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, Патент RU2380257, приоритет 13.11.2007, опубликован 27.01.2010, Бюл. №3], содержащий корпус в виде стакана, в котором симметрично его стенкам размещены нажимной конус, пара фрикционных клиньев с опорной плитой, по паре подвижных и неподвижных фрикционных пластин, а также возвратно-подпорное устройство, расположенное совместно с опорной плитой и клиньями между нажимным конусом и днищем корпуса. Нажимной конус воспринимает внешнюю силу, которая перераспределяется через клиновую систему фрикционных клиньев, одна часть которой обеспечивает сжатие возвратно-подпорного устройства, а другая часть обеспечивает прижатие фрикционных клиньев к стенкам корпуса.
Чем интенсивнее воздействие внешней силы, тем больше прижатие фрикционных клиньев к стенкам. Это, с одной стороны, полезно, и способствует большему энергопоглощению фрикционного амортизатора за счет работы сил трения, но с другой стороны резко повышает конечную силу в конце его рабочего хода. Исходя из того, что величина конечной силы строго регламентирована и не может превышать установленного значения, применимость такой конструкции фрикционного амортизатора ограничена и не может быть применена для высокоэнергоемких устройств более высокого класса. К тому же, чем больше прижимаются фрикционные клинья к стенкам корпуса, тем больше вероятность их взаимного схватывания и приваривания, что способствует заклиниванию и интенсивному изнашиванию фрикционного амортизатора.
Указанные проблемы частично решены в амортизаторе [2, SU №109722, приоритет 15.05.1956, опубликовано 01.01.1957], принятом за прототип, в корпусе которого размещены фрикционные элементы, между которыми установлены пружинящие элементы. Фрикционные клинья опираются на направляющий стакан, с другого торца которого через зазор размещена шайба. Шайба разделяет пружинящие элементы на секции. При воздействии на конус внешней силы, пружинящие элементы сжимаются, а фрикционные элементы прижимаются к стенкам корпуса. После того, как зазор между торцом направляющего стакана и шайбой выбирается, сопротивление амортизатора значительно возрастает.
Энергия, вводимая в амортизатор внешней силой, поглощается за счет работы, затрачиваемой на сжатие пружинящих элементов и преодоление сил трения между фрикционными элементами и стенками корпуса. То есть после смыкания направляющего стакана с шайбой, происходит перераспределение усилий на несколько фрикционных элементов, снижая удельное давление на них, однако значительное увеличение конечного усилия амортизатора не исключается.
Более того, постепенное нарастание распорных усилий между фрикционными элементами и стенками корпуса также, как и в аналоге [1], сохраняется.
Таким образом, поэтапное срабатывание ближайших к конусу пружинящих элементов обеспечивает низкую жесткость амортизатора в начале рабочего хода и высокую жесткость в конце, с возрастанием конечной силы, что также не позволяет создать на его основе высокоэнергоемкие устройства более высокого класса.
Описанные выше недостатки амортизаторов по аналогу [1] и прототипу [2] снижают стабильность и надежность их работы, а также ограничивают их применимость для высокоэнергоемких устройств.
Поэтому задачей полезной модели является достижение технического результата, направленного на повышение стабильности и надежности фрикционного амортизатора, а также на повышение его энергоемкости.
Поставленная задача решается тем, что фрикционный амортизатор (фиг. 1-18), содержащий корпус (1) с днищем (2) и с образованной стенками (3) горловиной (4), в которой расположен клиновой узел (5), содержащий нажимной клин (6) и распорные клинья (7), причем между днищем (2) и клиновым узлом (5) расположено упругое устройство (8), образованное распорным демпфером (9) и подпорным демпфером (10), между которыми расположен разделитель (11), при этом распорные клинья (7) выполнены с возможностью обеспечения их контакта с направляющими элементами (N) в горловине (4) и снабжены обращенными к днищу (2) опорными элементами (Е) с обеспечением возможности взаимодействия ими с распорным демпфером (9) при приложении внешних сил (q, Q) к клиновому узлу (5), кроме того, в направлении к вершине горловины (4), начиная от разделителя (11), расположен толкатель (12), имеет отличительный признак: толкатель (12) расположен без возможности передачи всей нагрузки подпорному демпферу (10) от распорных клиньев (7) при приложении внешних сил (q, Q) к клиновому узлу (5).
Такой отличительный признак позволяет обеспечить прижатие распорных клиньев к направляющим элементам с помощью распорного демпфера и существенно ограничить интенсивность, или даже исключить нарастание усилия такого прижатия, обеспечить невысокое конечное усилие с помощью подпорного демпфера, но при этом обеспечить высокую энергоемкость упругого устройства и фрикционного амортизатора в целом.
Дополнительные отличительные признаки полезной модели:
- толкатель (12) расположен без контакта с опорными элементами (Е) распорных клиньев (7);
- направляющие элементы (N) - это стенки (3) корпуса (1);
- направляющие элементы (N) выполнены в виде пластин (13), размещенных в корпусе (1), при этом между ними и стенками (3) корпуса (1) расположены подвижные пластины (14), частично выступающие из горловины (4);
- толкатель (12) выполнен за одно целое с разделителем (11);
- толкатель (12) выполнен за одно целое с нажимным клином (6);
- распорный демпфер (9) дополнен прокладкой (16), контактирующей с опорными элементами (Е) распорных клиньев (7);
- высота (Н) подпорного демпфера (10) больше высоты (h) распорного демпфера (9);
- контакт распорных клиньев (7) с направляющими элементами (N) дополнен размещенными между ними вставками (15), выполненными из материала, отличного от материала распорных клиньев (7);
- толкатель (12) снабжен опорами (12'), контактирующими с опорными элементами (Е) распорных клиньев (7) с возможностью передачи части нагрузки подпорному демпферу (10) от распорных клиньев (7) через толкатель (12) при приложении внешних сил (q, Q) к клиновому узлу (5).
Сущность полезной модели поясняется иллюстрациями, где на фиг. 1-18 показаны виды сбоку с фронтальными разрезами на различные варианты исполнения фрикционного амортизатора по полезной модели в исходном, промежуточном и полностью сжатом положениях.
Фрикционный амортизатор в различном своем исполнении (фиг. 1-18) содержит корпус 1 с днищем 2 и с образованной стенками 3 горловиной 4. В корпусе 1 со стороны вершины горловины 4, противоположной днищу 2, расположен частично выступающий из горловины 4 на величину рабочего хода х фрикционного амортизатора клиновой узел 5, образованный нажимным клином 6 и распорными клиньями 7. Распорные клинья 7 контактируют с направляющими элементами N, а также снабжены обращенными в сторону днища 2 опорными элементами Е. Между клиновым узлом 5 и днищем 2 корпуса 1 размещено упругое устройство 8 (на фиг. 1-18 выделено пунктиром и условно показано наклонными скрещивающимися линиями), образованное со стороны клинового узла 5 распорным демпфером 9 и подпорным демпфером 10 со стороны днища 2 с разделителем 11 между ними. Упругое устройство 8 может быть образовано металлическими пружинами, упруго-эластичными элементами, резиновыми блоками. В направлении к вершине горловины 4, начиная от разделителя 11, расположен толкатель 12 с возможностью контакта с последним.
Направляющие элементы N могут быть выполнены в различном исполнении.
Например, в одном случае, для усиления энергоемкости клинового узла 5, направляющие элементы N могут быть выполнены в виде пластин 13 (фиг. 10-12, 16-18), между которыми и стенками 3 корпуса расположены подвижные пластины 14, частично выступающие из горловины 4.
В другом случае функцию направляющих элементов N могут выполнять стенки 3 корпуса 1 (фиг. 1-9, 13-15).
В каждом из упомянутых случаев контакт распорных клиньев 7 с направляющими элементами N может быть дополнен размещенными между ними вставками 15, выполненными из материала, отличного от материала распорных клиньев 7. Это предотвращает взаимное схватывание распорных клиньев 7 с направляющими элементами N, отрицательно влияющее на плавность работы фрикционного амортизатора, и обеспечивает между ними необходимый для надежной и стабильной работы его клинового узла 5 коэффициент трения.
Вставки 15 могут быть выполнены, например, в одном случае, из бронзы или чугуна для улучшения скольжения и предотвращения заклиниванию фрикционного амортизатора (фиг. 10-12, 16-18). В другом случае вставки 15 могут быть выполнены из стали (фиг. 7-9), что позволяет при ремонте заменять только их, значительно уменьшая износ массивного и дорогостоящего корпуса 1.
Распорный демпфер 9 может непосредственно контактировать с опорными элементами Е распорных клиньев 7 клинового узла 5 (фиг. 13-15), например, при использовании металлических пружин.
Контакт распорного демпфера 9 с опорными элементами Е может быть и через прокладку 16 (фиг. 4-12, 16-18). Например, при использовании в распорном демпфере 9 упруго-эластичных элементов, она может быть выполнена из металла. При использовании в распорном демпфере 9, как упруго-эластичных элементов, так и металлических пружин, прокладка 16 может быть изготовлена и из полимерных материалов, как твердых, так и обладающих упругостью с возможностью своей деформации и поглощения энергии.
Ключевым отличием фрикционного амортизатора по полезной модели от прототипа [2] является или полное исключение контакта толкателя 12 с опорными элементами Е распорных клиньев 7, или обеспечение контакта толкателя 12 с опорными элементами Е, например, с помощью опор 12' (фиг. 1-3). Такие опоры 12' могут быть полезны как при сборке фрикционного амортизатора для установки с их помощью распорных клиньев 7, так и для регулирования степени и характера сжатия распорного демпфера 9. Эти опоры 12' могут деформироваться (фиг. 2, 3), или обламываться (не показано), или выполняться пружинными, с возможностью передачи не всей, а только части нагрузки подпорному демпферу 10 от распорных клиньев 7 через толкатель 12 при приложении внешних сил q, Q к клиновому узлу 5, либо часть нагрузки подпорному демпферу 10 от распорных клиньев 7 передается иным способом.
Такой отличительный признак способствует распределенной и независимой передаче малой внешней силы q (фиг. 2, 5, 8, 11, 14, 17) или максимальной внешней силы Q (фиг. 3, 6, 9, 12, 15, 18) к распорному демпферу 9 и к подпорному демпферу 10. При этом важно отметить, что при сжатии подпорного демпфера 10 сжатие распорного демпфера 9 либо ограничено, то есть уменьшение его высоты h происходит значительно меньше, чем уменьшение высоты Н подпорного демпфера 10, либо при сжатии подпорного демпфера 10 с уменьшением его высоты Н сжатие распорного демпфера 9 и изменение его высоты h не происходит вообще (фиг. 4-6).
Более того, возможны варианты (фиг. 7-12), когда при воздействии малой внешней силы q или максимальной внешней силы Q при сжатии подпорного демпфера 10 его высота Н уменьшается, а высота h распорного демпфера 9, наоборот, увеличивается. То есть, на протяжении рабочего хода х фрикционного амортизатора, усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N либо остается неизменным, либо пренебрежимо мало изменяется.
В конструкции же по прототипу [2], за счет того, что фрикционные клинья опираются на направляющий стакан, выполняющий функцию толкателя, нарастание усилия их прижатия к стенкам корпуса происходит постоянно и интенсивно, на протяжении всего рабочего хода.
Поэтому возрастает надежность фрикционного амортизатора по полезной модели, стабильность и плавность его силовой характеристики, сохранность и долговечность не испытывающих перегрузок упругого устройства 8, клинового узла 5 и направляющих элементов N. Также обеспечено малое значение конечной силы и высокая энергоемкость фрикционного амортизатора.
Варьирование очередности или характера сжатия распорного демпфера 9 и подпорного демпфера 10 позволяет с незначительными изменениями применять данную конструкцию для производства фрикционных амортизаторов высокого класса с особо жесткими предъявляемыми к ним требованиями, что обеспечивает перспективность и конкурентоспособность полезной модели.
Вследствие того, что необходимо обеспечивать невысокое усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N и при этом высокую энергоемкость фрикционного амортизатора, полезно также соблюдать пропорциональное соотношение высоты h распорного демпфера 9 и высоты Н подпорного демпфера 10, при котором Н>h.
Особенности конструкции фрикционного амортизатора по полезной модели раскрываются рассмотрением работы вариантов его исполнения по фиг. 1-18.
Так, на фиг. 1-3 представлен вариант, в котором разделитель 11 выполнен за одно целое с толкателем 12, а между ним и нажимным клином 6 в исходном положении (фиг. 1) обеспечен зазор z.
При воздействии малой внешней силы q на нажимной клин 6 (фиг. 2), зазор z выбирается. Только после этого часть данной силы начинает воздействовать на подпорный демпфер 10 через толкатель 12 с разделителем 11, а распорный демпфер 9 сжимается как ранее, до выбирания зазора z, так и незначительно на протяжении рабочего хода х до конечного положения (фиг. 3) фрикционного амортизатора под действием максимальной внешней силы Q. Это происходит за счет того, что направляющие элементы N в виде стенок 3 корпуса 1 выполнены под наклоном к продольной оси O1 и распорные клинья 7 вынуждены смещаться к ней.
На фиг. 4-6 показан другой вариант, в котором разделитель 11 также выполнен за одно целое с толкателем 12, изначально контактирующим с нажимным клином 6 в исходном положении (фиг. 4). При воздействии малой внешней силы q на нажимной клин 6 (фиг. 5), часть этой силы начинает воздействовать на подпорный демпфер 10 через толкатель 12 с разделителем 11, а часть - на распорный демпфер 9 через клиновой узел 5. За счет того, что направляющие элементы N в виде стенок 3 корпуса 1 выполнены параллельными к продольной оси O1, независимо от воздействия малой внешней силы q (фиг. 5) или максимальной внешней силы Q (фиг. 6), распорный демпфер 9 не сжимается, обеспечивая этим постоянное на протяжении рабочего хода х усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N. При этом высота h распорного демпфера 9 не изменяется.
В варианте, представленном на фиг. 7-9, разделитель 11 также выполнен за одно целое с толкателем 12, который пропущен сквозь нажимной клин 6 и выступает за него наружу на расстояние с (фиг. 7). Здесь прилагаемая малая внешняя сила q (фиг. 8) изначально воздействует на выступающую часть толкателя 12, который передает эту силу подпорному демпферу 10, сжимая его. При этом расстояние с постепенно выбирается, после чего малая внешняя сила q или максимальная внешняя сила Q распределяется таким образом, что одна ее часть продолжает свое воздействие на толкатель 12, а другая ее часть начинает воздействие на нажимной клин 6, и через клиновой узел 5 воздействует на распорный демпфер 9.
Особенностью этого варианта исполнения (фиг. 7-9) является непостоянный характер сжатия распорного демпфера 9, заключающийся в том, что при выбирании расстояния с распорный демпфер 9 разжимается, снижая усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N, образованным стенками 3 корпуса 1 и дополненными вставками 15, а после выбирания этого расстояния с, когда малая внешняя сила q или максимальная внешняя сила Q воздействует и на нажимной клин 6, распорный демпфер 9 сжимается, за счет наклона направляющих элементов N к продольной оси O1.
В варианте, представленном на фиг. 10-12, рассматривается конструкция фрикционного амортизатора, в котором направляющие элементы N выполнены в виде пластин 13, размещенных в корпусе 1, между которыми и стенками 3 расположены подвижные пластины 14, частично выступающие из горловины 4. В этом случае, разделитель 11 и толкатель 12 выполнены отдельными деталями. Толкатель 12 с утолщением на наружном торце пропущен сквозь нажимной клин 6 с обеспечением зазора z между утолщением на толкателе 12 и углублением в нажимном клине 6 (фиг. 10).
При воздействии малой внешней силы q (фиг. 11) или максимальной внешней силы Q (фиг. 12) зазор z выбирается, и толкатель 12 своим утолщением увлекает нажимной клин 6 внутрь горловины 4. Также, как и в предыдущем варианте (фиг. 7-9), в течение выбирания зазора z (фиг. 12), распорный демпфер 9 разжимается, снижая усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N, а после выбирания зазора z сжимается за счет наклона направляющих элементов N к продольной оси O1. Особенностью варианта (фиг. 10-12), является то, что нажимной клин 6 не испытывает непосредственного воздействия малой или максимальной внешней силы q, Q.
На фиг. 13-15 толкатель 12 выполнен за одно целое с нажимным клином 6, между которыми и разделителем 11 образован зазор z (фиг. 13). При выбирании зазора z происходит сжатие распорного демпфера 9, в течение которого усилие прижатия распорных клиньев 7 к направляющим элементам N немного увеличивается, а подпорный демпфер 10 при этом не сжимается. После выбирания зазора z (фиг. 14, 15) сжимается и подпорный демпфер 10.
В конструкции фрикционного амортизатора на фиг. 16-18 разделитель 11 и толкатель 12 выполнены отдельными деталями, причем зазоры z (фиг. 16) образованы как между ними, так и между толкателем 12 и нажимным клином 6. При выбирании зазоров z, сжимается только распорный демпфер 9, после чего (фиг. 17, 18) сжимается и подпорный демпфер 10.
Следует отметить, что рассмотренные варианты (фиг. 1-3, 4-6, 7-9, 10- 12, 13-15 и 16-18) являются лишь примерными способами влияния на силовую характеристику и энергоемкость фрикционного амортизатора по полезной модели. В каждом из этих вариантов возможно внедрение различных комбинаций и незначительных доработок, существенно влияющих на поведение устройства. Например, наличие таких факторов, как одновременное или очередное сжатие распорного демпфера 9 и подпорного демпфера 10, несжимаемость или, наоборот, разжатие распорного демпфера 9 при сжатии подпорного демпфера 10, наличие или отсутствие зазоров z между разделителем 11, толкателем 12 и нажимным клином 6, раздельное или совместное их выполнение, наклонное или параллельное расположение направляющих элементов N к продольной оси O1, величина соотношения высоты h распорного демпфера 9 и высоты Н подпорного демпфера 10 и другие параметры.
Немаловажно упомянуть, что упругое устройство 8 может быть образовано и по принципу одного из вариантов, описанных в прототипе [2], где может быть применено также большее количество распорных и подпорных демпферов 9, 10, а разделители 11 могут быть снабжены вторичными распорными клиньями (не показано), контактирующими, например, со стенками 3 корпуса 1 ближе к его днищу 2. Но при этом необходимо соблюдать важность ключевого отличия от прототипа [2], где толкатели 12 не должны иметь возможности передачи всей нагрузки подпорному демпферу 10 от распорных клиньев 7 при приложении внешних сил q, Q к клиновому узлу 5.
Введение упомянутых отличительных признаков, позволяет оказывать существенное положительное влияние на характер работы фрикционного амортизатора, с обеспечением его надежности, долговечности и универсальности применения, в том числе включая возможность использования практически одной и той же конструкции для различных классов поглощающих аппаратов.
Источники информации:
1. Патент RU2380257, приоритет 13.11.2007, опубликован 27.01.2010, Бюл. №3
2. SU №109722, приоритет 15.05.1956, опубликовано 01.01.1957 /прототип/
Приложение к заявке на патентование полезной модели «Фрикционный амортизатор»