§2.15. Резиновые элементы рессорного подвешивания.

Применение резины в рессорном подвешивании локомотивов целесообразно из-за значительной энергоемкости и высокого внутреннего трения, которое способствует поглощению колебаний высокой частоты. Способность резиновых элементов гасить колебания зависит от марки резины. Основными недостатками резиновых элементов являются высокая жесткость, а также изменение физико-механических свойств от температуры окружающей среды.

В рессорном подвешивании локомотивов применяют резиновые элементы, работающие на сдвиг, сжатие, а также на сжатие и сдвиг одновременно. Так как резина допускает высокие допустимые относительные деформации сдвига, то можно создавать цилиндрические шарниры (сайлент-блоки), многослойные подвижные опоры и другие подвижные соединения, в которых не возникает поверхностное трение, а следовательно, не происходит изнашивание и нет необходимости в применении смазки.

Резинометаллические несущие детали, называемые амортизаторами, выполняют в виде прямоугольных пластин либо в виде круглых сплошных или кольцевых шайб (в маятниковой подвеске тяговых электродвигателей), в виде полых конусов (в центральных маятниковых опорах кузова тележки тепловоза ТЭП60) и втулок (в буксовых поводках бесчелюстных буксовых узлов тепловозов 2ТЭ10Л, 2ТЭ10В, 2ТЭ10М, 2ТЭ116, ТЭП60, ТЭП70 и др.). В таких амортизаторах резина испытывает деформации сжатия, сдвига, а также сложное нагружение. В качестве материала для указанных деталей применяют морозостойкие резины, физико-механические характеристики которых приведены в табл. 2.17. Твердость резины определяется твердомером Шора по глубине внедрения в резину конического наконечника, нагружаемого пружиной.

Таблица 2.17

Характеристики морозостойких резин
Физико-механические характеристики	Значения показателей резины марки
	7-1847	7-2959	7-2464
Твердость по Шору Модуль упругости, МПа Модуль упругости при сдвиге, МПа Коэффициент Пуассона Сопротивление разрыву, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Температурный интервал работоспособности, °С	42,5 1,7 0,48 0,492 18,0 675 -50 ÷ +80	52,5 2,3 0,67 0,487 18,0 550 -50 ÷ +80	67,5 5,7 1,5 0,482 7,5 325 -50Ч ÷ +80

Опыты показывают, что при деформации резины объем ее практически не изменяется. При малых деформациях коэффициент Пуассона μ = 0,5, модули упругости первого и второго родов связаны зависимостью

(2.156)

Модули упругости определяются твердостью резины. Статический модуль упругости при сдвиге в зависимости от твердости приближенно определяется по зависимости:

(2.157)

где h — твердость по Шору.

При динамической нагрузке модули упругости Е_Д и G_Д выше, чем при статической, и равны:

(2.158)

Изменение частоты в диапазоне 10—200 Гц мало влияет на величину К_Д, но существенно зависит от твердости резины. Так, при твердости h, равной 50, 60 и 70, коэффициент К_Д соответственно равен 1,27; 1,60 и 2,20.

Допускаемое напряжение для резины с пределом прочности при разрыве 10—20 МПа и относительном удлинении 400—500 % рекомендуется при длительной динамической нагрузке на сжатие 1,0—1,5 МПа, на сдвиг 0,3—0,5 МПа.

Деформация резинового амортизатора существенно зависит от способа закрепления торцов и коэффициента формы Ф, представляющего собой отношение поверхности, допускающей выпучивание резины, к площади закрепленного торца. Основным показателем упругих свойств резины, работающей на сжатие, является модуль упругости на сжатие Е, который зависит не только от сорта резины, характеризуемого твердостью по Шору, но и от коэффициента формы Ф (рис. 2.71).

Рисунок 2.71 –.Зависимость расчетного статического модуля упругости от коэффициентов формы и твердости резины.

Зависимость между действительным напряжением и модулем упругости на сжатие выражается формулой

(2.159)

которая может быть представлена также в виде

(2.160)

где Р — действующая нагрузка; F— площадь поперечного сечения элемента; δ — деформация сжатия (прогиб); Н— первоначальная высота элемента.

Отсюда прогиб элемента равен:

(2.161)

Жесткость элемента равна:

(2.162)

Для определения модуля упругости на сжатие Е необходимо определить коэффициент формы Ф.

Рассмотрим значения коэффициента формы Ф для различных вариантов цилиндрического резинометаллического элемента (рис. 2.72).

Рисунок 2.72 – Цилиндрические резинометаллические элементы, работающие на сжатие.

(2.163)

(2.163)

(2.163)

При прямоугольном основании со сторонами В и С коэффициент формы определяется аналогично:

Определив коэффициент формы Ф и зная твердость по Шору для выбранного материала резины, по графику (см. рис. 2.71) находим значение модуля упругости на сжатие Е и проводим расчет резинового элемента по формулам (2.159—2.162).

В табл. 2.18 приведены характеристики резинометаллических элементов (рис. 2.72, б), используемых в рессорном подвешивании некоторых тепловозов.

Таблица 2.18

Рактеристики кольцевых резинометаллических элементов

Серия Локомо тива	Марка резины	Твер дость по Шо- РУ	Наруж ный диа метр, мм	Внут ренний диа метр, мм	Высота слоя резины, мм	Чис ло слоев рези ны	Жест кость аморти затора, кН/м	Прогиб под нагрузкой, мм
ТЭЗ, ТЭ10	7842	60	220	60	30	1	24,3	1,86
2ТЭ10Л	7842	60	230	60	30	1	27,9	1,54
ТЭМ7	7-В-14-1	80	230	80	30	1	30	1,5
2ТЭ10В	2462	67,5	230	60	25	1	33,73	0,92
2ТЭ116	7842	60	230	60	30	1	27,91	1,25
ТЭП60 ТЭП70	2959	52,5	185	55	42	3	15,85	2,9

В случае применения промежуточных пластин, с целью повышения жесткости резинометаллического элемента (рис. 2.72, в), формула для определения прогиба примет вид:

(2.164)

где п — количество промежуточных пластин.

Рассмотрим расчет цилиндрических резинометаллических шарниров (рис. 2.73), применяемых в буксовых поводках. При вертикальном перемещении буксы относительно рамы тележки в этих шарнирах возникает напряжение скручивания, в результате чего на буксу действует дополнительная нагрузка, увеличивающая жесткость рессорного подвешивания.

Рисунок 2.73 – Буксовый поводок: 1,5 — оси поводка; 2, 6 — амортизаторы; 3, 7 — резинометаллические сайлент-блоки; 4 — поводок.

Резинометаллические шарниры состоят из валиков и стальных втулок, между которыми при помощи специальных приспособлений запрессованы резиновые втулки с предварительной деформацией по толщине около 25 %, что значительно увеличивает их долговечность. На торцах между валиком и корпусом поводка размещены торцевые металлические шайбы. Угловая жесткость каждого валика при закручивании шарнира складывается из угловых жесткостей цилиндрической втулки и двух торцевых шайб. Эту жесткость можно определить по формуле

(2.165)

где D₁ и D₂ — соответственно внутренний и наружный диаметры резиновой втулки; l_i — длина втулки l₁ или l₂); D₃ и D₄ — соответственно внутренний и наружный диаметры торцевой шайбы; Н — толщина шайбы.

При перемещении буксы вертикальная жесткость равна:

(2.166)

где Жφ₁ и Жφ₂ — угловые жесткости каждого из шарниров буксового поводка.