МОДУЛЬ СИЛОВОГО УЗЛА СЦЕПНОГО УСТРОЙСТВА И СЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО С ТАКИМ МОДУЛЕМ (ВАРИАНТЫ)
COUPLER LOAD-BEARING ASSY MODULE AND COUPLER WITH SUCH MODULE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения, в частности к компоновочным решениям сцепных устройств с изменяемой длиной, служащих для соединения звеньев автопоездов или сочлененных транспортных средств, а также к компоновочным решениям их силовых узлов, и предназначена, преимущественно, для использования в транспортных средствах повышенной проходимости.
Задача, решаемая предлагаемой группой изобретений, направлена на создание для автопоездов или сочлененных транспортных средств экономически рентабельных и функционально эффективных сцепных устройств, обеспечивающих повышение проходимости транспортных средств путем выполнения при преодолении ими неровных и/или труднопроходимых участков рельефа местности дополнительных тяговых функций и обладающих эксплуатационной надежностью, технологичностью и ремонтопригодностью.
Основу большинства известных сцепных устройств с изменяемой длиной, служащих для соединения переднего и заднего звеньев транспортных средств (ТС) - автопоезда (АП) или сочлененного транспортного средства (СТС) - составляет один или несколько силовых узлов, каждый из которых, как правило, представляет собой шарнирно связанный с соединяемыми звеньями ТС напрямую или посредством промежуточных конструктивных элементов силовой цилиндр с раздвижным механизмом, содержащим переменной длины тяги, например, в виде имеющих между собой шарнирную связь раздвижных кронштейнов специальной формы (US №7520524, 2009 г.) или в виде гидроцилиндров (RU №12075 U1, 1999 г. и US №3446175, 1969 г.); либо взаимодействующие между собой контактными поверхностями сферические ограничители (SU №1705135, 1992 г.). Подобные механизмы служат для разгрузки силового цилиндра и/или конструктивного усиления силового узла, выполняя роль ограничителя, однако специфичность их исполнения для конкретного сцепного устройства в той или иной мере служит причиной конструктивного усложнения силовых узлов в целом и не позволяет провести их унификацию, а выполнение раздвижных тяг в виде гидроцилиндров (RU №12075 U1) или с их использованием (US №7520524) к тому же дополнительно нагружает гидросистему, к которой подключается сцепное устройство, и систему управления им.
Известен силовой узел сцепного устройства с изменяемой длиной, в частности для СТС, содержащий силовой цилиндр и раздвижной механизм с более простым конструктивным решением: в виде «ломающейся» пары шарнирно связанных между собой продольных тяг, имеющих концевые шарниры для присоединения к сочленяемым звеньям ТС (SU №816850, 1981 г.). Но в нем силовой цилиндр шарнирно закреплен не на соединяемых звеньях ТС, как в предыдущих аналогах, а на тягах - это ведет к снижению тяговых характеристик сцепного устройства и вынуждает дополнить его разгрузочным приспособлением для силового цилиндра в виде установленных по оси устройства двух телескопических балок.
Наиболее близким аналогом (прототипом) первого изобретения является модуль силового узла сцепного устройства, предназначенного для соединения, например, переднего и заднего звеньев СТС (SU №423700, 1974 г.), который содержит силовой цилиндр и раздвижной механизм, выполненный в виде «ломающейся» в горизонтальной или вертикальной плоскости пары рычагов, шарнирно связанных между собой, и в котором корпус и шток силового цилиндра, а также рычаги раздвижного механизма имеют концевые шарниры для взаимосвязи с соединяемыми звеньями ТС.
К недостаткам прототипа следует отнести его сниженную функциональную эффективность, препятствующую использованию прототипа в сцепных устройствах, реализующих заявленную задачу, поскольку при выполнении модуля силового узла с односторонним расположением раздвижного механизма относительно оси силового цилиндра, при котором концевые шарниры силового цилиндра и концевые шарниры рычагов имеют разные горизонтальные оси размещения, не исключается вероятность перекосов силового цилиндра при работе узла, особенно при значительном выдвижении штока, что, соответственно, может привести к его заклиниванию (даже при наличии двух модулей силового узла, как в прототипе). Тот же конструктивный недостаток не позволяет использовать этот силовой узел в сцепных устройствах типа жесткого дышла. К тому же уровень тяговых усилий, развиваемых таким силовым узлом, недостаточен.
Технический результат, получаемый от реализации предлагаемого изобретения, состоит в повышении технических параметров и эксплуатационной надежности силового узла сцепных устройств.
Другим достигаемым техническим результатом является повышение унификационного уровня силовых узлов, что способствует нормализации и типизации сцепных устройств и, соответственно, их технологичности в изготовлении и ремонте.
Технический результат достигается тем, что в модуле силового узла сцепного устройства с изменяемой длиной, содержащем силовой цилиндр с раздвижным механизмом, выполненным в виде «ломающейся» в горизонтальной или вертикальной плоскости пары шарнирно связанных между собой рычагов, в котором корпус и шток силового цилиндра, а также рычаги раздвижного механизма имеют концевые шарниры для взаимосвязи с соединяемыми звеньями ТС, согласно изобретению силовой цилиндр снабжен вторым раздвижным механизмом, выполненным аналогично упомянутому первому, оба раздвижных механизма установлены оппозитно друг другу симметрично относительно силового цилиндра параллельно его продольной оси или под углом к ней так, что концевые шарниры штока и корпуса силового цилиндра имеют с концевыми шарнирами рычагов, соответствующими им по расположению относительно соединяемых звеньев, общие горизонтальные оси, и длины рычагов каждого раздвижного механизма определяются условием, что расстояние между концевыми шарнирами полностью разложенной пары рычагов не превышает расстояния между концевыми шарнирами силового цилиндра в положении полного выдвижения его штока. При этом в конкретных вариантах исполнения узла в нем используется силовой цилиндр одностороннего или двухстороннего действия.
Кроме описанных выше из уровня техники известны также сцепные устройства с изменяемой длиной, предназначенные для соединения переднего и заднего звеньев ТС, в частности:
- из а. с. SU №1428650, 1988 г. - сцепное устройство для АП, представляющее собой дышло с изменяемой длиной в виде шарнирно связанных между собой и с соединяемыми звеньями ТС продольных тяг и двух гидроцилиндров, связанных с одной стороны с задним звеном ТС, а с другой - с упомянутыми шарнирами взаимосвязи тяг;
- из а. с. SU №553149, 1977 г. - сцепное устройство двухсекционного гусеничного транспортера, содержащее два побортно расположенных силовых цилиндра, шарнирно связанных с кронштейнами соединяемых звеньев.
В таких сцепных устройствах проблематично обеспечить требуемое для решения поставленной задачи по повышению проходимости ТС дополнительное тяговое усилие, развиваемое сцепным устройством, в первом из этих аналогов из-за того, что сцепное устройство не имеет силового цилиндра и не является тяговым; а во втором - из-за отсутствия ограничительного механизма.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по первому варианту является сцепное устройство с изменяемой длиной, содержащее расположенный по продольной оси ТС и подключенный к гидросистеме тягового звена один силовой узел, посредством соединительных средств шарнирно взаимосвязанный одной стороной с передним звеном ТС, а другой - с задним (RU №2101196, 1998 г.), в котором силовой узел состоит из силового цилиндра, расположенного внутри жесткого элемента, и двух тяг, выполненных в виде гидроцилиндров, расположенных по обе стороны от силового цилиндра, которые задействованы при прямолинейном движении ТС (совместно с силовым цилиндром образуют жесткий буксир или дышло при зафиксированных гидравлически в определенном положении штоках) и при поворотах ТС для принудительного складывания звеньев.
В прототипе тяги концевыми шарнирами посредством промежуточных элементов присоединяются к звеньям ТС, а связь силового гидроцилиндра с этими звеньями ТС осуществляется через жесткую трубу, в которой он размещен. При этом шарниры крепления тяг и силового цилиндра (трубы) на звеньях ТС расположены на разных уровнях (имеют разные горизонтальные оси), что приводит к снижению тяговых функций прототипа.
Выполнение сцепного устройства с таким силовым узлом, как в прототипе, усложняет его компоновочное решение и систему управления им, нагружает гидросистему тягача, а размещение силового цилиндра внутри жесткой трубы снижает его ремонтопригодность. В силу таких недостатков прототипа это сцепное устройство малоэффективно при реализации заявленной задачи.
Технический результат от реализации изобретения, касающегося сцепного устройства по первому варианту, заключается в конструктивном упрощении и повышении тяговых функций сцепного устройства, что позволяет повысить его функциональную и экономическую эффективность, складывающуюся из эксплуатационной надежности, технологичности и ремонтопригодности.
В этом изобретении технический результат достигается тем, что в сцепном устройстве, содержащем расположенный на продольной оси ТС и подключенный к гидро(пневмо)системе силовой узел, шарнирно взаимосвязанный посредством соединительных средств одной стороной с передним звеном ТС, а другой - с задним, согласно изобретению силовой узел выполнен в виде модуля, содержащего силовой цилиндр одностороннего действия с двумя раздвижными механизмами, каждый из которых выполнен в виде «ломающейся» в горизонтальной или вертикальной плоскости пары шарнирно связанных между собой рычагов, в котором оба раздвижных механизма установлены оппозитно друг другу симметрично по отношению к силовому цилиндру и под углом к его продольной оси так, что концевые шарниры штока и корпуса силового цилиндра имеют с концевыми шарнирами рычагов, соответствующими им по расположению относительно соединяемых звеньев, общие горизонтальные оси; и длины рычагов каждого раздвижного механизма определяются условием, что расстояние между концевыми шарнирами полностью разложенной пары рычагов не превышает расстояния между концевыми шарнирами силового цилиндра в положении полного выдвижения его штока, при этом соединительным средством со стороны переднего звена служит буксирное кольцо, размещенное на общей оси упомянутых шарниров модуля, а со стороны заднего звена шарниры модуля крепятся непосредственно к одному из элементов звена, например: к раме, элементам его каркаса, и гидро(пневмо)система выполнена с возможностью подсоединения к приводной гидро(пневмо)системе тягового звена или автономной и содержит, как минимум, источник давления и управляющий работой силового цилиндра двухпозиционный гидро(пневмо)распределитель, например золотниковый.
Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения по второму варианту определено сцепное устройство с изменяемой длиной (SU №423700, 1974 г.), содержащее побортно расположенные силовые узлы, подключенные к гидро(пневмо)системе тягового звена и взаимосвязанные шарнирно посредством соединительных средств с одной стороны с передним звеном ТС, а с другой - с задним. Модуль силового узла в прототипе представляет собой силовой цилиндр с раздвижным механизмом, установленным параллельно оси силового цилиндра с внешней стороны сцепки и выполненным в виде пары «ломающихся» в горизонтальной или вертикальной плоскости шарнирно связанных между собой рычагов. В нем концевые шарниры корпуса и штока силового цилиндра и концевые шарниры рычагов имеют разные точки соединения со звеньями ТС.
Недостаток прототипа состоит в том, что при преодолении ТС неровностей пути, как уже упоминалось выше, вероятны отказы в работе такого сцепного устройства из-за возможных перекосов раздвижной рамы, к тому же развиваемое им тяговое усилие из-за суммированных потерь энергии в промежуточных соединениях основных составляющих силовых узлов в силу их множественности снижено и использование такого сцепного устройства не может способствовать повышению проходимости СТС.
Технический результат, получаемый при реализации сцепного устройства по второму варианту изобретения, заключается в конструктивном усилении и повышении тяговых функций сцепного устройства, что позволяет повысить его функциональную и экономическую эффективность, складывающуюся из эксплуатационной надежности, технологичности и ремонтопригодности.
Для достижения заявленного технического результата в сцепном устройстве, содержащем, по меньшей мере, два побортно расположенных силовых узла, подключенных к гидро(пневмо)системе и шарнирно взаимосвязанных посредством соединительных средств одной стороной с передним звеном ТС, а другой - с задним, согласно изобретению каждый силовой узел выполнен в виде модуля, содержащего силовой цилиндр двухстороннего действия с двумя раздвижными механизмами в виде двух пар «ломающихся» в горизонтальной или вертикальной плоскости шарнирно связанных между собой рычагов, в котором оба раздвижных механизма установлены оппозитно друг другу симметрично по отношению к силовому цилиндру параллельно его продольной оси так, что концевые шарниры штока и корпуса силового цилиндра имеют с концевыми шарнирами рычагов, соответствующими им по расположению относительно соединяемых звеньев, общие горизонтальные оси, а длины рычагов каждого раздвижного механизма определяются условием, что расстояние между концевыми шарнирами полностью разложенной пары рычагов не превышает расстояния между концевыми шарнирами силового цилиндра в положении полного выдвижения его штока, при этом упомянутыми соединительными средствами служат размещенные на общих горизонтальных осях шарниров модуля сферические шарниры или подвижные кронштейны с тремя степенями свободы, обеспечивающие взаимное угловое перемещение сцепного устройства и соединяемого звена ТС в трех плоскостях: горизонтальной, продольной вертикальной и поперечной вертикальной, а гидро(пневмо)система выполнена с возможностью подсоединения к приводной гидро(пневмо)системе тягового звена или автономной и содержит, как минимум, источник давления и два трехпозиционных гидро(пневмо)распределителя, например золотниковых, каждый из которых управляет работой соответствующего ему силового цилиндра.
На представленных чертежах: на фиг.1 дан общий вид предлагаемого модуля силового узла, вид сверху в положении полностью выдвинутого штока силового цилиндра, пример; на фиг.2 - то же, вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 - общий вид сцепного устройства по первому варианту (с примерной схемой гидросистемы); на фиг.4 - то же по второму варианту.
Предлагаемый силовой узел 1 выполнен в виде модуля (фиг.1 и 2), который может быть использован в разнообразных модификациях сцепных устройств, как для АП, так и для СТС, и содержит силовой цилиндр 2 одностороннего или двухстороннего действия, корпус 3 и шток 4 которого имеют концевые шарниры 5 и 6, соответственно, для соединения с передним и задним звеньями ТС напрямую или посредством промежуточных элементов 7. Силовой цилиндр 2 снабжен двумя раздвижными механизмами 8, каждый из которых выполнен в виде «ломающейся» в горизонтальной или вертикальной плоскости пары шарнирно связанных между собой рычагов 9. Механизмы 8 размещены оппозитно друг другу симметрично относительно цилиндра 2 параллельно его продольной оси (фиг.4) или под углом к ней (фиг.3). Рычаги 9 механизмов 8 имеют концевые шарниры 10 и 11 для взаимосвязи с соединяемыми звеньями ТС, соответственно, передним и задним. При этом шарнир 5 цилиндра 2 и шарниры 10 рычагов 9 имеют общую горизонтальную ось 12, а шарнир 6 и шарниры 11 - общую горизонтальную ось 13. На осях 12 и 13 размещаются промежуточные соединительные элементы 7 сцепки (на фиг.1 показаны пунктиром), которые могут иметь различную конструкцию в зависимости от конкретного исполнения сцепного устройства, которому они принадлежат. Размещение цилиндра 2 штоком 4 в сторону того или иного звена ТС вариантно и зависит, в основном, от расположения гидро(пневмо)системы ТС, к которой он может быть подключен (предпочтительно учитывать наиболее приближенное, чтобы минимизировать протяженность коммуникаций), и не влияет на величину развиваемого им дополнительного тягового усилия.
Выполнение силового узла с двумя раздвижными механизмами, оппозитно расположенными по обе стороны силового цилиндра, позволяет исключить вероятность перекосов при работе узла.
Расстояние между осями 12 и 13, т.е. общая длина пары рычагов 9 и длина каждого из рычагов, определяется таким образом, чтобы расстояние между концевыми шарнирами полностью разложенной пары рычагов 9 не превышала расстояния между концевыми шарнирами силового цилиндра 2 в положении полного выдвижения его штока 4 - этим обеспечивается реализация предохранительных функций раздвижных механизмов 8 при работе силового цилиндра 2.
В таком исполнении узла 1 силовой цилиндр 2 с двумя симметрично расположенными раздвижными рычажными механизмами 8 и с едиными осями конечных шарниров представляет собой усиленный компоновочный блок, соединяющий звенья ТС, способный обеспечить не только передачу тягового усилия с тягового звена на прицепное с максимально минимизированными потерями, но и обеспечить достаточное собственное тяговое усилие, прилагаемое дополнительно к прицепному звену, и тем самым повысить проходимость составных ТС при преодолении его звеньями дорожных препятствий. При этом конструктивное построение узла по сравнению с известными аналогами лаконично и легко поддается унификации, что обеспечивает сцепным устройствам с его использованием эксплуатационную надежность, технологичность в изготовлении и ремонте, позволяет снизить трудовые и материальные затраты в их производстве и использовании.
Сцепное устройство по первому варианту (фиг.3), предназначенное для соединения переднего 14 и заднего 15 звеньев ТС, в частности АП, содержит один размещенный на продольной оси ТС силовой узел 1, выполненный в соответствии с первым изобретением в виде унифицированного модуля с цилиндром 2 одностороннего действия и двумя раздвижными механизмами 8, расположенными симметрично относительно продольной оси цилиндра 2 и под углом к ней.
Гидро(пневмо)система 16, к которой подключен цилиндр 2 силового узла 1, подсоединяется к соответствующей системе тягового звена 14 или может быть автономной, установленной, например, на прицепном звене 15 и содержит, как минимум, источник давления, насос (компрессор) и управляющий работой цилиндра 2 силового узла 1 гидро(пневмо)распределитель.
В конкретном примере исполнения сцепного устройства для автопоезда с прицепом, приведенном на фиг.3, система 16 выполнена независимой, установлена на прицепе и содержит в качестве источника давления насос 17, гидробак 18, фильтр 19 с перепускным клапаном 20 и золотниковый двухпозиционный гидрораспределитель 21 с электромагнитным управлением, гидравлически связанный с силовым цилиндром 2. Для управления ею предусмотрен электропневматический привод от штатной пневмосистемы тягача. Возможно также применение механического или электрического дистанционных приводов гидросистемы прицепа.
Сцепное устройство устанавливается на прицепе взамен дышла и соединяется с тягачом через стандартный буксирный крюк, закрепленный на раме тягача, буксирным кольцом 22.
При движении по прямой связь тягача 14 и прицепа 15 осуществляется через гидравлически заблокированный силовой цилиндр 2, как через обычное дышло.
В конструкции могут быть предусмотрены средства механической блокировки цилиндра 2, воздействующие на рычажный механизм 8, используемое при движении по ровной поверхности.
Поворот осуществляется традиционным способом за счет поворота передних колес прицепа 15 при помощи дышла, которое поворачивается в горизонтальной плоскости вправо или влево при повороте тягача 14.
При необходимости преодоления АП дорожного препятствия или слабонесущего грунта по пересеченной местности движение осуществляется следующим образом.
При подходе к препятствию передних колес прицепа 15 тягач 14 затормаживается, силовой цилиндр 2 разблокируется и в работу включается система 16. Насос 17 подает рабочую жидкость (гидравлическое масло) через фильтр 19 к гидрораспределителю 21, который обеспечивает поступление рабочей жидкости в полость цилиндров 2 со стороны штока. Тяговое усилие тягача и тяговое усилие, развиваемое силовым узлом 1 сцепного устройства, суммируются и под их воздействием прицеп 15 «подтягивается» к тягачу 14, т.к., когда передние колеса прицепа вступают в контакт с препятствием, усилие, развиваемое цилиндром 2, прикладывается к шарниру прицепа и передается на ось его колес, реализуя на последней толкающую силу, которая направлена вдоль линии, соединяющей центры шарниров 5 и 6 цилиндра 2. После выхода транспортного средства на горизонтальную поверхность шток цилиндра 2 вновь занимает нейтральное положение и при необходимости блокируется.
В случае преодоления рва, т.е. при «проваливании» колес передней оси прицепа в ров, сцепное устройство работает с тем же алгоритмом.
В сцепном устройстве по второму варианту в отличие от устройства по первому варианту имеется, как минимум, два побортно расположенных силовых узла 1, каждый из которых выполнен в соответствии с описанием первого изобретения, приведенным выше, в виде модуля, содержащего гидроцилиндр 2 двухстороннего действия, снабженный двумя раздвижными механизмами 8, расположенными параллельно продольной оси цилиндра 2.
В конкретном примере исполнения сцепного устройства по второму варианту, представленном на фиг.4, система 16 также выполнена независимой, установлена на тяговом звене (звене, оснащенном двигателем) и содержит в качестве источника давления насос 17, гидробак 18, фильтр 19 с перепускным клапаном 20. В данном варианте в ней содержится два золотниковых трехпозиционных гидрораспределителя 23, каждый из которых управляет гидроцилиндром 2 своего борта. Для управления ею предусмотрен электропневматический привод от штатной пневмосистемы тягача.
Для соединения силового узла 1 с звеньями 14 и 15 ТС предусмотрены размещенные на осях 12 и 13 сферические шарниры или подвижные кронштейны с тремя степенями свободы, обеспечивающие взаимное угловое перемещение сцепного устройства и соединяемого звена ТС в трех плоскостях: горизонтальной, продольной вертикальной и поперечной вертикальной (на фиг.4 это шарниры 24 и 25).
Работа сцепного устройства по второму варианту осуществляется аналогично описанному в первом варианте. При независимой работе гидроцилиндров 2 узлы 1 работают как механизм поворота, а при синхронном срабатывании гидроцилиндров обоих бортов они создаваемым дополнительным тяговым усилием облегчают преодоление ТС дорожных препятствий.
Оба варианта сцепного устройства с точки зрения достигаемого технического результата равноценны, отличаются между собой исполнением, определяемым их назначением: по первому варианту, в основном, для автопоездов; по второму - для СТС.
Сцепное устройство по второму варианту является наиболее оптимальным для применения на СТС, например на двухзвенных сочлененных автомобилях, у которых поворот осуществляется путем взаимного складывания звеньев с помощью цилиндров силовых узлов, когда возможно конструктивное объединение узла поворота и силового узла, создающего дополнительное тяговое усилие, необходимое для преодоления СТС препятствий.
Выполнение пары рычагов 9 «ломающейся» в горизонтальной или вертикальной плоскости диктуется конкретными компоновочными особенностями АП или СТС и задаваемым расстоянием между их соединяемыми звеньями.
Несмотря на то что данное описание касалось в основном ТС с колесными движителями, использование предлагаемых сцепных устройств в АП или СТС с гусеничными движителями возможно с тем же положительным эффектом.