1.5.4. Комбинации нагружения рессор

Очень большое разнообразие характеристик рессорного подвешивания можно получить комбинированием их нагружения. В принципе элементы рессорного подвешивания могут работать параллельно или последовательно. Смешанная комбинация их также возможна.

При параллельном нагружении (рис. 1.54) обязательным условием является выполнение перпендикулярности общей оси рессорного комплекта опорной плоскости, поэтому необходимо, чтобы выполнялось следующее условие:

ƒ = ƒ₁ + ƒ₂ + ƒ₃ ;

При таком загружении:

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ ,

где Р = с ·ƒ.

Откуда:

с=с₁ + с₂ + с₃ ,

то есть, общая жесткость рессорного комплекта является суммой жесткостей составляющих его элементов.

Таким образом, система рессорного подвешивания, включающая параллельные элементы, обладает большей жесткостью, чем составляющие комплект элементы.

При последовательном нагружении (рис. 1.55), если пренебрегать собственным весом упругих и промежуточных элементов, будет выполняться следующее условие:

Рис. 1.54. Параллельное нагру- Рис. 1.55. Последовательное нагру-

жение упругих элементов жение упругих элементов

Обозначения: Р_i – внешняя нагрузка,

с_i - жесткость и λ_I = 1/c_i – гибкость упругого элемента

ƒ_i – прогиб рессорного подвешивания

Р = Р₁ + Р₂ + Р₃,

а:

ƒ = ƒ₁ + ƒ₂ +ƒ₃,

тогда следует, что:

λ = λ₁ + λ₂ + λ₃,

то есть суммарная гибкость рессорного комплекта представляет собой сумму гибкостей элементов, его составляющих.

Таким образом, рессорный комплект, составленный из последовательно работающих элементов, является более мягким, чем самые мягкие его составляющие элементы.

1.5.5.Упругие элементы

Элементы рессорного подвешивания, имеющие только упругие свойства, мы отнесли к упругим. Они имеют пренебрежительно малое внутреннее трение, которым при проектировании и эксплуатации пренебрегают. В рессорном подвешивании вагонов упругими элементами являются пружины и торсионы.

1.5.4.1. Пружины

Пружина – это обычно закрученный спиралью металлический стержень любого сечения, выполненный из упругой стали, способный прогибаться и расправляться. Пружины принадлежат к широкому подклассу конструктивных элементов машин и механизмов. Все их многообразие мы представили в таблице 1.10 классификационного конструирования.

Таблица 1.10. Классификация пружин

№ пп	Показатель классификации	В а р и а н т ы и с п о л н е н и я
1 2 3 4 5 6	По виду Характер работы Вид нагружения Форма пружины Конструктивное исполнение Область применения	Витые (1) Многожильные Плоские Фигурные Прорезные (5) Тарельчатые (6) Кольцевые (7) витые (2) спираль- гнутые (4) ные (3) Статический (8) Кратковременно динамический (9) Динамический (10) Растяжение (11) Сжатие (12) Кручение (13) Комбинированное нагружение (14) Цилиндрическая (15) Коническая (16) Призматическая (17) Параболоидная (18) Фигурная (19) Однорядные (20) Многорядные, концентрические, составные (21) Рессорное подвешивание вагонов (22) Другие системы вагонов (23) В других отраслях (24)
Структурно-логический граф испол-нения в обозначениях табл.1.10		Витая пружина ← {10; 12; 15; 21; 22}.

Рис. 1. 56. Схематические изображения классификационных признаков табл.1.10.

По виду пружины делятся на витые 1, многожильные витые 2, плоские спиральные 3, фигурные гнутые 4, прорезные 5, тарельчатые 6, кольцевые 7 и др. В вагоностроении используются витые пружины.

В зависимости от характера работы пружины предназначаются на статическое 8, кратковременно динамическое 9 и динамическое нагружение 10. При статическом нагружении пружины подвергаются постоянной нагрузке или периодическим нагрузкам с их плавными изменениями. Кратковременно динамическая нагрузка – это периодически ударная или циклически пульсирующая нагрузка, рассчитанная на срок службы до 100000 циклов. Динамическое нагружение характеризуется большими циклическими нагрузками в течении неограниченно длительного времени. Ими нагружаются пружины рессорного подвешивания вагонов.

Пружины рассчитываются на один вид деформации (растяжения 11, сжатия 12, кручения 13) или на комбинированное нагружение 14. Пружины рессорного подвешивания вагонов работают на кручение.

По форме пружины бывают цилиндрическими 15, коническими 16, призматическими 17, параболоидными 18, фигурными 19 и др. В вагонах используются цилиндрические пружины.

Для увеличения гибкости и нагружаемости рессорного подвешивания однорядные 20 пружины заменяют на многорядные, концентрические, составные 21. Последние, - двухрядные и трехрядные пружины, применяются в вагоностроении.

Цилиндрические пружины с круглым сечением прутка (рис.1.57) имеют наибольшее применение в рессорном подвешивании вагонов. Для создания надёжной опорной поверхности концы пружин оттягивают, поджимают к соседним виткам и шлифуют так, чтобы на длине 3/4 витка образовалась опорная плоскость, перпендикулярная оси пружины. Высота оттянутого конца пружины (рис. 1.57) должна быть не более 1/4 диаметра прутка d, а ширина – не менее 3/4 d.

Цилиндрические пружины могут также изготовляться и из прутков прямоугольного сечения (рис.1.58,а). Каждая из указанных пружин характеризуется диаметром круглого прутка d   (рис.1.57) или размерами его прямоугольного сечения h и b (рис.1.58, а), средним диаметром D пружины  или наружным диаметром D_нар, высотой пружины в свободном состоянии H_св, высотой при наибольшем сжатии (до полного соприкосновения витков) H_гр, шагом навивки пружины  a_ш  и расстоянием между прутками  s, а также числом рабочих витков n_р.

Рис. 1. 57. Конструкция винтовой пружины с круг-лым сечением витка

Рис. 1. 58. Конструкция винтовой пружины: а - с прямоугольным сечением витка; б – двухрядной; в – конической; г – телеско-пической с витками пря-моугольного сечения

Число рабочих витков n_р пружины равно полному числу n_п витков за вычетом опорных витков:

n_р = n_п – 1,5.

                            

Отношение среднего диаметра к диаметру прутка  D/d  называется индексом пружины  m. При проектировании пружин следует учитывать, что пружина, не имеющая направляющих (например, в виде оправы), при жёстком закреплении опорных витков (обычное опирание на жёсткое основание) должна иметь H_св< 3,5 D. При шарнирном закреплении (специальные шарнирные опоры) во избежание выпучивания принимают H_св < 1,75 D.

Высота пружины под статической нагрузкой H_ст  составляет

H_ст = H_св - ƒ_ст,                                   

 

где ƒ_ст – прогиб под статической нагрузкой (статический прогиб).

Статический прогиб ƒ_ст  является одной из важнейших характеристик рессорного подвешивания вагонов. Величину ƒ_ст  при конструировании пружин и рессор выбирают исходя из условий, обеспечивающих необходимую плавность хода и устойчивость вагона, с учётом допустимой разности высот автосцепок от головок рельсов.

 

Свойства и силовые характеристики упругих элементов

Упругие свойства рессорного подвешивания оценивают с помощью силовых характеристик и коэффициентов жёсткости (жёсткости) или коэффициентов гибкости (гибкости).

Жёсткость  с  упругого элемента численно равна силе, вызывающей прогиб этого элемента, равный единице длины: 

с = Р / ƒ

где Р  – внешняя сила, действующая на упругий элемент;  ƒ – прогиб рессоры  от силы Р.

Гибкость упругого элемента – величина, обратная жёсткости, численно равна прогибу под действием силы, равной единице:

λ = ƒ/ Р = 1/ с

 

Для упругих элементов с линейной характеристикой (рис.1.59, а) жёсткость постоянна (с = соnst). 

На рис.1.59 показаны простейшие графики силовых характе-ристик: линейной (рис.1.59, а), которую имеют цилиндрические пружины, нелинейной (рис. 1.59, в), типичной для конических пружин, и билинейной (рис. 1.59, б), которую могут иметь некоторые конструкции двухрядных пружин. 

 Двухрядные пружины

Цилиндрические пружины в зависимости от нагрузки, воспринимаемой ими, делают однорядными или многорядными. Многорядные пружины состоят из двух, трёх и более пружин, вставленных одна в другую. В двухрядных (см. рис.1.58, б) наружная пружина изготовляется из прутка большего диаметра, но с меньшим числом витков, внутренняя – из прутка меньшего диаметра и с

Рис. 1. 59. Силовые характеристики пружин:

а – линейная; б – билинейная; в – нелинейная

большим числом витков. Для того чтобы при сжатии витки внутренней пружины не зажимались между витками наружной, обе пружины завивают в разные стороны. В многорядных пружинах размеры прутков уменьшают от наружной пружины к внутренней, а число витков соответственно увеличивают.

Для составных пружин должны выполняться следующие условия:

- углы навивки пружин должны быть разными по знаку или чередоваться для обеспечения ┴ оси пружины опорной поверхности;

- ƒ = ƒ₁ = ƒ₂ и т.д. прогибы под нагрузкой должны быть у пружин одинаковыми;

- τ = τ₁ = τ₂ и т.д. суммарные напряжения в витках пружины должны быть одикаковыми;

-   m =  m ₁ =  m ₂ и т.д. индексы пружин должны быть одинаковыми.

Многорядные пружины позволяют при тех же габаритах, что и у однорядной пружины, иметь большую жёсткость. Широкое применение двухрядные и трёхрядные пружины получили в тележках грузовых и пассажирских вагонов, а также поглощающих аппаратах автосцепных устройств. Силовая характеристика многорядных пружин линейная (рис. 1.59, а).

В некоторых конструкциях двухрядных пружин (например, в тележках 18-578, 18-194) наружные пружины рессорного комплекта выше внутренних, благодаря чему жёсткость подвешивания у порожнего вагона в 3 раза меньше, чем у гружёного. Силовая характеристика такой пружины является кусочно-линейной или билинейной (рис.1.59, б).

Конические пружины

Конические пружины (см. рис. 1.58, в) применяют в тех случаях, когда необходимо получить нелинейную силовую характеристику (рис.1.59,в), возрастающую по мере сжатия. Увеличение жёсткости пружины при сжатии объясняется неодинаковой податливостью витков и зависит от их диаметров. В начале деформируются витки наибольшего диаметра. Первый опорный виток ложится на опорную плоскость, затем на него ложится следующий виток и т. д. Сомкнувшиеся витки выключаются из работы. Жёсткость пружины непрерывно возрастает, так как последовательно сжимаются витки все уменьшающегося диаметра.

Эти пружины обычно выполняют с постоянным шагом  a_ш  (см. рис.1.58, в), или с постоянным углом подъёма витков  α. У пружин с постоянным шагом a_ш  силовая характеристика крутая, у пружин с постоянным углом подъёма – более пологая.

Ввиду сложности изготовления конические пружины пока не получили распространения в рессорном подвешивании вагонов. 

Телескопические пружины

Телескопические пружины (см. рис. 1.58, г), предназначены для восприятия больших нагрузок при ограниченных габаритах, навиваются из полосовой стали прямоугольного сечения с большим отношением сторон так, что каждый виток входит внутрь соседнего витка, образуя в плане спираль. Такие пружины применялись в неразрезной упряжи винтовых сцепных устройств вагонов.