Наконечник тяги торсионного стабилизатора бокового наклона кузова транспортного средства

Настоящая полезная модель относится к области транспортного машиностроения (преимущественно к вагоностроению), конкретно - к тягам стабилизаторов бокового (поперечного) наклона железнодорожных, главным образом пассажирских, вагонов (в том числе двухэтажных, характеризующихся большей массой и более высоким расположением центра масс), а также безрельсовых транспортных средств.
Известны торсионные стабилизаторы (ТС) в составе колесных тележек трамваев и железнодорожных вагонов с одним торсионным устройством в системе вторичного подрессоривания, причем торсион располагается вдоль надрессорной балки, подвижно соединен с продольными балками рамы тележки, а с помощью двух рычажных систем - с надрессорной балкой, так что при наклоне надрессорной балки в боковом (поперечном) по отношению к направлению тележки направлении сила упругого противодействия, возникающая в торсионе, стремится вернуть надрессорную балку в исходное положение [1. RU 2220863 С2, B61F 5/00, 10.01.2004, ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA)]. В этом ТС торсион, посредством подшипниковых (радиальные подшипники скольжения) опор, соединяется с продольными балками тележки. К торсиону прикреплены две рычажные системы. Шарнирно прикрепленные к рычагам тяги подвески связаны с надрессорной балкой.
С некоторой модернизацией подобная система запатентована тем же предприятием позднее [2. RU 2376181 С2, B61F 5/00, 10.08.2009, ОАО «Крюковский вагоностроительный завод» (UA)]. Отличие состоит в том, что на подрессоренной раме тележки вдоль продольной оси надрессорной балки с двух сторон расположено по торсиону с жестко закрепленными к продольным балкам концами кососимметрично относительно поперечной оси тележки, а к другим концам торсионов, вставленным в шарнирные опоры, также кососимметрично относительно поперечной оси тележки жестко присоединены приводные рычаги, шарнирно связанные через стержни с концевыми частями надрессорной балки, при этом стержни одной стороной соединяются с рычагами через выполненные в них продольные пазы, а другой стороной шарнирно присоединены к концевым частям надрессорной балки.
Все в совокупности образует двухступенчатую подвеску переменной жесткости, с дополнительной функцией стабилизатора бокового наклона («включение в работу торсионов для амортизации как вертикальных, так и угловых боковых колебаний кузова»).
Эти устройства описаны здесь для краткого обзора конструкций ТС железнодорожных вагонов, поскольку заявляемая полезная модель претендует на конструктивную и функциональную оригинальность лишь фрагментов ТС, для понимания «места и взаимосвязей».. «глобальная» их проблема связана со знакопеременностью нагрузок, передаваемых от надрессорной балки к концам торсиона, а значит - ограничения по повышению долговечности (срока службы, работоспособности, надежности) всех последовательно работающих звеньев и их взаимосвязей (особенно с учетом рабочих зазоров и люфтов между ними.
Мало чем отличается от таких ТС и зарубежный торсионный стабилизатор, описанный в источнике [3. Solutions. - URL: https://www.ferrabyrne.co.uk/ solutions/ (дата выкладки: 25.02.2020)].
Известно также множество наконечников тяг в автомобилестроении (рулевые тяги, например). По набору деталей и их взаимосвязи весьма близки к заявляемому устройству наконечники, описанные в источниках информации [4. RU 190458 U1, B62D 7/20, F16C 11/06, 01.07.2019] и [5. RU 194133 U1, F16C 11/06, B62D 7/20, 28.11.2019] (см. их критику ниже в отношении принятого за прототип).
В качестве наиболее близкого к заявляемому устройства аналога (прототипа) по назначению и, особенно, по совокупности существенных конструктивных признаков, может быть принят наконечник тяги торсионного стабилизатора бокового наклона кузова транспортного средства, содержащий встроенные в корпус радиальный сферический подшипник с зафиксированным от осевого смещения в корпусе опорным вкладышем, выступающий палец крепления наконечника на кузове, а также распорный элемент в виде металлической распорной пружины сжатия со стороны торцов опорного вкладыша и пальца, опертой в корпус и отжимающей опорный вкладыш совместно с пальцем в порядке люфтовой выверки подшипника [5. RU 194133 U1, F16C 11/06, B62D 7/20, 28.11.2019].
В нем распорная пружина подвижным своим концом оперта непосредственно в торец опорного вкладыша подшипника на пальце. Кроме того, она выполнена конической, что требует достаточно большого места для ее размещения в пространстве между крышкой корпуса наконечника и торцов пальца и подшипникового вкладыша.
Однако при общности назначений всего наконечника-прототипа и заявляемой полезной модели распорная пружина установлена традиционно для люфтовой выверки радиального сферического подшипника. Такое устройство не позволяет предотвратить перекосы тяги в поперечной плоскости в процессе работы устройства, связанные с неизбежной погрешностью изготовления вкладышей сферических подшипников и неточностей сборки, особенно при длительной работе с неизбежным износом пар трения (заявитель реально столкнулся с проблемой перекоса на ранних стадиях ресурсных испытаний опытного образца заявляемого стабилизатора, изначально без главного заявляемого признака). При этом резиновый пыльник, устанавливаемый, как правило, на торчащий наружу палец, сдвигается в сторону подшипника, «оголяя» часть пальца от защитного кожуха.
В соответствии с обозначенными общими недостатками прототипа и др. выделенных аналогов, в условиях возрастания роли стабилизаторов бокового наклона («поперечной качки») в приложении к вагонам высокоскоростных подвижных составов (и др. наземным транспортным средствам), в том числе двухэтажным вагонам с более высоким расположением центра масс, становится особенно актуальной задача повышения технико-эксплуатационных возможностей и характеристик конструкции, а именно - существенного увеличения долговечности (работоспособности, срока службы до капремонта).
Итак, задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель (устройство), - разработать (предложить техническое решение проблемы динамического перекоса тяги, сконструировать, спроектировать) наконечник для торсионного стабилизатора бокового наклона, преимущественно железнодорожного вагона, с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (ТЭХ) в части срока службы (длительной работоспособности). Причем при соответствии (согласно техническому заданию Заказчика) группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.
Планируемый технический результат использования - улучшение ТЭХ подшипникового узла наконечника тяги торсионного стабилизатора бокового наклона (на примере железнодорожного вагона) за счет:
- обеспечения устойчивости заданного углового положения тяг (с прогнозом до заданного 1 млн. нагружений при максимальной нагрузке и максимальном угле закрутки торсионного вала);
- увеличения средней наработки на отказ (с прогнозом до заданного минимума в 1 200 000 км пробега вагона);
- увеличения полного срока службы (с прогнозом до заданных минимум 16 лет) и гарантийного срока эксплуатации (с прогнозом до заданных 8 лет или 2 400 000 км пробега вагона).
И все это - при соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.
Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в наконечнике тяги торсионного стабилизатора бокового наклона кузова транспортного средства, содержащем встроенные в корпус радиальный сферический подшипник с зафиксированным от осевого смещения в корпусе опорным вкладышем, выступающий палец крепления наконечника на кузове, а также распорный элемент в виде металлической распорной пружины сжатия со стороны торцов опорного вкладыша и пальца, опертой в корпус и отжимающей опорный вкладыш совместно с пальцем в порядке люфтовой выверки подшипника, согласно заявляемой полезной модели, предусмотрено стопорное пружинное кольцо осевой фиксации опорного вкладыша подшипника на пальце, а распорная пружина оперта подвижным своим концом непосредственно в торец пальца, с дополнительной функцией компенсации перекоса тяги в поперечной вертикальной плоскости.
На решение поставленной задачи направлены и частная совокупность существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле полезной модели, а именно: упомянутая распорная пружина может быть выполнена симметричной в одной из центральных продольных плоскостей, из закаленной проволоки с парой упорных концов, разнесенных друг от друга с возможностью силового упора в торец пальца на его периферии (это позволяет рациональнее решить проблему перекоса тяги в весьма ограниченном пространстве для размещения распорной пружины и необходимости при этом в большом усилии распора).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной совокупностью признаков. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства первого квалификационного признака полезной модели - «мировой уровень новизны».
Второй квалификационный признак полезной модели, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает из огромного мирового опыта вагоностроения, наличия успешно испытываемого (при авторском надзоре) экспериментального образца устройства, а также приведенного далее по тексту фрагмента перечня покупных основных комплектующих устройства, производство которых промышленно освоено.
Подробнее сущность полезной модели (на примере железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-4:
на фиг. 1 представлено 3D-изображение компьютерной модели торсионного стабилизатора, где введены позиции: 1 - кузов (вагона); 2 и 3 - подшипниковые опоры торсионного вала; 4 - торсионный вал; 5 и 6 - левый и правый рычаги; 9 -стержень; 10, 11 - корпуса наконечников тяг; 14 и 15 - пальцы;
на фиг. 2 - 3D-изображение компьютерной модели наконечника тяги, общий вид (корпус наконечника обозначен позицией 10);
на фиг. 3 (основной чертеж) - наконечник тяги в разрезе, вид сзади (спереди), где дополнительно введены позиции: 12 и 13 - шарнирные гнезда; 16 - опорный(ые) вкладыш(и) радиального сферического подшипника; 17 - распорная пружина («ограничитель»); 18 - стопорное пружинное кольцо;
на фиг. 4 - 3D-изображение компьютерной модели распорной пружины («ограничителя») в составе наконечника (распорная пружина обозначена позицией 17):
Торсионный узел (в целом, подвеска) стабилизатора бокового наклона кузова 1 вагона (в данном примере) или иного транспортного средства (безрельсового) содержит (см. фиг. 1) установленный на раме тележки (не показана) поперечно ее продольной оси симметрии в пространстве между ее поперечными балками (также не показаны), посредством двух разнесенных подшипниковых опор 2 и 3, торсионный вал 4. Его концы (в общем случае - вал 4) соединены(ен) с кузовом 1 левым и правым рычагами 5, 6 и тягами (иногда их называют стойками, в прототипе - «подвеской») 7, 8. Это сделано в обеспечение передачи на него усилий вертикальных и поперечных угловых колебаний кузова 1 и восприятия торсионным валом 4 соответствующих крутящих моментов.
Для дальнейшего описания устройства достаточно рассмотреть один из двух симметричных комплектов «рычаг - тяга с наконечниками - палец».
Тяга 7 содержит объединенные стержень 9 и корпуса 10, 11 наконечников с шарнирными гнездами 12, 13, образованными корпусами 10, 11 (см. фиг. 2, 3).
Тяга 7 соединяет, через пальцы 14, 15 шарнирных гнезд 12 и 13 соответственно, кузов 1 с концом рычага 5, противоположным взаимосвязи последнего (5) с концом торсионного вала 4 (в общем случае - с валом 4). При этом предусмотрена возможность передачи знакопеременных усилий колебаний кузова 1 на торсионный вал 4 и упругой закрутки последнего (4).
Тяга 7 выполнена в виде жесткого симметричного талрепа.
Наконечник тяги 7 ТС бокового наклона кузова 1 содержит встроенные в корпус 10 радиальный сферический подшипник с зафиксированным от осевого смещения в корпусе 10 опорным вкладышем 16, выступающий наружу корпуса 10 палец 14 крепления наконечника на кузове 1, а также распорный элемент 17 («ограничитель») в виде металлической распорной пружины сжатия (17) со стороны торцов опорного вкладыша 16 и пальца 14. Пружина 17 оперта в корпус 10 наконечника.
Предусмотрено стопорное пружинное кольцо 18 осевой фиксации опорного вкладыша 16 подшипника на пальце 14. Распорная пружина 17 оперта подвижным своим концом непосредственно в торец пальца 14.
Ее функции: во-первых (главная функция, целенаправленно обеспечиваемая заявляемой полезной моделью), компенсация бокового наклона (поперечного перекоса) тяги 7 в поперечной вертикальной плоскости, и, во-вторых (совместно, посредством пружинного кольца 18, в порядке сохранения функции распорной пружины в прототипе), отжима опорного вкладыша 16 совместно с пальцем 14 в порядке люфтовой выверки подшипника.
Распорная пружина 17 может быть выполнена (см. фиг. 4) как оригинальная деталь - симметричной в одной из центральных продольных плоскостей, из закаленной проволоки (преимущественно из проволоки 60С2А-В-П-ХН-2 ГОСТ 14963-78) с парой опорных (упорных) концов, разнесенных друг от друга с возможностью силового упора в торец пальца 14 на его периферии.
Пример реализации ТС использует конкретные, освоенные промышленностью современные комплектующие (что дополнительно убеждает в выполнении патенто-ведческого критерия полезной модели «промышленная применимость»), в частности стандартные изделия: болты, гайки, шайбы, шплинты, масленки, пробки конические (по соответствующим ГОСТам), подшипники радиальные сферические GE60 ES (СЗ). Оригинальные детали в производстве не требуют каких-либо несуществующих технологий.
Заявляемая полезная модель включена в техническую документацию, разрабатываемую организацией-заявителем для создания двухэтажного(ых) пассажирского(их) вагона(ов) мод. 61-779, опытный образец одного из которых уже изготовлен.
Заявляемое устройство наконечника (на примере одной из двух тяг 7, 8) работает следующим образом (разумеется, в контексте работы всего ТС).
При боковых наклонах кузова 1 торсионный вал 4 упруго закручивается и создает усилие на рычагах 5, 6, препятствующее этому боковому наклону и стремящееся вернуть кузов в исходное положение. В случае бокового смещения (относа) кузова 1 осуществляется упругий наклон в сторону, противоположную относу. Этот эффект возникает за счет наличия угла наклона тяг 7, 8 к вертикали и взаимного смещения и закручивания рычагов 5, 6 с торсионным валом 4. При этом на рычагах 5, 6 возникают разнонаправленные усилия, которые через тяги 7, 8 действуют на кузов и наклоняют его в противоположную сторону относа. Суммарная сила этих двух сил стремится вернуть кузов в положение равновесия (предотвращение валкости кузова).
Однако под углом зрения заявляемой полезной модели, особый интерес представляют следующие физические процессы (эффекты) в наконечниках тяг 7, 8.
Как показали эксперименты (при авторском сопровождении), без пружины («ограничителя») 17 имеет место вредная тенденция перекоса тяги 7 (т.е. отклонения продольной оси тяги 7 от положений, заложенных разработчиками, в связи с особенностями точности изготовления деталей подшипникового узла и сборки последнего) в процессе работы устройства.
Наличие же пружины («ограничителя») 17, с ее установкой враспор между корпусом 10 наконечника и торцом пальца 14, обеспечивает момент силы F упругости пружины 17, компенсирующий «опрокидывающий» момент, возникающий на тяге 7 (это - главное в работе заявляемого устройства).
При этом сохраняется свойственная прототипу люфтовая выверка: благодаря введению пружинного кольца 18 в заявляемую конструкцию, сила F передается им на опорный вкладыш 16, поджимая последний тыльным торцом в корпус 10 наконечника, с соответствующей выборкой зазора в паре трения подшипникового узла. То есть кольцо 18 выступает «посредником» в этом сопутствующем эффекте.
Таким образом, предложено техническое новшество, решающее поставленную задачу. Использование таких наконечников тяг позволит существенно увеличить их долговечность (срок службы) за счет исключения угловых перекосов тяг при работе. А значит, улучшить ТЭХ торсионного стабилизатора в целом. Становится достижимым (на примере железнодорожного вагона) повышение долговечности (до 1 млн. нагружений при максимальной нагрузке и максимальном угле закрутки торсионного вала, в приведенном частном примере речь идет о 10°) благодаря компенсации опрокидывающего момента моментом силы упругости распорной пружины (ограничителя) и, следовательно, снижения износа подшипникового узла наконечника. В количественном выражении, согласно ТЗ, это:
- повышение средней наработки на отказ (не менее 1 200 000 км пробега вагона);
- повышение полного срока службы (не менее 16 лет и гарантийного срока эксплуатации не менее 8 лет или 2 400 000 км пробега вагона);
Причем при соответствии группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.