СЕДЕЛЬНО-СЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО АВТОПОЕЗДА
BOLSTER-COUPLER FOR ROADTRAIN

Изобретение относится к транспортному машиностроению, а именно к седельно-сцепным устройствам транспортных средств.
Известно антискладывающееся седельно-сцепное устройство тягача с полуприцепом по патенту GB 1532535 (1978), B62D 53/08. Дисковые тормоза, принадлежащие полуприцепу, управляются гидравлической рулевой передачей трактора. Гидравлическое управление предполагает установку дополнительного гидроцилиндра, клапанов, шлангов и пр., что усложняет комплект средств управления.
Недостатками устройства является то, что оно не обеспечивает жесткость соединения тягача с полуприцепом при заднем ходе, а также не обладает достаточным быстродействием согласованного углового перемещения звеньев автопоезда в плоскости движения тягача, что приводит к складыванию автопоезда и не удовлетворяет требованиям по обеспечению управляемости, устойчивости движения и маневренности автопоездов.
К наиболее близкой к предлагаемому устройству относится конструкция Anti-jack-knifing [1]. Устройство имеет закрытый крышкой корпус, жестко прикрепленный к опорной раме полуприцепа. В корпусе установлена втулка, в которую запрессован сцепной шкворень. Нижний конец втулки заканчивается хвостовиком, выходящим за пределы корпуса. На хвостовике имеется ограничительный шип, который при сцепке попадает в направляющий зев седельно-сцепного устройства (ССУ). На верхней части втулки на шлицах установлено зубчатое колесо. Внутренняя боковая поверхность корпуса представляет собой зубчатый венец. Кольцеобразное пространство между корпусом и укрепленным на втулке зубчатым колесом заполнено стальными дисками и дисками из фрикционного материала. Кольцеобразные стальные диски находятся во внутреннем зацеплении с зубчатым колесом, а диски из фрикционного материала - в наружном с зубчатым венцом корпуса. Над комплектом дисков расположено прижимное кольцо, которое служит поршнем пневмоцилиндра и при поступлении под крышку сжатого воздуха сжимает диски. Это сжатие обычно осуществляется автоматически (при нажатии на педаль рабочей тормозной системы).
В известном устройстве по мере эксплуатации снижается коэффициент трения и происходит скольжение между дисками, что снижает быстродействие ССУ. При скорости движения автопоезда более 50 км/час происходит резкое отклонение полуприцепа от курса движения (виляние автопоезда), что приводит к неустойчивости движения и требует усиленного внимания к управлению движением и утомляемости водителя.
В указанном устройстве Anti-jack-knifing при движении задним ходом даже при малом отклонении от движения по прямой линии появляется складывающийся момент. Во избежание этого управление движением требует опытного маневрирования, что усложняет эксплуатацию транспортного средства [2, 3, 4, 5].
Технический результат изобретения состоит в том, чтобы повысить надежность и быстродействие седельно-сцепного устройства, в том числе при скорости движения более 50 км/час повысить устойчивость движения и предотвратить складывание автопоезда при движении задним ходом, а также упростить процесс маневрирования при заднем ходе.
Технический результат достигается тем, что седельно-сцепное устройство автопоезда включает корпус, закрытый крышкой, жестко прикрепленный к опорной раме полуприцепа, в корпусе установлена втулка, в которую запрессован сцепной шкворень, снабженный за пределами корпуса хвостовиком с ограничительным шипом, выполненным с возможностью прохода через раздвижной направляющий зев ССУ, установленного на раме тягача при сцепке автопоезда, между корпусом и втулкой размещены кольцеобразные стальные диски.
Особенностью является то, что хвостовик шкворня выполнен шестигранным с возможностью размещения в раздвижном шестигранном зеве ССУ, установленным на раме тягача, верхняя часть втулки соединена посредством шлицевого соединения с наружной ступицей, внешняя шлицевая поверхность которой соединена со шлицами первого кольцеобразного стального шлицевого диска, размещенного под/над вторым кольцеобразным стальным шлицевым диском, соединенным с внутренней кольцеобразной шлицевой поверхностью корпуса, рабочая полость внутри корпуса, в которой размещены кольцеобразные стальные шлицевые диски с возможностью перемещения вдоль шлиц корпуса и ступицы, заполнена ферромагнитной жидкостью и перекрыта обоймой из кольцеобразного немагнитного материала, в пазах которой размещен электромагнит над кольцеобразными стальными шлицевыми дисками, а в пазах периферийных участков обоймы размещены уплотнительные магнитные кольца, представляющие собой набор постоянных магнитов, при этом электромагнит выполнен с возможностью периодического подключения к источнику электропитания посредством устройства управления, снабженного оптическим датчиком относительного углового поворота тягача и полуприцепа и пультом управления с индикацией режимов управления, кроме того, две бронзовые втулки, препятствующие вытеканию ферромагнитной жидкости из полости, установлены между корпусом и втулкой шкворня крышкой и между ступицей и корпусом.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами: на фиг.1 показана конструкция седельно-сцепного устройства (ССУ), на фиг.2 и 3 показан тягач с седельно-сцепным устройством и вид ССУ сверху, на фиг.4 показано положение оптического (лазерного) датчика угла поворота на тягаче и полуприцепе, на фиг.5 показана схема управления ССУ с помощью оптического датчика угла поворота.
Седельно-сцепное устройство (фиг.1) содержит корпус 1, жестко прикрепленный к раме 2 полуприцепа 3 (фиг.2). В корпусе 1 установлена втулка 4, в которую запрессован шкворень 5, закрепленный в корпусе 1 гайкой 6. За пределами корпуса 1, ниже втулки 4, хвостовик 7 шкворня 5 выполнен шестигранным с возможностью размещения в шестигранном раздвижном зеве 8 седельно-сцепного устройства (фиг.3), установленного на раме 9 тягача (фиг.4). Верхняя часть втулки 4 соединена посредством шлицевого соединения с наружной ступицей 10. Внутри корпуса 1, между его внутренней стальной кольцеобразной шлицевой поверхностью и наружной шлицевой поверхностью ступицы 10 размещены друг над другом кольцеобразные стальные шлицевые диски, один из которых 11 соединен посредством шлицевого соединения с корпусом 1, а второй кольцеобразный стальной шлицевой диск 12 имеет шлицевое соединение со ступицей 10 с возможностью перемещения вдоль шлиц. Кольцеобразная полость внутри корпуса 1 с размещенными в ней кольцеобразными стальными шлицевыми дисками 11, 12 заполнена ферромагнитной жидкостью 13. Кольцеобразная обойма 14 из немагнитного материала установлена с опорой на верхние грани корпуса 1 и ступицы 10. В кольцеобразной обойме 14 укреплен кольцевой электромагнит 15 с расположением над кольцеобразными стальными шлицевыми дисками. В пазах периферийных участков кольцеобразной обоймы 14 уложены уплотнительные магнитные кольца 16 и 17, состоящие из набора постоянных магнитов. Магнитные кольца 16, 17 препятствуют вытеканию ферромагнитной жидкости 13 из кольцевой полости корпуса 1. Бронзовые втулки 18 и 19, установленные между корпусом 1 и втулкой 4 шкворня 5 и верхней части между ступицей 10 и крышкой 20 (крепление крышки 20 к корпусу 1 условно показано осевыми линиями по периметру крышки 20), обеспечивают плотное подвижное соединение и запирание полости с ферромагнитной жидкостью. Шкворень 5 снабжен ограничительным шипом 21, который при сцепке автопоезда входит в раздвижной направляющий зев 8 (фиг.3) седельно-сцепного устройства.
Периодическое включение электромагнита 15 к источнику электропитания обеспечивается устройством управления, снабженным пультом управления 22 с индикаторами 23 (фиг.5). Устройство управления обеспечивает ручное и автоматическое управление движением полуприцепа 3. Ручное управление подразумевает указание с помощью пульта 22 управления на режим маневра автопоезда (вперед, назад) и указание на допустимые пределы угла поворота полуприцепа (±3-5°), в диапазоне которых не подается напряжение питания электромагнита, при этом ферромагнитная жидкость сохраняет подвижность и не блокирует свободный поворот корпуса относительно ступицы.
Источником управляющих сигналов являются сигналы оптического (лазерного) датчика угла поворота полуприцепа относительно тягача (или относительно направления движения), включающего источник оптического (лазерного) излучения 24 на тягаче и фотоприемник излучения 25 на полуприцепе (фиг.2).
Заявляемое седельно-сцепное устройство работает следующим образом.
Пульт управления ССУ находится перед водителем наряду с другими средствами управления. С помощью индикаторов 23 осуществляется контроль относительных положений тягача и полуприцепа: левое, правое и нейтральное. К нейтральному положению отнесены возможные качания полуприцепа относительно тягача примерно до ±3 град, которые практически не влияют на устойчивость движения автопоезда и которые вызваны незначительными динамическими нагрузками, для гашения которых в конструкции ССУ имеются резиновые упругие элементы. Индикация левого и правого положения полуприцепа свидетельствует об относительном положении тягача и полуприцепа на угол примерно ±40 градусов, который задается при настройке устройства управления ССУ. Оптический датчик угла поворота, включающий лазерный излучатель 24 и фотоприемник излучения 25, настроен так, чтобы при движении автопоезда и поворотах в пределах ±40 градусов лазерный луч не выходил из рабочей зоны фотоприемника излучения 25. С помощью пульта управления водитель контролирует взаимное положение тягача и полуприцепа 3 на момент маневра. Движение тягача вперед или назад выставляется водителем через пульт управления 22, но может определяться также автоматически.
При движении вперед в направлении "прямо" и на поворотах электропитание на электромагнит 15 не подается, ферромагнитная жидкость 13 находится в жидкой фазе, в которой свободно может поворачиваться кольцеобразный стальной шлицевой диск 12, при этом кольцеобразный стальной шлицевой диск 12 поворачивается относительно второго кольцеобразного шлицевого диска 11, соединенного со шлицами корпуса 1 плавно, преодолевая гидравлические сопротивления ферромагнитной жидкости 13, соответственно демпфируется движение полуприцепа 3. При повороте кольцеобразного стального шлицевого диска 12 также выполняют поворот ступица 10, втулка 4 и шкворень 5, плотно сидящий в раздвижном зеве 8 седельного устройства тягача. На поворотах, ввиду возникающих сил трения между корпусом и бронзовыми втулками 18, 19, осуществляется выравнивание продольных осей тягача и полуприцепа. Использование бронзовых втулок 18, 19 позволяет уменьшить трение в подвижных элементах ССУ. При этом индикатор 23 по сигналу оптического датчика угла поворота 24 и 25 показывает знак отклонения в пределах допустимой зоны и последующий возврат в нейтральное положение полуприцепа 3 после завершения поворота.
Движение "назад" указывается водителем (либо автоматически), что меняет режим работы устройства управления. При этом также может быть изменено указание на допустимый угол отклонения осей тягача и полуприцепа, например, ±30 градусов. При заднем маневре прямо или с поворотом на электромагнит 15 подается электропитание. Под действием магнитного поля ферромагнитная жидкость 13 переходит в твердую фазу. Кольцеобразные стальные шлицевые диски 11 и 12 теряют подвижность как за счет измененной вязкости ферромагнитной жидкости 13, так и за счет притяжения к электромагниту и заклиниванию на шлицах. В режиме отверждения ферромагнитной жидкости 13 становится жестким соединение корпус ССУ-ступица 10-шкворень 5 седельная часть тягача. В этом случае движение полуприцепа осуществляется не произвольно, а либо по прямой линии назад, либо под заданным углом отклонения (маневра). То есть, в этом режиме положение осей тягача и полуприцепа жестко определены и складывание предотвращается. По окончании маневрирования переключатель устанавливают в нейтральное положение, ферромагнитная жидкость 13 переходит в жидкое состояние.
В отличие от прототипа, управление жесткостью передачи между звеньями «корпус-шкворень» обеспечивается периодической коммутацией источника питания электромагнита. При этом отсутствует износ и проскальзывание кольцеобразных стальных шлицевых дисков, обеспечивается надежность конструкции, ее долговечность, а быстродействие создания максимальных сил сцепления и сброс такого режима соответствуют коммутации электрической сети.
Повышение устойчивости управления обеспечивается наличием промежуточного звена в цепи механической передачи в виде ферромагнитной жидкости, которая демпфирует посредством кольцеобразных стальных шлицевых дисков резкие относительные повороты корпуса на полуприцепе и шкворня, бесповоротно сопряженного с шестигранным раздвижным зевом седла на тягаче. Эти демпфирующие свойства ССУ позволяют повысить скорость автопоезда более 50 км/час, не вызывая при этом его виляния.
Быстрый и надежный переход к жесткой сцепке упрощает и ускоряет маневрирование автопоезда при движении задним ходом.
Описание свойств и областей применения магнитных жидкостей: см. книгу Берковский, Б.М. Магнитные жидкости / Б.М. Берковский, В.Ф. Медведев, М.С. Краков. - М.: Химия, 1989. - с.21, с.167, с.172.
Предлагаемое седельно-сцепное устройство для автопоезда может быть изготовлено с применением известных материалов, оборудования и комплектующих механосборочных производств и использовано как более надежное и простое в управлении, в том числе при заднем ходе и при различных дорожных условиях и скоростях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Трехзвенные автопоезда / под общей ред. Я.Е Фаробина. М.: Машиностроение, 1993. - 223 с.
2. Фаробин Я.Е., Будагян А.С., Самойленко Ю.А. Особенности оценки управляемости трехзвенных автопоездов // Изв. вузов. Машиностроение. М.: Изд-во МВТУ им.Баумана. 1989, №5. С.87-91.
3. Белоусов Б.Н., Шухман С.Б. Прикладная механика наземных тягово-транспортных средств с мехатронными системами. М.: Агроконсалт, 2013. - 610 с.
4. Литвинов А.С., Фаробин Я.Е. Автомобиль. Теория эксплуатационных свойств. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.
5. Высоцкий М.С. Основы проектирования автомобилей и автопоездов большой грузоподъемности. Минск: Наука и техника, 1980. - 200 с.