Глава 12.
КОНСТРУКЦИИ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ
§ 12.1. ХОДОВЫЕ ЧАСТИ БЕСТЕЛЕЖЕЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
Принципы построения конструктивных схем ходовых частей бестележечного подвижного состава определяют принятые схемы передачи нагрузок от кузова на путевое устройство, которые зависят в первую очередь от принятых принципов направления движения и, следовательно, конструкции путевых устройств. Схемы передачи нагрузок определяют вместе с тем конструкцию ходовых колес, выбор упругих элементов и кинематику направляющих устройств.
Ходовые части бестележечного исполнения имеют, как правило, одну ступень подвешивания, которая может состоять из нескольких групп упругих элементов, соединенных в различной комбинации.
Для обеспечения высоких динамических качеств подвижного состава в конструкции его ходовых частей, в частности системы подвешивания, предусматриваются специальные конструктивные решения, улучшающие взаимодействие колес и путевых устройств. В ходовых частях рельсового подвижного состава, например, обеспечивается подвижность колесных пар относительно рамы кузова, необходимая для их самоустановки в рельсовой колее и получения возвращающих усилий при отклонении колес; в ходовых частях безрельсового и монорельсового транспорта с пневматическими шинами системой направляющих устройств обеспечивается сохранение заданной кинематики установки поворотных колес и т. д.
Наиболее простыми являются ходовые части бе отслеженного подвижного состава с листовыми рессорами, совмещающими в себе функции всех элементов: упругих элементов, гасителей и направляющих устройств (рис. 12.1, а). В этом случае неподрессоренные массы 1, связанные с колесами 2, воспринимают все нагрузки через листовые рессоры 3. Продольные F и боковые Н силы от кузова 4 передаются на рессоры через шарнир 5. Второй конец рессоры для обеспечения свободы деформации связывается с кузовом шарнирно серьгой или свободно опирается на вспомогательную опору. Эта схема ходовых частей конструктивно выполнима только с листовыми полуэллиптическими рессорами и применяется при зависимых системах подвешивания.
Рис. 12.1. Конструктивные схемы бестележечных ходовых частей с листовыми рессорами
В зависимости от конструкции заделки концов рессор на раме кузова листовые рессоры могут выполнять помимо функций упругих элементов роль поводковых направляющих устройств (схемы а и б) или только упругих элементов (схема в). В принципе последняя схема может иметь упругий элемент любого типа при соответствующем включении гасителя колебаний.
На рис. 12.2 показаны кинематические схемы бестележечных ходовых частей с упругим подвешиванием рычажного типа.
Продольные и поперечные усилия с однорычажными подвесками в ходовых частях передаются на кузов через направляющее устройство 2 и шарнир 4 (схема а). Упругий элемент 1 в этой схеме воспринимает только вертикальную нагрузку. Поэтому такая схема ходовых частей позволяет применять практически любой тип упругого элемента. В зависимости от демпфирующих свойств и требуемой характеристики параллельно упругому элементу может устанавливаться специальный гаситель колебаний 3. Примером такой схемы может служить, в частности, конструкция ходовых частей навесной монорельсовой дороги, приведенная на рис. 1.14.
Рычажные схемы ходовых частей применяются на всех видах бестележечного подвижного состава безрельсового и монорельсового городского электрического транспорта.
Рычажные направляющие устройства в схемах ходовых частей этого типа могут состоять также из отдельных групп рычагов, каждая из которых воспринимает только продольные или только поперечные силы. На схеме б показаны ходовые части этого типа с пневматическим упругим элементом 5, воспринимающим только вертикальные нагрузки. Здесь продольные горизонтальные силы F передаются на кузов 6 через рычаги (штанги) 7. Боковые нагрузки Н передаются колесам рычагами (штангами) 8.
Ряс. 12.2. Конструктивные схемы бестележечных ходовых частей с подвесками рычажного типа
Рис. 12.3. Конструктивная схема бестележечных ходовых частей монорельсового подвижного состава с установкой горизонтальных направляющих колес на рычажной подвеске
Для ходовых частей монорельсового подвижного состава (рис. 12.3) характерна независимая установка колес на раме 1 кузова с помощью направляющих устройств 2 параллелограммной или рычажной конструкции, допускающих возможность регулирования величины нажатия ходовых 3 и направляющих колес 4 на путевое устройство 5.
Вращающий момент создается тяговым двигателем 8 и через редуктор 9 и кардан 10 передается на ступицу ходового колеса 3. Вертикальная нагрузка G/2 передается с рамы кузова на ходовое колесо 3 через упругий элемент 6. Горизонтальные силы Н кузова воспринимаются упругими элементами 7 и передаются на путевое устройство направляющими колесами 4.
Упругие элементы 6 и 4 можно выполнить регулируемыми, например пневматическими. В этом случае, повышая давление в элементах 7, можно создать дополнительное нажатие ∆Р направляющих колес 4 на путевое устройство 5 и повысить их сцепную силу на величину К=φ∆Р (φ — коэффициент сцепления). После этого, увеличивая давление в упругих элементах 6, можно искусственно увеличить сцепление ходовых колес 3 с путевой балкой. Такое повышение сцепного веса позволяет в определенных условиях увеличить допустимые уклоны при прокладке путевых устройств монорельсовых дорог и существенно снизить за счет этого стоимость их строительства.
В рельсовых бестележечных ходовых частях с подвешиванием, имеющим направляющие устройства фрикционного типа (см. рис. 11.8), продольные F и поперечные Н горизонтальные силы передаются с буксового узла 2 на кузов 5 через направляющие элементы 3.
Примером бестележечных ходовых частей с фрикционными направляющими устройствами может служить конструкция, приведенная на рис. 12.4.
Рис. 12.4. Ходовые части рельсового подвижного состава бестележечного исполнения
Вертикальная нагрузка кузова 1 передается на буксы 2 колесных пар 3 двумя последовательно соединенными группами упругих элементов, первую группу которых составляют листовые полуэллиптические рессоры 4, а вторую — цилиндрические пружины 5. Кронштейнами 6 кузов опирается на пружины 5. Нагрузка кузова через пружины 5, шпинтоны 7 и серьги 10 передается на концы листовых рессор 4. Продольные (тяговые и тормозные) нагрузки от колесных пар 3 передаются на кузов буксами 2 через буксовые лапы 8. Боковые нагрузки кузова передаются на колесные пары буксовыми лапами 8 и буксами через направляющие 9.
Буксы 2, буксовые лапы 8, кронштейн 6, шпинтоны 7 и серьги 8 составляют направляющее устройство упругого подвешивания кузова, а листовые рессоры 4 и пружина 5 являются его упругими элементами. Трение в листовых рессорах обеспечивает необходимое демпфирование колебаний кузова при движении, т. е. рессоры в данном случае выполняют роль фрикционного гасителя.
Оси колесных пар бестележечного подвижного состава установлены перпендикулярно продольной оси экипажа. Такая установка необходима для нормального качения колесных лар на прямых, но затрудняет вписывание подвижного состава в кривых участках пути. Наилучшие условия вписывания в кривых обеспечивает радиальная установка колесных пар (рис. 12.5). При такой установке колесные тары катятся с минимальным скольжением и имеют минимальный износ.
Жесткая установка колесных пар, не допускающая необходимого изменения положения их осей в кривых участках пути, затрудняет вписывание, ухудшает условия качения колес, повышает износ колес и рельсов. Недостатки жесткой установки колесных пар сказываются тем сильнее, чем больше принятая база L подвижного состава. В связи с этим необходимость максимального увеличения базы и габаритов подвижного состава для повышения его вместимости требует дополнительных мер по улучшению его вписывания. Для этого предусматривают увеличенные продольные и поперечные перемещения δ колесных пар в буксовых направляющих за счет их упругости или увеличенных зазоров (разбегов).
Рис. 12.5. Установка в кривых колесных пар с увеличением зазора буксовых узлов
В конструкции, показанной на рис. 12.4, перемещения букс в буксовых направляющих обеспечиваются увеличенными продольными и поперечными зазорами, которые могут составлять от 6 до 12 мм. За счет свободного перемещения букс в буксовых направляющих оси колесных пар при движении по кривым участкам пути устанавливаются в положение, близкое к радиальному. Вместе с тем при движении на прямых участках пути увеличенные зазоры вызывают виляние колесных пар в буксовых направляющих, что ухудшает плавность хода подвижного состава.
Возможность углового перемещения колесных пар на кривых участках пути в пределах зазоров между буксами и буксовыми направляющими обеспечивается направляющими устройствами упругого подвешивания. В конструкции, показанной на рис. 12.4, продольные смещения букс и связанных с ними листовых рессор 4 обеспечиваются поворотом серег 8 и шпинтонов 7.
Недостатком конструкции буксового узла этого типа является трение лицевых плоскостей букс и буксовых направляющих, которое влияет на характеристику упругих элементов и ухудшает работу системы подвешивания. Непосредственный контакт направляющих плоскостей создает акустическую связь между колесными парами и кузовом, увеличивая в нем уровень шума.
Ходовые части безрельсовых экипажей в зависимости от выполняемых функций могут быть с ведущими или управляемыми мостами. В ведущих мостах размещаются элементы тягового привода, на управляемых — элементы рулевого привода поворота колес.
Движущими, т. е. ходовыми частями, оборудованными ведущим мостом, на современных троллейбусах с кузовом обычного типа являются задние1. Сочлененные троллейбусы, как правило, имеют в качестве ведущей среднюю ось, а в отдельных конструкциях — ведущую среднюю ось и заднюю ось полуприцепа.
Тяговые и тормозные усилия в троллейбусах передаются чаще всего при помощи листовых рессор, соединяющих ведущий мост с рамой, а в некоторых случаях посредством толкающих штанг.
На рис. 12.6 приведена конструкция ходовых частей троллейбуса ЗИУ-5 с ведущим мостом. Передача направляющих продольных и поперечных сил в этой конструкции ходовых частей соответствует схеме а (рис. 12.1).
Картер моста 1 представляет собой стальную пустотелую отливку, в концы которой впрессовываются два стальных кожуха 2 полуосей, Внутри этих кожухов проходят полуоси 3, соединяющие полуосевые шестерни дифференциала редуктора со ступицами 4 ведущих колес при помощи шлицевых муфт 5. Через муфты 5 вращающие моменты от полуосей передаются фланцам 6, жестко соединенным со ступицами ведущих колес.
1В связи с этим ведущие мосты троллейбусов по широко распространенной терминологии называют также задними мостами.
Рис. 12.6. Ведущие ходовые части троллейбуса ЗИУ-5
Ступица 4 вращается на двух конических роликовых подшипниках 7. Колеса ведущего моста оборудованы тормозными механизмами барабанного типа.
Ведущий мост соединяется с рамой троллейбуса рессорами 8. Тяговые и тормозные усилия передаются передними концами рессор, шарнирно соединенными с кронштейнами 9 рамы. Задние концы рессор опираются на скользуны 10, установленные в кронштейнах рамы. Рессоры крепятся к балке моста стремяночными болтами 11. Колебания кузова демпфируются трением листовых рессор и гидравлическим гасителем 12.
Рис. 12.7. Ведущие бестележечные ходовые части с регулируемой подвеской (троллейбус ЗИУ-9)
На рис. 12.7 показана конструкция ведущих ходовых частей троллейбуса ЗИУ-9 с регулируемой пневматической подвеской.
Верхние резервуары четырех упругих пневматических элементов 1 установлены на раме троллейбуса, а нижние соединены попарно поперечными балками 2, увеличивающими поперечную базу упругих элементов подвешивания. Для смягчения колебаний к поперечным балкам на кронштейнах крепятся гидравлические гасители 3 телескопического типа. Балка 4 ведущего моста связана с балками 2 продольными балками 5, соединенными с мостом стремяночными болтами 6. Вертикальная нагрузка от рамы троллейбуса передается на балку моста через пневматические упругие элементы 1, поперечные 2 и продольные 5 балки направляющих устройств. Параллельно с пневматическими упругими элементами рама опирается на мост через листовые рессоры 7, один конец которых закреплен в шарнире 8 на продольном лонжероне 9 основания кузова, а другой связан с ним серьгой 10.
Таким образом, в этой конструкции ходовых частей листовые рессоры, помимо параллельно включенных упругих элементов, выполняют роль поводковых направляющих устройств, служащих для передачи горизонтальных направляющих усилий, и одновременно с пневматическими рессорами воспринимают крутящие реактивные моменты.
Балка 4 моста служит одновременно картером редуктора тяговой передачи и опорой для подшипников 11 и 12, на которых устанавливается ступица 13. С внутренней стороны на ступице крепится барабан 14 колодочного тормоза. С внешней стороны ступица снабжена шпилька мн 15. Бездисковый обод 16 внутреннего колеса устанавливается на конусной поверхности ступицы. Между ободами проставляется промежуточное кольцо 18, и которое упирается обод 17 внешнего колеса. На ступице ободы закрепляются кольцом 19 с конусной поверхностью, которое поджимается упорами 20, устанавливаемыми на шпильках 15. Корпус ступицы вместе с кожухом 21 полуоси образует картер ступичного планетарного редуктора, снабженного уплотняющими сальниками 22.
Основные задачи проектирования ходовых частей с ведущими мостами тесно переплетаются с задачами проектирования упругого подвешивания, редукторов и тормозных устройств. Все они должны решаться во взаимной связи с учетом габаритных ограничений, требований удобства осмотра н обслуживания отдельных механизмов, их прочности и надежности в работе, конструктивной простоты и минимального веса.
При проектировании ходовых частей с ведущими мостами различной конструкции помимо вопросов, связанных с проектированием системы подвешивания при разработке ведущих мостов, основное внимание обращают на конструкцию и взаимное расположение опор ступиц, ведущих колес, способ сочленения полуосей со ступицами и дифференциалом, способ передачи тяговых и тормозных сил от моста на раму или основание кузова, конструкцию картера моста, способ крепления тормозных барабанов, вопросы смазки и др.
В качестве опор для ступиц применяют шариковые и конические роликовые подшипники, причем в современных конструкциях отдают предпочтение роликовым подшипникам, которые обладают большей грузоподъемностью, дают возможность создать более компактную и легкую конструкцию ступицы н просто регулируются. Способ сочленения полуосей со ступицей и дифференциалом должен по возможности обеспечивать полную разгрузку полуосей от изгибающих моментов.
Обычно стремятся к тому, чтобы отдельные узлы ходовых частей выполняли одновременно несколько функций. Это позволяет упростить их конструктивно н уменьшить вес. Так, в современных конструкциях ходовых частей картер ведущего моста выполняет роль балки для крепления ступиц колес и одновременно является частью корпуса редуктора; тяговые и тормозные силы могут передаваться на раму кузова специальными элементами (толкающими штангами) или рессорами, как у троллейбуса ЗИУ-5, и т. д. Стремятся также обеспечить равный запас работоспособности всех узлов ходовых частей. Если нельзя полностью обеспечить это требование, предусматривают такое взаимное расположение отдельных узлов, чтобы обеспечить первоочередную разборку тех узлов, которые имеют меньший срок службы.
Ходовыми частями с управляемыми мостами на современном двухосном безрельсовом подвижном составе являются передние ходовые части (оси). На экипажах сочлененного типа для повышения их маневренности управляемыми делают и задние ходовые части (оси) полуприцепной секции.
Управляемый мост этих ходовых частей при помощи упругой подвески несет на себе раму кузова и снабжен устройствами для установки ступиц колес и рулевого привода.
Ходовые части безрельсовых экипажей с управляемыми мостами могут выполняться с зависимой и независимой подвеской.
На рис. 12.8 показана конструкция с зависимой подвеской управляемого моста ходовых частей троллейбуса ЗИУ-5.
Усилия с рамы кузова 1 на мост 2 в рассматриваемой конструкции ходовых частей передаются через листовые рессоры 3, выполняющие роль направляющих устройств. Концы рессоры 3 связаны с рамой троллейбуса через опорные резиновые подушки 4. Характер заделки концов рессоры соответствует поводковому типу направляющих устройств (см. схему б, рис. 12.1).
Несущей частью управляемого моста является балка 5 двутаврового сечения. Концы балки снабжены откованными заодно с ней кулаками, имеющими вертикальные отверстия для установки поворотных цапф 6. Концы балки и цапфы соединяются шкворнями 7. Благодаря этому цапфа вместе с сидящим на ее оси колесом 8 имеет возможность поворачиваться вокруг шкворня в необходимом направлении. Правая и левая поворотные цапфы соединены поперечной рулевой тягой 9, которая дает возможность управляемым колесам поворачиваться одновременно.
В зависимости от способа крепления шкворней поворотных цапф они разделяются на нагруженные (сжимающими или растягивающими усилиями) н разгруженные (не участвующие в передаче веса кузова от балки на поворотную цапфу). В современных троллейбусах применяются конструкции с разгруженными и нагруженными шкворнями.
Для облегчения поворота цапфы на шкворне установлен упорный подшипник 10, который и воспринимает вес, передающийся через балку управляемого моста на колесо. Таким образом, шкворни в рассматриваемой конструкции разгружены.
На рис. 12.9 показаны ходовые части троллейбуса ЗИУ-9 с зависимой подвеской управляемого моста на регулируемых пневматических элементах 1. Продольные усилия передаются здесь верхними и нижними парами рычагов (штанг) 2 и 3. Боковые силы воспринимаются рычагами 2, установленными под углом к продольной оси троллейбуса.
При вертикальных перемещениях кинематическая схема направляющих устройств аналогична продольной двухрычажной параллелограммной подвеске. Она обеспечивает точное вертикальное перемещение управляемых колес, необходимое для правильной кинематики рулевого привода.
Корпус 4 пневматического упругого элемента крепится на раме 5, а его поршень 6 — на балке 7 управляемого моста. Для демпфирования колебаний установлены телескопические гидравлические гасители 8.
Конструкция поворотного шкворневого узла, колеса и тормозных устройств аналогична конструкции соответствующих узлов ведущего моста троллейбуса ЗИУ-9 и управляемого моста троллейбуса ЗИУ-5.
На рис. 12.10 показаны ходовые части троллейбуса с поперечной независимой подвеской управляемых колес. Нагрузка кузова передается через верхний 1 и нижний 3 рычаги трапециевидной подвески, шарнирно соединенные с одной стороны с кронштейнами 2 и 4, а с другой стороны — с рычагом 7 поворотного кулака 8.
Рис. 12.8. Троллейбусные ходовые части с зависимой подвеской управляемого моста (ЗИУ-5)
Между верхним кронштейном 1, имеющим опорную чашку, и нижней трапецией 3 помещается пружина 10. Для смягчения колебаний кузова устанавливается гидравлический гаситель 9 телескопического типа. Проушины гасителя шарнирно соединены с трапециями.
Перемещения подвески ограничиваются верхними 5 и нижними 6 резиновыми амортизаторами.
Рис. 12.9. Троллейбусные ходовые части с зависимой регулируемой подвеской управляемого моста (ЗИУ-9)
Особенности проектирования бестележечных ходовых частей с ведущими мостами помимо общих задач (расчет подвешивания, передача нагрузки, прочность и т. д.) состоят в обеспечении легкости управления экипажем, стабилизации управляемых колес, качения управляемых колес без скольжения.
Легкость управлення подвижным составом, стабилизация управляемых колес и качение их без скольжения при движении экипажа на прямых и кривых участках пути обеспечиваются правильным расчетом углов установки управляемых колес и элементов их рулевого привода.
Рис. 12.10. Ходовые части с независимой подвеской управляемых колес (троллейбус ТС-2)
Правильная установка передних колес обеспечивает качение шин с минимальной потерей мощности, их нормальный износ и облегчает управление подвижным составом.
Углами установки являются (рис. 12.11) углы развала а и схождения δ колес, а также боковой β и продольный γ углы наклона шкворня.
Угол а развала колес конструктивно образуется соответствующей установкой поворотных цапф. Развал несколько снижает усилия, необходимые для поворота колес, за счет уменьшения плеча а (схема а) до величины а' и создает постоянное поджатие ступицы колеса к внутреннему подшипнику за счет перераспределения нагрузки на подшипники ступицы и появления горизонтальной слагающей q реакции дорожного покрытия. Для передних колес троллейбусов величина угла развала принимается равной 1— Т.
Угол δ схождения управляемых колес (схема б) (при а>b) устанавливают, регулируя длину поперечной рулевой тяги (см. поз. 9 на рис. 12.8). Он обеспечивает при движении экипажа параллельную установку колес. Если бы угол схождения отсутствовал, то силы сопротивления качению колес, выбирая зазоры, имеющиеся в рулевом приводе (поперечной тяге и сочленениях поворотных цапф), привели бы к образованию угла расхождения колес, проскальзыванию шин по поверхности дорожного покрытия и, вследствие этого, повышению износа шин. Неправильная регулировка схождения колес повышает сопротивление движению и расход электрической энергии на движение экипажа.
Боковой β (схема а) и продольный у (схема в) углы наклона шкворня поворотной цапфы дают возможность управляемым колесам без усилия водителя автоматически возвращаться после поворота в нейтральное положение, соответствующее прямолинейному движению экипажа. Наклон шкворня в поперечной плоскости на угол β создает так называемую весовую стабилизацию. В нейтральном положении управляемых колес, соответствующем прямолинейному движению, ось переднего моста и центр тяжести экипажа занимают самое низкое, т. е. наиболее устойчивое положение.
Рис. 12,11. Углы установки колес и шкворней управляемого моста
При выводе управляемых колес из нейтрального положения (например, при их повороте в ту или иную сторону) произойдет подъем передней оси и, следовательно, передней части экипажа. В результате появляется весовой стабилизирующий эффект: ось моста, стремясь вернуться в положение равновесия, помогает возвращению колес в нейтральное положение.
Стабилизирующее действие наклона шкворня в продольной плоскости на угол γ достигается в результате использования боковых реакций со стороны дороги на колесо.
Равнодействующая боковой реакции R дороги на колесо приложена в точке, лежащей на одной вертикали с центром колеса. Продольный наклон поворотного шкворня на угол γ или вынос его вперед (схема в) обусловливают появление плеча b, в результате чего при действии боковой реакции Rп возникает стабилизирующий момент Mc, стремящийся вернуть колесо в нейтральное положение:
