Sprzęgi, połączenia międzywagonowe i międzyczłonowe > Sprzęgi mechaniczne

Sprzęgi stosowane w tramwajach służą do mechanicznego połączenia wagonów w składy tramwajowe (pociągi tramwajowe) z zapewnieniem bezpieczeństwa oraz płynnej i komfortowej jazdy. Realizują one funkcję pociągowo-zderzną, czyli przenoszą siły wzdłużne (pociągowe i hamujące) w tym siły wynikające z nabiegania pojazdów na siebie podczas jazdy przy jednoczesnym pochłanianiu części energii powstałej na skutek tego nabiegania. Sprzęgi zapewniają też utrzymanie jednakowej, właściwej odległości pomiędzy połączonymi wagonami.
Sprzęgi muszą posiadać właściwą wytrzymałość, tak by mogły przenosić wspomniane powyżej obciążenia wzdłużne połączonych wagonów zarówno podczas typowej jazdy jak również podczas holowania, czy też spychania niesprawnego wagonu przez pojazd sprawny.
Z zakresie sprzęgania pojazdów tramwajowych należy zwrócić uwagę na rodzaje łączonych wagonów. Chodzi o to, czy sprzęgnięte wagony są wagonami silnikowymi lub doczepnymi czynnymi, czy też sprzęgnięte ze sobą są wagon silnikowy i doczepa bierna, czyli wagon niewyposażony w napęd (zobacz klasyfikację tramwajów - tutaj). W pierwszym przypadku, czyli przy połączniu ze sobą wagonów silnikowych lub wagonów silnikowych z doczepami czynnymi, mówimy o jeździe ukrotnionej, gdyż obydwa wagony pociągu tramwajowego mają napęd, tylko drugi wagon (i ewentualne kolejne) jest sterowany z pierwszego (silnikowego). W takiej konfiguracji sprzęgi służą przede wszystkim zabezpieczeniu na wypadek nierównomiernej pracy lub awarii napędu, czy hamulców któregoś z wagonów składu. Teoretycznie (co udało się uzyskać w praktyce) przy prawidłowo wyregulowanym napędzie wszystkich wagonów, po rozłączeniu sprzęgów mechanicznych wagony powinny jechać, utrzymując jednakową odległość względem siebie. W efekcie tego, przy prawidłowym działaniu wagonów, sprzęgi w takiej sytuacji, przenoszą obciążenia wzdłużne wynikające z dynamicznego zachowania się wagonów wynikające z niedokładności pracy napędu i hamowania w trybie ukrotnionym. W przypadku łączenia wagonów silnikowych z wagonami doczepnymi biernymi sprzęgi przenoszą wszystkie siły wzdłużne występujące między pojazdami. Przy rozruchu sprzęg przenosi całą siłę pociągową z wagonu silnikowego na doczepę bierną (wagon silnikowy musi mieć odpowiednią nadwyżkę mocy, aby napędzać siebie jak również ciągniętą doczepę bierną). Przy hamowaniu natomiast, w doczepie biernej uruchamiane są hamulce cierne w celu ograniczenia jej nabiegania na wagon silnikowy oraz uzyskania właściwych parametrów hamowania całego składu tramwajowego.
Sprzęgi mocowane są do nadwozia podatnie poprzez wsporniki podatne z tzw. tulejami promieniowymi, które zapewniają możliwość obrotu sprzęgu w płaszczyźnie poziomej (przejazd tramwajów po łukach poziomych). Dodatkowo mocowanie sprzęgów zapewnia też podatność w zakresie ruchów pionowych w celu umożliwienia właściwej pracy podczas przejazdu składów tramwajowych przez łuki pionowe.

W tramwajach stosowane są sprzęgi mechaniczne ręczne (najczęściej) lub sprzęgi automatyczne.


1) Sprzęgi mechaniczne ręczne
Najpopularniejszym typem sprzęgu mechanicznego stosowanego w tramwajach jest sprzęg Alberta opracowany w roku 1920 przez niemieckiego konstruktora Karla Alberta w firmie Krefelder Verkehrs AG (obecnie KREVAG). Kształt głowicy umożliwia połączenie sprzęganych wagonów poprzez odpowiednio ukształtowane głowice, które łączy się dwoma sworzniami. Występują dwie odmiany omawianego sprzęgu. Pierwsza z nich (starszego typu rozwiązanie) to sprzęgi stałe (niełamane), które po rozprzęgnięciu wagonów cały czas wystają przed pojazd. Wystawanie głowicy sprzęgu przed ścianę czołową pojazdu i zabudowany w niej zderzak (absorber energii), powoduje, że jest to pierwszy komponent, który natrafia na przeszkodę w przypadku kolizji. W efekcie przy zderzeniu, może doprowadzić do dodatkowych szkód, zarówno wśród pieszych jak pojazdów.

   
Sprzęg sztywny z głowicą Alberta (opis na 1 powiększeniu)

   
Sprzęg sztywny (1), schemat sprzęgu sztywnego (2) - źródło: dokumentacja techniczna wagonu typu 13N

 
Mocowanie sprzęgu do nadwozia wagonu i drąg (1), głowica Alberta ze sworzniem (2)

   
Mocowanie sprzęgu do nadwozia z gumową płytką, zapewniającą podatność i amortyzację - starszego typu rozwiązanie z wagonów jeżdżących w trybie ukrotnionym (opis na powiększeniach)

  
Sprzęgi sztywne w zabytkowych wagonach silnikowych, które sprzęgane są z doczepami biernymi - zastosowany amortyzator sił wzdłużnych (opis na powiększeniach)

 
Głowica Alberta (opis na 1 powiększeniu)

W nowobudowwanych wagonach sprzęg zasadniczo wyposażony jest w układ pochłaniający siły wzdłużne, w postaci amortyzatora (pochłaniacza), zabudowanego w ramach wspornika podatnego (tzw. tulei promieniowej) mocującego sprzęg do nadwozia. nowoczesne sprzęgi nie wymagają też stosowania belek podwieszających (prowadników) poziomych, gdyż ich konstrukcja i sposób zamocowania zapewniają właściwe podtrzymanie (zobacz dalsze opisy).

W celu umożliwienia schowania sprzęgu w obrysie nadwozia wagonu, sprzęgi sztywne zastępowano sprzęgami łamanymi. Takie rozwiązanie jest obecnie powszechnie stosowane we wszystkich nowych wagonach tramwajowych wyposażonych w sprzęgi z głowicą Alberta. Łamanie sprzęgu polega na tym, że jego drąg składa się z dwóch części połączonych zawiasem tulejowym i zastosowanym mechanizmem ryglującym (zapadkowym).

 
Sprzęg łamany starszego typu - złożony (1) i rozłożony (2)

 
Nowoczesny sprzęg łamany - złożony (opis na 1 powiększeniu)

W celu rozłożenia sprzęgu należy odblokować jego głowicę ze wspornika stabilizującego w konstrukcji nadwozia, a następnie, pociągnąć głowicę do pozycji rozłożonej, tak by zapadka mechanizmu ryglującego zablokowała drąg sprzęgu w pozycji rozłożonej.


Nowoczesny sprzęg łamany rozłożony (wskazany wspornik stabilizujący sprzęg w pozycji złożonej)

Mechanizm blokujący odpowiada za zablokowanie drąga sprzęgu w pozycji rozłożonej. Jest to mechanizm sprężynowo-zapadkowy. W celu złożenia sprzęgu należy zwolnić zapadkę ryglującą, a  następnie pchnąć głowice, tak by drąg złamał się na zawiasie, a w pozycji złożonej oprzeć i zabezpieczyć głowicę we wsporniku stabilizującym nadwozia.

 
Sprzęg łamany i mechanizm blokujący (opis na powiększeniach)

W tych rodzajach sprzęgu łączenie pojazdów (sprzęganie) odbywa się ręcznie. Należy odbezpieczyć sprzęgi i ustawić je w położenia skośne skrajne, przeciwne względem siebie, tak by uchwyty głowic znajdowały się po stronach zewnętrznych wagonów. Następnie należy dojechać wagonem na odpowiednią odległość i wyjąć sworznie z głowic. Kolejnym krokiem jest nastawienie sprzęgów tak, by dało założyć się jeden ze sworzni sprzęgających. Po włożeniu sworznia należy odjechać delikatnie czynnym wagonem, tak by nastąpiło wyprostowanie się sprzęgów. W efekcie możliwe jest założenie drugiego sworznia sprzęgającego, który powoduje wzdłużne usztywnienie sprzęgów. Po zabezpieczeniu sworzni przez obejmy zabezpieczające, pojazdy są sprzęgnięte mechanicznie.



Proces sprzęgania wagonów ze sprzęgami Alberta


Sprzęgi połączone


Sprzęgi po rozłączeniu

 
Głowica Alberta i sworzeń sprzęgający


Sprzęgi łamane mogą być schowane za osłonami, przez co nie są widoczne, gdy nie są używane. Osłony mogą być zabudowane w taki sposób, że dostęp do sprzęgu jest możliwy po ich demontażu lub otwarciu. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach osłony posiadają mechanizmy do ich podnoszenia, przez co nie jest konieczny ich demontaż. Można też spotkać rozwiązania, w których osłony sprzęgów stanowią zderzaki z układami pochłaniania energii zderzeniowej. Poniżej przykładowe rozwiązania.

  
Osłona kompozytowa z mechanizmem do podnoszenia


Osłona kompozytowa otwierana pod zderzakiem

 
 
Osłona sprzęgu jako demontowalny zderzak - wskazane punkty mocowania (1), zderzak po demontażu (2), zderzak zdemontowany i sprzęg schowany (3), sprzęg rozłożony (4)


Innym przykładem sprzęgu mechanicznego ręcznego są sprzęgi talerzowe zwane też trąbkowymi. W rozwiązaniu tym na końcu drąga sprzęgu zamontowana jest okrągłą głowica talerzowa z okrągłym lub prostokątnym gniazdem w jej środku (przypomina kształtem trąbkę). Za płytą talerzową głowicy znajduje się pionowy otwór. Łączenie sprzęgów ze sobą wymaga stosowania dodatkowego elementu łączącego - tzw. łącznika, umieszczanego pomiędzy gniazdami talerzy głowic sąsiednich sprzęgów. Łącznik blokuje się sworzniami przechodzącymi przez otwory pionowe głowic i wypusty łącznika umieszczone w gniazdach głowic talerzowych.

 
Wagon ze sprzęgiem talerzowym (trąbkowym)

 
Wagony sprzęgnięte sprzęgiem talerzowym (opis na 1 powiększeniu)

   
Głowica talerzowa (1), otwór w głowicy i widoczny sworzeń (2), sworzeń sprzęgający (3)

 
Widok głowicy po wyjęciu sworznia

 
Drąg sprzęgu talerzowego z amortyzatorem (pochłaniaczem) energii w wagonie silnikowym (opis na powiększeniach)


Drąg sprzęgu talerzowego w wagonie doczepnym biernym


Proces sprzęgania wagonów ze sprzęgami talerzowymi

2) Sprzęgi automatyczne

Sprzęgi automatyczne typu Scharfenberga cechuje możliwość automatycznego łączenia i rozłączania pojazdów. Co istotne sprzęgi samoczynne poza połączeniem mechanicznym mogą łączyć również obwody elektryczne. W kolejnictwie dodatkowo przez te sprzęgi następuje połączenie pneumatyczne pojazdów (zobacz opis sprzęgów samoczynnych kolejowych - tutaj).
Połączenie mechaniczne jest realizowane przez głowicę sprzęgu mechanicznego, która składa się z mechanizmu zaczepowego w postaci wypustu stożkowego i gniazda dokładnie odpowiadającemu kształtem takiemu wypustowi. Dojeżdżając jednym wagonem do drugiego następuje zetknięcie sprzęgów. Zaczep (łącznik) jednego sprzęgu wchodzi w gniazdo drugiego (sercówkę), a zaczep drugiego wchodzi w sercówkę pierwszego. Zaczepy samoczynnie zakleszczają się w sercówkach poprzez sprężynowy mechanizm zaczepowy.
Nad lub pod głowicą sprzęgu mechanicznego może znajdować się sprzęg elektryczny, czyli tak zwana klawiatura, która zapewnia elektryczne połączenie między pojazdami. Głowica sprzęgu elektrycznego składa się ze sprężyście zamocowanych „pinów”. Eliminuje to konieczność stosowania kablowych połączeń międzywagonowych. Po połączniu mechanicznym następuje połączenie elektryczne. W nowoczesnych sprzęgach głowice sprzęgów elektrycznych dosuwają się do siebie na skutek działania siłowników, sterowanych elektrycznie. W starszego typu sprzęgach głowice te dosuwają się poprzez zadziałanie przekładni mechanicznej, która w ramach sprzęgania mechanicznego odsłania pokrywy klawiatur sprzęgów elektrycznych, umożliwiając ich połączenie.
Sprzęgi samoczynne stosowane są zarówno do połączenia wagonu silnikowego z wagonem doczepnym biernym, ale przede wszystkim do łącznia wagonów silnikowych (ew. doczepnych czynnych) w trakcję ukrotnioną.

 
Wagony sprzęgnięte sprzęgami samoczynnymi (1) i sprzęg samoczynny na czole wagonu (2)

 
Sprzęg samoczynny (opis na powiększeniach) z otwartą ręcznie pokrywą sprzęgu elektrycznego

   
Wagony sprzęgnięte sprzęgami samoczynnymi

   
Głowice sprzęgów przykryte pokrowcami zabezpieczającymi przed zabrudzeniami


Sprzęg automatyczny mechaniczny, ze sprzęgami elektrycznymi w postaci wtyków

Poniższy film przedstawia proces sprzęgania tramwajów z nowoczesnymi sprzęgami samoczynnymi w wersji składanej, która umożliwia schowanie głowicy sprzęgu za pokrywą ściany czołowej wagonu.

Łączenie wagonów wyposażonych w nowoczesne sprzęgi automatyczne (połączenie mechaniczne i elektryczne)

Rozłączanie sprzęgu może być realizowane samoczynnie poprzez naciśnięcie przycisku w kabinie zadziałanie siłownika rozprzęgającego w głowicy sprzęgu lub poprzez mechaniczny ręczny układ rozprzęgający na głowicy (rękojeść).

Do łączenia wagonów wyposażonych w sprzęgi automatyczne z wagonami wyposażonymi w klasyczne sprzęgi mechaniczne, stosuje się specjalne adaptery.

Adapter - sprzęg automatyczny / głowica Alberta


W celu zabezpieczania przed wchodzeniem pomiędzy wagony osób postronnych, na łączeniach stosuje się specjalne osłony zagradzające. Wykonane są one jako elementy sprężyste w celu właściwego dopasowania rozmiaru podczas jazdy po łukach.

   
Przykładowe osłony zabezpieczające przed wejściem pomiędzy wagony