Ось запора сцепного устройства

В. Васильев, иллюстрации из архива автора

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.

Установка ССУ с тремя степенями свободы на большегрузном тягаче, видны поперечная и продольная оси качания

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.

Источник