КОЛЁСНАЯ ПАРА ВИННИКА ЛЕОНИДА
WHEEL PAIR OF LEONID VINNIK

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к рельсовым транспортным средствам (рельсовым тяговым экипажам, железнодорожным вагонам, трамваям, вагонам метрополитена, путевым машинам и другому рельсовому транспорту); автомобильному транспорту (большегрузные автомобили и их прицепы и другой дорожный транспорт), фактически везде, где необходимо применение колесных пар, работающих под значительной нагрузкой.
Известна рельсовая колесная пара, в которой на концах ее оси жестко насажены ступицы. На эти ступицы напрессованы бандажи. Или другая конструкция, где цельнокатаные колеса напрессованы прямо на ось колесной пары [1]. Кроме того, известны конструкции автомобильных или других дорожных колес, в которых у колесной пары имеется ось, с напрессованной ступицей, а на обод жестко закреплена поверхность катания, представляющая собой конструкции из полимерных материалов либо упругие сплошные или полые шины с резино-металло-тканевой оболочкой [2].
Недостатком традиционных колесных пар является интенсивный износ поверхностей катания, особенно в криволинейных участках пути или при преодолении неровностей. Причем износу подвержены также рельсовые нити, а на автомобильном и ином транспорте изнашивается поверхность катания и верхнее покрытие дороги или поверхность, по которой осуществляется качение. Это происходит из-за разностей длин путей, проходимых колесами одной колесной пары, так как одно из колес проходит по внутреннему, а другое - по наружному радиусу катания. Такие условия эксплуатации создают дополнительные силы, приводящие к увеличению момента сопротивления движения. Следствием этих процессов являются повышенные затраты на электроэнергию или повышенный расход используемого топлива. Поэтому на рельсовом транспорте возникают дополнительные расходы на переточку колесных пар, что уменьшает их пробеги или замену бандажей на съемных конструкциях колес, колесных пар и также проблемы по замене шин и других типов поверхностей катания колес на автомобильном и прочем транспорте.
Известно железнодорожное колесо [3], содержащее ступицу, закрепленную на оси колесной пары, и обод с поверхностью катания и гребнем, соединенный со ступицей посредством конических поверхностей, с возможностью стесненного независимого вращения колес. Одна из конических поверхностей выполнена на введенном в колесо кольце, установленном на ступице с возможностью ограниченного осевого перемещения и фиксированного от поворота. Кольцо подпружинено относительно ступицы в направлении вершины конических поверхностей. Основным недостатком этой конструкции является наличие сложных соединений внутри колеса, фиг. 1. Установка пружин может привести к резонансным явлениям. А в случае использовании приведенного автором другого решения, фиг. 2, с системой использования сайлентблоков с демпфирующими элементами, потребуются значительные затраты на обслуживание данной системы. Причем данная конструкция может дать незначительное увеличение пробега этих колес за счет внедрения конической поверхности в соединении ступица-обод.
Но это решение принципиально не устраняет главный недостаток конструкции, а именно износ поверхностей в соединении ступица-обод, приводящий через определенный промежуток времени к появлению между ступицей и ободом значительного зазора.
Этот процесс исследован, изучен и все преимущества и недостатки этого соединения подробно изложены в монографии [4]. Хотя исследования монографии касаются цилиндрических соединений, известно, что коническое соединение, с точки зрения износа, дает незначительное преимущество по сравнению с цилиндрическим соединением. Описанное выше решение, с наличием пружин и болтов в конструкции, вряд ли допустимо, учитывая возможность нагрева железнодорожного обода при торможении, который может достигать сотни градусов. Кроме того, дополнительные элементы в колесе потребуют дополнительных затрат в ремонтных организациях, что несомненно усложнит внедрение решения, предложенное автором [3].
Известна колесная пара транспортного средства [5], взятая за прототип данного изобретения, содержащая ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью, а поверхность катания по меньшей мере у одного колеса выполнена на ободе, соединенном со ступицей с возможностью вращения, при этом соединение обода со ступицей выполнено посредством поверхностей вращения и параметры соединения выбраны из условия, чтобы крутящий момент, определенный силами трения в соединении в начале движения транспортного средства, был больше крутящего момента, который должен быть приложен к колесной паре для трогания транспортного средства с места. Исполнения этих элементов соединения предполагало изготовления их в виде цилиндрических или конических поверхностей. Основной недостаток конструкций с цилиндрическими или коническими соединениями между ободом и центром - это постоянно увеличивающийся зазор между этими элементами, возникающий вследствие износа, под действием внешних сил. Хотя данное решение и увеличивает пробеги и уменьшает износ в соединении обод-рельс, но за счет увеличивающегося зазора в соединении обод-ступица приводит к необходимости дополнительного ремонта этого узла. Введение конических поверхностей уменьшит продольные силы, трение во внутреннем контакте, что дает возможность уменьшить износ в этом соединении, но этот эффект будет незначительным и приведет практически к тем же результатам, что и цилиндрическое решение.
Вообще общие отрицательные свойства приведенных выше конструкций [3, 5] - это недостаточный межремонтный пробег колесных пар. Хотя износ поверхности катания этих колес значительно уменьшается, что, несомненно, является преимуществом в данном решении, зато появляется новая проблема по обслуживанию вновь созданных поверхностей внутри колесных пар, в соединении ступица-обод. Следует указать, что эти колеса (например, на железнодорожном транспорте) должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к инновационным вагонам. При этом пробег от постройки или капитального ремонта до деповского ремонта должен составить не менее 500 тыс. км. А межремонтный пробег между деповскими ремонтами не менее 250 тыс. км. Во время эксплуатации вследствие больших перепадов температур необходимо обеспечить надежность работы всех узлов колесной пары. Перечисленные выше конструкции [3, 5] не позволяют решить данные задачи.
Задачей заявленного изобретения является уменьшение износа в соединении обод- ступица прототипа [5] этого колеса. А как следствие, увеличение межремонтного пробега колеси колесных пар с сохранением устойчивости транспортного средства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение сопротивления движению колесной пары или колеса, а также уменьшение износа поверхностей катания колес и рельсов. Кроме этого, повышаются износостойкость соединения ступицы и обода за счет внедрения необслуживаемой сферической пары, позволяющей совершать
проскальзывание в трех направлениях: не только вдоль оси пути (X), но и относительно оси Y, перпендикулярной оси X, и оси (Z), перпендикулярной плоскости пути. Возможность этих проскальзываний внутри колеса в трех направлениях является новым оригинальным решением.
Поиск показал, что признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, не известны в других совокупностях, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию изобретения. При этом по сравнению с прототипом улучшается конструкция колеса и колесной пары. Внедрение необслуживаемой сферической пары позволит значительно увеличить межремонтные пробеги по сравнению с прототипом. Так современные сферические пары, например сферические подшипники, пробегают без ремонта при подобных нагрузках в эксплуатации несколько миллионов километров. Что значительно превышает современные пробеги колесных пар, например, на железнодорожном транспорте. Кроме того, в соединении ступица-обод, вследствие использования необслуживаемой сферической пары, стабилизируется коэффициент трения в течение всего процесса работы колеса и как результат повышается надежность работы этого узла.
Поставленная задача, с достижением заявленного результата, решается за счет того, что в известной колесной паре, содержащей ось и колеса, ступицы которых жестко связаны с осью, а поверхность катания по меньшей мере у одного колеса выполнена на ободе, соединенном со ступицей с возможностью вращения, при этом соединение обода со ступицей выполнено посредством поверхностей вращения и параметры соединения выбраны из условия, чтобы крутящий момент, определяемый силами трения в соединении в начале движения транспортного средства, был больше крутящего момента, который должен быть приложен к колесной паре для трогания транспортного средства с места, соединение обода со ступицей выполнено посредством введения между ними деталей сферической пары со сферическими поверхностями, обладающими возможностью совершать проскальзывания в трех направлениях указанных поверхностей. В частном случае между деталями сферической пары поверхность выполнена микрорельефной и на ней нанесен материал с триботехническими свойствами, обеспечивающими устойчивый коэффициент трения в диапазоне 0,1-0,05.
Предлагаемое изобретение изображено на чертежах фиг. 1 и 2 и 3.
Фиг. 1 - колесо рельсового транспорта;
Фиг. 2 - автотранспортное колесо с резиновым или полимерным покрытием;
Фиг. 3 - автотранспортное колесо с шинами различных моделей.
Колесо рельсового транспорта, фиг. 1, содержит ось 1, с насаженной на нее ступицей 2, где сферическая пара 3, 4 запрессована внутренней поверхностью 3 со ступицей 2, а внешней поверхностью 4 - с ободом 5. Внешняя сфера 4 имеет возможность проскальзывания по сфере 3 в трех направлениях.
На Фиг 2 изображено колесо автотранспортного средства с резиновым или полимерным покрытием. Принципиально основные решения фиг. 2 идентичны решениям фиг. 1. Такое же соединение оси 1 и ступицы 2, а сферическая пара 3, 4 запрессовывается между ступицей 2 и ободом 5. На внешнюю сторону цилиндрической поверхности обода 5 жестко закреплена поверхность катания 6. На фиг. 3 изображено автотранспортное колесо с установкой на обод различных модель шин. Конструкция его подобна конструкции фиг. 2, отличие только в материалах, используемых при присоединении к ободу 5, шин 6. Предложенная конструкция работает следующим образом. Приложение крутящего момента к оси 1 приводит к вращению этой оси и связанную с ней жестко ступицу 2, фиг. 1, 2 и 3. Далее через сферическую пару 3, 4 момент передается на обод 5, фиг. 1, или специальную поверхность катания 6, фиг. 2 и 3.
Поверхность катания колеса взаимодействует с рельсом или дорогой и в зоне контакта в результате взаимодействия возникает сила, вызывающая поступательное движение транспортного средства. При трогании колеса с места, нагруженного вертикальной, радиальной силой, соблюдается условие, при котором момент сил сопротивлению движения будет меньше суммарного момента сил трения в сферической паре. В случае наличия неровностей пути или при движении на криволинейном участке, когда момент сопротивления движению колеса превысит величину момента сил трения в сферической паре, произойдет внутреннее проскальзывание по сферической поверхности 3, 4, фиг. 1, 2 и 3. Хотя при неблагоприятных условиях (низкий коэффициент трения на пути или дороги - влажная погода, наличие масляных пятен) может произойти буксование. Более подробно эти процессы работы диффенциальной пары изложены в монографии [4], так как принцип работы в соединении ступица-обод при цилиндрической, конической или сферической поверхностях сопряжений имеет подобные свойства.
Источники информации
1. Механическая часть тягового подвижного состава. Учебник. / Под ред. И.В. Бирюкова. - М.: Альянс, 2013. - С. 352-364.
2. Учебник по устройству автомобиля. / В.А. Молоков, С.Ф. Зеленин. - М.: РусьАвтокнига, 2000. - С. 54-57.
3. Железнодорожное колесо Фридберга A.M. Патент №2344941 С1 от 24.05.2006 г., кл. В60В 17/00.
4. Проблемы механики рельсового транспорта с новыми конструкциями колесных пар. / Л.В. Винник. - М.: ИКЦ ″Академкнига″, 2005. - С. 538-680.
5. Колесная пара транспортного средства, Патент №2076806 С1 от 10.04.1997 г., кл. В60В 37/12.