БУКСОВАЯ НАПРАВЛЯЮЩАЯ
AXLEBOX GUIDE

Предлагаемое изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта и предназначено для использования в буксовых направляющих локомотивов и вагонов, а также может быть применено в автомобилях, качающихся конвейерах и других машинах.
Известны различные конструкции буксовых направляющих: челюстные, цилиндрические, с резинометаллическими шарнирами и др. Каждая конструкция имеет положительные качества и недостатки.
К недостаткам челюстных и цилиндрических направляющих относятся абразивный износ резинометаллических шарниров, существенное увеличение жесткости рессорного подвешивания.
Наиболее близкой к заявляемому предлагаемому изобретению является конструкция реактивной тяги по [1].
В конструкции такой реактивной тяги использованы перемычки и сухари с вогнутыми поверхностями, перекатывающимися по выпуклым поверхностям опор и замыкателя, так как радиусы вогнутых поверхностей в полтора-три раза больше радиусов выпуклых, благодаря чему вместо скольжения происходит перекатывание, что существенно уменьшает износ поверхностей по сравнению с шарнирами скольжения. Тяга работает на растяжение и на сжатие.
Существенным недостатком такой конструкции при использовании в буксовом узле является ее сложность, так как в ней применено семнадцать деталей и шесть высших кинематических пар качения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции буксового узла.
Технический результат достигается тем, что вместо сложных конструкций в горизонтальной плоскости буксу и кронштейны боковины связывают упрощенные несущие устройства, каждое из которых состоит из двух упоров с вогнутыми поверхностями, жестко связанных с буксой и рамой тележки, и установленного между ними стержня с выпуклыми поверхностями на торцах, при этом радиус вогнутых поверхностей в полтора-три раза больше радиуса выпуклых поверхностей. Количество деталей сократилось до трех, а высших кинематических пар качения - до двух. Для обеспечения прямолинейного движения буксы длина штанги по оси симметрии должна иметь зависимость от радиусов поверхностей и находиться в пределах, определяемых формулой
где L - длина стержня;
R - радиус вогнутых поверхностей;
r - радиус выпуклых поверхностей.
На фигуре 1 изображен буксовый узел с двумя несущими устройствами 1, расположенными по обе стороны буксы, а на фигуре 2 и 3 конструкция устройства в увеличенном масштабе в двух проекциях.
Каждое устройство состоит из стержня 2 с выпуклыми поверхностями радиуса r на торцах и двух упоров с вогнутыми цилиндрическими поверхностями радиуса R: упора 3, установленного на буксе, и упора 4, жестко укрепленного на кронштейне рамы тележки. Длина стержня по точкам, лежащим на пересечении выпуклых поверхностей с осью симметрии, обозначена буквой L.
Кроме общего вида изображены детальные чертежи в двух проекциях: на фигурах 4 и 5 чертеж стержня, на фигурах 6 и 7 чертеж упора, установленного на буксе, а на фигурах 8 и 9 чертеж упора на раме тележки.
Для передачи силы тяжести штанги и касательных сил предусмотрены цилиндрические поверхности 5 радиуса ρ с центрами в точках 6 и 7 на стержне. Эти поверхности контактируют с поверхностями пазов 8 и 9 на упорах 3 и 4.
Рамные силы от рамы тележки к стержням и от стержней к буксе передаются через поверхности 10 на стержнях и поверхности 11 и 12 на упорах.
Буксовая направляющая работает следующим образом.
При вертикальных колебаниях рамы тележки выпуклые поверхности стержня 2 перекатываются по вогнутым поверхностям упоров 3 и 4. Боковые колебания рамы тележки относительно продольной горизонтальной оси обеспечиваются возможностью поворота упоров 3 относительно буксы за счет шипа 13 на упоре и гнезда в буксе.
Раскрытие изобретения
На подвижном составе железных дорог букса совершает колебания вместе с верхним строением пути, а рама тележки относительно буксы. На фигуре 10 приведена расчетная схема, в которой рама тележки неподвижна, а букса совершает колебания относительно рамы тележки. Связь в горизонтальном направлении между буксой и буксовым проемом рамы тележки осуществляется двумя стержнями 1, на торцах каждого из которых выполнены выпуклые поверхности радиуса r. Каждый стержень опирается на вогнутые поверхности радиуса R упора 2, установленного на буксе, и упора 3 - на раме тележки. Длина штанги равна L.
Предполагаем, что букса не поворачивается относительно своей оси. Это можно обеспечить установкой пружин одинаковой жесткости, а также установкой трех или четырех несущих устройств.
Рассмотрим только левый поводок. Введем неподвижную систему координат zox: ось х направлена горизонтально, z - вертикально. За независимую переменную принимаем угол φ. Выделим на оси симметрии поверхности R на буксе точку S и две точки контакта: К с упором 3 и K' с упором 2.
При перемещении буксы (точки S) вверх на величину Z штанга повернется на угол φ. Длина дуги, проходимой точкой контакта по выпуклой поверхности от среднего положения, равна rα, а по вогнутой R(α-φ). Если перекатывание происходит без скольжения, то эти дуги равны, т.е.
Из этого равенства выразим кинематическую связь между углами
k
Запишем параметрические уравнения движения точек S и K в зависимости от углов φ и α, при этом координаты точки S записываем без индексов, а точки K с индексом .
После подстановки вместо α-φ из (3) получим:
Горизонтальные силы от буксы на раму тележки и наоборот передаются по линии K'K, соединяющей точки контакта K' на буксе и K на раме тележки. Тангенс угла Θ наклона линии K'K к горизонтальной оси определяется отношением разности вертикальных координат этих точек к разности горизонтальных.
После подставки (8)…(11) и преобразований
Анализ, проведенный нами показал, что допускаемая угловая амплитуда колебаний стержня должна быть ограничена 30°. Чтобы горизонтальные силы стержней не оказывали влияния на вертикальные колебания tgΘ должен стремиться к нулю. Знаменатель в формуле (13) всегда положителен, так как косинус угла при положительном и отрицательном φ положителен, следовательно, чтобы tgΘ был равен нулю, числитель должен быть равен нулю.
Из выражения числителя, приравненного к нулю, выразим длину стержня L
В среднем положении (φ=0) имеет место неопределенности %. После раскрытия ее по правилу Лопиталя получено
Если φ≠0, но R=2r, то длина стержня L не зависит от угла φ и равна
Если же φ≠0 и R≠2r, то, чтобы траектория точки K' представляла прямую линию, длина стержня L должна быть переменной и зависимой от изменения угла φ. Конструктивно это выполнить невозможно.
Поэтому принимаем величину L постоянной, определяемой по формуле (15). В частных случаях: при R=1,5r, L=6r, при R=3r, L=3r.
По формулам (15), (8) и (9), подставляя значения L,  и φ, проведены расчеты кинематических характеристик буксового узла.
Результаты приведены в таблице, где Δx=f(0)-f(φ).
S
S
Для определения характеристик z, x и Δx данные из таблицы необходимо умножить на радиус r.
Выводы из анализа таблицы.
1. Оптимальным является первый вариант .
2. Во втором варианте максимальную угловую амплитуду стержня следует ограничить 20°.
S
3. В третьем варианте  с увеличением угла φ параметр x(φ), хотя и незначительно, возрастает. Поэтому, чтобы избежать заклинивания буксы, необходимо обеспечить начальный зазор при установке буксы.
4. Допускается примерять любые значения отношения радиусов  в диапазоне от 1,5 до 3. По мере приближения отношения  к двум как с одной, так и с другой стороны, все характеристики будут приближаться к варианту 1.
Источник информации
1. А.С. СССР №1687486, МКИ В61F 5/00, заявлено 25.01.89, №4641385/11 и опубликовано 30.10.91 в бюл. №40.