Торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства

Настоящая полезная модель относится к области транспортного машиностроения (преимущественно к подвижному составу на железной дороге), конкретно - к стабилизаторам поперечной устойчивости (бокового наклона) железнодорожных, главным образом пассажирских двухэтажных, вагонов, а также безрельсовых транспортных средств.
Известны торсионные стабилизаторы в составе колесных тележек трамваев и железнодорожных подвижных составов с торсионным устройством в системе вторичного подрессоривания. Торсион, посредством подшипниковых (радиальные подшипники скольжения) опор, соединяется с продольными балками тележки. К торсионному валу жесткой связью, предпочтительно прессовой посадкой со шпонкой, прикреплены две рычажные системы. Шарнирно прикрепленные к рычагам тяги (подвески) связаны с надрессорной балкой.
Подобная система, в которой на подрессоренной раме тележки вдоль продольной оси надрессорной балки с двух сторон расположено по торсионному валу (торсиону) с жестко закрепленными к продольным балкам концами кососимметрично относительно поперечной оси тележки, а к другим концам торсионных валов, вставленным в шарнирные опоры, также кососимметрично относительно поперечной оси тележки жестко присоединены приводные рычаги, шарнирно связанные через стержни с концевыми частями надрессорной балки, при этом стержни одной стороной соединяются с рычагами через выполненные в них продольные пазы, а другой стороной шарнирно присоединены к концевым частям надрессорной балки, запатентована Крюковским вагоностроительным заводом (UA) [1. RU 2376181 С2, B61F 5/00, 10.08.2009].
К недостаткам таких торсионных стабилизаторов следует отнести неудобство проведения техобслуживания и ремонтов (ТОиР), которые приходится проводить из-под вагона или после демонтажа тележки, а также недостаточно высокие показатели работоспособности цилиндрических подшипников скольжения опоры торсионного вала (торсионных валов) и шарнирных узлов.
Мало чем отличается от описанного аналога и зарубежный торсионный стабилизатор, описанный в источнике [2. Soiutions. - URL: https://www.ferrabyrne.co.uk/solutions/ (дата выкладки 25.02.2020)].
В машиностроении известны также:
- клеммовые соединения рычагов с валом [3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х томах. Том 2. Изд. 5-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - С. 516-517, рис. 9];
- врезные винты с коническим или цилиндрическим концом для фиксации углового положения деталей на валу [4. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 3. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - С. 60-61, рис. 129 X; рис. 134 III, V)];
- призонные болты, в том числе конические, и, соответственно, болтовые установочные соединения для передачи крутящего момента, например с вала на насадную деталь (См. источник [4], с. 75-77, рис. 168 I-IV)), что представляет интерес с позиций предмета заявляемого изобретения.
Однако заявителем не обнаружены такие соединения в приложении к подвижному силовому узлу с концом (головкой) торсионного вала (в том числе торсионному стабилизатору подвижного состава), во всяком случае, в их комбинации.
Достаточно близким к заявляемому устройству аналогом по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости (бокового наклона) кузова вагона (в составе тележки рельсового двухэтажного пассажирского транспортного средства), содержащий установленный на раме тележки поперечно ее продольной оси симметрии, посредством двух разнесенных подшипниковых опор, торсионный вал, концы которого соединены с кузовом левым и правым рычагами и тягами («подвесками») [5. RU 2688453 С2, B61F 5/02, 17.01.2019].
В нем торсионный вал установлен на подшипниках скольжения (бронзовые втулки), подшипниковые опоры организованы за соединением рычагов с концами торсионного вала, а тяги (подвески) установлены с наклоном (под острым углом) в поперечной плоскости.
Однако при этом распределение нагрузок в узлах недостаточно рационально и затруднен доступ к подшипниковым опорам.
Наиболее близким к заявляемому устройству аналогом (прототипом) по назначению и совокупности существенных конструктивных признаков является торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, содержащий торсионный вал, установленный на раме тележки поперечно ее продольной оси симметрии, посредством двух разнесенных подшипниковых опор, охватывающих его цилиндрические концы, и связанный с кузовом транспортного средства левым и правым рычагами, охватывающими без проворота торсионный вал перед упомянутыми подшипниковыми опорами, и вертикально ориентированными в поперечной плоскости тягами с подшипниковыми узлами и пальцами в их наконечниках [6. RU 2220863 С2, B61F 5/00, 10.01.2004, ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA)].
В нем подшипники опор торсионного вала выполнены в виде цилиндрических втулок и недостаточна защита подшипников опор и самого торсионного вала от внешних механических и атмосферных воздействий.
Однако, при всех своих положительных качествах, прототип еще недостаточно совершенен, ограничен в своих технико-эксплуатационных возможностях и характеристиках:
во-первых, нерациональное распределение динамических нагрузок в системе;
во-вторых, имеет место повышенный износ цилиндрических подшипников скольжения (втулок) и препятствие с их стороны из-за осевой фиксации (торможение смежности) естественному укорачиванию торсионного вала и его перекосу (по кусочному полиному в соответствии с упругой линией торсионного вала) при его рабочей закрутке;
в-третьих, недостаточен (из опыта эксплуатации) срок службы упомянутых шарнирных узлов и узлов взаимосвязи торсионного вала и рычагов.
Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель (устройство), - разработать (спроектировать) торсионный узел и стабилизатор в целом с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (ТЭХ).
Планируемый технический результат использования - улучшение ТЭХ торсионного узла стабилизатора за счет (на примере двухэтажного пассажирского железнодорожного вагона). При соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в торсионном узле стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, содержащем торсионный вал, установленный на раме тележки поперечно ее продольной оси симметрии, посредством двух разнесенных подшипниковых опор, охватывающих его цилиндрические концы, и связанный с кузовом транспортного средства левым и правым рычагами, охватывающими без проворота торсионный вал перед упомянутыми подшипниковыми опорами, и вертикально ориентированными в поперечной плоскости тягами с подшипниковыми узлами и пальцами в их наконечниках, согласно заявляемой полезной модели, подшипники опор торсионного вала выполнены сферическими и установлены враспор с возможностью компенсации перекоса при его закрутке.
На решение поставленной задачи направлены и частные совокупности существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле полезной модели, а именно:
- в подшипниковых опорах торсионного вала могут быть применены стандартные радиальные сферические подшипники скольжения (это существенно повышает технологичность конструкции и расширяет возможности серийного производства стабилизаторов);
- соединение торсионного вала с каждым рычагом может быть выполнено комбинированным клеммово-болтовым, с параллельным использованием основного клеммового соединения и дополнительного соединения в виде врезных болтов/винтов с коническими фиксирующими концами, установленных радиально на резьбе в ступице рычага и входящих в глухие радиальные гладкие отверстия в теле торсионного вала с возможностью передачи крутящего момента от рычага к концу торсионного вала (это дополнительно повышает надежность соединения рычагов с валом);
- на цилиндрических участках торсионного вала между каждой подшипниковой опорой торсионного вала и ближайшим к ней рычагом может быть установлен защитный рукав с торцевым V-образным уплотнением (это внесет дополнительную лепту в достижение положительного технического результата использования заявляемой полезной модели, конкретно - защиты подшипника и вала от повреждений, загрязнений и потери смазки, при относительно небольшом увеличении геометрических размеров и массы устройства, трудозатрат монтажно-демонтажных работ и стоимости изделия);
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства первого квалификационного признака - «мировой уровень новизны».
Второй квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает из огромного мирового опыта вагоностроения, наличия успешно испытанного авторами экспериментального образца устройства, а также приведенного далее по тексту фрагмента перечня покупных основных комплектующих устройства, производство которых промышленно освоено.
Подробнее сущность полезной модели (на примере двухэтажного пассажирского железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-4:
на фиг. 1 показан торсионный узел стабилизатора, вид сверху (в плане);
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - разрез В-В на фиг. 1 (устройство подшипниковой опоры торсионного вала), где П - подшипник радиальный сферический;
на фиг. 4 - тяга (с наконечниками) стабилизатора, общий вид.
Торсионный узел стабилизатора поперечной устойчивости (бокового наклона) кузова железнодорожного вагона (в данном примере) или иного транспортного средства (безрельсового) содержит торсионный вал 1, установленный на раме тележки (не показана) поперечно ее продольной оси симметрии, посредством двух разнесенных подшипниковых опор 2 и 3 (см. фиг. 1). Последние охватывают цилиндрические концы 4 и 5 соответственно торсионного вала 1. Вал 1 связан с кузовом транспортного средства левым 6 и правым 7 рычагами (см. фиг. 1), охватывающими его (без проворота) перед подшипниковыми опорами 2 и 3, и вертикально ориентированными в поперечной плоскости тягами 8 и 9 (см. фиг. 4). В наконечники 10 и 11 тяг 8 и 9 (см. фиг. 4) встроены подшипниковые узлы и пальцы/оси (не показаны).
Подшипники П опор 2 и 3 торсионного вала 1 выполнены сферическими с внутренней выпуклой и наружной вогнутой обоймами-кольцами) и установлены враспор (см. фиг. 3) с возможностью компенсации перекоса при его закрутке.
В подшипниковых опорах 2 и 3 торсионного вала 1 применены, предпочтительно, стандартные радиальные сферические подшипники скольжения (GE 50 ES (SKF) - см. фиг. 3).
Соединение торсионного вала 1 с каждым рычагом 6, 7 выполнено, преимущественно, комбинированным клеммово(клеммно)-болтовым, с параллельным использованием основного клеммового соединения 12, 13 и дополнительного соединения в виде врезных болтов/винтов 14 с коническими фиксирующими концами, установленных радиально на резьбе в ступице рычага 6, 7 и входящих в глухие радиальные гладкие отверстия 15 в теле торсионного вала 1 с возможностью передачи крутящего момента от рычага 6, 7 к охваченному клеммами 12, 13 цилиндрическому участку торсионного вала 1 (см. фиг. 1, 2).
Клеммовое соединение 12, 13 представляет собой охватывающие половины ступицы рычага 6, 7 с собственно клеммами (12, 13), стянутыми тремя (в ряд) клеммовыми болтами/винтами 16 (см. фиг. 2). Причем с достаточным от проворота трением между внутренними поверхностями половин ступицы рычага 6, 7 и цилиндрической поверхностью вала 1 (с запасом примерно 20%).
Теперь об упомянутом дополнительном (функционально-подстраховочном) соединении рычага 6, 7 с валом 1.
По первому частному случаю (примеру), в болтовом/винтовом врезном соединении ступицы рычага 6, 7 с охваченным ею участком вала 1 могут быть использованы болты/винты 14 со снятой на их конце на конус резьбой, с возможностью смятия резьбы на коническом участке при заворачивании в ранее упомянутые глухие гладкие отверстия 15 (синонимы: «ответные отверстия-гнезда», «выборки», «круглые пазы»). Такое техническое решение проиллюстрировано фиг. 2.
По второму (альтернативному) частному случаю (примеру), в болтовом/винтовом врезном соединении ступицы рычага 6, 7 с валом 1 могут быть использованы призонные болты 14, фиксирующие конические концы которых соответствуют профилю глухих отверстий 15 в вале 1 (тоже на конус). Такое техническое решение не проиллюстрировано укрупненным видом фрагмента с «призонным» взаимодействием ввиду достаточности словесного описания для инженеров.
В болтовом врезном соединении ступицы рычага 6, 7 с валом 1 могут быть использованы пары врезных болтов/винтов 14 с оппозитным их расположением, то есть с угловым смещением друг от друга в 180° (не показано).
В противном случае болты/винты 14 устанавливают не оппозитно, а в ряд, преимущественно, вверху (как и болты/винты 16), в соответствии с фиг. 2.
На цилиндрических участках торсионного вала между каждой подшипниковой опорой 2 и 3 вала 1 и ближайшим к ней рычагом 6, 7 установлен защитный неметаллический рукав 17, 18 с торцевым V-образным уплотнением 19 (см. фиг. 3).
Возможны другие частные конструктивные решения в рамках заявляемой основной совокупности конструктивных признаков полезной модели.
Пример реализации стабилизатора использует конкретные, освоенные промышленностью современные комплектующие (что дополнительно убеждает в выполнении патентоведческого критерия полезной модели «промышленная применимость»), в частности стандартные изделия: болты (винты), гайки, шайбы, шплинты, масленки, пробки конические (по соответствующим ГОСТам и ТУ), подшипники радиальные сферические GE 50 ES (SKF), рукав 40 У75-3 ТУ 0056016-87. торцевые V-образные уплотнения 55 VF R (SKF). Оригинальные детали (6, 9, 10 и др.) в производстве не требуют каких-либо несуществующих технологий.
Заявляемый торсионный узел в составе стабилизатора работает следующим образом.
При боковых наклонах кузова торсионный вал 1 упруго закручивается и создает усилие на рычагах 6, 7, препятствующее этому наклону и стремящееся вернуть кузов в исходное положение. Суммарная сила этих двух сил стремится вернуть кузов (а значит и вагон) в положение равновесия.
Однако под углом зрения заявляемого изобретения, особый интерес представляют следующие особенности и физические процессы (эффекты).
Во-первых, компоновка с организацией подшипниковых опор 2, 3 торсионного вала 1 на его концах 4, 5 улучшает условия работы и подшипников П, и тяг 8, 9, рационализирует распределение нагрузок в стабилизаторе, обеспечивает прямой доступ к подшипникам П при регламентных работах.
Во-вторых, в сферических подшипниках П опор 2, 3 торсионного вала 1 происходит (за счет зазоров и сферичности) компенсация изгибу его (1) упругой линии. А значит - растормаживается смежность, предотвращается повышенный износ подшипниковых опор 2, 3.
В-третьих, использование «покупных» изделий - серийных подшипников П, тем более отечественного производства, существенно расширяет возможности крупносерийного производства стабилизаторов.
В-четвертых, характер взаимосвязи торсионного вала 1 с рычагами 6, 7 (точнее - с их ступицами) с использованием комбинированного клеммово-болтового соединения 12, 13, суть - двух дублирующих друг друга взаимосвязей, фиксирующих от проворота рычагов 6, 7 на валу 1 обеспечивает безударную, надежную передачу крутящих моментов. И как следствие - снижение перекосов, деформаций и износа подшипников Г) и самого вала 1.
В первом примере такого врезного соединения, в финале закрутки болтов/винтов 14 участки резьбы, сходящей на конус, сминаются, обеспечивая плотное соединение (что и было заложено в конструкцию и о чем уже говорилось выше).
Во втором примере (с призонными болтами 14), плотное соединение обеспечивается «призонными» участками.
В любом из этих двух конструктивных исполнений, в случае неудержания крутящего момента основным соединением - клеммовым 12, 13, срабатывает описанное врезное болтовое/винтовое «14-1» (отсюда его характеристика как «параллельного», «подстраховочного»).
Рукава 17, 18, надежно зафиксированные торцевыми V-образными уплотнениями в «поднутрении» торцов подшипниковых опор 2 и 3, защищают участки торсионного вала 1 от деструктивных воздействий извне (в основном, снизу), а подшипники П изолируют от внешней среды с тыльной стороны, в соответствии с определением «защитный».
В случае вертикальных колебаний кузова (колебаний галопирования или подскока) торсионный вал 1 стабилизатора свободно, сонаправленно вращается в подшипниках П (а подвеска - в своих) и устройство как стабилизатор в работе ходовых частей вагона (тележек) не участвует - торсионный вал 1 не закручивается.
Таким образом, предложено техническое решение, решающее поставленную задачу. Использование такого стабилизатора позволит улучшить ТЭХ торсионного узла и торсионного стабилизатора в целом (на примере железнодорожного вагона) за счет:
- увеличения надежности благодаря снижению износа как в подшипниковых опорах торсионного вала, так и узла взаимосвязи торсионного вала и рычагов;
- увеличения средней наработки на отказ (по причинам, сформулированным в предыдущем абзаце);
- достижения назначенного полного срока службы не менее 16 лет и гарантийного срока эксплуатации не менее 8 лет или 2400000 км пробега вагона (также по названным причинам),
При сохранении возможности проведения ТОиР подшипниковых опор снаружи - сбоку вагона (простоты доступа) и при соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.