Druhotné vypružení podvozků
Konstrukční uzel druhotné vypružení (sekundární vypružení, nebo též vypružení skříně vozu) je soustava konstrukčních prvků, pomocí kterých je skříň vozu pružně uložena na rám podvozku. Úkolem druhotného vypružení je především zvýšení komfortu jízdy minimalizováním přenosu dynamických rázů, vzniklých při jízdě kolejového vozidla po výškových a směrových nerovnostech trati, z rámu podvozku na skříň vozu.
Vypružení skříně vozu vůči rámu podvozku působí ve svislém, podélném a příčném směru. Soustava druhotného vypružení dále obvykle umožňuje výškové stavění podvozku a přenos tažných a brzdných (podélných) sil mezi rámem podvozku a vozovou skříní. Jsou požívána dvě konstrukční uspořádání druhotného vypružení, kolébkové nebo bezkolébkové uspořádání.
Kolébkové uspořádání
Kolébka (obr. 1 poz. 1) je příčný nosník, na jehož horní části je otočně uložena skříň vozu. U podvozku Görlitz V (obr. 1) je skříň ke kolébce vázána plochou tornou 6 a dvojicí neodpružených kluznic 7. Spodní stranou je kolébka uložena na pružinách druhotného vypružení 4. Přítomnost otočné vazby je určující pro to, aby mohl být příčný nosník nazván kolébkou, u bezkolébkového uspořádání umožňuje otáčení podvozku kolem svislé osy deformace pružin svislého vypružení.
Konstrukčně je kolébkové uspořádání obvykle řešeno tak, že na rám podvozku jsou pomocí dvojic kyvných závěsů (obr. 1 poz. 2) zavěšeny nosiče pružin druhotného vypružení 3 (někdy nazývány spodní kolébka nebo též vana), které slouží k uložení pružin druhotného vypružení 4. Na pružinách je uložena kolébka 1 s otočnou vazbou 6 a 7 pro uložení skříně vozu.
 | 
|
| obr.1: kolébkové uspořádání podvozku Görlitz V | obr.2: kolébkové uspořádání podvozku SGP 300 |
Pokud je jako pružící prvek příčného vypružení u kolébkového uspořádání použita pouze příčná tuhost flexi - coil pružin, potom odpadají závěsy a nosič pružin, které mají při použití běžných pružin funkci pružícího prvku příčného vypružení. Podvozek SGP 300 má kolébku (obr. 2 poz. 1) s pružinami 3 uloženou přímo na rám podvozku, kde je pro ten účel vytvořen balkónek 2.
Bezkolébkové uspořádání
U podvozků bezkolébkové koncepce je skříň vozu (obr. 3 a 4 poz. 1) uložena přímo na pružiny svislého vypružení 2. Pružiny mohou být buď na vzduchové (obr. 3), nebo šroubovité válcové ve funkci flexi - coil (obr. 4). Flexi - coil pružiny bývají na své horní straně vázány v pomocném nosníku 3, který zajišťuje jejich vedení v podélném a příčném směru. Pomocný nosník je však neotočně přišroubován ke spodku skříně vozu, nemůže být proto nazýván kolébkou.
 | 
|
| obr.3: vzduchové vypružení podvozek MSV Studénka typ 8-833 | obr.4: bezkolébkový podvozek LD 800 (typ Fiat) |
Při absenci otočné vazby musí být pružiny konstruovány tak, aby kromě vypružení ve svislém a příčném směru a naklápění rámu podvozku umožnily i natáčení podvozku vůči skříni vozu okolo svislé osy.
Svislé vypružení
Funkci vypružení skříně vozu vůči rámu podvozku ve svislém směru zajišťují pružiny druhotného vypružení tvořené kovovými nebo vzduchovými pružícími prvky. U nejstarších kolébkových konstrukcí byly používány příčně uložené eliptické listové pružnice (obr. 5 poz. 5). Pružnice byly uložené na nosičích 3 spojených příčnou vazbou 4. Na rám podvozku 6 byl celek druhotného vypružení zavěšen šikmými závěsy 2. Kolébka 1 byla na opasky pružnic uložena přes dřevěnou opěrnou vložku. Otočnou vazbu zajišťovala plochá torna 7 s kluznicemi.
 | 
|
| obr.5: řez druhotným vypružením Pensylvánského podvozku | obr.6: druhotné vypružení podvozku Görlitz V - Dunakeszi |
Listové pružnice byly postupně nahrazovány šroubovitými válcovými pružinami (obr. 6 poz. 5), které musí být narozdíl od listových pružnic tlumeny hydraulickými tlumiči 8. Základní princip kolébkového uspořádání zůstal i po více než 100 letech stejný, porovnejte obrázky 5 a 6, které mají shodné číslování. Pružiny musí vykazovat nejenom odpovídající svislou tuhost, musí rovněž umožňovat žádoucí pohyby jednotlivých konstrukčních částí podvozku, jak je vidět na animaci (obr. 7), kde je zřejmé, že pružiny druhotného vypružení umožňují náklon rámu podvozku vůči kolébce a tím i skříni vozu.
|
| obr.7: animace kinematiky podvozku GP 200 |
Tuhost pružin druhotného vypružení je volena s ohledem na dodržení předepsané výšky nárazníků prázdného a plně obsazeného vozu. Při volbě tuhosti pružin je třeba vhodně zvolit vlastní frekvenci kmitání, kde je třeba eliminovat frekvence, které mají nepříznivý vliv na lidský organismus. Poměr tuhosti pružin prvotního vypružení k tuhosti pružin druhotného vypružení bývá při použití šroubovitých válcových pružin volen obvykle v rozmezí 2 až 2,5. To znamená, že prvotní vypruení je více než 2x tužší než druhotné.
Tuhost vzduchových pružin je díky regulačním ventilům, které mění tlak vzduchu v membránových pružinách, proměnlivá v závislosti na zatížení vozu. Jednoduchý mechanismus, který je popsán v článku o podvozku MSV 8-833.0 zajišťuje, že je výška nárazníků u vozů se vzduchovým vypružením téměř konstantní.
Příčné vypružení
Příčné vypružení má za úkol snížit účinky dynamických rázů na skříň vozu v příčmém směru. Příčné dynamické rázy vznikají při vjezdu vozidla do oblouku trati, případně při změně poloměru oblouku, nebo pří jízdě po přímé koleji jako reakce rámu podvozku na vlnivý pohyb, který koná dvojkolí při jízdě v koleji.
Vůle pro příčné vypružení
Velikost příčné vůle mezi skříní vozu a rámem podvozku, ve které je realizováno příčné vypružení, je závislá na rozměrech skříně vozu. Rozměry pro standartní typy vozů jsou definovány v normě UIC 567. U kolébkových konstrukcí je pro příčné vypružení vymezen prostor mezi příčnými narážkami kolébky (obr. 10 poz. 9) a podélníky rámu podvozku 6. Pro narážky s konstantními vůlemi (obr. 10) předepisuje norma UIC 567 pro typ vozu X příčnou vůli 2 x 22 mm, pro typ vozu Y příčnou vůli 2 x 25 mm.
 | 
|
| obr.8: příčné narážky s lineárně proměnlivou vůlí | obr.9: narážka s nelineárně proměnnou vůlí, podvozek GP 200 |
Hodnoty příčné vůle uvedené předešlém odstavci jsou předepsány pouze pro oblouk o poloměru 250 m, proto jsou u novějších konstrukcí používány příčné narážky s proměnnou vůlí v závislosti na natočení podvozku v oblouku (obr. 8 a 9). Protože dlouhé skříně osobních vozů při průjezdu obloukem vybočují na vnitřní straně oblouku, zmenšují narážky příčnou vůli na straně blíže ke středu oblouku (viz animace obr. 8) a zvětšují vůli na vnější straně. Takto může být příčná vůle na vnější straně oblouku a v rovném úseku koleje až 50 mm.
Narážky lineárně proměnnou vůlí jsou konstruovány tak, že z podélníku skříně vozu jsou spuštěny konzoly (obr. 8 poz. 2), posunuté za osu otáčení podvozku. Na podélníku rámu podvozku jsou upevněny narážky 3, které se natočením podvozku přibližují ke konzolám 2 a zmenšují tak příčnou vůli mezi kolébkou 1 a rámem podvozku.
Narážky s nelineárně proměnnou vůlí, které umožňují v přímé koleji rozšířit příčnou vůli na 60 mm, jsou řešeny jako kladky (obr. 9 poz. 2) na podélníku rámu podvozku a jako protikus jim slouží konzoly 1 na podélníku skříně vozu, které mají na styčné ploše kulisu s vypočteným povrchem.
Závěsy nosičů pružin druhotného vypružení
Při použití klasických pružin druhotného vypružení (obr. 10 poz. 2) slouží jako pružící prvek příčného vypružení závěsy nosičů pružin 4, u kterých při výchylce způsobené vnějšími silami vzniká vratná síla, která vrací závěsy spolu s vypruženou částí do střední rovnovážné polohy.
Závěsy mohou být buď svislé (obr. 10), nebo v příčné rovině šikmo orientované, spodní konce závěsů vzdálenější od svislé osy než horní (obr. 12 a 13). Při vychylování šikmých závěsů příčným směrem dochází k příznivému naklopení skříně vozu v oblouku. Vlivem odstředivé síly (obr. 12 síla H) jsou závěsy spolu s kolébkou vychylovány směrem k vnější kolejnici oblouku a kolébka se spolu se skříní vozu naklání směrem ke středu oblouku.
|
| obr.10: animace kinematiky druhotného vypružení podvozku Görlitz Va |
Příčný výkyv závěsů umožňuje jejich zavěšení na horní pasnici podélníku rámu podvozku (obr. 11 poz. 7). U podvozků Görlitz je na sedlové desce 4 vytvořen podélně orientovaný oblý břit, po kterém se při příčném výkyvu odvaluje oblý zářez protilehlé desky 3, na které je pomocí matice 2 zavěšen svorník závěsu 1.
U většiny kolébkových konstrukcí podvozků lze pomocí závěsů podvozek výškově stavět, což je důležité pro seřízení předepsané výšky nárazníků a pro nastavení rovnoměrného rozložení hmotnosti na jednotlivá kola podvozku. V konstrukci závěsu bývá umístěn šroubový spoj, který umožňuje změnu jeho délky. U podvozků Görlitz je délka závěsu upravována dotažením matice (obr. 11 poz. 2) na závitové části svorníku závěsu 1. Jiné konstrukce mají dělený svorník závěsu, který je uprostřed spojen maticí s protisměrnými závity.
 | 
|
| obr.11: uložení závěsu podvozků Görlitz | obr.12: kinematika šikmých závěsů |
Stabilitu nosičů pružin je možné zajistit spojením každého nosiče (obr. 10 poz. 3) zvlášť s kolébkou 1 pomocí příčného táhla 5, které je tvořeno ojnicí se silentblokovým uložením. Při tomto řešení nejsou pružiny druhotného vypružení zatěžovány příčnými silami (ty zachytí příčné táhlo) a mohou být proto dimenzovány pouze pro zatížení svislou silou.
Další možností, jak zajistit stabilitu nosičů pružin (obr. 13 poz. 3), je jejich vzájemné spojení příčnou vazbou 4 (patrná i na obr. 5). Působíme-li na kolébku 1 příčnou silou, namáháme nejprve pružiny druhotného vypružení 5 (tyto pružiny mají v omezené míře rovněž funkci flexi-coil), které příčnou sílu přenášejí dále na nosič pružin 3. Příčná tuhost pružin a závěsů je řazena sériově, takže při značné příčné tuhosti pružin je většina příčné výchylky realizována závěsy.
|
| obr.13: podvozek GP 200 |
Díky břitovému uložení závěsů je tření při jejich výchylce minimální, proto je nutné takovéto vypružení tlumit. K tomuto účelu je většinou použit jeden nebo dva teleskopické kapalinové tlumiče (obr. 13 poz. 7) řazené mezi kolébku a příčník rámu podvozku.
Závěsy nosičů pružin druhotného vypružení jsou silně namáhány dynamickými rázy a z toho důvodu jsou v konstrukci podvozků pro případ lomu závěsu vytvořeny závěsy nouzové. Téměř každý typ podvozku má odlišné konstrukční řešení nouzových závěsů, může jím být například záchytka (obr.6 poz. 9), nebo ocelové lano (obr. 13 poz 8).
Pružiny bezkolébkových podvozků
Flexi - coil (ohebná pružina) pružiny jsou navrženy tak, aby vykazovaly požadovanou tuhost ve svislém i příčném směru. Pružiny musí navíc umožnit všechny žádoucí vzájemné pohyby rámu podvozku a skříně vozu, tomu musí odpovídat jejich vedení v příčném a podélném směru. Na rámu podvozku (obr. 14 poz. 4) i na pomocném nosníku 1 jsou vytvořeny vodící trny 5 a osazení 3 pro bezpečné vedení pružin.
 | 
|
| obr.14: uložení pružin podvozku 25AN (typ Fiat) | obr.15: membránová vzduchová pružina |
Tvar membrány vzduchových pružin (obr. 15 poz. 2) je přizpůsobený příčným výchylkám. Regulační ventily mění svislou i příčnou tuhost pružiny v závislosti na obsazení vozu. Při poruše vzduchového vypružení je podvozek nouzově vypružen pryžovou pružinou 1.
|
| obr.16: příčné narážky podvozku MSV Studénka typ 8-833 |
U bezkoléblových konstrukcí je příčná vůle obvykle vymezena mezi trnem (obr. 16 poz. 1) upevněným k hlavnímu příčníku skříně vozu a dvěma příčnými narážkami 2, které jsou součástí příčníku rámu podvozku. Flexi - coil i vzduchové pružiny je nutné v příčném směru tlumit, proto jsou mezi příčník rámu podvozku a pomocný nosník nebo spodek skříně vozu (obr 16) řazeny kapalinové teleskopiské příčné tlumiče 3.
Podélné vypružení a přenos sil
Při rozjezdu vlaku působí tažná síla z lokomotivy přes táhlové ústrojí na skříň vozu odkud je nutné ji převést na rám podvozku, jehož hmota spolu s dvojkolími musí být uvedena při rozjezdu do pohybu. K tomuto účelu slouží podélná vazba mezi podvozkem a skříní vozu. Tažná síla musí za jízdy přemáhat jízdní odpory, které vznikají na styku kolo - kolejnice a jejichž silové působení je rovněž přenášeno podélnou vazbou. Ještě větší požadavky na přenos sil mezi rámem podvozku a skříní vozu vznikají při brzdění, kdy touto vazbou musí být přeneseny brzdné síly vnikající při brzdění na obvodu kol.
Kolébkové uspořádání
Uložení skříně vozu na kolébku podvozku je konstruováno pro spolehlivý přenos podélných sil, proto je podélná vazba obvykle umístěna mezi rám podvozku a kolébku.
Nejstarší konstrukce podélného vedení kolébky je pomocí narážek (obr. 17 poz. 3) mezi příčníkem rámu podvozku a kolébkou 1 (u podvozku GP 200 na obr. 17 slouží narážky 3 pouze jako vymezení prostoru pro podélné vypružení). Narážky s minimální podélnou vůlí byly řešené jako ocelové kluznice (podvozky Středoevropský a Pensylvánský), které musí svým rozměrem obsáhnout všechny uvažované pohyby kolébky vůči rámu podvozku. U podvozků Görlitz V a Görlitz Va jsou narážky na kolébce opatřeny pryží. Při minimálních vůlích podélných narážek není nutné podvozek v podélném směru tlumit.
 | 
|
| obr.17: vnější táhla GP 200 | obr.18: lemniskátový mechanismus |
U novějších konstrukcí podvozků je vazba podélného vedení kolébky součástí podélného vypružení podvozku, jehož tuhost je stanovena s ohledem na eliminaci škodlivých vibrací vznikajících v podvozku během jízdy, z nichž problémová je frekvence otáčení nevyvážených kol. Jako pružící prvek podélného vypružení je používána především pryž. Často používaným řešením podélného vedení a vypružení je dvojice vnějších táhel s pryžovými klouby (obr. 17 poz. 2). Dalším možným řešením podélného vedení jsou vnitřní (VÚKV, Tatra), nebo vnější ojnice (Görlitz VI) se silentblokovým uložením.
Bezkolébkové uspořádání
U bezkolébkových podvozků je konstrukční uzel podélného vedení a vypružení podvozku situován mezi spodek skříně vozu (nebo pomocný nosník) a rám podvozku. Často používanou vazbou je lemniskátový mechanismus (obr 18). K svislému čepu 1, přivařenému k pomocnému nosníku nebo spodku vozu, je otočně vázáno vahadlo 2, jehož konce jsou dvěma ojnicemi 3 vázány k příčníkům rámu podvozku 4.
Při brzdění vzniká rozdíl v zatížení náprav podvozku, kdy je náprava vpředu ve směru jízdy zatěžována více, náprava vzadu je naopak odlehčována. Přenos brzdných sil pomocí lemniskátového mechanismu, realizovaný nízko nad temenem kolejnice, minimalizuje rozdíl nápravových tlaků podvozku při brzdění a rozjezdu.