transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Oparcia SPRĘŻYSTE > Oparcia BEZPOŚREDNIE i sposoby przenoszenia sił wzdłużnych z wózków na nadwozie

Zastosowanie w pojazdach sprężyn wielofunkcyjnych stworzyło prosty układ oparcia nadwozia poprzez wyeliminowanie wcześniej stosowanych elementów pośrednich, wpływając na zmniejszenie masy wózka oraz miejsc, gdzie występuje tarcie. Poniżej opis przykładowych oparć bezpośrednich i sposobów przenoszenia sił wzdłużnych.


1) Oparcie nadwozia z udziałem śrubowych sprężyn dwufunkcyjnych typu "flexicoil"
Poniżej opisane rozwiązania oparcia nadwozia i przenoszenia sił wzdłużnych opracowane są na przykładzie lokomotyw EP09, 111Db, E6ACT, E4DCU, zespołu trakcyjnego ED250 itp.
Oparcie nadwozia z wykorzystaniem stalowych, śrubowych sprężyn dwufunkcyjnych typu "flexicoil" to boczny rodzaj oparcia nadwozia bezpośredniego.
Sprężyny osadzone są w gniazdach sprężyn na podłużnicach ramy wózka. Ilość sprężyn jest zależna od konkretnego rozwiązania. Można spotkać układy w których są dwie sprężyny (po jednej na podłużnicę) lub cztery sprężyny (po dwie na podłużnicę). Zasadniczo stosuje się sprężyny w układzie wielokrotnym. Również w zależności od obliczeń dynamicznych pod sprężyny mogą być dodatkowo stosowane podkładki gumowe (metalowo-gumowe), służące do amortyzacji drgań o wysokiej częstotliwości.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Gniazda sprężyn na podłużnicy ramy wózka (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Sprężyny dwufunkcyjne w układzie wielokrotnym osadzone na wózku



Na sprężynach osadzone jest bezpośrednio nadwozie pojazdu. Z racji stosowania sprężyn stalowych, układ oparcia wyposażony jest w amortyzatory (tłumiki) hydrauliczne.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowe rozwiązania oparcia nadwozia z wykorzystaniem sprężyn typu "flexicoil" (opis na pow.)



W sytuacji gdy nadwozie ma np. konstrukcję aluminiową w układzie bezpośredniego oparcia nadwozia stosuje się przykręcaną do niego belkę poprzeczną zwaną belką skrętową nadwozia. Jest to belka nieruchoma względem nadwozia (nie jest ona elementem pośredniego oparcia nadwozia). Ta belka belka skrętowa pełni rolę elementu konstrukcyjnego, wynikającego z zastosowanej konstrukcji struktury nadwozia.

Kliknij aby powiększyć   
Oparcie nadwozia z wykorzystaniem sprężyn dwufunkcyjnych typu "flexicoil" z zastosowaniem przykręcanej belki poprzecznej pod nadwoziem aluminiowym (opis na pow.)



W elektrowozach typu 104E (seria EP09) początkowo zastosowano oparcie bezpośrednie nadwozia na wózkach za pośrednictwem skośnych wieszaków i sprężyn śrubowych naciskowych. Dopiero w ostatnich dziesięciu egzemplarzach zastosowano nowoczesne oparcie za pośrednictwem sprężyn wielofunkcyjnych typu "flexicoil", co znacznie poprawiło własności biegowe tych pojazdów oraz projektowo było wstępem do rozwoju ich konstrukcji w aspekcie eksploatacji z prędkością 200 km/h.

Kliknij aby powiększyć   
Oparcie nadwozia poprzez wieszaki skośne i sprężyny śrubowe naciskowe (opis na pow.)


Kliknij aby powiększyć   
EP09-010 z nadwoziem opartym poprzez wieszaki skośne i sprężyny śrubowe naciskowe




Kliknij aby powiększyć   
Oparcie nadwozia EP09 poprzez sprężyny typu "flexicoil" (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
EP09-038 z nadwoziem opartym poprzez sprężyn typu "flexicoil"



Przy omawianym sposobie oparcia stosuje się dwa sposoby przenoszenia sił wzdłużnych z wózków na nadwozie. Pierwszym z rozwiązań jest zastosowanie układu cięgien skośnych, które łączą ramę wózka z nadwoziem. Przebieg cięgien po skosie jest podyktowany możliwie maksymalnym wykorzystaniem masy napędnej pojazdu, a więc utrzymaniem odpowiedniej przyczepności zestawów kołowych przy wywiązywaniu sił trakcyjnych. Skośny przebieg cięgien tworzy teoretyczny punkt przeniesienia sił trakcyjnych na poziomie główek szyn.
W związku z brakiem zastosowania czopa skrętu w takim przypadku skrętność wózka jest realizowana przez odpowiednią współpracę cięgien z nadwoziem i sprężysty układ oparcia nadwozia. Mówi się w takim przypadku o tzw. teoretycznej osi pionowej obrotu wózka, a co za tym idzie teoretycznym rozstawie czopów skrętu. Tą teoretyczną lokalizację osi obrotu przyjmuje się w miejscu przecięcia osi wzdłużnej wózka i osi poprzecznej sprężyn drugiego stopnia usprężynowania, czyli tu, gdzie w klasycznym rozwiązaniu stosowany jest czop.

Kliknij aby powiększyć   
Układ wózka z przenoszeniem sił wzdłużnych
z zastosowaniem cięgien skośnych - schemat prowadzenia wózków



Konstrukcja cięgien trakcyjnych składa się z drągów zakończonych łbami. W łbach zastosowane są tuleje metalowo-gumowe osadzone odpowiednio na czopach osadczych w nadwoziu i ramie wózka.
Tuleje metalowo gumowe zapewniają odpowiednią podatność węzłów.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   

Kliknij aby powiększyć       
Cięgna skośne pomiędzy wózkiem, a nadwoziem (opis na pow.)



W elektrowozach 104E (EP09) siły wzdłużne z wózków na nadwozie przenosi układ cięgien skośnych dwustronnych dodatkowo połączonych cięgnami poziomymi. Cięgna skośne po stronie mocowań do nadwozia zakończone są głowicami z podatnymi elementami gumowymi w postaci pierścieni. Te elementy gumowe amortyzują drgania podłużne wynikające z wywiązywania sił trakcyjnych oraz zapewniają podatność związana ze skrętnością wózków.
W układzie kinematycznym wózków zatarasowany jest dodatkowo sprzęg międzywózkowy. Jest to urządzenie które wiąże wózki w ściśle określonych kierunkach pozostawiając swobodę ich ruchów w pozostałe strony. Sprzęg ten stosuje się dla poprawienia własności biegowych pojazdu przy jeździe po torze prostym, umożliwia zwiększenie prędkości przejazdu na łukach (powoduje jednakowe wpisywanie się wózków w łuk) oraz wpływa na zmniejszenie zużycia kół zestawów kołowych. Sprzęg międzywózkowy nie przenosi sił wzdłużnych ani też sił leżących w podłużnej płaszczyźnie pionowej. Wiąże natomiast wózki tylko w kierunku osi poprzecznej lokomotywy i wzdłuż tego kierunku umożliwia ich wzajemne ruchy. Omawiany sprzęg składa się z dwóch trójkątnych, rurowych ram oraz amortyzatora poprzecznego. Ramy z jednej strony zamocowane są podatnie do czołownic wózków. Przeciwległe końce ram połączone są z amortyzatorem poprzecznym. Amortyzator w celu utrzymania poziomego układu sprzęgu jest podwieszony do pudła pojazdu poprzez pionowe cięgło w skład którego wchodzi sprężyna umożliwiająca regulację wysokości. Podstawowymi częściami amortyzatora poprzecznego są dwie pary sprężyn. Dwie szeregowo ustawione sprężyny wewnętrzne współpracują równolegle z dwoma sprężynami zewnętrznymi. Całość zamknięta jest w walcowej obudowie (korpusie).
Sprzęgów miedzywózkowych nie stosuje się w nowych konstrukcjach pojazdów dzięki zastosowaniu układu tłumienia drgań poprzecznych w formie między innymi amortyzatorów hydraulicznych wężykowania, których w lokomotywach starszego typu, takich jak omawiane tu EP09, nie ma.

Kliknij aby powiększyć   
Układ cięgien przenoszenia sił wzdłużnych
w lokomotywach EP09 - schemat prowadzenia wózków

(na schemacie nie pokazano sprzęgu międzywózkowego)


Kliknij aby powiększyć   
Głowica podatna cięgna w czołownicy ostoi nadwozia (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Połączenie podatne głowicy z cięgnem skośnym (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Cięgno skośne i cięgna poziome oraz wsporniki na wózku (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Cięgno skośne i wspornik głowicy podatnej w środkowej części nadwozia (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Głowica podatna cięgna i sprzęg międzywówzkowy (opis na pow.)



Drugim rozwiązaniem w zakresie przenoszenia sił wzdłużnych z wózków na nadwozie przy oparciu na sprężynach dwufunkcyjnych typu "flexicoil" jest np. zastosowanie układu czopowo-prowadnikowego. Szczegóły tego rozwiązania są opisane w dalszej części w ramach opisu oparcia nadwozia zastosowaniem sprężyn pneumatycznych.






2) Oparcie nadwozia z zastosowaniem sprężyn pneumatycznych
Sprężyny pneumatyczne stosowane są powszechnie jako układ usprężynowania II stopnia i oparcia nadwozia w nowoczesnych elektrycznych i spalinowych zespołach trakcyjnych oraz wagonach silnikowych.
W omawianym układzie sprężyny pneumatyczne wsparte są na podłużnicach ramy wózka poprzez sprężyny dodatkowe (awaryjne).

Kliknij aby powiększyć   
Gniazdo sprężyny pneumatycznej na podłużnicy ray wózka



Na płytach mocujących sprężyn oparte jest nadwozie. Analogicznie jak przy sprężynach stalowych dwufunkcyjnych występują rozwiązania, w których pomiędzy płytą mocującą sprężyny, a nadwoziem występuje belka poprzeczna (skrętowa) na stałe przykręcona do nadwozia. Taki układ występuje głównie w sytuacji, gdy konstrukcja nadwozia jest aluminiowa. Belka ta stanowi element konstrukcyjny węzła oparcia nadwozia i nie jest odpowiednikiem pośredniej belki skrętowej.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowe oparcie na sprężynach pneumatycznych na wózku klasycznym (opis na pow.)



W przypadku stosowania w zespole trakcyjnym wózków w systemie Jacobsa można spotkać układy, w których każdy z członów oparty jest na wózku przez parę sprężyn (co daje cztery sprężyny pneumatyczne na każdym wózku), lub gdy para sprężyn podpiera jednocześnie obywa sąsiadujące człony (co daje dwie sprężyny pneumatyczne na wózek, czyli analogiczny układ jak w wózkach klasycznych).

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Wózek Jacobsa - oparcie sąsiednich członów na niezależnych sprężynach



Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Wózek Jacobsa - oparcie sąsiednich członów na wspólnych sprężynach



Ciśnieniem w sprężynach pneumatycznych steruje układu ważący. Specjalne pneumatyczne zawory ważące zamontowane są tak, że mierzą obciążenie pojazdu na podstawie ugięcia pionowego sprężyn pneumatycznych. W zależności od aktualnego obciążenia, ciśnienie w miechach sprężyn regulowane jest na bieżąco w celu utrzymania nadwozia pojazdu na jednakowej wysokości względem główki szyny. Dodatkowo pomiar obciążenia pojazdu przekłada się również na działanie układu hamulcowego z punktu widzenia siły hamowania i rodzaju hamulców używanych przy hamowaniu (zobacz opis układów hamulcowych).

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Układy ważenia pojazdu (opis na pow.)



Ze względu na odpowiednią podatność poprzeczną sprężyny pneumatyczne pracują jak sprężyny dwufunkcyjne zapewniając poza przenoszeniem obciążeń pionowych również i obciążeń w płaszczyźnie poziomej. Dzięki temu bez elementów pośrednich zapewniona jest skrętność wózków. Dodatkowo sprężyny naprzeciwległe są połączone poprzez mechaniczny układ stabilizacji poprzecznej nadwozia. Układ ten odpowiada za prawidłowe równoważenie pracy naprzeciwległych sprężyn pneumatycznych tak by pracowały równolegle w zakresie stabilizacji nadwozia.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowy układ stabilizatorów mechanicznych sprężyn pneumatycznych (opis na pow.)




Przenoszenie sił wzdłużnych z wózka na nadwozie realizowane może być na dwa sposoby. Stosuje się układ czopowo-prowadnikowy, w którym do nadwozia pojazdu zamontowany jest czop. W wózku znajduje się gniazdo czopa z jarzmem, połączonym z poprzecznicą ramy wózka przez podatny prowadnik (cięgno). Jarzmo przykręcone jest do czopa, realizując połączenie mechaniczne wózka z nadwoziem i przenoszenie sił wzdłużnych. Do jarzma przymocowane są również amortyzatory (tłumiki) hydrauliczne poprzeczne II stopnia usprężynowania, które amortyzują obciążenia poprzeczne. Obciążenia wzdłużne są amortyzowane przez tuleje-metalowo-gumowe w łbach prowadnika.

Kliknij aby powiększyć   
Układ czopowo-prowadnikowy - schemat



Na obwodzie gniazda czopa w poprzecznicy ramy wózka znajdują się odbijaki, które w stanie zasadniczym nie stykają się z czopem. Stanowią zabezpieczenie na wypadek wywiązania w układzie sił większych niż te z zakresu pracy elementów podatnych układu prowadzenia (tulei w prowadniku i amortyzatorów hydraulicznych). W takiej sytuacji czop styka się z odbijakiem dla danego kierunku wynikłego z oddziałujących sił i w ten sposób przenosi obciążenia z wózka na nadwozie. Zasadniczo jednak siły przenoszone są bez styku czopa z obijakami w ramach podatności prowadnika.

Kliknij aby powiększyć   
Czop w nadwoziu pojazdu



Kliknij aby powiększyć   
Gniazdo jarzma czopa w poprzecznicy ramy wózka (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Układ przeniesienia sił czopowo-prowadnikowy (opis na pow.)



W ukałdzie czopowo-prowadnikowym skrętność wózka jest realizowana w ramach podatności elemntów metalowo-gumowych w prowadniku. Z tego powodu czop w nadwozu nie jest nazywany czopem skrętu, a czopem prowadzącym nadwozie (przenoszenie sił poziomych w tym wzdłużnych).


Innym rozwiązaniem jest układ stosowany również w wózkach kalsycznych, ale przede wszystkim w wózkach systemu Jacobsa. W tych drugich wózek jest montowany mechanicznie do przegubu mechanicznego międzyczłonowego. Przegub wyposażony jest w walcowy czop skrętu, który osadzony jest w cylindrycznym gnieździe jarzma w wózku. Jarzmo z kolei zamontowane jest podatnie do poprzecznic ramy wózka. W tym rozwiązaniu spotyka się na przykład jarzmo zamontowane między poprzecznicami ramy wózka w ukałdzie lemniskatowym przez dwa podatne prowadniki (cięgna).

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Wózek z jarzmem czopa skrętu w układzie lemiskatowym (opis na pow.)



Kliknij aby powiększyć   
Przegub międzyczłonowy i jarzmo czopa



Zarówno przy wózkach klasycznych jak i tych w systemie Jacobsa, czop przenosi obciążenia poziome w tym siły wzdłużne natomaist nie przenosi obciążeń pionowych. Wszystkie obciążenia pionowe przenoszą sprężyny pneumatyczne II stopnia uspreżynowania.

Aby ograniczyć skrętność wózków, dostosowując ich obrót / przesuw do wymaganych parametrów związanych z dynamiką jazdy w tym minimalnego promienia łuku torowego, po jakim pojazd może być eksplaotowany stosuje się układy ograniczające obrót wózka. W ukłądzie wózek / nadwozie zabudowane mogą być np. elementy oporowe współpracujące z tzw. rolkami odbijaka. Gdy wózek podczas jazdy obraca się względem nadwozia dochodzi do oparcia się rolki o powierchnię oporową i poprowadzenie wózka do maksymalnego kąta obrotu w płaszczyźnie poziomej, a nastepnie zatrzymanie jego obrotu.

W omawianym zakresie, w innych rozwiazaniach oparć nadwozi stosuje się np. zwykłe elastyczne odbijaki bez rolek i funkcji prowadzenia.

Kliknij aby powiększyć    Kliknij aby powiększyć   
Przykładowe układy ograniczników obrotu z zastosowaniem rolek odbijaków (opis na pow.)





3) Oparcie nadwozia z udziałem dwufunkcyjnych sprężyn metalowo-gumowych
Omawiany ukłąd oparcia nadwozia spotkać można na przykład w lokomotywach typu 201E (seria ET22). Nadwozie lokomotywy wsparte jest na wózkach poprzez dwufunkcyjne sprężyny metalowo - gumowe. W omawianym rozwiązaniu nie ma cztywnego zamocowania wózka do nadwozia porpzez czop co powduje uleastycznienie układu w zakresie wspólpracy z torem, co ma bardoz duże znaczenie właśnie w lokomotywach z wózkami trzyosiowymi.
Zamocowanie pionowe wózka do nadwozia realizują wieszaki skośne. Przenoszenie sił wzdłużnych z wózków na nadwozie realizują poziome cięgna trakcyjne.

Kliknij aby powiększyć   
Układ wózka z przenoszeniem sił wzdłużnych
z zastosowaniem cięgien prostych - schemat prowadzenia wózków



Kliknij aby powiększyć    Sprężyna metalowo-gumowa dwufunkcyjna

Kliknij aby powiększyć    Gniazda sprężyn metalowo-gumowych w ostoi nadwozia

Kliknij aby powiększyć    Cięgna przednie (opis na pow.)

Kliknij aby powiększyć    Wspornik cięgna przedniego w ostoi nadwozia i amortyzator hydr. pionowy

Kliknij aby powiększyć    Cięgno tylne

Kliknij aby powiększyć    Podatna głowica cięgna z amortyzatorem gumowym



W lokomotywach ET22 oprócz powyższych elementów zastosowany jest również sprzęg międzywózkowy, który poprawia własności dynamiczne lokomotywy, gdyż wózki wpisują się jednakowo w łuk zezwalając im na sprężyste odchylenia.

Kliknij aby powiększyć    Sprzęg międzywózkowy

Kliknij aby powiększyć    Miejsca mocowania drążków sprzęgu międzywózkowego w wózku