Устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства

Устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства

Реферат

 

Использование: в качестве конструктивных элементов тележек транспортных средств, соединений между тележками и рамами, обеспечивающих улучшение динамических характеристик железнодорожного транспортного средства. Сущность изобретения: в устройстве с параллелограммной связью кузова с тележкой продольные штанги одними концами шарнирно и симметрично закреплены на раме тележки, а другими- через шарниры соединены с одноплечими рычагами. Рычаги закреплены на кузове с возможностью вращения относительно поперечной горизонтальной оси и перпендикулярны штангам. Каждый рычаг неподвижно соединен с одним из двух соосно расположенных и направленных встречно торсионных валов, смежные концы которых соединены узлом балансирования дифференциального типа либо выполненным в виде пространственной рычажно - поводковой уравнительной системы. 4 з. п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к колесному (в частности железнодорожному) транспорту и касается устройств, соединяющих с кузовом тележки железнодорожных транспортных средств.

Известно устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного экипажа, состоящее из двух продольных штанг, каждая из которых одним концом шарнирно закреплена на нижней поверхности боковины рамы кузова, а другим шарнирно связана с концом поперечного плеча углового двуплечего рычага, продольное плечо которого поперечной штангой связано с соответствующим шарниром аналогичного механизма противоположной стороны тележки.

Угловые рычаги указанного симметричного плоского механизма средними шарнирами закреплены на нижних поверхностях боковин рамы тележки с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, в которой также расположен весь механизм [1] Теоретически идеальная по кинематике схема указанного механизма-аналога обладает важным недостатком: расположение балансирующего устройства на раме тележки увеличивает ее массу и, следовательно, ухудшает динамические качества локомотива. По той же причине значительно усложняются конструкция самой тележки, ее обслуживание и ремонт. Возможное же в принципе расположение всего описанного механизма над верхней поверхностью рамы тележки (как это сделано, например, в устройстве [2] обуславливает столь большое увеличение высоты передачи продольных сил между кузовом и тележкой, что связанное с этим резкое увеличение тяговых изменений давления осей на рельсы и ухудшение использования сцепного веса электровоза при обычных схемах экипажа делает такое конструктивное решение совершенно неприемлемым.

Наиболее близким к заявляемому объекту по общей компоновочной схеме и количеству главных конструктивных элементов техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для передачи пары продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, состоящее, в частности, из двух продольных штанг, каждая из которых одним концом шарнирно закреплена на наружной поверхности боковины рамы тележки, а другим шарнирно связана с нижним концом вертикального рычага, верхний конец которого неподвижно закреплен на наружном конце горизонтального поперечного вала, установленного на кузове в подшипниках.

Указанный вал может быть выполнен составным из двух частей, соединенных муфтой [3] Недостаток устройства-прототипа способность передавать указанными продольными штангами между кузовом и тележкой только противоположно направленные продольные силы (пару сил), которые создают момент, препятствующий повороту в плане тележки относительно кузова. Передавать же общее продольное усилие (тяговое, тормозное) между кузовом и тележкой такое устройство не может для этого необходимо другое, отдельное устройство. Это увеличивает общую массу системы продольной связи кузова с тележкой и тем самым ухудшает динамические качества железнодорожного экипажа.

Цель изобретения улучшение динамических характеристик железнодорожного транспортного средства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства содержит две симметрично расположенные в продольных вертикальных плоскостях горизонтальные или наклонные параллельные штанги, одними концами шарнирно закрепленные на раме тележки, а другими шарнирно соединенные с одноплечими рычагами, шарнирно закрепленными на кузове. Эти рычаги расположены в продольных вертикальных плоскостях перпендикулярно направлению штанг, закреплены на кузове с возможностью вращения относительно поперечной горизонтальной оси и неподвижно соединены каждый с одним из двух соосно расположенных и направленных встречно торсионных валов, внутренние (смежные) концы которых соединены узлом балансирования, неподвижно закрепленным на кузове.

Узел балансирования может быть выполнен в виде углового дифференциала, содержащего по крайней мере три сопряженных по зацеплению конических зубчатых колеса, два из которых основные имеют одинаковое число зубьев и неподвижно соединены соответственно со смежными концами торсионных валов, а промежуточное третье шарнирно закреплено на корпусе узла балансирования с возможностью свободного вращения относительно оси, перпендикулярной общей геометрической оси сопрягаемых торсионных валов.

Узел балансирования может быть выполнен в виде дифференциала с параллельными осями.

С целью уменьшения веса и размеров дифференциальных узлов балансирования основные зубчатые колеса дифференциалов могут быть выполнены в виде секторов, а промежуточные зубчатые колеса в виде двух объединенных диаметрально расположенных секторов.

Во всех перечисленных вариантах заявляемого устройства продольные штанги, соединяющие тележку с кузовом, и торсионные валы могут быть выполнены жесткими. Возможны также исполнения, при которых продольные штанги снабжены упругими или упруго-диссипативными элементами, в том числе с предварительным усилием, а торсионные валы выполнены упругими на кручение.

Для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства равномерное распределение указанных сил между двумя штангами, соединяющими кузов с тележкой в продольном направлении, при повороте в плане тележки относительно кузова достигается, как и при движении на прямой, с помощью рычажно-торсионного механизма, полностью (включая узел балансирования) установленного на кузове. К тележке относится лишь часть (половина) массы продольных соединительных штанг, т.е. величина, наименьшая из возможных для бесшкворневых тележек с параллелограммными схемами их связи с кузовом. Благодаря указанной особенности улучшаются динамические характеристики транспортного средства.

Расположение всех элементов предлагаемого устройства вне объема тележки упрощает ее конструкцию, обслуживание, ремонт и создает большие возможности для дальнейшего улучшения динамических характеристик транспортного средства. Это возможно, например, путем выполнения штанг, соединяющих тележку с установленной на кузове системой балансирования, деформируемыми (в частности, с нелинейной характеристикой на растяжение-сжатие и с диссипацией). Упругими на кручение могут быть выполнены торсионные валы основного механизма балансирующей системы. Отсутствие конструктивных ограничений на длину штанг продольной связи тележки с кузовом позволяет выбрать ее оптимальной по кинематике шарниров и, в частности, выполнить их с применением сайлентблоков, без абразивного износа и необходимости смазки. На фиг. 1 изображено устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку, вид сбоку, вариант с жесткими штангами продольного соединения тележки с кузовом; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 то же, вид сверху; на фиг. 4 узел балансирования, вариант в виде углового дифференциала; на фиг. 5 то же, вариант в виде дифференциала с параллельными осями; на фиг. 6 то же, вариант с выполнением зубчатых колес в виде секторов; на фиг. 7 пространственное изображение устройства с узлом балансирования, поясняющее общий принцип действия устройства.

Устройство для передачи продольных сил от кузова 1 на тележку 2 железнодорожного транспортного средства (фиг.1-3) содержит две симметрично расположенные в продольных вертикальных плоскостях горизонтальные или наклонные штанги 3 и 4. Штанги 3 и 4 одними концами с помощью шарниров 5 и 6 симметрично закреплены с наружных боковых сторон рамы 7 тележки 2, а другими через шарниры 8 и 9 соединены с одноплечими рычагами 10 и 11, закрепленными на кузове 1 соответственно шарнирами 12 и 13 с возможностью вращения относительно поперечной горизонтальной оси. Рычаги 10 и 11 расположены в тех же продольных вертикальных плоскостях, в которых размещены сопряженные с ними штанги 3 и 4, перпендикулярны их направлению и неподвижно соединены каждый с одним из двух соосно расположенных и направленных встречно торсионных валов 14 и 15, внутренние (смежные) концы которых соединены узлом 16 балансирования, неподвижно закрепленным на кузове 1. Центральным элементом предлагаемого устройства является узел 16 балансирования. Он может иметь различные исполнения. Далее описаны наиболее рациональные из них.

В первом варианте исполнения (фиг.4) узел балансирования 16 выполнен в виде углового дифференциала, содержащего по крайней мере три сопряженных по зацеплению зубчатых колеса 17-19, два из которых (17 и 19) основные имеют одинаковое число зубьев и неподвижно соединены соответственно со смежными концами торсионных валов 14 и 15, а промежуточное третье коническое зубчатое колесо 18 с помощью шарнира 20 закреплено на корпусе 21 узла 16 балансирования с возможностью свободного вращения относительно оси, перпендикулярной общей геометрической оси сопрягаемых узлом 16 балансирования торсионных валов 14 и 15.

При втором исполнении узел 16 балансирования выполнен по дифференциальной схеме, но только с использованием дифференциала, имеющего параллельные оси всех сопрягаемых зубчатых колес (фиг.5). Как и в предыдущем варианте, его основу составляет неподвижно закрепленный на кузове корпус 22, в котором размещены две пары сопрягаемых по зацеплению основных цилиндрических зубчатых колес 23-26 с попарно одинаковыми, но различными для разных пар диаметрами делительных окружностей (числами зубьев). Одно из зубчатых колес каждой указанной пары неподвижно соединено с одним из смежных концов торсионных валов 14 и 15: колесо 23 с валом 14, колесо 26 с валом 15. Вторые колеса 24 и 25 указанных пар соосно и неподвижно соединены между собой. Зубчатые колеса пары с колесами 23 и 24 меньшего диаметра сопряжены по зацеплению друг с другом промежуточным зубчатым колесом 27, закрепленным на корпусе 22 узла балансирования с возможностью вращения относительно оси, параллельной осям сопрягаемых колес 23 и 24 благодаря шарниру 28, аналогичному шарниру 20 варианта с угловым дифференциалом (фиг.4).

В обоих описанных вариантах исполнения узла балансирования 16 угловые перемещения вращающихся элементов этих механизмов весьма малы. Поэтому содержащиеся в них зубчатые колеса 17-19 первого варианта узла балансирования 16 (фиг. 4) и колеса 23-27 второго варианта (фиг.5) нецелесообразно выполнять полноокружными достаточно сделать их секторными. Достигаемое при этом снижение веса и габаритов узла 16 балансирования может быть значительным, что видно на примере узла 16 балансирования, выполненного по второму варианту (фиг.6).

Поскольку и само заявляемое устройство в целом, и его центральный элемент узел 16 балансирования в кинематическом отношении представляют собой механизмы с постоянным передаточным числом, угловые перемещения всех его движущихся элементов находятся в прямо пропорциональной зависимости от первопричины перемещений поворота в плане тележки 2 относительно кузова 1. Для обеспечения работы узла 16 балансирования при любых возможных в эксплуатации перемещениях тележки 2 относительно кузова 1 основные зубчатые колеса 17 и 19 (вариант фиг. 4) и 23-26 (вариант фиг. 5 и фиг. 6) дифференциалов выполнены в виде секторов с центральным углом: _о=a/b, где а поперечное горизонтальное расстояние между шарнирами 5 и 6 крепления продольных штанг 3 и 4 на тележке 2 (фиг. 2 и 7); b длина вертикальных рычагов 10 и 11, шарнирами 8 и 9 соединенных с указанными штангами 3 и 4 (фиг. 1 и 7); - наибольший возможный угол поворота в плане тележки 2 относительно кузова 1 (фиг. 7), а промежуточные зубчатые колеса 18 (вариант фиг.4) и 27 (вариант фиг. 5 и 6) дифференциалов выполнены в виде двух объединенных (для вариантов с угловым дифференциалом диаметрально расположенных) секторов с центральным углом каждого: _п= _о r_о/r_п, где r_o радиус делительной окружности основных зубчатых колес 17 и 19 (вариант фиг. 4) и 23 и 24 (вариант фиг. 5 и 6) дифференциалов, сопрягаемых соответственно указанными промежуточными зубчатыми колесами 18 и 27; r_n то же, промежуточных колес 18 и 27.

Другие, кроме узла 16 балансирования, элементы заявляемого устройства также могут иметь различное исполнение. В частности, продольные штанги 3 и 4, соединяющие тележку 2 с кузовом 1 в продольном направлении, могут быть выполнены жесткими на растяжение-сжатие, а также с включением в них упругих или упруго-диссипативных элементов, в том числе с предварительным усилием. Торсионные валы 14 и 15 также могут быть выполнены жесткими или упругими на кручение.

Устройство работает следующим образом.

При положении транспортного средства на прямом участке пути продольная сила между кузовом 1 и тележкой 2 передается направленными продольно штангами 3 и 4. Развиваемые в каждой из них усилия Т через шарниры 8 и 9 передаются на рычаги 10 и 11 (фиг.7), которые создают на торсионных валах 14 и 15 моменты, замыкающиеся на узле балансирования 16 и через него передающиеся на кузов 1. Силы Т передаются на кузов 1 через шарниры 12 и 13.

Узел балансирования 16 выполняет роль звена, обеспечивающего равенство сил тяги в обеих штангах 3 и 4 и, тем самым, прохождение равнодействующей 2Т сил Т через центр тележки 0. Тем самым достигается эффект шкворня при его фактическом отсутствии, благодаря чему такие системы связи кузова с тележками в зарубежной литературе называют системами с "идеальным шкворнем". Таким образом, все силовые факторы, возникающие в системе балансирования при тяге, замыкаются на центральном звене узле 16 балансирования. Симметрия всей системы связи тележки 2 с кузовом 1 обеспечивает равенство силовых факторов, действующих в соответственно симметричных элементах и, тем самым, равенство сил в штангах 3 и 4.

Изменение направления продольной силы, передаваемой между кузовом 1 и тележкой 2, изменяет только знаки нагружения всех элементов устройства и не изменяет их описанного взаимодействия при работе.

При движении в кривых тележка 2 поворачивается в плане относительно кузова 1 на угол , зависящий от радиуса кривой. В результате точки закрепления 5 и 6 штанг 3 и 4 на тележке 2 получают продольные смещения относительно кузова 1 в противоположные стороны на величину е 0,5 а Торсионные валы 14 и 15 поворачиваются в противоположные стороны на угол: 0,5 a/b= 0,5_о, однако все силовые факторы в связанных последовательно звеньях механизма будут попарно (по сторонам транспортного средства) одинаковыми. Следовательно, и в повернутом на угол в плане положении тележки 2 относительно кузова 1 равенство продольных сил в штангах 3 и 4 сохраняется.

Все остальные возможные перемещения кузова 1 относительно тележки 2 так же, как и при его повороте в плане, в заявляемом устройстве осуществляются за счет деформации (в том числе депланации) исходного параллелограмма с углами-шарнирами 5-6-9-8. При этом первоначальное распределение сил в нем по-прежнему не нарушается.

Возможное в заявляемом устройстве выполнение отдельных его элементов упругими или упруго-диссипативными, в том числе с предварительным усилием (штанги 3 и 4), торсионные валы 14 и 15), внося дополнительное улучшение динамических качеств транспортного средства, не изменяет (принципа работы заявляемого устройства в целом и его элементов.

Формула изобретения

1. Устройство для передачи продольных сил от кузова на тележку железнодорожного транспортного средства, содержащее две симметрично расположенные в продольных вертикальных плоскостях параллельные штанги, одними концами шарнирно закрепленные на раме тележки, а другими шарнирно соединенные с рычагами, шарнирно закрепленными на кузове с возможностью вращения относительно поперечной горизонтальной оси, и два соосно расположенных по указанной оси торсионных вала, причем рычаги расположены в указанных вертикальных плоскостях перпендикулярно направлению штанг и неподвижно соединены каждый с одним из торсионных валов на их внешних концах, отличающееся тем, что оно снабжено дифференциальным блоком, неподвижно закрепленным на кузове и соединяющим внутренние смежные концы торсионных валов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде углового дифференциала, содержащего по крайней мере три сопряженных по зацеплению конических зубчатых колеса, два из которых - основные имеют одинаковое число зубьев и неподвижно соединены соответственно со смежными концами торсионных валов, а промежуточное третье шарнирно закреплено на корпусе узла балансирования с возможностью свободного вращения относительно оси, перпендикулярной к общей геометрической оси сопрягаемых торсионных валов.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциальный блок выполнен в виде дифференциала с параллельными осями, содержащего две пары сопряженных по зацеплению основных цилиндрических зубчатых колес с попарно одинаковыми, но различными для разных пар диаметрами делительных окружностей, причем одно из зубчатых колес каждой указанной пары неподвижно соединено с одним из смежных концов торсионных валов, второе соосно с вторым зубчатым колесом другой пары, а зубчатые колеса пары с колесами меньшего диаметра сопряжены по зацеплению друг с другом промежуточным зубчатым колесом, закрепленным на корпусе узла балансирования с возможностью свободного вращения относительно оси, параллельной осям сопрягаемых зубчатых колес.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что основные зубчатые колеса дифференциалов выполнены в виде секторов с центральным углом где a поперечное горизонтальное расстояние между шарнирами крепления продольных штанг на тележке; b длина вертикальных рычагов, шарнирно соединенных с указанными штангами; наибольший возможный угол поворота в плане тележки относительно кузова, а промежуточные зубчатые колеса выполнены в виде двух объединенных диаметрально расположенных секторов с центральным углом каждого где r_о радиус делительной окружности основных зубчатых колес дифференциалов, сопрягаемых с указанным промежуточным; r_п то же, промежуточного колеса.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торсионные валы выполнены упругими на кручение.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7