Podwozia, wózki i zestawy kołowe > Prowadzenie i usprężynowanie zestawów kołowych

Klasyczny zestaw kołowy zamontowany jest do ramy wózka poprzez dwa węzły łożyskowe. Każdy z węzłów składa się z:
a) kadłuba łożyskowego z łożyskiem osi,
b) układu prowadzenia zestawu kołowego,
c) usprężynowania I stopnia (więzów sprężystych).

W przypadku tramwajów z niezależnymi kołami (bez klasycznej osi) z zastosowaniem tzw. osi wykorbionej (portalowej) łożysko toczne zabudowane jest w ramach koła bosego i naprasowane na trzpień osi wykorbionej.

Łożyska główne (maźnice)
Łożysko główne zestawu kołowego zwane też potocznie maźnicą (nazwa pochodzi o czasów stosowania łożysk ślizgowych) to podzespół, w którego skład wchodzą łożyska toczne (dawniej: ślizgowe) osadzone na czopach łożyskowych osi oraz kadłub (korpus) maźnicy, w którym te łożyska są osadzone. Kształt kadłuba łożyska jest zależny oraz rodzaju zastosowanego prowadzenia zestawu kołowego względem ramy wózka oraz od typu zastosowanego usprężynowania I-ego stopnia.

a) Łożyska toczne to łożyska w których pomiędzy dwoma pierścieniami znajdują się elementy toczne w kształcie kulek, walców lub baryłek.
Pierścień wewnętrzny osadzony jest na czopie łożyskowym osi, a pierścień zewnętrzny osadzony jest w kadłubie łożyska. Pomiędzy pierścieniami mieszczą się wymienione wcześniej elementy toczne łożyska.

b) Łożyska ślizgowe, czyli takiej w których łożyskowane działa na zasadzie ślizgania się panewki o czop łożyskowy - były stosowane w starszego typu pojazdach. 


Kadłuby łożysk tocznych są to elementy wykonane najczęściej jako odlewy, a ich kształt, jak było wspomniane, jest zależny od zastosowanego w danym pojeździe rodzaju prowadzenia i usprężynowania zestawów kołowych.
Wewnątrz cylindrycznej części kadłuba osadzane są łożyska (zespoły łożysk), a przestrzenie wolne między częściami tocznymi łożysk oraz wolną przestrzeń w kadłubie wypełnia się smarem stałym. Kadłuby łożysk w zależności od miejsca usytuowania na osi osłania się i odpowiednio uszczelnia w celu zabezpieczenia przed przedostawaniem się zanieczyszczeń do łożyska oraz przed wypływaniem smaru z łożyska na zewnątrz. Ilość smaru musi być szczegółowo dobrana - zbyt duża jego ilość prowadzi do przegrzewania się łożysk.
Smar musi być też w odpowiednich odstępach czasu uzupełniany i wymieniany.


Łożysko główne (kadłub z łożyskiem) na osi zestawu kołowego

 
Przykładowy kadłub łożyska przed osadzeniem łożyska i łożyska toczne (widok bez pierścienia wewnętrznego)




2) Układy prowadzenia zestawów kołowych
Rozróżnia się trzy grupy układów prowadzeń zestawów kołowych:
- prowadzenia sztywne,
- prowadzenia luzowe,
- prowadzenia bezluzowe.


a) PROWADZENIA SZTYWNE
Ze względu na sztywne połączenie ramy wózka z kadłubem łożyska, wszystkie drgania pochodzące od współpracy między kołami, a szynami są przenoszone na ramę wózka. Brak elementów sprężystych powoduje, że przy tym rodzaju prowadzenia zestawów nie występuje pierwszy stopień usprężynowania.
Sztywne prowadzenie zestawów kołowych można spotkać w klasycznych wagonach typu 13N, 102N, 105N i pochodnych.


Przykładowy schemat prowadzenia sztywnego


 
Wózek wąskotorowy (805N) ze sztywnym prowadzeniem zestawów kołowych (opis na 2 powiększeniu)


   
Prowadzenie sztywne w wózku normalnotorowym (105N), oś zestawu kołowego z łożyskami i podłużnica ramy z obejmą łożyska (opis na 1 i 2 powiększeniu)



b) PROWADZENIA LUZOWE
W prowadzeniach luzowych możliwe jest przemieszczanie się kadłubów łożysk osiowych (maźnic) względem ramy wózka. Możliwość przemieszczania się umożliwiają luzy pomiędzy tymi elementami. Prowadzenia takie cechują się znaczącym zużyciem ciernym współpracujących ze sobą obiektów. Tego typu układy spotkać można już jedynie w starych tramwajach obecnie funkcjonujących głównie jako zabytkowe. Nie są stosowane w obecnie produkowanych wagonach tramwajowych.

Prowadzenie widłowe
Widłowe prowadzenie to proste konstrukcyjnie rozwiązanie w układzie biegowym pojazdu. Do podłużnic ram wózków zamontowane są prowadnice ze stalowymi wykładzinami ślizgowymi.  Do kadłubów łożysk osiowych zamontowane są ślizgi, które współpracują ciernie z wykładzinami. Konieczne luzy pomiędzy elementami ślizgowymi i ich współpraca cierna powodują powstanie zużyć i konieczność okresowej wymiany tych części ślizgowych. Luzy wpływają niekorzystnie na prowadzenie zestawu kołowego szczególnie gdy zwiększają się na skutek zużycia.  Omawiany układ prowadzenia jest bardzo prosty w budowie. Największą jego wadą jest występujące mimo smarowania, zużycie cierne współpracujących ze sobą elementów przez co pogorszone zostają własności biegowe pojazdu. W zakresie uspreżynowania przy prowadzeniu widłowym stosowane są najczęściej resory piórowe.



Schemat prowadzenia widłowego

   
Przykładowe prowadzenia widłowe (opis na powiększeniach)

c) PROWADZENIA BEZLUZOWE
Prowadzenia bezluzowe to takie typy prowadzeń zestawów kołowych, w których podatność węzła łożyskowego jest zapewniona bez stosowania luzów pomiędzy kadłubem łożysk, a ramą wózka. Wprowadzenie takich rozwiązań konstrukcyjnych było możliwe dzięki rozwojowi technologii tworzyw sztucznych w zakresie elementów gumowych, dzięki którym zapewniona jest odpowiednia podatność tych węzłów.


Prowadzenie wahaczowe 
Ramię wahacza najczęściej jest odlane ze staliwa wraz z cylindryczną częścią kadłuba łożyska osiowego, stanowiąc tym samym jeden monolityczny sztywny komponent.
Zastosowane w tym rozwiązaniu mocowanie wahacza do podłużnicy ramy wózka przez sworzeń z elementem gumowym, zapewnia odpowiednią podatność poprzeczną i wzdłużną.
Ten typ prowadzenia jest bardzo często stosowany we współczesnych konstrukcjach podwozi pojazdów kolejowych. W tramwajach należy jednak do rzadszych rozwiązań. Podatność przegubu mocującego wahacz umożliwia skrętność zestawu kołowego w płaszczyźnie poziomej, co poprawia aspekty współpracy kół z szynami toru w momencie nabiegania koła na szynę przy jeździe po łuku.


Schemat prowadzenia wahaczowego

 
Przykładowe prowadzenie wahaczowe (opis na powiększeniach)

 

Prowadzenie metalowo-gumowe
Najczęściej stosowane w taborze tramwajowym jest prowadzenie metalowo-gumowe, które zapewnia prowadzenie i usprężynowanie zestawu kołowego bez dodatkowych elementów konstrukcyjnych. W jednym z rozwiązań sprężyna metalowo-gumowa w kształcie klina, osadzana jest pomiędzy odpowiednio ukształtowaną podłużnicą ramy wózka, a kadłubem łożyskowym (maźnicą) lub blokiem osi wykorbionej. Dodatkowo konstrukcja sprężyny metalowo-gumowej klinowej (wkładki amortyzacyjnej) umożliwia dobór sztywności w trzech kierunkach, a podczas eksploatacji nie wymaga obsługi w zakresie regulacji.


 
Schemat prowadzenia metalowo-gumowo klinowego



Kadłub łożyska z ukształtowaniem pod wstawę klinową

Wstawka metalowo-gumowa klinowa



Prowadzenie metalowo-gumowe typu klinowego - klasyczna oś (opis na powiększeniu)

 
Prowadzenie metalowo-gumowe typu klinowego - oś wykorbiona - portalowa (opis na powiększeniach)


Innym przykładem prowadzenia metalowo-gumowego jest układ z zastosowaniem elementów metalowo - gumowych stożkowych, które są odpowiednio zwulkanizowane i zamontowane pomiędzy kadłub łożyska lub blok osi wykorbionej, a podłużnicą ramy wózka.

 
Prowadzenia metalowo-gumowe typu stożkowego - klasyczna oś (opis na 1 powiększeniu)


Prowadzenie metalowo-gumowe typu stożkowego - oś wykorbiona - portalowa (opis na powiększeniu)

3) Usprężynowanie I stopnia
Usprężynowanie pierwszego stopnia stanowi filtr mechaniczny pomiędzy zestawm kołowym, a ramą wózka poprzez zastosowanie pomiędzy tymi obiektami elementów sprężystych. Przykładowe lokalizacje sprężyn pierwszego stopnia usprężynowania wskazane zostały przy omawianiu układów prowadzeń zestawów kołowych.
Układ usprężynowania I stopnia odpowiada za:
- amortyzację drań przenoszonych przez zestaw kołowy,
- ograniczenie masy nieusprężynowanej przypadającej na zestawy kołowe,
- przenoszenie obciążeń pionowych pomiędzy zestawem kołowym i ramą wózka (pojazdy wózkowe),
- umożliwienie przemieszczania zestawów kołowych względem ramy wózka w ramach ugięć elementów sprężystych układu.

Elementami sprężystymi w pierwszym stopniu usprężynowania są w starszych pojazdach sprężyny stalowe piórowe (resory), a w nowych konstrukcjach najczęściej sprężyny metalowo - gumowe.