Układy i urządzenia hamulcowe > Hamulce tarczowe

Hamulce tarczowe składają się z czterech głównych elementów: tarczy hamulcowej, przekładni hamulcowej, szczęk z okładzinami ciernymi, oraz cylindrów (siłowników) hamulcowych czyli elementów pneumatyczno-mechanicznych, dzięki którym przy załączonym hamowaniu szczęki są dociskane do tarcz w wyniku czego zostaje wytworzona siła tarcia (opór ruchu).

Do napędu szczęk hamulcowych w pojazdach kolejowych wykorzystuje się sprężone powietrze (hamulec pneumatyczny lub elektropneumatyczny) wtłaczane do cylindrów hamulcowych (siłowników) z układu pneumatycznego (zobacz opis tutaj). W cylindrach znajdują się tłoki, których tłoczyska połączone są z elementami mechanicznej przekładni hamulcowej. Napór powietrza na tarczę tłoka powoduje jego wypychanie. Siła ta przenoszona jest przez tłoczysko na układ dźwigni / cięgien, czego efektem końcowym jest dociśnięcie okładzin ciernych to płaszczyzn ciernych tarczy hamulcowej. Podczas eksploatacji, na skutek tarcia par ciernych, następuje zużywanie się okładzin ciernych jak również tarcz. Ze względu na to cylindry mają wbudowane nastawiacze skoku tłoka (tzw. nastawiacze wewnętrzne), które odpowiadają za zapewnienie w stanie odhamowanym takiej samej odległości okładzin ciernych od tarcz hamulcowych i takiego samego skoku tłoka w cylindrze hamulcowym niezależnie od stopnia zużycia pary ciernej.

W nowoczesnych tramwajach stosuje się natomiast hamulce tarczowe elektrohydrauliczne. Zobacz opis tramwajowych hamulców elektrohydraulicznych tarczowych - tutaj.

Warunkiem stosowania hamulców tarczowych w pojazdach kolejowych jest stosowanie kół monoblokowych - zobacz opis tutaj. Jest to podyktowane względami bezpieczeństwa. Hamulec tarczowy hamuje oś. Gdyby stosowano go w zestawach kołowych z kołami obręczowymi, to w przypadku poluzowania się obręczy, hamowana byłaby oś i koło bose, bez oddziaływania na obręcz.

W przekładniach hamulców tarczowych rozróżnia się układ napędu grupowy i pojedynczy (indywidualny). Ten pierwszy jest rzadko stosowany. W nowobudowanych pojazdach stosuje się już wyłącznie układ pojedynczny z indywidualnymi kompaktowymi zaciskami hamulców.

W układzie grupowym jeden cylinder hamulcowy poprzez układ przekładni (dźwigni/ cięgien) przenosi siłę tłokową na dwie dźwignie zaciskowe (szczęki) okładzin ciernych.


Przykładowy schemat układu grupowego hamulcó tarczowych
A - cylinder (siłownik) hamulcowy z nastawiaczem
B - mocowanie do podwozia
C - obsada z okładziną cierną (szczęka)


W układzie pojedynczym (indywidualnym) jeden cylinder hamulcowy powoduje przez przekładnię dźwigniową obustronny docisk okładzin ciernych do tarczy. Każda tarcza hamulcowa posiada więc niezależny cylinder z przekładnią dźwigniową w formie szczęk z okładzinami ciernymi zamontowanymi w obsadach. Elementy te tworzą zintegrowany fabrycznie kompaktowy mechanizm zaciskowy szczęk zwany zaciskiem hamulca. 
W obecnie stosowanych rozwiązaniach zespół hamulca tarczowego nie wymaga projektowania przekładni hamulcowej w wózku. Projektując wózek stosuje się w jego ramie odpowiednie elementy wsporcze dedykowane dla wybranego zacisku hamulca tarczowego. Do tych wsporników przymocowuje się kompletny zacisk.
Poniższy opis będzie oparty właśnie o pojedynczy (indywidualny) układ hamulców tarczowych jako układ powszechnie stosowany w nowoczesnym taborze kolejowym.

W pojazdach kolejowych rozróżnia się dwa sposoby zabudowy tarcz hamulcowych - montowane na osiach zestawów kołowych lub na tarczach kół jezdnych w postaci dwóch pierścieni ciernych.

Tarcze zabudowane na osiach zestawów kołowych - rozwiązanie to jest stosowane najczęściej w wózkach tocznych wagonów pasażerskich i umożliwia zastosowanie do czterech zespołów hamulcowych na jednej osi.

 
Trzy zespoły hamulców tarczowych na osi 

 
Dwa zespoły hamulców tarczowych na osi (1) i tarcze hamulcwe na osi przed zamontowaniem kół jezdnych

W miejscu montażu tarcz hamulcowych na osiach zestawów kołowych wyprofilowane są podpiaścia, na które naprasowuje się piastę tarczy hamucowej. Do tej piasty tarcza jest przykręcana śrubami lub mocowana poprzez sworznie. Naprasowanie piasty odbywa się w sposób analogiczny jak naprasowywanie kół jezdnych. Jeżeli tarcze hamulcowe montowane są po wewnętrznych stronach kół jezdnych (między kołami), to średnice podpiaść dla tarcz hamulcowych muszą być większe od średnic podpiaść dla kół jezdnych. Dzięki temu, możliwe jest swobodne przesuniecie piasty tarczy hamulcowej przez podpiaście koła jezdnego i jej naprasowanie na dedykowane dla niej podpiaście.

 
Tarcze hamulcowe (opis na powiększeniach)


Przykładowe mocowanie tarczy na osi zestawu kołowego
A - tarcza cierna
B - piasta tarczy
C - pierścień dociskowy
D - połączenie śrubowe
E - kanał wtryskiwania oleju do zdejmowania piasty z podpiaścia

 
Tarcze montowane do piast śrubami (1) i widok tarczy bez piasty (2) - opis na 1 powiększeniu

Tarcze montowane do piast poprzez sworznie


Tarcze (pierścienie cierne) zabudowane na tarczach kół jezdnych - rozwiązanie to najczęściej stosowane jest w pojazdach trakcyjnych, gdy nie ma miejsca na zastosowanie wcześniej opisanego rozwiązania z powodu lokalizacji między kołami np. zespołów napędowych. Pierścienie cierne montowane są z obu stron tarcz kół jezdnych i przykręcane śrubami. Zobacz opis elektrycznych zespołów napędowych - tutaj.

 
Zespół hamulca z pierścieniami ciernymi na kole (widoczny pierścień wewnętrzny)

 
Pierścień cierny zewnętrzny na kole

 
Otwory w tarczy koła jezdego do przykręcenia pierścieni ciernych tarczy hamulcowej


Koło z przykręconym pierścieniem ciernym wewnętrznym

Tarcze hamulcowe wykonane są jako odlewy z żeliwa lub staliwa. Podczas hamowania na styku trących o siebie elementów ciernych powstaje wysoka temperatura (zmiana energii kinetycznej na cieplną), dochodząca nawet do kilkuset stopni Celsjusza. W celu zapewnienia możliwe najlepszego odprowadzenia ciepła, tarcze posiadają specjalne układ żeber pełniących rolę radiatorów - zwiększenie powierzchni oddającej ciepło. Starszego typu tarcze mają użebrowanie chłodzące w postaci promieniście rozmieszczonych płaskowników (łopatek). Takie ukształtowanie powierzchni chłodzących powoduje występowanie większych oporów ruchu podczas jazdy, które z kolei wpływają na np. większe zużycie energii podczas rozpędzania się pojazdu. Obecnie powszechnie stosowane są tarcze z użebrowaniem wałeczkowym. Rozmieszczone pomiędzy powierzchniami ciernymi tarczy wałeczki powodują, że obracająca się tarcza generuje znacznie mniejsze opory powietrza, zapewniając jednocześnie optymalne parametry chłodzenia. W pociągach dużych prędkości, w celu wyeliminowania oporów ruchu generowanych przez tarcze, stosowane są czasem tarcze niewentylowane (monolityczne), wykonane z twardej stali. Nie posiadają one użebrowań chłodzących. Takie rozwiązanie wymaga jednak stosowania odpowiednio cienkich tarcz o mniejszej średnicy tak, by były wstanie przejąć występujące obciążenia cieplne, bez ograniczania skuteczności hamowania. W takim przypadku na jednej osi zestawu kołowego zabudowywane są nawet 4 tarcze.

   
Użebrowanie chłodzące łopatkowe (1) i wałeczkowe (2 i 3) w klasycznych tarczach montowanych na osi

 
Użebrowanie chłodzące w pierścieniach ciernych, na fot. 2 makieta koła z pleksi, z zamontowanymi pierścieniami ciernymi

Tarcze (pierścienie cierne) montowane na tarczach kół jezdnych mają mniej skuteczne chłodzenie, gdyż powstające ciepło jest oddawane w dużej mierze na koło jezdne.

 
Przestrzenie dla cyrkulacji powietrza pomiędzy tarczą koła, a pierścieniem ciernym

Pod względem montażu tarcz, rozróżnia się tarcze monolityczne (niedzielone) i segmentowe (dzielone). Pierwszy rodzaj tarcz, w celu wymiany, wymaga po odkręceniu rozcięcia tarczy / pierścienia lub demontażu kół z osi. W celu założenia nowego elementu analogicznie konieczne jest rozprasowanie kół (zdjęcie z kół z osi).
W przypadku tarcz dzielonych, tarcza składa się z segmentów, które umożliwiają demontaż i montaż, bez konieczności demontażu kół jezdnych.

 
Tarcza (1), odkręcony pierścień cierny (2) - niedzielone

 
Tarcza (1), pierścień cierny (2) - dzielone (segmentowe)

 
Tarcze dzielone (segmentowe), fot. 2 - śruba mocująca ćwiartki sementów tarczy


Pierścienie cierne na kołach - dzielone (1) i niedzielone (2)


Naprasowywanie koła na podpiaście po wcześniejszym zamontowaniu tarczy hamulcowej

Obecnie produkowane koła pojazdów często przystosowuje się do zabudowy tarcz dzielonych i niedzielonych. Na przykład po wyprodukowaniu montowane są tarcze niedzielone, a po ich zużyciu stosuje się już tarcze dzielone (droższe). W przypadku, gdy pojazd może mieć stosowane tylko tarcze niedzielone to ich wymianę łączy się najczęściej z wymianą zużytych kół monoblokowych, oczywiście jeżeli stan tarcz nie wymaga ich wcześniejszej wymiany. 
Idealnym, lecz rzadko stosowanym rozwiązaniem w kolejnictwie jest układ, w którym tarcze montowane są na osiach po zewnętrznych stronach kół jezdnych. Wtedy brak tarcz dzielonych nie wpływa na komplikację przy procesie wymiany. Takie rozwiązanie spotkać można na przykład w pojazdach wąskotorowych, a powszechnie również w nowoczesnych, niskopodłogowych tramwajach.

  
Tarcza niedzielona zamontowana po zewnętrznej stronie koła

Okładziny cierne montowane w obsadach szczęk wykonywane są z tworzyw organicznych lub niekiedy ze spieków metalicznych. W ich ukształtowaniu również występują specjalne nacięcia (rowki) poprawiające chłodzenie i doleganie okładzin do płaszczyzn ciernych tarcz.

  
Przykładowe okładziny cierne

 
Okładziny cierne w obsadach szczęk

Proszę zwrócić uwagę na prawidłową nomenklaturę - okładziny cierne hamulca, a nie klocki hamulcowe.

 
Okładziny cierne: dwuelementowa (1) i jednoelemntowa (2) przy pierścieniu ciernym tarczy hamulcowej

Charakterystyczne dla hamulców tarczowych jest ciche hamowanie dodatkowo bez pisku przy zatrzymywaniu.

Kolejowe hamulce tarczowe napędzane są pneumatycznie poprzez sprężone powietrze wtłaczane do cylindrów hamulcowych (siłowników).
Siła hamowania jest zależna od ciśnienia panującego w cylindrach zasadniczych.


Indywidualne, kompaktowe zaciski z tarczami hamulcowymi na kołach jezdnych

 
Indywidualne, kompaktowe zaciski z tarczami hamulcowymi na osiach zestawów kołowych

W zakresie mechanizmów zaciskowych (zacisków) rozróżnia się dwa rozwiązania z punktu widzenia ich montażu w podwoziu. Pierwsze rozwiązanie to zaciski montowane wahliwie. Montowane są one trójpunktowo. Jeden punkt zawieszenia mocuje zacisk do podwozia (np. ramy wózka), natomiast dwa pozostałe punkty mocowania podwieszają dźwignie (szczęki) z obsadami okładzin ciernych.

   
Zacisk hamulcowy: 1 - model, 2, 3 - rzeczywiste zaciski wahliwe w podwoziach (opis na powiększeniach)

Drugim rodzajem zacisków są mechanizmy mocowane do podwozia jednopunktowo poprzez wspornik przykręcany śrubami do odpowiedniego wspornika w konstrukcji podwozia (np. ramy wózka).

   
Zacisk hamulcowy: 1 - model, 2,3 - rzeczywiste zaciski sztywne w podwoziach (opisy na powiększeniach)

W związku ze stosowaniem na pojazdach kolejowych hamulców postojowych (ręcznych lub sprężynowych) zaciski hamulców tarczowych mogą być przystosowane są do współpracy z układami takich hamulców.
Poniższe dwie fotografie przedstawiają hamulce tarczowe wyposażone w układ hamulca sprężynowego (postojowego). Konstrukcja takiego hamulca składa się z dwóch zintegrowanych ze sobą cylindrów. Jeden z nich jest typowym zasadniczym cylindrem pneumatycznym (nacisk na okładziny cierne generowany jest przez sprężone powietrze - im wyższe ciśnienie, tym mocniejszy docisk). Drugi to cylinder sprężynowy, w którym siła nacisku generowana jest przez pakiet sprężyn. W tym cylindrze brak ciśnienia oznacza generowanie maksymalnej siły hamującej (dlatego stosowany jest jako hamulec postojowy, zapewniajcy utrzymanie pojazdu w stanie zahamowanym, przy braku zasilania na pokładzie). W celu odhamowania hamulca sprężynowego należy do jego cylindra doprowadzić sprężone powietrze.

 
Zaciski z cylindrami hamulca zasadniczego i sprężynowego (opis na powiększeniach)

 
Zacisk z cylindrem hamulca zasadniczego 


Zacisk z cylindrami: zasadniczym (A) i zasadniczym / sprężynowym (B) - opis na powiększeniu

W przypadku stosowania hamulca postojowego ręcznego, do zespołu hamulcowego doprowadzana jest cięgło linkowe, która napędzane jest poprzez obracanie korbą hamulca. Przesuw linki w kołnierzu powoduje zaciskanie okładzin ciernych na tarczy. Poniższa fotografia przedstawia takie rodzaje zacisków hamulca, który na przykład zastosowany jest w spalinowym zespole trakcyjnym SA101, czy też w wagonie osobowym

 
Zaciski z układem hamulca ręcznego: szt SA101 (1), wagon osobowy (2),
Strzałki wkazują cięgna linkowe w kołnierzach połączone z korbą hamulca ręcznego 

W celu sprawdzenia, na przykład podczas próby hamulca, czy hamulce tarczowe działają prawidłowo (stan odhamowania / zahamowania), stosuje się specjalne wskaźniki wizualizujące aktualny ich stan. W tym przypadku często nie ma możliwości wizualnego sprawdzenia stanu hamulców, jak to ma miejsce przy hamulcach klockowych. Rewident musiałby wchodzić pod podwozie pojazdu, aby zweryfikować położenie okładzin ciernych wględem tarcz.
Wskaźniki stanu zahamowania montowane są na wózkach lub na nadwoziu pojazdu.
Wskaźniki te sygnalizują stan hamulców według poniższych wskazań.


Wskazania wskaźników stanu zahamowania
A - zahamowany - czerwona tarczka z czarna kropką lub czarnym pasem,
B - odhamowany - zielona tarczka,
C - stan nieznany - biała tarczka z czarnymi przekątnymi - dotyczy hamulca sprężynowego (brak sprężonego powietrza w zbiorniku zasilającym układ wskaźników)

   
Przykładowe wskaźniki stanu zahamowania (opis na 1 powiększeniu)

  
Instalacja pneumatyczna wskaźników


Wskaźniki stanu zahamowania w ezt - zmiana stanu podczas odhamowania