Приводной трос для передачи тягового усилия по криволинейной траектории

Полезная модель относится к машиностроению, к гибким приводам возвратно-поступательного перемещения узлов и деталей. Одним из основных звеньев для передачи движения в этих приводах является заявляемый приводной трос, передающий перемещение от ведущего к ведомому механизму.
Известен гибкий синтетический трос [патент РФ №2071517], содержащий сердечник из высокопрочных элементов и оболочку из переплетенных низкомодульных комплексных нитей с покрытием. Элементы сердечника выполнены на основе полиамидных волокон. Оболочка выполнена из комплексных поликапроамидных нитей, а покрытие состоит из композиции на основе сополимера тетрафторэтилена с винилденфторидом и технического углерода.
Трос обладает повышенной стойкостью к тепловому воздействию и эксплуатационной надежностью. Конструкция троса обеспечивает надежную передачу значительных по величине тянущих усилий, однако для возвратно-поступательных перемещений трос использоваться не может, т.к. не рассчитан на передачу толкающих усилий.
Известен также возвратно-поступательный (двухтактный) трос [международная заявка WO 2006127275], который состоит из центральной проволоки, первой спиральной обмотки, навитой вокруг центральной проволоки, второй спиральной обмотки, навитой на первую спиральную обмотку. Трос может иметь наружную оболочку и обладает высокой степенью гибкости. Однако, согласно описанию, трос предназначен для применения в автомобилестроении и способен передавать только небольшое усилие, которое, в максимуме, составляет 978 Н.
Так же известно, принимаемое нами за прототип, изобретение (патент США US3154966) Трос FLEXBALL компании DURA. Это гибкий возвратно-поступательный привод для передачи тягового усилия до 15000 Н по криволинейной траектории, имеющие максимальный рабочий ход до 200 мм, актуальная версия которого доступна на сайте: https://www.duraauto.com/industrial/literature/technical-data.php. Трос Flexball стояночного тормоза состоит из внешней защитной оболочки, которая защищает внутреннюю конструкцию. Внутри внешней защитной оболочки расположен сердечник троса, выполненный в виде стальной рейки, посредством которой передается тяговое усилие. Эта рейка имеет с двух сторон пазы, по которым перемещаются стальные шарики. Сами шарики удерживаются с двух сторон сепараторами и двумя внешними направляющими, стальными рейками с пазами.
Сердечник троса соединен со штоками троса методом клепки и обжима. Штоки троса перемещаются в наконечниках троса. Наконечники троса жестко соединены с торцами внешней защитной. Шток троса на стороне исполнительного механизма соединен с одним из рычагов клещевого механизма, наконечник троса на стороне исполнительного механизма соединен со вторым рычагом клещевого механизма. Шток троса на стороне передающего механизма соединен с редуктором. Наконечник троса на стороне передающего механизма соединена с кузовом вагона. На штоки тросов надеты резиновые гофры. Длина рабочего хода троса обеспечивается наличием упоров.
Трос решает техническую задачу передачи большого тягового усилия по сложной криволинейной траектории за счет сплошного сердечника троса с низким коэффициентом его линейного растяжения. Однако, увеличения тягового усилия приводит к недостатку троса: из-за пластинчатой конструкции он гнется в одной плоскости, и, в очень ограниченном диапазоне, в других плоскостях. Это объясняется тем, что сердечник троса, сепараторы и внешние направляющие с трудом гнутся на кручение. Сердечник троса свободно гнется только вокруг оси ординат и с трудом вокруг оси абсцисс. Оси взаимно перпендикулярны, поэтому заданную таким образом систему координат называют прямоугольной.
Помимо вышеописанного недостатка, применение разнесенных от оси троса реек приводит к еще одному недостатку - необходимости предварительной подгонки троса по месту установки, в зависимости от траектории изгиба. Это связано с тем, что внешние и внутренние рейки имеют разный радиус изгиба. Трос должен изготавливаться под конкретную трассу, что существенно усложняет эксплуатацию, снижается надежность конструкции из-за сложности монтажа троса.
Технической задачей, поставленной перед заявляемой полезной моделью, являлось создание простой в эксплуатации конструкции возвратно-поступательного приводного троса для передачи большого тягового усилия, обеспечивающей установку троса по криволинейной траектории в ограниченном объемном пространстве.
Поставленная задача решена предлагаемой в качестве полезной модели конструкцией приводного троса для передачи тягового усилия по криволинейной, с изгибами траектории к исполнительному механизму на другом конце троса. Предлагаемая конструкция включает в себя сердечник, передний и задний штоки, жестко связанные с концами сердечника, совместно установленные с возможностью перемещения внутри направляющей оболочки и жестко связанных с ней переднего и заднего наконечников, надетых на штоки троса, при чем передний шток соединен с исполнительным механизмом, а задний шток соединен с передающим механизмом.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой конструкцией приводного троса для передачи тягового усилия по криволинейной траектории, заключается в обеспечении изгибания троса во всех плоскостях, сохраняя при этом возможность передачи больших тяговых усилий, достигается за счет применения гибкого, цилиндрического сердечника с низким коэффициентом линейного растяжения, который совместно с коаксиально надетыми на него пружиной растяжения и охватывающей ее оболочкой, установлены соосно внутри направляющей оболочки с возможностью продольного перемещения вдоль общей оси. При этом сердечник жестко связан с передним и задним штоками, а передние концентричные торцы пружины растяжения и оболочки пружины растяжения являются основанием передней рабочей полости, образованной внутренним торцом переднего штока, внутренними поверхностями переднего наконечника и направляющей оболочки.
Описание чертежей
Предлагаемая для патентования в качестве полезной модели конструкция приводного троса для передачи тягового усилия по криволинейной траектории поясняется конкретными вариантами ее исполнения, приведенными на фигурах 1, 2, 3, 4, 5, 6, 6а.
На чертежах изображены:
Фиг.1 - общий вид нового устройства - троса стояночного тормоза железнодорожного вагона согласно настоящей полезной модели.
Фиг.2 - поперечное сечение А-А наконечника троса на стороне передающего механизма нового устройства.
Фиг.3 - продольное сечение В-В троса стояночного тормоза железнодорожного вагона.
Фиг.4. - вид С - соединение сердечника троса и штока нового устройства.
Фиг.5 - вид D - соединение пружины растяжения, оболочки пружины растяжения, колец компенсации.
Фиг.6 - вид Е - передняя рабочая полость без кольца компенсации.
Фиг.6а - вид Е - передняя рабочая полость с кольцом компенсации.
Заявляемая конструкция привода для передачи тягового усилия по криволинейной траектории в конкретном варианте исполнения может использоваться в качестве троса стояночного тормоза железнодорожного вагона - специального привода тормозной системы вагонной тележки.
На фиг.7 - вагонная тележка, представляющая собой подрессоренную раму, на которой закреплены колесные пары, клещевые механизмы, известные из области техники.
На фиг.1 и 3 показан возможный вариант осуществления полезной модели - трос 1 стояночного тормоза железнодорожного вагона, который при функционировании передает движение и управляющее усилие от передающего механизма, в частном случае редуктора, исполнительному механизму на другом конце троса, в частном случае клещевому механизму вагонной тележки.
Как показано на фиг.1, трос 1, по представленному варианту осуществления полезной модели, включает в себя: со стороны клещевого механизма - передний шток троса 2 и передний наконечник троса 3, а со стороны редуктора - задний шток троса 4 и задний наконечник троса 5; направляющую оболочку защитную 6 (далее по тексту направляющая оболочка 6), которая жестко зафиксирована с двух сторон на наконечниках 3 и 5 посредством обжима и которая защищает внутреннюю конструкцию троса и принимает на себя радиальные нагрузки.
Штоки троса 2 и 4 закрыты гофрой резиновой, которая предназначена для защиты штоков от атмосферных воздействий.
Показанный на фиг.1 передний шток троса 2 соединен с рычагом клещевого механизма посредством кронштейна 7, при этом второй рычаг клещевого механизма соединен с передним наконечником троса 3 посредством кронштейна 8. Задний шток троса 4 соединен с передающим механизмом - редуктором посредством кронштейна 9, а задний наконечник 5 соединен с кузовом вагона посредством кронштейна 10.
Редуктор тянет шток 4, передавая через трос 1 по криволинейной траектории тяговое усилие принимающему тяговое усилие исполнительному механизму - клещевому механизму.
На фиг.3 и 4 также показано, что внутри направляющей оболочки 6 соосно размещен цилиндрический сердечник троса 11, выполненный в частности из стали 51ХФА, и в сечении имеющий круг, который с одной стороны жестко соединен с передним штоком 2, а с другой стороны жестко соединен с задним штоком 4 посредством обжима.
Таким образом, силовой тяговый элемент троса 1, включает в себя объединенные в единое целое сердечник 11 и передний 2 и задний 4 штоки.
Как показано на фиг. 5 и 6, в процессе сборки на сердечник троса 11 надета пружина растяжения 12, выполненная сплошной навивкой. Пружина растяжения 12, надетая на сердечник 11 также задает траекторию перемещения сердечника и принимает на себя радиальные нагрузки при изгибе троса.
На пружину растяжения 12 надета оболочка пружины растяжения 13, при этом они не связаны между собой. А полость между пружиной растяжения 12 и сердечником 11 заполнена смазкой, что обеспечивает смазку сердечника.
Оболочка пружины растяжения 13 в описываемом конкретном исполнении изготовлена такой же, как и пружина растяжения 12, в виде пружины сплошной навивкой. Данный технический признак может иметь несколько выполнений, например, оболочка пружины растяжения 13 может быть выполнена из резины, армированной внутри стальными оплетками.
Зазор между направляющей оболочкой 6 и оболочкой пружины растяжения 13 также заполнен консистентной смазкой.
Пружина растяжения 12 и оболочка пружины растяжения 13 выполнены с возможностью перемещаться совместно и продольно относительно сердечника троса 11 внутри направляющей оболочки 6.
Передний шток троса 2, сердечник троса 11 и задний шток троса 4, жестко связанные между собой, выполнены с возможностью перемещения продольно по оси направляющей оболочки 6 в переднем наконечнике троса 3, в пружине растяжения 12 и в заднем наконечнике троса 5.
При изгибе троса 1 оболочка пружины растяжения 13 принимает на себя радиальные нагрузки, обеспечивая жесткость радиально-изогнутых участков троса и не позволяя тросу 1 выпрямляться при тяге на прямом ходе.
В другом варианте исполнения, как показано на фиг.6а, на сердечник троса 11 могут быть надеты кольца компенсации перенапряжения (далее кольца компенсации). Передние кольца компенсации 14 и задние кольца компенсации 15 размещены в торцах оболочки пружины растяжения 13 с возможностью перемещения вдоль сердечника троса 11.
Кольца компенсации 14 и 15 так же, как и оболочка пружины растяжения 13, предназначены для защиты сердечника троса 11 от разрыва в случае воздействия на него усилия натяжения, превышающего максимальное значение тягового усилия.
При этом разница между диаметром отверстия в кольцах компенсации 14 и 15 и диаметром сердечника 11 является допуском соосности, который обеспечивает свободное перемещение сердечника троса внутри колец компенсации при изогнутом состоянии троса 1 до минимального радиуса изгиба троса.
Кольца компенсации 14 и 15 расположены в местах критичного перегиба сердечника троса 11, у обоих торцов пружины растяжения 13. В пределах допустимых нагрузок на трос 1 кольца компенсации не задействованы. Если усилие, действующее на клещевой механизм, превышает максимально допустимое, кольца компенсации 14 и 15 вдавливаются в оболочку внешнюю защитную 6, которая в этом случае выполняет функцию амортизатора, не позволяя изогнуть сердечник троса 11 более допустимого значения минимального радиуса изгиба троса 1.
Толщина колец компенсации 14 и 15 и их количество находится в прямо пропорциональной зависимости от минимального радиуса изгиба троса. Чем меньше минимальный радиуса изгиба троса, тем меньше толщина колец компенсации 14 и 15.
Отношение количества передних колец компенсации 14 к количеству задних колец компенсации 15 составляет 1 к 3. В описываемом конкретном исполнении на стороне исполнительного механизма установлены три кольца компенсации 14 и девять колец компенсации 15 на стороне передающего механизма - редуктора.
Как показано на фиг.6, (без кольца компенсации 14) в возможном варианте исполнения, передние концентричные торцы пружины растяжения 12 и оболочки пружины растяжения 13 являются основанием передней рабочей полости 16, образованной внутренним торцом 17 переднего штока 2, внутренней поверхностью переднего наконечника 3.
Длина рабочей полости - это длина части сердечника 11, расположенного между передними концентричными торцами пружины растяжения 12 и оболочки пружины растяжения 13 и внутренним торцом переднего штока 17.
В другом конкретном исполнении, как показано на фиг.6а, (с кольцом компенсации 14) торец переднего кольца компенсации 14 является основанием передней рабочей полости 16, образованной внутренним торцом 17 переднего штока 2, внутренней поверхностью переднего наконечника.
Длина передней рабочей полости - это длина части сердечника 11, расположенного между внутренними торцами переднего кольца компенсации 14 и переднего штока 17.
Наличие передней рабочей полости 16 на стороне исполнительного - клещевого механизма, обеспечивает возможность осуществление рабочего хода троса 1. Рабочим ходом троса условимся называть диапазон перемещения переднего штока 2 троса.
Задняя полость на стороне редуктора образуется в процессе осуществления рабочего хода троса 1. Задняя рабочая полость на стороне редуктора образуется: задними концентричными торцами пружины растяжения 12 и оболочки пружины растяжения 13, внутренним торцом заднего штока 4, внутренними поверхностями заднего наконечника 5 и направляющей оболочки 6.
Величина рабочего хода троса 1 прямо пропорциональна длине передней рабочей полости 16. Диапазон рабочего хода троса 1 может составлять от 20 до 300 мм.
Предложенный приводной трос в качестве троса стояночного тормоза железнодорожного вагона работает следующим образом.
Вагон и его вагонная тележка взаимно перемещаются на общей оси. На каждой колесной паре вагона закреплен тормозной диск. На фиг.7 изображена рама вагонной тележки, на которой смонтированы клещевые механизмы с фрикционными накладками, предназначенными для захвата тормозного диска.
Клещевые механизмы вагонной тележки используются как при движении, так и на стоянке. Так как во время стоянки вагона отсутствует давление в пневмосистеме управления, для сведения рычагов клещевого механизма применяют специальный привод - трос 1 стояночного тормоза железнодорожного вагона, приводимый в действие через передающий механизм - редуктор. Поскольку трос прокладывается в ограниченном пространстве под тележкой, трасса прокладки имеет сложную криволинейную траекторию, изгибающуюся в разных плоскостях.
Для прижима колодок к диску требуется значительное, в интервале от 8000 до 12000 Н, усилие. Трос 1 должен передавать такое усилие в режиме тяги. При этом трос должен быть гибким и обладать высоким КПД.
Редуктор тянет шток 4, передавая через трос 1 по криволинейной траектории тяговое усилие исполнительному - клещевому механизму.
Условимся называть прямым ходом троса 1 тот, при котором шток 2 движется от исполнительного механизма к редуктору, под влиянием передающего механизма - редуктора, а обратным ходом троса 1, такой, при котором шток 4 движется от редуктора к исполнительному механизму, также под влиянием передающего механизма - редуктора. Как прямой, так и обратный ход может быть как рабочим, так и холостым.
При прямом ходе передающий механизм тянет шток 4 на своей стороне, при этом происходит тяга сердечника 11 внутри сборки "пружина растяжения 12 - оболочка 13 пружины растяжения " и тяга штока 2 на стороне исполнительного - клещевого механизма. Эти элементы перемещаются в пружине растяжения 12, находящейся в оболочке пружины растяжения 13. При этом уменьшается длина передней рабочей полости 16 на стороне исполнительного - клещевого механизма и увеличивается длина задней рабочей полости на стороне передающего механизма - редуктора.
При прямом ходе сначала выбирается зазор между тормозным диском и фрикционными накладками клещевого механизма. Далее происходит выборка зазоров между витками пружины растяжения 12, выборка зазора между оболочкой пружины растяжения 13 и направляющей оболочкой 6 и начинается процесс натяжения троса 1. Тягу штока 4 передающим механизмом продолжают до достижения требуемого усилия на фрикционных накладках, при котором происходит удержание вагона.
При этом направляющая оболочка 6 задает траекторию перемещения сердечника троса 11, принимая на себя радиальные нагрузки.
Пружина растяжения 12, надетая на сердечник 11, также задает траекторию перемещения сердечника 11 и принимает на себя радиальные нагрузки в местах изгиба троса 1.
Поскольку устройство 1 имеет сплошной стальной сердечник 11, который не растягивается, обеспечивая при этом высокое усилие прижатия по криволинейной траектории.
При изгибе троса 1 оболочка пружины растяжения 13 принимает на себя радиальные нагрузки, обеспечивая жесткость радиально-изогнутых участков и не позволяя тросу 1 выпрямляться при тяге на прямом ходе.
В другом конкретном исполнении, если усилие на фрикционной накладке клещевого механизма превышает максимально допустимое, кольца компенсации перенатяжения 14 и 15, расположенные в местах критичного перегиба сердечника троса 11, вдавливаются в направляющую оболочку 6 и перераспределяют в нее лишнее тяговое усилие. В этом случае направляющая оболочка 6 выполняет функцию амортизатора, не позволяя изогнуть сердечник 11 ниже допустимого значения минимального радиуса изгиба троса.
На обратном ходе редуктор толкает шток 4, передавая через трос 1 по криволинейной траектории толкающее усилие принимающему это усилие исполнительному механизму - клещевому механизму. При этом рычаги клещевого механизма разводятся и фрикционные накладки выходят из соприкосновения с тормозным диском.
Когда осуществляют тягу штока 4 обратным ходом, фрикционные накладки отходят от тормозного диска. Все элементы троса возвращаются в исходное положение.
Таким образом, предложенный приводной трос, в отличие от прототипа, позволяет обеспечить передачу большого тягового усилия по криволинейной траектории при изгибании троса во всех плоскостях.