УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ МЕЖДУ КОНСТРУКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ С РАЗЛИЧНЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ

Полезная модель относится к узлу соединения между одним первым конструктивным элементом и одним вторым, укрепленным на нем конструктивным элементом, причем первый и второй конструктивные элементы обладают различными коэффициентами теплового расширения.
В рельсовых транспортных средствах имеющие больший размер конструктивные элементы, такие как, например, кузова вагонов/контейнеры, соединяют траверсами с помощью резьбовых соединений, причем кузов вагона на одной стороне и траверса на другой стороне состоят из различных материалов. При этом подлежащие соединению материалы обладают различными коэффициентами теплового расширения.
Наиболее близким аналогом настоящей полезной модели является известный из DE 102014224606 А1 (опуб. 02/06/2016) узел соединения конструктивных элементов, содержащий первый конструктивный элемент, выполненный из первого материала, промежуточную плиту, второй конструктивный элемент, который расположен между первым конструктивным элементом и промежуточной плитой. Недостатком указанного технического решения является то, что при наличии крупных конструктивных элементов при изменениях температуры возникают значительные силы среза в местах соединения и в результате - соскальзывание резьбового соединения.
Задача заключается в усовершенствовании узла соединения конструктивных элементов с различными коэффициентами теплового расширения.
В соответствии с полезной моделью предусмотрен узел соединения между двумя конструктивными элементами, содержащий: первый конструктивный элемент из первого материала, промежуточную плиту и второй конструктивный элемент, который расположен между первым конструктивным элементом и промежуточной плитой, причем второй материал второго конструктивного элемента имеет другой коэффициент теплового расширения, отличный от первого материала, предпочтительно более высокий коэффициент теплового расширения. Далее, посадочное соединение расположено таким образом, что обеспечено первое крепление первого конструктивного элемента, второго конструктивного элемента и промежуточной плиты друг на друге, друг с другом или относительно друг друга. Резьбовое соединение расположено к тому же таким образом, что обеспечено второе крепление первого конструктивного элемента, второго конструктивного элемента и промежуточной плиты друг на друге, друг с другом или относительно друг друга. Посадочное соединение подогнано точно по посадке относительно первого конструктивного элемента и промежуточной плиты и с зазором относительно второго конструктивного элемента. Резьбовое соединение подогнано с зазором относительно первого конструктивного элемента, второго конструктивного элемента и промежуточной плиты.
Преимущество полезной модели заключается в том, что двухсрезный узел соединения конструктивных элементов с различными коэффициентами теплового расширения содержит промежуточную плиту, которую можно назвать также накладкой, прокладочным листом или прокладочным кольцом.
Промежуточная плита при этом неподвижно соединена с первым конструктивным элементом с помощью посадочного соединения. Второй конструктивный элемент является, однако, подвижным относительно посадочного соединения вследствие зазора и может быть осуществлена компенсация отличающегося теплового расширения второго конструктивного элемента относительно первого конструктивного элемента.
Под определением коэффициента теплового расширения в последующем понимают главным образом коэффициент продольного расширения.
За счет дополнительно совместно привинченной промежуточной плиты, которая защищена от проворачивания в направлении оси, при тепловом расширении, возможно движение второго конструктивного элемента без проскальзывания посаженного с зазором резьбового соединения или нагрузки на него.
При этом, с одной стороны, вследствие трения между промежуточной плитой и вторым конструктивным элементом, возможна передача двойной срезывающей силы. С другой стороны, при превышении предельного значения трения проскальзывание не нагружает на изгиб установочный болт в резьбовом соединении. Не происходит также проскальзывания головки болта или ослабления болта.
При этом промежуточная плита предпочтительно с жесткостью на изгиб присоединена через посадочное соединение к первому и второму конструктивным элементам.
Посадочное соединение содержит предпочтительно установочный болт и первую гайку. Оно может быть выполнено также в виде установочного штифта или в качестве резьбового соединения. Резьбовое соединение содержит предпочтительно установочный болт и вторую гайку. Оно может быть выполнено также в качестве болта стягивающего кольца.
Первый конструктивный элемент представляет собой предпочтительно кузов вагона или контейнер, а второй конструктивный элемент представляет собой укрепленную на кузове вагона траверсу. В частности, при конструктивных элементах с таким соответствующим выбором размеров в уровне техники возникали проблемы с резьбовым соединением вследствие различных коэффициентов теплового расширения подлежащих соединению материалов.
Первый материал первого конструктивного элемента содержит в соответствии с примером исполнения сталь, предпочтительно, высококачественную сталь. Второй материал второго конструктивного элемента содержит предпочтительно алюминий или сплав алюминия. В этом примере исполнения сталь имеет более низкий коэффициент теплового расширения, нежели алюминий.
Присоединения как первого конструктивного элемента и второго конструктивного элемента, так и второго конструктивного элемента и промежуточной плиты выполнены соответственно с геометрическим замыканием. Другими словами, первый конструктивный элемент, второй конструктивный элемент и промежуточная плита расположены параллельно друг другу и установленными друг на друга.
Установочный болт имеет предпочтительно усилие предварительной затяжки с величиной 50% или менее от его предела текучести. В соответствии с этим установочный болт в зависимости от величины трения на поверхностях раздела не может быть выполнен с сильной предварительной затяжкой.
Резьбовое соединение имеет предпочтительно меньший по сравнению с посадочным соединением диаметр, так как в соответствии с полезной моделью срезающие и изгибающие силы принимает на себя посадочное соединение.
Величина усилия предварительной затяжки резьбового соединения составляет предпочтительно от 50% до 80%, еще более предпочтительно от 65% до 75% от величины его предела текучести.
Предпочтительно более низкий коэффициент трения в разделяющем пазу препятствует нагружению посадочного соединения.
Допуск для отверстия составляет Н11, допуск для посадки составляет h6.
В примере исполнения резьбовое соединение и первый конструктивный элемент, резьбового соединение и второй конструктивный элемент и резьбового соединение и промежуточная плита имеют один и тот же зазор относительно друг друга.
Зазор между резьбовым соединением и элементом из группы, образованной первым конструктивным элементом, вторым конструктивным элементом и промежуточной плитой, составляет менее 1 мм.
В еще более предпочтительном случае резьбовое соединение имеет, однако, относительно конструктивного элемента с более высоким коэффициентом теплового расширения больший зазор, нежели относительно другого конструктивного элемента и промежуточной плиты. Это позволяет улучшить восприятие тепловых расширений.
Промежуточная плита состоит предпочтительно из третьего материала, отличного от первого и второго материалов. Вторая промежуточная плита, предпочтительно расположена между концом посадочного соединения и первым конструктивным элементом. Это позволяет предоставить в распоряжение следующие поверхности трения.
В следующем примере исполнения предложен узел соединения, содержащий первый конструктивный элемент, представляющий собой кузов вагона или контейнер рельсового транспортного средства, а второй конструктивный элемент представляет собой траверсу рельсового транспортного средства.
Описанные выше свойства, признаки и преимущества настоящей полезной модели, а также способ их достижения становятся более ясными и более понятными во взаимосвязи с последующим описанием примеров исполнения, которые пояснены более подробно во взаимосвязи с чертежами. На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 - узел соединения между двумя конструктивными элементами уровня техники перед тепловым расширением;
фиг. 2 - узел соединения между двумя конструктивными элементами уровня техники после теплового расширения;
фиг. 3 - соответствующий полезной модели узел соединения между двумя конструктивными элементами в первом примере исполнения при монтаже;
фиг. 4 - соответствующий полезной модели узел соединения между двумя конструктивными элементами в первом примере исполнения после теплового расширения;
фиг. 5 - соответствующий полезной модели узел соединения между двумя конструктивными элементами в первом примере исполнения;
фиг. 6 - детальный вид по фиг. 3;
фиг. 7 - вид сверху в направлении стрелки V по фиг. 4;
фиг. 8-33 - различные исполнения соответствующего полезной модели узла соединения между двумя конструктивными элементами.
На фиг. 1 и фиг. 2 показан узел соединения 60 между двумя конструктивными элементами 10, 20 уровня техники, сначала перед тепловым расширением (фиг. 1) и затем после теплового расширения (фиг. 2). Узел соединения состоит, например, из болта 62 и гайки 64 и соединяет первый конструктивный элемент 10 со вторым конструктивным элементом 20. Резьбовое соединение может быть выполнено также в виде болтового соединения. Для крепления второго конструктивного элемента 20 на первом конструктивном элементе 10 болт 62 проходит сквозь поперечные сечения первого конструктивного элемента 10 и второго конструктивного элемента 20. Для этого первый и второй конструктивные элементы 10, 20 содержат отверстия. Первый и второй конструктивные элементы состоят из различных материалов, которые имеют различные коэффициенты теплового расширения. К одной стороне первого конструктивного элемента 10 прилегает головка узла соединения 60. На обращенной от первого конструктивного элемента 10 стороне второго конструктивного элемента 20 привинчен болт 62 с гайкой 4. Вследствие различных коэффициентов теплового расширения обоих конструктивных элементов, которые обозначены на фиг. 2 имеющими различную длину стрелками, при нагреве отверстия 11 или 22 под болт перемещаются друг к другу и происходит сдвиг болта 62 вплоть до разрыва или относительное движение головки болта, которое ведет к уменьшению усилия предварительной затяжки и, в конечном итоге, к ослаблению болта. Вследствие этого между первым и вторым конструктивными элементами 10, 20 соединения более не существует.
Узел соединения 60 изображен здесь в качестве примера точным по посадке, то есть отсутствует зазор между вторым болтом 62 и поверхностями раздела относительно первого конструктивного элемента 10 или второго конструктивного элемента 20. Конечно, зазор может также присутствовать. До тех пор, пока он меньше возникающего сдвига, в дальнейшем происходит напряжение болта 62. Следует, однако, обратить внимание на то, что присутствующий зазор ведет к ухудшенному соединению первого и второго конструктивных элементов и, тем самым, может возникнуть проскальзывание конструктивных элементов относительно друг друга, которое является нежелательным.
В уровне техники по фиг. 1 и 2 конструктивные элементы в сфере производства рельсовых транспортных средств привинчивают с устойчивостью к скольжению. В случае пар материалов с различными тепловыми расширениями при изменении температуры происходит различное изменение длины. В результате действия вынуждающих сил возникает превышение предельных значений. Обусловленное этим скольжение при цикличной нагрузке ведет в этом случае в конечном итоге к разъединению резьбового соединения. Сначала поперечная сила с превышением предельных значений ведет к скольжению в разделительном пазу. Скольжение ведет к изгибанию болта или к скольжению под головкой и затем, при частом изменении направления, к отсоединению болта.
Фиг. 3 показывает соответствующую полезной модели конструкцию в состоянии монтажа. Фиг. 4 показывает соответствующую полезной модели конструкцию после теплового расширения. В соответствии с полезной моделью работающая на изгиб плита или зажимная плита 30 соединена через посадочное соединение 40 в форме установочного болта, установочного пальца или установочного штифта 42 с плитой основания в качестве части кузова вагона или контейнера 10. При этом расположенная между ними плита после превышения предельных значений перемещать траверсу 20 между плитой 10 основания и работающей на изгиб плитой 30. Установочный болт 42 при этом нагружается на изгиб и удерживает в позиции работающую на изгиб плиту 30 с плитой 10 основания. При этом болт 52 резьбового соединения 50 изгиб не передает и не происходит скольжения под головкой болта, то есть не происходит разъединения резьбового соединения 50. Если на фиг. 3 в состоянии монтажа применительно к установочному болту 42 еще присутствовал симметричный зазор 46, то на фиг. 4 после теплового расширения этот зазор 46 выполнен ассиметричным. Соответствующим образом изменился зазор 56 в резьбовом соединении 50.
Фиг. 5 детально показывает соответствующее полезной модели исполнение узла соединения между двумя конструктивными элементами с различными коэффициентами теплового расширения.
В рамках полезной модели первый конструктивный элемент исключительно в качестве примера может быть выполнен в виде кузова вагона или контейнера рельсового транспортного средства, а второй конструктивный элемент выполнен в виде укрепленной на кузове вагона или контейнера траверсы, несущего элемента, несущей балки, поперечной балки или в целом в виде крепежного элемента.
В соответствии с полезной моделью узел соединения между двумя конструктивными элементами содержит, таким образом, первый конструктивный элемент 10 из первого материала, промежуточную плиту 30 и расположенный между первым конструктивным элементом 10 и промежуточной плитой 30 второй конструктивный элемент 20 из второго материала, который имеет отличный от первого материала коэффициент теплового расширения. Посадочное соединение 40 расположено таким образом, что обеспечена возможность первого крепления первого конструктивного элемента 10, второго конструктивного элемента 20 и промежуточной плиты друг на друге, друг с другом или между собой. К тому же резьбовое соединение 50 расположено на расстоянии от посадочного соединения таким образом, что обеспечена возможность второго крепления первого конструктивного элемента 10, второго конструктивного элемента 20 и промежуточной плиты 30 друг на друге, друг с другом или между собой. Посадочное соединение 40 подогнано относительно первого конструктивного элемента 10 и промежуточной плиты 30 с точностью по посадке и относительно второго конструктивного элемента 20 – с зазором 46. Резьбовое соединение 50 подогнано относительно первого конструктивного элемента 10, второго конструктивного элемента 20 и промежуточной плиты 30 с зазором 56. Между промежуточной плитой 30 и резьбовым соединением 50 предусмотрен зазор 56а. Между вторым конструктивным элементом 20 и резьбовым соединением 50 предусмотрен зазор 56b. Между первым конструктивным элементом 10 и резьбовым соединением 50 предусмотрен зазор 56с. Зазоры 56а, 56b, 56с могут иметь одинаковый размер. Однако зазор 56 конструктивного элемента с более высоким коэффициентом теплового расширения может быть выполнен большим по сравнению с зазором другого конструктивного элемента, чтобы обеспечить возможность еще более лучшего восприятия отличающегося теплового расширения.
Посадочное соединение 40 может содержать установочный болт 42 и гайку 44, однако, может быть выполнено также в виде установочного штифта или болтового соединения. Резьбовое соединение 50 может содержать установочный болт 52 и гайку 54, однако, может быть также выполнено в виде болта стягивающего кольца.
Зазор 46 между посадочным соединением 40 и вторым конструктивным элементом 20 выполнен для обеспечения возможности теплового расширения второго конструктивного элемента относительно других частей резьбового соединения. При этом первый конструктивный элемент 10 имел бы более низкое тепловое расширение, нежели второй конструктивный элемент 20. Точное по посадке соединение между посадочным соединением 40 и промежуточной плитой 30 или первым конструктивным элементом 10 ведет к защищенному от проскальзывания соединения между собой. Вследствие одновременно существующего зазора 56 между резьбовым соединением 50 и первым конструктивным элементом 10, вторым конструктивным элементом 20 и промежуточной плитой 30 напряжение резьбового соединения отсутствует даже при тепловом расширении.
С помощью совместно привинченной промежуточной плиты 30, которая защищена от проворачивания в направлении оси, при изменении температуры возможно движение второго конструктивного элемента 20 без проскальзывания или напряжения резьбового соединения 50, подогнанного с зазором 56.
При этом в результате трения между промежуточной плитой 30 и вторым конструктивным элементом 20 может осуществляться передача двойной срезывающей силы. Также при превышении предельных значений проскальзывание не нагружает резьбовое соединение 50 на изгиб. Также не происходит проскальзывания головки болта и отсоединения болта 52.
При этом промежуточная плита 30 присоединена предпочтительно с жесткостью на изгиб через посадочное соединение 40 к первому и второму конструктивным элементам 10, 20.
Соединения как первого конструктивного элемента 10 и второго конструктивного элемента 20, так и второго конструктивного элемента 20 и промежуточной плиты 30 выполнены соответственно с геометрическим замыканием.
Предпочтительно посадочное соединение 40 имеет силу предварительного натяжения, составляющую 50% или менее от его предела текучести. Таким образом, посадочное соединение 40 может быть выполнено в зависимости от коэффициента трения в поверхностях раздела без сильного предварительного натяжения.
По сравнению с посадочным соединением 40 стержень резьбового соединения 50 имеет предпочтительно меньший диаметр. Резьбовое соединение 50 имеет предварительное натяжение предпочтительно между 50% и 80%, еще более предпочтительно между 65% и 75% от его предела текучести.
Предпочтительно более низкий коэффициент трения в разделительном пазу препятствует напряжению посадочного соединения.
На фиг. 5 показаны также силовые потоки соответствующего полезной модели соединения обоих конструктивных элементов 10, 20. При более значительном тепловом расширении второго конструктивного элемента 20 относительно первого конструктивного элемента 10 через промежуточную плиту 30 и связанную с ней дополнительную поверхность трения в первый конструктивный элемент 10 может быть передан дополнительный силовой поток 70 от второго конструктивного элемента 20 через посадочное соединение 40. Стрелки 80 обозначают при этом силовой поток между первым и вторым конструктивными элементами 10, 20.
Фиг. 6 иллюстрирует поперечное сечение через посадочное соединение 40, а фиг. 7 показывает вид сбоку в направлении стрелки V, как изображено на фиг. 6. На фиг. 6 показан зазор 46 посадочного соединения 40 относительно второго конструктивного элемента 20, а также соединение с точной посадкой относительно первого конструктивного элемента 10 и промежуточной плиты 30. Фиг. 7 показывает вид сверху на посадочное соединение40 и резьбовое соединение 50 и показывает, среди прочего, также расстояние между посадочным соединением 40 и резьбовым соединением. Промежуточная плита 30 простирается от посадочного соединения 40 до резьбового соединения 50.
Фиг. 8 и фиг. 9 иллюстрируют различные типы соответствующих полезной модели узлов соединений между первым и вторым конструктивными элементами 10, 20. При этом первый конструктивный элемент 10 представляет собой, например, контейнер, а второй конструктивный элемент 20 – траверсу.
Фиг. 10-17 иллюстрируют в различных видах тип 100 фиг. 8 второго примера исполнения соответствующего полезной модели узла соединения. Фиг. 18-20 показывают в различных перспективных видах тип 200 третьего примера исполнения соответствующего полезной модели узла соединения. Фиг. 21 и 22 показывают в различных перспективных видах тип 300 четвертого примера исполнения. Фиг. 23 показывает в различных перспективных видах тип 400 пятого примера исполнения соответствующего полезной модели узла соединения. Фиг. 2-26 показывают в различных перспективных видах тип 500 шестого примера исполнения соответствующего полезной модели узла соединения. Наконец, фиг. 27-31показывают в различных перспективных видах тип 600 седьмого примера исполнения соответствующего полезной модели узла соединения.
Во втором примере исполнения по фиг. 10-17 показан тип 100 соответствующей полезной модели узла соединения. Посадочное соединение 40 выполнено в виде установочного штифта или установочного болта, который может иметь диаметр 16 мм. Изображены первое и второе резьбовые соединения 50, 50’, причем лишь одно из резьбовых соединений 50, 50’ крепит второй конструктивный элемент 20 на первом конструктивном элементе 10, а другое резьбовое соединение 50, 50’ скрепляет друг с другом различные частичные области первого конструктивного элемента 10.В показанном примере исполнения как снаружи, так и внутри расположена промежуточная плита 30,30’. Промежуточные плиты 30,30’ могут быть чисто в качестве примера выполнены из нержавеющей стали с толщиной 4 мм. Вторая промежуточная плита 30’ расположена внутри между посадочным соединением 40 и первым конструктивным элементом 10. Могут быть предусмотрены следующие стопорные элементы, например, подкладные шайбы. Как показано на фиг. 8, тип 100 узла соединения можно использовать предпочтительно в краевой области первого и второго конструктивных элементов 10, 20.
В третьем примере исполнения по фиг. 18-20 показан тип 200 соответствующей полезной модели узла соединения. Посадочное соединение 40 вновь выполнено в виде установочного штифта, который может иметь диаметр 16 мм. Промежуточный лист 30 расположен лишь снаружи и может быть выполнен из нержавеющей стали толщиной 2 мм. Изображенное в виде третье резьбовое соединение представляет собой исключительно болт заземления. Резьбовое соединение 50 выполнено чисто в виде примера в качестве болта стягивающего кольца. Тип 200 расположен на фиг. 8 дальше внутри, чем тип 100.
В четвертом примере исполнения по фиг. 21-22 показан тип 300 соответствующей полезной модели узла соединения. Тип 300 по сравнению с типом 200 не содержит болта заземления, однако, в остальном в максимальной мере соответствует типу 200. Промежуточный лист 30 может, конечно, состоять, например, из нержавеющей стали с двойной толщиной 4 мм. Тип 300 расположен относительно типа 200 еще далее вовнутрь, как показано на фиг. 8.
Фиг. 13 показывает пятый пример исполнения, тип 400. Посадочное соединение 40 вновь выполнено в виде установочного штифта. Далее, предусмотрены два болта стягивающего кольца в качестве резьбового соединения 50. Внутри и снаружи предусмотрены промежуточные листы 30, 30’, которые могут быть выполнены из нержавеющей стали толщиной 4 мм. При этом крепят две боковых стенки первого конструктивного элемента 10. Лишь одна из обеих боковых стенок может содержать посадочное место, в данном случае лишь передняя боковая стенка.
В шестом примере исполнения по фиг. 24-26 показан тип 500 соответствующей полезной модели узла соединения. Тип 500 выполнен в качестве узла соединения снизу между первым и вторым конструктивными элементами 10, 20. Посадочное соединение 40 представляет собой установочный штифт. Два болта стягивающего кольца выполнены в качестве резьбового соединения 50 с посадочным соединением 40 в центре. Снаружи расположен промежуточный лист 30. Между собой соединяют три части первого конструктивного элемента 10. При этом посадочное место может содержать лишь передняя боковая стенка первого конструктивного элемента 10.
Фиг. 27-32 показывают тип 600 соответствующей полезной модели узла соединения. Тип 600 имеет сходство с типом 300, однако, имеет следующую плоскость сечения. Посадочное соединение 40 представляет собой установочный штифт. Промежуточный лист 30 внутри не предусмотрен. Резьбовое соединение 50 вновь представляет собой болт стягивающего кольца. При первом внутреннем разделительном пазе предусмотрены установочный штифт и болт стягивающего кольца, при втором внутреннем разделительном пазе предусмотрен только установочный штифт.
В завершение фиг. 33 показывает узел соединения между кузовом вагона или креплением 10 кузова вагона и траверсой 20. Кузов вагона изготовлен предпочтительно из высококачественной стали. Траверса содержит алюминий или сплав алюминия. Резьбовое соединение 50 состоит из болта. В качестве посадочного соединения 40 в кузов вагона или крепление кузова вагона запрессован срезной болт. Для этого срезной болт содержит сужение в направлении от траверсы 20 к кузову вагона или креплению 10 кузова вагона. Предусмотрены две промежуточных плиты 30.
Хотя полезная модель была проиллюстрирована и детально описана с помощью предпочтительных примеров исполнения, она не ограничена раскрытыми примерами, и специалист может вывести из нее другие вариации без выхода за рамки объема правовой охраны.