Praha — V rámci studia na fakultě strojní ČVUT v Praze jsem navrhl koncept patrového dvoučlánkového vozu, který jsem v akademickém roce 2013/2014 v rámci diplomové práce prověřil po stránce proveditelnosti, a to především pojezdu. Koncepci jsem po technické stránce konzultoval s několika odborníky na podvozky, ale chyběla mi odezva ze stran širší odborné veřejnosti, hlavně z okruhu dopravců. To je důvodem k tomu, proč vám, čtenářům ŽelPage, nyní chci v článku koncepci představit. Představovaná koncepce je původní myšlenkou autora, některé aspekty jsou pak výsledkem studie proveditelnosti zpracované v rámci diplomové práce autora na FS ČVUT v Praze. Koncepce je zaměřena zejména na optimalizaci využití kinematického obrysu včetně jeho dovolených přesahů při průjezdu obloukem.

Popis koncepce

Hlavní myšlenkou koncepce je využít a sloučit výhody, které představují jednotlivé „standardní“ koncepce patrových vozidel. Standardní čtyřnápravové vozy se dvěma podvozky totiž díky převislým představkům mohou využívat při průjezdu obloukem i dovolený přesah obrysu vně koleje. Nevýhodou tohoto naopak je, že prostor nad podvozkem a představek je uzpůsobitelný pouze pro jedno podlaží, a délka, ve které lze použít dvě podlaží nad sebou, klesá. Tím pádem tak klesá i přidaná hodnota oproti jednopodlažním vozidlům. Proto je snahou maximálně prodloužit vzdálenost podvozků. Tato hranice se zastavila na hodnotě vzdálenosti otočných čepů 20 000 mm. Tato vzdálenost otočných čepů podvozků způsobuje, že skříň může být široká jen 2 770 - 2 780 mm, což je hraniční hodnotou šířky pro uspořádání interiéru se sedadly v uspořádání "2+2". Někteří výrobci zůstali z důvodu zachování komfortu u hodnot vzdálenosti otočných čepů pod touto maximální hranicí (19 000 mm), která umožňuje šířku vozu alespoň 2 810 mm. Protože tloušťku bočnice nelze zásadním způsobem ovlivnit, musí se chybějící centimetry projevit na vybavení interiéru. Buď se ušetří na šířce sedadel - ty však pak neodpovídají doporučením normy UIC 567 (ta mluví o hodnotách 500 mm sedák, 60 mm područka), nebo na šířce uličky, což je nevhodné i z hlediska bezpečnosti při případné evakuaci. U vícečlánkových vozidel se společnými Jakobsovými podvozky (pravými i nepravými) je rozšíření obrysu směrem ven z hlediska kinematiky průjezdu obloukem zcela nevyužité. Články těchto vozidel jsou tedy kratší o 2 představky a pro sestavení soupravy o srovnatelné kapacitě je třeba více kratších článků (jejich délka může být vzhledem k obrysu odpovídat maximálně zmíněným 19 - 20 metrům). Výhodou je (nebo spíše bylo by), že poměr délky využitelné pro dvě patra nad sebou vůči celkové je lepší.

Navrhovaná koncepce využívá společný podvozek. Na rozdíl od Jakobsova podvozku jsou otočné čepy jednotlivých skříní předsunuty směrem ke středu článku. Tím je docíleno toho, že je využito i vnější rozšíření obrysu v oblouku. Navíc je dosaženo i toho, že i když mohou být skříně dlouhé téměř jako u čtyřnápravových vozidel, je podíl využitelné délky pro uspořádání dvou podlaží větší. Navrhované vozidlo je koncipováno jako dvoudílné.

Porovnání vozidel: v oblouku, využití interiéru. Zdroj: autor

Návrh interiéru

Vnitřní prostor je v každém článku rozdělen do tří oddílů pro cestující. Dolní podlaží, střední podlaží nad podvozkem a horní podlaží. Protože tento dvoučlánkový vůz je rozdělitelný pouze dílensky, není důvod aby byl přechod mezi články ve standardizované výšce 1 250 mm. Z tohoto důvodu je volen v úrovni horního podlaží. Opačná čela jednotlivých článků jsou opatřena standadním rozhraním dle UIC. Nástupní prostory jsou voleny tak, aby byl z každých dveří umožněn přístup do všech oddílů. Nástupní prostory jsou vzhledem k článkům nesymetrické. Jeden článek obsahuje dva nástupní prostory se šířkou dveří 1 400 mm a druhý pouze jeden se šířkou dveří 2 000 mm. K nástupním prostorům blíže ke kraji vozidla přiléhá vždy jedno WC, které je uzpůsobeno i pro imobilní cestující. Dále je u těchto nástupních prostorů vytvořen víceúčelový prostor se sklopnými sedadly. Třetí nástupní prostor (prostřední) je nejmenší. Je z něj přístup přímo do spodního oddílu a po schodech přímo doprostřed horního podlaží, které je nedělené skrz oba dva články. Nejlepší představu o uspořádání interiéru dá však přiložený výkres a obrázek.

Typový výkres vozidla • uspořádání interiéru. Zdroj: autor

Návrh pojezdu

Pojezd navrhovaného vozidla je velmi atypický. Jeho uspořádání činí toto vozidlo výjimečným. Pojezd sestává ze dvou „obyčejných“ podvozků krajních a jednoho podvozku společného, pro toto vozidlo přímo vyvinutého.

Krajní podvozky mají rozvor 2 400 mm. Primární vypružení je provedeno pomocí ocelových vinutých pružin a vedení dvojkolí je pak realizováno pomocí kyvných ramen s optimalizovaným poměrem příčné a podélné tuhosti. Sekundární vypružení je realizováno jako pneumatické, jednobodové, doplněné dvěma torzními stabilizátory. Nouzové vypružení je z důvodu zmenšení změny kolových sil realizováno rovněž jako jednobodové (paralelní, předepnuté) a nachází se tedy uprostřed hlavního příčníku. Tlumení je hydraulické a působí na svislé pohyby primárního vypružení a svislé, příčné a vrtivé pohyby sekundárního vypružení. Přenos podélných sil je prostřednictvím lemniskátového mechanismu pod hlavním příčníkem.

Střední podvozek je třínápravový. Primární vypružení je navrženo rozdílně pro krajní nápravy a střední nápravu. Primární vypružení krajních náprav je navrženo tak, aby byla jeho příčná tuhost relativně vysoká a podélná naopak relativně nízká. Toho je docíleno tím, že primární vypružení vzhledem k ložiskové komoře je nesymetrické. Na straně ke kraji podvozku ho tvoří ocelová vinutá pružina usazená na pryžových kloubech, na druhé straně ložiskové komory je pak pryžový prvek tvarovaný podobně jako pružina s optimalizovanou tuhostí ve všech třech směrech (podobně jako podvozek Flexx od firmy Bombardier, původně vzor Talbot). Primární vypružení střední nápravy je co se týká skladby pružících prvků podobné, ale tuhost je nízká v obou horizontálních směrech. Vedení krajních náprav je realizováno pomocí ojniček a vahadla otočně usazeného do hlavního příčníku rámu podvozku. Vahadla obou krajních náprav jsou nad příčníky spojena křížovou vazbou (na některých vyobrazeních chybí). Na jednom z vahadel je rovněž vytvořeno rameno pro převod pohybu mechanismu na střední nápravu. Tento převod je volen tak, aby dvojkolí zaujímala ideální radiální polohu v oblouku. Pohyb obou těchto vahadel je tlumen hydraulickými tlumiči. Obě sekundární vypružení jsou stejně jako u krajních podvozků vzduchová, jednobodová s jednobodovým nouzovým vypružením a doplněná o dvojici stabilizátorů. Na sekundárním vypružení jsou usazeny trojúhelníkové „delta“ rámy. Jejich pohyb vůči rámu podvozku je omezen podélnými ojnicemi, které dohromady vytvářejí paralelogram. Tyto ojnice jsou značně masivní protože přenášejí podélné síly až 2000 kN (dle P-I, EN 12 663). Na delta rámech jsou v oblasti nad sekundárním vypružením kluznice pro přenos svislých sil ze skříně nebo naopak na skříň. Přenos horizontálních sil se děje na třetí straně trojúhelníka, která je oproti podvozku podélně vyložena. Tam se na rámu nachází válcová díra, do níž zapadá čep. Primární vypružení je tlumeno hydraulickými tlumiči, vždy na straně vinuté pružiny. Sekundární vypružení je tlumeno ve svislém a příčném směru. Funkci tlumičů vrtivých pohybů zde zastávají kluznice na poměrně velikém poloměru vůči čepu.

Výkresy a modely podvozku. Zdroj: autor

Výpočet obrysu pro konstrukci vozidla

Výpočet obrysu pro konstrukci bylo potřeba přizpůsobit atypickému pojezdu. Vozová skříň se má vzhledem k obrysu tři kritická místa při průjezdu obloukem. Jsou to oba vnější rohy a plocha bočnice, která se nejvíce přiblíží mezní hranici v prostoru poblíž středu vzdálenosti podvozků. Vzdálenost k mezní hranici byla pro tato tři kritická místa prověřena pro posloupnost poloměrů a na základě jejich hodnot byl stanoven tvar kulis proměnných dorazů příčného vypružení všech podvozků.

Výpočetní simulace

Pro navržené vozidlo byly odhadnuty hmotnost a momenty setrvačnosti jednotlivých komponent a na základě jich sestaven dynamický model v prostředí software SIMPACK®. Sestavený model prošel řadou simulací pro ověření jeho funkčnosti. Byly to simulace vážení, simulace zkoušky náklonu a simulace zkoušení změny kolových sil na zborcené koleji. Některé simulace probíhaly na virtuálním zkrucovacím stavu. Jejich výsledkem bylo ověření funkčnosti a validace modelu. Výsledky simulace zkoušení změny kolových sil rovněž posloužily pro vyhodnocení bezpečnosti proti vykolejení (Y/Q)lim, jehož součástí byla simulace průjezdu měrným obloukem R150. Takto ověřený model byl použit pro simulaci jízdně technických zkoušek ve smyslu normy EN 14 363 se zastoupením všech zkušebních oblastí. Dále byly provedeny simulace pro ověření bezpečnosti proti vykolejení při průjezdu jednoduchou kolejovou spojkou s úhlem odbočení 1:7,5 a simulace zkoušky shozem z klínů, pro zjištění hlavních vlastních frekvencí vozidla. Výsledky simulací byly pozitivní (viz též tabulka č. 1).

Modely v simulačním software SIMPACK. Zdroj: autor

Tabulka 1: Oblasti zkoušení dle EN 14 363. Zdroj: autor

Porovnání

Vozidlo je navrženo tak, aby maximálně využilo prostor pro co největší úsporu neužitečné hmotnosti vztahující se k jednomu sedadlu. V porovnání s ostatními v Evropě provozovanými patrovými vozy je vidět, že zlepšení bylo dosaženo, a to ne nepatrného.

Porovnání: počet sedadel na metr, hmotnost na sedadlo. Zdroj: autor

Závěr

Navržené vozidlo má potenciál vyhovět zkouškám stran jízdních vlastností a jízdní bezpečnosti. Uspořádání interiéru bylo navrženo nějakým způsobem, který je ale ve velké míře přizpůsobitelný zákazníkovi. Netradiční koncepce dává vozidlu velmi výhodné technicko-ekonomické parametry, na stranu druhou může být netradiční koncepce překážkou při odhodlávání potenciálního výrobce jít touto originální cestou a „prošlapat“ cestičku jistě nelehkým procesem schvalování vozidla. Dosažené parametry vozidla jsou uvedeny níže v tabulce č. 2.

Tabulka 2: Výsledné parametry vozidla. Zdroj: autor

Autorský text.