ТЯГОВО-СЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
DRAW COUPLER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области транспортного машиностроения, точнее к устройствам для сочленения тягового транспортного средства с прицепом или навесной машиной, и предназначено, преимущественно, для машинно-тракторных поездов и агрегатов, в частности сельскохозяйственных.
Прицепы и навесные сельскохозяйственные машины, которые могут быть навесными, полунавесными или специальными, создают горизонтальную силу тяги, от которой возникает опрокидывающий момент, действующий на тягово-транспортное средство, например трактор, в результате чего у колесного трактора догружаются задние, как правило, ведущие колеса, а у гусеничных - смещается центр давления гусеницы на почву назад.
Особенно чувствительными к изменяющимся условиям работы оказались гусеничные трактора, т.к. центр масс у них сдвинут по отношению к середине опорной поверхности назад и при появлении силы тяги усиливается перегрузка задних опорных катков, а также возникает неблагоприятная эпюра давления на грунт. Наиболее отрицательно это проявляется у гусеничных тракторов с балансирно-эластичной ходовой системой, таких, например, как массовый трактор ДТ-75. При работе с тягой передняя часть такого трактора задирается вверх настолько, что его ведущая звездочка опускается на грунт, передавая при этом значительную долю веса и возбуждая таким образом сильную вибрацию от перекладки звеньев траков гусеничной ленты.
При использовании стандартизованных задних навесных устройств трактора по ГОСТ 10677-2001, состоящих из трех тяг (верхней и двух нижних), шарнирно соединенных передними концами с трактором, а задними концами - с присоединительными элементами навесной машины, через рычаги трактор передает силу тяги на машину, когда она находится в рабочем положении и выполняет сельскохозяйственную технологическую операцию, а также с помощью подъемного гидроцилиндра производит подъем машины в транспортное положение. В нормальной работе подобных навесных устройств - на практике в подавляющем большинстве случаев применяемых фактически для всех разновидностей машин - их гидравлическая система управления при помощи гидрораспределителя устанавливается в «плавающее» положение, при котором под действием силы нижние тяги занимают горизонтальное положение с возможными незначительными отклонениями. Для машин, не имеющих внешних опор, использованием автоматических регуляторов навесных устройств силовым путем отслеживается такое же положение горизонтальных рычагов (В.М.Шарипов. Тракторы, конструкция. М., Машиностроение, 2000 г.).
В настоящее время при создании современных машинно-тракторных поездов и агрегатов для улучшения их характеристик используют разнообразные приемы, направленные на то, чтобы избавиться от вредного влияния опрокидывающего момента на ходовую систему тягача, а также максимально учесть другие требования, например обеспечение поворота агрегата с сельскохозяйственной широкозахватной или тяжелой машиной, что обусловило, соответственно, широкий спектр известных разнообразных по конструктивному решению тягово-сцепных устройств (ТСУ).
Так из уровня техники известны сцепные устройства (например, RU 2147526, 2000 г.; RU 2361747, 2009 г.; RU 2148499, 2000 г.), при использовании которых предусмотрена догрузка ведущих колес тягача весом прицепного/навесного средства, что зачастую приводит к дополнительному сверхнормативному перегрузу ходовой системы тягача (колес /катков), вызывающему, например, энергетические потери.
Известны также аналоги, обеспечивающие перенос веса нагрузки на воспринимающие элементы ТСУ (например, SU 1232555, 1986 г. и RU 2271642, 2006 г.), что, решая проблему устранения отрицательного влияния опрокидывающего момента лишь частично, требует конструктивного усложнения или усиления ТСУ.
Полнее эта проблема решается путем перераспределения нагрузки по осям тягача, например в известных из уровня техники аналогах: SU 1220933, 1986 г. и SU 1414662, 1988 г.: в первом - за счет комплексно работающего набора упругих элементов, что позволяет достичь конструктивного упрощения ТСУ, но неприемлемо для сельскохозяйственных машин, работающих в тяжелых условиях; во втором, наоборот, - за счет конструктивного усложнения и повышения металлоемкости ТСУ.
Наиболее близким аналогом (прототипом) для предлагаемой группы изобретений определено известное из патента RU 2387119, 2010 г. тягово-сцепное устройство для агрегатов, представляющих собой сочленение тягово-транспортного средства с прицепным (в качестве тягово-транспортного средства используется колесный трактор и к его навесному крюку присоединена одноосная сельскохозяйственная машина), которое содержит тяговый рычаг (дышло), предназначенный для крепления одним концом шарнирно к трактору, и два объединенных между собой основных шарнира, связанных с тяговым рычагом со стороны машины. В нем горизонтально расположенный тяговый рычаг присоединен со стороны передних колес к крюку трактора, расположенному на остове трактора снизу вблизи середины базы и закреплен с помощью шарниров с тремя степенями «вращательного движения». На раме трактора имеются ограничители допустимого перемещения тягового рычага в продольно-вертикальной и горизонтальной плоскостях, а сам рычаг присоединен к раме машины также снизу посредством вертикального шарнира и горизонтального шарнира, оборудованного фиксатором с предохранителем принудительного регулирования взаимного положения дышла и рамы одноосной машины в продольно-вертикальной плоскости.
Поворот одноосной машины при поворотах тягача обеспечивается за счет вертикального шарнира. Горизонтальный щарнир предназначен для обеспечения адаптации машины к неровностям опорной поверхности, например, при переездах колес машины через поперечные канавы.
В прототипе достигнуто более рациональное, чем в предыдущих аналогах, перераспределение нагрузки за счет приближения центра давления к середине опорной поверхности. Однако полностью исключить превышение нормативно допустимого опрокидывающего момента в таком устройстве невозможно, в частности из-за отсутствия в нем опоры на поверхность перемещения и горизонтального расположения тягового рычага, что является его основным недостатком. К тому же выполнение в прототипе горизонтального шарнира поперечным, при вертикальном - продольном, приводит в отдельные моменты к нарушению в адаптации машины к неровностям пути: так, например при появлении препятствия (ямы) под одним из колес прицепа это колесо не может копировать рельеф поверхности ввиду отсутствия горизонтального продольного шарнира.
К другим недостаткам прототипа можно также отнести:
- его функциональную и конструктивную ограниченность, вызванную однотипностью выполнения и расположения узлов крепления рычага на раме трактора и машины;
- повышающую металлоемкость устройства необходимость усиления рычага из-за его значительной протяженности, обусловленной расположением точек крепления на тракторе и машине.
Задача, решаемая группой изобретений направлена на создание эффективного тягово-сцепного устройства, многофункционального и способного улучшить ходовые и рабочие параметры машинно-тракторных поездов и агрегатов.
Технический результат, получаемый от реализации изобретений, заключается в повышении функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона типов и размеров агрегатируемых с его помощью тягово-транспортных средств и прицепных/навесных машин (или просто грузовых прицепов), в частности тракторов с навесными тяжелыми сельскохозяйственными орудиями; и в обеспечении стабилизации нормативно допустимого опрокидывающего момента при работе машинно-тракторных агрегатов, например сельскохозяйственных.
В первом варианте изобретения технический результат достигается тем, что в тягово-сцепном устройстве для агрегатов, представляющих собой сочленение тягово-транспортного средства с прицепным, содержащем тяговый рычаг, предназначенный для крепления одним концом шарнирно к тягово-транспортному средству, и два объединенных между собой основных шарнира, связанных с тяговым рычагом со стороны прицепного средства, из которых вертикальный служит для обеспечения при движении агрегата поворота прицепного средства относительно тягового в продольно-вертикальной плоскости, а горизонтальный - для обеспечения адаптации к неровностям опорной поверхности, согласно изобретению имеется опорное самоустанавливающееся колесо, по меньшей мере одно, связанное с введенным в устройство дополнительным вертикальным шарниром, и корпус, в котором размещены оба вертикальных шарнира, при этом ось дополнительного шарнира жестко связана с осью основного шарнира и с осью вращения колеса, горизонтальный шарнир имеет ось, расположенную в продольно-вертикальной плоскости, и связан с одной стороны с основным вертикальным шарниром, а с другой - с прицепным средством, ось вращения колеса смещена относительно оси дополнительного вертикального шарнира в сторону прицепного средства, а тяговый рычаг закреплен свободным концом на упомянутом корпусе так, что его продольная ось образует по отношению к опорной поверхности угол α, устанавливаемый в зависимости от силы тяги, при котором точка крепления рычага на корпусе находится выше точки крепления рычага на тягово-транспортном средстве.
В частном случае исполнения устройства горизонтальный шарнир размещен внутри упомянутого корпуса, а шарнир крепления рычага на корпусе выполнен с тремя степенями свободы.
Во втором варианте изобретения, в отличие от первого, технический результат достигается тем, что ось дополнительного шарнира совмещена с осью основного вертикального шарнира и ось вращения колеса связана с этой общей осью вертикальных шарниров, горизонтальный шарнир имеет ось, расположенную в продольно-вертикальной плоскости, и связан с одной стороны с общей осью вертикальных шарниров, а с другой - с прицепным средством, ось вращения колеса смещена относительно общей оси вертикальных шарниров в сторону прицепного средства, а тяговый рычаг (как и в первом варианте) закреплен свободным концом на упомянутом корпусе так, что его продольная ось образует по отношению к опорной поверхности угол α, устанавливаемый взависимости от силы тяги, при котором точка крепления рычага на корпусе находится выше точки крепления рычага на тягово-транспортном средстве.
В частном исполнении устройства по второму варианту горизонтальный шарнир также может быть размещен внутри упомянутого корпуса, а шарнир крепления рычага на корпусе выполнен с тремя степенями свободы.
На представленных чертежах:
- на фиг.1 дан общий вид предлагаемого ТСУ по первому варианту (пример);
- на фиг.2 - общий вид ТСУ по второму варианту (пример).
Предлагаемые устройства предназначены для широкого спектра агрегатируемых тягово-транспортных средств с прицепными/навесными средствами и, хотя в основном предназначены для сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов, их использование также эффективно и в других областях, например в военной технике.
По первому варианту решения - конкретный пример исполнения на фиг.1 - ТСУ размещается между трактором 1 и сельскохозяйственной машиной 2 и содержит корпус 3, тяговый рычаг 4, два вертикальных шарнира 5 и 6 и один горизонтальный шарнир 7. Оба вертикальных шарнира дополнительный 5 и основной 6 своими осями жестко связаны между собой и закреплены в корпусе 3, а горизонтальный шарнир 7 имеет ось, расположенную в продольно-вертикальной плоскости, связан с ответным элементом 8 машины 2, например ее рамой, и устанавливается либо также в корпусе 3, либо может иметь собственный корпус 9, закрепленный на машине. Возможны и другие исполнения связи шарнира 7 с машиной 2. Корпус 3 устройства снабжен не менее чем одним опорным колесом 10, выполненным самоустанавливающимся (например, по типу «рояльного»), ось вращения которого связана с осью шарнира 5 и смещена по отношению к нему в сторону машины 2. Тяговый рычаг 4 одним своим концом шарнирно крепится на тракторе, например на его узле навески 11: одноточечном или многоточечном, а другим - на корпусе 3 таким образом, что точка А его крепления на корпусе 3 расположена выше точки В его крепления на узле 11, а продольная ось рычага образует с опорной поверхностью угол α, устанавливаемый в зависимости от силы тяги.
Исполнение устройства по второму варианту решения (конкретный пример на фиг.2) отличается от описанного выше тем, что вертикальные шарниры 5 и 6 имеют общую ось 12 и при этом с осью 12 связаны ось вращения колеса 10, так же, как и в первом варианте, со смещением в сторону мащины 2, и горизонтальный шарнир 7.
При исполнении устройства в обоих вариантах с несколькими опорными колесами 10 они могут быть, например, размещены на несущей балке, связанной с осью шарнира 5 (в первом варианте), или с общей осью 12 шарниров 5 и 6 (во втором варианте) - на представленных чертежах условно не показано из-за простоты решения. Узел 11 может быть типовым или стандартизованным, например по ГОСТ 10677-2001, или каким-либо индивидуальным для конкретного агрегата (поезда) и содержать элементы силовой регулировки расстояния Н точки В на узле 11 от опорной поверхности, например как предписывается ГОСТом 10677-2001.
При работе устройств по первому и второму варианту вертикальный шарнир 6 обеспечивает возможность поворота машины при движении агрегата по криволинейному пути, а горизонтальный шарнир 7 обеспечивает адаптацию машины к неровностям опорной поверхности, причем, в отличие от прототипа в предлагаемых устройствах благодаря выполнению шарнира крепления рычага 4 на корпусе 3 с тремя степенями свободы в комплексе с выполнением шарнира 7 с осью, размещенной в продольно-вертикальной плоскости, появляется возможность дополнительного адаптирования агрегатов к условиям движения; обеспечивается не только одновременная адаптация двух колес машины, но и автономная адаптация каждого из колес независимо от другого, что способствует улучшению восприятия вертикальных сил.
Разгрузка тракторов от опрокидывающего момента происходит благодаря тому, что в точке В крепления рычага 4 на крюке трактора (фиг.1) сила Р, действующая вдоль рычага может быть разложена на две составляющие силы - вертикальную Ру и горизонтальную Ркр. Горизонтальная составляющая Ркр. равна силе тяги трактора, создающей опрокидывающий момент. Вертикальная составляющая Ру создает момент относительно точки опрокидывания, препятствующий опрокидыванию. Таким образом при равенстве данных моментов достигается реакция опорной поверхности, не зависящая от величины силы тяги, сохраняющаяся такой же, как в статическом положении без нагрузки, чем обеспечивается стабилизация нормативного опрокидывающего момента.
Тот же эффект достигается в случае крепления рычага 4 к многоточечному узлу навески 11 трактора с элементами силовой регулировки (фиг.2), которые способны изменять высоту Н точки  соединения и, следовательно, величину угла α наклона рычага 4, а значит, изменять степень разгрузки от опрокидывающего момента, и при изменяющихся обстоятельствах процесс разгрузки может быть автоматизирован с получением оптимальных показателей работы агрегата. Угол α при одноточечном узле 11 может регулироваться путем наладочной перестановки точки А крепления рычага 4 по высоте корпуса 3.
Предлагаемые устройства универсальны и многофункциональны благодаря разнообразию агрегатируемых с их помощью тягово-транспортных и прицепных средств, т.к. достигаемая благодаря им нейтрализация опрокидывающего момента при работе агрегата позволяет равномерно распределять весовые нагрузки по элементам ходовых систем, следовательно, увеличивать весовые нагрузки навесных машин, в частности тяжелых почвообрабатывающих, или увеличивать грузоподъемность других видов прицепных средств.
Кроме того, с использованием предлагаемых устройств могут быть реализованы новые подходы к оптимизации показателей агрегатов (поездов), улучшающие тягово-сцепные свойства, например перемещение реакций почвы вдоль опорной поверхности гусениц от задних катков к передним и наоборот (или колес); а возможность использования типовых узлов 11, которыми оборудованы практически все выпускаемые тракторы, устраняет необходимость каких-либо конструктивных изменений тракторов и облегчает практическое использование предлагаемого устройства агрегатирования.