RU2589814C1

RU2589814C1 - One-piece rolled wheel for disk brakes

Info

Publication number: RU2589814C1
Application number: RU2015121446/11A
Authority: RU
Inventors: Роман Анатольевич Голышков; Дмитрий Евгеньевич Керенцев; Михаил Геннадьевич Родионов
Original assignee: Акционерное общество "Выксунский металлургический завод"
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: railroad wheel includes rim, consisting of rolling surface, flange and side surfaces limited by inner diameters of the rim at outer and inner sides, hub and disc formed by outer and inner surfaces, symmetrical in regard to the middle line of disk cross-section perpendicular to gear rotational axis and passing through first point at the point of minimum thickness of the disc and its conjugation with rim, second and third point between which there is a part of the disk of constant thickness with mounting surfaces and holes for installation of disc brakes, the fourth point at the point of minimum thickness of disk at the hub side and the fifth point in the point of conjugation with hub. Theoretical middle line of transverse section of the disk is located at distance of 0.45-0.55 of rim width from its side surfaces. Inner diameter of the rim at inner side equals to 1.00-1.03 of inner diameter of the rim at outer side. Diameter comprising the second point of middle line equals to 0.93-0.94 of inner diameter of the rim at outer side. Diameter comprising the third point of middle line equals to 0.62-0.64 of inner diameter of the rim at outer side, and diameter of hub at outer and inner sides equals to 0.32-0.34 of inner diameter of the rim at outer side.

EFFECT: technical result consists in higher fatigue strength of the wheel.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к конструкции цельнокатаных железнодорожных колес с посадочными местами под крепление дисковых тормозов для использования на рельсовых транспортных средствах.The invention relates to transport engineering, in particular to the design of solid-rolled railway wheels with seats for mounting disc brakes for use on rail vehicles.

Известно множество конструкций цельнокатаных колес, основными конструктивными элементами которых являются обод, ступица и диск. Получившие широкое распространение на сетях отечественных железных дорог стандартные конструкции цельнокатаных колес по ГОСТ 10791 спроектированы с учетом эксплуатации под грузовыми и пассажирскими тележками, использующих систему торможения фрикционной колодкой о поверхность катания колеса или дисковые тормоза, монтируемые на ось колесной пары. Особенности формы диска описанных типоразмеров колес, во многом определяющие массу колеса, его жесткость, несущую способность, стойкость к воздействию тепловых нагрузок, описаны в патентах RU 2428319, UA 78957, RU 2259279 и др., где имеет место смещение ступицы колеса относительно обода вдоль оси вращения в сторону внутренней поверхности.There are many designs of seamless wheels, the main structural elements of which are the rim, hub and disc. The standard designs of solid-rolled wheels that have become widespread on the networks of domestic railways in accordance with GOST 10791 are designed taking into account operation under freight and passenger bogies using the friction pad braking system on the wheel's rolling surface or disc brakes mounted on the axle of a pair of wheels. Features of the disk shape of the described wheel sizes, which largely determine the weight of the wheel, its stiffness, bearing capacity, resistance to heat loads, are described in patents RU 2428319, UA 78957, RU 2259279 and others, where there is a displacement of the wheel hub relative to the rim along the axis rotation towards the inner surface.

Использование системы торможения, предусматривающей установку тормозных элементов непосредственно на диск колеса согласно изобретению RU 2493017, требует учета дополнительных функциональных особенностей при оптимизации геометрии сечения диска колеса, имеющего специальные посадочные поверхности и отверстия под монтаж дисковых тормозов. В рассматриваемом случае обычно имеет место симметричная относительно плоскости, перпендикулярной оси вращения, форма диска, при этом ступица колеса часто расположена без смещений относительно обода.The use of a braking system that provides for the installation of brake elements directly on the wheel disc according to the invention of RU 2493017 requires additional functional features when optimizing the geometry of the cross section of the wheel disc having special seating surfaces and holes for mounting disc brakes. In the case under consideration, a disk shape is usually symmetrical with respect to a plane perpendicular to the axis of rotation, and the wheel hub is often located without displacements relative to the rim.

Известно изобретение согласно заявке DE 4444077 А1, где диск колеса имеет симметричную относительно плоскости круга катания форму. Недостатком данного технического решения является линейное увеличение толщины диска к месту сопряжения с ободом и ступицей, что не позволяет подобрать оптимальное соотношение массы и прочности конструкции, а отсутствие описания поверхностей диска под установку тормозных элементов обуславливает ограниченное применение формулы для описания конструкции колеса рассматриваемого назначения.The invention is known according to the application DE 4444077 A1, where the wheel disk has a shape symmetrical with respect to the plane of the skating circle. The disadvantage of this technical solution is a linear increase in the thickness of the disk to the interface with the rim and the hub, which does not allow you to choose the optimal ratio of mass and structural strength, and the lack of a description of the surfaces of the disk for installing brake elements causes a limited use of the formula to describe the design of the wheel for this purpose.

Схожее предыдущему техническое решение в части описания геометрии диска колеса и зоны его сопряжения со ступицей и ободом путем выбора оптимального угла касательных, определяющих геометрию радиального сечения диска, ступицы и обода, сопрягаемых радиусным участком, предложено в заявке на изобретение DE 102011121785 А1, применительно к конструкции локомотивных колес с дисковыми тормозами, которое выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. Преимуществом описанной конструкции колеса является оптимальный выбор значений углов касательных с учетом наличия специальных площадок под установку дисковых торомзов. Несмотря на это, линейное увеличение толщины диска к месту сопряжений с ободом и ступицей, а также отсутствие рекомендуемых значений распределения его толщины, описания геометрии посадочных мест под установку тормозных элементов, не позволяет в полной мере получить комплексное конструктивное решение.A technical solution similar to the previous one in terms of describing the geometry of the wheel disc and its mating zone with the hub and rim by selecting the optimal angle of tangents defining the geometry of the radial section of the disc, hub and rim mating with the radius section is proposed in the application for invention DE 102011121785 A1, as applied to the design locomotive wheels with disc brakes, which is selected as a prototype of the claimed invention. An advantage of the described wheel design is the optimal choice of the values of the angles of the tangents, taking into account the presence of special platforms for the installation of disk brakes. Despite this, a linear increase in the thickness of the disk to the place of mating with the rim and the hub, as well as the lack of recommended values for the distribution of its thickness, a description of the geometry of the seats for installing the brake elements, does not allow to fully obtain a comprehensive design solution.

Техническим результатом, на достижение которого направлено созданное изобретение, является выбор оптимальной формы диска колеса, которая способна обеспечить высокий запас сопротивления усталости конструкции с учетом возможности использования в сборе с дисковыми тормозами.The technical result, to which the created invention is directed, is the choice of the optimal shape of the wheel disk, which is able to provide a high margin of fatigue resistance of the structure, taking into account the possibility of use assembled with disc brakes.

Технический результат достигается тем, что железнодорожное колесо включает в себя обод, состоящий из поверхности катания, гребня и боковых поверхностей, ограниченных внутренними диаметрами обода с наружной и внутренней сторон, ступицу и диск, образованные наружной и внутренней поверхностями, симметричными относительно теоретической средней линии поперечного профиля диска, перпендикулярной оси вращения колеса. Указанная теоретическая средняя линия проходит через первую точку в месте минимальной толщины диска и его сопряжения с ободом, вторую и третью точку, между которыми расположена часть диска постоянной толщины с посадочными поверхностями и отверстиями под установку дисковых тормозов, четвертую точку в месте минимальной толщины диска со стороны ступицы и пятую точку в месте сопряжения со ступицей.The technical result is achieved by the fact that the railway wheel includes a rim consisting of a rolling surface, a ridge and side surfaces bounded by inner diameters of the rim from the outer and inner sides, a hub and a disk formed by the outer and inner surfaces symmetrical with respect to the theoretical midline of the transverse profile a disk perpendicular to the axis of rotation of the wheel. The indicated theoretical middle line passes through the first point in the place of the minimum thickness of the disk and its interface with the rim, the second and third point, between which there is a part of the disk of constant thickness with seating surfaces and holes for installing disc brakes, the fourth point in the place of the minimum thickness of the disk from the side hubs and the fifth point at the interface with the hub.

Принципиальным отличием предлагаемой конструкции колес является следующее. За счет того, что теоретическая средняя линия поперечного профиля диска расположена на расстоянии от 0,45 до 0,55 ширины обода от его боковых поверхностей, внутренний диаметр обода с внутренней стороны составляет от 1,00 до 1,03 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, диаметр, где расположена вторая точка средней линии, составляет от 0,93 до 0,94 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, диаметр, где расположена третья точка средней линии, составляет от 0,62 до 0,64 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, а диаметр ступицы с наружной и внутренней сторон составляет от 0,32 до 0,34 внутреннего диаметра обода с наружной стороны, при этом поперечный профиль поверхности диска с наружной и внутренней сторон на участке теоретической средней линии, проходящей между первой и второй точками, описан кривыми с радиусом от 0,42 до 0,43 толщины диска в сечении, проходящем через вторую точку перпендикулярно средней линии в месте крепления дисковых тормозов, на участке между второй и третьей точками отрезками, параллельными средней линии, на участке между третьей и четвертой точками кривыми с радиусом от 0,55 до 0,60 указанной толщины диска, а на участке между четвертой и пятой точками кривыми с радиусом от 11,0 до 12,0 указанной толщины диска, сопрягаемыми со ступицей кривыми радиусом от 0,9 до 1,2 указанной толщины диска, причем толщина диска в сечениях, проходящих через первую и четвертую точки перпендикулярно средней линии, соответствует от 0,91 до 0,92 указанной толщины диска в месте крепления тормозных элементов, а толщина диска в месте сопряжения со ступицей в сечении, проходящем через пятую точку, соответствует от 1,35 до 1,45 указанной толщины, достигается обеспечение высокой усталостной прочности диска колеса рассматриваемого назначения с уровнем конструкционной массы на 5-10% ниже аналогов.The principal difference between the proposed design of the wheels is the following. Due to the fact that the theoretical center line of the transverse profile of the disk is located at a distance from 0.45 to 0.55 of the rim width from its side surfaces, the inner diameter of the rim from the inside is from 1.00 to 1.03 of the inner diameter of the rim from the outside , the diameter where the second point of the midline is located is from 0.93 to 0.94 of the inner diameter of the rim from the outside, the diameter where the third point of the middle line is located is from 0.62 to 0.64 of the inner diameter of the rim from the outside and the diameter of the hub with the outer and the inner side is from 0.32 to 0.34 of the inner diameter of the rim on the outside, while the transverse profile of the surface of the disk from the outside and inside on the theoretical middle line between the first and second points is described by curves with a radius of 0.42 up to 0.43 of the disk thickness in the section passing through the second point perpendicular to the midline at the mounting point of the disc brakes, in the section between the second and third points, segments parallel to the middle line, in the section between the third and fourth points, curves with with a radius of 0.55 to 0.60 of the indicated thickness of the disk, and in the section between the fourth and fifth points, curves with a radius of 11.0 to 12.0 of the specified thickness of the disk, mated with the hub curves of radius from 0.9 to 1.2 of the specified the thickness of the disk, and the thickness of the disk in sections passing through the first and fourth points perpendicular to the midline corresponds to 0.91 to 0.92 of the indicated thickness of the disk at the attachment of the brake elements, and the thickness of the disk at the interface with the hub in the section passing through fifth point, corresponds to 1.35 to 1.45 specified then In this case, the high fatigue strength of the disk of the wheel under consideration is achieved with a level of structural weight 5-10% lower than analogues.

Сущность изобретения поясняется чертежом,The invention is illustrated in the drawing,

где на фиг. 1 представлено радиальное сечение железнодорожного колеса. where in FIG. 1 shows a radial section of a railway wheel.

Железнодорожное колесо, изображенное на фиг. 1, которое включает в себя обод 1, состоящий из поверхности катания 2, гребня 3 и боковых поверхностей 4, ограниченных внутренними диаметрами обода D1 и D2 с наружной и внутренней сторон соответственно, ступицу 5 и диск 6, образованные наружной 7 и внутренней 8 поверхностями, симметричными относительно теоретической средней линии 9 поперечного профиля диска 6. Указанная средняя линия 9 перпендикулярна оси вращения колеса 10 и проходит через первую точку А в месте минимальной толщины диска 6 и его сопряжения с ободом 1, вторую В и третью С точки, между которыми расположена часть диска постоянной толщины с посадочными поверхностями и отверстиями 11 под установку тормозных дисков, четвертую точку D в месте минимальной толщины диска со стороны ступицы и пятую точку Е в месте сопряжения со ступицей 5.The railway wheel shown in FIG. 1, which includes a rim 1, consisting of a tread surface 2, a ridge 3 and side surfaces 4, limited by the inner diameters of the rim D1 and D2 from the outer and inner sides, respectively, a hub 5 and a disk 6 formed by the outer 7 and inner 8 surfaces, symmetrical with respect to the theoretical center line 9 of the transverse profile of the disk 6. The specified middle line 9 is perpendicular to the axis of rotation of the wheel 10 and passes through the first point A at the minimum thickness of the disk 6 and its interface with the rim 1, the second B and the third C point, between otorrhea is part of the disc of constant thickness, with setting surfaces and holes 11 for the installation of the brake discs, the fourth point D in place of a minimum thickness of the disc on the hub side and the fifth point E in place of conjugation with the hub 5.

Теоретическая средняя линия 9 поперечного профиля диска 6 расположена на расстоянии от 0,45 до 0,55 ширины обода Н от его боковых поверхностей 4, внутренний диаметр обода с внутренней стороны D2 составляет от 1,00 до 1,03 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, диаметр D3, где расположена вторая точка В средней линии 9, составляет от 0,93 до 0,94 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, диаметр D4, где расположена третья точка С средней линии 9, составляет от 0,62 до 0,64 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1, а диаметр ступицы с наружной и внутренней сторон D5 составляет от 0,32 до 0,34 внутреннего диаметра обода с наружной стороны D1.The theoretical center line 9 of the transverse profile of the disk 6 is located at a distance of 0.45 to 0.55 of the width of the rim H from its side surfaces 4, the inner diameter of the rim on the inside D2 is from 1.00 to 1.03 of the inner diameter of the rim on the outside D1, diameter D3, where the second point B of the midline 9 is located, is from 0.93 to 0.94 of the inner diameter of the rim on the outside D1, the diameter D4, where the third point C of the middle line 9 is located, is from 0.62 to 0 , 64 of the inner diameter of the rim from the outside D1, and the diameter of the hub from the outside D5 and inner sides is from 0.32 to 0.34 with the internal diameter D1 of the outer rim side.

Поперечный профиль поверхности диска 6 с наружной и внутренней сторон на участке теоретической средней линии 9, проходящей между первой А и второй В точками, описан кривыми с радиусом R1 от 0,42 до 0,43 толщины диска Т1 в сечении, проходящем через вторую точку В перпендикулярно средней линии 9 в месте крепления дисковых тормозов, на участке между второй В и третьей С точками - отрезками, параллельными средней линии 9, на участке между третьей С и четвертной D точками - кривыми с радиусом R2 от 0,55 до 0,60 указанной толщины диска Т1, а на участке между четвертой D и пятой Е точками - кривыми с радиусом R3 от 11,0 до 12,0 указанной толщины диска Т1, сопрягаемыми со ступицей кривыми радиусом R4 от 0,9 до 1,2 указанной толщины диска Т1.The transverse profile of the surface of the disk 6 from the outer and inner sides in the area of the theoretical midline 9 passing between the first A and second B points is described by curves with a radius R1 from 0.42 to 0.43 of the thickness of the disk T1 in the section passing through the second point B perpendicular to the middle line 9 at the mounting location of the disc brakes, in the area between the second B and third C points - segments parallel to the middle line 9, in the area between the third C and quarter D points - curves with a radius of R2 from 0.55 to 0.60 indicated the thickness of the disk T1, and in the area between the four of the D and fifth E dots - curves with a radius R3 from 11.0 to 12.0 of said disc thickness T1, mating with the hub of radius R4 curves from 0.9 to 1.2 of said disc thickness T1.

Толщина диска Т2 в сечениях, проходящих через первую А и четвертую D точки перпендикулярно средней линии 9, соответствует от 0,91 до 0,92 указанной толщины диска Т1 в месте крепления тормозных элементов, при этом толщина диска ТЗ в месте сопряжения со ступицей в сечении, проходящем через пятую точку Е, соответствует от 1,35 до 1,45 указанной толщины Т1.The thickness of the disc T2 in the sections passing through the first A and fourth D points perpendicular to the midline 9 corresponds to 0.91 to 0.92 of the indicated thickness of the disc T1 at the place of attachment of the brake elements, while the thickness of the disc T3 at the point of coupling with the hub in the section passing through the fifth point E, corresponds to from 1.35 to 1.45 of the specified thickness T1.

Выбор отличительных особенностей конструкции согласно изобретению осуществлен с использованием серии конечно-элементных расчетов различных вариантов геометрии диска по методикам, описанным в стандартах ОСТ 32.83-97 и AAR S-669, которые позволяют определять коэффициенты запаса сопротивления усталости с учетом монтажных, технологических и эксплуатационных нагрузок, действующих на колесо.The selection of design features according to the invention was carried out using a series of finite element calculations of various options for disk geometry according to the methods described in the OST 32.83-97 and AAR S-669 standards, which allow determining the safety factors of fatigue resistance taking into account mounting, technological and operational loads, acting on the wheel.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by signs identical (identical) to all essential features of the claimed invention.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом «Цельнокатаном железнодорожном колесе для использования с дисковыми тормозами», изложенных в формуле изобретения.The definition from the list of identified analogues of the prototype made it possible to identify a set of essential distinguishing features with respect to the technical result that is claimed in the claimed “All-rolled railway wheel for use with disc brakes” set forth in the claims.

Результаты поиска показали, что заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение технического результата.The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art determined by the applicant for the specialist, the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed.

Предлагаемое изобретение может использоваться для моделей железнодорожных транспортных средств, на которых применяются дисковые тормоза, устанавливаемые непосредственно диски колес, в частности для электропоездов, ведущих транспортных средств и локомотивов, эксплуатируемых на сети российских железных дорог. Колесо согласно изобретению может быть изготовлено из стали любого качества, используемой в железнодорожной промышленности, и произведено в соответствии с известными техническими требованиями и стандартами, раскаткой, штамповкой или литьем.The present invention can be used for models of railway vehicles on which disc brakes are used, directly mounted wheel disks, in particular for electric trains, driving vehicles and locomotives operated on a network of Russian railways. The wheel according to the invention can be made of steel of any quality used in the railway industry, and manufactured in accordance with known technical requirements and standards, rolling, stamping or casting.

Теоретические исследования и испытания железнодорожных колес с конфигурацией диска согласно заявленной формуле применительно к электропоездам с осевой нагрузкой до 23,5 тс для колес диаметром 957 мм на сети российских железных дорог показали соответствие всем требованиям безопасности и способность обеспечения оптимального уровня эксплуатационных характеристик колес при сохранении металлоемкости продукции на уровне стандартных вагонных колес по ГОСТ 10791. Этим доказывается достижение усматриваемого заявителем технического результата.Theoretical research and testing of railway wheels with a disk configuration according to the stated formula with respect to electric trains with an axial load of up to 23.5 tf for wheels with a diameter of 957 mm on a network of Russian railways showed compliance with all safety requirements and the ability to ensure the optimum level of wheel performance while maintaining metal consumption at the level of standard wagon wheels according to GOST 10791. This proves the achievement of the technical result perceived by the applicant .

Claims

1. A railway wheel for use with disc brakes, which includes a rim consisting of a tread surface, flange and side surfaces bounded by inner rim diameters from the outer and inner sides, a hub and a disk formed by the outer and inner surfaces symmetrical with respect to the theoretical average the line of the transverse profile of the disk, which is perpendicular to the axis of rotation of the wheel and passes through the first point in place of the minimum thickness of the disk and its interface with the rim, the second and third point between which there is a part of a constant-thickness disk with seating surfaces and holes for installing disc brakes, a fourth point at the minimum thickness of the disk from the hub side and a fifth point at the interface with the hub, characterized in that the theoretical midline of the transverse profile of the disk is located at a distance from 0.45 to 0.55 of the width of the rim from its side surfaces, the inner diameter of the rim from the inside is from 1.00 to 1.03 of the inner diameter of the rim from the outside, the diameter where wife, the second point of the midline is from 0.93 to 0.94 of the inner diameter of the rim from the outside, the diameter where the third point of the midline is located is from 0.62 to 0.64 of the inner diameter of the rim from the outside, and the diameter of the hub from the outer and inner sides is from 0.32 to 0.34 of the inner diameter of the rim from the outside.

2. The wheel according to claim 1, characterized in that the transverse profile of the surface of the disk from the outer and inner sides on the plot of the theoretical midline between the first and second points is described by curves with a radius of 0.42 to 0.43 of the thickness of the disk in cross section passing through the second point perpendicular to the midline at the disc brake attachment site, in the area between the second and third points - segments parallel to the midline, in the area between the third and fourth points - curves with a radius of 0.55 to 0.60 of the indicated disk thickness , and on the site e between the fourth and fifth points - curves with a radius of 11.0 to 12.0 of the indicated thickness of the disk, mated to the hub curves of radius from 0.9 to 1.2 of the specified thickness of the disk.

3. A wheel according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the thickness of the disk in sections passing through the first and fourth points perpendicular to the midline corresponds to from 0.91 to 0.92 of the indicated thickness of the disk at the place of attachment of the brake elements, and the thickness of the disk at the interface with the hub in the section passing through the fifth point corresponds to 1.35 to 1.45 of the indicated thickness.