Zobrazit článek ve formátu PDF - Západočeská univerzita v Plzni

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.