Между рамами тележек и колесными парами существуют вертикальные и горизонтальные связи. Последние предназначены для передачи сил тяги и торможения и поперечных сил, появляющихся при боковых колебаниях и движении экипажа по кривым.
Рама тележки передает колесным парам вертикальные силы через рессорное подвешивание. Оно включает сочетание рессор, пружин и балансиров с соединительными деталями (рессорными подвесками, стойками, валиками и др.). Рессорное подвешивание характеризуется жесткостью, выражающей усилие, необходимое для перемещения колеса по отношению к раме тележки на 1 мм. Жесткость рессорного подвешивания определяется жесткостью упругих элементов — рессор и способом их соединения. В качестве упругих элементов используются листовые и цилиндрические рессоры (рис. 9), а также резиновые, резинометаллические и воздушно-упругие элементы.
Нагрузка от кузова через раму тележки может передаваться через эластичные элементы непосредственно на каждую буксу. Такое подвешивание называют независимым (рис. 10, а). В этом случае при числе осей в тележке n>2 получается статически неопределимая система передачи нагрузок от рамы к колесам, что, как известно, на неровностях пути существенно изменяет нагрузки от колес на рельсы, а у локомотивов ухудшает использование сцепного веса, ограничивает развиваемую силу тяги. Для исключения этого упругие элементы (рессоры) соединяют балансирами, превращая подвешивание в статически определимое. Подвешивание, рессоры которого соединены балансирами, называют сбалансированным или сопряженным (рис. 10, б).
Рис. 9. Рессора листовая (а) и цилиндрическая (б)
Рис. 10. Рессорное подвешивание независимое (а) и сбалансированное (б)
Рис. 11. Различные варианты эквивалентных схем подвешивания
Рис. 12. Буксовые направляющие плоские (а) и цилиндрические (б):
1 — букса; 2 — наличник; 3 — рама тележки; 4 — шплитон; 5 — резнометаллический блок;
6 — комплект резиновых шайб, разделенных стальными шайбами; 7 — листовая рессора
Размещение упругих элементов и их соединений определяет эквивалентную схему рессорного подвешивания для изучения динамических процессов в подвижном составе. Эту схему вычерчивают следующим образом: на плане экипажа показывают расположение колесных пар, точек подвешивания (сами рессоры не изображают), наносят расположение балансиров. Точкой подвешивания называется фиктивная точка, через которую проходит равнодействующая нагрузок, передаваемых группой рессор, соединенных балансирами. Таким образом, группа сбалансированных рессор на схеме подвешивания изображается одной условной точкой.
Эквивалентные схемы рессорного подвешивания некоторых электровозов показаны на рис. 11. Крестиками на этой схеме показано соединение тележек между собой. Координата точки подвешивания (X) определяется элементарными расчетами с использованием теорем статики. Так, например, для тележки, изображенной на рис. 10, б, положение точки подвешивания может быть определено следующим расчетом. Силы P1, Р2, Р3 определяются из условий:
Горизонтальные связи колесных опор с рамой тележки выполняются в виде буксовых направляющих или в виде буксовых поводков. Буксовые направляющие бывают плоскими и цилиндрическими (рис. 12). Плоские направляющие образуются вырезами в раме тележки. На вырезах по вертикальным поверхностям соприкосновения с буксой крепятся специальные планки — наличники, которые заменяют по мере износа. Боковые грани корпуса буксы имеют бурты; они охватывают направляющие рамы и передают раме поперечные боковые силы.
Продольные смещения буксовых вырезов в раме тележки с правой и левой сторон одной оси относительно друг друга, большие зазоры между наличниками выреза и боковыми рабочими гранями буксы, между наличниками выреза проемов между правой и левой стороной колесной пары создают условия для повышения амплитуды и частоты извилистого движения экипажей на прямых участках пути и в пологих кривых и ухудшают их прохождение в крутых кривых. Поэтому у электровозов не допускается продольное смещение буксовых вырезов с правой и левой стороны более 3—3,5 мм, разность в ширине буксовых вырезов у одной колесной пары более 0,5 мм и продольные зазоры между наличниками и рабочими гранями буксы более 4 мм. У грузовых вагонов, боковые рамы которых жестко не связаны друг с другом, разность расстояний между центрами осей с двух сторон тележки может доходить до 15 мм. Общий поперечный зазор между буксой и буксовыми направляющими после их полного износа, как правило, не должен превышать номинальный в 1,3—1,4 раза.
Образец конструкции цилиндрических буксовых направляющих показан на рис. 12, б. Если в плоских направляющих из-за износа зазоры между буксой и наличниками могут быть значительными, то в цилиндрических направляющих свободные зазоры отсутствуют. Некоторая незначительная подвижность этих букс может обеспечиваться деформацией резины в металлических элементах. За счет этих деформаций смягчаются горизонтальные удары буксы.
В последнее время широкое распространение получают поводковые и резинометаллические буксы (рис. 13). Они обеспечивают свободное перемещение буксы в вертикальном направлении. В то же время за счет вмонтированных в поводки резиновых элементов они обеспечивают весьма незначительные упругие перемещения буксы вдоль пути и несколько большие упругие перемещения буксы поперек пути. Конструкция поводковых букс при соответствующем подборе резины и размеров резиновых втулок позволяет регулировать продольную и поперечную жесткость колесных пар в раме тележки. Обычно жесткость поводков одной буксы в поперечном направлении составляет 6—10 МН/м, а в продольном 24— 28 МН/м. Однако поперечная подвижность колесных пар и с поводковыми буксами незначительна. Поперечная подвижность колесной пары несколько выше подвижности буксы за счет зазоров.
Рис. 13. Упругие буксовые направляющие:
а — поводковые; б — резнометаллические буксы; 1 — поводок; 2 — букса; 3 — резиновая втулка; 4 — валик; 5 — резнометаллический блок; 6 — букса: 7 — кронштейн рамы тележки
Рис. 14. Резиновый буксовый торцовый упор:
1 — букса; 2 — резиновый упор; 3 — ось колесной пары
Но все же для некоторых конструкций подвижного состава для снижения действующих на путь горизонтальных поперечных сил необходимо иметь более значительные упругие или свободные перемещения колесной пары по отношению к раме тележки — разбеги. Для обеспечения свободных поперечных перемещений (разбегов) отдельных колесных пар по отношению к раме тележки конструктивно обеспечивают возможность таких перемещений (так называемые осевые разбеги) заданного размера.
В некоторых случаях создают возможность таких же упругих перемещений с помощью упругих буксовых упоров между колесной парой и буксой (рис. 14). Упругие боковые упоры делают в виде резиновых блоков или с металлической рессорой. Как правило, эти упоры обеспечивают боковую реакцию тележки на колесную пару, пропорциональную деформации упругого упора; иногда в таких упорах создается преднатяг.
Упругие боковые упоры позволяют уменьшить общие и особенно горизонтальные динамические поперечные силы взаимодействия колеса и рельса (при набегании гребня колеса на рабочую грань рельса, при движении прижатого к рельсу гребня колеса по горизонтальным неровностям пути). По мере эксплуатации за счет износов поперечные разбеги возрастают. В эксплуатации они не должны превышать номинальное проектное значение более чем в 1,3—1,4 раза.
Кроме разделенных вертикальных и горизонтальных связей буксового узла колесной пары с рамой тележки, в некоторых типах локомотивов применяют совмещенные связи. Примером такой конструкции может служить конструкция, показанная на рис. 13, б. За счет формы и расположения (наклона) резинометаллических элементов в такой конструкции буксовый узел может воспринимать вертикальные и горизонтальные нагрузки и обеспечивать заданную жесткость перемещений буксы в вертикальном и горизонтальном продольном направлениях.