Druhotné vypružení podvozků
Konstrukční uzel druhoté vypružení (sekundární vypružení, nebo též vypružení skříně vozu), který je užíván u podvozků osobních vozů zajišťuje tyto funkce:
- svislé vypružení vozové skříně vůči rámu podvozku
- vypružení vozové skříně vůči rámu podvozku v příčném směru
- přenos sil mezi skříní vozu a rámem podvozku v podélném směru
- podélné vypružení podvozku
- výškové stavění podvozku
- u některých konstrukcí naklápění vozové skříně směrem ke středu oblouku
Bezkolébkové uspořádání
Bezkolébkové uspořádání druhotného vypružení je popsáno v článku o bezkolébkovém uložení skříně vozu na podvozek.
Kolébkové uspořádání
Kolébkové uspořádání je jedním z nejstarších systémů druhotného vypružení, používal se již ve druhé polovině devatenáctého století.
Systém druhotného vypružení je na rám podvozku (na obr. 1 poz. 2 podélník rámu) zavěšen pomocí závěsů 3, které slouží jako pružící prvek příčného vypružení. Závěsy mají oba konce zakončeny klouby nebo břity pro usnadnění jejich výchylky. Při malých úhlech výchylky závěsů ( asi do 5°) vzniká, podobně jako u jiných pružících prvků, vratná síla jejímž vlivem se závěsy se chovají jako pružiny s lineární charekteristikou a která při odeznění vnějších sil vrací závěsy do původní rovnovážné polohy.
|
| obr.1: příčný řez duhotným vypružením |
| Obr. 1: příčný řez druhotným vypružením | |
|---|---|
| 1. kolébka
2. rám podvozku 3. závěs nosiče vypružení 4. Uložení skříně vozu na podvozek 5. nosič pružin druhotného vypružení 6. svislé pružiny druhotného vypružení 7. vůle pro příčné vypružení mezi kolébkou a rámem podvozku | |
Kolébka
Hlavní funkcí kolébky v uzlu druhotného vypružení je vytvoření prostoru pro umístění otočné vazby mezi spodkem skříně vozu a podvozkem. U bezkolébkového uspořádání zajišťuje otáčení podvozku okolo svislé osy deformace pružícího prvku svislého vypružení (pružiny flexi-coil, vzduchové vypružení).
Vlastní konstrukci kolébky tvoří plochá ocel a plechy svařené do skříňového profilu. Na horní straně kolébky jsou umístěny součásti otočné vazby mezi skříní vozu a podvozkem (na obr. 2 spodní i horní část ploché torny poz. 4 a dvojice neodpružených kluznic bez kluzného kotouče poz. 5).
Spodní stranou je kolébka uložena na pružinách druhotného vypružení, pro které je v dutině na spodní straně kolébky vytvořeno vedení pro vnitřní (obr. 3 poz. 2) a vnější (obr. 3 poz. 3) pružiny druhotného vypružení.
 | 
|
| obr.2: horní strana kolébky podvozku Görlitz V | obr.3: spodní strana kolébky Görlitz V |
U podvozků Görlitz V a Görlitz Va je na spodní stranu kolébky pomocí siletbloku otočně uloženo příčné táhlo (zbytek táhla na obr. 3 poz. 4), které váže nosiče druhotného vypružení ke kolébce. Jiné konstrukce mají namísto vazby kolébky s nosiči pružin spojený levý a pravý nosič pružin příčnou vazbou.
Mezi kolébkou a rámem podvozku je vymezena příčná vůle (obr. 1 poz. 7), ve které je realizováno příčné vypružení. Po vyčerpání příčné vůle dosedne pryžová příčná narážka (obr. 2 poz. 4) na podélník rámu podvozku. Na obrázku 2 je kolébka podvozku Görlitz V, kde jsou podélné síly mezi kolébkou a rámem podvozku přenášeny pomocí pryžových podélných narážek (obr. 2 poz. 3).
Tlumič svislých pohybů kolébky vůči rámu podvozku je vázán ke kolébce pomocí konzoly obr. 2 poz. 6, tlumič příčných pohybů kolébky je upevněn ke konzole obr. 2 poz. 7.
Pružiny a nosič pružin druhotného vypružení
Pružiny svislého vypružení kolébky (obr. 4, 5 a 7 poz. 3) kromě svislého vypružení kolébky a s ní i skříně vozu vůči rámu podvozku zajišťují rovněž:
- žádoucí náklon rámu podvozku vůči kolébce, který otočná vazba kolébky se skříní vozu většinou neumožňuje (zřetelné na animaci obr. 8)
- příčné vypružení (u flexi-coil uspořádání), při spojení nosičů pružin příčnou vazbou se pružiny svislého vypružení na příčném vypružení podílejí spolu se závěsy nosičů pružin
Jako pružící prvek svislého vypružení kolébky byly původně použity listové pružnice (obr. 6), později šroubovité válcové pružiny, nebo také zkrutné (torzní) pružiny.
|
| obr.4: druhotné vypružení podvozku SGP 300 |
Flexi-coil pružiny
Flexi-coil pružinami nazýváme šroubovité válcové pružiny namáhané nejen ve směru jejich podélné osy, ale i ve směrech kolmých k této ose. Flexi-coil pružiny druhotného vypružení, které jsou v příčné rovině orientovány šikmo, zajišťují kromě svislého vypružení i vypružení příčné.
Podvozek SGP 300 (obr. 4) je podvozek kolébkové koncepce, který používá k vypružení kolébky šikmé pružiny ve funkci flexi-coil. Při použití flexi-coil pružin, které zajistí i příčné vypružení, nejsou jako pružící prvek příčného vypružení potřeba závěsy. Pro uložení šikmých pružin (obr. 4 poz. 3) slouží k podélníku rámu podvozku přivařené balkónky 1. Pri použití flexi-coil pružin není vždy zcela zřejmé, jedná-li se o koncepci kolébkovou nebo bezkolébkovou. U kolébkového uspořádání je skříň vozu na kolébku 3 uložena pomocí otočné vazby (u podvozku SGP 300 otočný čep a dvojice kluznic). Podvozek bezkolébkové koncepce má na horní straně pružin pouze o horní vazbu flexi-coil pružin, která je neotočně upevněna na spodek vozu. Otáčení rámu podvozku vůči skříni vozu při bezkolébkovém uspořádání zajišťuje deformace flexi-coil pružin.
Pružiny druhotného vypružení v klasickém uspořádání
K uložení pružin druhotného vypružení slouží nosiče pružin druhotného vypružení (obr. 5 a 7 poz. 2). Pravý i levý nosič jsou na rám podvozku 5 zavěšeny dvojicí závěsů nosiče druhotného vypružení 4. Stabilita nosičů pružin je u podvozků Görlitz V a Görlitz Va zajištěna spojením každého nosiče zvlášť s kolébkou pomocí příčného táhla (obr. 7 poz. 6), které je tvořeno ojnicí se silentblokovým uložením. Při tomto řešení nejsou pružiny druhotného vypružení zatěžovány příčnými silami (ty zachytí příčné táhlo) a mohou být proto dimenzovány pouze pro zatížení svislou silou.
 | 
|
| obr.5: druhotné vypružení podvozku Görlitz Va | obr. 6: druhotné vypružení středoevropského podvozku |
Stabilita nosičů pružin druhotného vypružení může bý zajištěna příčnou vazbou (podvozky Pensylvánský, VÚKV, GP 200), kdy je pravý nosič s levým svázaný pomocí příčného nosníku (obr. 7 poz. 7). Působíme-li na kolébku (obr.7 vpravo poz. 1) příčnou silou, namáháme nejprve pružiny druhotného vypružení 3 (tyto pružiny mají v omezené míře rovněž funkci flexi-coil), které příčnou sílu přenášejí dále na nosič pružin 2. S nosičem pružin je do strany vychylován i spodní konec závěsu 4, který svou vratnou silou působí stejně jako pružiny druhotného vypružení proti příčnému pohybu kolébky.
|
| obr.7: řez druhotným vypružením Görlitz a VÚKV |
|
| obr.8: animace kinematiky podvozku GP 200 |
Závěsy nosiče druhotného vypružení
Závěsy nosičů pružin druhotného vypružení slouží:
- k zavěšení uzlu druhotného vypružení na rám podvozku
- jako pružící prvek příčného vypružení kolébky a s ní skříně vozu vůči rámu podvozku
- k výškovému stavění podvozku
Uložení závěsů na rám podvozku a nosičů pružin na závěsy je provedeno z důvodů usnadnění příčného výkyvu pomocí kloubů, nebo pomocí břitů (obr. 12). Kromě závěsů orientovaných svisle jsou používány závěsy orientované šikmo (obr. 9),
|
| obr.9: šikmé závěsy |
Hraníkový závěs
Hraníkový závěs nosičů pružin druhotného vypružení se skládá z táhla (obr. 10 poz. 1), zakončeného na horní straně závitem pro upevnění matice s břitem (obr. 12 poz. 3), na které je závěs uložen na podélníku rámu podvozku. Spodní část táhla je opatřena okem pro svorník (obr. 10 poz. 2), který váže sedla 3 pro uložení hraníků 4. Pomocí oka a svorníku jsou sedla hraníků upevněna i k nosiči pružin druhotného vypružení 5.
Táhlo může být do podélníku rámu podvozku vetknuté, potom je kyvadlo pro příčné vypružení tvořeno pouze hraníky. Závěs podvozku Görlitz V funguje jako dvojité kyvadlo, kdy je táhlu umožněn příčný pohyb a pohybuje se společně s hraníky. Při vychýlení o 17 mm dosedne táhlo 1 na pryžové uložení pouzdra 6 na rámu podvozku a další příčný pohyb umožňují pouze hraníky. Pružná délka závěsu zkrácena a tím i zvýšena tuhost příčného příčného vypružení.
 | 
|
| obr.10: hraníkový závěs Görlitz | obr. 11: šikmý závěs GP 200 |
Pevné závěsy
Pevné závěsy mohou mít tvar táhla (Görlitz Va na obr. 5 poz. 4, Görlitz VI),
|
| obr.12: výškové stavění podvozku |
Výškové stavění podvozku
Pomocí závěsů lze podvozek výškově stavět, což je důležité pro seřízení správné výšky nárazníků a nastavení rovnoměrného rozložení tlaku na jednotlivá kola podvozku. Na obrázku 12 vidíme řešení, kdy můžeme polohu táhla závěsu 2 vůči rámu podvozku 1 upravit pomocí matice s břitem 3, břit matice je uložen v opěrce 4. U dvojdílných závěsů na obr. 11 je délka závěsu upravována pomocí matice s protisměrnými závity 3.
Nouzový závěs
Závěsy nosičů pružin druhotného vypružení jsou silně namáhány dynamickými rázy a z toho důvodu jsou v konstrukci podvozků pro případ lomu závěsu vytvořeny závěsy nouzové. Téměř každý typ podvozků má odlišné konstrukční řešení nouzových závěsů. U podvozku Görlitz V slouží jako nouzový závěs tyč (obr. 10 poz. 7) zavěšená na podélníku rámu podvozku, která prochází otvory v rámu podvozku, kolébce a nosiči pružin. Nouzový závěs je zakončen hlavou, na kterou při přerušení zavěsu dosedne osazení na spodní straně nosiče pružin. Nouzový závěs podvozků GP 200 je tvořen ocelovým lanem (obr. 11 poz 4).
Vedení kolébky a přenos sil mezi rámem a kolébkou
Podélné vedení kolébky
Tažná síla z lokomotivy působí přes táhlové ústrojí na skříň vozu a dále na kolébku podvozku. Tuto sílu je nutné převést na rám podvozku, jehož hmotu je spolu s dvojkolími při rozjezdu nutné uvést do pohybu. Tažná síla musí za jízdy přemáhat jízdní odpory, které vznikají na styku kolo - kolejnice a jejichž silové působení musí rovněž přenášet vazba podélného vedení kolébky vůči rámu podvozku. Ještě větší požadavky na přenos sil mezi kolébkou a rámem podvozku vznikají při brzdění, kdy touto vazbou musí být přeneseny brzdné síly vnikající na obvodu kol.
Nejstarší provedení konstrukce podélného vedení kolébky je pomocí narážek (obr. 13 poz. 3) mezi příčníkem rámu podvozku 2 a kolébkou 1. Narážky s minimální podélnou vůlí byly původně řešené jako ocelové kluznice (podvozky Středoevropský a Pensylvánský), které musí svým rozměrem obsáhnout všechny uvažované pohyby kolébky vůči rámu podvozku. U podvozků Görlitz V a Görlitz Va jsou narážky na kolébce opatženy pryží (obr. 2 poz. 3).
 | 
|
| obr.13: podélné vedení narážkami | obr. 14: vedení vnějšími táhly |
U novějších konstrukcí podvozků je vazba podélného vedení kolébky součástí podélného vypružení podvozku, jehož tuhost je stanovena s ohledem na eliminaci škodlivých vibrací vnikajících v podvozku během jízdy, z nichž je problémová je frekvence otáčení nevyvážených kol. Jako pružící prvek podélného vypružení je používána především pryž. Na obrázku 14 je konstrukce kdy jsou podélné síly mezi kolébkou 1 a podélníkem rámu podvozku 2 přenášeny pomocí vnějších táhel 3 s pryžovými klouby 4. Podobné řešení je u podvozku SGP 300 na obr. 4 poz. 4, kde jsou podélné tyče uloženy na rámu podvozku i kolébce pomocí pryžových silentbloků. Dalším možným řešením jsou vnitřní (VÚKV, Tatra), nebo vnější ojnice.
Příčná vůle kolébky
Prostor pro příčné vypružení vymezen narážkami mezi kolébkou a rámem podvozku.
|
| obr.15: příčné narážky s proměnlivou vůlí. |
V současné době jsou používány příčné narážky s lineárně proměnlivou vůlí (obr. 15) v závislosti na natočení podvozku v oblouku. Protože dlouhé skříně osobních vozů při průjezdu obloukem vybočují na vnitřní straně oblouku, zmenšují narážky příčnou vůli která by mohla zvětšit vybočení skříně směrem ke středu oblouku (vůle na straně kolébky blíže ke středu oblouku, viz animace obr. 15) a zvětšují ji na vnější straně oblouku.
Zarážky s lineárně proměnnou vůli jsou konstruovány tak (obr 15), že jsou z podélníku skříně vozu vně podélníku rámu podvozku spuštěny konzoly, posunuté za osu otáčení podvozku. Na vnější straně stojiny podélníku rámu podvozku jsou upevněny narážky nebo kladky, které díky svému excentickému umístění mění při natáčení podvozku svou příčnou vzdálenost od konzol na skříni vozu a zmenšují tak prostor pro příčný pohyb kolébky a s ní i skříně vozu vůči rámu podvozku.
Tlumení druhotného vypružení
|
| obr.16: tlumení podvozku |
Kolébce jsou vůči rámu podvozku umožněny pohyby ve třech směrech (podélný, příčný a svislý).
Tlumení v podélném směru
Pokud jsou v podélném vedení kolébky použity kluznice, potom při minimální podélné vůli kluznic postačí tlumící účinek tření v kluznicích a závěsech nosičů vypružení. Pokud je vedení kolébky v podélném směru bez vůlí, potom při podélném vypružení pryží postačí tlumící účinek pryže.
Tlumení v svislém a příčném směru
Pro tlumení dynamických rázů, vznikajících mezi kolébkou a rámem podvozku, v příčném a svislém směru jsou používány kapalinové tlumiče (obr. 16). Svislé tlumiče mohou být upevněny mezi kolébku a podélníky rámu podvozku, nebo mezi kolébku a nosiče pružin. Příčné tlumiče bývají montovány mezi příčníky rámu podvozku a kolébku. Podélný a příčný tlumič lze sloučit v jeden, když vedeme svislé tlumiče šikmo v příčné rovině.