Результат интеллектуальной деятельности: КОЛЕСО РЕЛЬСОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С КОЛЕСНЫМ ТОРМОЗНЫМ ДИСКОМ

Область техники

Изобретение относится к колесу рельсового подвижного состава с колесным тормозным диском, который закреплен на теле колеса посредством большого числа распределенных по периферии колеса крепежных элементов и в этой крепежной зоне прилегает к телу колеса.

При этом на одной стороне колеса может быть предусмотрен только один колесный тормозной диск или могут быть предусмотрены два колесных тормозных диска – по одному на каждой стороне колеса. Возможны также несколько концентричных колесных тормозных дисков на одной или на обеих сторонах колеса.

Колесо рельсового подвижного состава выполнено в большинстве случаев в виде цельнокатаного колеса, а именно дискового колеса. У этого рельсового подвижного состава тело колеса включает в себя диск и ступицу. Однако изобретение не ограничено цельнокатаными колесами.

Уровень техники

В рельсовом подвижном составе используются, как правило, несколько тормозных систем, а взаимодействие всех тормозных систем координируется устройством управления торможением. При этом важнейшей тормозной системой является фрикционный тормоз. Он преобразует кинетическую энергию единицы рельсового подвижного состава посредством пары трения в тепло. Парой трения у высокоскоростных поездов являются тормозные диски из стали и тормозные накладки из металлокерамики.

При этом тормозные диски могут быть выполнены в виде колесных тормозных дисков. Тормозной момент передается на колесо через соединение с силовым замыканием, в большинстве случаев через болтовое соединение. В процессе торможения в колесный дисковый тормоз вводится очень высокая мощность, которая термически деформирует его. Термическая деформация приводит к высокой нагруженности крепежных элементов, что при определенных условиях вызывает сильную осадку болтового соединения и может привести вплоть до потери усилия натяжения болтов. Следствием является ослабление болтового соединения.

До сих пор эта проблема решалась за счет того, что колесный тормозной диск своими охлаждающими ребрами полностью прилегал к телу колеса, точнее, к диску колеса, а болтовое соединение рассчитывалось так, чтобы, несмотря на осадку, оставшегося усилия натяжения болтов было достаточно для передачи тормозного момента. Такие устройства известны из преамбулы описания публикации DE 102008003923 А1, раскрывающей колесо рельсового подвижного состава, в котором в зоне прилегания между колесным тормозным диском и телом колеса предусмотрен промежуточный слой.

Другая возможность обеспечения достаточного натяжения болтов заключается в соединении колесного тормозного диска дополнительно с геометрическим замыканием с колесом для передачи тормозного момента, в результате чего болтовые соединения не испытывают таких высоких нагрузок.

Изложение изобретения

Задачей изобретения является создание колеса рельсового подвижного состава с колесным тормозным диском, с помощью которого можно было бы уменьшить нагрузку крепежных элементов после начала торможения, т.е. разгрузить болтовое соединение.

Эта задача решается посредством колеса рельсового подвижного состава с признаками п. 1 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в соответствующих зависимых пунктах формулы.

При этом согласно изобретению предусмотрено, что колесный тормозной диск в холодном состоянии радиально вне крепежной зоны, по меньшей мере, на одном радиальном участке прилегает к телу колеса, а на участке радиально в пределах крепежной зоны отстоит от тела колеса, т.е. не прилегает к телу колеса.

При этом может быть предусмотрено, что колесный тормозной диск в холодном состоянии радиально вне крепежной зоны, по меньшей мере, на одном радиальном участке прилегает непосредственно к телу колеса, т.е. не предусмотрен никакой промежуточный слой, например, из другого материала. Однако, разумеется, промежуточный слой может быть также предусмотрен.

Термин «холодное состояние» описывает тот факт, что колесный тормозной диск имеет окружающую температуру, т.е. 0-30°С, не нагрет и термически не деформирован в результате торможения. Следовательно, если предложенное колесо рельсового подвижного состава находится в холодном, термически не деформированном состоянии, то колесный тормозной диск прилегает к телу колеса в крепежной зоне и вне этой крепежной зоны также на другом участке, который, как правило, отстоит от крепежной зоны. Однако в пределах крепежной зоны колесный тормозной диск ни на одном участке не прилегает к телу колеса. Следовательно, на этом внутреннем участке колесный тормозной диск находится в свободном положении.

Это свободное положение может возникнуть, с одной стороны, за счет того, что колесный тормозной диск на внутренней стороне (на обращенной к колесу стороне) радиально в пределах крепежной зоны тоньше, чем радиально вне крепежной зоны. Это достигается, например, за счет того, что при изготовлении тормозного диска на его внутренней стороне в пределах крепежной зоны, если смотреть в осевом направлении, убирается больше материала, чем вне крепежной зоны. Следовательно, колесный тормозной диск имеет на своей внутренней стороне, а именно радиально в пределах крепежной зоны, уступ или отступ (от колеса). Само колесо (как правило, диск колеса) может быть выполнено в зоне отступа, напротив, гладким. Этот вариант обеспечивает монтаж колесных тормозных дисков на обычных гладких колесах, обеспечивая, таким образом, дооснащение существующих колес предложенными колесными тормозными дисками.

Свободное положение колесного тормозного диска может быть достигнуто также за счет того, что колесо на обращенной к колесному тормозному диску стороне радиально в пределах крепежной зоны имеет отступ (уступ). Тогда обращенная к колесу сторона колесного тормозного диска в этой зоне плоская, а колесо (имеющийся в этом месте диск колеса) имеет уступ.

Возможно также, чтобы колесо (а именно, как правило, диск колеса) и колесный тормозной диск на обращенных друг к другу сторонах радиально в пределах крепежной зоны имели отступ.

Лишь после начала торможения, когда колесный тормозной диск нагревается и деформируется, он во всех вариантах будет прилегать к телу колеса также на одном или нескольких радиальных участках в пределах крепежной зоны.

При торможении колесный тормозной диск обычно нагревается в зависимости от материала и длительности торможения до температур 400-800°С.

Измеренное в осевом направлении расстояние между колесным тормозным диском и телом колеса на участке в пределах крепежной зоны составляет для достижения предложенного эффекта, по меньшей мере, 1 мм, преимущественно 2 мм, в частности 3-4 мм. Это расстояние лежит заметно вне неточностей изготовления, лежащих, как правило, в диапазоне до 0,5 мм. Это расстояние одинаковое по всей окружности.

В случае если колесный тормозной диск имеет охлаждающие ребра, может быть предусмотрено, что он прилегает охлаждающими ребрами к телу колеса радиально вне крепежной зоны и только при термической деформации – также на участке в пределах крепежной зоны.

Охлаждающие ребра образуются за счет удлиненных углублений в колесном тормозном диске, которые указывают в направлении глубины тела колеса, т.е. на стороне тела колеса выдаются за остальную плоскость колесного тормозного диска. В продольном направлении охлаждающие ребра проходят в большинстве случаев радиально.

Может быть предусмотрено, например по конструктивным причинам или причинам охлаждающей способности, что, по меньшей мере, один радиальный участок вне крепежной зоны, где колесный тормозной диск прилегает к телу колеса, в радиальном направлении отстоит от крепежной зоны. Однако точно так же колесный тормозной диск, примыкая к прилегающей к телу колеса крепежной зоне, может прилегать к телу колеса радиально вне крепежной зоны.

В простейшем случае колесный тормозной диск выполнен цельным и кольцеобразным, однако может быть также составлен из нескольких кольцевых сегментов.

Как правило, крепежными элементами являются болты, которые расположены приблизительно вдоль периферии с центром по оси колеса, а это имеет то преимущество, что соединение может быть разъединено. Это произошло бы также в том случае, если бы колесный тормозной диск фиксировался на колесе посредством пружин и пальцев. Однако, в принципе, колесный диск может быть также приклепан или прикован к колесу.

Благодаря изобретению, используя прежнее болтовое соединение, можно повысить его надежность.

Краткое описание чертежей

Для дальнейшего пояснения изобретения в нижеследующей части описания дается ссылка на чертежи, на которых приведены другие предпочтительные варианты, подробности и усовершенствования изобретения. На чертежах изображают:

- фиг. 1: фрагмент предложенного колесного тормозного диска;

- фиг. 2: продольный разрез предложенного колеса с расположенным свободно внутри колесным тормозным диском;

- фиг. 3: продольный разрез колеса с расположенным свободно внутри и снаружи колесным тормозным диском;

- фиг. 4: продольный разрез колеса с колесным тормозным диском в несвободном положении.

Выполнение изобретения

На фиг. 2-4 изображена верхняя половина колеса единицы рельсового подвижного состава, содержащего обод 1 колеса, бандаж гребня 3 на ободе 1 колеса и диск 2 колеса, соединяющий обод 1 колеса со ступицей 4 колеса. Диск 2 колеса и ступица 4 колеса образуют тело колеса. Посредством болтов 5 на диске 2 колеса закреплен колесный тормозной диск 6, вращающийся вокруг ступицы 4 колеса.

На фиг. 1 изображен фрагмент колесного тормозного диска 6, т.е. фрагмент продолжается слева и справа в форме кругового кольца. Видны разные охлаждающие ребра 7, в которых зоны 10 контакта с диском 2 колеса обозначены черными линиями. Лишь крепежное отверстие 8, в которое вставлен болт 5, выполнено в виде прохода. Между крепежными отверстиями здесь предусмотрены направляющие элементы 11, которые взаимодействуют с соответствующими ответными элементами на диске 2 колеса и обеспечивают радиальное ведение колесного тормозного диска 6 в случае обусловленного нагревом расширения.

Зона в форме кругового кольца, в которой расположены все крепежные отверстия 8 и которая также обозначена черными линиями, представляет собой крепежную зону 9, где колесный тормозной диск в любом случае прилегает к диску 2 колеса. На фиг. 1 над ней обозначена дополнительная зона 10 контакта в форме кругового кольца, отстоящая на радиальное расстояние от крепежной зоны 9: это – дополнительная зона контакта, где колесный тормозной диск 6 своими охлаждающими ребрами 7 прилегает непосредственно к диску 2 колеса. На участке радиально в пределах крепежной зоны 9, т.е. на фиг. 1 под крепежной зоной 9, охлаждающие ребра 7 не касаются диска 2 колеса, когда колесный тормозной диск холодный и термически не деформирован.

На фиг. 3, изображающей продольный разрез колеса с расположенным свободно внутри и снаружи колесным тормозным диском 6, прием последней показан как в холодном, так и в термически деформированном состояниях. Находящаяся вне крепежной зоны 9 (здесь над болтом 5) часть колесного тормозного диска 6 выгибается в сторону диска 2 колеса, а расположенная в пределах крепежной зоны 9 часть (здесь под болтом 5) движется от диска 2 колеса. Деформированное состояние показано упрощенно, однако размерные линии показывают, что в этом примере внешняя периферия колесного тормозного диска 6 смещается к диску 2 колеса на относительно большую величину, а внутренняя периферия смещается от диска 2 колеса на аналогично большую величину. Это представляет собой большую нагрузку на болт 5.

На фиг. 4, изображающей продольный разрез колеса с колесным тормозным диском в несвободном положении, последний также показан как в холодном, так и в термически деформированном состояниях. Следовательно, в холодном и новом состоянии колесный тормозной диск 6 прилегает к диску 2 колеса как в крепежной зоне вокруг болтов 5, так и вне, и в пределах нее. Также здесь термически деформированное состояние показано упрощенно, однако видно, что свободные концы, т.е. внутренняя и внешняя периферии колесного тормозного диска 6, не могут деформироваться в направлении диска 2 колеса, поскольку они прилегают к нему еще в холодном состоянии. Поэтому колесный тормозной диск 6 в крепежной зоне 9 приподнимается от диска 2 колеса вокруг болтов 5, т.е. на фиг. 4 непосредственно над и под болтом 5, что нагружает болтовое соединение. Колесный тормозной диск 6 (точнее, участки, бывшие прежде в контакте с диском 2 колеса) находится в этом примере тогда на участке, примыкающем радиально вне болта 5, на осевом расстоянии от диска 2 колеса, соответствующем приблизительно одной четвертой расстояния на фиг. 3, а на участке, примыкающем радиально в пределах болта 5, – на осевом расстоянии от диска 2 колеса, также соответствующем приблизительно одной четвертой расстояния на фиг. 3.

Согласно предложенному решению на фиг. 2, колесный тормозной диск 6 в холодном состоянии свободно расположен только внутри, т.е. он прилегает к диску 2 колеса в крепежной зоне 9 вокруг болтов 5 и, по меньшей мере, частично на участке вне болтов 5 или крепежной зоны 9, а своим свободным концом – внутренней периферией – отстоит от диска 2 колеса на осевое расстояние, например, по меньшей мере, 1 мм. При нагревании колесного тормозного диска 6 он может двигаться своим свободным концом к диску 2 колеса, что в этом примере приравнено к изменению расстояния примерно на одну четвертую размера из фиг. 3, тогда как колесный тормозной диск 6 на участке непосредственно радиально вне болтов 5 приподнимается от диска 2 колеса лишь примерно на одну седьмую размера из фиг. 3. На участке непосредственно радиально в пределах болтов 5 контакт между колесным тормозным диском 6 и диском 2 колеса сохраняется. Этот вариант обеспечивает, тем самым, наименьшую нагрузку на болт 5.

Колесный тормозной диск имеет здесь толщину, например, около 25 мм.

Испытания показали, что благодаря настоящему изобретению – свободному положению внутренней зоны колесного тормозного диска 6 или внутренних охлаждающих ребер 7 – болтовое соединение изнашивается не так сильно, или колесный тормозной диск 6 по сравнению с показанным традиционным решением при равной надежности может воспринимать более высокую тормозную мощность.

Надежность этого важного для безопасности конструктивного элемента повышается, а нагрузка на болтовое соединение уменьшается. Также при равной надежности может использоваться менее дорогое болтовое соединение.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

1 – обод колеса

2 – диск колеса (часть тела колеса)

3 – гребень бандажа

4 – ступица колеса (часть тела колеса)

5 – болт (крепежный элемент)

6 – колесный тормозной диск

7 – охлаждающее ребро

8 – крепежное отверстие

9 – крепежная зона

10 – зона контакта

11 – направляющий элемент