NÁVRH JACOBSOVA PODVOZKU SVOČ FST 2012 Bc. Vlastislav Hroník, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Práce, která je podkladem k tomuto článku, se zabývá konstrukčním návrhem Jacobsova podvozku pro kolejové vozidlo. Návrh nové koncepce tohoto typu podvozku byl jejím hlavním cílem. Podvozek se skládá z celé řady jednotlivých komponentů, z nichž některé byly nově navržené a podpořené výpočtem a zbytek jsou komponenty standardně vyráběné nebo dodávané. Podvozek navržené koncepce je ve srovnání s dnešními již provozovanými Jacobsovými podvozky lehčí a některé prvky jsou zde mnohem příznivěji namáhané. Hlavními součástmi je vnitřní rám uložený na vnitřních nápravových ložiscích a horizontálně uložený systém primárního vypružení. Tím je dosaženo významné úspory materiálu a hmotnosti celého podvozku. KLÍČOVÁ SLOVA Jacobsův podvozek, vnitřní rám podvozku, primární vypružení, sekundární vypružení, úhlová páka, tažně tlačná tyč, dvojkolí ÚVOD Hlavním úkolem mé práce bylo navrhnout novou koncepci Jacobsova podvozku pro kolejové vozidlo, který by byl konkurenceschopný dnešním již provozovaným Jacobsovým podvozkům. Maximální provozní rychlost podvozku je 160 km/h, největší přípustné zatížení na nápravu je 21, 5 tuny a průměr dvojkolí je maximálně 920 mm. Podvozek se skládá z mnoha komponentů, z nichž některé vyžadují kontrolu výpočtem v souladu se zadanými parametry. K tomuto účelu jsem vybral regionální jednotku TALENT, která svými technickými parametry nejlépe odpovídala zadání, a pro kterou by tento podvozek mohl být určený. POPIS STANDARDNÍHO JACOBSOVA PODVOZKU Jacobsův podvozek je speciální typ podvozku, který spojuje dva vozy kolejového vozidla. Tím jsou například u 3 - vozové jednotky ušetřeny dva běžné podvozky. Takové kolejové vozidlo je pak lehčí, levnější a má velmi dobré jízdní vlastnosti. Jacobsův podvozek je ale namáhán většími silami od zatížení pod plně naloženou jednotkou. Musí mít tedy pečlivě navržený a propočítaný systém vypružení, aby tyto síly byly dobře zachyceny a utlumeny. Obrázek 1: Standardní Jacobsův podvozek Systém vypružení je složen z primárního systému, který je u Jacobsových podvozků tvořen většinou duplexními nebo triplexními paralelně řazenými pružinami a ze sekundárního systému, který je standardně pneumatický. Vzduchové měchy velmi efektivně tlumí síly mezi rámem podvozku a vozovou skříní, zvyšují jízdní komfort a
svou přirozenou deformační schopností také dovolují určité natočení vozu v oblouku koleje. Tím dosáhneme klidnější a plynulejší jízdy. Dalším důležitým prvkem Jacobsova podvozku je samotný rám. Ten je svařovaný z ocelových plechů různé tloušťky, která závisí na zatížení v dané oblasti rámu. V současné době jsou Jacobsovy podvozky tvořeny z vnějšího rámu uloženého na vnějších nápravových ložiscích, svisle uložených systémů primárního vypružení a sekundárního pneumatického systému. Vedení dvojkolí zajišťují kyvná ramena, někdy společně s pryžokovovým primárním vypružením typu Meggi. Obrázek 2: Koncepce Jacobsova podvozku Podvozek je se skříní vozidla spojený otočným čepem, tažně tlačnou tyčí nebo lemniskátovým mechanismem. Touto vazbou jsou přenášeny veškeré tažné a tlačné síly z podvozku na vozovou skříň. Mechanismus musí dle normy vydržet přetížení 5g, které zde může vzniknout při případné kolizi s překážkou na trati. POPIS VLASTNÍHO ŘEŠENÍ Popisem standardního Jacobsova podvozku jsem se dostal k vlastnímu návrhu a řešení tohoto typu podvozku. Vydal jsem se totiž úplně jinou cestou, která je podle mého názoru v oblasti podvozků velmi neobvyklá. Koncepce je navržena s vnitřním rámem uloženým na vnitřních nápravových ložiscích. Vedení dvojkolí obstarává speciálně navržená úhlová páka, která kromě toho slouží jako ložisková skříň a jako opěrná základna pro systém primárního vypružení. Primární vypružení je uloženo horizontálně místo vertikálně, což je u podvozků velmi ojedinělé. Vazba podvozku se skříní je řešena tažně tlačnou tyčí. Rám tvoří dva příčníky a dva podélníky, které jsou uzpůsobeny pro uložení sekundárního vypružení. Ve střední části jsou rozšířeny o nosné konzoly tvaru jakýchsi balkónů, které umožní usazení pneumatických měchů co nejblíže k hranici kinematického obrysu. Tím výrazně zlepším jízdní stabilitu podvozku v koleji. Na podélnících jsou dále opěrné konzoly primárního vypružení, na příčnících jsou nosné konzoly brzdových jednotek. Rám doplňuje celá řada úchytů, které jsou pro svou složitost řešené jako odlitky a teprve potom jsou přivařeny na svá místa na rámu. Jsou to zejména úchyty tlumičů a úchyty tažně - tlačné tyče.
Obrázek 3: Rám podvozku Primární vypružení je uloženo horizontálně a je opřeno z jedné strany o konzolu na rámu podvozku a na druhé straně o úhlovou páku, se kterou je spojeno čepem. Od tohoto neobvyklého uložení vypružení ale můžeme očekávat mnohem příznivější zatížení rámu, než od klasických svisle uložených vypružení. Síly od prázdné, ale především od plné soupravy jsou z velké většiny zachyceny v opěrných konzolách. Stále zde ale musíme počítat s určitým svislým propružením rámu, který ani při největší svislé výchylce nesmí překročit vztažnou linii kinematického obrysu. Samotný systém vypružení je tvořen třemi paralelně řazenými pružinami, které při zatížení pracují všechny současně. Obrázek 4: Primární vypružení Sekundární vypružení tvoří dva páry pneumatických měchů, které efektivně zachycují síly mezi rámem podvozku a vozovou skříní. Kromě toho, že zvyšují komfort jízdy, jsou také opatřeny pryžokovovými dorazy, které slouží jako pojistka při případné poruše pneumatického systému. Ten pak jednoduše klesne na tyto dorazy a jednotka je dále schopna sama dojet do depa na servisní prohlídku.
Obrázek 5: Sekundární vypružení Úhlová páka je speciálně navržený komponent tohoto podvozku. Je řešena jako odlitek a splňuje celou řadu funkcí. Tou první je zajištění vedení dvojkolí. Páka je pomocí připojovacího čepu a silentbloku uvnitř připraveného sedla uložena v rámu podvozku. Dále úhlová páka slouží jako ložisková skříň pro dvouřadé soudečkové nápravové ložisko. Z obou stran je uzavřena krycími víky, která spolu se spodními nákružky tvoří bezkontaktní labyrintové těsnění. Horním otvorem prochází spojovací čep, kterým je k páce připojen systém primárního vypružení. Na úhlové páce je ještě umístěn úchyt tlumiče primárního vypružení. Jak je vidět, tento komponent bude velmi namáhaný a proto by před případnou sériovou výrobou musel být řádně ověřen výpočty a odzkoušen na prototypu. Obrázek 6: Úhlová páka Tažně tlačná tyč je spojovací člen tvořící vazbu podvozku se skříní kolejového vozidla a přenáší tažné a tlačné síly mezi těmito dvěma prvky. Průřez a další rozměry tyče jsou navrženy tak, aby vydržela zatížení od hmotnosti podvozku při přetížení 5g, které je stanoveno normou, a které by v tyči mohlo vzniknout při případné kolizi s překážkou
Obrázek 7: Tažně - tlačná tyč. Další prvky podvozku jsou již standardně vyráběné nebo dodávané. Jedná se o dvojkolí, které se skládá z kol o průměru 920 mm a nápravy. K uložení rámu jsou použita nápravová ložiska vybraná z katalogu společnosti SKF dvouřadá soudečková. Brzdové kotouče mají průměr 650 mm a šířku 60 mm a k nim byly vybrány brzdové jednotky z katalogu společnosti DAKO. Posledním prvkem jsou tlumiče primárního a sekundárního vypružení, které byly zvoleny dle prospektu společnosti STROJÍRNY Oslavany. K vlastnímu konstrukčnímu řešení je to vše. Zde bych se ještě jen velmi krátce zmínil o některých provedených výpočtech. Ve své práci jsem provedl výpočet primárního vypružení podvozku, pevnostní výpočet nápravy, výpočet spojovacího čepu úhlové páky a primárního vypružení a výpočty úhlové páky pomocí softwaru MARC, který počítá metodou konečných prvků. Takto byla úhlová páka věřena na zatížení od tlumiče, od vypružení a od řídící síly. Všechny tyto výpočty jsou ale příliš rozsáhlé a proto je zde podrobněji zmiňovat nebudu. Posledním výpočtem, který však stojí za zmínku, je výpočet nápravového ložiska. To bylo navrženo ve dvou variantách a sice jednořadé válečkové ložisko a dvouřadé soudečkové ložisko. Nejprve jsem si určil požadované parametry, které od ložiska očekávám, poté jsem vybral příslušné ložisko z katalogu a nakonec jsem vybrané ložisko ověřil, zda všem požadavkům vyhoví. Došel jsem k tomu, že vyhovovaly obě varianty. O použití dvouřadého soudečkového ložiska nakonec rozhodla jeho lepší provozní spolehlivost a životnost a v neposlední řadě také hmotnostní úspora, které jsem takto dosáhl. Na jednom ložiskovém čepu by totiž musela být použita buď dvě jednořadá válečková ložiska o celkové hmotnosti cca 84 kg nebo jediné soudečkové ložisko o hmotnosti cca 65 kg. ZÁVĚR Na závěr bych rád shrnul výhody a nevýhody vlastního řešení Jacobsova podvozku. Koncepce vnitřního rámu a vedení dvojkolí úhlovou pákou přináší významnou úsporu hmotnosti a materiálu oproti současným již provozovaným Jacobsovým podvozkům. Zatímco tyto podvozky váží 8 9 tun, tento podvozek váží necelých 7 tun. Vhodným umístěním sekundárního systému vypružení je také dosaženo velmi dobrých jízdních vlastností. Díky horizontálně uloženému systému primárního vypružení je mnohem příznivěji namáhán rám podvozku. Většina sil od zatížení plně loženým vozem je zachycena opěrnými konzolami ve střední části obou podélníků. Od vnitřního rámu je také příznivěji namáhána náprava. Nevýhodou tohoto řešení oproti standardnímu Jacobsovu podvozku je obtížná a náročná oprava vnitřního nápravového ložiska, kvůli které by bylo nutné, kromě vyvázání celého podvozku ze soupravy, sundat i kolo z nápravy. Nápravová ložiska jsou ale obecně velmi spolehlivá, zejména pak ložiska soudečková, která patří k těm vůbec nejspolehlivějším. Můžeme u nich předpokládat bezporuchový chod po celou dobu jejich životnosti. Jacobsovy podvozky jsou v zahraničí používané stále častěji. U nás ale pořád podvozek tohoto typu chybí, přesto že s tím souvisí celá řada výjimečných vlastností. Můžeme jen doufat, že se situace co nejdříve zlepší. PODĚKOVÁNÍ Tato práce by nevznikla bez cenných informací od Doc. Ing. Hellera, CSc. z Katedry konstruování strojů na ZČU a bez odborných konzultací Ing. Sýkory ze společnosti ŠKODA VAGONKA Ostrava.