1.5.4.2. Торсионы

Торсионные рессоры (рис. 1.60) представляют собой прямой стержень (торсион) 1, один конец которого укреплён на втулке 2, установленной, например, на раме тележки, а другой жёстко связан с рычагом 4, который соединяется с подвижной частью, например, с надрессорной балкой. Второй опорой стержня 2 является подшипник 3, также укреплённый на неподвижной части. Стержень к втулке и рычагу крепится с помощью шлицевых соединений. Так как один конец вала жёстко закреплён на раме, то внешняя нагрузка, передаваемая на рычаг, подвергает торсион скручиванию. Торсионы изготовляются из специальной стали и подвергаются тщательной термической обработке.

Следует отметить, что в отличие от витых пружин торсион испытывает деформацию чистого кручения, поэтому материал торсиона используется лучше, чем у пружины. По сравнению с винтовой пружиной масса эквивалентного торсиона меньше. Однако стоимость его изготовления и устройств их крепления выше, чем у пружины.

Применение торсионов особенно выгодно в случаях соединения полых соосных деталей, когда торсионам можно придать значительную длину. Угол закручивания торсиона в этом случае может достигать величин до нескольких десятков градусов.

Благодаря конструктивной простоте и малым радиальным размерам торсионы широко применяются в современном машиностроении в качестве средства упругой связи между вращающимися деталями. Вместе с тем, торсионы являются хорошим средством компенсации несоосности и перекосов соединяемых деталей. Торсионы применяются также как заменители пружин сжатия и листовых рессор для работы на поперечные нагрузки.

Рис. 1. 60. Торсионная рессора: 1 – торсион; 2 – втулка; 3 – подшипник; 4 – рычаг;

L – длина торсиона; а – плечо рычага;  f – линейное перемещение  конца рычага; Р – нагрузка на торсион; φ – угол поворота рычага; d – диаметр стержня торсиона

 

Торсионные рессоры применяются в некоторых тележках зарубежных вагонов.

1.5.6. Гасители колебаний

Качество рессорного подвешивания вагонов определяется гибкостью упругих элементов. Чем гибче рессоры, тем лучше они смягчают неровности пути. Однако с увеличением гибкости рессор возрастают свободные колебания кузова, поэтому кузов вагона будет долго раскачиваться на рессорном подвешивании. Для гашения этих колебаний в рессорном подвешивании тележек грузовых и пассажирских вагонов наряду с пружинами применяют особые устройства, называемые гасителями колебаний. Работая одновременно с упругими элементами, гасители колебаний создают диссипативные (лат. dissipation рассеивание) силы, необходимые для гашения или ограничения амплитуд колебаний вагона или его частей при резонансе.

Классификация гасителей колебаний

Классификация гасителей колебаний представлена в таблице 1.11 и рис.1.61.

По виду диссипативных сил гасители колебаний могут использовать силы сухого 1 и вязкого 2 трения (табл. 1.11 и рис.1.61). Если здесь сухое трение можно рассматривать подобно тому, как мы анализировали его в п. 1.4.3, как трение трущихся пар без смазки, определяемое их материалом и усилием соприкосновения, то вязкое трение здесь необходимо рассматривать в гидродинамическом смысле [12]. Есть трение, обусловленное вязкостью внутри жидкости и при контакте с другими телами, и есть трение от преодоления жидкостью препятствий.

Таблица 1. 11. Классификация гасителей колебаний

	Показатель классификации	В а р и а н т ы и с п о л н е н и я
1 2 3 4	Вид диссипативных сил Силы сопротивления Конструкция Область применения	Силы сухого трения (1) Силы вязкого трения (2) Постоянные (3) Переменные (4) Совмещенные с упругими Автономные теле- Автономные рычаж- Автономные клиновые (8) элементами (5) скопические (6) ные (7) Рессорное подвешивание вагонов (9 ) Другие системы вагонов (10) В других отраслях (11)
Исполнение		Совмещенные с упругими Автономные теле- Автономные рычаж- Автономные клиновые (8) элементами (5) скопические (6) ные (7)

Рис. 1.61. Схематические изображения классификационных признаков табл.1.11.

Обозначения: Р – внешнее нагружение; F_тр – силы трения; М_тр – момент трения

Износ в парах трения определяет постоянство 3 и величину сил трения. Если он есть, как при сухом трении, то и их величины будут уменьшаться, т.е. быть не постоянными 4. Это непостоянство будет зависеть от степени приработки поверхностей и от изменения свойств материалов в месте их контакта. Гасители вязкого трения не могут обеспечить постоянство сил трения только из-за несовершенства конструкции уплотняющих элементов гасителя.

Конструктивно гасители колебаний могут работать автономно 6, 7, 8, могут быть совмещенными с упругими элементами 5. Решений в этом направлении множество. Примеры некоторых,- приведены ниже.

Гасители колебаний сухого трения

Величина, равная отношению полезной работы, затраченной на трение ко всей, выражающая собой КПД гасителя колебаний, называется коэффициентом относительного трения φ_т. В зависимости от него гасители сухого трения могут с постоянной по величине силе трения (рис. 1.62, 1.63, 1.64):

F_c = ƒ₁ sign ż ,

c переменной силой трения, пропорциональной перемещению (рис.1.65)

F_φ = φ_т c z sign ż

c переменной силой трения, пропорциональной перемещению, но с разной величиной для движений вниз или вверх (рис.1.66)

F_н = φ_тн c z ,

F_в = φ_тв c z ,

где: F_c – сила сухого трения, одинаковая для движения вверх и вниз;

ƒ₁ - удельная сила трения трущихся пар;

ż – скорость перемещения опор упруго элемента и гасителя колебаний;

F_φ - переменная сила трения, пропорциональная перемещению;

c - жесткость упругого элемента, установленного в рессорном комплекте

параллельно с гасителем колебаний;

z - перемещение клиньев гасителя колебаний;

F_н, F_в, φ_тн, φ_тв – соответственно переменные силы трения и коэффициенты

относительного трения, для движений вниз и вверх.

Рис. 1.62. Схема гасителя колеба- Рис.1.63. Схема гасите- Рис. 1.64. Схема гаси-

ний сухого трения с постоянной ля колебаний сухого тре- теля колебаний с пос-

силой трения ния с постоянной силой тоянной силой трения

Рис. 1.64. Схема гасителя колеба- Рис. 1.65. Схема гасителя

ний сухого трения с переменной колебаний с переменной си-

силой трения лой трения

Гасители колебаний сухого трения выполняют свое назначение до тех пор, пока они существуют физически. Однако они имеют небольшой коэффициент относительного трения (< 10%,), который в процессе эксплуатации уменьшается. Эти гасители обладают большими силами покоя. Они заглушают упругое подвешивания в тех случаях, когда величина возмущающей силы  меньше силы трения самого гасителя.

Гасители колебаний сухого трения широко используются в рессорном подвешивании вагонов.

Гасители колебаний вязкого трения

Гасители колебаний вязкого трения называют еще гидравлическими гасителями. Это, обычно, приборы поршневого действия, телескопические. Они удобны в эксплуатации, имеют незначительную массу, обеспечивают гашение энергии колебаний до 20% и обладают рациональной характеристикой.

Принцип действия этих гасителей заключается в последовательном перемещении поршнем вязкой жидкости через узкие каналы, закрытые клапанами одностороннего действия (рис.1.66). Клапаны открываются при определенном движении поршня.

Рис. 1. 66. Схеме работы гидравлического гасителя колебаний

Вязкое трение возникает при прохождении жидкости по длине дроссельных (нем. drosseln сокращать, глушить – клапан для снижения давления проходящей через него жидкости за счет резкого уменьшения проходного сечения и увеличения скорости потока) каналов и при входе/выходе из них. В результате механическая энергия колебательного движения вагона превращается в тепловую и рассеивается в окружающую среду.

В зависимости от конструкции гасители колебаний вязкого трения могут быть с силой сопротивления, пропорциональной скорости перемещения:

F_β = β₁ ż ,

или с силой вязкого трения, пропорциональной квадрату скорости перемещения:

F_β = β₂ ż² sign ż ,

где: β_1,2 - параметр сопротивления;

ż – скорость перемещения.

Рабочей жидкостью для гидравлических гасителей колебаний вагонных тележек служат специальные жидкости.

Силовая характеристика гидравлического гасителя представлена на рис.1.67.

Рис.1.67. Силовая характеристика гидравлического гасителя колебаний

Площадь фигуры, представленной на рис. 1.67, является работой гасителя за один цикл нагружения. По оси ординат откладывают силу нагружения гасителя, по оси абсцисс - ход.

Гидравлические гасители колебаний устанавливаются обычно на тележках пассажирских вагонов вертикально, наклонно или горизонтально.