать в зависимости от механических свойств, которые необходимо получить, в частности, от жесткости при кручении. Минимальный продольный размер поперечины составляет от 40 до 90%, предпочтительно от 50% до 80%, а наиболее предпочтительно - от 60% до 70% от максимального продольного размера поперечины в продольном направлении, измеренного в месте соединения поперечины с одной из продольных балок.
Преимущественно свободный конец продольной балки на участке, направленном от поверхности сопряжения с первичной подвесной пружиной, образует стопорную поверхность сопряжения со стопорным устройством. Предпочтительно стопорное устройство представляет собой поворотное и/или продольное стопорное устройство, приспособленное для образования силового соединения между каркасом рамы и компонентом, в частности, балкой или кузовом вагона, поддерживаемого каркасом рамы. Понятно, что такая конструкция особенно благоприятна, так как она обеспечивает высокую степень конструктивного объединения, давая сравнительно легкую по весу общую конструкцию.
Изобретение также относится к рельсовому транспортному средству, содержащему первую ходовую часть в соответствии с изобретением, опирающуюся на два колесных узла через основные пружинные узлы и поворотные рычаги, соединенные с каркасом рамы первой ходовой части, образуя первую ходовую часть. На каркас рамы может опираться еще один компонент рельсового транспортного средства, представляющий собой балку или кузов вагона.
Понятно, что в соответствии с этим объектом изобретения каркас рамы может быть выполнен в виде стандартного компонента, который может применяться для различных типов ходовых частей. Приспособить соответствующий каркас рамы к конкретному типу ходовой части можно с помощью установки на стандартный каркас рамы конкретных дополнительных компонентов. Такой подход очень предпочтителен с точки зрения коммерческой отдачи благодаря тому, что в дополнение к существенной экономии, получаемой вследствие автоматизированного процесса литья, надо изготовить только один тип каркаса рамы, который дает дополнительное существенное снижение затрат.
Предпочтительно рельсовое транспортное средство содержит вторую ходовую часть в соответствии с изобретением, опирающуюся на два колесных узла через основные пружинные узлы и поворотные рычаги, соединенные с каркасом рамы второй ходовой части, образуя вторую ходовую часть. Первая ходовая часть может являться ведущей и содержать привод, а вторая ходовая часть может не являться ведущей и не иметь привода. Предпочтительно, каркасы рам первой и второй ходовых частей являются по существу идентичными.
Следует отметить, что приспособление ходовой части к конкретному типу или назначению на основе идентичных каркасов рамы не ограничено отличиями с точки зрения ведущих и не ведущих ходовых частей. Можно использовать любые другие функциональные компоненты для получения соответствующей функционального различия между такими ходовыми частями на основе стандартизированных идентичных каркасов рам.
Дополнительные варианты осуществления изобретения будут понятны из зависимых пунктов формулы изобретения и дальнейшего описания со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана часть рельсового транспортного средства с ходовой частью в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, вид сбоку;
на фиг. 2 - каркас рамы ходовой части, показанной на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 3 - разрез по линии III-III на фиг. 2;
на фиг. 4 - каркас рамы, показанной на фиг. 2, вид спереди;
на фиг. 5 - ходовая часть, показанной на фиг. 1, вид в разрезе вдоль прямой V-V, показанной на фиг. 2;
на фиг. 6 - ходовая часть, показанная на фиг. 1, вид сверху.
Осуществление изобретения
Со ссылками на фиг. 1-6 будет более подробно описан предпочтительный вариант выполнения рельсового транспортного средства 101, содержащего ходовую часть 102 в соответствии с изобретением. Для упрощения понимания на фигурах показана система координат xyz, где (на прямом, горизонтальном пути Т) ось x определяет продольное направление рельсового транспортного средства 101, ось у определяет поперечное направление рельсового транспортного средства 101, а ось z определяет направление по высоте рельсового транспортного средства 101 (то же самое, конечно, применимо к ходовой части 102). Все дальнейшие указания на положение и ориентацию компонентов рельсового транспортного средства, пока не указано обратное, относятся к неподвижному состоянию, когда рельсовое транспортное средство 101 стоит на прямом горизонтальном пути при номинальной нагрузке.
Транспортное средство 101 представляет собой рельсовое транспортное средство с низким уровнем пола, такое как трамвай или т.п. Транспортное средство 101 содержит кузов 101.1 вагона, поддерживаемый при помощи системы подвески на ходовой части 102. Ходовая часть 102 содержит два колесных узла в виде колесных пар 103, поддерживающих раму 104 ходовой части посредством узла первичного подвешивания 105. Рама 104 ходовой части поддерживает кузов вагона посредством узла вторичного подвешивания 106.
Рама 104 ходовой части имеется каркас 107, содержащий две продольные балки 108 и поперечину 109, соединяющую продольные балки 108 в поперечном направлении с образованием по существу Н-образной конструкции. Каждая продольная балка 108 имеет два свободных конца 108.1 и центральный участок 108.2. Центральный участок 108.2 соединен с поперечиной 109, а свободные концы 108.1 образуют поверхность сопряжения 110 первичного подвешивания для устройства первичного подвешивания 105.1 узла первичного подвешивания 105, соединенного с соответствующим колесным узлом 103. В данном примере для устройства первичного подвешивания 105.1 используется компактная и надежная резинометаллическая пружина.
Каждая продольная балка 108 имеет угловую часть 108.3, объединенную с одним из свободных концов 108.1. Каждая угловая часть 108.3 выполнена так, что свободный конец 108.1 образует стойку, проходящую в основном в направлении по высоте. Таким образом, в основном каркас 107 рамы имеет сравнительно сложную, в целом трехмерную форму.
Каждая продольная балка 108 имеет участок 111 поворотного сопряжения, объединенный со свободным концом 108.1. Участок поворотного сопряжения 111 образует поворотное сопряжение поворотного рычага 112, жестко соединенного с подшипниковым узлом 103.1 колесной пары соответствующего колесного узла 103. Поворотный рычаг 112 шарнирно соединен с каркасом 107 рамы посредством болтового шарнирного соединения 113. Болтовое шарнирное соединение 113 содержит болт 113.1, определяющий ось вращения 113.2. Болт 113.1 вставляют в совмещенные выемки в раздвоенном конце поворотного рычага 112 и выемку 111.1 поворотного сопряжения в выступе 111.2 участка поворотного сопряжения 111 (выступ 111.2 входит между концевыми частями поворотного рычага 112).
Для упрощения конструкции каркаса 107 рамы, соответствующий участок 111 поворотного сопряжения встроен в угловую часть 108.3 продольных балок 108, образуя очень компактное устройство. Точнее, встраивание участка поворотного сопряжения 111 в угловую часть 108.3 приводит к сравнительно плавной, неразветвленной геометрии каркаса рамы.
Это компактное, плавное и неразветвленное устройство, помимо прочего, позволяет выполнить каркас.107 в виде монолитного компонента. В частности, каркас 107 рамы выполнен в виде одной литой детали путем литья из серого чугуна. Серый чугун обладает хорошей текучестью при литье, благодаря высокому содержанию углерода и, следовательно, допускает очень высокий уровень надежности технологического процесса.
Литье выполняют в обычные литейные формы производственной линии автоматического литья. Таким образом, производство каркаса 107 рамы сильно упрощено, и оно становится более экономичным по сравнению с обычными сварными каркасами рам. На практике оказалось, что при таком автоматизированном процессе литья можно получить (по сравнению с обычным сварным каркасом рамы) снижение затрат более чем на 50%.
В данном примере используется серый чугун с шаровидным или сфероидным графитом (SGI) в соответствии с действующим европейским стандартом EN 1563. В частности, используется материал EN-GJS-400-18U LT, который обеспечивает хороший компромисс между прочностью, относительным удлинением при разрыве и пластичностью, в частности, при низких температурах. Очевидно, что в зависимости от механических требований к каркасу рамы, можно использовать любой другой подходящий материал для литья, как описано выше.
Для достижения точного встраивания участка 111 поворотного сопряжения в угловую часть 108.3, соответствующий участок 111 поворотного сопряжения выполнен так, чтобы в продольном направлении (по оси x) он находился за соответствующим свободным концом 108.1.
LB,max
PI,max
В данном примере передний и задний свободные концы 108.1 каждой из продольных балок 108 в продольном направлении определяют максимальную длину L продольной балки 108. Кроме того, передний участок 111 поворотного сопряжения (связанный с передним свободным концом 108.1) и задний участок 111 поворотного сопряжения (связанный с задним свободным концом 108.1) в продольном направлении определяют максимальный размер L поворотного сопряжения продольной балки 108.
PI,max
LB,max
В данном примере максимальный размер L поворотного сопряжения составляет около 92% от максимальной длины L продольной балки, обеспечивая получение очень компактной конструкции, у которой нет продольного выступа в области поворотного сопряжения 111, и, следовательно, выполняют соответствующие начальные условия для оптимизации течения материала во время литья, что является неотъемлемой частью в автоматизированном процессе литья.
PA
LB,max
Более того, передняя ось 113.2 поворота (переднего поворотного рычага 112) и задняя ось 113.2 поворота (заднего поворотного рычага 112) в продольном направлении определяют расстояние L между осями поворота, которое составляет около 76% от максимальной длины L продольной балки.
LBC,max
LB,max
LB,max
LBC,max
Каркас 107 рамы в описываемом варианте осуществления изобретения подходит для автоматизированного литья, не смотря на его большие размеры во всех трех пространственных измерениях (x, y, z), в частности, большой размер не только в "горизонтальной" плоскости (т.е. плоскости xy), но также большой размер в направлении по высоте (оси z). В частности, как можно видеть на фиг. 3, в направлении по высоте продольный центральный участок 108.2 определяет нижнюю сторону и максимальную высоту H в центре продольной балки 108 над нижней стороной, а свободные концы 108.1 определяют максимальную высоту H балки над ее нижней стороной. Несмотря на то, что максимальная высота H балки в данном варианте осуществления изобретения составляет около 308% от максимальной высоты H в центре балки, каркас 107 рамы можно отлить в виде монолитного компонента.
TRS
PSF,x
Как показано на фиг. 5, значительное сокращение места (требуемого для каркаса 107 рамы в ходовой части) достигают тем, что поверхность 110 сопряжения первичного подвешивания выполнена с возможностью восприятия результирующей опорной силы F, действующей на соответствующий свободный конец 108.1 (т.е. суммарная сила, складывающаяся из всех опорных сил, действующих посредством первичного подвешивания 105 в области свободного конца 108.1, когда рама 104 ходовой части опирается на колесном узле 103), по существу параллельна плоскости xz, при этом являясь наклоненной относительно продольного направления (оси x) на угол α первичного подвешивания и наклоненного относительно направления по высоте (оси z) на дополнительный угол первичного подвешивания
trs
Такой наклон суммарной опорной силы F по сравнению с конструкцией, известной из DE 4136926 А1, позволяет устройству 105.1 первичного подвешивания перемещаться ближе к колесной паре 103, в частности, ближе к оси 103.2 вращения колесной пары 103. Это дает не только преимущество, заключающееся в том, что поверхность 110 сопряжения первичного подвешивания также может быть расположена ближе к колесному блоку, экономя пространство в центральной части ходовой части 102, но и позволяет выполнить поворотный рычаг 112, соединенный с подшипниковым узлом 103.1 колесной пары, меньшего размера, более легким и менее сложным.
trs
trs
trs
Более того, такая наклонная опорная сила F дает возможность реализовать соединение между поворотным рычагом 112 и каркасом 107 рамы в участке 111 поворотного сопряжения 111, которое является саморегулируемым под нагрузкой (из-за компонента результирующей силы F, действующего в продольном направлении и направлении по высоте), при этом оставаясь легко демонтируемым при отсутствии нагрузки F на опоры, как более подробно описано в заявке DE 102011110090.7.
В такой конструкции благодаря тому, что участок 110 поверхности сопряжения первичного подвешивания смещен ближе к колесной паре 103, дополнительно упрощается автоматизированное производство каркаса 107 рамы за счет использования автоматического процесса литья.
trs
trs
PSF,x
PSF,z
PSF,x
trs
Хотя по существу результирующая опорная сила F может иметь любой желаемый и подходящий наклон относительно продольного направления и направления по высоте, в данном примере результирующая опорная сила F наклонена относительно продольного направления на угол первичного подвешивания α=45°. Таким образом, результирующая опорная сила наклонена относительно направления по высоте на дополнительный угол первичного подвешивания α=90°-α=45°. Такой наклон обеспечивает особенно компактную и, следовательно, удобную конструкцию. Более того, он также обеспечивает эффективную передачу опорных нагрузок F от колесной пары 103 на каркас 107 рамы. Как следствие, стойка или конец 108.1 может быть выполнены с небольшим наклоном вперед, что благоприятно с точки зрения облегчения течения материала при литье и, следовательно, можно использовать автоматизированный процесс литья.
trs
trs
Как показано на фиг. 5, поверхность 110 сопряжения первичного подвешивания и устройство 105.1 первичного подвешивания выполнены так, что результирующая опорная сила F пересекает вал 103.3 колесной пары 103, приводя к эффективной передаче опорных нагрузок от колесной пары 103 на устройство первичного подвешивания 105.1 и далее на каркас 107 рамы. В частности, суммарная результирующая опорная сила F пересекает ось 103.2 вращения вала 103.3 колес.
trs
trs
Такая конструкция, помимо прочего, дает сравнительно короткое плечо рычага результирующей опорной силы F (например, плечо A рычага в месте шарнирного болта 113.1) и, следовательно, сравнительно низкие изгибающие моменты, действующие в продольной балке 108, которые, в свою очередь, допускают более легкую по весу конструкцию каркаса 107 рамы.
Еще одно преимущество описанной выше конструкции заключается в том, что поворотный рычаг 112 может иметь очень простую и компактную конструкцию. В частности, поворотный рычаг 112, совмещенный с подшипниковым узлом 103.1 колесной пары, отдельно от раздвоенного концевого участка (в который входит шарнирный болт 113.1) просто определяет соответствующую опорную поверхность для устройства 105.1 первичного подвешивания, расположенного возле внешней окружности подшипникового узла 103.1 колесной пары. Таким образом, по сравнению с известными конструкциями для передачи опорных сил на устройство 105.1 первичного подвешивания не требуется никаких сложных рычагов или т.п.
trs
Хотя поверхность 110 сопряжения первичного подвешивания может иметь любую желаемую форму, в данном примере поверхность 110 представляет собой простую плоскую поверхность 110.1 с двумя выступами 110.2 по бокам (на которые опираются соответствующие поверхности устройства первичного подвешивания 105.1, помимо прочего, для центрирования). Плоская поверхность 110.1 определяет основную плоскость поверхности сопряжения и выполнена так, что воспринимает большую часть результирующей опорной силы F.
trs
Основная плоскость 110.1 поверхности сопряжения выполнена так, чтобы проходить по существу перпендикулярно результирующей опорной силе F, а также по существу параллельно поперечному направлению (оси y). Как следствие, основная плоскость 110.1 поверхности сопряжения наклонена относительно продольного направления и наклонена относительно направления по высоте. В частности, основная плоскость 110.1 поверхности сопряжения наклонена относительно направления по высоте на угол основной плоскости поверхности сопряжения.
MIP,z
Таким образом, в данном случае основная плоскость 110.1 поверхности сопряжения наклонена относительно направления по высоте на угол α=45°, основной плоскости поверхности сопряжения.
PA
psic
Чтобы получить слегка наклоненную вперед конструкцию свободного конца 108.1 и описанные выше преимущества, в данном примере участок 111 поворотного сопряжения в продольном направлении расположен за центром 110.3 поверхности сопряжения 110 первичного подвешивания. Для этого, в данном варианте расстояние L между поворотными осями составляет 82% от максимального расстояния L между центрами сопряжений первичного подвешивания, определяющиеся (в продольном направлении) центрами 110.3 передней и задней поверхностей сопряжения 110 первичного подвешивания продольных балок 108.
Поперечина 109 содержит две поперечные балки 109.1, которые расположены по существу симметрично относительно плоскости, параллельной плоскости yz и расположенной по центру каркаса 107 рамы. Поперечные балки 109.1 (в продольном направлении) разделены пазом 109.5.
Как показано на фиг. 3, каждая поперечная балка 109.1 в плоскости параллельной плоскости xz имеет по существу С-образное поперечное сечение с внутренней стенкой 109.2, верхней стенкой 109.3 и нижней стенкой 109.4. С-образное поперечное сечение выполнено так, что в продольном направлении оно открыто в сторону свободного конца каркаса 107 рамы (расположено ближе к нему) и по существу замкнуто внутренней стенкой 109.2, расположенной около центра каркаса 107 рамы. Иными словами, открытые стороны поперечных балок 109.1 направлены друг от друга.
Такая открытая конструкция поперечной балки 109.1 обладает тем преимуществом, что (несмотря на общую жесткость используемых материалов) одиночная поперечная балка 109.1 является сравнительно податливой на скручивание, т.е. обладает сравнительно низким сопротивлением крутящим моментам вокруг поперечной оси у (по сравнению с наиболее близкой конструкцией поперечной балки, в целом имеющей прямоугольную форму). То же самое применимо к поперечине 109 в целом, так как внутренние стенки 109.2 (в продольном направлении) расположены близко к центру поперечины 109, так что их вклад в момент сопротивления скручиванию вокруг поперечной оси у сравнительно низок.
G,max
TB,min
Максимальный продольный размер L паза 109.5 в центральной области каркаса 107 рамы составляет примерно 100% от минимального продольного размера L одной из поперечных балок 109.1 в продольном направлении (в центральной области каркаса 107 рамы). Паз 109.5 увеличивает сопротивление скручиванию в плоскости основной протяженности двух поперечных балок 109.1 (параллельной плоскости ху) без добавления массы каркаса 107 рамы, так что позволяет получить сравнительно легкую по весу конструкцию.
В паз 109.5 легко можно вставить другие компоненты ходовой части 102 (такие как поперечный демпфер 114, показанный на фиг. 6), что особенно полезно в современных рельсовых транспортных средствах с их жесткими ограничениями, касающимися доступного пространства.
tbc
lbc
С-образное поперечное сечение проходит в поперечном направлении в центральной части поперечины 109, так как в этом месте оказывается наиболее благоприятное влияние на жесткость при кручении поперечины. В данном варианте по существу С-образное поперечное сечение проходит на всем протяжении поперечины в поперечном направлении (т.е. от одной продольной балки 108 до другой продольной балки 108). Таким образом, в данном примере С-образное поперечное сечение проходит на расстояние W в поперечном направлении, занимая 85% от расстояния W в поперечном направлении между продольными средними линиями 108.4 продольных балок 108 в области поперечины 109. Это позволяет получить особенно хорошую жесткость на кручение даже для каркаса 107 рамы из серого чугуна.
То, что было рассмотрено в отношении протяженности в поперечном направлении для С-образного поперечного сечения, также применимо к протяженности паза 109.5. Кроме того, следует отметить, что размер продольного паза не обязательно должен быть таким же, как и вдоль поперечного направления. При необходимости можно выбрать любую желаемую ширину паза.
В данном примере каждая поперечная балка 109.1 определяет среднюю линию 109.6, которая имеет в целом криволинейную или многоугольную форму в первой плоскости, параллельной плоскости ху и во второй плоскости, параллельной плоскости yz. Такие в целом криволинейные или многоугольные формы средних линий 109.6 поперечных балок позволяют приспособить форму соответствующей поперечной балки 109.1 к распределению действующих на нее нагрузок, что приводит к сравнительно ровному распределению напряжений и, в конечном счете, к сравнительно легкому по весу и оптимизированному по напряжениям каркасу 107 рамы.
TBU,min
TBU,max
Как показано на фиг. 2 и 6, поперечина 109 имеет в центре сужение, т.е. суженный участок 109.7, определяющий минимальный продольный размер L поперечины (в продольном направлении), который составляет 65% от максимального продольного размера L поперечины (в продольном направлении). Этот максимальный продольный размер в данном случае определяется в месте соединения поперечины 109 с одной из продольных балок 108.
Протяженность сужения поперечины 109 может быть выбрана в зависимости от механических свойств каркаса 107 рамы (в частности, жесткости на скручивание каркаса 107 рамы), которых необходимо достичь. В любом случае, в вышеописанной конструкции поперечины получается хорошо сбалансированная конструкция, имеющая и сравнительно низкую жесткость на скручивание (вокруг поперечного направления), и сравнительно высокую жесткость на изгиб (вокруг направления по высоте). Эта конструкция особенно предпочтительна в отношении безопасности при сходе с рельсов ходовой части 102, так как рама 104 ходовой части может обеспечить некоторую деформацию кручения для выравнивания сил контакта колеса с рельсом на всех четырех колесах колесных пар 103.
Как показано на фиг. 3 и 6, свободный конец 108.1 на участке, направленном от поверхности 110 сопряжения первичного подвешивания, образует стопорную поверхность сопряжения со стопорным устройством 115. Стопорные устройства 115 объединяют функциональность поворотного и продольного стопорного устройства кузова 101.1 вагона. Более того, стопорные устройства 115 также приспособлены для того, чтобы образовывать силовую связь между каркасом 107 рамы и кузовом 101.1 вагона, поддерживаемым каркасом 107 рамы. Понятно, что такая конструкция особенно благоприятна, так как она обеспечивает высокую степень конструктивного объединения, давая сравнительно легкую по весу общую конструкцию.
Как показано на фиг. 1, кузов 101.1 вагона (более точно, либо одна и та же часть кузова 101.1 вагона, также поддерживаемая первой ходовой частью 102, либо другая часть кузова 101 вагона) поддерживается на дополнительной второй ходовой части 116. Вторая ходовая часть 116 идентична первой ходовой части 102 во всех описанных выше деталях. Тем не менее, тогда как первая ходовая часть 102 является ведущей и имеет привод (не показан), установленный на каркасе 107 рамы, вторая ходовая часть 116 не является ведущей и не имеет установленного на каркасе 107 рамы привода.
Таким образом, каркас 107 рамы образован стандартным компонентом, который используют как для первой ходовой части 102, так и для второй ходовой части, т.е. для разных типов ходовых частей. Приспособить соответствующий каркас 107 рамы к конкретному типу ходовой части можно с помощью установки на стандартный каркас 107 рамы специальных дополнительных компонентов. Такой подход очень предпочтителен с точки зрения коммерческой отдачи. Это происходит благодаря тому, что в дополнение к существенной экономии, получаемой вследствие автоматизированного процесса литья, надо изготовить только один тип каркаса 107 рамы, что дополнительно существенно снижение затраты.
Следует отметить, что приспосабливание ходовой части 102, 116 к конкретному типу или назначению на основе одинаковых каркасов 107 рамы не ограничено отличиями с точки зрения ведущих и не ведущих ходовых частей. Можно использовать любые другие функциональные компоненты (такие, как, например, специальные типы тормозов, системы перекоса, системы обеспечения качения, стабилизатор поперечной устойчивости и т.д.) для получения соответствующих функциональных различий между такими ходовыми частями на основе стандартных идентичных каркасов 107 рамы.
Хотя изобретение было описано только в отношении ходовых частей с расположенными внутри подшипниками колесных пар, следует отметить, что настоящее изобретение также может быть использовано в ходовых частях с подшипниками колесных пар, расположенными снаружи. Для этого потребуются небольшие изменения рамы ходовой части, в частности, продольных балок и расположения компонентов, таких как магнитные тормоза и т.д. для адаптации к различной ширине колеи.
Изобретение было описано только на примере для рельсовых транспортных средств с низким уровнем пола, однако понятно, что оно также может быть использовано в любых типах рельсовых транспортных средств для исключения указанных выше проблем сравнительно простым путем снижая производственные затраты.