69. ábra A vonóerő-kifejtési viszonyok magyarázatához vonóerőkifejtési
v
kező hossz-irányú lökések lágyabb felvétele céljából. A járműfüzérben a járművek tömegei mint kinetikus energiatárolók, a járműkapcsolatokban érvényesülő rugalmas részek mint po-tenciális energiatárolók működnek. A vonatot alkotó járműfüzér így egy többtömegű lengés-képes dinamikai rendszerként azonosítható, amelyben a kialakuló hosszirányú lengések során a mozgó tömegekben jelen lévő kinetikus energia és a deformált rugalmas elemekben lévő potenciális energia folyamatosan átalakul egymásba a kialakuló lengések konkrét lefutásától függően. Röviden: a vonat többtömegű hosszdinamikai rendszer. A hosszirányú (longitudiná-lis) lengésekre képes vonatot a 70. ábrán bemutatott hosszdinamikai modell jeleníti meg.
70. ábra A vonat mint többtömegű lengő rendszer
A szomszédos járművek közötti rugalmas és disszipatív kapcsolatot az ábrán párhuzamosan műkö-dő rugók és csillapítók reprezentálják. A csillapítók arra szolgálnak, hogy a lengések során kialakuló kinetikus energia növekmény egy részét hő formájában kivezessék a lengő rendszerből, és ezáltal a lengések intenzitását csökkentsék, sőt lehetőleg előbb utóbb megszüntessék a hosszlengéseket.
A járműkapcsolatok szerkezeti kialakítása több féle lehet. A szabványos kialakítású hagyomá-nyos oldalütközős és csavarkapcsos vonókészülékkel bíró járműkapcsolat lehetővé teszi, hogy különböző járművekből szinte tetszés szerint lehessen vonatot képezni. A járműkapcsolat másik gyakorlatban alkalmazott változata a központi ütköző és vonókészülék. Az európai vasutaknál ez a típus főként a zárt motorvonategységekbe sorolt járművek esetében, illetve két vagy több motorvonat-egység egymáshoz kapcsolásának igénye esetén kerül alkalmazásra. Megjegyezzük azonban, hogy egyes országok vasútjainál a központi ütköző- és vonókészülékes járműkapcso-lat a kizárólagosan használt változat, pl. Ukrajnában, Oroszországban, de a tengeren túl is, az USA-ban, Kanadában és Japánban. A városi és elővárosi vasutaknál valamint a metró szerelvé-nyeknél viszont széles nemzetközi viszonylatban is kizárólagos a központi ütköző- és vonóké-szülékkel megvalósított járműkapcsolatok alkalmazása.
Az ütközőkészülék funkciója a járműkapcsolatban kialakuló nyomóerő átvitele. A vonókészü-lék funkciója a járműkapcsolatban kialakuló húzóerő átvitele. Mozdonyos vontatásnál a meg-indításnál és a vonatmozgás során a szomszédos járművek között a vonókészülékekkel való vonóerő átvitel játssza az alapszerepet. A vonókészülékek tehát húzásra vannak igénybe véve.
A vonat rendeltetésszerű üzemében azonban lassítások és megállások is szükségképp előfor-dulnak. Ekkor a szükségessé váló fékezések során a szomszédos járműkapcsolatokban
nyo-móerő átvitel valósul meg, amit az ütközőkészülékek visznek át. A fékhatás ugyanis a vonat-ba sorolt járműveken nem azonos időben jelenik meg, hiszen a tanultak szerinti légfék esetén a vonat mentén végighaladó fő légvezetékbeli a nyomáscsökkenésnek „el kell jutnia” az egyes kocsikhoz, és ez időt vesz igénybe. Bár a fékjel terjedési sebessége 120 m/s körüli érték, mé-gis a hátrább futó kocsik valamennyi ideig fékezetlenül rátorlódnak a vonat elején lévő és részben már megfékezett kocsikra. Kialakul tehát az ütközőkészülékek alapigénybevétele: a nyomóerőátvitel. Amennyiben olyan vonattal állunk szemben, amelynél minden jármű saját hajtásrendszerrel és fékrendszerrel van felszerelve (pl. a budapesti metrószerelvények), így a villamos hajtás-, és a fékrendszer az elektromos vezérlőrendszernek köszönhetően egyes jár-műveken gyakorlatilag egyidejűleg lép működésbe, akkor az ütköző- és vonókészülékekben csupán az egyes járműveken ébredő eltérő menetellenállások miatt lép fel hosszirányú erőát-adás.
A következőkben előbb a legjobban elterjedt hagyományos nagyvasúti oldalütközős jármű-kapcsolatot ismertetjük, és bemutatjuk az ott szerepet nyerő ütközőkészülékek és csavarkap-csos vonókészülékek szerkezeti felépítését, majd végül megadjuk a nagyvasúti központi ütkö-ző- és vonókészülékes járműkapcsolatot felülnézeti elvi vázlatát.
A 71. ábrán felülnézeti vázlaton mutatjuk be a hagyományos oldalütközőkkel és csavarkap-csos vonókészülékkel megvalósított járműkapcsolatot. A szomszédos járművek között a hosszirányú nyomóerő rugózott átvitelét a négy szembe dolgozó ütközőkészülék biztosítja.
Látható, hogy a két jármű azonos oldali, közvetlenül érintkező ütközőkészülékében lévő ru-gók rugó sorba van kapcsolva, hiszen mind a kettőn ugyanakkora nyomóerő megy át. Világos azonban az is, hogy a sorba kapcsolt rugók deformációja összeadódik. A járműkapcsolat két oldalán (az ábrán fent és lent) ily módon kialakuló kék-két sorba kapcsolt rugóoszlop egy-mással párhuzamosan dolgozik, a két rugó oszlop deformációja azonos, így a teljes járműkap-csolat az egyes oldalakon lévő soros rugópárral megjelenő rugóoszlop által átvitt hosszirányú erő kétszeresét fogja átvinni.
71. ábra A hagyományos oldalütközős, csavarkapcsos ütköző és vonókészülék
A két kapcsolódó kocsi vonókészüléke eltérő rendszerű. A bal oldali kocsi „osztott” vonóké-szülékes, a vonókészülék rugója közvetlenül a mellgerenda mögé van beépítve. Ez a beépítési mód azt eredményezi, hogy a jármű vonókészülékén átvitt teljes erőhatás rá van vezetve a jármű alvázára, annak szerkezeti elemeit terheli. A jobb oldali kocsi „átmenő” vonókészülé-kes. Az átmenő vonókészülék vonórúdja tehát végighalad a jármű alatt és a jármű másik vé-gében ismét vonóhorogban végződik. Ennél a vonókészüléknél a jármű mozgatásához szük-séges erő az átmenő vonórúdról a jármű középtáján elhelyezett vonórugóval kerül levételre, tehát csak a jármű mozgatásához szükséges erők tevődnek át az alvázra. Az átmenő vonóké-szülékes jármű esetében az alváz vonóerőből származó igénybevétele kisebb, szemben az osz-tott vonókészülékes esettel, ahol is az alvázat a vizsgált vonókészülék-bekötés mögött elhe-lyezkedő összes jármű mozgatásához szükséges eredő erő terheli. Az osztott vonókészülékes járművekből összeállított vonatnak csak az utolsó kocsija kap olyan alvázterhelést, mint az átmenő vonókészülékes járművekből összeállított vonat bármely járműve. Mindazonáltal mé-gis az osztott vonókészülékes járművek száma növekszik. Az ugyanis a helyzet, hogy a köz-ponti ütköző és vonókészülék esetében csak az osztott vonókészülékes megoldás alkalmazha-tó. Elhatározott dolog viszont, hogy az európai vasutak is valamely későbbi időpontban át fognak térni az központi ütköző- és vonókészülékek kizárólagos alkalmazására, és a jelenleg érvényes nemzetközi szabványok erre készülve, már egyértelműen az osztott vonókészülék alkalmazását írják elő.
Visszatérve a 71. ábrához, a vonókészülék rugókról megállapítható, hogy azok soros kapcso-lásban dolgoznak a most vizsgált két szomszédos jármű közötti húzóerő átvitel során, tehát a rajtuk átvitt erők megegyeznek, viszont a két vonórugón fellépő rugódeformációk
összeadód-ütközőkészülékek
nak. Nem ilyen egyszerű a helyzet, ha több átmenő vonókészülékes jármű kerül összekapcso-lásra, mert átmenő vonókészülékek esetén a valamely adott járműkapcsolatban átvitt erő nem független a távolabbi járműveknél átvitt vonórúgó-erőktől. Ez a kérdés az osztott vonókészü-lékes járművekből összeállított vonatoknál nem lép fel.
A 71. ábrán mutatóvonalak alkalmazásával megadtuk a csavarkapcsos vonókészülék fő alkat-részeinek megnevezését. A funkciójellemzést a 73. ábra kapcsán adjuk meg.
A 72. ábrán a leggyakrabban alkalmazott gyűrűs rugós ütközőkészülék hosszmetszeti rajzát mutatjuk be a 13 darab belső felületén kettős kúppal kialakított külső gyűrűben 13 darab külső felületén kettős kúppal kialakított gyűrű helyezkedik el. A szerkezeti elemek megnevezéseit mutatóvonalakkal adtuk meg. Az ábra egyben informál az ütközőkészülék fő méreteiről is.
72. ábra A gyűrűs rugós ütközőkészülék hosszmetszete
A külső és belső gyűrűk ily módon váltakozva építik fel a teljes rugóoszlopot. Amennyiben ezt a rugóoszlopot hosszirányú (az ábra szerint vízszintes) erő terheli akkor a kúpos belső gyűrűk axiálisan beljebb hatolnak a kúpos külső gyűrűkbe. Az utóbbiakat a bennük ébredő tangenciális (érintő) irányú húzóerő szétfeszíti, míg a belső gyűrűk tangenciális irányú nyomó--igénybevételt kapnak. A külső gyűrűkben ébredő húzófeszültségek és a belső gyűrűkben ébredő nyomófeszültségek a gyűrűk kerületi irányú alakváltozásához (külső gyűrűknél megnyúláshoz, belső gyűrűknél rövidüléshez) vezetnek. Következésként a rugóoszlop hossza megrövidül a kú-pos érintkezési felületeken egymáson súrlódás jelenlétében elcsúszva egymásba hatoló gyűrűk miatt. Érzékelhető, hogy a rugóoszlop hosszának csökkenésekor jelentős súrlódási munkavég-zés is megvalósul, azaz a gyűrűs rugós szerkezet mind a növekvő (ráterhelés), mind a csökkenő (visszarugózás) rugódeformáció során egyben jelentős mennyiségű energiát is disszipál. Ez azt
1.) gyűrűrugó-oszlop 2.) ütközőhüvely, fejlemezzel 3.) ütközőtok, talplemezzel 4.) ütközőtányér
5.) előfeszítő rúd 6.) előfeszítő-tám 7.) porvédő tárcsa 8.) rögzítő félgyűrű 9.) kiegyenlítő tárcsa 10.) alaplemez
jelenti, hogy az ilyen gyűrűs rugós ütköző egyben nagy csillapító hatást is biztosit a rugójáték során, ami a vonat hosszlengéseinek megszüntetése szempontjából igen kedvező.
A csavarkapcsos vonókészülék szerkezeti ábráját a 73. ábrán mutatjuk be. Jól látható a két összekapcsolt kocsi két egymással szemben elhelyezkedő vonóhorga. A vonóerő átadás húzott csuklós rúdláncként együttműködő szerkezeti elemeken át valósul meg. A jobb oldali vonóhorogba
73. ábra Csavarkapcsos vonókészülék szerkezeti rajza
beakasztott vonókengyelről a hozzá csuklósan kapcsolódó menetes kockaanyán át biztosított a húzóerő átadás a belehajtott csavarorsó egyik oldalára, a csavarorsó másik oldalán szintén egy menetes kockaanya csavarmenettel kapcsolódik az orsóhoz, ez utóbbi kockaanya pedig a hoz-zá két oldalról csuklósan kapcsolódó két vonóhevedernek adja át a húzóerőt, mely vonóheve-derek másik vége csapszegekkel csuklósan kapcsolódik a bal oldali másik jármű vonóhorgá-hoz. Ahhoz, hogy a csavarorsónak a középső forgatókarral történő körülforgatásakor a két kockaanya valóban közeledjék egymáshoz és meg lehessen feszíteni a kapcsolatot, az szüksé-ges, hogy az orsó egyik végén jobbmenet a másik végén pedig balmenet legyen. Az orsón lé-vő menet szabványos menetemelkedése 7 mm. Figyeljük meg, hogy a jobb oldali vonóhorog nyakánál lévő furatba egy másik csavarkapcsos vonókészülék van csapszeggel csuklósan kap-csolva, mely vonókészülék most négy csuklós rúdláncként törött vonal alakot vesz fel és a végén lévő vonókengyel a mellgerenda alsó negyedére hegesztett horogra van felakasztva. Az elmondottak alapján rögzíthetjük, hogy valamely jármű mindkét végének vonóhorgához egy teljes csavarkapcsos rendszer van felszerelve, azonban két jármű összekapcsolásakor a jármű-kapcsolatban midig csak az egyik partner jármű csavarkapcsának vonókengyele van
be-csavarorsó
forgató- kar
vonó-kengyel
vonóheve-der csavarorsó
vonóhorog (síkgörbe tartó)
kockaanya
mellgerenda
forgató- kar
akasztva a másik vonóhorgába, ezért a másik jármű csavarkapocs rendszer „hidegtartalék-ként” visszahajtva az alváz horgába beakasztva található.
A 74. ábrán a központi ütköző-vonókészülék kialakításának elvi magyarázatára alkalmas ábrát rajzoltunk fel. Mindkét járművégen a vonókészülék rúdja egy egyenesbe vezetett keresztfejbe van csuklósan bekötve. Ez biztosítja vonókészülék rudak vízszintes síkban való elfordulásá-nak lehetőségét, ami az ívben haladás során feltétlenül szükséges. Az egyenesbe vezetés füg-gőlegesen is megvalósul azonban a vonórudak függőleges síkban történő kis mértékű szögel-fordulása is biztosított. A keresztfejek a járműalváz kereszttartójához rugószerkezettel csatla-koznak, oly módon, hogy mind húzó, mind nyomóerő átadható legyen az alváz kereszttartójá-ra. Az ábrából jól látható, hogy a központi ütköző és vonókészülék az „osztott vonókészülék”
elvét valósítja meg. Tekintettel arra, hogy a nyomóerők átvitele most a keresztfejet az ütköző-fejjel összekapcsoló rúdon történik, a nyomott rúd méretezésének olyannak kell lennie, hogy a a dinamikus kihajlás ne következhessék be. Két kocsit tolatással egymásra tolva azok automati-kusan összekapcsolódnak az ütközőfejekben elhelyezett rugós mechanizmusnak köszönhetően. A
74. ábra A központi ütköző-vonókészülék vonalas vázlata
vonat szétrendezése során a központi ütközőkészülék oldása a szaggatott vonallal jelzett rete-szelés oldó mechanizmussal a kocsi mellől biztonságos módon lehetséges. Ezen retesz rend-szer rend-szerkezeti részleteivel és működésével jelen tárgy keretében nem foglalkozunk.
központi ütköző- és vonókészülék
reteszelés-mozgatókar
(szétkapcsoláshoz a vonatössze-állítás és szétrendezés során)
5.1 Bevezető megjegyzések
Motoros járműveken szűkebb értelemben a belsőégésű motorral hajtott szárazföldi járműve-ket értjük, ide tartoznak a dízelmozdonyok és dízel-motorkocsik, továbbá a közúti a közleke-dés megvalósításában résztvevő összes gépjármű, a motorkerékpártól a személy- és teherau-tókon valamint az autóbuszokon át egészen a közúti mobil munkagépekig. Szélesebb értelem-ben természetesen a motoros járművek közé tartoznak a belsőégésű motorral mint erőgéppel hajtott légi és vízi járművek is. A motoros járművek tanulmányozásának első lépése a hajtó erőgép, a belsőégésű motor működési elvének és felépítésének megismerése, majd az üzemi jellemzőik áttekintése. Ez után kerülhet sor a járműben a motor forgását és nyomatékát a ke-rekekhez közvetítő erőátviteli rendszer felépítésének és üzemi jellemzőinek tanulmányo-zására. A motoros járművekben erőgépként szóba jöhető belsőégésű motorok közül csak a dugattyús motorokkal foglalkozunk A belsőégésű dugattyús motorok hőerőgépek, melyek a tüzelőanyag kémiailag kötött energiáját a megvalósított égési folyamat során felszabadítva azt hőenergia formájába konvertálják, majd az így rendelkezésre álló hőenergiát mechanikai munkává alakítják. A jelen tárgyban csak benzin, ill. dízelolaj tüzelőanyaggal dolgozó moto-rokkal, a benzinmotomoto-rokkal, ill. a dízelmotorokkal foglakozunk.
5.2 A belsőégésű motor ideális munkafolyamata
Az „Általános járműgéptan” c. tárgyban már foglalkoztunk az ideális hőerőgép körfolyama-tokkal. Most idézzük fel az Otto-körfolyamatra és a Seiliger–Sabathier-körfolyamatra vonat-kozó elemi ismereteket! Az ideális körfolyamatok munkaközegeként az ideális gázt tekintet-tük, amely definíciója szerint követi a p V = m Rs T állapotegyenletet. Itt p a gáz nyomása V a gáz térfogata, m a gáz tömege Rs a gáz specifikus gázállandója T pedig a gáz abszolút hőmér-séklete. Az ideális motorikus körfolyamatok az ideális gázra vonatkozóan korábban már ta-nulmányozott elemi állapotváltozás szakaszok egymáshoz kapcsolásával valósulnak meg. A körfolyamat megvalósulása során a munkaközeget – most ez ideális gáz – valamely (p0, V0, T0) értékhármassal jellemzett kezdőállapotból kiindulva, majd a gázba meghatározott folya-matszakaszokon hőt bevezetve ill. a gázból hőt elvonva a munkaközeget visszajuttatjuk a ki-indulási (p0, V0, T0) állapotba. Az ideális körfolyamatoknál a hőbevezetés és a hőelvonás
„hőtartályokkal” való hőcsere elvi folyamatában valósul meg. A gáz állapotváltozásai közül az állandó térfogaton végbemenő (izochor), az állandó nyomáson megvalósuló (izobár) és a környezettől tökéletesen hőszigetelve végbemenő adiabatikus folyamatok játszanak döntő
szerepet.
75. ábra Otto körfolyamat és a Seiliger–Sabthier-körfolyamat
A 75. ábrán felrajzoltuk a dugattyús belsőégésű motorok körfolyamatát modellező két alapve-tő ideális körfolyamat p-V diagramját. A jobb oldali ábrarészen látható Otto körfolyamat az 1.
jelű pontból adiabatikus sűrítéssel (kompresszióval) indul. Az adiabatikus folyamat során az egymás után megvalósuló differenciálisan kicsi folyamatelemek a környezettel való energia-cserét kizárva mennek végbe, azaz az adiabatikus folyamatelemek mindegyikére érvényes a zéró hőcserét indikáló dQ = 0 egyenlőség. Az 1. jelű pontból induló adiabatikus kompresszió a 2. jelű pontban véget ér, és megindul a Vk térfogatúra komprimált gázban a térfogat ezen ér-tékének állandósága mellett a kívülről a gázba bevitt Q1 hőenergiaközlés által kiváltott izo-chor állapotváltozás. A 2. jelű pontból induló izoizo-chor állapotváltozás és az azt előidéző hőbevitel a 3. jelű pontban véget ér. A 3. jelű pontban megindul egy újabb adiabatikus folya-mat, mely most azonban térfogatnövekedéssel megy végbe (adiabatikus expanzió). Így a 3.
jelű ponttól a 4. jelű pontig ismét a környezettel való energiacserét kizárva megy végbe a gáz állapotváltozása, és az adiabatikus folyamatelemek mindegyikére érvényes a zéró hőcserét in-dikáló dQ = 0 egyenlőség. A 4. jelű pontban az adiabatikus expanzió véget ér. A 4. jelű pont-ból kiindulva a gáz az állandó nagyságú Va térfogaton ismét izochor állapotváltozáson megy keresztül és visszaérkezik az 1. jelű kezdőponthoz. Az állandó térfogaton megvalósuló nyo-máscsökkenést az váltja ki, hogy a gázból Q2 nagyságú hőt elvonunk. Azt, hogy a gázból hő-elvonás történt az jelzi, hogy az elvont hő negatív előjelet kap, így Q2 < 0. Ily módon a kiala-kult gáz állapotok egy zárt körfolyamatot rajzolnak ki a p-V síkon, melynek körüljárási irá-nya az óramutató járásával megegyező. A zárt körfolyamat által szolgáltatott W munka a