Расчет подрезиненных колес.

 

Конструирование подрезиненного колеса предусматривает установку между ободом и ступицей колесного центра эластичных упругих элементов в виде сплошного резинового кольца или резиновых шайб.

В настоящее время подрезиненные колеса применяются на всех трамвайных вагонах новых типов. В зависимости от условий работы, эластичные резиновые элементы подрезиненных колес, под вертикальной нагрузкой, могут работать на сдвиг, сжатие или сдвиг и сжатие одновременно.

 

Основные схемы подрезиненных колес:

 

 

Рисунок 6. Схемы подрезинных колес

а) с резиновыми элементами среза;

б) с резиновыми элементами сжатия;

в) с резиновыми элементами сжатия-среза.

В колесе, приведенном на схеме а) резиновые амортизаторы выполнены в виде двух дисков и работают на сдвиг. Нажимные диски в этом колесе крепятся к ступице при помощи сварки. Шпильки, после сборки колеса, привариваются к наружным дискам, создавая монолитную конструкцию. Отсутствие болтовых соединений позволяет обеспечивать постоянную силу предварительного натяга резиновых дисков. Болтовые соединения во время работы колес в результате динамических нагрузок могут ослабевать. Резина в той конструкции может быть привулканизирована непосредственно к дискам. Колесо, таким образом, представляет собой пятислойный монолитный диск. Резина в колесах на схеме (б) работает на сжатие. Колесо не имеет болтовых соединений, резина не привулканизирована к металлу, крутящий момент передается за счет трения между резиной, и металлом. Колесо имеет относительно меньшую неподрессоренную массу по сравнению с другими конструкциями. В колесе с V-образным резино-металическим элементом (схема (в)) резина работает и на сжатие и на сдвиг. В зависимости от угла наклона резинового корпуса можно изменить соотношение между силами сжатия и сдвига, а тем самым жесткость в аксиальном и радиальном направлении, что позволяет добиться оптимального прогиба и положения деталей в этих направлениях. Угол наклона выбирают таким, чтобы напряжение на сдвиг составляло 60% от общего напряжения. Этим достигается наиболее полное поглощение шума. Наибольшее распространение получили конструкции, в которых резина работает на сдвиг, так как эти колеса обычно имеют большую упругость, и их жесткость не меняется с изменением нагрузки. При проверочном расчете прочность резиновых эластичных элементов подрезиненных колес проверяется по деформациям сдвига и сжатия в зависимости от принятой конструктивной схемы колеса. При этом необходимо, чтобы величина напряжений в эластичных элементах не превышала допустимых значений.

б

а

Рисунок 7. Расчетная схема подрезиненного колеса

 

а) расчетная схема подрезиненного колеса;

б) схема передачи колесом боковой нагрузки.

С каждой стороны обода колеса расположено n резиновых дисков.

r – радиус расположения центров дисков;

- диаметр диска;

- высота диска;

- диаметр колеса.

Расчет колеса производится под действием трех расчетных нагрузок:

- вертикальной динамической

Х_к=0,5F_kmax- продольной нагрузки

- максимальное значение силы тяги, реализуемое колесной парой;

H – максимальная боковая нагрузка, действующая на колесо.

 

Расчет боковой нагрузки

 

Принимаем, что при сборке колеса, диски получили натяг, обеспечивающий при всех рабочих режимах состояние сжатия для всех дисков. Принимаем, что точка контакта гребня колеса получила боковое смещение под воздействием силы . Смещение имеет две составляющие: - смещение от сжатия дисков, смещение и поворот обода относительно вертикальной плоскости на угол под действием момента , тогда с другой стороны , где - угловая жесткость резиновых элементов.

Боковая гибкость колесной пары:

Жесткость эластичного пояса резиновых дисков на сжатие определяется: ,

где и обозначат модуль сжатия для армированной резины.

К – коэффициент ужесточения резины;

Е – модуль растяжения резины.

При определении жесткости резиновых элементов каждую группу из дисков, расположенных с одной стороны обода на расстоянии от геометрической оси колесной пары заменяем кольцами, имеющими ширину в равновеликое поперечное сечение, то есть приближенно ; .

Условно принимаем, что в каждом радиальном сечении равновеликого кольца, волокна одинаково напряжены и получают поперечную деформацию (схема б)). В этом случае .

Элемент сечения кольца соответствует выражению .

Усилия, сжимающие или растягивающие этот элемент:

.

Реактивный момент, создаваемый парой симметрично расположенных элементарных сечений одного кольца .

Реактивный момент таких сечений на 2 полных кольца:

.

Реактивный момент эластичного соединения обода колеса с колесным центром .

Поперечная жесткость колеса на изгиб определяется:

;

Результирующая боковая жесткость подрезиненного колеса находится из равенства: .

Натяг при сборке колеса определяется из условия гарантированного сжатия волокон резиновых элементов при максимальном боковом смещении и является: