transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Opis wybranych układów i zespołów w tramwajach > Podwozia, wózki i zestawy kołowe

Wózki jezdne stanowią komponent pośredni pomiędzy nadwoziem, a torem. Wózki integrują w sobie układy biegowe oraz niezbędne wyposażenie podwozia. Budowa i charakterystyka wózków pozwala poruszać się pojazdowi zgodnie z przebiegiem torów. W starego typu jednoczłonowych wagonach tramwajowych stosowano układ, w którym nadwozie opierało się na jednym dwuosiowym wózku. Taki układ powodował ograniczenia w zakresie długości pojazdów ze względu na dopuszczalny maksymalny rozstaw osi w odniesieniu do prawidłowego wpisywania się zestawów kołowych w łuki torowe.



Schemat wagonu starego typu z nadwoziem opartym na jedym wózku



Wagon typu N z nadwoziem opartym na dwuosiowym wózku



Nadwozie oparte na dwuosiowym wózku



Wózek - prowadzenie widłowe i usprężynowanie (resor piórowy) zestawu kołowego (opis na pow.)


Wózki są zamocowane podatnie w stosunku do nadwozia pojazdu. Nadwozie obciąża zestawy kołowe poprzez ramę wózka, na której się opiera. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje wózków jezdnych: napędne czyli te, których zestawy kołowe pełnią rolę napędową oraz wózki toczne, których zestawy kołowe pełnią tylko funkcję toczną. Obydwa wymienione rodzaje wózków wyposażone są w elementy wykonawcze układów hamulców ciernych.

W miarę rozwoju konstrukcji tramwajów pod nadwoziami zaczęto stosować więcej niż jeden wózek z zamocowaniem obrotowym względem nadwozia, co pozowoliło na wydłużenie nadwozi w tym produkcję pojazdów przegubowych (wieloczłonowych).

Kliknij tutaj i zobacz opis zespołów napędowych stosowanych w wózkach tramwajowych.

 
Wagon wózkowy i wagon podczas demontażu wózków

W tramwajach powszechnie stosowane są wózki dwuosiowe, czyli takie, które wiążą w swojej ramie dwa zestawy kołowe. Rozstaw osi w wózkach jest określany jako baza wózka.


Wózek dwuosiowy - wymiar rozstawu osi (baza wózka)


Wózki pełnią niestepujące podstawowe zadania:
a) przeniesienie i równomierne rozłożenie na zestawy kołowe masy nadwozia,
b) prowadzenie pojazdu po torze prostym lub łukowym z zachowaniem wymogów bezpieczeństwa,
c) przeniesienie z zestawów kołowych na ramy wózków sił hamujących (w wózkach tocznych) oraz sił pociągowych i hamujących (w wózkach napędnych), w sposób zapewniający możliwie pełne wykorzystanie masy napędnej pojazdu.



Rozłożenie masy na przykładzie wagonu z dwoma wózkami dwuosiowymi
Qp - masa pojazdu
Qn - masa nadwozia
1/2Qn - nacisk nadwozia na wózek
1/4Qp - nacisk zestawu kołowego na tor
Qp = Qn + Qw, gdzie Qw to masa wózków

Siły pociągowe i hamowania są przenoszone z zestawów kołowych na ramę wózka poprzez elementy prowadzenia zestawów kołowych, a z ramy wózka na nadwozie poprzez elementy oparcia (zawieszenia) nadwozia na wózkach (opis dalej).

W zależności od rodzaju tramwaju, wysokości podłogi, układu członów wózki mogą być zamontowane względem nadwozia obrotowo (tzw. wózki skrętne) lub nieobrotowo (tzw. wózki sztywne). Wózki skrętne obracają sie względem nadwozia nawet w zakresie do kilkunastu stopni. Wózki sztywne mają małą podatność względem nadwozia (do ok. 3 stopni) i wymagają stosowania odpowiednio krótkich członów (tzw. tramwaj typu "gąsienica"), gdyż skrętność wagonu realizowana jest tylko na przegubach międzyczłonowych. Wózek wchodząć w łuk torowy nie obraca się względem nadwozia, tylko skręca razem z nadwoziem członu, które jest na nim wsparte. Poniżej znajdują sie schematy pokazujące różne konfiguracje tramwajów z zastosowaniem wózków skrętnych (obrotowych) i sztywnych (z małą podatnością względem nadwozia).


Skład dwuwagonowy z dwuosiowymi wózkami skrętnymi


Zastosowanie wózków umożliwiło również wprowadzenie wagonów wieloczłonowych połączonych przegubami, co zapewniało zwiększenie długości pojazdu przy zapewnieniu jednoprzestrzenności wnętrza tramwaju.



Wagon trójczłonowy z dwuosiowymi wózkami skrętnymi (skrajne) i wózkiem sztywnym


 
Wagon pięcioczłonowy z trzema dwuosiowymi wózkami sztywnymi



Przez wiele lat XX wieku w produkowanych tramwajach wieloczłonowych stosowano wózki w systemie Jakobsa, czyli wózki zabudowane na łączeniach sąsiednich członów. Na jednym wózku opierają się nadwozia dwóch sąsiednich członów, w miejscu, gdzie znajduje się przegub międzyczłonowy. Zaletami stosowania takiego układu wózków jest lepsze zachowanie dynamiczne pojazdu, mniejszy opór toczenia, mniejsza masa pojazdu oraz niższe koszty nabycia i eksploatacji z powodu zmniejszonej sumarycznej liczby wózków i zestawów kołowych w pojeździe. Zastosowanie wózków Jakobsa zwiększa również bezpieczeństwo przed wykolejeniem oraz po jego wystąpieniu - wózki takie "wiążą" ze sobą sąsiednie człony zapewniając im lepszą wzajemną stabilność. Tego typu wózki powszechnie były stosowane w wieloczłonowych wagonach wysokopodłogowych. Wprowadzenie do eksploatacji tramwajów niskopodłogowych spowodowało, że omawianego rodzaju wózki są stosowane bardzo rzadko ze względu na bardzo skomplikowany układ ich zabudowy przy zachowaniu niskiej podłogi w strefie przegubu międyczłonowego.


Wagon dwuczłonowy z dwoma dwuosiowymi wózkami klasycznymi (skrajne) i wózkiem w systemie Jakobsa pod przegubem


   
Wózki Jakobsa w wagonach wieloczłonowych wysokopodłogowych lub częściowo niskopodłogowych

 
W pełni niskopodłogowy tramwaj z wózkami Jakobsa i duża strata miejsca w przestrzeni pasażerskiej



Schemat przebiegu podłogi w wagonie wieloczłonowym z wózkami Jakobsa: z wysoką podłogą / strefą z niską podłogą oraz z niską podłogą na całej długości
przestrzeni pasażerskiej
- strzałki wskazują wózki Jakobsa (pozostałe to wózki klasyczne)
- linia czerwona: wysoka podłoga
- linia czerwona przerywana: strefa niskiej podłogi
- linia zielona: niska podłoga
- linie żółte: strefy zajęte przez zabudowę wózków Jakobsa - niska podłoga tylko w korytarzu

W wagonach wysokopodłogowych stosowano wózki Jakobsa toczne. W wagonach niskopodłogowych jeżeli występują mogą być toczne i napędne, ale jak wspomniałem są bardzo rzadko stosowane. Powszechnie stosuje się układy albo z klasycznymi wókami skrętnymi, albo wózkami sztywnymi w tym na przykład z zastosowanymi członami wiszącymi pomiędzy członami opartymi na wózkach. 

   

Wagon z wysoką podłogą - pomost i przegub międzyczłonowy połączony z wózkiem Jakobsa oraz widok wózka od spodu
 

Podstawowym elementem każdego wózka jest jego rama, która wsparta jest na zestawach kołowych poprzez więzy łożyskowe, czyli łożyska główne (maźnice), układy prowadzenia zestawów kołowych i w większości przypadków usprężynowanie I stopnia (opis dalej). Ramy wózków wiążą w całość struktury wózka zestawy kołowe, zespoły napędowe i zespoły hamulcowe, układy oparcia nadwozia i usprężynowania oraz wyposażenie dodatkowe zabudowane w wózku. Konstrukcja ram decyduje o bezpieczeństwie jazdy i niezawodności całego pojazdu. Rama wózka musi być wytrzymała na obciążenia statyczne i dynamiczne. Musi być dostatecznie sztywna i możliwie lekka. Jej kształt jest zależny od liczby zestawów kołowych oraz ich prowadzenia, typu układu przenoszenia sił pociągowych i hamujących, sposobu usprężynowania, rodzaju zastosowanych układów napędowych i hamulcowych itd. W czasach, gdy produkowane były tylko tramwaje wysokopodłogowe kształt ram oraz rodzaj zastosowanych zestawów kołowych były analogiczne do rozwiązań kolejowych. Wózki montowano do nadwozi w sposób podatny, zapewniający ich obrót względem nadwozi, zapewniając tym samym prawidłowe wpisywanie się pojazdu w łuki torowe. Opracowanie tramwajów niskopodłogowych wpłynęło na konieczność zupełnie odmiennego podejścia do projektowania wózków oraz nadwozi. Obniżenie poziomu podłogi powoduje, że wózki „wchodzą” w strefę podłogi, a nie znajdują się pod nią jak to ma miejsce w tramwajach wysokopodłogowych. Konieczność zapewnienia niskiej podłogi, odpowiedniej szerokości przejść oraz częste wymaganie dotyczące zapewnienia  jak największej powierzchni niskiej i w pełni płaskiej podłogi powoduje, że konstrukcja wózków w tym kształt ich ram jest bardzo skomplikowany w porównaniu do rozwiązań klasycznych.

Mimo swojego zróżnicowania zależnego od stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, ramy wózków mają pewne elementy wspólne. Są nimi dwie podłużnice, zwane też belkami ostojnicowymi - elementy ramy równoległe do osi toru oraz poprzecznice czyli belki poprzeczne do osi toru, stanowiące łączniki dla równolegle usytuowanych podłużnic.


Schemat przykładowej ramy wózka - rama otwarta
A - podłużnica
B - poprzecznica

Powyższy przykład wskazuje tzw. ramę otwartą. Można również spotkać układy z ramami zamkniętymi. W takim przypadku końce podłużnic połączone są poprzecznicami, zwanymi czołownicami. Ilość poprzecznic w ramie wózka jest zależna od konkretnej konfiguracji podzespołu.


Schemat przykładowej ramy wózka - rama zamknięta
A - podłużnica
B - poprzecznica
C - czołownica


Zmina konstrukcji wózków z punktu widzenia tramwajów niskopodłogowych spowodowało również zmianę rozłożenia masy wózka. W klasycznych wózkach napędowych wysokopodłogowych zespoły napędowe zabudowane są w jego środkowej części (wewnątrz ramy wózka). W tramwajach niskopodłogowych zespoły napędowe lokowane są po zewnętrznych stronach ram, aby środkiem zrobić miejsce dla przebiegu obniżonej podłogi.


Przykładowy wózek napędowy tramwaju wysokopodłogowego



Przykładowy wózek napędowy tramwaju niskopodłogowego z zespołami napędowymi po zewnętrznej stronie ramy



Przykładowy wózek toczny (typu Jakobsa) tramwaju wysokopodłogowego (opis ramy na powiększeniu)



Przykładowy wózek toczny (sztywny) tramwaju niskopodłogowego (opis ramy na powiększeniu)



Najpowszechniej w Europie produkowane są obecnie ramy wózków spawane w formie konstrukcji skrzynkowych z pasów blachy stalowej i profili stalowych oraz również elementów odlewanych. Do konstrukcji ram wózków stosuje się stal konstrukcyjną niskostopową, czyli stal, w której obok węgla występują w niewielkich ilościach inne dodatki stopowe (do 1%), o dobrych właściwościach spawalniczych i antykorozyjnych. Projekty wózków wykonywane są w nowoczesnym oprogramowaniu komputerowym 3D w zakresie konstrukcji mechanicznej oraz obliczeń numerycznych wytrzymałościowych. Po wykonaniu projektu rozpoczyna się produkcja. Odpowiednie, zgodne z projektem kształty elementów z blachy wycinane są przez maszyny CNC (np. wycinarki laserowe lub plazmowe). Pozwala to na uzyskanie bardzo dużej dokładności i jakości wykonania elementów.

   
Cięcie blachy wycinarką laserową i stanowisko wycinarki plazmowej

Wycięte elementy z blachy przekazuje się do dalszego procesu technologicznego takiego jak gięcie na sterowanych numerycznie prasach krawędziowych, czy obróbki skrawaniem (frezowanie) w celu uzyskania kształtów zgodnych z geometrią przyszłej ramy wózka. W zakresie obróbki istotną częścią procesu jest ukosowanie krawędzi arkuszy blachy wszędzie tam gdzie wymaga tego technologia spawalnicza z punktu widzenia spawania odpowiednimi spoinami. Komponenty składowe ram wózku takie jak podłużnice, czy poprzecznice są wykonywane niezależnie. Do produkcji komponentów ramy jak i całej ramy musi zostać zaprojektowane specjalistyczne, dedykowane oprzyrządowanie, które pozwala na precyzyjne ułożenie części blaszanych, a następnie zespołów i pospawanie z zachowaniem wymaganego kształtu i wymiarów geometrycznych. W wielu wytwórniach proces spawania ram jest częściowo lub w pełni zautomatyzowany i odbywa się z wykorzystaniem robotów spawających. Po wykonaniu podłużnic i poprzecznic montuje się je odpowiednio w przyrządzie montażowym, w którym następuje zespawanie tych komponentów w całość, uzyskując tym samym główną konstrukcję ramy wózka. Do tak wykonanej ramy wózka spawa się tzw. części przyspawane, czyli rożnego rodzaju wsporniki i elementy montażowe umożliwiające zamontowanie wyposażenia danego wózka. W konstrukcji ramy wózka mogą być pozostawione odpowiednie naddatki technologiczne materiału. Jest to spowodowane tym, że w procesie spawania dochodzi do naturalnej pracy materiału stalowego na skutek wprowadzania ciepła z procesu spawania. W związku z tym konstruktorzy i technolodzy na etapie projektowania muszą przewidzieć miejsca występowania skurczy spawalniczych oraz określić tolerancje wymiarowe wykonania konstrukcji spawanej. Po procesie spawania rama przechodzi proces uwalniania skurczy spawalniczych. Może to być realizowane metodą odwibrowania ramy lub jej wyżarzania w specjalnym piecu. Po tym etapie rama jest obrabiana na wielkogabarytowych frezarkach w celu uzyskania bardzo dokładnych wymiarów w miejscach naddatków. Są to strefy strategiczne z punktu widzenia pokaźniejszej eksploatacji ramy w strukturze wózka pojazdu. Obróbka może dotyczyć na przykład miejsc mocowania układów prowadzenia zestawów kołowych, usprężynowania, czy oparcia nadwozia itp.
Podczas kolejnych etapów produkcyjnych odbywa się szczegółowa kontrola jakości wykonania. Ostateczne pomiary kontrolne geometrii ramy są wykonywane po zakończeniu procesu spawania konstrukcji i obróbki mechanicznej. Jeżeli wyniki pomiarów są prawidłowe - zgodne z wytycznymi kart pomiarowych określonych przez konstruktora ramy - rama jest transportowana do lakierni. Tam następuje oczyszczenie i odtłuszczenie konstrukcji stalowej przez zastosowanie obróbki strumieniowo - ściernej, zwanej potocznie śrutowaniem. Następnie rama przechodzi proces wykonywania powłok antykorozyjnych i lakierniczych.
Po lakierowaniu rama przekazana jest na stanowiska montażowe, na których następuje w niej montaż wyposażenia. Po jego zakończeniu gotowy wózek jest regulowany pod względem układów biegowych i usprężynowania i odbywa się tez końcowa kontrola jakości.
Kolejny etap to już montaż wózka pod pojazdem.
Tak przebiega w dużym skrócie proces produkcji wózków stalowych.
Ramy wózków muszą spełniać oczywiście rygorystyczne wymagania wytrzymałościowe, które weryfikuje się podczas projektowania najczęściej z wykorzystaniem zaawansowanych analiz numerycznych z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych w oparciu o określone przepisy i metodologię obliczeniową, w zaawansowanym oprogramowaniu komputerowym.

Ilość wózków i zestawów kołowych w podwoziu pojazdu jest zależna od długości pojazdu, ale również jego masy i dopuszczalnych nacisków zestawów kołowych jakie mogą wywierać na tor. Według Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 2 marca 2011 r w sprawie warunków technicznych tramwajów i trolejbusów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia (zobacz) w Polsce dopuszcza się maksymalny na przykład nacisków nieprzekraczających 70 kN / oś. Im mniejsze naciski tym mniejsze oddziaływanie na tor. Stąd, żeby zmniejszyć wartości nacisku statycznego można zwiększyć ilość zestawów kołowych. Trzeba mieć jednak na uwadze, że większa ilość zestawów kołowych, a więc i wózków, to następuje zwiększanie masy pojazdu. W procesie projektowania pojazdów wykonuje się w związku z tym szereg szczegółowych analiz związanych z konfiguracją pojazdu w tym rozmieszczeniem wyposażenia. Czasem w celu ograniczenia nacisków stosuje się w danej strefie więcej miejsc siedzących, aby ograniczyć ilość przestrzeni dla osób stojących, którzy generują większe obciążenie. Dla osób stojących wymagane jest przyjęcie przelicznika pojemności wynoszącego 5 osób/m2. Analogicznie analizuje się rozmieszczenie wyposażenia w postaci urządzeń i aparatów, tak aby cięższe urządzenia znajdowały się w strefach niedociążonych, a lżejsze w tych już dociążonych. Projektanci tramwajów obliczają z użyciem symulacji komputerowych i arkuszy rozkładu mas obciążenia wynikające z wagi poszczególnych komponentów. Według obowiązujących przepisów należy przyjąć średnią masę jednego pasażera wynoszącą 68 kg, a masę motorniczego 75 kg. Przyjmując, że tramwaj może przewozić łącznie np. 180 pasażerów daje nam to łączną ich masę wynoszącą 12240 kg (12,2 t). Do tej masy należy dodać masę samego wagonu w efekcie czego otrzymujemy masę całkowitą pojazdu.
Przeliczenie masy całkowitej (brutto) pojazdu do generowanego średniego nacisku statycznego zestawu kołowego na tor jest bardzo proste. Przykładowo sześcioosiowy tramwaj o masie całkowitej 42 t (wagon z pasażerami w maksymalnym napełnieniu) generuje nacisk na tor 7,0 t (42 t / 6 osi = 7 t/oś).


Rozkład nacisków
Qp - masa pojazdu
Qn - masa nadwozia na wózek
Qp = Qn + Qw, gdzie Qw to masa wózka
1/6Qp - nacisk statyczny zestawu kołowego na tor.

Oczywiście mówimy tu o średnim nacisku statycznym, gdyż faktyczny nacisk poszczególnych zestawów kołowych może się różnić w zależności od obciążenia poszczególnych członów. Jednak, aby pojazd mógł być dopuszczony do ruchu to nie może być na żadnym zestawie kołowym przekroczony nacisk dopuszczony przepisami.

Masa pojazdu jest istotna z punktu widzenia zapewnienia odpowiedniej siły pociągowej, aby zapewnić odpowiedni współczynnik tarcia między kołami, a szynami. Na siłę tarcia czyli, w efekcie przyczepność ma wpływ właśnie masa pojazdu. Jak wynika z powyższego opisu zastosowane rozwiązania w przestrzeni pasażerskiej bezpośrednio zależą od wielu czynników nie tylko związanych z komfortem i funkcjonalnością.

Jak było wspomniane wózki nie zawsze są zamontowane obrotowo względem nadwozia, a jedynie mają pewien mały zakres podatności (ok. 3 stopnie). Skrętność pojazdu realizowana jest przez zastosowanie krótkich członów i odbywa się na ich przegubach międzyczłonowych (tzw. tramwaje typu „gąsienice”). Dodatkowo w celu obniżenia przebiegu poziomu podłogi można też spotkać tramwaje z wózkami, w których nie ma klasycznych zestawów kołowych czyli kół połączonych wspólną osią. W to miejsce stosowane są układy z kołami niezależnie obracającymi się.

Poniżej znajduje się zestawienie konfiguracji nadwozi i wózków jakie stosuje się w tramwajach, a w dalszej części odnośniki do rozdziałów szczegółowo omawiających powyższe zagadnienia.



Przykładowe układy członów i rodzajów wózków
1 - wózek skrętny (obrotowy)
2 - wózek w systemie Jakobsa (pod przegubem na łączniu członów)
3 - wózek sztywny (nieskrętny)





Poniżej znajdują sie odnośniki do szczegółowego opisu charakterystyki i budowy komponentów i układów składowych podwozi.

  Zestawy kołowe - budowa, układy prowadzenia i usprężynowania I stopnia


  Współpraca zestawów kołowych z torem


 Układy oparcia i prowadzenia nadwozi