Когда тянуть, а когда и толкать (Часть 1)
Конструкции тягово-сцепных устройств
В автопоездах для шарнирного соединения тягача и прицепа и возможности их быстрой сцепки-расцепки, а также передачи вертикальной и продольной нагрузок используются тягово-сцепные устройства различной конструкции.
Выпуском тягово-сцепных устройств (ТСУ) занимается значительное число компаний-изготовителей, среди которых самые известные Jost, Rockinger (c 2001 г. входит в состав Jost. – Прим. ред.), Ringfeder (с 1997 г. входит в состав VBG – Прим. ред.), Helmut Buer GmbH & Co. KG (Германия), Georg Fisher (Швейцария), Coder Ture (Франция), V. Orlandi (Италия), VBG (Швеция), York (Великобритания), Fontaine Truck Equipment, SAF-Holland, Utility Trailer (США) и др. В этот список надо добавить и российских производителей.
Тягово-сцепные устройства рассчитаны на передачу больших продольных и незначительных вертикальных сил, которые не должны превышать 10…15 кН. Это является их главной функциональной особенностью. Такие механизмы должны быть высоконадежными, обеспечивать соответствующие углы складывания автопоезда, возможность быстрой и безопасной сцепки-расцепки, амортизацию динамических нагрузок во время движения автопоезда. Принципиально ТСУ состоят из разъемно-сцепного и амортизационно-поглощающего механизмов, а также элементов крепления. Понятно, что конструктивное исполнение тягово-сцепных устройств существенно влияет на такие важнейшие эксплуатационные качества автопоезда, как управляемость, курсовая устойчивость, маневренность, плавность хода, проходимость, надежность и безопасность.
По типу разъемно-сцепного механизма ТСУ подразделяют на три основных типа: крюковые (пара крюк–петля), вилочные или шкворневые (пара шкворень–петля) и шаровые (пара шар–полусфера). Другие разновидности значительного распространения в коммерческом автотранспорте не нашли, а потому не рассматриваются.
ТСУ шарового типа
Тягово-сцепные устройства типа шар–полусфера (шар–петля) нередко, хотя и несколько ошибочно называют фаркопами. Они служат для буксировки транспортным средством караванов и легких прицепов полной массой до 3,5 т. Конструктивно такие механизмы выполнены в виде одноосных прицепов или прицепов со сдвоенной или трехосной центрально расположенной тележкой. Обычно в роли тягачей выступают легковые автомобили, пикапы, микроавтобусы и малотоннажные грузовики. Все требования к ТСУ этого типа изложены в стандарте ISO 1103 и соответствующих отечественных ГОСТ 28248–89, ГОСТ 30600–97 и ОСТ 37.001.096–84.
На автомобиле-тягаче устанавливается сцепной шар (ГОСТ 28248 предусматривает единственный диаметр шара – 50 мм), а на дышле буксируемого прицепа монтируется ответная сцепная головка (сфера). Важным моментом для всей конструкции ТСУ является крепление его к таким элементам кузова или рамы тягача, которые выдержат необходимое число циклов нагружений периодическими нагрузками и предельные статические нагрузки. Следовательно, достаточная несущая способность ТСУ определяется правильным выбором его конструктивных размеров, т. е. соответствием прочности устройства нагрузкам, воздействующим на него в процессе эксплуатации. ТСУ шарового типа согласно требованиям стандартов должны испытываться на усталостную прочность конструкции. Помимо механического соединения тягово-сцепное устройство обеспечивает электрическое соединение электрооборудования тягового автомобиля с оборудованием буксируемого прицепа.
Буксируемые прицепы делятся на легкие и тяжелые – разрешенной максимальной массой соответственно не более 750 и свыше 750 кг. По типу шара и креплению ТСУ шарового типа различаются по исполнениям – А, В, С, F, G, H и N. Малотоннажные «Соболи», «ГАЗели» и «Бычки» в большинстве случаев комплектуют ТСУ типа F грузоподъемностью до 2 т, оснащенным кованым шаром с двумя крепежными отверстиями.
ТСУ крюкового типа
В нашей стране устройства типа «крюк–петля» ввиду далеко не оптимальных дорожных условий применяют наиболее широко. Такие ТСУ отличаются простотой конструкции, легкостью в изготовлении, относительно малой массой и большими углами гибкости. Последнее обстоятельство делает их незаменимыми при движении автопоездов в тяжелых дорожных условиях и на местности с разнообразным рельефом. Описанная конструкция подразумевает наличие больших зазоров (до 10 мм) в соединении крюк–петля для облегчения сцепки-расцепки. Эти зазоры приводят к повышению динамических нагрузок и интенсивному изнашиванию деталей устройства (сопряженной пары), а также являются причиной выхода сцепки (крюка и петли дышла) из строя. Конструкция крюковых устройств предусматривает, как правило, ручную сцепку-расцепку звеньев автопоезда.
Типоразмер крюковых ТСУ выбирается в зависимости от полной массы прицепа. Основные параметры регламентируются международными стандартами ISО 1102, ISО 3584 и ISО 8755 либо национальными нормативными документами. Устройства «крюк–петля» выпускают под внутренний диаметр петли 76, 85 и 95 мм. Диаметр прутка петли первого типоразмера составляет 42 мм, двух остальных – по 50 мм. Сцепка тягачей и прицепов, оборудованных тягово-сцепными устройствами различной размерности, обеспечивается заменой соответствующих элементов этих механизмов или установкой переходных устройств. Масса ТСУ крюкового типа обычно не превышает 30 кг.
На практике устройство «крюк–петля» позволяет осуществлять поворот сцепной петли вокруг горизонтальной продольной оси крюка на 360°, поворот в вертикальной плоскости на ±45°, поворот в горизонтальной плоскости на ±90°. Существуют ручные и полуавтоматические конструкции крюковых сцепок. Последние получили меньшее распространение из-за большой сложности и увеличенной массы.
В России действует ГОСТ 2349–75. В зависимости от типоразмера ТСУ регламентируются высота установки над опорной поверхностью и присоединительные размеры. Для крюковых сцепок типоразмеров от 0 до 3 геометрические параметры сопрягаемых поверхностей зева крюка и петли одинаковые (диаметр прутка петли 42 мм). Типоразмер 4 предусматривает применение петли из прутка диаметром 45 мм. Согласно отечественному стандарту крюковые устройства должны обеспечивать углы гибкости относительно поперечной оси, проходящей через зев крюка, не менее ±40°, относительно вертикальной оси ±55° (для автомобилей общетранспортного назначения высокой проходимости не менее ±62°) и продольной оси ±15°. Крюк должен свободно вращаться вокруг своей продольной оси, а по заказу потребителя он может снабжаться стопорными устройствами, позволяющими фиксировать его при отцепленном прицепе. Конструкция замка должна исключать возможность саморасцепки автопоезда при движении, а также иметь не менее двух предохранительных механизмов, действующих независимо один от другого, причем хотя бы один из них не должен быть под действием сил, появляющихся во время движения транспортного средства.
Для первых четырех категорий типоразмеров принят один размер зева, равный 48 мм, размер губки – 74 мм, что позволяет при комплектации автопоездов использовать широкую номенклатуру тягачей и прицепного состава. В пятой группе размер зева составляет 52 мм, тогда как геометрия губки остается такой же.
Стандартное соединение крюкового типа, снабженное двусторонней амортизацией, состоит из тягового крюка, установленного на тягаче, и жесткого дышла со сцепной петлей, связанного с прицепом. Тяговый крюк обычно монтируют на задней поперечине рамы, однако на некоторых автомобилях он может не менее эффективно выполнять свою функцию, будучи расположен на переднем бампере (поперечине) рамы или на задней поперечине прицепа (полуприцепа) для буксировки второго прицепа. Система «крюк–петля» состоит из собственно крюка, накидной защелки, предохранительного замка с запорным шплинтом. Наличие предохранительного замка и шплинта предотвращают самопроизвольную расцепку автопоезда во время движения. На переднем конце стержня крюка, установленного во втулке, навинчена гайка, которая со втулкой обеспечивает правильное продольное перемещение крюка. Внутри корпуса вставлен резиновый упругий элемент в форме гиперболоида, обжимаемый шайбами. При сжатии он изменяет форму таким образом, что заполняет пространство в корпусе. В других конструкциях тяговых крюков в качестве упругих элементов используются кольцевые, винтовые цилиндрические или конические пружины.
В процессе эксплуатации гайку нельзя использовать для регулировки осевого перемещения крюка, так как ее навертывание-свертывание приводит к увеличению осевого перемещения крюка. При появлении усадки резинового буфера устанавливают дополнительные кольцевые прокладки между фланцами и резиновым буфером. Применение сцепной петли прицепов с меньшим сечением увеличивает износ и сокращает срок службы ТСУ, а также задней поперечины рамы автомобиля.
Несмотря на присущие сцепным устройствам типа «крюк–петля» недостаткам, все ведущие изготовители такого рода продукции продолжают их совершенствовать и выпускать. Крюковые устройства отличаются большим разнообразием исполнений как самого крюка, так и замка. Для осуществления беззазорной сцепки ряд фирм разработали специальные конструкции ТСУ типа «крюк–петля», в которых зазор может выбираться автоматически с помощью конических роликов (фирма Coder Ture) либо с помощью пружин или пневматических устройств по принципу «беззазорный крюк» или «беззазорная петля» (фирма Utility Trailer). Аналогичные системы для крюковых ТСУ выпускают компании V. Orlandi и SAF-Holland. Они оснащены пневмоприводом, автоматически выбирающим зазор в замке устройства. В качестве силового элемента используется пневматическая камера с подвижным штоком, смонтированная с тыльной стороны задней поперечины рамы. Тем не менее беззазорные сцепки не нашли широкого применения по причине значительного усложнения конструкции и обслуживания, а также увеличения собственной массы (до 60 кг).
Седлать тягачи! (Часть 1)
Седельно-сцепное устройство (ССУ)
Специалисты нередко называют седельно-сцепное устройство, устанавливаемое на грузовой автомобиль-тягач, «пятым колесом» (от англ. fifth wheel). Этот узел является единственным механическим элементом, соединяющим тягач и полуприцеп автопоезда.
Производство седельно-сцепных устройств (ССУ) – бизнес доходный и хорошо освоенный. Им занимается солидная группа компаний: Jost, Rockinger (Германия), Georg Fisher (Швейцария), Crane Fruehauf, York (Великобритания), Fontaine Truck Equipment, Fruehauf, Holland Hitch и др. Выпускают ССУ и отечественные предприятия.
Конструкция ССУ напрямую влияет на такие эксплуатационные качества автопоезда, как управляемость, устойчивость, маневренность, плавность хода, проходимость, надежность, безопасность и экономические показатели. В общем случае седельно-сцепные устройства состоят из разъемно-сцепной системы, механизма гибкости и деталей крепления. Существует два типа ССУ: шкворневые (пара шкворень–захват) и роликовые, или бесшкворневые (пара крюк–ролик). Масса большинства ССУ составляет от 100 до 300 кг.
Шкворневые устройства
В большинстве седельно-сцепные устройства (свыше 95%) имеют шкворневую конструкцию. Сюда входят опорная плита (круг) с прорезью (устьем) в центральной части, устанавливаемая на тягаче, и шкворень, закрепленный на полуприцепе. При сцепке автопоезда шкворень входит в прорезь опорной плиты и фиксируется захватами (одним или несколькими), шарнирно закрепленными на пальцах. Так образуется сцепная пара. Шкворневые устройства обычно выполняются полуавтоматическими (сцепка звеньев автопоезда происходит автоматически, а подготовка к расцепке, т. е. разблокирование замковых устройств, – вручную). Чтобы предотвратить самопроизвольную расцепку, ставят не менее двух замковых устройств, действующих независимо, причем одно из них с ручным управлением. Полная масса автопоездов, оборудованных полуавтоматическими шкворневыми устройствами, достигает 100 т и более. Седельные устройства такого типа способны выдерживать нагрузки от 3 до 50 т.
Сцепной шкворень крепят на полуприцепе между его передней стенкой и опорными устройствами. Наиболее распространены два способа установки сцепного шкворня. Шкворень с фланцем крепят к опорному листу полуприцепа заклепками или болтами, а шкворень без фланца фиксируют корончатой гайкой со шплинтом.
Значительное внимание уделяется расположению седельно-сцепного устройства относительно задней оси тягача или оси балансира задней тележки (смещению устройства), что необходимо для полного использования грузоподъемности шин тягача, а следовательно, и автопоезда. Данное обстоятельство особенно актуально для оптимального распределения нагрузок по осям наиболее распространенных в эксплуатации трех-, четырех-, пяти- и шестиосных седельных автопоездов с учетом требований дорожного законодательства той или иной страны, во многих из которых нагрузки на оси автомобилей и прицепного состава могут быть разными. Исключением являются некоторые модели автовозов, где ССУ, испытывающее незначительную вертикальную нагрузку, для размещения надстройки смещено на самый конец рамы тягача.
Элементы ССУ
Разъемно-сцепной механизм предназначен для передачи усилий между звеньями автопоезда и обеспечивает возможность поворота полуприцепа по отношению к тягачу вокруг оси сцепного шкворня в горизонтальной плоскости.
Разъемно-сцепные механизмы подразделяются на полуавтоматические и автоматические, а по числу захватов – на одно- и двухзахватные. Больше распространены ССУ с однозахватными разъемно-сцепными механизмами. они более надежны по сравнению с двухзахватными и отличаются безопасностью конструкции. В двухзахватном механизме тяговые и тормозные усилия воспринимаются только захватами и пальцами, тогда как в однозахватной (с захватом шкворня по его верхнему поясу с большим диаметром) тяговые усилия передаются на массивный запорный кулак, при этом захват подвергается только сжимающим усилиям. Тормозные усилия передаются непосредственно опорной плитой, при этом палец захвата разгружен от продольных усилий. Благодаря захвату шкворня по верхнему поясу уменьшаются изгибающие моменты, действующие на шкворень и его крепление.
Опорные плиты ССУ выполняют либо литыми, либо штампосварными. Литые конструкции, особенно из чугуна с шаровидным графитом, обладая высокой жесткостью и малой массой, распространены шире. Для современных седельных плит характерны максимальная ширина устья 400…460 мм, угол устья 40…50°, угол скоса 8…15°. Рукоятка привода разъемно-сцепного механизма расположена справа от седельно-сцепного устройства. Ее тяга для удобства водителя может быть выполнена разной длины. Для работы с разными полуприцепами в современных ССУ предусмотрена возможность установки в одной и той же опорной плите шкворней диаметром 2 или 3,5 дюйма. Сцепные шкворни изготавливают из высокопрочной стали, после чего подвергают специальной термообработке (закалке) и тщательно проверяют на отсутствие трещин.
ССУ устанавливают на раму тягача с помощью уголковых крепежных элементов или посредством монтажных плит, имеющих различную конфигурацию: от плоской пластины до пространственной конструкции высотой до 150 мм. Срок службы современных ССУ шкворневого типа достигает 1,5…2 млн. км, т. е. примерно столько, сколько находится в эксплуатации тягач.
Нормативные документы
Размеры сцепных шкворней регламентированы. Диаметр сопрягаемой поверхности шкворня должен быть равен 2 или 3,5 дюйма (50,8 или 89 мм). Выбор одного из этих двух типов (50 или 90) зависит от полной массы автопоезда, полуприцепа и вертикальной нагрузки. Шкворни Ø50,8 мм устанавливают на полуприцепы полной массой до 55 т или при вертикальной нагрузке на ССУ до 200 кН. При большой массе (нагрузке) применяют сцепные шкворни Ø89 мм. Размеры сцепных шкворней упорядочены как национальными стандартами, так и Международной организацией по стандартизации ISО. В России помимо упомянутых допускается использование шкворней с диаметром сопрягаемой поверхности 100 мм. Высота седла для ССУ типа 50 не должна превышать 200 мм, а для ССУ типа 90 – 315 мм.
В ряде стран есть стандарты на ССУ, оговаривающие присоединительные размеры для крепления к раме тягача. Для ССУ, работающих в сцепке с полуприцепами, сцепной шкворень которых выполнен по международному стандарту ISО 337, существует международный стандарт ISО 3842, устанавливающий число, диаметр и взаимное расположение отверстий для крепления ССУ на тягачах.
В странах Евросоюза тип применяемых ССУ определяется расчетным коэффициентом нагрузки D. Его значение для ССУ автопоездов, эксплуатирующихся на дорогах общего пользования, составляет не более 162 кН. Показатель D для седельных устройств большой грузоподъемности может достигать 300 кН. Важной характеристикой конкретной модели ССУ являются размеры площади (ширины) опорной поверхности седельной плиты (24, 34, 36 и 40 дюймов).
Стандарты целой группы государств, кроме того, устанавливают углы наклона опорной плиты седельно-сцепного устройства вперед-назад в вертикальной продольной плоскости (углы β1 и β2) и углы наклона опорной плиты в обе стороны в вертикальной поперечной плоскости (углы α). По нормам, принятым в Евросоюзе, углы α должны составлять не менее ±8°. Международный стандарт ISО 1726, распространяющийся на тягачи с полуприцепами, предназначенными для международных перевозок, устанавливает величину угла α не более 3°, а угла β – не менее 8°. Понятно, что компании-изготовители своим клиентам предлагают ССУ с более высокой продольной гибкостью, поэтому диапазон изменения угла β1 составляет от 6,5° до 29°, угла β2 ─ от 7,2° до 42°.
К числу стандартизируемых размеров относятся: расстояние от оси отверстия ССУ под сцепной шкворень до задней стенки кабины или до устанавливаемых за ней узлов и агрегатов тягача; радиус габарита задней части тягача; расстояние от сцепного шкворня до ближайшей части механизма опорного устройства полуприцепа; радиус габарита передней части полуприцепа; высота верхней плоскости ССУ тягача под номинальной нагрузкой от уровня дороги. Все эти размеры оговорены также стандартом ISO 1726. Целый ряд параметров устанавливает стандарт ISO 4086.
Степени свободы
Полуавтоматические шкворневые сцепные устройства выпускают с двумя и тремя степенями свободы. В первом случае обеспечивается возможность продольного качания полуприцепа относительно тягача на определенный угол β и поворот полуприцепа вокруг оси сцепного шкворня в горизонтальной плоскости на угол не менее ±90°. Большинство седельных тягачей общетранспортного назначения, эксплуатирующиеся в основном на дорогах с усовершенствованным покрытием, оснащено ССУ с двумя степенями свободы. По сравнению с трехстепенными эти устройства повышают устойчивость автопоезда в движении, имеют меньшую массу и пониженную габаритную высоту.
Устройства с тремя степенями свободы оборудованы второй, но уже продольной осью, которая дополнительно обеспечивает возможность поперечного качания полуприцепа относительно тягача в каждую сторону на угол α до 15° включительно. При этом поперечная и продольная оси могут находиться на разной высоте или на одной в так называемом карданном шарнире. Такие технические решения используются для автопоездов, эксплуатируемых на бездорожье или предназначенных для перевозки тяжеловесных неделимых грузов, а также для транспортных средств, в состав которых входят полуприцепы особо жесткой на кручение конструкции (например, короткобазные полуприцепы, полуприцепы-самосвалы, полуприцепы-цистерны несущих конструкций и т. п.).
Использование для перечисленных выше автопоездов устройств с двумя степенями свободы приводит к передаче на раму тягача значительных скручивающих моментов, способствующих ее быстрому разрушению. Напротив, ССУ с тремя степенями свободы лишены этих недостатков, однако автопоезда с такими устройствами во время движения менее устойчивы. Другой недостаток заключается в том, что груженый полуприцеп опирается на шарнир, центр вращения которого находится ниже центра тяжести полуприцепа. При движении автопоезда в поворотах результирующая центробежная сила, действующая в центре тяжести полуприцепа, стремится опрокинуть последний, что снижает поперечную устойчивость автопоезда и может привести к аварии. Чтобы этого не прозошло, иногда применяют ССУ с механическими или гидравлическими стабилизаторами. В автопоездах, работающих в тяжелых дорожных условиях, при выезде на магистраль с качественным покрытием качание полуприцепа вокруг продольной оси ограничивается (±3°) специальным механизмом.
Имеются и другие решения. Лучшую устойчивость движения автопоезда обеспечивают ССУ с тремя степенями свободы, которые имеют «дуговой» механизм поперечной гибкости, обладающий свойством самостабилизации. Французская фирма Coder Ture разработала оригинальное сферическое ССУ, предназначенное для повышения устойчивости автопоездов и обладающее повышенной надежностью, поскольку оно сохраняет сцепление тягача с полуприцепом даже при сломанном шкворне. Сцепной механизм находится в сферическом вогнутом кожухе, диаметр сферы выбран так, что центр сферы расположен выше центра тяжести полуприцепа. Возникающая в поворотах центробежная сила стремится наклонить полуприцеп к внутренней стороне виража, т. е. повышает его устойчивость. Сцепка окружена специальными прикрепленными к полуприцепу ограничителями для сохранения его сцепления с тягачом даже при поломке шкворня. Помимо прочего описанная конструкция разгружает раму от скручивающих усилий, так как при наезде на дорожные неровности полуприцеп может наклоняться в любую сторону по отношению к тягачу.
Управление сцепкой
Все большее внимание уделяется вопросам автоматизации управления и безопасности при сцепке-расцепке тягача с полуприцепом. Зачастую изготовители, чтобы облегчить работу водителя, выпускают ССУ с пневматическими приводами для автоматической расцепки и электрическим датчиком для дистанционного контроля за состоянием ССУ. Такие модели с пружинно-пневматическим цилиндром управления разъемно-сцепным механизмом есть в арсенале компаний Fontaine Truck Equipment, ASF и Fruehauf.
Для повышения удобства управления ССУ фирма Georg Fisher предлагает электронную сенсорную систему безопасности RECCOS, два датчика которой непрерывно контролируют надежность и правильность сцепки, а еще один фиксирует расстояние между плитой полуприцепа и седельно-сцепным устройством. Происходящие процессы, в том числе неполадки, в виде звуковых сигналов и изображений на специальной информационной панели отображаются в кабине автомобиля. Водитель, не покидая рабочего места, может следить за всем процессом сцепки, которая осуществляется быстрее и надежнее, чем в традиционных конструкциях.
Аналогичная сенсорная система SKS есть и в производственной программе компании Jost. Один из датчиков, входящих в ее состав, контролирует положение замка разъемно-сцепного механизма, второй датчик следит за положением шкворня, третий фиксирует высоту ССУ. Функциональные возможности SKS повышаются благодаря наличию пневмопривода (пневматический цилиндр) расцепки ССУ с дистанционным управлением из кабины тягача, где установлен информационный дисплей.
Еще более «продвинутой» является электронная система комфортной сцепки KKS этой же фирмы. Три сенсорных датчика следят за состоянием ССУ, они определяют его высоту с автоматическим включением системы при осуществлении сцепки, контролируют положение шкворня и замка. Пневмопривод по команде водителя открывает замок для расцепки ССУ. Установку нужной высоты расположения шкворня при сцепке автоматически обеспечивают опорные устройства полуприцепа, снабженные собственным электроприводом. Рукоятка для ручного управления есть в комплекте как страховочное средство. Шкворень оснащен поворотным клином с находящимся в нем разъемом для седла, через который передается сигнал управления между тягачом и полуприцепом. Пульт дистанционного управления и контроля выполняемых операций расположен непосредственно перед водителем. Как результат исключается ручной труд при обслуживании ССУ, сокращается время сцепки, расцепки, а также износ механизмов, повышается безопасность эксплуатации за счет снижения вероятности неправильной сцепки, улучшается контроль состояния всех элементов системы.
Обычно при работе с шкворневыми ССУ после сцепки тягача с полуприцепом водитель должен соединить их тормозные и электрические коммуникации. На седельно-сцепных устройствах, созданных специалистами фирмы Тоussaint & Heβ, коммуникации с помощью переходных элементов соединяются в процессе сцепки. По его завершении водителю из кабины остается только запереть седельно-сцепное устройство для дальнейшего движения автопоезда.
