ФРИКЦИОННЫЙ АМОРТИЗАТОР

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и касается фрикционных амортизаторов транспортных средств, преимущественно поглощающих аппаратов, устанавливаемых между вагонами железнодорожного состава.
Известен фрикционный амортизатор [1, Авторское свидетельство №253861, опубликовано 07.10.1969, бюл. №31], содержащий корпус, на днище которого расположено возвратно-подпорное устройство, выполненное в виде металлических пружин, в контакте с которыми расположен фрикционный узел, состоящий из нажимного клина, распорных клиньев, направляющих пластин и подвижных пластин. Фрикционный узел и возвратно-подпорное устройство стянуты стержнем, на один конец которого накручена гайка, а другой конец расположен в бонке на днище корпуса. За счет рациональной конструкции фрикционного узла, имеется возможность установки возвратно-подпорного устройства большой высоты и жесткости. Это позволяет получить высокую энергоемкость фрикционного амортизатора, однако с применением металлических пружин достижение максимально возможной эффективности затруднено или невозможно.
Указанная проблема решается во фрикционном амортизаторе [2, Патент RU 2338100, конвенционный приоритет 18.04.2006 PL Р-379484, опубликован 10.11.2008 Бюл. №31], принятом за прототип.
Он содержит корпус, на днище которого расположено возвратно-подпорное устройство, выполненное в виде пакета упруго-эластичных элементов, в контакте с которыми расположен фрикционный узел, состоящий из нажимного клина, распорных клиньев, подвижных пластин и направляющих пластин со стойкими к истиранию элементами. Как и в аналоге [1], фрикционный узел и возвратно-подпорное устройство стянуты стержнем, на одном конце которого накручена гайка, а другой конец расположен в бонке на днище корпуса. Фрикционный амортизатор по прототипу [2] с возвратно-подпорным устройством в виде пакета упруго-эластичных элементов обладает высокой энергоемкостью и позволяет эффективно и рационально использовать преимущества конструкции фрикционного узла по аналогу [1].
Однако фрикционный амортизатор по прототипу [2] имеет и недостатки. Стойкие к истиранию элементы на направляющих пластинах выполняются из хрупкого металлокерамического соединения. Такие хрупкие элементы способны разрушаться и приводить к непригодности фрикционного амортизатора, то есть применение их в конструкции обуславливает ее ненадежность.
На практике, фрикционный амортизатор работает преимущественно не на полный ход сжатия возвратно-подпорного устройства, а в диапазоне от одной до двух третей этого хода, при этом происходит изнашивание стенок корпуса, контактирующих с подвижными пластинами и соскабливание ими металла со стенок, с постепенным переносом его ближе к днищу корпуса. Вследствие этого происходит утолщение этих стенок за счет возникающих наплывов и скопления частиц износа. В случае воздействия более сильного удара и, соответственно, сжатия фрикционного амортизатора на больший ход, подвижные пластины набегают на эти утолщения и вынужденно отталкивают направляющие пластины в сторону стержня. При этом, нарушается качество работы фрикционного узла и происходит повреждение краев подвижных пластин и стойких к истиранию элементов на направляющих пластинах.
Кроме этого, в контактирующих с подвижными пластинами стенках корпуса, выполнены приемные окна для размещения в них отогнутых концов направляющих пластин, что значительно снижает прочность корпуса и может способствовать его деформации при воздействии внешней силы, величина которой выше нормативного значения.
Описанные выше недостатки фрикционного амортизатора по прототипу [2] снижают эффективность и надежность его работы.
Поэтому задачей полезной модели является повышение эффективности и надежности работы фрикционного амортизатора за счет достижения технического результата по повышению его прочности и долговечности, а также обеспечению стабильности его характеристик, что повысило бы перспективность применения такого фрикционного амортизатора.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный амортизатор, содержащий корпус с сопряженными между собой стенками и с днищем, и с установленным в корпусе вдоль центральной оси пакетом упруго-эластичных элементов, перемеженных пластинами, а также содержащий фрикционный узел, состоящий из нажимной плиты, нажимного клина и направляющих пластин, контактирующих своими поверхностями с поверхностями распорных клиньев и поверхностями подвижных пластин, которые расположены своими другими поверхностями в контакте с поверхностями продольных к ним стенок корпуса, и снабжены боковыми выступами, контактирующими с нажимной плитой, причем обеспечен взаимный контакт поверхностями нажимного клина и распорных клиньев, а на днище корпуса выполнена выступающая внутрь него бонка с отверстием, в котором расположен один конец стержня, пропущенного сквозь пакет упруго-эластичных элементов и нажимной клин, на котором другой конец стержня зафиксирован гайкой, при этом в корпусе в местах сопряжения его стенок выполнены Г-образные уступы, с обеспечением возможности их контакта с направляющими пластинами, имеет отличительные признаки: со стороны фрикционного узла обеспечена возможность контакта Г-образных уступов с направляющими пластинами, выполненными с Т-образными зацепами, при этом обеспечено смазывание вставками твердой смазки направляющих пластин со стороны взаимного контакта поверхностями с распорными клиньями.
Такие отличительные признаки позволяют обеспечить необходимый коэффициент трения для достижения правильных характеристик фрикционного амортизатора, а также прочность фрикционного узла и смазывание трущихся поверхностей, что снижает их изнашиваемость и увеличивает долговечность устройства.
Дополнительные отличительные признаки полезной модели, направленные на повышение упомянутых выше его преимуществ:
- направляющие пластины выполнены с поверхностной термической обработкой;
- подвижные пластины выполнены с поверхностной термической обработкой;
- распорные клинья выполнены с поверхностной термической обработкой;
- подвижные пластины выполнены с объемной термической обработкой;
- направляющие пластины выполнены с объемной термической обработкой;
- в стенках корпуса, контактирующих с подвижными пластинами, выполнены углубления;
- на нажимном клине выполнены выступы, ориентированные в направлении днища и стенок корпуса, не контактирующих с подвижными пластинами фрикционного узла, при этом часть выступов расположена в корпусе, а на распорных клиньях со стороны стержня образованы выборки;
- в нажимной плите выполнено углубление, в котором расположена часть упруго-эластичного элемента, при этом нажимной клин выполнен выступающим за корпус на величину от 115 до 120 мм, при этом между нажимным клином и распорными клиньями в месте их взаимного контакта поверхностями образован угол величиной от 33 до 37 градусов, а в месте взаимного контакта поверхностями распорных клиньев и нажимной плиты образован угол величиной от 85 до 104 градусов относительно центральной оси, и между распорными клиньями и направляющими пластинами в месте их взаимного контакта поверхностями образован угол величиной от 2 до 5 градусов относительно центральной оси;
- обращенные к стенкам корпуса поверхности боковых выступов на подвижных пластинах выполнены наклонно к этим стенкам, при этом боковые выступы на подвижных пластинах выполнены наклонно к стенкам корпуса, с которыми эти подвижные пластины расположены в контакте, при этом на подвижных пластинах, направляющих пластинах и распорных клиньях со стороны нажимного клина и со стороны днища корпуса, образованы вспомогательные скосы, при этом на подвижных пластинах в местах образования боковых выступов выполнены скосы, расположенные в местах сопряжения стенок корпуса, а на распорных клиньях выполнены выступы, расположенные между ними и нажимной плитой, образуя с ней зазор, и контактирующие с направляющими пластинами, при этом высота бонки корпуса не превышает ее ширину, при этом бонка охвачена, по крайней мере, одним из ближайших к днищу корпуса упруго-эластичным элементом, который выполнен из материала, объем которого больше объема упруго-эластичного элемента, расположенного ближе к фрикционному узлу, а стенки корпуса, не контактирующие с подвижными пластинами, выполнены с уменьшением их толщины в направлении от этих подвижных пластин к стержню.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан вид сверху на фрикционный амортизатор по полезной модели; на фиг. 2 показан фронтальный разрез А-А по фиг. 1; на фиг. 3 показан вид В по фиг. 2 на фрикционный амортизатор сбоку; на фиг. 4 показан вид С по фиг. 1 на фрикционный амортизатор с местным разрезом; на фиг. 5 показан отдельно вид корпуса фрикционного амортизатора.
Фрикционный амортизатор (фиг. 1-4) характеризуется перечисленными ниже позициями своих элементов:
1 - корпус;
2 - стенки (элемент корпуса 1);
3 - днище (элемент корпуса 1);
4 - пакет (сформирован из упруго-эластичных элементов 5, 5');
5 - упруго-эластичный элемент (расположен ближе к фрикционному узлу 7);
5' - упруго-эластичный элемент (расположен ближе к днищу 3);
6 - пластины (элемент пакета 4);
7 - фрикционный узел;
8 - распорный клин (элемент фрикционного узла 7);
9 - направляющая пластина (элемент фрикционного узла 7);
10 - нажимная плита (элемент фрикционного узла 7);
11 - нажимной клин (элемент фрикционного узла 7);
12 - подвижная пластина (элемент фрикционного узла 7);
13 - боковой выступ (элемент подвижной пластины 12);
14 - бонка (элемент корпуса 1);
15 - отверстие (элемент бонки 14);
16 - стержень;
17 - гайка;
18 - Г-образный уступ (элемент корпуса 1);
19 - углубление (элемент корпуса 1);
20 - скос (элемент подвижной пластины 12);
21 - вставка твердой смазки;
22 - Т-образный зацеп;
23 - выступ (элемент нажимного клина 11);
24 - углубление (элемент нажимной плиты 10);
25 - окно (элемент корпуса 1);
26 - вспомогательный скос (элемент, присутствующий на распорном клине 8, направляющей пластине 9 и подвижной пластине 12);
27 - выборка (элемент распорного клина 8);
28 - выступ (элемент распорного клина 8);
29 - выступ (элемент пластины 6).
Фрикционный амортизатор (фиг. 1-4) характеризуется следующими связями своих перечисленных выше элементов.
Он содержит корпус 1 (фиг. 1-5) с сопряженными между собой стенками 2 и с днищем 3, и с установленным в корпусе 1 вдоль центральной оси O1 пакетом 4 (фиг. 2) упруго-эластичных элементов 5, 5', перемеженных пластинами 6, а также фрикционный узел 7 (фиг. 1-4), состоящий из нажимной плиты 10, нажимного клина 11, и направляющих пластин 9, контактирующих своими поверхностями с поверхностями распорных клиньев 8 и поверхностями подвижных пластин 12, которые расположены своими другими поверхностями в контакте с поверхностями продольных к ним стенок 2 корпуса 1. Подвижные пластины 12 снабжены боковыми выступами 13, опирающимися на нажимную плиту 10. Между нажимным клином 11 и распорными клиньями 8 обеспечен их взаимный контакт поверхностями. На днище 3 выполнена выступающая внутрь корпуса 1 бонка 14 с отверстием 15, в котором расположен один конец стержня 16. Стержень 16 пропущен сквозь пакет 4 упруго-эластичных элементов 5, 5', и нажимной клин 11, на котором другой конец стержня 16 зафиксирован гайкой 17 так, что обеспечивается выступание нажимного клина 11 за корпус 1 на величину h от 115 до 120 мм (фиг. 2-4). С целью предотвращения самооткручивания гайки 17 и изменения заданной величины h, соответствующей рабочему ходу фрикционного амортизатора, ее полезно дополнительно фиксировать на стержне 16, например, сваркой или другим способом.
В отличие от прототипа [2], в конструкции фрикционного амортизатора по полезной модели не применяются специальные и хрупкие стойкие к истиранию элементы. Вместо этого, подвижные пластины 12, направляющие пластины 9 и распорные клинья 8 выполнены из распространенных марок сталей с поверхностной термической обработкой, например, с цементацией, а для достижения необходимого коэффициента трения обеспечено смазывание поверхностей направляющих пластин 9 вставками твердой смазки 21 (фиг. 2), выполненными, например, из бронзы, при этом вставки твердой смазки 21 могут размещаться как в направляющих пластинах 9 (фиг. 2), так и в распорных клиньях 8 (не показано), что в любом случае обеспечивает смазывание их поверхностей.
Поверхностная термическая обработка обеспечивает прочность и износостойкость поверхностей, предотвращает «приваривание» и заклинивание, причем, в отличие от объемной термообработки, внутри этих деталей сохраняется вязкая структура с возможностью адаптации за счет этого к погрешностям формы при их изготовлении, что препятствует трещинообразованию. Поверхностная термическая обработка и смазывание вставками твердой смазки 21, позволяют упростить и удешевить изготовление фрикционного узла 7, а также обеспечить его прочность, снижение изнашиваемости, долговечность и достижение высокой эффективности фрикционного амортизатора. При этом, подвижные пластины 12, а также другие детали фрикционного узла 7, полезно выполнять из легированных сталей, что позволяет достичь максимальной прочности при поверхностной термической обработке и улучшить коррозионную стойкость.
В местах сопряжения смежных стенок 2 корпуса 1 (фиг. 2-5) выполнены Г-образные уступы 18, предназначенные, во-первых, для опоры на них направляющих пластин 9 в состоянии покоя или при воздействии на фрикционный амортизатор внешней силы Q (фиг. 2) и препятствия их сдвигу в сторону стержня 16, обеспечивая устойчивое и стабильное расположение этих направляющих пластин 9, и, во-вторых, для препятствия вытягиванию их из корпуса 1 при прекращении воздействия внешней силы Q с последующим возвратом фрикционного узла 7 в исходное положение за счет упора Т-образных зацепов 22 (фиг. 2, 3) в Г-образные уступы 18 со стороны днища 3 корпуса 1.
Для устранения недостатков прототипа [2], выражающихся в образовании на контактирующих с подвижными пластинами стенках корпуса наплывов и скоплении частиц износа, на стенках 2 корпуса 1 фрикционного амортизатора по полезной модели выполнены углубления 19, обеспечивающие вывешивание краев подвижных пластин 12 и равномерное изменение толщины контактирующих с ними стенок 2 как при максимальном рабочем ходе, так и при неполном, без образования наплывов, а также углубления 19 служат местом скопления частиц износа. При этом, дополнительно, на подвижных пластинах 12, распорных клиньях 8 и направляющих пластинах 9 образованы вспомогательные скосы 26 (фиг. 2) со стороны днища 3 корпуса 1 и со стороны нажимного клина 11, предназначенные для препятствия образованию задиров на их поверхностях, а на подвижных пластинах 12 такие вспомогательные скосы 26 выполнены и для препятствия образованию расклепа со стороны нажимного клина 11 при воздействии внешней силы Q.
Исходя из условий работы фрикционного амортизатора с горизонтальным расположением стержня 16, полезно с целью обеспечения правильной установки и сохранения в течение срока эксплуатации заданного положения пакета 4 упруго-эластичных элементов 5, 5' и фрикционного узла 7 в корпусе 1 фрикционного амортизатора выполнять упруго-эластичные элементы 5, 5' и пластины 6 скрепленными между собой, например, с помощью выступов 29 на пластинах 6, внедренных в материал упруго-эластичных элементов 5, 5' (фиг. 2), а на нажимном клине 11 выполнять выступы 23 (фиг. 1, 2, 4), частично размещенные в корпусе 1, которые предотвращают его провисание и смещение в направлении стенок 2, не контактирующих с подвижными пластинами 12. В этих же стенках 2 полезно выполнять окна 25 (фиг. 2, 4) для выхода загрязнений и продуктов износа. В нажимной плите 10 выполнено углубление 24 (фиг. 2), в котором расположена часть упруго-эластичного элемента 5, что обеспечивает устойчивое расположение пакета 4 в корпусе 1 относительно фрикционного узла 7.
Компенсация возможных геометрических погрешностей корпуса 1 в местах сопряжения смежных стенок 2, а также обеспечение правильного расположения подвижных пластин 12 относительно стенок 2 корпуса 1 достигается выполнением на подвижных пластинах 12 в местах образования боковых выступов 13 (фиг. 1, 3) скосов 20, а также, для исключения вероятности контакта поверхностей р боковых выступов 13, обращенных к стенкам 2, не контактирующим с подвижными пластинами 12, эти поверхности р боковых выступов 13 выполнены наклонно к этим стенкам 2 (фиг. 1).
Фрикционный амортизатор наиболее эффективен при выполнении его фрикционного узла 7 с определенными геометрическими параметрами, когда между нажимным клином 11 и распорными клиньями 8 в месте их взаимного контакта поверхностями образован угол α величиной от 33 до 37 градусов (фиг. 2, 4), между распорными клиньями 8 и нажимной плитой 10 в месте их взаимного контакта поверхностями образован угол β величиной от 85 до 104 градусов относительно центральной оси O1 (фиг. 2), а между распорными клиньями 8 и направляющими пластинами 9 в месте их взаимного контакта поверхностями образован угол γ величиной от 2 до 5 градусов относительно центральной оси O1.
Поверхности f подвижных пластин 12 между боковыми выступами 13 могут быть механически обработаны с образованием на этих боковых выступах 13 участков а, перпендикулярных к этим поверхностям f подвижных пластин 12 (фиг. 1), что обеспечивает надежный контакт направляющих пластин 9 с подвижными пластинами 12 и их беспрепятственное прямолинейное движение друг относительно друга. При этом, как подвижные пластины 12, так и направляющие пластины 9 могут выполняться не только с поверхностной, но и с объемной термической обработкой, поскольку обеспечивается надежный и полный контакт их поверхностей.
С целью снижения удельных давлений на детали фрикционного узла 7 и рационального распределения нагрузок на них, во фрикционном амортизаторе по полезной модели максимально возможно увеличены площади взаимного контакта этих деталей. Например, на распорных клиньях 8 выполнены выступы 28 (фиг. 2), контактирующие с направляющими пластинами 9 и расположенные между ними и нажимной плитой 10, образуя с ней зазор, необходимый для свободного перемещения распорных клиньев 8 в сторону стержня 16 при сжатии такого фрикционного амортизатора. С этой же целью, на распорных клиньях 8 образованы выборки 27 (фиг. 2) со стороны стержня 16. Боковые выступы 13 на подвижных пластинах 12 выполнены наклонно к стенкам 2 корпуса 1, с которыми эти подвижные пластины 12 контактируют, что позволяет более правильно распределить нагрузку на эти боковые выступы 13, на нажимную плиту 10, а также рационально использовать материал при изготовлении подвижных пластин 12.
Дополнительно, высокая прочность, и, соответственно, надежность фрикционного амортизатора достигается путем размещения в его корпусе 1 пакета 4 упруго-эластичных элементов 5, 5', усилие сжатия которого при полном погружении нажимного клина 11 в корпус 1 составляет от 300 до 450 килоньютонов. Однако, для компенсации возможных колебаний этой величины, зависящей от степени изношенности фрикционного амортизатора, температурных условий эксплуатации и других факторов, предусмотрены конструктивные особенности.
При увеличении жесткости пакета 4, например, в условиях холода, распорные усилия на стенки 2 корпуса 1 со стороны фрикционного узла 7 могут возрастать, что приводит к деформации других сопряженных с ними стенок 2. При такой деформации эти стенки 2 могут прогибаться в сторону стержня 16 и затруднять перемещение нажимной плиты 10. Для устранения этого недостатка, эти стенки 2, не контактирующие с подвижными пластинами 12, выполнены с уменьшением их толщины S от подвижных пластин 12 в сторону стержня 16 до толщины s, с образованием между нажимной плитой 10 и этими стенками 2 зазора величиной z (фиг. 1), достаточного для компенсации такого прогиба этих стенок 2. При высоких температурах эксплуатации фрикционного амортизатора, тепловое расширение упруго-эластичных элементов 5, 5' приводит к увеличению нагрузки на бонку 14, поэтому для обеспечения достаточной прочности ее полезно выполнять с определенным соотношением размеров, при котором высота Н (фиг. 2) не превышает ее ширину D.
Повышение прочности корпуса 1 достигается выполнением его стенок 2, контактирующих с подвижными пластинами 12, сплошными, без каких-либо ослабляющих элементов, как, например, сквозных окон для размещения отогнутых концов направляющих пластин в прототипе [2].
Кроме этого, наличие бонки 14 вынуждает выполнять упруго-эластичные элементы 5', расположенные ближе к днищу 3 корпуса 1, с большим отверстием. В прототипе [2] это приводит к уменьшению их объема и, соответственно, жесткости. При воздействии силы значительной величины, такие упруго-эластичные элементы в прототипе [2] деформируются больше остальных, что приводит к накоплению остаточных деформаций, в результате которых пакет упруго-эластичных элементов «проседает» и силовые характеристики фрикционного амортизатора ухудшаются. Вариантом устранения указанного недостатка в прототипе [2] служит выполнение ближайших к днищу упруго-эластичных элементов из другого материала, обладающего повышенной твердостью, однако, исходя из возможных условий эксплуатации фрикционных амортизаторов, как, например, при перепадах температур в широком диапазоне, твердость такого материала изменяется непропорционально с остальными элементами, что негативно влияет на стабильность и, в целом, на работоспособность такого устройства.
Поэтому, во фрикционном амортизаторе по полезной модели, за счет выполнения по крайней мере, одного из ближайших к днищу 3 корпуса 1 упруго-эластичного элемента 5' из материала, объем которого больше объема упруго-эластичного элемента 5, расположенного ближе к фрикционному узлу 7 (фиг. 2), обеспечена возможность изготовления пакета 4 упруго-эластичных элементов 5, 5' из одного и того же материала, причем даже при наличии большого отверстия в ближайшем к днищу 3 упруго-эластичном элементе 5', охватывающем бонку 14, получить стабильную, предсказуемую силовую характеристику и такие величины деформации упруго-эластичных элементов 5, 5', при которых не происходит чрезмерных деформаций некоторых из них, а также «проседания» пакета 4. Наибольшую эффективность приобретает фрикционный амортизатор с пакетом 4, упруго-эластичные элементы 5, 5' которого выполнены из полиэфирного эластомера на основе полибутилентерефталата, что обеспечивает большую степень энергоемкости.
Принцип действия фрикционного амортизатора основан на том, что при воздействии внешней силы Q (фиг. 2), прилагаемой к нажимному клину 11, например, со стороны сцепного устройства (не показано) при соударении вагонов, сжимается пакет 4 упруго-эластичных элементов 5, 5'. Нажимной клин 11 погружается в корпус 1, при этом распорные клинья 8 с трением смещаются по направляющим пластинам 9 в сторону днища, а за счет угла γ и к стержню 16.
В определенный период рабочего хода, упорная плита автосцепного устройства вагона (не показана) начинает давить на подвижные пластины 12. Под действием этого, они с трением по направляющим пластинам 9 и стенкам 2 входят вовнутрь корпуса 1, при этом происходит интенсивное поглощение энергии, вызванной внешней силой Q.
При прекращении воздействия внешней силы Q, пакет 4 упруго-эластичных элементов 5, 5' разжимается, выталкивая фрикционный узел 7 в исходное состояние.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство №253861, опубликовано 07.10.1969, бюл. №31
2. Патент RU 2338100, конвенционный приоритет 18.04.2006 PL Р-379484, опубликован 10.11.2008 Бюл. №31 /прототип/.