ФРИКЦИОННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ АМОРТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и касается фрикционных узлов для амортизирующих устройств транспортных средств, преимущественно для поглощающих аппаратов, устанавливаемых между вагонами железнодорожного состава.
Известен фрикционный узел для амортизирующих устройств [1, Патент US 2701063 МПК B61G 9/10, приоритет 28.11.1951, публикация 01.02.1955], содержащий размещенные в корпусе клинья, которыми защемлены на корпус пластинчатые пакеты, состоящие из подвижной пластины и направляющих пластин, между которыми она расположена, причем одна из направляющих пластин в пластинчатых пакетах расположена между корпусом и подвижной пластиной, а другая - между подвижной пластиной и одним из клиньев. Корпус снабжен также внутренними выступами, являющимися опорными поверхностями для направляющих пластин
Такой фрикционный узел не очень энергоемок, что обусловлено образующейся со стороны его нажимного конуса низкой силой прижатия клиньев к подвижным пластинам и направляющим пластинам. Возникающие при этом силы трения недостаточны для достижения высокого энергопоглощения. Поэтому при конструировании такого устройства применяется самый распространенный и эффективный путь решения данной проблемы - увеличение энергоемкости достигается за счет более сильного прижатия друг к другу деталей фрикционного узла путем увеличения угла между нажимным конусом и каждым из клиньев. Однако такое изменение угла, с одной стороны, приводит к увеличению распорного усилия во фрикционном узле, а, с другой стороны, приводит к высокой вероятности заклинивания фрикционного узла на прямом или обратном ходе его нажимного конуса. Это чревато повреждением или поломкой деталей фрикционного узла (трещины, смятия, сколы, и др.). При этом наблюдаются локальные приваривания деталей друг к другу из-за возникающих концентраций удельных давлений на поверхностях, сопровождающихся высокой температурой и взаимной диффузией частиц поверхностных слоев.
Более надежным в сравнении с аналогом [1] является фрикционный узел для амортизирующих устройств [2, Патент US 7540387, МПК B61G 9/04, приоритет 11.1.2003, публикация 2.06.2009], содержащий такие же элементы, как и фрикционный узел по аналогу [1]. Для ограничения перемещения направляющих пластин корпус может быть снабжен внутренними выступами, являющимися опорными поверхностями для направляющих пластин. При этом новшеством является то, что в направляющих пластинах, а также в клиньях выполнены выборки с размещенными в них вставками из твердой смазки, в составе которой содержится 2% графита.
Эти вставки сделаны для предотвращения вредного залипания деталей фрикционного узла, препятствующего возврату их в исходное положение. Однако коэффициент трения графита очень мал - около 0.02-0.05, и он сильно зависит от природы трущихся поверхностей, их гладкости, давления и присутствия адсорбированных веществ. С повышением температуры коэффициент трения возрастает. При некоторой критической нагрузке по нормали к трущимся поверхностям он резко увеличивается, что вызывается разрушением адсорбционного слоя на графитных поверхностях вставок. При полном отсутствии адсорбционного слоя коэффициент трения очень велик, и графит совершенно теряет антифрикционные свойства. Известно, что графит имеет сложную структуру и в процессе ударного трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. Однако, содержание в составе металлокерамического материала графита менее 3.5% приводит при некотором увеличении износостойкости к значительному снижению стабильности коэффициента трения. При увеличении же количества графита более 4.5% с ростом стабильности значительно снижается износостойкость.
Т.е., применение упомянутых вставок в деталях фрикционного узла по прототипу [2] из твердой смазки, в составе которой содержится 2% графита, не позволяет в достаточной степени повысить надежность и эффективность работы такого фрикционного узла, а также и амортизирующих устройств, в которых он применяется.
Поэтому задачей полезной модели является достижение технического результата, направленного на повышение надежности и эффективности работы фрикционного узла для амортизирующих устройств, что повысит и их надежность и эффективность работы, путем изменения формы внутренних выступов корпуса, позволяющего обойтись без применения, в отличие от прототипа [2], ненадежной и малоэффективной в работе графитовой твердой смазки во вставках направляющих пластин и клиньях фрикционного узла.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный узел для амортизирующих устройств, содержащий размещенные в корпусе клинья, а также подвижные пластины и расположенные на внутренних выступах корпуса направляющие пластины, имеет отличительные признаки: на внутренних выступах корпуса выполнены скосы, на которых ответными скосами своих торцов расположены направляющие пластины.
Такое выполнение скосов позволит более равномерно распределить опорные реакции между трущимися элементами фрикционного узла от воздействующей на его клинья внешней силы, что предотвратит образование вредной концентрации локальных удельных давлений на малых площадях контакта таких трущихся элементов, приводящей к образованию сколов, задиров, раковин. Это направлено на не применение, в отличие от прототипа [2], ненадежной и малоэффективной в работе графитовой твердой смазки во вставках направляющих пластин и клиньях фрикционного узла, что повысит надежность и эффективность его работы, а также работы амортизирующих устройств, в которых он будет установлен.
Дополнительны отличительные признаки:
- подвижными пластинами и направляющими пластинами образованы пакеты, состоящие из подвижной пластины и двух направляющих пластин между которыми она расположена;
- подвижными пластинами и направляющими пластинами образованы пакеты, состоящие из подвижной пластины и направляющей пластины, сопряженной с одним из клиньев;
- подвижными пластинами и некоторыми направляющими пластинами образованы пакеты, состоящие из подвижной пластины и двух направляющих пластин, между которыми она расположена, причем остальные направляющие пластины расположены между клиньями и корпусом;
- направляющие пластины пакетов в местах их расположения на внутренних опорных поверхностях корпуса, скошены в направлении подвижной пластины, расположенной между направляющими пластинами, на углы, под которые также скошены эти поверхности;
- в пакетах направляющие пластины выполнены из нескольких частей, опирающихся друг на друга скосами своих торцов;
- углы, под которые скошены направляющие пластины, выполнены разными по величине;
- на направляющих пластинах установлены твердые смазывающие вставки;
- на направляющих пластинах установлены металлокерамические накладки.
- на упомянутых скосах нанесена смазка.
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1 показан вид А сверху по фиг. 2-4 на фрикционный узел, установленный в амортизирующее устройство, при этом фрикционный узел имеет пакеты, состоящие из подвижной пластины и двух направляющих пластин между которыми она расположена; на фиг. 2-4 показаны фронтальные совмещенные разрезы по фиг. 1 двух положений фрикционного узла в различных вариантах исполнения его элементов, где левая часть фигур - такой узел в исходном состоянии, правая часть - при приложении к нему внешней силы F от ударной нагрузки; фиг. 5 показан разрез В-В по фиг. 2-4; на фиг. 6-19 показаны увеличенные фрагменты изображения левой части фигуры 2 с разным исполнением элементов фрикционного узла; на фиг. 20 показан вид С сверху по фиг. 21 на фрикционный узел, установленный в амортизирующее устройство, при этом во фрикционном узле применены пакеты, состоящие из подвижной пластины и направляющей пластины, сопряженной с одним из клиньев, с фиксацией фрикционного узла в корпусе с помощью гайки, накрученной на стержень; на фиг. 21 показан фронтальный разрез фрикционного узла по фиг. 20; на фиг. 22 то же, что на фиг. 20, но с фиксацией фрикционного узла в корпусе с помощью зацепов в корпусе и на нажимном элементе; на фиг. 23 показан вариант фиксации вид D сверху по фиг. 24 на фрикционный узел, установленный в амортизирующее устройство, при этом во фрикционном узле применены пакеты, состоящие из подвижной пластины и двух направляющих пластин, между которыми она расположена, причем остальные направляющие пластины расположены между клиньями и корпусом; на фиг. 24 показан фронтальный разрез фрикционного узла по фиг. 23.
Фрикционный узел для амортизирующих устройств по фиг. 1-19, содержит размещенные в корпусе 1 клинья 2, которыми защемлены на корпус 1 пакеты 3, состоящие из подвижной пластины 4 и направляющих пластин 5, 6 между которыми она расположена. Причем направляющая пластина 5 имеет торец 7 и расположена между корпусом 1 и подвижной пластиной 4. Корпус 1 имеет внутренний выступ, выполненный в виде примыкающей к нему опорной площадки 8. Направляющая пластина 6 имеет торец 9 и расположена между подвижной пластиной 4 и одним из клиньев 2. Корпус 1 имеет также другой внутренний выступ, выполненный в виде примыкающей к нему опорной площадки 10.
Направляющая пластина 5, своим торцом 7 расположена на опорной площадке 8, а направляющая пластина 6 своим торцом 9 расположена на опорной площадке 10. Опорные площадки 8 и 10 могут примыкать к корпусу 1 или за счет одного с ним выполнения (как показано), например, при литье, или за счет скрепления с ним (не показано) в виде отдельной детали.
Для повышения эффективности работы фрикционного узла путем равномерного распределения опорных реакций в нем от воздействия внешней силы F (фиг. 3, 4), предотвращения вредной концентрации локальных удельных давлений на малых площадях контакта его элементов, которая приводит к образованию сколов, задиров, раковин, в конструкции устройства фрикционного узла предусмотрен вариант более полного прилегания всех поверхностей каждого из его элементов. Это решается конструктивно выполнением на внутренних опорных поверхностях корпуса (опорной площадках 8 и 10) скосов, на которых ответными скосами расположены направляющие пластины 5, 6.
Максимальную эффективность приобретает устройство, где полностью все направляющие пластины 5, 6 пакетов 3 опираются на скошенные поверхности, причем сопряженная с этими поверхностями соответствующая поверхность самих направляющих пластин 5 и 6 также имеет скос, или, как вариант, скругление.
Для этого торцы 7 направляющих пластин 5 и торцы 9 направляющих пластин 6 могут быть скошены в направлении подвижной пластины 4, расположенной между направляющими пластинами 5 и 6, на углы α и β (фиг. 6-11), под которые также скошены соответствующие им опорные площадки 8 и 10. Такое направление упомянутых скосов обеспечит распределение опорных реакций направляющих пластин 5 и 6 в сторону к подвижным пластинам 4 (фиг. 3). Это обеспечит их стремление к перемещению вниз и в сторону подвижных пластин 4 под действием составляющих распорного усилия, возникающего от действия внешней силы сжатия F (фиг. 3) устройства через клиновую систему фрикционного узла. Такие углы α и β могут быть выполнены между собой разными по величине.
В пакетах 3 другие торцы 11 и 12 направляющих пластин 5 и 6 (фиг. 4, 12-17) также скошены в направлении подвижной пластины 4 на углы φ и θ (фиг. 12-17). Это сделано для случая, когда упомянутые направляющие пластины могут быть выполнены из нескольких частей, например, как показано, из двух - одной частью являются сами направляющие пластины 5 и 6, а второй частью - дополнительные направляющие пластины 13 и 14. На те же углы φ и θ скошены не обозначенные, но показанные нижними, торцы дополнительных направляющих пластин 13 и 14, расположенных ими на других скошенных торцах 11 и 12 соответствующих направляющих пластин 5 и 6. Между собой углы α и β могут быть выполнены разными по величине, как и между собой углы φ и θ, и как между собой углы α и φ, β и θ.
Значение величин упомянутых углов α, β φ и θ лежит в диапазоне от 2° до 45°. Конкретная величина их зависит от требований к характеристикам амортизирующих устройств, в которых фрикционный узел может применяться, наличия в нем смазывающих вставок и материала из которого они изготовлены, а также других критериев. В каждом случае вариант выполнения углов α, β φ и θ выбирается исходя из необходимости достижения наибольшей эффективности работы амортизирующего устройства.
Все упомянутые скосы обеспечивают возможность адаптации положения направляющих пластин 5, 6 и дополнительных направляющих пластин 13, 14 в составе фрикционного узла 3 и их плотное прилегание, распределение усилий по всей поверхности, компенсацию неточностей изготовления и установки при сборке устройства. Упомянутое введение в конструкцию фрикционного узла дополнительных направляющих пластин 13 и 14, и характер расположения там, полезно для еще более полного прижатия их вместе с направляющими пластинами 5, 6 к подвижным пластинам 4, к тому же в этом случае нет необходимости в точной обработке формы поверхности как подвижных пластин 4, так и направляющих пластин 5, 6 и дополнительных направляющих пластин 13, 14. Поэтому они будут иметь возможность приспособиться и приработаться конкретно в местах своего взаимного контакта.
Упомянутое введение скосов позволяет на направляющих пластинах 5, 6 и на дополнительных направляющих пластинах 13, 14, а также клиньях 2 устанавливать твердые смазывающие вставки 15 (фиг. 2-7, 10-13, 16-18), но без применения, как в прототипе [2] недостаточно эффективных графитовых составляющих. Во фрикционном узле по полезной модели могут применяться более простые по составу и более эффективные в работе вставки, например, выполненные из бронзы, и/или могут быть установлены там металлокерамические накладки 16 (фиг. 6-8, 12-14). Рекомендуемый химический состав такого материала должен находиться в следующем соотношении: (%): олово - 4,5…6,5; графит - 3,5…4,5; дисульфид молибдена - 1.5…3; свинец - 4…6; диоксид кремния - 1,5…2,5; железо - остальное. С металлокерамическими накладками 16 значительно снижается изнашивание деталей фрикционного узла, наблюдается полировальный эффект, отсутствуют вырывы и задиры, повышается энергопоглощение тепловой энергии, преобразованной за счет повышения коэффициента и, соответственно, силы трения. Негативное поведение графита в составе металлокерамики с одной стороны минимально при таком процентном содержании, а с другой стороны наличие других компонентов позволяет использовать его полезные качества.
Возможны и другие варианты (не показаны) комбинаций, другие материалы для твердых смазывающих вставок 15 и металлокерамических накладок 16 в фрикционном узле. Например, для твердых смазывающих вставок 15 может применяться бронза или состав из металлокерамического порошкового материала или другого твердого смазывающего сплава, который способен обеспечить минимальную адгезию трущихся поверхностей и не имеет большой зависимости от температуры.
Можно использовать различные материалы в одной конструкции фрикционного узла одновременно. Применение таких вставок позволит снизить изнашивание деталей фрикционного узла, увеличить его ресурс, устранить приваривания трущихся поверхностей.
На фигурах 9 и 15 представлены варианты фрикционного узла без применения твердых смазывающих вставок 15 и металлокерамических накладок 16. Такой вариант возможен при применении сталей для изготовления деталей фрикционного узла и методов их обработки, которые способны выполнять свои функции и гарантировать надежность и долговечность устройства, препятствовать заклиниванию и возникновению автоколебаний.
Во фрикционном узле клинья 2 сопряжены своими клиновыми поверхностями 17 под углом λ с ответными им поверхностями 18 направляющих пластин 6 (фиг. 2, 3, 6-11, 18) и вместе с ними с ответными им поверхностями 19 дополнительных направляющих пластин 14 (фиг. 4, 12-17).
В корпусе 1 фрикционный узел может быть расположен (фиг. 1-19) вместе с другими деталями амортизирующего устройства, например, нажимным элементом 20, непосредственно воспринимающим внешнюю силу F и опирающимся своей поверхностью 21 под углом γ на ответные ей поверхности 22 клиньев 2, а также, например, опорной плитой 23, на поверхности 24 которой под углом Δ расположены ответные ей поверхности 25 клиньев 2.
Для облегчения вывода деталей фрикционного узла в исходное положение, после снятия внешней силы F полезно при сборке фрикционного узла устанавливать в нем пружину 26 (фиг. 18, 19) через выступ 27 в нижней части нажимного элемента 20, которая одновременно расположена между клиньями 2, между нажимным элементом 20 и опорной плитой 23. Пружина 26 может быть, например, металлической. Она при снятии нагрузки будет в первую очередь отталкивать нажимной элемент 20 от клиньев 2, и позволять им свободно возвращаться в исходное положение, не подпирая направляющие 6 и подвижные пластины 4. При этом возвратно-подпорному устройству 28 (условно показано диагональными линиями) амортизирующего устройства, опирающемуся на днище 29 корпуса 1 будет легче выводить все компоненты фрикционного узла из сжатого состояния в исходное.
Для предотвращения вытягивания направляющих пластин 5 и 6, а также дополнительных направляющих пластин 13 и 14 из корпуса 1 (фиг. 1-18) при обратном ходе фрикционного узла, а особенно если он включает в себя оба вида этих пластин, в его конструкции полезно предусматривать зацепы 30 расположенные в корпусе 1.
Фрикционный узел для амортизирующих устройств по фиг. 20-22 содержит размещенные в корпусе 1 клинья 2, которыми защемлены на корпус 1 пластинчатые пакеты 3, состоящие из подвижной пластины 4 и направляющей пластины 6, сопряженной с одним из клиньев 2. Направляющая пластина 6 имеет возле своего торца 9 внутренний скос 31 под углом α, которым расположена на ответном скосе опорной площадки 10 корпуса 1.
Для повышения стабильности характеристик, уменьшения автоколебаний фрикционного узла и уменьшения износа его трущихся поверхностей с повышением коэффициента трения и, соответственно, силы трения и энергопоглощения, на поверхности направляющих пластин 6 могут быть установлены металлокерамические накладки 16.
В корпусе 1 такого амортизирующего устройства, фрикционный узел может быть расположен вместе с другими деталями амортизирующего устройства, например, нажимным элементом 20, непосредственно воспринимающим нагрузку и опирающимся своей поверхностью 21 под углом γ на ответные ей поверхности 22 клиньев 2, а также, например, опорной плитой 23, на поверхности 24 которой под углом Δ расположены ответные ей поверхности 25 клиньев 2.
Возвратно-подпорное устройство 28 может быть выполнено в виде вставленных друг в друга пружин сжатия 32 и 33, расположенных между днищем 29 корпуса 1 и опорной плитой 23. Пружины сжатия 32 и 33 предварительно поджаты через опорную плиту 23, клинья 2 и нажимной элемент 20 с помощью затяжки гайки 34 на резьбовом конце стержня 35 (фиг. 20, 21). Возвратно-подпорное устройство также может быть выполнено в виде пакета упругих полимерных элементов.
Возможен вариант такой конструкции фрикционного узла, в котором зацепы 30 корпуса 1 служат для его фиксации в амортизирующем устройстве и расположены возле нажимного элемента 20, который выполнен со своими зацепами 36 и фиксируется ими за зацепы 30 в корпусе 1 от выпадения (фиг. 22).
Фрикционный узел для амортизирующих устройств по фиг. 23 и 24 содержит размещенные в корпусе 1 клинья 2, которыми защемлены на корпус 1 пластинчатые пакеты 3, состоящие из подвижной пластины 4 и двух направляющих пластин 5 и 6, между которыми она расположена. Между клиньями 2 и корпусом 1 расположены еще две направляющие пластины 37, расположенные между клиньями 2 и корпусом 1.
Торцы 7 направляющих пластин 37 скошены на угол α в направлении подвижной пластины 4, а торцы 9 направляющих пластин 5 и 6 скошены в направлении подвижной пластины 4 на угол β. Под эти же углы α и β также скошены соответствующие направляющим пластинам 37 и направляющим пластинам 5, 6 опорные площадки 8 и 10. Такое направление упомянутых скосов обеспечивает при приложении нагрузки распределение опорных реакций направляющих пластин 37, 5 и 6 в сторону к подвижным пластинам. Это создаст их стремление к перемещению вниз и в сторону подвижных пластин 4 под действием составляющих распорного усилия, возникающего от действия внешней силы сжатия фрикционного узла устройства через его клиновую систему. Углы α и β могут быть выполнены между собой разными по величине.
В корпусе 1 такого амортизирующего устройства, фрикционный узел может быть расположен вместе с другими деталями амортизирующего устройства, например, двумя нажимными элементами 20, непосредственно воспринимающим нагрузку и опирающимися своей поверхностью 21 под углом γ на ответные ей поверхности 22 клиньев 2, а также, например, опорной плитой 23, на поверхности 24 которой под углом Δ расположены ответные ей поверхности 25 клиньев 2.
Возвратно-подпорное устройство 28 может быть выполнено в виде вставленных друг в друга пружин сжатия 32 и 33 (условно показаны диагональными линиями), расположенных на днище 29 корпуса 1. Причем пружина сжатия 32 расположена между днищем 29 и опорной плитой 23, а пружина сжатия 33 расположена между днищем 29 и опорным диском 38. Возвратно-подпорное устройство также может быть выполнено в виде пакета упругих полимерных элементов.
Работает фрикционный узел в амортизирующем устройстве следующим образом.
При приложении нагрузки (динамического удара) в виде внешней силы F (правая часть изображения на фиг. 2-4) к нажимному элементу 20 (фиг. 2-4), от автосцепного устройства вагона (не показано), усилие передается на клинья 2, направляющие пластины 6 (фиг. 2, 3), или на них и дополнительные направляющие пластины 14 (фиг. 4), а так же на подвижные пластины 4, направляющие пластины 5 (фиг. 2, 3), или на них и дополнительные направляющие пластины 13 (фиг. 4), и на стенки корпуса 1 (фиг. 1-4). Далее через опорную плиту 23 добавляется реакция от сжатия возвратно-подпорного устройства 28. Все детали фрикционного узла с большой силой прижимаются друг к другу, и их поверхности начинают взаимно тереться. При этом происходит гашение энергии удара и поглощение ее в виде тепла.
При снятии нагрузки возвратно-подпорное устройство 28 расслабляется и выталкивает фрикционный узел, выводя его в исходное положение (левая часть изображения на фиг. 2-4).
Наличие скошенных поверхностей в элементах фрикционного узла позволяет значительно повысить энергоемкость амортизирующего устройства, в котором он установлен, и добиться получения улучшенных рабочих характеристик, например, поглощающего аппарата с возвратно-подпорным устройством на основе металлических витых пружин сжатия или в виде пакета упругих полимерных элементов. То есть, увеличения распорного усилия, необходимого для качественного прижатия направляющих пластин 5, 6 (дополнительных направляющих пластин 13, 14) и подвижных пластин 4 друг к другу и к корпусу 1, можно добиться не только путем известного конструктивного изменения угла у между нажимным элементом 20 и клиньями 2, но также и за счет создания стремления «соскальзывать» направляющим пластинам 5, 6 (дополнительным направляющим пластинам 13, 14) по их скошенным опорным поверхностям.
Аналогично работает фрикционный узел и в амортизирующих устройствах, показанных на фиг. 20-24.
Источники информации:
1. Патент US 2701063 МПК B61G 9/10, приоритет 28.11.1951, публикация 01.02.1955
2. Патент US 7540387, МПК B61G 9/04, приоритет 11.1.2003, публикация 2.06.2009 /прототип/.
ПЕРЕЧЕНЬ ссылочных обозначений и наименований элементов, к которым эти обозначения относятся