Результат интеллектуальной деятельности: Наконечник тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства

Настоящее изобретение относится к области транспортного машиностроения (преимущественно к вагоностроению), конкретно - к тягам стабилизаторов поперечной устойчивости (бокового наклона) железнодорожных, главным образом пассажирских, вагонов, а также безрельсовых транспортных средств.

Известны торсионные стабилизаторы (ТС) в составе колесных тележек железнодорожных вагонов и трамваев с одним торсионным устройством в системе вторичного подрессоривания, причем торсион располагается вдоль надрессорной балки (надрессорного бруса), подвижно соединен с продольными балками рамы тележки, а с помощью двух рычажных систем - с надрессорной балкой, так что при наклоне последней 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]. 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.

В наконечниках тяг и конструктивно близких устройствах (например, в буровом шарошечном долоте и в турбомашинах) нашли применение радиальные сферические подшипники [2. RU 2437998, Е21В 10/22, 27.12.2011]; [3. RU 2237200, F16C 17/02, F16C 23/02, 27.09.2004]; [4. RU 2239107, F16C 17/02, 27.10.2004].

Однако конструирование подшипниковых узлов существенно зависит от назначения, конструктивных требований и условий эксплуатации устройства в целом.

Эти примеры описаны здесь для краткого обзора конструкций ТС железнодорожных вагонов, поскольку заявляемое изобретение 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 - не только «производственных» и «сборочных», но и приобретаемых в процессе работы стабилизатора.

Мало чем отличается от таких ТС и зарубежный торсионный стабилизатор, описанный в источнике [5. 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 [6. RU 190458 U1, B62D 7/20, F16C 11/06, 01.07.2019] и [7 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 по совокупности существенных конструктивных признаков, может быть принят наконечник тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, содержащий корпус и радиальный сферический подшипник с образующими пару трения наружным(ой) вогнутым(ой) кольцом (обоймой) в корпусе наконечника, и внутренним(ей) выпуклым(ой) кольцом (обоймой), установленным(ой) на пальце, с фиксацией последнего от проворота и осевого смещения относительно кузова и возможностью монтажа тяги на нем [8. RU 2556255 С2, F16C 11/06, F16C 17/12, 10.07.2015].

Однако при общности назначений всего наконечника-прототипа и заявляемым изобретением, такое устройство не позволяет гарантированно предотвратить проворот пальца относительно внутреннего кольца подшипника в процессе работы устройства, особенно при перекосах тяги (вызываемых неточностями выполнения сферических поверхностей подшипника) и при длительной работе с неизбежным износом пар трения. Кроме того, смазываемый подшипник не изолирован от окружающей среды (с сопутствующими потерей смазки и загрязнениями, в том числе сыпучим абразивом, и попаданием влаги на поверхности пальца и внутреннего кольца подшипника).

В соответствии с обозначенными общими недостатками прототипа и др. выделенных аналогов, в условиях возрастания роли стабилизаторов поперечной устойчивости («поперечной качки») в приложении к вагонам высокоскоростных подвижных составов (и др. наземным транспортным средствам), становится особенно актуальной задача повышения технико-эксплуатационных возможностей и характеристик конструкции, а именно - существенного увеличения долговечности (работоспособности, срока службы до капитального ремонта).

Итак, задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение (устройство), - предложить техническое решение проблемы динамического проворота оси относительно внутреннего кольца (обоймы) подшипника и перекоса тяги, плюс надежной изоляции подшипникового узла и пальца от окружающей среды плюс упрощения устройства с повышением технологичности, сконструировать (спроектировать разработать) наконечник для торсионного стабилизатора поперечной устойчивости, преимущественно железнодорожного вагона, с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками (ТЭХ) в части срока службы (длительной работоспособности) при конструктивной простоте. Причем при соответствии (согласно техническому заданию Заказчика) группе механического исполнения М26 по ГОСТ 30631.

Планируемый технический результат использования - улучшение ТЭХ тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости (на примере железнодорожного вагона) за счет:

- исключения проворота пальца и, как следствие, снижения износа в наконечнике;

- надежной изоляции подшипникового узла и пальца от окружающей среды;

- упрощения устройства.

Решение обозначенной проблемы (задачи) достигается тем, что в наконечнике тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства, содержащем корпус и радиальный сферический подшипник с образующими пару трения наружным(ой) вогнутым(ой) кольцом (обоймой) в корпусе наконечника, и внутренним(ей) выпуклым(ой) кольцом обоймой), установленным на пальце, с фиксацией последнего от проворота и осевого смещения относительно кузова и возможностью монтажа тяги на нем, согласно заявляемому изобретению, на концах пальца симметрично установлены фланцевые втулки, каждая посредством цилиндрического сопряжения и болта, ввинченного с торца через ее тело в палец, с фиксацией пальца от проворота и осевого смещения, а также возможностью жесткого соединения фланцевых втулок с кузовом, при этом упомянутые торцевые болты ввинчены с эксцентриситетом относительно общей оси пальца, а между фланцевыми втулками и торцами внутреннего кольца подшипника предусмотрены последовательно установленные жесткие распорные втулки и упругие кольцевые прокладки.

На решение поставленной задачи направлены и частные совокупности существенных признаков устройства в рамках основной совокупности его признаков, сформулированной в предыдущем абзаце и далее в формуле изобретения, а именно:

- палец может быть выполнен одного диаметра по всей его длине, не считая торцевых фасок (это определяет предельную простоту пальца как детали);

- подшипник с торцов может быть изолирован пыльниками, упруго опирающимися (посредством пружинных колец) на упомянутые жесткие распорные втулки и привинченные через прижимные кольца к торцам корпуса наконечника (это позволяет рациональнее, чем в аналогах с использованием пыльников, решить проблему изоляции подшипника от внешней среды).

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 изобретения - «мировой уровень новизны».

Совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не был очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.

Третий 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 изобретения (на примере железнодорожного вагона как приоритетного объекта внедрения) раскрывается в приведенных ниже примерах, иллюстрируемых фигурами 1-3:

на фиг. 1 представлено 3D-изображение компьютерной модели наконечника как фрагмента торсионного стабилизатора, общий вид, где введены позиции: 1 - корпус наконечника; 5 и 6 - фланцевые втулки; 11 и 12 - отверстия во фланцах втулок 5 и 6 соответственно; 21 и 22 - прижимные кольца; 23 - резьбовой хвостовик наконечника тяги;

на фиг. 2 (основной чертеж) - изображение компьютерной модели наконечника как фрагмента торсионного стабилизатора, продольный разрез, где е - эксцентриситет болта относительно продольной оси пальца; дополнительно введены позиции: 2 - наружное(ая) кольцо (обойма) подшипника; 3 - внутреннее(яя) кольцо (обойма) подшипника; 4 - палец; 7 и 8 - цилиндрические сопряжения пальца (обоймы) с фланцевыми втулками 5 и 6 соответственно; 9 и 10 - одиночные болты фиксации пальца 4; 13 и 14 - распорные втулки; 15 и 16 - кольцевые прокладки; 17 - упорный буртик; 18 - пружинное стопорное кольцо; 19 и 20 - пыльники.

на фиг. 3- изображение компьютерной модели наконечника как фрагмента торсионного стабилизатора, вид А на фиг. 2 (с местным разрезом).

Наконечник тяги торсионного стабилизатора поперечной устойчивости кузова транспортного средства содержит (см. фиг. 2) корпус 1 наконечника и радиальный сферический подшипник с образующими пару трения наружным вогнутым кольцом 2, встроенным в корпус 1, и внутренним выпуклым кольцом 3, установленным на пальце 4. На концах пальца 4 симметрично установлены фланцевые втулки 5 и 6, каждая посредством цилиндрического сопряжения 7, 8 и одиночного болта 9, 10 соответственно. Болт 9, 10 ввинчен с торца фланцевой втулки 5, 6 через ее тело в палец 4, с эксцентриситетом е (например, в пределах 4 мм) относительно общей оси пальца 4, что обеспечивает фиксацию пальца 4 одновременно от проворота и осевого смещения относительно фланцевых втулок 5, 6 (а следовательно, и относительно кузова). Предусмотрена также возможность жесткого соединения фланцевых втулок 5, 6 с кузовом (отверстия 11, 12 во фланцевой их части). При этом между фланцевыми втулками 5, 6 и торцами внутреннего кольца 3 подшипника предусмотрены последовательно установленные жесткие распорные втулки 13, 14 и упругие кольцевые прокладки 15,16.

Наружное кольцо 2 подшипника зафиксировано от осевого смещения упорным буртиком 17 корпуса 1 наконечника и пружинным стопорным кольцом 18, вставленным в корпус 1.

Палец 4 выполнен, предпочтительно, одного диаметра по всей длине, не считая фасок на его концах (торцевых фасок).

Подшипник с торцов, предпочтительно, изолирован пыльниками 19, 20, упруго опирающимися на жесткие распорные втулки 13 и 14 соответственно, и привинченные через прижимные кольца 21, 22 к торцам корпуса 1 наконечника.

На хвостовике 23 наконечника выполнена наружная резьба.

Пример реализации ТС использует конкретные, освоенные промышленностью современные комплектующие (что дополнительно убеждает в выполнении патенто-ведческого критерия изобретения «промышленная применимость»), в частности стандартные изделия: болты, гайки, шайбы (по соответствующим ГОСТам), подшипники шарнирные сферические GEH 45 ES (SKF) (это особенно важно и является одной из причин введения в конструкцию жестких распорных втулок 13 и 14), стопорные кольца внутренние 75×2.5 DIN 472. Оригинальные детали в производстве не требуют каких-либо несуществующих технологий.

Заявляемое изобретение включено в техническую документацию, разрабатываемую организацией-заявителем для создания пассажирского(их) вагона(ов), опытный образец одного из которых уже изготовлен.

Заявляемое устройство наконечника, на примере одной из двух тяг, работает следующим образом (разумеется, в контексте работы всего ТС).

При боковых наклонах кузова торсионный вал (не показан) упруго закручивается и создает усилие на рычагах (не показаны), 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 к вертикали и взаимного смещения и закручивания рычагов с торсионным валом. При этом на рычагах возникают разнонаправленные усилия, которые через тяги 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 заявляемого изобретения, особый интерес представляют следующие физические процессы (эффекты) в наконечниках тяг.

Наличие эксцентриситета «е» болтов 9, 10 просто и надежно предотвращает проворот пальца 4 относительно фланцевых втулок 5, 6, а значит - кузова, что препятствует износу пар «палец 4 - внутреннее кольцо 3 подшипника», обеспечивает кинематическую ее определенность, предотвращает перекосы тяги. Да и в цилиндрическое сопряжение 7, 8 легче выносит циклические динамические нагрузки, в сравнении со шлицевыми и шпоночными соединениями как средствами от проворота.

Наличие жестких распорных втулок 13, 14 при вынужденной их относительно больших длинах (это определяется общей геометрией и компоновкой узла) повышает надежность осевой фиксации и, более того, является благоприятным условием для упругой опоры на них пыльников 19, 20 с поджатием пружинными кольцами

Упругие кольцевые прокладки 15, 16 двухфункциональны: обеспечивают «размерную цепочку» (компенсация погрешностей изготовления и сборки и т.д.) и (в соответствии с постановкой задачи) защищают внутреннюю поверхность внутреннего кольца 3 подшипника и цилиндрической поверхности пальца 4 от попадания влаги извне.

Таким образом, комплекс предложенных технических новшеств решает поставленную комплексную задачу. Использование таких наконечников тяг не только позволит увеличить их надежность и долговечность (срок службы), но и существенно облегчает, упрощает и удешевляет устройство, повышает технологичность производства и ремонта. А значит, улучшить ТЭХ торсионного стабилизатора в целом. Становится достижимым (на примере железнодорожного вагона) повышение долговечности (до заданных 1 млн. нагружений при максимальной нагрузке и максимальном угле закрутки торсионного вала). В количественном выражении, согласно Т3, это:

- повышение средней наработки на отказ (не менее 1200000 км пробега вагона);

- повышение полного срока службы (не менее 16 лет и гарантийного срока эксплуатации не менее 8 лет или 2400000 км пробега вагона);