Opublikowano: 05 kwietnia 2011

Wkrótce upłynie sto osiemdziesiąt pięć lat od chwili, gdy pierwsza grupa pasażerów odbyła podróż wagonem kolejowym, ciągnionym lokomotywą parową. Te prawie dwa wieki historii były okresem nieustannej ewolucji w zakresie przewozu ludzi po szynach, któremu towarzyszyło pełne upowszechnienie tego sposobu podróżowania. Sieć połączeń nieustannie się rozrastała, zwiększała się prędkość przejazdu, zmienił się rodzaj napędu wykorzystywany w tych podróżach, a także cechy, określające warunki komfortu i otoczenia pasażerów odbywających podróże

Marcin Szcześniak

Pierwsze stulecie ewolucji pojazdów szynowych charakteryzowało się intensywnym rozwojem napędu parowego lokomotyw, zaś w wagonach pasażerskich, o drewnianej konstrukcji, dążono do zwiększania luksusu i wszelkiej obfitości form. Tramwaje miejskie w tym okresie, przeszły w całości na napęd elektryczny, zaś ich wnętrza stanowiły raczej wyraz funkcjonalności, odpowiedniej dla epoki. W okresie międzywojennym w Europie można zaobserwować postępujący rozwój alternatywnych układów napędowych pojazdów szynowych – pojawiły się lokomotywy spalinowe i elektryczne, a w konstrukcji wagonów pasażerskich coraz powszechniej zaczęto używać stali. W ostatnim półwieczu zniknęły lokomotywy parowe, a na trasach przewozów pasażerskich rozpoczął się francusko-japoński wyścig superszybkich pociągów dalekobieżnych.
Mimo ogromnego postępu technicznego w budowie pojazdów szynowych ostatnich lat, w zasadzie niezmienna pozostała konstrukcja pudła wagonu. Solidna stalowa rama – ostoja wagonu, stanowi bazę dla konstrukcji szkieletu z profili stalowych. Dla zapewnienia wymaganej stateczności i wytrzymałości całego pojazdu, poszczególne żebra szkieletu połączone są ze sobą wspawanymi profilami wzdłużnymi. Konstruktor, opracowujący strukturę pudła wagonu musi dysponować wiedzą i doświadczeniem, pozwalającym na dobranie właściwych rozmiarów profili szkieletu, niezależnie od wykonywanych obliczeń inżynierskich. Rozmieszczenie poszczególnych odcinków szkieletu musi uwzględnić rozplanowanie instalacji funkcjonalnych przyszłego pojazdu. Przede wszystkim elektrycznej i grzewczej, a w wagonach kolejowych także klimatyzacyjnej i pneumatycznej. Szczególna uwaga projektanta poświęcona musi być odpowiedniemu dopasowaniu kształtu profili szkieletu w obszarze okien i drzwi pojazdu, zapewniającemu właściwe ich zamontowanie. Dalsza konstrukcja pudła pojazdu szynowego polega na opracowaniu kształtu wykrojów blach poszycia zewnętrznego.

Rysunki modelu CAD szkieletu wagonu

Blachy te muszą być zespawane ze szkieletem w taki sposób, aby maksymalnie wyeliminować deformacje blachy pod wpływem ciepła spoin i zapewnić płaskość ścian bocznych. Tradycyjnie w naszym kraju, blachy poszycia spawa się do fragmentów szkieletu w przyrządach spawalniczych i jako gotowe zespoły montuje na ostoi. Po zamknięciu pudła wagonu, blachy boków muszą zostać dodatkowo wyprostowane, co stanowi nie lada sztukę. W nowoczesnych technologiach budowy wagonów, szkielet spawany jest na ramie, zaś blachy pudła wagonu napinane są równomiernie na całej konstrukcji szkieletowej. Okna i drzwi w pojazdach szynowych powstają w specjalistycznych firmach, zgodnie z charakterystyką techniczną pojazdu, którego wyposażenie mają stanowić. W konstrukcjach starszych pojazdów, które obecnie przechodzą remonty generalne, okna najczęściej były przykręcane do szkieletu pudła wagonu, natomiast współczesne, nowoczesne wagony dysponują oknami wklejanymi. Ościeżnice drzwi są nadal przykręcane do szkieletu. Równocześnie z konstrukcją pudła wagonu trwa rozwój konstrukcji instalacji funkcjonalnych – elektrycznej, pneumatycznej, wentylacyjno-grzewczej i wodnej.

Wybrane Polskie Normy, odnoszące się do konstrukcji wnętrza wagonów kolejowych

Projekt wystroju wnętrza pojazdu szynowego rozpoczyna się po zatwierdzeniu zasadniczej koncepcji powstającej konstrukcji. Niezależnie od tego, czy jest to pojazd projektowany od podstaw, jako nowa konstrukcja, czy też podlegający generalnemu remontowi, decydującą role w zakresie stylistyki wnętrza odgrywają wymagania użytkowe, jakim musi zostać podporządkowany. Wymagania te określa zawsze eksploatator pojazdu; w polskich warunkach jest nim – na kolei – jedna ze spółek PKP, zaś w przypadku tramwajów – lokalny zakład transportu miejskiego. Różnorodność wymagań dla tramwajów jest znacznie bardziej ograniczona i zasadniczo dotyczy ilości i jakości (komfortu) miejsc do siedzenia, ich rozmieszczenia, poziomu komfortu wnętrza (oświetlenie, ogrzewanie, wentylacja) i aspektom utrzymania sprawności eksploatacyjnej – czystości, odporności na wandalizm, dostępu do osprzętu i wyposażenia. W przypadku wagonów kolejowych, cechy wykończenia wnętrza zależą przede wszystkim od przeznaczenia pojazdu. Inaczej wygląda wnętrze wagonu podmiejskiego zespołu trakcyjnego, inaczej ekspresu dalekobieżnego, wagonu sypialnego, czy też restauracyjnego, albo konferencyjnego. Specyfika wykończenia wagonów metro stanowi konglomerat wymagań dotyczących tramwaju i pociągu podmiejskiego, ale szczególną rolę przy doborze materiałów wykończeniowych odgrywają w tym przypadku bardzo wysokie wymagania w zakresie ich niepalności.

Wybrane Karty UIC, odnoszące się do konstrukcji wnętrza wagonów kolejowych

Skoro mowa o wymaganiach, należy tu wspomnieć o roli Międzynarodowego Związku Kolei – UIC (Union Internationale des Chemins de fer) – organizacji, od prawie 90 lat zrzeszającej przedsiębiorstwa zajmujące się transportem kolejowym i reprezentującej je na arenie międzynarodowej. W ramach swojej działalności, UIC publikuje zarządzenia zawierające wytyczne dotyczące technologii, infrastruktury czy eksploatacji pojazdów kolejowych, mające charakter nakazów, zaleceń lub informacji. Konstruktorzy, zajmujący się projektowaniem pojazdów kolejowych muszą przestrzegać zapisów, opublikowanych w Kartach UIC, podobnie jak konstruktorzy samochodów muszą uwzględniać wymagania regulaminów, czy też dyrektyw homologacyjnych, określonych przez organizacje motoryzacyjne na całym świecie. Podobnie jak samochody jeżdżące po drogach publicznych muszą posiadać certyfikat homologacji, tak pojazdy kolejowe muszą legitymować się dopuszczeniem do eksploatacji, potwierdzającej ich kompatybilność z odpowiednimi wymaganiami UIC. Polskie normy branżowe odnoszą się w większości do postanowień kart UIC, lub regulaminów Unii Europejskiej.

Przykłady projektów stylistyki wnętrza wagonów kolejowych

Zasadniczą część wystroju wnętrza wagonu stanowi wykładzina ścian bocznych. Jest kilka wypróbowanych koncepcji projektowania wyłożenia tych ścian. Posłużę się tu przykładem z projektów opracowywanych przez biuro konstrukcyjne Rücker-Polska w Warszawie. Większość współcześnie projektowanych wyłożeń powstaje w technice formowania kompozytów poliestrowych wzmacnianych włóknem szklanym za pomocą negatywowych form. W moim poprzednim, listopadowym artykule poświęconym projektowaniu paneli czołowych pojazdów szynowych opisałem bardziej szczegółowo tę technologię, toteż skoncentruję się teraz bardziej na aspektach konstrukcyjnych. O ile odwzorowanie kształtu w przypadku wykładziny ściany bocznej nie wydaje się być problematyczne z racji niemal płaskiego charakteru tego elementu, interesujące mogą być zagadnienia związane z późniejszym montażem tych elementów. Pierwsza faza projektu obejmuje ustalenie zasadnych podziałów, występujących wzdłuż ścian bocznych wagonu. Jako bazę konstrukcyjną przyjęto otwory okienne, wokół których zaprojektowano identyczne – o ile na to pozwala konstrukcja wagonu – panele okienne. Przestrzeń pomiędzy otworami okiennymi wypełniają panele boczne. Taki standardowy zestaw elementów powtarza się wzdłuż zasadniczej części wagonu i zapewnia redukcję ich różnorodności, a co za tym idzie ilości form, czyli kosztów wytwarzania.

Równolegle z projektem wykładzin kompozytowych, trwa praca polegająca na zaprojektowaniu elementów dodanych szkieletu, służących wyłącznie do montażu wyłożeń. Pół biedy, jeśli mamy do czynienia z nową konstrukcją wagonu. Tymczasem, często w przypadku modernizacji pojazdów szynowych, oryginalna dokumentacja szkieletu istnieje tylko w formie papierowej. Ponieważ konstrukcja odbywa się teraz najczęściej w trójwymiarowych systemach CAD – konstruktorów czeka trochę niewdzięczne zadanie digitalizacji oryginalnego szkieletu wagonu, aby dalszy proces projektowania mógł odnosić się do rzeczywistych warunków obszaru projektu. Montaż elementów kompozytowych do szkieletu wagonu odbywa się z wykorzystaniem listew z drewna (np. bukowego), zabezpieczonych impregnatem uniepalniającym, przykręcanych blachowkrętami do profili szkieletu. Jednakże często szkielet pudła wagonu nie ma profili rozmieszczonych wystarczająco gęsto, by służyły do zamocowania wszystkich elementów ścian bocznych. Należy także pomyśleć o sposobach mocowania np. foteli dla pasażerów, czy też stolików i śmietniczek, w wagonach kolejowych. Jeszcze większe wymagania stoją przed konstruktorami wagonów sypialnych. Tu utrudnienia są poważniejsze, niż w wagonach pasażerskich. Dlatego też konstruktorzy muszą zaplanować rozmieszczenie dodatkowych kątowników i wsporników stalowych, które zostaną wspawane. Stanowią one właśnie te wspomniane elementy dodane szkieletu wagonu. W przypadku omawianego sposobu montażu wykładzin, główne panele okienne zostają przykręcone wkrętami do listew na szkielecie, poprzez przekładki filcowe (uniepalnione szkłem wodnym), zapobiegające niepożądanym efektom dźwiękowym w późniejszej eksploatacji wagonu. Ze względu na estetykę, aby uniknąć widocznych połączeń śrubowych, międzyokienne panele boczne mocuje się do sąsiednich paneli okiennych za pomocą mocnych rzepów przemysłowych, pomocniczo wykorzystując wkręty w miejscach trudno widocznych, z reguły na dole i górze panelu. Wyodrębnienie paneli okiennych, jako oddzielnych elementów pozwala na rozluźnienie tolerancji montażowych, gdyż panel centruje się na otworze okiennym, a ewentualne naddatki wymiarowe części obcina się po zamontowaniu. Montaż paneli okiennych wkrętami możliwy jest np. w obszarze, gdzie później zainstalowane będą rolety okienne, a także na dole i górze panelu. W miejscach eksponowanych stosowane są także rzepy. Analogiczna zasada dotyczy również montażu bocznych wyłożeń sufitowych. Centralna część sufitu często stanowi miejsce montażu oświetlenia, a także innych urządzeń i instalacji. W starszych wagonach kolejowych eksploatowanych w Polsce praktycznie jest to niespotykane, ale w nowoczesnych konstrukcjach kolejowych to właśnie środkowa część sufitu kryje kanały rozprowadzające instalacji klimatyzacyjnej. Sensowne ze względów serwisowych wydaje się zaprojektowanie tej części sufitu w postaci otwieranych klap rewizyjnych, znakomicie ułatwiających dostęp do umieszczonych pod dachem wagonu instalacji i urządzeń, celem ich obsługi okresowej lub naprawczej.

Stylistyka wnętrza wagonu bezprzedziałowego, montaż elementów i stan po wykończeniu

Wagony kolejowe posiadają ściany działowe, oddzielające przedziały lub pomieszczenia funkcjonalne. Z zasady, ściany te wykonuje się ze specjalnej sklejki o właściwościach trudnopalnych. Aby zachować estetykę wykończenia takich ścian, najczęściej są one laminowane technikami stosowanymi w meblarstwie. Firma Rücker-Polska w realizowanych przez siebie projektach wykorzystała z powodzeniem innowacyjną technologię, polegającą na pokrywaniu płyt sklejki cienką warstwą kompozytu poliestrowo-szklanego, o kompozycji podobnej do stosowanej przy produkcji wykładzin bocznych i sufitowych. Tego rodzaju wykończenie ścian działowych doskonale pasuje do boków wagonu, jest trwałe, a dzięki zastosowaniu żywic o właściwościach trudnopalnych, znakomicie spełnia wymagania ognioodporności, szczególnie ważne w tym przypadku. Rolą konstruktora, w przypadku płaskich ścian działowych, jest określenie odpowiednich wykrojów płyt sklejki, uwzględnienie w projekcie grubości warstwy kompozytowej (zwykle jest to 1,5 do 2 mm), zaprojektowanie sposobu łączenia płyt i mocowania ściany w wagonie do struktury stalowego szkieletu. Należy zwrócić uwagę na możliwości montażowe. Zbyt wielkie połacie ścian będą bardzo trudne do ustawienia w ograniczonej szerokości wagonu, a w krańcowym przypadku, niemożliwe do wniesienia doń, nawet przez otwór drzwi czołowych wagonu. Niezwykle wdzięcznym obszarem dla projektanta jest toaleta. W tym pomieszczeniu często można użyć więcej fantazji, modelując bardziej atrakcyjne kształty paneli kompozytowych i wykazując się przy tym pomysłowością w łączeniu funkcjonalności z atrakcyjną, lecz umotywowaną technologicznie formą.

Model CAD i wystrój rzeczywisty (w dzień i w nocy) części barowej wagonu konferencyjnego 507A

Proces konstruowania elementów wnętrza wagonu musi uwzględniać współpracę i koordynację prac z grupami konstrukcyjnymi, odpowiedzialnymi za projekt układów funkcjonalnych pojazdu, w szczególności instalacji elektrycznej i grzewczo-wentylacyjnej. Niezmiernie istotny na etapie projektowania jest wczesny dobór osprzętu wnętrza. Począwszy od siedzeń, poprzez systemy drzwi wewnętrznych, oprawy oświetleniowe, uchwyty, półki na bagaż, skończywszy na wyposażeniu toalet.
Oddzielnych uzgodnień wymaga pozycja, rozmiary i wymagania funkcjonalne dotyczące szaf na instalacje elektryczne pojazdu. Szafy te powstają na ramie oddzielnego szkieletu, ze stalowych profili kątowych. Ich ściany stałe mogą być wykonane podobnie, jak ściany działowe, natomiast bardziej interesująca może być konstrukcja drzwiczek tych szaf. Jednym z rozwiązań może być wykonanie ich jako przestrzennego elementu kompozytowego. Aby zapewnić niezbędną sztywność, zachowując jednocześnie niską masę, wewnętrzną stronę wyklejki kompozytowej wykłada się cienką warstwą pianki poliuretanowej, a krawędzie wzmacnia metalowymi profilami, które później ułatwiają montaż zawiasów i zamków.

Stosownie do uzgodnionych wymagań, drzwi szafek mogą posiadać okienka inspekcyjne (najprościej – wklejane), a z reguły mają otwory wentylacyjne maskowane odpowiednimi kratkami. Konstruktor, odpowiedzialny za projekt takich kompozytowych drzwiczek powinien zawczasu uzgodnić szczegóły konstrukcyjne także z późniejszym wykonawcą. Drzwiczki usztywnione jednostronnie pianką mają tendencje do paczenia się. Dla dodatkowego zabezpieczenia przeciwpożarowego, wnętrza szafek elektrycznych – także drzwiczki – wykłada się arkuszami blachy aluminiowej.
Wykonanie rysunków montażowych, przedstawiających na odpowiednich przekrojach i widokach zasady montażu zaprojektowanych wyłożeń wewnętrznych wewnątrz wagonu, jest niezwykle istotnym działaniem, wieńczącym proces konstrukcji, a jednocześnie w sposób jednoznaczny przekazującym zamierzenia konstruktora technikom, pracującym przy montażu elementów w wagonie. Można by w tym miejscu zakończyć ten skrócony i uproszczony z konieczności opis zagadnień konstrukcyjnych, będących udziałem inżynierów projektujących wnętrza pojazdów szynowych. Chciałbym jednak na zakończenie podzielić się z Czytelnikami kilkoma wrażeniami z realizacji projektów bardziej nietypowych pojazdów, do jakich można zaliczyć wagony restauracyjne i konferencyjne – te ostatnie, stanowiące szczególną atrakcję w komercyjnej działalności spółki PKP-Intercity.
W przypadku wspomnianych typów wagonów, niewątpliwe wyzwanie konstruktorskie dotyczy obszaru przygotowania posiłków – kuchni lub baru. Ściany pomieszczenia wykonane są tradycyjną, opisaną wcześniej metodą. Decydujące znaczenie użytkowe ma wyposażenie kuchni. Kompletację uzgadnia się szczegółowo ze zleceniodawcą projektu. Istotną rolę odgrywają zawsze urządzenia chłodnicze. Najczęściej, wykonywane są przez wyspecjalizowane firmy pod konkretne zastosowanie. Istotne jest, aby urządzenia chłodzące przystosowane były do środowiska eksploatacji – przede wszystkim, aby były odporne na drgania. Naczynia na płycie kuchennej zabezpieczone są zwykle specjalnym, kilkucentymetrowym „płotkiem”, ale szafki w przedziale kuchennym mają specjalny system zabezpieczający sprzęt przed ewentualnym wypadnięciem z nich np. przy awaryjnym hamowaniu pojazdu. . Zabudowa kuchni wykonywana jest „na wymiar” ze stali nierdzewnej. W przypadku obsługi barowej – jak w wagonie konferencyjnym 507A – butelki i kieliszki utrzymywane są w specjalnych, metalowych uchwytach. Istotnym dla konstruktora przedziału kuchennego jest zaprojektowanie wystarczająco szerokiego dojścia, zapewniającego możliwość wnoszenia opakowań zbiorczych z produktami. W niektórych wagonach restauracyjnych wykonuje się specjalne luki, lub nawet drzwi zewnętrzne, prowadzące bezpośrednio do kuchni, umożliwiające bezpośredni załadunek produktów, z samochodu dostawczego.
Pomieszczenia konsumpcyjne dla gości mogą mieć różnorodny charakter: od typu bufetowego, gdzie posiłki spożywa się na stojąco, przy niewielkich, wysokich stolikach, poprzez typowo restauracyjne stoły i ławki-fotele, aż do kameralnych pomieszczeń barowych, o przyćmionym oświetleniu. Aranżacja wnętrza zależy od oczekiwań zleceniodawcy. Zwykle decyzję w tej sprawie poprzedza projekt stylistyczny w kilku wersjach, uwzględniający z jednej strony oczekiwania klienta, a z drugiej realia zabudowy wagonu. Materiały, tak jak w przypadku wagonu konferencyjnego 507A, mogą obejmować szlachetną stal w połączeniu ze skórzanymi obiciami, nowocześnie ukształtowanych foteli dla gości.

Wyposażenie audiowizualne wagonu 507A, model CAD części konferencyjnej tego wagonu oraz jej wystrój rzeczywisty.

Do specyfiki współczesnych wagonów konferencyjnych należy już nie tylko pomieszczenie do narad, zapewniające miejsca dla 20-25 osób, ale także pełne zaplecze audiowizualne z dużym ekranem ciekłokrystalicznym i indywidualnymi podłączeniami do sieci, dla uczestników konferencji.
W planach rozwojowych, dotyczących taboru Intercity znajdowały się także inne ciekawe typy wagonów, takie jak np. wagon wystawowy, przeznaczony do organizowania różnych ekspozycji promocyjnych, które mogłyby być prezentowane pasażerom. Wydaje się, że na razie plany te nie będą na razie wdrażane. Pozostaje mieć nadzieję, że uda się zrealizować przynajmniej szeroko zakrojone projekty modernizacji taboru, w tym unowocześnienie wnętrz wagonów, zapewniające lepszy komfort podróżnym.

Marcin Szcześniak

artykuł pochodzi z wydania 12 (27) grudzień 2009

Opublikowano: 04 kwietnia 2011

Rewolucja przemysłowa – tym mianem określa się potocznie lata XIX wieku, kiedy to społeczeństwo poczęło korzystać z dobrodziejstw większości przełomowych wynalazków, kształtujących współczesną cywilizację techniczną. Na tym tle, kluczową rolę odegrało upowszechnienie przełomowego dla przewozu towarów i ludzi rozwoju transportu szynowego.

Marcin Szcześniak

Błyskawicznie rozbudowywana sieć połączeń kolejowych w krótkim czasie trafiła na ziemie polskie. Zaledwie 20 lat po uznawanym za narodziny kolei, udanym przejeździe po szynach zespołu wagonów, ciągnionego przez parowóz Stephensona w roku 1825, zainaugurowano połączenie kolejowe Warszawy z Grodziskiem Mazowieckim, jako pierwszy odcinek trasy Kolei Warszawsko-Wiedeńskiej, która złączyła oba miasta jesienią roku 1848. XXI wiek zastał Polskę z głęboko zacofaną, na tle innych krajów europejskich, infrastrukturą kolejową i mocno przestarzałym taborem, pamiętającym nierzadko lata 70-te. Podobna sytuacja dotyczyła również kursujących po ulicach naszych miast tramwajów, w dużej części reprezentowanych przez kultowy model 13N z lat 60-tych. Pomimo nieustannych problemów ekonomicznych, cechujących struktury PKP, i niedostatków w budżecie miast eksploatujących staromodne tramwaje, wykorzystując dotacje unijne poczyniono istotne zakupy nowoczesnego taboru komunikacji publicznej. Na przeszkodzie szybkiej modernizacji polskiego taboru szynowego, obok często nierozstrzygniętych przetargów, stoją jednak ogromne wciąż koszty zakupu nowoczesnych pojazdów szynowych, sięgające nierzadko dziesiątków milionów złotych.

Propozycje stylistyki nowoczesnego wagonu tramwajowego

Współczesna technologia wykorzystywana przy budowie nowoczesnych jednostek szynowych niewiele ma wspólnego z reprezentowaną przez te, obecne na polskich torach od ponad 30 lat. Prawdziwy przełom dotyczy systemów sterowania funkcjami jezdnymi i użytkowymi, ale też materiałów i technologii wytwarzania samych pojazdów. Jako materiał konstrukcyjny, używany przy budowie nadwozi wagonów pasażerskich coraz częściej pojawia się tworzywo sztuczne. Dotyczy to zarówno wnętrza z wszechobecnych dawniej, płaskich wykładzin z Unilamu (czyli żywic melaminowych na nośniku papierowym), jak i szeregu istotnych, tradycyjnie stalowych części zewnętrznych, które zastępowane są kształtowymi elementami z kompozytów poliestrowych, wzmacnianych włóknem szklanym. Najbardziej zauważalnym, decydującym o estetyce i wyróżniającym elementem współczesnych pojazdów szynowych jest czoło pojazdu, które stanowi kabina maszynisty w komunikacji kolejowej, lub motorniczego w miejskiej. Zasadniczo, kabiny tych pojazdów o różnym przeznaczeniu komunikacyjnym zbudowane są w podobny sposób. Zarówno tramwaj, jak i zespół trakcyjny nowoczesnego pojazdu dla kolei, zbudowany jest na potężnej, stalowej ramie nośnej, stanowiącej bazę dla wszystkich zespołów przyszłego pojazdu. Koncentrując się na zabudowie nadwozia, powstaje ono jako struktura szkieletowa, najczęściej z profili stalowych, które po zespawaniu tworzą charakterystyczny, powtarzalny, wzdłużny profil pojazdu w kształcie odwróconej litery „U”. Aby zapewnić szkieletowi stateczność, łączy się poszczególne, łukowe elementy szkieletu profilami wzdłużnymi. Konstruktor pudła wagonu musi dysponować wiedzą i doświadczeniem, pozwalającym na dobranie właściwych rozmiarów profili szkieletu. Oczywiście, projektując położenie poszczególnych odcinków szkieletu należy uwzględnić rozmieszczenie instalacji funkcjonalnych przyszłego pojazdu. Przede wszystkim elektrycznej i grzewczej, a w wagonach kolejowych także klimatyzacyjnej, hydraulicznej i pneumatycznej. Szczególna uwaga projektanta poświęcona musi być właściwemu ukształtowaniu profili w obszarze okien i drzwi pojazdu. Dalsza budowa pudła pojazdu szynowego polega na zamocowaniu poszycia zewnętrznego. Ściany boczne wagonów do przewozu osobowego pokrywa najczęściej blacha stalowa. Wydawałoby się to wszystko banalnie proste i nie skomplikowane, gdyby nie utrudnienia, które stwarza takie zespawanie blach poszycia, aby boki wagonu nie pofałdowały się pod wpływem spoin i aby ściany wyglądały naprawdę płasko i elegancko. Montaż okien i drzwi wieńczy dzieło wykonania zewnętrznych prac przy budowie nadwozia. Za to, by pojazd szynowy uzyskał swój ostateczny, indywidualny i wyróżniający go charakter odpowiada kształt przedniej części zespołu, czyli miejsca pracy maszynisty, czy też motorniczego. Kabina z reguły powstaje w zupełnie innym miejscu od całej reszty wagonu. Miejscem tym jest zakład produkcji wielkogabarytowych wyrobów kompozytowych. Oczywiście, zanim kabina trafi do fabryki pojazdów szynowych, przechodzi cały proces rozwoju konstrukcji, który jak w przypadku wielu przedmiotów użytkowych rozpoczyna się w szkicowniku grafika-stylisty. Jego zadaniem jest nadanie temu reprezentacyjnemu elementowi pojazdu owej unikalnej, charakterystycznej i spełniającej wymogi funkcjonalne estetyki.
Po wyborze wersji, która trafić ma do realizacji, zaczyna się zasadniczy proces konstrukcji. W zależności od przeznaczenia, stosowane są różne technologie produkcyjne kabin pojazdów szynowych. W pewnym uproszczeniu, tramwaje poruszają się po mieście z prędkościami rzadko przekraczającymi 70 km/h i nie podlegają tak surowym wymaganiom wytrzymałościowym, jak pojazdy dla kolei, które przeciętnie muszą sprostać eksploatacji z dużo większymi obciążeniami, z prędkościami rzędu 160 km/h, a na dalekich trasach narażone są na wiele, różnorodnych oddziaływań środowiska. Nie mówimy tu o pojazdach specjalnych, zdolnych do rozwijania prędkości 250 km/h i więcej.
Konstrukcja kabiny tramwaju może być wykonana na bazie struktury szkieletu z profili stalowych, które stanowią integralne wzmocnienie dla jednowarstwowego poszycia z kompozytu poliestrowego, wzmacnianego włóknem szklanym. Z kolei kabina kolejowej jednostki trakcyjnej najczęściej zbudowana jest w sposób bardziej skomplikowany, jako konstrukcja „sandwiczowa”, zawierająca specjalne, zintegrowane w strukturze kompozytu, przestrzenne wzmocnienia stalowe, służące do montażu wyposażenia kabiny, osprzętu, jak również zapewniające połączenie gotowej kabiny z ramą nośną i szkieletem przyszłej jednostki.

W tym miejscu, czytelnikom nieobeznanym z technologią wytwarzania elementów kompozytowych, przedstawię etapy powstawania dowolnego, kompozytowego elementu poszycia kabiny tramwaju:
1. Odwzorowanie zewnętrznego kształtu części na podstawie danych CAD, poprzez frezowanie CNC powierzchni bryły materiału modelarskiego (specjalny poliuretan spieniany o gęstości 200-400 kg/m³ lub inny materiał modelarski), celem wykonania modelu pozytywowego części; po frezowaniu, model podlega końcowej obróbce powierzchniowej – lakierowaniu i polerowaniu. Wypada też nadmienić, że w miejsce bardzo kosztownego poliuretanu modelarskiego, z powodzeniem wykorzystuje się bryły zwykłego styropianu, które po wstępnym ofrezowaniu pokrywa się specjalną, nanoszoną natryskowo na grubość do kilkunastu milimetrów, pastą modelarską, w której frezuje się docelowy kształt modelu szybciej i za cenę wielokrotnie niższą, niż przy tradycyjnej metodzie.
2. Wykonanie metodą laminowania, najczęściej z żywic winyloestrowych lub epoksydowych, negatywowej, jednoczęściowej lub dzielonej formy, odwzorowującej kształt części i zapewniającej jej sztywność kształtową np. poprzez budowę skrzynkową lub ramową, w formie stelaża stalowego;
3. Laminowanie zasadniczego kształtu części w wykonanej formie:

• pokrycie formy rozdzielaczami polimerowymi lub woskiem rozdzielającym, ułatwiającymi odformowanie elementu,
• naniesienie warstwy „żelkotu” (specjalna, żywica powierzchniowa, często w kolorze zgodnym z barwą przyszłego elementu,
• układanie formatek maty szklanej i przesycanie ich żywicą poliestrową, aż do uzyskania docelowej grubości elementu (4-5mm) i średnim udziale masowym włókna w kompozycie rzędu 30%; poza matą szklaną stosowane są inne materiały wzmacniające – np. matotkaniny, tkaniny kierunkowe szklane lub z włókien tzw. 2 generacji: aramidowe, kevlarowe itp.; poza żywicą poliestrową stosowane są żywice epoksydowe i fenolowe w zależności od stawianych wymagań (np. niepalność, kluczowa w przypadku wagonów metro),
• ewentualne zastosowanie w trakcie laminowania wzmocnień usztywniających w postaci warstw pianki poliuretanowej i metalowych elementów montażowych jako wkładek.

4. Pozostawienie części w formie do czasu pełnej polimeryzacji żywicy (często wygrzewanie, w celu uniknięcia deformacji kompozytu) i uzyskania docelowego kształtu elementu.
5. Odformowanie gotowej części, obcięcie nadmiarów laminatu wokół krawędzi części, wykonanie ewentualnych otworów funkcjonalnych i pozostałych prac wykańczających.
W przypadku wytwarzania kabiny jednostki kolejowej, proces produkcyjny w zarysach przebiega podobnie, jednakże potężne, rozmiarami często sięgające trzech metrów kabiny wykonuje się jako jedną część, przy użyciu dwu- lub nawet wieloczęściowej formy, kształtującej zarówno jej powierzchnię zewnętrzną, jak i wewnętrzną. Tym samym, opisany wyżej etap 3 ma zdecydowanie odmienny przebieg, niż ma to miejsce w przypadku budowy części kabiny tramwajowej. Przygotowane powierzchnie obu form, po naniesieniu rozdzielacza i warstwy żelkotu, gotowe są do procesu laminowania włókna szklanego. Zewnętrzna powierzchnia kabiny osiąga często grubość rzędu 8 i więcej milimetrów, a równocześnie laminowana, wewnętrzna powierzchnia – około 6 milimetrów. Dalej następuje proces wklejania w formie odpowiednio przygotowanych i dopasowanych wymiarowo kształtek usztywniających – najczęściej z pianki poliuretanowej. Proces formowania odbywa się w formie złożonej nawet z kilku części specjalnie pozycjonowanych i połączonych śrubami, zapewniającymi stabilność gabarytów wypełniającej ją masy, która decyduje w dużej mierze o powodzeniu cyklu produkcji. Odformowanie rozpoczyna się od rozkręcenia części formy. Po pomyślnym odformowaniu wielkiego „sandwicza” kabiny następuje pracochłonny proces wykończeniowy – np. lakierowanie, klejenie szyb itp.
Zadaniem konstruktora jest precyzyjne opisanie powierzchni zewnętrznej w postaci danych CAD, które później posłużą do wykonania narzędzi produkcyjnych. W fazie projektowania należy uwzględnić, szereg indywidualnych założeń konstrukcyjnych, poza jednoznacznie określonymi, wymaganiami formalno-technicznymi – jak np. rozmieszczenie oświetlenia, czy systemu sprzęgającego pojazdy w zespoły. Każdy odbiorca większej partii pojazdów szynowych może określić, gdzie chciałby umieścić np. zewnętrzne tablice informacyjne, wyświetlające numer linii tramwajowej i przystanek docelowy. Jeszcze większa różnorodność może dotyczyć wyposażenia wnętrza kabiny. W przypadku tramwajów, pulpit sterowniczy motorniczego może być zupełnie inaczej wyposażony i obsługiwany dla zakładu transportowego miasta A i miasta B.
Konstruktor w procesie projektowania musi nie tylko uwzględniać życzenia odbiorcy, ale też zapewnić właściwy komfort pracy motorniczego, czy też maszynisty. Służy temu analiza ergonomiczna kabiny, przeprowadzana w trakcie projektowania, w oparciu o symulację komputerową w systemie CAD. Wynik jej określa właściwą pozycję kierującego pojazdem względem rozmieszczonych urządzeń sterujących oraz wyznacza prawidłowe pola widoczności z kabiny. Jest oczywiste, że wymagania dotyczące widoczności zewnętrznej są odmienne dla kolei i tramwajów. Szyby w pojeździe instaluje się poprzez ich wklejanie, podobnie jak to ma miejsce we współczesnych samochodach. Na ostateczny kształt projektu wpływają też wymagania dotyczące zabudowy w kabinie całego szeregu urządzeń funkcjonalnych, np. układu ogrzewania i systemu nawiewów na szyby. Należy też pamiętać o zapewnieniu jak najlepszego dostępu do zespołów sterujących pracą pojazdu w celach serwisowych. Bardzo korzystna jest modułowa budowa pulpitu sterowniczego, umożliwiająca w razie awarii wymianę całego modułu na sprawny, aby nie wycofywać całego pojazdu z eksploatacji na czas naprawy.
W trakcie wstępnego procesu projektowania i planowania rozmieszczenia podzespołów kabiny należy mieć na uwadze wymagania technologiczne procesu produkcyjnego i uwzględnić przykładowo miejsca podziału formy, czy technologicznie wykonalne kształty części składowych. Jak już wspomniałem wcześniej, kompozytowa kabina pojazdu szynowego zostanie zamontowana na ramie i połączona ze skrajnym profilem szkieletu. Niezmiernie istotnym zagadnieniem, przed którym staje konstruktor jest właściwe zaprojektowanie połączenia kabiny ze szkieletem. Jest ono realizowane za pomocą śrub, jednakże poprzez zastosowanie w połączeniu tulei metalowo-gumowych, można uzyskać odpowiednie jego uelastycznienie, zapobiegające powstawaniu sił niszczących mocowania śrub w kompozytowej kabinie pod wpływem eksploatacyjnych odkształceń sprężystych, występujących w pudle wagonu. Taka technika montażu umożliwia (co jest szczególnie istotne w przypadku tramwajów), w razie poważniejszej kolizji z innym pojazdem, szybką wymianę całej kabiny i sprawne przywrócenie pojazdu do użytku. Dla zapewnienia szczelności połączenia, wypełnia się je najczęściej poliuretanową masą uszczelniającą.

Projektując kabinę tramwaju należy uwzględnić fakt jego uczestniczenia w intensywnym ruchu miejskim, a co za tym idzie, wynikające z tego, specyficzne zagrożenia. Niezwykle częstym zdarzeniem w ruchu tramwajów jest niewielka kolizja – dobicie, polegająca na lekkim uderzeniu zespołu w inny, stojący z przodu. Dzieje się to z reguły przy prędkościach w zasadzie nieprzekraczających kilku km/h, ale z racji masy zespołu, energia takiego uderzenia wystarczy, by z łatwością połamać elegancką, kompozytową strukturę kabiny. Z pomocą przychodzi w takich okolicznościach system zderzaków amortyzowanych elastomerem polimerowym, opracowany przez zespół badawczo-rozwojowy firmy KAMAX. Zadaniem konstruktora projektującego nową kabinę jest takie zaprojektowanie obszaru wokół zderzaka, aby jego ewentualne odkształcenie przy kolizji nie przenosiło sił na strukturę kabiny. Naturalnie, w projektowaniu należy uwzględnić, by zderzak został odpowiednio zamontowany do struktury ramy nośnej wagonu. Zderzaki tego typu z powodzeniem znajdują zastosowanie również w niektórych pojazdach na kolei. Kolejnym zadaniem, tym razem wymagającym od konstruktora szczegółowych analiz kinematycznych jest takie ukształtowanie dolnej osłony kabiny lub sprzęgu, by w razie poważniejszej awarii, wypadku lub wykolejenia wagonu, umożliwić dostęp do, specjalnie w tym celu zaprojektowanych w ramie pojazdu, uchwytów dźwigowych. Dopuszczalny w takim wypadku jest z reguły demontaż całej osłony, co najskuteczniej chroni ją przed ewentualnym uszkodzeniem przy podnoszeniu, przestawianiu lub holowaniu wagonu. Prekursorem zastosowania nowoczesnych technologii przetwórstwa kompozytów w pojazdach szynowych był Zakład Kompozytów BELLA, który w już w latach 1999-2000 zrealizował dla zakładów Alstom-Konstal w Chorzowie projekt unowocześnionej wersji tramwaju 105 N2k-2000, a ostatnio wytwarzając kabiny tramwaju niskopodłogowego 121N dla PESA S.A.

Przykłady stylistyki w projekcie modernizacji tramwaju 105N

Przedstawiona przeze mnie w sposób uproszczony problematyka związana z konstruowaniem nowoczesnej kabiny pojazdu szynowego może z powodzeniem zostać wykorzystana nie tylko w trakcie projektowania i wytwarzania całkowicie nowych pojazdów, ale także w pracach, związanych z generalnym remontem wyeksploatowanych jednostek.



Przykładem może być tutaj projekt modernizacyjny kabiny tramwaju 105N, opracowany przez biuro konstrukcyjne Rücker-Polska przy współudziale Zakładu Kompozytów BELLA, z myślą o wykorzystaniu go przez zakłady remontowe tabory tramwajowego w całej Polsce.
Spośród zaproponowanego szeregu propozycji stylistycznych, o różnym stopniu zaawansowania technologicznego, do tej pory jedynie wrocławski PROTRAM wykorzystał i rozwinął z powodzeniem ten pomysł.
Powstają też próby uwspółcześnienia estetyki dominujących na podmiejskich liniach Przewozów Regionalnych PKP zespołów EN57, lecz na razie efekty tych starań są jeszcze rzadko widoczne na torach. Przyszłość na szynach należy do jednostek na wskroś nowoczesnych, ekonomicznych, szybkich i wygodnych, ale z racji relacji ich ceny do możliwości naszej ustawicznie walczącej z realiami ekonomii gospodarki, powinniśmy brać pod uwagę także znacznie tańsze rozwiązania modernizacyjne, które mogą poprawić estetykę i warunki przewozu pasażerów.
Marcin Szcześniak

ilustracje: Rucker Polska, BELLA,
Tramwaje Warszawskie
i z archiwum autora.

artykuł pochodzi z wydania 11 (26) listopad 2009

Opublikowano: 04 kwietnia 2011

„W celu inicjacji pracy silnika spalinowego konieczny jest jego rozruch. W sprawnym silniku wystarczy by jeden z tłoków wykonał suw ssania i sprężania do momentu zapłonu, by dalsza praca była podtrzymana samoczynnie. Niekiedy konieczne jest wykonanie kilku cykli pracy zanim nastąpi pełny rozruch silnika. W małych silnikach motocyklowych oraz tych napędzających innego rodzaju sprzęt stosuje się rozruch manualny. Dla większych silników konieczne jest wspomaganie rozruchu. Najczęściej do tego celu stosuje się zasilany z akumulatora silnik elektryczny (rozrusznik), który w czasie rozruchu sprzęgnięty jest z kołem zamachowym silnika. Duże silniki np. okrętowe,  uruchamia się doprowadzając przez rozdzielacz i specjalne zawory rozruchowe, sprężone powietrze do cylindrów. Rzadko do uruchamiania stosuje się mniejszy silnik spalinowy.” Tyle Wikipedia.

Jerzy Mydlarz

Silniki spalinowe pojazdów współczesnych są zasadniczo uruchamiane przy pomocy maszyn elektrycznych. Silniki motocyklowe, w szczególności jedno i dwucylindrowe, są uruchamiane elektrycznie, w sposób nieco odmienny od samochodowych. Brak miejsca i ograniczenia masowe powodują, że ani akumulator, ani rozrusznik nie mogą być tak duże jak w samochodzie. W tych warunkach większość silników motocyklowych wykorzystuje tzw. odprężnik dla ułatwienia rozruchu. Funkcja odprężnika polega na otwarciu dodatkowego zaworu, lub nie zamknięciu jednego z zaworów wylotowych. Ma to na celu umożliwienie obracania wałem korbowym ze znacznie mniejszymi oporami. Kiedy silnik osiągnie tą drogą wystarczająco duże obroty następuje zamknięcie zaworu i uruchomienie silnika. Rozwiązań konstrukcyjnych jest wiele. W najprostszych, np. Royal Enfield Delux, odprężnik jest sterowany ręcznie. Instrukcja zaleca stosowanie go dla wspomagania rozruchu przy zimnym silniku.  W wielu motocyklach jest on uruchamiany elektromagnetycznie. W niektórych jest uruchamiany automatycznie z wykorzystaniem sprężyny i siły odśrodkowej. Takie rozwiązanie (chronione patentami) preferuje Honda w dużych singlach. Całe urządzenie jest umieszczone w głowicy na wałku rozrządu i powoduje otwieranie prawego zaworu wylotowego poniżej pewnej prędkości obrotowej. Przy wyłączaniu silnika słychać charakterystyczny metaliczny stuk sygnalizujący zadziałanie urządzenia i przygotowanie silnika do kolejnego rozruchu.
Jest też grupa motocykli klasycznych, które nie posiadają wcale rozrusznika elektrycznego tylko tzw. kick starter zwany po polsku „kopką”. Uruchamianie motocykla w taki sposób jest ciągle w bardzo dobrym tonie. Ta czynność staje się jednak kłopotliwa, jeśli trzeba ją powtórzyć zbyt wiele razy. Typową sytuacją jest tzw. zalanie silnika, czyli zjawisko spowodowane nieumiejętnym stosowaniem urządzenia rozruchowego w gaźniku. Jedynym wyjściem z takiej sytuacji jest „przedmuchanie” silnika przez pokręcanie wałem korbowym, przy wyłączonym urządzeniu rozruchowym ”ssaniu” i całkowicie otwartej przepustnicy, w celu usunięcia nadmiaru paliwa.
Dziś widok ten nie jest zbyt częsty, ale dawniej widywało się motocyklistów pchających swoje pojazdy w celach rozruchowych. W takiej sytuacji wszelkie wzniesienia były dużą pomocą w rozruchu: zjazd w dół z wykorzystaniem grawitacji służył do tego najlepiej.
Współcześnie w wyścigach zabytkowych motocykli wyścigowych również spotyka się taką technikę rozruchu, gdyż sam rozrusznik elektryczny został wyeliminowany z pojazdu dla zmniejszenia jego masy, albo w dawnej konstrukcji wcale go nie było. Dzisiejsi motocykliści nie pchają już swoich pojazdów, ponieważ powstały przewoźne rolkowe urządzenia rozruchowe zasilane akumulatorami. Takie urządzenie pod nazwą Solo Starter można zakupić w Anglii. Jest ono pokazane na zdjęciu 1.

Kilka potyczek z regulacją gaźnika mojego klasycznego motocykla spowodowało, że zacząłem pragnąć takiego urządzenia. Potrzebę tę nasiliły jeszcze moje dwa zabytkowe samochody marki Volkswagen. Ich układ paliwowy jest tak zbudowany, że zbiornik paliwa znajduje się w przedniej części pojazdu, a silnik z tyłu. Po zimowej przerwie eksploatacyjnej, gdy paliwo odparuje z pompy paliwowej i zaworki się zeschną, i tracą szczelność, pierwszy wiosenny rozruch jest wyzwaniem. Kręcenie rozrusznikiem jest wykluczone, bo szkoda rozrusznika i akumulatora. Na całe szczęście oba pojazdy mają korby rozruchowe. Tak więc każdej wiosny mozolnie kręciłem korbą, lecz w miarę upływu lat coraz mniej chętnie i z narastającą irytacją. Po pierwszym rozruchu problem ustępuje i mamy spokój do następnej wiosny. Pomyślałem sobie, że dobrze by było mieć urządzenie rozruchowe do moich pojazdów, by przestać się męczyć. Jak zwykle zadziałała potrzeba, jako matka wynalazków. Dodatkową motywacją, by przejść ze sfery koncepcji do czynów była potrzeba okresowego pokręcania silnika moich czterech zabawowych pojazdów w okresie zimowym. W jednostkach spalinowych jest to zalecane dla przesmarowania wszystkich elementów silnika i ochrony gładzi cylindra przed korozją. Mówiąc krótko, miałem czym kręcić i nie chciałem już tego dłużej robić siłą moich mięśni.

Założenia
Po obejrzeniu kilku podobnych urządzeń w Internecie przystąpiłem do formułowania założeń projektu. Już we wstępnej fazie zrezygnowałem z zasilania akumulatorami, ponieważ urządzenie miało być stosowane tylko w garażu lub przed nim. Tak więc, urządzenie miało spełniać następujące wymagania i być:

• zasilane z sieci, aby nie trzeba było zajmować się kolejnym akumulatorem
• ruchome, przewoźne, bo pojazdów do obsługi jest kilka.
• składane, aby po użyciu nie zajmowało zbyt wiele miejsca.
• z jedną rolką napędzaną, ponieważ pod obciążeniem to ona przenosi większość momentu napędowego
• posiadające regulację umożliwiającą dostosowanie go do rozmiaru koła i mieć wystarczająco szerokie rolki, gdyż każdy z czterech pojazdów ma inną średnicę i szerokość kół
• zabezpieczone (jak każdy rozrusznik) przed uszkodzeniem, po uruchomieniu silnika spalinowego
• estetyczne, żeby można je było bez wstydu pokazać żonie i kolegom
• w całości do zmontowania w moich, czyli przeciętnych, warunkach warsztatowych

Obliczenia
1.Moc silnika rozrusznika
Jak to często bywa, obliczenia wprawiły mnie w zakłopotanie. Opierając się na bogatej bibliotece zawodowej ułożyłem w arkuszu kalkulacyjnym stosowny algorytm, w którym mogłem żonglować parametrami. Moja konfuzja wynikała z dużej rozpiętości uzyskanych wyników. Z obliczeń wynikało, że do rozruchu mojego motocykla klasycznego wystarczy w najlepszym razie silnik elektryczny o mocy 500W, a w najgorszym około 900W. W moim przypadku musiałem jeszcze uwzględnić sprawność przekładni ciernej pomiędzy rolką napędową urządzenia a oponą, sprawność starodawnej skrzynki biegów z wałkiem pośrednim ułożyskowanym na tulejkach z brązu i sprawność przekładni łańcuchowej sprzęgła.

Prosty wzór empiryczny na obliczanie mocy rozruchowego silnika elektrycznego jest następujący (Lit. 1):

Nr = ½Vsc·pt·n

Gdzie:
Nr – to moc silnika rozruchowego w kW
Vsc – to pojemność skokowa uruchamianego silnika w cm3 (dla RE Bullet to  500 cm3)
pt – to tzw. średnie ciśnienie tarcia (jako suma oporów) w kN/m2 ( założono maksymalne teoretyczne 850 kN/m2)
n – to obroty w obr/s (założono 3,4 obr/s tj. około 200 obr/min)

po podstawieniu:
Nr = ½·500·10-6·850·3,7=0,786kW

Po uwzględnieniu sprawności przekładni łańcuchowej, zębatej i ciernej

N = Nr·1/ ηł·1/ ηc·1/ ηz

ηł – sprawność przekładni łańcuchowej przyjęto na poziomie 0,99
ηc – sprawność ciernej przyjęto na poziomie 0,9
ηł – sprawność przekładni zębatej przyjęto na poziomie 0,98

ostatecznie
N = 0,74·1/0.99·1/0,9·1/0.98=0,9kW

Nie dałem temu wiary, ponieważ moc oryginalnego rozrusznika napędzającego silnik jedynie przez dwie przekładnie zębate, z hartownymi zębami, ułożyskowane na łożyskach tocznych wynosi 0,9 kW. Na wszelki wypadek przyjąłem z zapasem 1,1 kW, zakładając współczynnik przeciążenia na poziomie około 1,2.  Jak się później okazało, nie był to dobry wybór. Postanowiłem zastosować silnik trójfazowy o obrotach znamionowych 1450 obr/min. Po pierwsze dlatego, że daje on największy moment rozruchowy, ponadto jest tańszy od silników jednofazowych z fazą rozruchową na kondensatorze. Ten wybór ułatwił mi późniejsze przejście na większy silnik, praktycznie odkręciłem jeden silnik i przykręciłem drugi. W obliczeniach nie zajmowałem się samochodami. Znając opór jaki stawiały korby rozruchowe wiedziałem, że cztery mniejsze cylindry po około 300 cm³ każdy, stawiają mniejszy opór niż jeden duży o pojemności 500 cm³.

Przekładnia
W miarę pogrążania się w obliczeniach i przemyśliwaniu zadania moja konfuzja rosła. Chcąc dobrać optymalne przełożenie dla czterech pojazdów, racjonalną średnicę rolki napędowej i uzyskać około 200 obr./min., jako obroty rozruchowe silnika, zacząłem się zapętlać. Postanowiłem odwrócić zagadnienie. Urządzenie miało być proste i dlatego przekładnia pomiędzy silnikiem elektrycznym a rolką miała być jednostopniowa. Średnicę rolki założyłem opierając się na obserwacji istniejących konstrukcji i dostępnej rurze stalowej. Liczba zębów zębnika była narzucona tzw. „bendiksem” czyli zespołem sprzęgającym z rozrusznika FSO Poloneza i wynosiła 9. Urządzenie to ma koło zębate i zawiera sprzęgło jednokierunkowe, a zatem rozwiązuje i problem przełożenia, i  ochrony silnika elektrycznego przed nadmiernymi obrotami, po uruchomieniu silnika spalinowego pojazdu. Drugą oczywistą zaletą była dostępność i cena. Z tej oryginalnej handlowej części odciąłem na drążarce drutowej część tulei z wielowypustem śrubowym, pozostawiając jedynie potrzebne mi – zębnik i sprzęgło jednokierunkowe. Elementy te zostały osadzone w części zwanej zabierakiem pokazanej na rysunku poniżej (Rys.1). Zabierak został umieszczony wprost na wale silnika.  Ponieważ z założenia zębnik miał mieć jednostronne łożyskowanie tylko na wale silnika, a cały zabierak jest dość długi, został on skonstruowany bardzo masywnie, dla zachowania dużej sztywności. Kilkuletnie doświadczenie eksploatacyjne zdaje się potwierdzać poprawność rozwiązania.  Drugie koło zębate było ograniczone geometrycznie. Miało być osadzone na osi rolki i nie mogło ocierać o podłoże.

Maksymalna dopuszczalna liczba zębów wynosi 56. Uzyskane przełożenie i = 6,22 jest również poprawne z punktu widzenia teorii przekładni zębatych.
Pomyślałem sobie, że skoro obliczenia zakładały uruchamianie motocykla klasycznego na drugim biegu, a uzyskane przełożenie urządzenia będzie zbyt wolne, to będę uruchamiał silnik na pierwszym biegu (i tak się też stało na pierwszych próbach). Pozostałe pojazdy też mają skrzynki biegów, więc jakoś sobie poradzę.
Uruchamianie motocykla Royal Enfield Bullet na drugim biegu ma swoje uzasadnienie. Po pierwsze sąsiaduje on z położeniem neutralnym. Drugim atutem jest możliwość wykorzystania dodatkowej dźwigni do szybkiego włączania biegu neutralnego ze wszystkich biegów, z wyjątkiem pierwszego. Ludzie oglądający mój motocykl często pytają o przeznaczenie tej tajemniczej dźwigni.

Decyzja
Zmęczony spekulacjami na temat mocy i przełożeń postanowiłem przystąpić do rysowania. Pamiętałem zasady szefa, którego jako jedynego, w mojej długiej drodze zawodowej, bałem się. Było to w jednej amerykańskiej firmie. Szef był ode mnie starszy, mądrzejszy, inteligentniejszy i do tego złośliwy. Dał mi kilka lekcji, które zapamiętałem na całe życie. Gdy pewnego dnia, spytał mnie o stan jednego z wielu projektów, które dla niego realizowałem, zacząłem się wykręcać tłumacząc, że później zaistnieją warunki, by wykonać zadanie optymalnie. Dość szybko przeciął mój pokrętny wywód powiedzeniem: ”Jerzy, better immediate action than postponed perfection”, co można przetłumaczyć na język polski jako: „lepsze natychmiastowe działanie niż odwlekana doskonałość”. Ja również uważam, że lepsze jest nawet nieporadne działanie niż uczone spekulacje. Jeśli bowiem w wyniku niezbyt wyrafinowanych działań uzyskamy marny rezultat, to i tak zaczynamy lepiej rozumieć zjawiska i możemy korygować nasze metody. Uprawiając spekulacje, przez cały czas pozostajemy w punkcie wyjścia. Postanowiłem, że lepiej będzie zacząć działanie i korygować swoje błędy niż próbować rozwiązać problem zza biurka.
Ostatecznym zagrożeniem wielu konstrukcji jest to, że cała energia twórcza pójdzie w samą koncepcję.

Dokumentacja
Ponieważ oprócz innych przywar jestem maniakiem legalności oprogramowania, a w tamtym czasie (rok 2005/6) nie miałem w domu nic lepszego, to cała dokumentacja powstała w darmowym programie DesignCAD 2D zakupionym wraz z czasopismem Enter w 1996 roku. Jak się okazuje, nawet taki prosty program umożliwia skonstruowanie przyzwoitego urządzenia, bo przecież to konstruktor stanowi o jakości konstrukcji, a nie narzędzie do rysowania. Przykładowy rysunek elementu napędowego przedstawia rysunek 1, na poprzedniej stronie.

Budowa prototypu
Postanowiłem wykonać ramę urządzenia jako konstrukcję spawaną z blachy stalowej, a wszystkie potrzebne kształtki wypalić laserem. Etap spawania ramy pokazano na fotografiach 2, 3 i 4.
Pokazane  na zdjęciu 3 wzmocnienia w postaci dwóch płaskowników i jednej śruby dwustronnej M8 miały za zadanie zmniejszyć deformacje spawalnicze i po zespawaniu całości zostały usunięte.
Zdjęcie 4 pokazuje ramę kompletną.

Pozostałe elementy miały być mocowane śrubami. Pierwsze próby ruchowe i przymiarki do motocykla zostały przeprowadzone wiosną 2006. Jedna z przymiarek jest pokazana na zdjęciach 5, 6, 7 i 8.
Zdjęcie 7 pokazuje istotne szczegóły konstrukcji. Widać na nim otwory umożliwiające zmianę położenia rolki biernej w celu dopasowania jej położenia do średnicy koła pojazdu. Widoczną jest też radełkowana powierzchnia rolki czynnej napędzającej. Rolka bierna jest gładka. Obie rolki są wykonane jako konstrukcja spawana. Powierzchnie toczną wykonano z rury stalowej. Całość ocynkowano elektrolitycznie dla ochrony przed korozją i dla estetyki. Do ramy przykręcone są oprawy łożysk. Są to łożyska kulkowe w wahliwych oprawach, stosowane głównie w maszynach rolniczych. Bardzo dobrze znoszą one odkształcenia konstrukcji. W środkowej wewnętrznej części ramy widoczne są stożki i rolki pozycjonujące. Stożki mają za zadanie wprowadzić koło we właściwe położenie, a rolki – nie dopuszczać do tarcia opony obracającego się koła o ramę urządzenia. Składana rampa najazdowa jest dość długa, dla łatwego wprowadzania pojazdów do urządzenia. W pozycji roboczej rama spoczywa na przyspawanych krótkich nóżkach z pręta stalowego.

Po przeprowadzeniu udanych prób rozruchowych, urządzenie zostało wyposażone w osłony, instalację elektryczną i pomalowane. Blacha najazdowa została usztywniona żebrem z płaskownika i ocynkowana ogniowo. Do tego żebra przyspawano hak na przewód elektryczny. Ostateczny kształt pierwszej wersji przedstawiają zdjęcia 9, 10, 11 i 12.

Zdjęcia pokazują urządzenie w pozycji roboczej, złożone w pozycji poziomej i złożone w pozycji pionowej. W tej pozycji urządzenie może być przechowywane i jest gotowe do transportu na kółkach, widocznych na zdjęciu.

Zmiany konstrukcji
Po pierwszym okresie eksploatacji doszedłem do wniosku, że mojemu aparatowi brakuje mocy. Dzięki stosowaniu pierwszego biegu w motocyklu mogłem go bez problemów uruchamiać, szczególnie gdy wspomagałem pierwszą fazę rozruchu odprężnikiem. Odnosiłem jednak wrażenie, że silnik elektryczny pracuje cały czas w przeciążeniu. W tej sytuacji postanowiłem zdecydowanie dodać mocy i podnieść obroty silnika. Jak już wcześniej wspominałem, dokonałem więc wymiany silnika na znacznie mocniejszy, o mocy 3 kW i o obrotach znamionowych 3000 obr/min. Trochę się z tą decyzją ociągałem, ale wołem przeholować niż nadal cierpieć niedostatek. Ostatecznie wyłożyłem kolejne 300 PLN i kupiłem większy silnik. Ponieważ był on od tego samego producenta i z tego samego typoszeregu, wymiana trwała pół godziny. Efekt przeszedł moje oczekiwania. Urządzenie w końcu zaczęło działać tak, jak chciałem, by pracowało od początku. Motocykl zapalał szybciej i lżej na drugim biegu.
Nowy silnik różni się od poprzedniego jedynie tym, że jest nieco dłuższy. Urządzenie w ostatecznej postaci pokazano na zdjęciach 13 i 14. Z silnikiem o mocy 3kW ochoczo pokręca on silnikami moich samochodów i motocykli. Jeszcze raz potwierdziło się amerykańskie powiedzonko dotyczące mocy silników: „the bigger the better” czyli im większe, tym lepsze. To stwierdzenie jest dziś niezbyt poprawne politycznie, ale każdy, kto jeździł kiedyś Trabantem lub Maluchem, wie co chcę powiedzieć.
Całe urządzenie kosztowało około 2000 PLN nie licząc oczywiście mojej pracy, którą traktuję jako twórczą zabawę i przyjemność. Niestety nie jest to mało, ale prawie wszystkie męskie zabawki mają to do siebie, że są kosztowne lub bardzo kosztowne.

Jerzy Mydlarz


Literatura:
1.Jędrzejowski J.: Obliczanie tłokowego silnika spalinowego. WNT, 1971
2.Niewiarowski K.: Tłokowe silniki spalinowe. WkiŁ, 1983
3.Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe. WNT, 1993

artykuł pochodzi z wydania 10 (25) październik 2009

Opublikowano: 04 kwietnia 2011

Połączenie skurczowe jest bardzo starym rozwiązaniem konstrukcyjnym. Od wielu lat jest z powodzeniem stosowane w wielu dziedzinach techniki. Połączenie to jest zaliczane do kategorii połączeń nierozłącznych. Istotą połączenia jest tzw. wcisk, to znaczy, że np. otwór piasty koła zębatego ma mniejszą średnicę niż wał, na którym koło będzie osadzone.

Jerzy Mydlarz

Montaż takiego połączenia polega na zmianie temperatury jednego lub obu montowanych elementów w celu uzyskania wystarczającego luzu montażowego. Po wyrównaniu się temperatur prawidłowo zaprojektowane połączenie jest uważane za nierozłączne i swoimi właściwościami odpowiada części monolitycznej. Od strony obliczeniowej istnieje podobieństwo obliczania połączeń skurczowych i wtłaczanych. Różnica pomiędzy tymi połączeniami polega na tym, że prawidłowo wykonane połączenie wtłaczane można rozmontować metodą nieniszczącą. Przyczyną braku możliwości rozłączenia połączeń skurczowych są dwa zjawiska. Pierwsze to mikro-zaczepy kształtowe, pomiędzy obu połączonymi częściami. W połączeniach wtłaczanych zostają one częściowo wyrównane w procesie montażu. Drugim zjawiskiem jest utlenianie powierzchni nie pokrytej olejem, jak ma to miejsce w połączenia wtłaczanych. Warstwa tlenków na powierzchni metalu powstaje już w czasie ogrzewania jednego z elementów. Po zakończeniu montażu proces utleniania przebiega aż do wykorzystania całego tlenu w złączu. Ponieważ objętość tlenków jest większa niż materiału rodzimego, wcisk jest jeszcze większy.
W pewnych obszarach przemysłu połączenie skurczowe jest technologią podstawową. Jest ono od wielu lat stosowane do produkcji luf broni palnej, w zestawach kołowych dla kolei i w produkcji silników spalinowych, gdzie tą technologią osadza się gniazda i prowadnice zaworowe w głowicach silników, oraz wieńce zębate rozrusznika na kole zamachowym. Stykając się często z dokumentacją przekładni zębatych uważam, że połączenie to jest w tym obszarze zbyt rzadko stosowane.
Pozwala ono wyeliminować złącza typu wpust lub wielowypust i zapewnia najwyższą nośność, zbliżoną do monolitu. Technologia pozbawiona nacinania elementów uzębionych jest znacznie tańsza. W przypadku kół zębatych poddawanych obróbce cieplno-chemicznej, operacja niskiego odpuszczania nadaje się doskonale do montażu koła na wale, nie wymagając dodatkowego zużywania energii. Puryści obróbki cieplnej na pewno się oburzą, ponieważ koło zębate powinno być odpuszczane niezwłocznie po hartowaniu. Nie ośmielę się zaprotestować, ale w firmie, w której pracowałem wiele lat, koła zębate do połączenia skurczowego miały po hartowaniu szlifowany otwór i dopiero wtedy szły do niskiego odpuszczania zakończonego montażem na wale.  Ostatnią operacją było szlifowanie uzębienia, bazując na wcześniej wyszlifowanych powierzchniach pod łożyska na wale. Dzięki temu bicie uzębienia względem miejsc łożyskowania było najmniejsze. Pomimo tej technologii, odpuszczania niezgodnego ze sztuką, nie mieliśmy z tymi kołami problemów jakościowych, wywołanych mikropęknięciami. Jeśli jednak dla danego typu materiału bezzwłoczne odpuszczanie po hartowaniu jest niezbędne, to albo trzeba stosować podwójne odpuszczanie, albo sprawdzić czy możliwy jest montaż złącza przy samym tylko ochłodzeniu elementu wewnętrznego.
Prawdopodobnie na przeszkodzie szerszego stosowania tego połączenia stoi niedostępność literatury i sprawdzonych metod obliczeniowych. Brak jest niestety monografii na temat tego połączenia w polskiej literaturze technicznej. Wiedza jednak jest, tylko rozproszona. Mnie udało się ją częściowo zebrać i uzupełnić doświadczeniami swoimi i kolegów. Nie obserwuję też rozwoju tego rodzaju połączenia, a pojawiały się technologie, które mogą rozszerzyć obszar jego stosowania. Umieściłem kilka propozycji rozwojowych w uwagach końcowych niniejszego opracowania.  
Przykładem udanego zastosowania takiego połączenia w układzie napędowym jest pokazana powyżej przekładnia kombajnu chodnikowego, w której wał wyjściowy z monolitycznego został przekonstruowany na wał składany z wykorzystaniem połączenia skurczowego. Podjęte wcześniej próby zastosowania w tym miejscu wielowypustu zakończyły się niepowodzeniem.

Obliczenia
Jeśli wiemy jaką siłę ma przenosić nasze złącze i nie ma dostępnego legalnego modułu MES, to podstawowe jego parametry można obliczyć w oparciu o szeroko dostępną literaturę związaną z połączeniami wtłaczanymi. Ja od lat z upodobaniem korzystam z książki prof. Wacława Moszyńskiego. Jego czterotomowy „Wykład Elementów Maszyn” jest dla mnie dziełem podstawowym. Połączenia skurczowe są opisane w części I „Połączenia”. Mam w swojej bibliotece nawet dwa wydania z 1953 i 1955  roku. Książki te jeszcze wciąż można bez trudu kupić na aukcjach internetowych za małe kwoty. Ta część literatury pozwoli nam zaprojektować złącze od strony przenoszonego obciążenia. Co się tyczy technologii wykonania musimy sięgnąć do kilku innych pozycji. Zaletą dzieł profesora Moszyńskiego jest przystępny wykład teorii, zawsze poparty przykładem obliczeniowym, świadczącym o znajomości rzemiosła. Mój wspominany już przy innej okazji Tato, miał specyficzne poczucie humoru i znakomitą celność spostrzeżeń. Pewnego razu tłumaczył mi jak mam wymienić pompę cieczy chłodzącej w naszym rodzinnym samochodzie. Ja z właściwą dla młodzieńców arogancją uważałem, że poradzę sobie bez ojcowskich porad (byłem wtedy studentem politechniki). Niezbyt grzecznie przerwałem wywód, mówiąc: nie mów mi tego wszystkiego, bo ja wiem jak to zrobić! Na to Tato, z niezmąconym spokojem zapytał: Czy ty to wiesz, czy też już to kiedyś robiłeś? Ponieważ to są dwie zupełnie różne sprawy.
Czytając książki profesora Moszyńskiego wyczuwa się, że on i wiedział, i robił.

Technologia montażu
Podstawową wielkością mającą wpływ na technologię montażu jest właściwy luz montażowy. Wartość tego luzu ma nam zagwarantować bezpieczne zamontowanie koła na wale jednym ruchem. Jeżeli bowiem część zewnętrzna utknie, lub mówiąc językiem warsztatowym ”złapie,” nie dochodząc do końcowego położenia, to prawdopodobnie obie części są stracone. Czasem udaje się odzyskać jeden element. Jest rzeczą oczywistą, że luz montażowy powinien być proporcjonalny do wielkości elementów. Orientacyjne wartości zalecanych luzów montażowych podano w tabeli 1 (Lit. 4).

Tabela 1

Im mniejsza część tym mniejszy luz.
Najczęściej stosowanym rodzajem połączenia skurczowego jest połączenie wymagające jedynie nagrzania elementu zewnętrznego. Istnieją tu jednak pewne ograniczenia. Koła zębate nawęglane nie powinny być ogrzewane powyżej 1800C ponieważ powoduje to spadek twardości uzębienia. Znam przypadki, gdy nawet nagrzanie do tej temperatury koła zębatego ze stali 18H2N2 spowodowało spadek twardości o 2 stopnie HRC. Dobór temperatury montażu montowanych elementów można obliczyć posługując się poniższym empirycznym wzorem:

t_n = (W+L_nagrz)/ α • d • 10³  (wzór 1)

Dla części ogrzewanej i dla części chłodzonej:
t_chł= (W+L_chłodz)/ α • d • 10³  (wzór 2)
Gdzie:
t_n – temperatura nagrzewania w oC
t_chł – temperatura nagrzewania w oC
W – to wcisk wyliczany z obciążenia przenoszonego przez złącze w µm
L – luz niezbędny (luz montażowy) w µm
d – średnica złącza w mm
α – współczynnik rozszerzalności cieplnej
Wartości współczynnika α podano w tabeli 2.

Tabela 2

Praktycznie metodyka doboru warunków montażu może wyglądać następująco. Znając wielkość i masę przedmiotu, wstępnie dobieramy maksymalny luz montażowy z Tabeli 1. Ten luz składa się ze wzrostu wymiaru części nagrzanej i zmniejszenia wymiaru części chłodzonej.

L_max = L_nagrz. + L_chłodz  (wzór 3)

Jego pierwszy składnik jest ograniczony od góry temperaturą odpuszczania elementu zewnętrznego, a drugi od dołu sposobem obniżania temperatury. Obie wartości wyliczamy przekształcając wzory (1) i (2).
Jeżeli mamy szczęście, to czasem wystarczy samo nagrzanie części zewnętrznej. Jeżeli nie, to musimy wyliczyć z wzoru (2) temperaturę, do której musimy ochłodzić część wewnętrzną, zakładając brakującą nam wartość luzu. Znając temperaturę dokonujemy wyboru technologii chłodzenia.
Do dyspozycji jest jedna z trzech podanych poniżej metod ochładzania części, stosownie do wartości luzu, jaki musimy uzyskać.
Najprostszym sposobem jest wykorzystanie niskiej temperatury otoczenia. Zrobiliśmy to ostatnio w styczniu bieżącego roku. Wały do przekładni zostały w dniu poprzedzającym montaż wystawione na zewnątrz hali. Przy temperaturze otoczenia -20°C i typowej na hali produkcyjnej około +20°C zyskujemy około 40°C różnicy. To już coś. Jeżeli nie mamy właściwej pory roku, a elementy są niezbyt duże, to równie dobrze możemy skorzystać z zamrażarki dla ochłodzenia części wewnętrznej. Istnieją specjalne zamrażarki warsztatowe zapewniające temperatury  do -45°C .
Znane są również niekontrolowane metody ochładzania takie jaki rozładowanie gaśnicy na CO₂, chłodzenie propanem butanem i spreje demontażowe. Ich wspólną cechą jest gwałtowność przebiegu procesu ochładzania, brak powtarzalności i nieznana temperatura końcowa procesu. Ta ostatnia cecha podważa wiarygodność obliczeń, w których zakładamy jakąś określoną temperaturę końcową.
Kolejnym kontrolowanym rozwiązaniem, są mieszaniny chłodzące na bazie suchego lodu. Suchy lód, czyli sprasowany dwutlenek węgla, ma temperaturę sublimacji -78,5°C. Ze względu na jego postać nie nadaje się on do efektywnego bezpośredniego chłodzenia elementów metalowych. Brak bezpośredniego kontaktu z całą powierzchnią chłodzonego przedmiot utrudnia wymianę ciepła. Natomiast suchy lód zanurzony w niezamarzającej cieczy tworzy skuteczną mieszaninę chłodzącą. W takiej mieszaninie zanurzamy całkowicie element wewnętrzny. Właściwą cieczą jest rozpuszczalnik organiczny: aceton lub alkohol etylowy. Chodzi o to, by jego temperatura krzepnięcia była poniżej -80°C. Chciałbym zwrócić uwagę na istotny aspekt BHP. Konieczne jest stosowanie rękawic termoizolacyjnych. Niskie temperatury rzędu - 70°C  są słabo odczuwalne w dotyku. Dotknięcie tak zimnego elementu metalowego nie powoduje bólu takiego jak oparzenie. Natomiast uszkodzenia naskórka i bąble pojawiają się równie szybko. Przekonali się o tym moi przyjaciele, bracia Kamudowie z Gliwic, gdy pierwszy raz w 1978 roku montowali tą technologią gniazdo zaworowego do silnika zabytkowego samochodu Willys, rocznik 1943. Montaż gniazda zakończył się powodzeniem, ale palce ucierpiały.

Jeżeli około -70°C nie wystarczy, to pozostaje ciekły azot. Tej technologii nie polecam dla zastosowań jednostkowych, z kilku względów. Po pierwsze, jest ona najkosztowniejsza, a zaletą naszego złącza ma być niski koszt. Temperatura wrzenie azotu wynosząca -195,8°C powoduje, że jest on jeszcze bardziej niebezpieczny, choć chłodzenie jest najszybsze. Ciekły azot jest dostarczany w termosach, do których nie można wprowadzić dużych przedmiotów, celem ich pełnego zanurzenia, dlatego często stosuje się polewanie ciekłem azotem. Stosując polewanie, chłodzimy przedmiot nierównomiernie i nie wiemy czy osiągamy założoną w obliczeniach temperaturę. Znane są urządzenia do chłodzenia przedmiotów przy pomocy skroplonych gazów (Lit. 5). Zapewniają one oszczędne gospodarowanie gazem i kontrolę temperatury przedmiotu. Jednak w przeciętnych warunkach warsztatowych ich nie spotkamy. Jeżeli ktoś planuje wprowadzenie połączeń skurczowych na stałe do swojej technologii, to powinien wziąć pod uwagę zakup takiego urządzenia.
Zdarza się, że uzyskanie właściwego wcisku złącza nie jest możliwe pomimo nagrzania elementu zewnętrznego i ochłodzenia elementu wewnętrznego. W takiej sytuacji być może należy się zastanowić nad innym rozwiązaniem konstrukcyjnym i o tym będzie jeszcze mowa.

Wracając do procesu montażu, istotnym jest, aby cały proces dobrze przetrenować na elementach w temperaturze otoczenia. Trzeba po prostu wykonać replikę koła zębatego (lub przynajmniej otoczkę) i wału. Części te będą miały taki luz, jaki osiągną części właściwe po nagrzaniu elementu zewnętrznego i ochłodzeniu wewnętrznego. Dodatkowo musimy skonstruować i wykonać odpowiednie zawiesie lub chwytak montażowy, który umożliwi nam bezpieczne i wygodne wyjęcie koła z pieca lub nagrzewnicy indukcyjnej. Temperatura ok.1800C jest już niebezpieczna.  Przyrząd ten musi zapewniać swobodę manewrowania detalem przy montażu właściwym. Dla elementu wewnętrznego należy opracować stojak, zapewniający mu stabilną i dogodną pozycje montażową. Mając tak przygotowany sprzęt musimy wraz z pracownikami, którzy będą realizowali montaż, przeprowadzić wielokrotny trening operacji montażu, w celu zdobycia wprawy. Zauważyłem, że jeżeli uda się rozbudzić ducha pracy zespołowej, np. porównując operację montażu do wymiany kół w samochodzie formuły 1, to ludzie angażują się emocjonalnie w te czynności i osiągają znakomite rezultaty.
Nieudane operacje montażu połączeń skurczowych, których również byłem świadkiem, nie wyniknęły ze złego zaprojektowania złącza, tylko ze złej organizacji procesu montażu.
Kończąc uwagi o temperaturach montażu należy nadmienić, że niektórzy autorzy (Lit. 1 i 5) zalecają podwyższenie temperatury grzania i obniżenie temperatury chłodzenia o wartość zmiany temperatury, zachodzącą pomiędzy chwilą zakończenia wyżej wymienionych procesów a montażem. Należy ten aspekt wziąć pod uwagę, jeżeli dla jakichś powodów montaż nie odbywa się bezpośrednio w miejscu nagrzewania i chłodzenia. Trzeba jednak pamiętać wcześniejsze uwagi o  nieprzekraczalnej temperaturze niskiego odpuszczania dla kół zębatych.
Każda z technologii chłodzenia umożliwia nam obniżanie temperatury skokowo do określonego poziomu. Jeżeli uzyskany przy pomocy wybranej technologii luz sumaryczny jest większy niż założony, to dobrze jest nieco obniżyć temperaturę grzania koła zębatego i nie zbliżać się niepotrzebnie do granicy odpuszczania. Nie zawsze dysponujemy bowiem wystarczająco dokładnym układem pomiaru temperatury, by mieć pewność, że temperatura graniczna nie została przekroczona.
Jeżeli pomimo wszystkich naszych usiłowań dojdzie do „złapania” części i montaż się nam nie powiedzie, to możemy jeszcze próbować uratować jedną z nich. Do nas będzie należała decyzja, którą część chcemy poświęcić. Jeżeli jest nią koło zębate, to wówczas nacinamy je szlifierką kątową w jednym z wrębów. Przeważnie nie musimy przecinać do końca, ponieważ duży wcisk powoduje w pewnej chwili pęknięcie pozostałego materiału. Dzięki temu zjawisku nie ma obawy uszkodzenia wału w operacji przecinania koła. W przypadku gdy cenniejsze dla nas jest koło, wówczas pozostaje nam obcięcie wału w dogodnym miejscu, a następnie mozolne wiercenie i wytaczanie.
Co się tyczy obróbki skrawaniem elementów przed montażem, to zasada jest prosta. Im wyższa klasa dokładności i mniejsza chropowatość powierzchni, tym lepsze złącze. W przypadku produkcji małoseryjnej lub jednostkowej nie zalecam jednak stosowania pasowań normalnych. Są one przeznaczone do innych zadań, głównie produkcji wielkoseryjnej. W przypadku produkcji małoseryjnej i jednostkowej wszystko powinno być podporządkowane nośności złącza i niskiej cenie. Ponieważ szlifowanie otworu jest trudniejsze niż wału, postępujemy następująco. Otwór w kole oznaczamy na rysunku normalną tolerancją np H6 i pozwalamy, aby został wykonany losowo w polu tolerancji wynikającym z klasy. Po zmierzeniu rzeczywistej średnicy otworu koła, w pobliżu szlifierki do wałków, na której będziemy szlifować wał, aby obie części miały tę samą temperaturę, szlifujemy wał na wymiar zapewniający zakładany wcisk. Jeżeli produkujemy kilka sztuk, to każda skojarzona para musi być jednoznaczne oznakowana w celu wyeliminowania pomyłek w montażu.
Jeżeli w opisanej wcześniej sytuacji nieudanego montażu i odzyskiwania części odzyskaliśmy wał, to niestety musimy do niego pasować nowe koło zębate.

Problemy konstrukcyjne
W trakcie projektowania złącza i prowadzenia obliczeń możemy napotkać na inną przeszkodę niż luz montażowy. Jest nią zbyt mała wytrzymałość wieńca zębatego lub tulei, na której jest on osadzony.  Jeżeli mamy pełny wał, to wówczas elementem słabszym jest wieniec zębaty. Jeżeli będzie zbyt cienki to zostanie rozerwany. W przypadku zbyt cienkiej tulei zostanie ona zgnieciona i złącze straci swoją nośność.
Możemy przyjąć w pewnym uproszczeniu, że jedynymi czynnikami wpływającymi na nośność złącza są siła nacisku i współczynnik tarcia. Jeżeli wynikająca z innych przyczyn słabość elementów uniemożliwia nam zwiększenie siły nacisku, to jedyne, co jeszcze możemy zrobić, to wpływać na współczynnik tarcia. Praktykuje się to przez wprowadzanie do złącza cienkiej warstwy proszku korundowego. Ziarna elektrokorundu wbijają się do obu części powodując zwielokrotnienie siły tarcia, a tym samym umożliwiają nam zmniejszenie siły nacisku. Literatura (1) podaje, że wartość współczynnika tarcia w połączeniach skurczowych wynosi od 0.1 do 0.4. Wartość tę można w przybliżeniu doświadczalnie ustalić, jeżeli dysponujemy odpowiednio silną prasą, która umożliwi nam przeprowadzanie próby niszczącej, polegającej na rozłączeniu złącza i jednoczesnym zmierzeniu siły rozłączającej.
Wprowadzenie proszku korundowego do złącza powoduje wzrost współczynnika tarcia do wartości 0.6.

Zasadniczym pytaniem, jakie zapewne postawi każdy przytomny konstruktor będzie pytanie o dobór wielkości ziarna elektrokorundu. Dostępna (dla mnie) literatura nie dotyka tego ciekawego tematu. W praktyce znając parametr Ra lub, jeszcze lepiej, mając zmierzony parametr Rz chropowatości powierzchni montowanych elementów, należy dobrać ziarno większe niż suma Rz obu profili, tak, aby ziarno tkwiąc w zagłębieniu profilu sięgało dna przeciwnego zagłębienia. Producenci elektrokorundu podają w swoich katalogach tzw. numer ziarna i odpowiadającą mu wielkość w mikrometrach. Cienka warstwa proszku korundowego nie wpływa w istotny sposób na zmniejszenie luzu montażowego. Innym problemem jest sposób wprowadzenia proszku do złącza. Ja osobiście praktykowałem nakładanie elektrokorundu na wał, który był w temperaturze otoczenia. Proszek  można wówczas wcierać w powierzchnię wału lub nań napylić. W przypadku wału chłodzonego w kąpieli chłodzącej pozostaje wcieranie proszku w wewnętrzną powierzchnię elementu zewnętrznego, przed jego nagrzewaniem.
Jeśli i proszek korundowy nie wystarczy, to pozostaje ostatnia deska ratunku, czyli wspomożenie działania korundu klejem do metalu. Dotychczas zrealizowałem tylko jedno takie połączenie. Nie udało mi się jednak znaleźć odpowiednio dużej prasy, aby je rozłączyć i nie mogę nic powiedzieć na temat nośności takiego złącza. Niemniej jednak przekładnia pracowała bezawaryjnie.
Jednym z zagrożeń połączeń skurczowych jest również, w świetle badań literaturowych, tzw. fretting. Zjawisko to może teoretycznie wystąpić w przypadku, gdy zbyt mała siła tarcia w złączu dopuści do oscylacji połączonych elementów w skali mikro, pod wpływem zmiennych okresowo obciążeń. Zjawisko to jest dobrze opisane w literaturze przedmiotu (lit.4 i 5). W praktyce nie spotkałem go w układach napędowych, prawdopodobnie dlatego, że stosowane maksymalne możliwe do zrealizowania wciski uniemożliwiają jakiekolwiek przemieszczenia w złączu. Ponadto brak dostępu tlenu również przyczynia się do zmniejszenia zagrożenia.

Uwagi końcowe
Oprócz podanych powyżej przykładów stosowania, mogę podać jeszcze jeden sprawdzony osobiście przypadek. Połączenie to znakomicie nadaje się do napraw skrzynek biegów pojazdów. W samochodach klasycznych, z napędem na tylną oś, stosowane są skrzynki biegów z zazębieniem stałym pomiędzy wałkiem sprzęgłowym a pośrednim. Te dwa koła zębate zużywają się najbardziej. W przypadku braku dostępu do części oryginalnych można w celach naprawczych stosować tę technologię po zeszlifowaniu oryginalnych zużytych zębów. Dzięki takiemu rozwiązaniu możemy zachować oba oryginalne wałki, jeśli ich inne elementy nadają się do dalszej eksploatacji lub naprawy. Co się tyczy proporcji wieńców zębatych, to grubość ich mierzona we wrębie do średnicy wewnętrznej nie powinna być mniejsza niż dwa moduły. W tego typu złączach zalecane jest stosowanie proszku korundowego.
Wydaje mi się, że połączenie skurczowe choć znane, nie jest w pełni wykorzystywane i tkwi w nim jeszcze pewien potencjał rozwojowy. Byłoby miło, gdyby świat nauki zbadał wpływ proszku korundowego np. w zależności od wielkości ziarna, wielkości wcisku i technologii jego nanoszenia. Zagadnieniem wymagającym szczegółowych badań jest wpływ znacznej koncentracji naprężeń w miejscu końca piasty koła, gdzie kończy się obszar silnych naprężeń ściskających, na wytrzymałość zmęczeniową. Dla tych miejsc należy opracować wzorcowe ukształtowanie piasty koła, dla zminimalizowania tego wpływu. Być może da się częściowo zmniejszyć to zjawisko w wale, wpływając również na jego kształt  np. poprzez karby odciążające.
Interesujący i wymagający badań jest również wpływ klejów do metali na złącze. Kolejnym arcyciekawym obszarem byłoby połączenie skurczowe z zastosowaniem powłok PVD (Physical Vapour Deposition). Jak już wspomniałem, osadzanie proszku korundowego w złączu nie jest dopracowane. Technologia PVD otwiera tu zupełnie nowe możliwości. Opracowana naukowo, wyczerpująca monografia na ten temat, koniecznie z zaleceniami konstrukcyjnymi, byłaby cennym dziełem w każdej bibliotece zawodowej konstruktora.

Jerzy Mydlarz

Literatura:
1. Krukowski A.: Tutaj J. Połączenia odkształceniowe, PWN 1987
2. Moszyński W.: Wykład elementów maszyn, część I,  PWT 1955
3. Mydlarz J.: Wzmocnione połączenie skurczowe w układach napędowych, Mechanik 1987, nr 12, s. 568.
4. Neyman A.: Uwarunkowania frettingu jako procesu destrukcji warstwy wierzchniej, Tribologia : tarcie, zużycie, smarowanie  2002, nr 3, s. 965-974
5. Pytko S., Szczerek M.: Fretting – Forma niszczenia elementów maszyn, Tribologia: tarcie, zużycie, smarowanie 1994, nr 6, s.673-693
6. Poradnik Inżyniera  Mechanika, część II, WNT  1969
7. Puff T. Sołtys W.: Podstawy Technologii montażu maszyn i urządzeń, WNT 1980

artykuł pochodzi z wydania 9 (24) wrzesień 2009