Hydropouzdra v kývačkovém vedení dvojkolí

Při řešení jednoho z výzkumných projektů na univerzitě v Newcastlu jsem se poučil o současném trendu na britských železnicích, kde se do podvozků s kývačkovým vedením dvojkolí dosazují prvky s frekvenčně závislou tuhostí v podélném směru. Smyslem je snížit účinky vozidla na trať v obloucích, aniž by se zhoršila stabilita chodu v přímé koleji. Pozor, článek obsahuje velké množství odborných pindů.

Podvozek BT41 pod britským osobním vozem kategorie Mark 4

Obvyklé provedení kloubu kyvného ramene

Vedení dvojkolí kyvným ramenem umožňuje funkci svislého vypružení při natáčení kyvného ramene ve svém kloubu. Kloub nemá podobu kluzného ložiska, nýbrž pryžového prvku – válcového silentbloku, kde poddajnost pryže umožňuje natáčivý pohyb. Současně umožňuje i pohyby v ostatních směrech a poskytuje tedy určitou podélnou a příčnou poddajnost vedení dvojkolí.

U některých konstrukcí je vrstva pryže tenká – příkladem budiž klasický lokomotivní podvozek ČKD. Kloub musí přenášet tažnou sílu dvojkolí a ještě účinkovat jako vetknutí kyvného ramene v příčném směru, protože nápravové ložisko je naklápěcí. Takové uložení pochopitelně má velkou podélnou tuhost – dvojkolí nemá moc šanci se oproti rámu podvozku natáčet a tím se přizpůsobovat oblouku koleje. Jistě, zásadní díl přizpůsobení vozidla koleji řeší natáčení podvozků pod skříní, ale jestliže se u moderních vozidel hledí na snižování účinků vozidla na trať v obloucích, věnuje se pozornost i natáčení jednotlivých dvojkolí v podvozku.

Podvozky jako např. Y32, Fiat anebo BT41 na fotografii nahoře mají kyvná ramena kratší a lehčí (menší nevypružené hmoty), ložiska jsou kuželíková nebo válečková, takže drží ramena v pravém úhlu k nápravám. Klouby kývaček jsou užší, ale s větším průměrem a větší vrstvou pryže. Mají tedy menší tuhost v podélném i v příčném směru. Na obrázku níže jsou pro porovnání ve zhruba správných proporcích načrtnuty klouby kývaček lokomotiv ČKD a nizozemských jednotek VIRM.

Nákres pryžového prvku v uložení kyvného ramene lokomotiv ČKD a jednotek VIRM; některé kóty jsou jen přibližné

Uspořádáním pryžového tělesa lze výhodně měnit jeho tuhosti v jednotlivých směrech, jak ilustruje další obrázek. Vynecháním materiálu v některých částech silentbloku se změní podíl normálové a smykové deformace při zatěžování v daném směru, a tím i tuhost. Vytvarováním jakési narážky lze docílit lomené charakteristiky.

Vliv uspořádání pryžového prvku na charakteristiku v podélném a svislém směru

Jsou-li nápravová ložiska vedena v rámu podvozku s nižší podélnou tuhostí, podélné skluzové síly v kontaktu kolo–kolejnice snáze dostanou dvojkolí do polohy s menším úhlem náběhu, což je příznivé. Současně ale při jízdě v přímé koleji snáze dojde k nestabilnímu chodu (snižuje se kritická rychlost) – je to jedno proti druhému.

HALL – pryžový kloub s olejovou náplní

Výhodné by bylo, kdyby kloub kyvného ramene – anebo poddajný prvek v jakémkoli jiném vedení dvojkolí – vykazoval malý odpor proti deformaci narůstající pomalu, když vozidlo najíždí přechodnicí do oblouku; současně ale aby kladl větší odpor pohybům s vyšší frekvencí, typickým pro neklidný chod. Takový prvek lze zkonstruovat s využitím viskózního odporu. Známe jej jako Hydrobuchse neboli „hydropouzdro“ v čepovém vedení dvojkolí jedné z variant podvozku SF 400. Tento prvek je orientován svou osou svisle a je připevněn k vodicímu čepu.

Pro vedení dvojkolí kyvným ramenem je k dispozici velice podobný prvek, který je umístěn s příčnou osou jako kloub kyvného ramene. V němčině se nazývá Hydraulisches Achslenkerlager (hydraulické uložení vodicího ramene), zkratkou HALL. Angličani tomu říkají HALL bush, často aniž by věděli, že HALL je zkratka německého výrazu, nikoli anglické slovo, které by se vyslovovalo /hól/.

Je to pryžový kloub, který v podélném řezu vypadá podobně jako třetí varianta na obrázku výše, avšak dutiny jsou vyplněny kapalinou. Dutiny jsou spojeny kanálkem, který nebývá přímý, nýbrž spirálovitě se vine kolem čepu, aby byl delší. Průřezem a délkou kanálku se dají ladit charakteristiky podélné tuhosti. Pouzdro je pochopitelně orientováno tak, že se dutiny nachází před a za čepem. Působí-li tedy na nápravové ložisko síla, která jej podélně posouvá oproti rámu podvozku, musí překonávat jednak pružný odpor pryže, jednak viskózní odpor kapaliny přetékající z jedné dutiny do druhé. Ten narůstá s rychlostí proudění, čímž je docíleno požadované vlastnosti. Uvádí se, že hmota kapaliny současně vykazuje do jisté míry efekt dynamického tlumiče (hltiče).

Nákres prvku HALL – Hydraulisches Achslenkerlager

Závislost podélné tuhosti na frekvenci zatěžování není lineární, má spíše podobu spojitého přechodu mezi „kvazistatickou“ a „dynamickou“ tuhostí.

Ve Velké Británii je zaveden systém poplatků za dopravní cestu zohledňující účinky vozidla na trať. Za takových podmínek mají pochopitelně různé pokročilé konstrukce větší šanci dostat se do provozu navzdory vyšší pořizovací ceně nebo nárokům na údržbu. Jedním z kritérií, podle kterých se poplatky stanovují, je ukazatel T-gamma při průjezdu obloukem – v této oblasti se právě projeví přínos kloubu HALL. V Británii se tento prvek využívá u jednotek Class 221 (Voyager), Class 444 (Desiro UK), dosazuje se do podvozků BT41 (SIG) u osobních vozů Mark 4 (viz fotografie úplně nahoře) a další jsou v plánu. Švýcaři používají prvky HALL u osobních vozů EW-IV.

Zapojení kloubů do aktivního systému

Koncepce pryžového kloubu s hydraulikou by se dala dále rozvádět. Například si lze představit systém, kde komory naplněné olejem nejsou propojeny mezi sebou v jednom prvku, nýbrž s jiným prvkem v podvozku – tím by se dala provázat ramena jednoho dvojkolí nebo vytvořit křížová vazba dvojkolí. Systém HALL 2.0 jde ještě dál, zahrnuje aktivní prvek v podobě čerpadla, které prostřednictvím hydropouzder nastavuje dvojkolí do oblouku. K tomu účelu musí mít řídicí systém údaje o trasování koleje, aby věděl, kdy a jak má působit. Podle prezentace výrobce je lze získat z GPS nebo analýzy obrazu z kamery namířené na kolejnice; není mi ale známo, v jakém stadiu vývoje je systém teď. Dotyčný dokument působí takovým dojmem, jako když technicky nic ještě odzkoušené není, ale obchoďáci už by to chtěli prodat.

Tak uvidíme, jak to bude vypadat se zaváděním takových systémů do provozu.

Literatura

--- lepší obrázky a fotografie: gůglete „Hydraulisches Achslenkerlager“ (ne HALL bush, to najde samé blbosti)
--- HALL – různé informace: článek na Wikipedii, patent, prezentace (s. 33–36)
--- HALL 2.0 – údaje od výrobce: webová stránka (s odkazy na přílohy)
--- Analýza přínosu doplnění hydropouzder do podvozku VIRM: příspěvek na konferenci, prezentace
--- Popis podvozku BT41: článek v Journal of Rail and Rapid Transit