PL172994B1 - Samosterowny wózek pojazdu szynowego - Google Patents

Abstract

1. Samosterowny wózek pojazdu szynowego zlozony z ramy, polaczonej za pomoca czopa skreto- wego z dolna rama pojazdu, oraz z dwóch zestawów osiowych, z których kazdy jest wyposazony w dwa niezaleznie obracajace sie kola ulozyskowane na pól- osiach, które sa osadzone w zwrotnicach przymoco- wanych do poprzecznicy ramy wózka, przy czym kola te sa nachylone pod katem ostrym do poziomu i poru- szaja sie po szynach, których osie symetrii poprze- cznej równiez nachylone sa pod tym samym katem do poziomu, znamienny tym, ze przedni zestaw osiowy (4) jest polaczony z tylnym zestawem osiowym (7) za pomoca przegubu (9), o osi obrotu lezacej w pionowej, podluznej plaszczyznie symetrii wózka, przy czym ta os obrotu jest nachylona pod katem ostrym a (29) do poziomu. F I G . 1 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest samosterowny wózek pojazdu szynowego złożony z raimy, połączonej za pomocą czopa skrętowego z dolną ramą pojazdu, oraz z dwóch zestawów osiowych, z których każdy jest wyposażony w dwa niezależnie obracające się koła ułożyskowane na półosiach, które są osadzone w zwrotnicach przymocowanych do popr/ecznicy raimy wózka, przy czym koła te są nachylone pod kątem ostrym do poziomu i poruszają się po szynach, których osie symetrii poprzecznej również nachylone są pod tym samym kątem do poziomu.

Znana zasada prowadzenia pojazdu szynowego na torze kolejowym, wprowadzona około 1830 roku przez Stephensona, polega na zastosowaniu umieszczonych pod wagonem dwóch zestawów kołowych, z których każdy składa się z osi oraz z przymocowanych do obydwu jej końców kół. Koła są zaopatrzone w stożkowe powierzchnie toczne, zbieżne w kierunku do środka osi. Zbieżność ta wynosi zwykle około 1 ::20, przy czym to samo nachylenie mają główki szyn, zapewniając właściwy rozkład siły działającej na powierzchni styku koła z główką szyny.

Ponieważ koła zestawu są przymocowane do osi (a nie obracają się niezależnie od siebie jak to ma miejsce w samochodach), każde odchylenie położenia osi zestawu kołowego w stosunku do prostopadłej do osi toru powoduje, że koło zewnętrzne toczy się na części powierzchni stożkowej o większej średnicy, zaś koło wewnętrzne - na części powierzchni zewnętrznej o mniejszej średnicy, wskutek czego oś zestawu kołowego samoczynnie powraca do położenia zgodnego z prostopadłą do osi toru.

Na łuku toru każdy zestaw kołowy przyjmuje położenie przesunięte na zewnątrz względem osi toru, przy czym wielkość tego przesunięcia jest proporcjonalna do krzywizny toru. W celu zapobiegania wykolejeniu, zestawy kołowe powinny być tak sterowane, aby mogły przyjąć położenie pokrywające się z promieniem łuku toru. Kąt sterowania dla danego promienia łuku toru jest proporcjonalny do rozstawu osi zestawu kołowego wagonu. Dla długich pojazdów, o dużym rozstawie osi zestawów kołowych, wartość kąta sterowania staje się zbyt duża, czemu zapobiega się przez stosowanie umieszczonych na obu końcach pojazdu wózków, z których każdyjest wyposażony w dwa zestawy kołowe, znajdujące się w niewielkiej od siebie odległości.

Zbieżność stożkowych powierzchni tocznych kół powinna być taka, aby wózek mógł toczyć się po łuku toru bez znaczącego przemieszczania się na boki, jednakże nie tak duża, aby powodować drgania wózka, których intensywność wzrasta ze wzrostem prędkości pojazdu. Tego rodzaju drgania występują nieodłącznie w przypadku każdego zestawu kołowego ze stożkowymi powierzchniami tocznymi.

Prowadzone w ostatnich dziesiątkach lat, próby znacznego zwiększenia prędkości pociągów doprowadziły do stosowania specjalnych krzywoliniowych profili powierzchni tocznych kół o bardzo wąskich tolerancjach wykonawczych. Okazało się jednak, że powierzchnie te ulegają, przy dużych prędkościach pojazdów, szybkiemu zużyciu, a tym samym odkształceniom profilu, co powoduje drgania wózka. W celu wyeliminowania tych szkodliwych efektów, wprowadzono okresową regenerację profili kół, a w niektórych przypadkach również główek szyn, przez zastosowanie odpowiedniej techniki szlifowania. Niewielka zbieżność stożkowych powierzchni tocznych kół zmniejsza drgania wózków, ale równocześnie uniemożliwia pociągom, wyposażonym w wagony z takimi wózkami, pokonywanie łuków o stosunkowo niewielkim promieniu (na przykład rzędu 100 m). Tymczasem budowane obecnie linie kolejowe, zwłaszcza na przedmieściach miast, wymagają często układania torów o ostrych łukach i stosunkowo stromych wzniesieniach.

Reasumując powyższe można stwierdzić, że eksploatacja znanych, typowych wózków ze stożkową powierzchnią toczną związana jest z następującymi wadami:

- mała stabilność dynamiczna, powodująca drgania wózka, które są tym większe im większa jest prędkość pojazdu, a tym samym obniżenie komfortu podróżowania,

- szybkie zużywanie się współpracujących powierzchni szyn i kół, zwłaszcza na ostrych łukach, powodujące w efekcie hałas i ryzyko wykolejenia,

- zmniejszona przyczepność kół do szyn, spowodowana występowaniem poślizgu na powierzchni styku koła z szyną, będącego wynikiem stosowania stożkowych powierzchni tocznych kół,

- wzrost oporu toczenia pociągu, którego wartość w przypadku stożkowych powierzchni tocznych kół jest znacznie większa od oporu występującego w przypadku kół o cylindrycznej powierzchni tocznej,

- brak możliwości pokonywania ostrych łuków toru, powodujący wzrost koszt budowy nowych torowisk w aglomeracjach miejskich (koszt wykupu gruntów lub konieczność budowy tuneli).

Z opisu patentowego Wielkiej Brytanii nr GB 1 496 190 znany jest wózek pojazdu szynowego, przeznaczony do eksploatacji na zwykłych torach o płaskich powierzchniach szyn, wyposażony w cztery, niezależnie od siebie obracające się, koła osadzone na półosiach nachylonych pod kątem od 5° do 45° do pionu. Powierzchnie toczne kół stanowią przy tym powierzchnie stożkowe skierowane na zewnątrz koła, co zapewnia z jednej strony mniejsze zużycie się obrzeży kół, z drugiej zaś zmniejszenie siły tarcia oraz lepsze rozłożenie nacisku na łożyska półosi. Okazało się jednak, że taka geometria kół powoduje wzrost zużycia powierzchni tocznej w miejscu jej styku z szyną, jak również nie pozwala na takie sterowanie kołami, aby mimo odchyleń toru, jak również na łuku toru nieprzerwanie stykały się z powierzchnią szyny.

Celem wynalazku jest opracowanie takiej konstrukcji wózka pojazdu szynowego, która umożliwi wyeliminowanie lub zmniejszenie wad znanych dotychczas wózków, zwłaszcza zaś ich niedostatecznej stabilności dynamicznej i szybkiego zużycia współpracujących powierzchni kół i szyn, zwłaszcza na ostrych łukach toru, jak również występowanie poślizgu kół względem szyn, zwiększającego opory toczenia. Konstrukcjata winnaponadto zapewniać samosterowność wózka według wynalazku taką, aby koła wózka, nawet na łuku toru, układały się zawsze w styku do powierzchni szyn.

Cel ten został zrealizowany w konstrukcji samosterownego wózka według wynalazku, którego przedni zestaw osiowy jest połączony z tylnym zestawem osiowym za pomocą przegubu, o osi obrotu leżącej w pionowej, podłużnej płaszczyźnie symetrii wózka, przy czym ta oś obrotu jest nachylona pod kątem ostrym a do poziomu.

Kąt nachylenia a osi przegubu względem linii pionowej ma wartość spełniającą równanie :

a = arc tg

V 7 gdzie H jest odległością wzdłuż linii pionowej między środkami geometrycznymi kół przedniego zestawu osi w rzucie wózka na płaszczyznę pionową, zaś J odległością między środkami geometrycznymi tych kół wzdłuż linii prostopadłej do osi tylnego zestawu osiowego w rzucie na płaszczyznę poziomą, w czasie gdy wózek znajduje się na łuku toru o promieniu R.

Koła wózka, nachylone względem pionowej, podłużnej osi symetrii wózka i zaopatrzone w wystające obrzeża, mają cylindryczną powierzchnię toczną i współpracują z płaską, górną powierzchnią główki szyn.

Przegub przedniego zestawu osiowego składa się z nachylonego pod kątem a do pionu sworznia, osadzonego za pośrednictwem tulei we wspornikach podłużnicy oraz z osadzonej obrotowo na tym sworzniu końcówce poprzecznicy ramy wózka.

Poprzecznica, w której jest osadzony przedni zestaw osiowy ma kształt łukowy, wygięty końcami do góry, przy czym jej oś jest w środkowej części pozioma, natomiast w miejscu połączenia ze zwrotnicami oś podłużnicy jest nachylona do poziomu pod kątem równym kątowi nachylenia kół do pionu.

Zarówno przedni, jak i tylny zestaw osiowy są połączone z podłużnicą ramy wózka za pomocą przegubów, przy czym każdy z tych zestawów osiowych jest wyposażony w urządzenie blokujące jego skręt względem podłużnicy. Urządzenie to jest złożone z wychwytu z mostkiem, połączonego ze zwrotnicami kół za pomocą stężeń oraz z osadzonych obrotowo na sworzniach, przymocowanych do podłużnicy - zaczepów, wchodzących we wpusty wychwytów. Drugostronnie zaczepy te są połączone za pomocą łącznika i uruchamiane za pomocą siłownika pneumatycznego, połączonego z jednym z zaczepów za pomocą sworznia przegubu.

W zwrotnicach przynajmniej jednego z zestawów osiowych są osadzone, połączone z kołami jezdnymi wózka - koła zębate przekładni napędowych.

172 994

Samosterowny wózek według wynalazku umożliwia jazdę po torze o ostrych łukach i przy większych wzniesieniach w porównaniu do znanych wózków, co jest szczególnie ważne na głównych liniach kolejowych.

Zaletą wynalazku jest również możność korzystnego stosowania kół z walcową powierzchnią toczną oraz szyn z główką o płaskiej, górnej powierzchni. Umożliwia to wyeliminowanie poślizgów na powierzchni styku, a ponadto zwiększa siłę przyczepności kół do szyn, a równocześnie zmniejsza opory toczenia. Ponadto zastosowana geometria zwrotnicowego układu kierowniczego zmniejsza tendencję do podnoszenia się kół, a tym samym zmniejsza niebezpieczeństwo wykolejenia się pojazdu. Zastosowanie wzajemnie wyłączających się zespołów blokujących obrót zestawów osiowych umożliwia wykorzystania wózka według wynalazku do jazdy w obydwu kierunkach.

Przedmiot wynalazku jest przykładowo wyjaśniony na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia wózek według wynalazku, w widoku z góry; fig. 2 - ten sam wózek w widoku z przodu, z częściowym przekrojem wzdłuż linii A-A na fig. 1; fig. 3 - wózek według fig. 1, w widoku z boku; fig. 4 - wózek według fig. 1 w przekroju wzdłuż linii B-B; fig. 5 - zestaw osiowy wózka według wynalazku, na torze szynowym, w widoku z przodu; fig. 5a - szczegół styku koła z szyną według fig. 5, w powiększonym przekroju wzdłuż linii X-X na fig. 5b; fig. 5b - szczegół styku koła z szyną według fig. 5, w przekroju poprzecznym szyny; fig. 6 - wózek według wynalazku, na łuku toru, w widoku z góry; fig. 7 - przedni i tylny zestaw osiowy według fig. 6, w widoku z przodu; fig. 8 - schemat przedniego zestawu osiowego z osią pozorną, w widoku z góry; fig. 9 - schemat wózka w widoku z góry; fig. 10 - schemat wózka w widoku z boku; fig. 11 - schemat przedniej części wózka w widoku z góry; fig. 12 - schemat wózka podczas jazdy wzdłuż prostego odcinka toru, w widoku z boku; fig. 13 - schemat przedniego zestawu osiowego wózka w widoku z przodu, a fig. 14 - schemat przedniego zestawu osiowego wózka, poruszającego się wzdłuż łuku toru, w widoku z przodu.

Figury 1 do 4 przedstawiają wózek według wynalazku, przeznaczony dla głównych linii kolejowych i poruszający się w kierunku oznaczonym strzałką 1. Koła 2 i 3 tworzą przedni zestaw osiowy 4, a koła 5 i 6 - tylny zestaw osiowy 7.

Zestawy osiowe 4 i 7 są połączone za pomocą przegubów 9 i 8 z podłużnicą 10 wózka, osadzoną na czopie skrętowym 11 wspornika 12 pojazdu 13. Czop skrętowy 11 jest wyposażony w kauczukowe tuleje oporowe (fig. 4), przenoszące boczne i wzdłużne siły wzajemnego oddziaływania wózka i pojazdu 13, a równocześnie umożliwiające niewielkie ich względne ruchy pionowe.

Podczas ruchu wózka w kierunku 1, przegub 8 tylnego zestawu osiowego 7 jest zablokowany, wskutek czego zestaw ten jest sztywno połączony z podłużnicą 10.

Przedni zestaw osiowy 4 (fig. 2) składa się z kół 2 i 3, obracających się na półosiach osadzonych w zwrotnicach 14 i 15, umocowanych do obu końców poprzecznicy 47. Do końców zwrotnic 14 i 15 są przymocowane sprężyny resorowe 16, 17,18 i 19 oraz amortyzatory (tłumiki drgań) 220 i 221. Sprężyny resorowe 16,17,18 i 19 oraz amortyzatory 220 i 221 są drugostronnie przymocowane do dolnej ramy pojazdu 13, umożliwiając elastyczne przechylanie się wózka na łukach toru. Osie 48 i 49 półosi osadzonych w zwrotnicach 14 i 15 są nachylone względem płaszczyzny poziomej w kierunku do środka wózka. Koła 2, 3, 4 i 5 są ponadto wyposażone w tarcze hamulcowe 22 (fig. 2), współpracujące z zespołami hamulcowymi 23 i 24 (fig. 1).

Zespół przegubowy 25 (fig. 4) przedniego zestawu osiowego 4 składa się z przegubu 9, którego sworzeń 28 jest osadzony we wspornikach 26 podłużnicy 10 za pośrednictwem tulei 27. Na sworzniu 28, nachylonym względem linii pionowej do dołu, na zewnątrz pod kątem 29, jest osadzona obrotowo poprzecznica 47. Tuleje 27 są wykonane ze sprężystego materiału, umożliwiając niewielki ruch osiowy sworznia 28, lecz usztywniając go w kierunku promieniowym.

Podłużnicą 10 przedniego zestawu osiowego 4 jest ponadto wyposażona w stężenia 30, łączące ją ze zwrotnicami 14 i 15 i osadzone w przymocowanym do niej wychwycie 31, współpracującym z mostkiem 32, ograniczającym kąt obrotu zestawu osiowego 4 względem podłużnicy 10.

Zaczepy 33 i 35, stanowiące dźwignie dwuramienne, osadzone obrotowo na sworzniach 44 i 43 przymocowanych do podłużnicy 10, są zakończone wypustami, współpracującymi z wpustami 34 wychwytu 31, 36 w celu zablokowania obrotu odpowiedniego zestawu osiowego 4 lub 7 wokół przegubu 8 lub 9. W celu uniemożliwienia zablokowania obydwu zestawów osiowych: przedniego 4 i tylnego 7, zewnętrzne ramiona zaczepów 33 i 35 są ze sobą wzajemnie połączone za pomocą łącznika 45. W położeniu przedstawionym na fig. 1 zaczep 33 znajduje się w położeniu wyczepionym z wpustu 34 wychwytu 31, umożliwiając obrót zestawu osiowego 4 dookoła przegubu 9 o niewielki kąt (zwykle około 2°). Do zewnętrznego ramienia zaczepu 33 jest ponadto przegubowo przymocowany, za pomocą sworznia 190, siłownik pneumatyczny 46, drugostronnie przegubowo połączony z podłużnicą 10 i służący do włączania zaczepu 35 i równoczesnego wyłączania zaczepu 33 albo na odwrót, zależnie od kierunku ruchu wózka. Do uruchamiania zaczepów mogą być oczywiście użyte również inne mechanizmy o podobnym działaniu.

Konstrukcja tylnego zestawu osiowego 7 jest taka sama jak opisana powyżej konstrukcja przedniego zestawu osiowego 4. Jedyna różnica polega na tym, że w czasie ruchu wózka w kierunku strzałki 1, zaczep 35 zestawu osiowego 7 zazębia się z wychwytem 36, uniemożliwiając obrót tylnego zespołu osiowego 7 wokół przegubu 8, natomiast zaczep 33 jest wyczepiony z wychwytu 31, umożliwiając obrót przedniego zestawu osiowego 4 wokół przegubu 9. W przypadku gdy ruch wózka odbywa się w kierunku przeciwnym do kierunku strzałki 1 - zaczep 33 zazębia się z wychwytem 31, natomiast zaczep 35 zostaje wyczepiony z wychwytu 36.

Tylny zestaw osiowy 7 jest ponadto wyposażony w niezależnie działające stożkowe przekładnie zębate 37 i 38, przy czym pionowe koła zębate tych przekładni są połączone odpowiednio z kołami 5 i 6 i napędzane przez, nie pokazane na rysunku, silniki elektryczne, przymocowane pod ramą pojazdu 13 za pośrednictwem wałów napędowych 41 i 42 i elastycznych sprzęgieł przegubowych 39 i 40.

Figura 5 przedstawia przedni zestaw osiowy 4, toczący się po szynach 50 i 51 przymocowanych do podkładów 52 za pośrednictwem kątowych podpórek 53 i 54, nachylonych do poziomu pod takim samym kątem 55, pod jakim są nachylone do niego osie 48 i 49 zwrotnic 14 i 15.

Osie symetrii poprzecznej 58 i 59 szyn 50 i 51, przechodzące przez środek powierzchni tocznej kół 3 i 2, są nachylone względem linii pionowej pod tym samym kątem (równym kątowi 55) i przecinają się w punkcie 60 leżącym na symetralnej układu szyn 50 i 51, tworzących tor łuku wózka. Osią pozorną 61 zestawu osiowego 4 nazywamy linię łączącą punkty przecięcia obydwu osi 48 i 49 zwrotnic 14 i 15 z osiami symetrii poprzecznej 58 i 59 szyn 50 i 51. W taki sam sposób może być określona oś pozorna 70 tylnego zestawu osiowego 7 (fig. 7).

W przypadku gdy pojazd, mający wraz z wózkami środek ciężkości w punkcie 61 (fig. 5), zostanie poddany działaniu (przechodzącej przez ten środek ciężkości) poziomej siły 57, na przykład siły odśrodkowej na łuku toru lub poprzecznej siły bezwładności, będącej wynikiem odchylenia toru, to wówczas gdy punkt przecięcia 60 będzie położony blisko środka ciężkości 61 - działanie tej siły nie będzie miało wpływu na ruch pojazdu i wózka, powodując jedynie w niewielkim stopniu wzrost lub spadek sił 62 i 63, działających prostopadłe do powierzchni styku kół z szynami. Natomiast w przypadku zwykłych wózków ze stożkową powierzchnią toczną kół, oddziaływanie sił bocznych powoduje powstanie poprzecznych składowych sił tarcia na powierzchni styku obrzeży kół i bocznych powierzchni szyn.

Wykorzystanie zalet opisanej geometrii kół o osiach nachylonych nie wymaga jednak, aby punkt przecięcia 60 osi symetrii poprzecznej 58 i 59 szyn 50 i 51 był położony tak nisko jak środek ciężkości 61, lecz dopuszcza nieco wyższe położenie tego punktu 60 (fig. 5).

Inna zaleta rozwiązania wózka pojazdu szynowego według wynalazku polega na możliwości stosowania kół z walcową powierzchnią toczną oraz szyn z główkami o płaskiej, górnej powierzchni, zwiększając dzięki temu obszary styku kół i szyn, przy czym obszary te mają korzystnie kształt prostokąta. Taka geometria kół eliminuje zjawisko poślizgu, występujące nieuchronnie w przypadku toczenia się koła o stożkowej powierzchni tocznej po płaskiej szynie. Eliminacja zjawiska poślizgu oraz związane z kątowym usytuowaniem szyn w stosunku do poziomu zwiększenie wartości siły prostopadłej do powierzchni styku kół i szyn - zwiększają siłę przyczepności kół do szyn, a równocześnie zmniejszają opór toczenia się pojazdu.

172 994

Jak to uwidacznia fig. 5a i 5b, styczna do powierzchni czołowej 182 obrzeża 64 koła 3 ma w obszarze styku z szyną 50 kierunek prawie pionowy (fig. 5b), ponieważ zaś powierzchnia czołowa 182 jest powierzchnią stożkową, pozioma linia X-X, przechodząca przez środek styku tej powierzchni 182, jest usytuowana poniżej osi 48 zwrotnicy 14, eliminując zjawisko ścinania obrzeża 64 koła 3, które nieuchronnie występuje w przypadku stosowanej dotychczas geometrii kół i szyn.

Za hipotetyczną wadę przegubowej osi przedniej, nachylonej pod kątem do poziomu, uznaje się tendencję do jej skręcania w wyniku oddziaływania nierówności szyny o kąt, którego wartość dochodzi nawet do 2°. W rzeczywistości jednak zetknięcie się obrzeża koła z szyną powoduje powstanie, działającej na promieniu większym od promienia toczenia się koła - reakcji prowadzącej do natychmiastowego wyrównania położenia osi względem toru. Podobna reakcja występująca w tych samych warunkach w dotychczasowych zestawach kołowych jest mniej skuteczna zarówno z powodu połączenia kół sztywną osią, jak i z uwagi na mniejsze ramię działania reakcji.

Figura 6 przedstawia w widoku z góry wózek według wynalazku na łuku toru, przy czym środek krzywoliniowej osi 66 toru znajduje się w punkcie 67. Wózek toczy się w kierunku strzałki 1, przy czym jego tylny zestaw osiowy 7 jest unieruchomiony za pomocą zaczepu 35 (fig. 1) w położeniu symetrycznym względem osi podłużnicy 10 i dlatego pokazany wraz z tą belką jako jeden człon. Natomiast przedni zestaw osiowy 4 może się swobodnie obracać dokoła przegubu 9 pod działaniem sił oddziałujących na ten zestaw osiowy.

Podczas wchodzenia w łuk przednie koła 2 i 3 toczą się początkowo wzdłuż linii prostej, a więc przedni zestaw osiowy 4 ma tendencję do poruszania się na zewnątrz osi 66 łuku toru. Następnie zostaje osiągnięte położenie wózka przedstawione na fig. 6, przy czym w celu umożliwienia takiego kątowego położenia wózka rozstaw szyn 50 i 51 na łuku jest korzystnie nieco większy niż na prostym odcinku toru.

W widoku wózka z przodu, przedstawionym na fig. 7, są uwidocznione zarówno przednie koła 2 i 3, jak i tylne koła 5 i 6 w odpowiednich przekrojach - symetrycznie względem symetralnej 56 układu szyn 50 i 51. Środki 71 i 72 osi pozornych 69 i 70 obydwu zestawów kołowych: 4 i 7 znajdują się wówczas po lewej i prawej stronie symetralnej 56 układu szyn 50 i 51, a więc na zewnątrz i wewnątrz względem osi 66 łuku toru. Równocześnie po wejściu w łuk toru, przedni zestaw osiowy 4 i tylny zestaw osiowy 7 wózka zostają wzajemnie skręcone tak, że ich osie pozorne 69 i 70 tworzą w płaszczyźnie pionowej (fig. 7) kąt 73. Skręt ten musi zostać wyrównany przez skręt przedniego zestawu osiowego 4 względem tylnego zestawu osiowego 7 w płaszczyźnie poziomej (fig. 6) o kąt 74.

Kąt nachylenia 29 osi przegubu 9 do pionu winien mieć taką wartość (sposób obliczenia znajduje się w dalszej części opisu), aby kąt nachylenia 73 osi pozornych 69 i 70 obydwu zestawów 4 i 7 w płaszczyźnie pionowej powodował skręt osi obydwu tych zestawów 4 i 7 o kąt 74 w płaszczyźnie poziomej, zwany kątem sterowania, przy czym przedłużenia osi pozornych 69 i 70 winny przecinać się w rzucie na płaszczyznę poziomą w środku łuku 67 toru. Istotą opisanego rozwiązania wózka według wynalazku jest wykorzystanie kąta nachylenia 73 osi pozornych 69 i 70 obydwu zestawów osiowych 4 i 7 w płaszczyźnie pionowej do takiego samoczynnego sterowania jednej lub obydwu osi, które zapewnia zbieżność osi kół obydwu zestawów osiowych ze środkiem 67 łuku toru oraz uzyskanie stałego nachylenia wózka względem toru. Podobnie, w przypadku gdy wózek jest chwilowo odchylony, na przykład w wyniku nierówności toru lub wystąpienia sił bocznych zakłócających równowagę, na prostym lub na łukowym odcinku toru, to chwilowe nachylenie powoduje zmianę nachylenia osi pozornej przedniego zestawu osiowego względem osi pozornej tylnego zestawu osiowego, powodując w wyniku oddziaływania obydwu połączonych przegubem części wózka jego natychmiastowy, samoczynny powrót do położenia wyjściowego względem toru. Względne nachylenie osi pozornych obydwu zestawów kołowych wózka według wynalazku jest więc wykorzystane jako miara zmiany kierunku osi toru, powodując, w wyniku oddziaływania na przegub łączący obydwie części: przednią i tylną wózka, samoczynny powrót do położenia równowagi, w którym wszystkie cztery koła znajdują się w stanie zestyku z szynami toru. Wózek według wynalazku jest więc wózkiem całkowicie samosterównym.

172 994

Opisane wyżej rozwiązanie konstrukcyjne wózka według wynalazku nadaje się, zwłaszcza do małych i lekkich zautomatyzowanych pojazdów, przystosowanych do pokonywania ostrych zakrętów i jadących bez hałasu, wywoływanego tarciem stalowych obrzeży kół z szynami. Pojazdy takie poruszają się zwykle w jednym kierunku, zaś ich wózki są wyposażone tylko w jedną parę kół napędowych, stanowiącą zwykle przedni zestaw osiowy. Są one przeważnie napędzane silnikiem elektrycznym, przymocowanym do dolnej ramy pojazdu za pośrednictwem mechanizmu różnicowego. Hamulec jest w tych pojazdach przeważnie częścią silnika, umożliwiając uzyskanie takiego samego momentu hamowania obydwu przeciwległych kół. Przedni zestaw osiowy wózka jest przegubowo połączony za pomocą czopa skrętowego z dolną ramą pojazdu, natomiast rama wózka jest połączona za pomocą nachylonego przegubu z przednim zestawem osiowym. Obydwa zestawy osiowe są wyposażone w małe nachylone koła, z których każde obraca się niezależnie na półosi ułożyskowanej w zwrotnicy.

W sposób oczywisty wózek według wynalazku może być dostosowany do napędu niektórych kół, jak i pozostawać bez takiego napędu, przy czym nachylenie względne pierwszego i drugiego zestawu osiowego, czyli kąt, który tworzą osie pozorne tych zestawów, jest wykorzystany do sterowania kołami za pomocą elementów mechanicznych, lecz w sposób oczywisty w innych rozwiązaniach, opartych na idei wynalazku, mogą być również zastosowane do tego celu innego rodzaju elementy, na przykład elektryczne, elektromechaniczne, elektroniczne, hydrauliczne lub pneumatyczne.

W celu dostosowania rozwiązania według wynalazku do założonej konstrukcji wózka, niezbędne jest (podane w dalszej części opisu) obliczenie podstawowych parametrów-· konstrukcji. Pomocą do wykonania tych obliczeń są schematy przedstawione na fig. 8 do 14.

Figura 9 przedstawia schemat wózka na łuku toru o promieniu R w widoku z góry. Koła wózka są na tym schemacie usytuowane na końcach 77,78, 79 i 80 pozornych osi kół i opierają się na główkach szyn, które podczas pokonywania prostego odcinka toru mają rozstaw T równy 85, natomiast podczas pokonywania łuku toru o promieniu R mają większy rozstaw 86. Przyczyną tego jest skręt osi wózka o kąt y, zwany kątem sterowania. W rzeczywistości przy przejściu z prostego odcinka toru na łuk toru o promieniu R, rozstaw środków główek szyn zmienia się od wartości minimalnej 85 (odpowiadającej prostym odcinkom toru) do wartości maksymalnej 86 na łuku toru.

Linie łączące na schemacie punkty 77 i 80 oraz 78 i 79 są osiami pozornymi, zaś punkty 81 i 82 są środkami tych osi pozornych. Osie pozorne: przednia i tylna, przecinają się pod kątem ostrym w środku 84 łuku toru.

Chwilowy kierunek toczenia się kół po szynach znajduje się dokładnie w płaszczyźnie koła, stąd linie łączące punkty: 77, 80 i 84 oraz punkty: 78, 79 i 84 są liniami prostymi.

Dla celów obliczeniowych przyjmuje się, że tylna oś pozorna 77, 80 jest pozioma, a przednia oś pozorna 78, 79 jest nachylona pod kątem nachylenia 0 do poziomu, choć w rzeczywistości tylna oś pozorna jest nachylona względem przedniej osi pozornej pod kątem nachylenia Θ (pokazanym na rysunku w znacznym powiększeniu).

Figura 8 przedstawia schemat zestawów kołowych wózka w widoku w kierunku strzałki Y na fig. 9. Przednia oś pozorna 78, 79 ma długość A i jest nachylona pod kątem nachylenia Θ w stosunku do tylnej osi pozornej. Górne powierzchnie główek szyn są nachylone do poziomu pod kątem X.

Jak to uwidoczniono na bardziej szczegółowym schemacie przedstawionym na fig. 14 linie osiowe poprowadzone od punktu t do punktu 78 oraz od punktu t do punktu 79 i dalej określają miejsca geometryczne środków kół przy zmieniającej się wartości kąta nachylenia 0. Jednakże nawet przy dużych wartościach kąta γ, zawartego między tymi osiami w płaszczyźnie poziomej (fig. 9), zwanego kątem sterowania, położenie punktu przecięcia 82 obydwu osi pozornych w płaszczyźnie pionowej zasadniczo nie zmienia się, natomiast zmienia się odległość Q tego punktu przecięcia 82 od środka toru.

Na figurach 8 i 14 I oznacza rzut długości osi pozornej na płaszczyznę poziomą, zaś H (fig. 8) - rzut długości osi pozornej na płaszczyznę pionową.

Figura 10 przedstawia schemat wózka według fig. 9 w widoku z boku. Tylna oś pozorna, łącząca punkty 77 i 80 oraz przednia oś pozorna, łącząca punkty 78 i 79 są od siebie oddalone, a środki tych osi obracają się dookoła osi Z przegubu, nachylonej pod kątem a do pionu.

Figura 11 przedstawia schemat wózka w widoku w kierunku X na fig. 17. Odległość E punktów 82 i 83 stanowi na tym rzucie rzeczywistą długość ramienia prowadzącego, natomiast odległość A punktów 78 i 79 jest rzeczywistą długością osi pozornej.

Figura 12 przedstawia schemat wózka, poruszającego się po prostej, w widoku z boku. Wymiary C i D określają na tym rzucie położenie przegubu, a kąt α jego nachylenie. Natomiast wymiar N określa położenie punktu 87 przecięcia poziomu główki szyny z osią przegubu.

Figura 13 przedstawia schemat wózka w widoku w kierunku V na fig. 17. Wymiar H określa na tym rzucie różnicę wysokości położenia punktów skrajnych 78 i 79 przedniej osi pozornej (porównaj z fig. 10).

Figura 14, na którą powoływano się już uprzednio, uwidacznia przemieszczenie· się przedniej osi pozornej 78a, 79a od jej położenia neutralnego 78,79. Środek tej osi przemieszcza się poprzecznie o odległość Q (od punktu 82 do punktu 82a), a równocześnie jej nachylenie w płaszczyźnie pionowej zmienia się o wartość kąta Θ. Dla niewielkich wartości kąta 0 można przyjąć, że skrajne punkty 78 i 79 osi pozornej poruszają się wzdłuż linii prostej równoległej do płaszczyzny główki szyny. Przemieszczenia obydwu punktów skrajnych 78 i 79 osi pozornej w płaszczyźnie poziomej są oznaczone odpowiednio jako QR i QL, natomiast odległość punktu styku 20a koła z główką szyny od punktu skrajnego 79a przemieszczonej osi pozornej 78a, 79a jest równa promieniowi Rw koła.

Sposób obliczania przegubu:

Wielkości dane:

- rozstaw osi B, czyli odległość pomiędzy punktami 81 i 82b (fig. 12),

- kąt dwuścienny λ nachylenia szyn (fig. 8 i 14),

- promień koła Rw (fig. 14),

- odległość T punktów styku koła z szyną (fig. 8 i 9),

- promień R łuku toru do osi, czyli odległość punktów 81 i 84 (fig. 9).

Wielkości obliczane:

- kąt nachylenia przegubu a (fig. 10),

- długość ramienia prowadzącego E (fig. 11).

Usytuowanie przegubu jest określone przez :

- odległość poziomą C punktu 83 osi przegubu od tylnej osi pozornej 77, 80 (fig. 12),

- odległość pionową D punktu 83 osi przegubu od tylnej osi pozornej 77, 80 (fig. 12),

- odległość poziomą N punktu 87 przecięcia rzutu punktu 83 osi przegubu na oś szyby do punktu styku 20b przedniego koła i główki szyny (fig. 12),

- poziome przemieszczenie Q środka przedniej osi pozornej 78,79 (fig. 9 i 14),

- kąt obrotu β przegubu (fig. 11).

Wzory do obliczania:

Definicja uzysku: Stosunek kąta sterowania γ na łuku o promieniu R, po którym porusza się wózek do kąta nachylenia Θ obydwu osi pozornych określa się mianem uzysku (G):

kat sterowania (γ) uzysk (G) = — -—-—;—W kat nachylenia (0)

Obliczenie kąta sterowania (y) γ = 2 arc sin(B/2R) (1)

Obliczenie kąta nachylenia (0) na podstawie definicji uzysku:

Θ = γ/G (2)

172 994

Obliczenie długości (A) osi pozornej (fig. 21) A = T -2Rw sina

Obliczenie przemieszczenia poziomego środka wózka (Q) (fig. 21) z równania: &

sin(a-O) sin(l80-2a) _ _A sin(a - ©) Asin(a - ©) sin(l80-2a) sin2a (3) (4a) z równania:

a _ A sina sin(l80-2a) sina _ Asina sin(l80-2a) sin2a (4b) e _ A sin(a + 0) sin(l80-2a) z równania:

sin(a + 0) sin(l80-2a)

Asin(a + ©) sin2a (4c)

Przemieszczenie lewego koła:

QL = (a-b)cosa

A cos a[sin a - sin(a - ©)] sin2a (4d)

Przemieszczenie prawego koła:

. . Acosa|sin(q + ©)-sinal

QR = (c - a) cos a =-*——---* ^{v 7} sin2a

Przemieszczenie poziome środka osi pozornej:

sin(a + ©) - sin(a - Q)]

2sin2a (4e) , z x Acosa

Q = 1/2 (QL + QR) =-L

Acos²asin© sin2a

UWAGA: Dla małych kątów Θ różnice pomiędzy Q, QL i QR nie przekraczają 0,5%.

(5)

172 994

Obliczenie wartości i: (fig. 9). Z trójkąta 84, 81, 88

R = (R + Q + i/cosy) cos γ (6) i = R-(R + Q)cos γ

Obliczenie kąta nachylenia a przegubu (fig. 10)

H = Asin Θ ((a) l = Acos Θ (7b)

J = I si^ (7c) a = arc tg(H/J) = arc Ις^ςΘ/siny) (7)

UWAGA: W praktyce można stosować przybliżenie: p=arc tg(1/G).

Obliczenie kąta obrotu β przegubu (fig. 11)

M = H/sinp = A sinód/sin p (9) β = arc sin(M/A) = arc sin(sin(4/sina) (10)

Obliczenie długości E ramienia prowadzącego (fig. 11) E = i/sin β

Obliczenie długości odcinków D i C określających położenie przegubu (fig. 12) D = Esinp C = B - (E - cosp) (11)

()2)

()3)

Obliczenie długości odcinka określającego odległość od punktu styku przedniego koła z główką szyny do punktu przecięcia osi przegubu z poziomem główki szyny (fig. 12)

N = BcC(Rwcos λ -D)tg p (14)

N = Ecosp -(Rw cosp - E sinp)tgp (1)5)

Omówiona powyżej konstrukcja wózka stanowi jedynie przykład rozwiązań wynalazku. Można ją więc uznać za objaśniającą, lecz nie ograniczającą w niczym innych odmian i modyfikacji wózka objętych istotą wynalazku.

16,17

FIG· 2.

172 994

FIG 3.

FIG 4.

172 994

FIG 5 b

172 994

FIG 7

172 994

FIG 10

Ru COS λ

FIG 12

172 994

FIG 14

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4,00 zł

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Samosterowny wózek pojazdu szynowego złożony z ramy, połączonej za pomocą czopa skrętowego z dolną ramą pojazdu, oraz z dwóch zestawów osiowych, z których każdy jest wyposażony w dwa niezależnie obracające się koła ułożyskowane na półosiach, które są osadzone w zwrotnicach przymocowanych do poprzecznicy ramy wózka, przy czym koła te są nachylone pod kątem ostrym do poziomu i poruszają się po szynach, których osie symetrii poprzecznej również nachylone są pod tym samym kątem do poziomu, znamienny tym, że przedni zestaw osiowy (4) jest połączony z tylnym zestawem osiowym (7) za pomocą przegubu (9), o osi obrotu leżącej w pionowej, podłużnej płaszczyźnie symetrii wózka, przy czym ta oś obrotu jest nachylona pod kątem ostrym a (29) do poziomu.
2. 2. Wózek według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt nachylenia (29) osi przegubu (9) względem linii pionowej ma wartość (a) spełniającą równanie:

   a = arc tg ου dy gdzie (H) jest odległością wzdłuż linii pionowej między środkami geometrycznymi kół (2 i 3) przedniego zestawu osi w rzucie wózka na płaszczyznę pionową, zaś (J) odległością między środkami geometrycznymi tych kół (2 i 3) wzdłuż linii prostopadłej do osi tylnego zestawu osiowego w rzucie na płaszczyznę poziomą, w czasie gdy wózek znajduje się na łuku toru o promieniu (R).
3. 3. Wózek według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że jego koła (2, 3,5 i 6), nachylone względem pionowej, podłużnej osi symetrii wózka i zaopatrzone w wystające obrzeża (64 i 63), mają cylindryczną powierzchnię toczną i współpracują z płaską, gómąpowierzchnią główki szyn (50, 51).
4. 4. Wózek według zastrz. 1, znamienny tym, że przegub (9) przedniego zestawu osiowego (4) składa się z nachylonego pod kątem a (29) do pionu sworznia (28), osadzonego za pośrednictwem tulei (27) we wspornikach (26) podłużnicy (10) oraz z osadzonej obrotowo na tym sworzniu końcówce poprzeczzńcy (47) ramy wózka.
5. 5. Wózek według zastrz. 1, znamienny tym, że poprzecznica (47), w której jest osadzony przedni zestaw osiowy (4) ma kształt łukowy wygięty końcami do góry, przy czym jej oś jest w środkowej części pozioma, natomiast w miejscu połączenia ze zwrotnicami (14 i 15) oś podłużnicy (47) jest nachylona do poziomu pod kątem równym kątowi nachylenia kół (2 i 3) do pionu.
6. 6. Wózek według zastrz. 1, znamienny tym, że zarówno jego przedni zestaw osiowy (4), jak i tylny zestaw osiowy (7) są połączone z podłużnicą (10) ramy wózka za pomocą przegubów (9 i 8), przy czym każdy z tych zestawów osiowych (4 i 7) jest wyposażony w urządzenie blokujące jego skręt względem podłużnicy (10), złożone z wychwytu (31., 36) z mostkiem (32), połączonego ze zwrotnicami (14,15) kół (2,3) i (5,6) za pomocą stężeń (30) oraz z osadzonych obrotowo na sworzniach (44 i 43), przymocowanych do podłużnicy (10) zaczepów (33 i 35), wchodzących we wpusty (34) wychwytów (31 i 36), zaś drugostronnie połączonych za pomocą łącznika (45) i uruchamianych za pomocą siłownika pneumatycznego (46), połączonego z jednym z zaczepów (33) za pomocą sworznia (190) przegubu.
7. 7. Wózek według zastrz. 1, znamienny tym, że w zwrotnicach (14, 15) przynajmniej jednego z zestawów osiowych (4 i 7) są osadzone, połączone z kołami (1, 2) lub (5 i 6), koła zębate (37 i 38) przekładni napędowych.

   * * *

   172 994