Связи между кузовом и рамами тележек, а также между рамой тележек и колесными парами, предназначенные для передачи вертикальных нагрузок, называют подвешиванием. Подвешивание бывает одноступенчатым (одинарным), если один вид из этих связей упругий. При двухступенчатом (двойном) подвешивании связи между рамой тележки и кузовом и между рамой тележки и колесными парами упругие. Упругие связи между колесными парами и рамой тележки называют первой ступенью подвешивания, или буксовым подвешиванием, упругие связи между рамой тележки и кузовом — второй ступенью подвешивания.
Горизонтальные связи колесных пар с тележками могут обеспечивать ограниченное упругое перемещение колесных пар в тележке или ограниченное свободное перемещение (так называемые поперечные разбеги колесных пар в тележке). Некоторые колесные пары могут и не иметь горизонтальных перемещений в тележке. Разбеги и упругие перемещения колесных пар в тележке улучшают условия прохождения экипажей в кривых участках пути (см. гл. 3).
При одноступенчатом подвешивании вертикальная нагрузка ют кузова на тележку передается через опоры. Опоры могут располагаться в центре тележек и служить одновременно для передачи вертикальной и горизонтальной нагрузки от кузова на тележки и для поворота тележек относительно опор, т. е. являются шкворнем. Такого типа опоры называют центральными.
Центральные опоры применяются у всех вагонов тележечного типа с одноступенчатым подвешиванием (в основном грузовых вагонов) и транспортеров. Центральные опоры применены также у ряда отечественных тепловозов, например, серий ТЭ1, ТЭ2 и электровозов серий ВЛ19, ВЛ22, ВЛ22М, ВЛ23, ВЛ8 и др.
Центральные опоры тележечных экипажей располагаются по продольной оси кузова экипажа.
Если при этом кузов не поддерживается другими опорами, он в поперечном направлении неустойчив (переваливается на ту или другую сторону тележки). В этих случаях для повышения устойчивости кузова на тележках диаметр центральных опор делается возможно большим и с плоской поверхностью опирания (пятой). Кроме того, для поддержания кузова при его отклонении от равновесного положения у вагонов применяют боковые опоры (их называют скользунами) или дополнительные опоры, устанавливаемые на тележках впереди или сзади центральных опор.
Центральные опоры иногда (например, у электровозов) для улучшения условий прохождения крутых кривых делают подвижными в продольном направлении (вдоль оси экипажа). Между пятой и подпятником электровозов для подачи смазки должен быть обеспечен зазор примерно 0,4—1,2 мм, который в эксплуатации не должен превышать 2,5 мм. У подвижных подпятников общий боковой зазор между подпятником и продольными стенами гнезда в шкворневой балке или в раме тележки не должен быть более 3 мм.
При плоских жестких опорах вибрации тележки полностью передаются кузову экипажа. Для уменьшения колебаний кузова в некоторых конструкциях электровозов применяют упругие центральные опоры кузова. В них устанавливают резиновые втулки, упруго воспринимающие вертикальные и боковые силы. Кроме центральных опор, применяют дополнительные опоры: боковые, расположенные по обеим сторонам тележки, и дополнительные продольные, расположенные спереди и сзади по отношению к центральной опоре.
У грузовых вагонов боковые опоры (скользуны) делают жесткими. Для нормального положения кузова в них существуют регламентированные по размеру зазоры. В движении при потере кузовом равновесия (перевалке) кузов может опереться на правые или левые скользуны. У некоторых конструкций локомотивов, устраивают дополнительные упругие скользящие опоры, главным образом для создания сил трения между тележкой и кузовом для гашения колебаний виляния. Чтобы момент трения между кузовом и тележками находился в строго заданных пределах, ставят упругие элементы, которые регулируют нагрузки на опоры и тем самым регулируют и силы трения в опоре.
Так, например, у электровозов серий ВЛ22М и ВЛ23 дополнительные опоры установлены на переднем и заднем брусе рамы каждой тележки. В частности, у электровозов ВЛ23 одна из опор имеет пружину, а у второй упругость обеспечивается установкой двух резиновых шайб, разделенных стальной прокладкой. Для нагружения дополнительных опор центральная опора на тележке крепится несимметрично, а жесткость упругих элементов и размер их деформации подбирают так, чтобы на дополнительных опорах возникли необходимые нагрузки, пята опиралась бы всей плоскостью на подпятник, а рама тележки была бы параллельна раме кузова. Кроме того, для поддержания постоянства нагрузки на
дополнительные опоры в эксплуатации регламентированы износы и размеры элементов этих опор.
В некоторых конструкциях локомотивов осуществляют передачу вертикальной нагрузки от кузова на тележки только за счет боковых опор, т. е. без применения центральных опор, и тогда боковые опоры могут быть жесткими и упругими. Жесткие опоры применены, например, у отечественных тепловозов серий ТЭЗ, ТЭ7 (рис. 5), а упругие — у электровозов серии К (рис. 6).
Жесткие опоры тепловозов ТЭЗ выполнены в виде наклонных плоскостей, между которыми перекатываются ролики. Оси симметрии опор повернуты под некоторым углом к условному центру поворота. За счет наклона поверхностей катания роликов и их разворота поворот тележки вызывает возвращающий момент сил; при повороте тележки ролики вынуждены вкатываться вверх по наклонным плоскостям опор, а это создает нужное сопротивление повороту тележки.
Износ поверхностей катания роликом может заметно изменить момент сопротивления повороту тележки относительно рамы локомотива. Заметим, что из-за трудностей измерения этого износа в эксплуатации он не нормирован. Даже эластичные центральные опоры дают незначительные поперечные смещения кузова по отношению к тележке и обладают большой боковой жесткостью. За счет боковых перемещений кузова по отношению к тележке могут быть значительно уменьшены горизонтальные силы, действующие на железнодорожный путь. Поэтому на некоторых конструкциях экипажей (в частности, у электровозов) применяют так называемые качающиеся, или маятниковые, опоры или же так называемое люлечное подвешивание.
Маятниковые опоры использованы, например, на отечественных электровозах ВЛ60 и на некоторых французских электровозах (рис. 7, а). Они позволяют тележке за счет наклона стойки смещаться относительно кузова поперек пути. Через маятниковую опору от рамы тележки на раму кузова передается сила тяги, поэтому перемещение маятниковой опоры вдоль пути ограничено «специальными упорами. Во внутренних гнездах-конусах стойки размещены резиновые элементы. Они позволяют стойке поворачиваться и занимать наклонное положение при смещении тележки и тем самым снижать уровень вибрации, передаваемой от тележки к кузову. Стойка прикреплена к раме кузова пружинами (с преднатягом). Когда между кузовом и тележкой действует горизонтальная поперечная сила, не превышающая начальной затяжки (преднатяга), верхний резиновый конус не работает и поворот тележек по отношению к кузову происходит за счет деформаций нижнего резинового конуса. Если же горизонтальная сила больше преднатяга, стойка наклоняется и при этом деформируются верхний и нижний резиновые конуса и пружины. При уменьшении поперечной силы пружины возвращают конструкцию в исходное положение.
Рис. 5. Жесткая боковая роликовая опора тепловоза ТЭЗ;
/ — сферическая часть подвижной опоры; 2 — корпус подвижной опоры; 3 — неподвижная часть опоры; 4 — ролики
Рис. 6. Упругая боковая опора электровоза серии К:
1 — верхняя часть корпуса; 2, 3 — наружная и внутренняя пружины; 4 — нижняя часть корпуса; 5 — скользун
Рис. 7. Центральная (а) и боковая (б) качающиеся опоры электровоза ВЛ60:
1 — кузов электровоза; 2 — пружинное возвращающее устройство; 3 — резиновый конус;
4 — стойка; 5 — рама тележки; 6 — пружинный аппарат; 7 — стержень; 8 — кронштейн рамы тележки
Рис. 8. Люлечное подвешивание вагона:
1 — надрессорная балка; 2 — рессоры; 3 — люлечные подвески; 4 — подрессорная балка
При маятниковых опорах по оси экипажа обычно на каждой тележке устанавливают и боковые опоры кузова (рис. 7, б). Последние бывают качающиеся и скользящие.
Поворот тележек относительно кузова приводит к наклону стоек центральных маятниковых опор в разные стороны. При этом за счет сил, возникающих при деформации пружин, появляется момент, стремящийся повернуть тележку в первоначальное состояние. Точно так же поперечное перемещение тележки без ее поворота приводит к наклону стоек в одну сторону, в результате чего силы упругости пружин стремятся возвратить тележку в неотклоненное положение.
При люлечном подвешивании нагрузка от кузова на раму тележки передается через подвески, на которых чаще всего покоится люлечная балка. Поскольку подвески имеют в верхней части шарниры, позволяющие отклонять подвески поперек пути, надрессорная балка может раскачиваться на подвесках. Отсюда и возникло название «люлька», или «люлечное подвешивание». Характерным и наиболее простым образцом конструкции люлечного подвешивания может служить подвешивание пассажирских вагонов (рис. 8). Как видно из рисунка, здесь нагрузка от кузова через плоскую опору передается надрессорной балке 1. Последняя опирается на две рессоры 2, каждая из которых опирается на предрессорную балку 4, соединенную с рамой тележки люлечными подвесками 3. При смещении кузова относительно пути надрессорная балка перемещается относительно рамы тележки в поперечном направлении. Происходит изменение наклона люлечных подвесок, дополнительное сжатие рессор, появляется горизонтальное возвращающее усилие.
Конструктивное исполнение люлечного подвешивания весьма многообразно: в ряде случаев вместо соединительной рессоры применяются соединительные балки в комбинации с пружинами, центральные опоры заменяются боковыми и т. п. В дальнейших расчетах необходимо будет определять сопротивление боковым перемещениям кузова на люльке (боковую жесткость люльки):
(2-1)
где Gк — вес кузова; ln — длина подвески; a — угол, образуемый подвесками с вертикалью (в неотклоненном состоянии).