POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i Transportu
P R A C A D O K T O R S K A
Symulacja obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego autobusu miejskiego
w aspekcie badania jego trwałości
Autor:
mgr inż. Paweł Kaczalski
Promotor:
dr hab. inż. Grzegorz Ślaski
Poznań 2017
STRESZCZENIE 3
WSTĘP ... 5
1 WSPÓŁCZESNE AUTOBUSY MIEJSKIE - ROZWIĄZANIA I PROBLEMY KONSTRUKCYJNE UKŁADÓW NAPĘDOWYCH ... 7
1.1 DEFINICJE I KRYTERIA KLASYFIKACJI AUTOBUSÓW ... 7
1.2 SPECYFIKA WYMAGAŃ, KONSTRUKCJI I SKALI PRODUKCJI WSPÓŁCZESNYCH AUTOBUSÓW MIEJSKICH... 14
1.3 ANALIZA TYPOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH AUTOBUSÓW MIEJSKICH I PARAMETRÓW ICH PRACY ... 20
1.4 PROBLEMY KONSTRUKCYJNE UKŁADÓW NAPĘDOWYCH ZE SZCZEGÓLNYM UWZGLĘDNIENIEM TRWAŁOŚCI ... 30
1.5 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 1 ... 37
2 ZAGADNIENIA TRWAŁOŚCI AUTOBUSÓW I ICH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH ... 38
2.1 POJĘCIE TRWAŁOŚCI ... 38
2.2 TRWAŁOŚĆ AUTOBUSÓW MIEJSKICH ... 40
2.3 ZAGADNIENIA TRWAŁOŚCI WAŁÓW NAPĘDOWYCH ... 41
2.4 METODY BADANIA I SZACOWANIA TRWAŁOŚCI ... 45
2.5 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 2 ... 49
3 OBSZAR BADAWCZY I CELE PRACY ... 50
3.1 OBSZAR BADAWCZY ... 50
3.2 CELE PRACY ... 51
4 ZAŁOŻENIA DO METODY SZACOWANIA OBCIĄŻEŃ EKSPLOATACYJNYCH UKŁADU NAPĘDOWEGO AUTOBUSU MIEJSKIEGO ... 52
4.1 OBCIĄŻENIA EKSPLOATACYJNE A TRWAŁOŚĆ UKŁADU NAPĘDOWEGO AUTOBUSU ... 52
4.2 IDEA METODY SZACOWANIA OBCIĄŻEŃ EKSPLOATACYJNYCH UKŁADU NAPĘDOWEGO ... 54
4.3 OCENA KORZYŚCI MERYTORYCZNYCH I EKONOMICZNYCH SZACOWANIA OBCIĄŻEŃ EKSPLOATACYJNYCH UKŁADU NAPĘDOWEGO W SYMULACJI ... 56
4.4 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 4 ... 59
5 ŹRÓDŁA INFORMACJI O WARUNKACH EKSPLOATACJI WPŁYWAJĄCYCH NA ZMIENNOŚĆ OBCIĄŻENIA UKŁADU NAPĘDOWEGO AUTOBUSU PODCZAS EKSPLOATACJI ... 60
5.1 INFORMACJE O CIĘŻARZE AUTOBUSU (ILOŚCI PASAŻERÓW) ... 60
5.2 INFORMACJE O ZMIENNOŚCI WARUNKÓW ŚRODOWISKA EKSPLOATACJI... 69
5.3 INFORMACJA O ZMIENNOŚCI PARAMETRÓW PROCESU ... 72
5.4 INFORMACJE O CHARAKTERYSTYKACH RUCHU ... 73
5.5 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 5 ... 76
6 BADANIA EKSPERYMENTALNE OBCIĄŻEŃ UKŁADU NAPĘDOWEGO DLA WYTYPOWANYCH FAZ I WARUNKÓW EKSPLOATACJI AUTOBUSU ... 77
6.1 ZAŁOŻENIA DO PROGRAMU BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH ... 77
6.2 PRZYGOTOWANIE AUTOBUSU DO BADAŃ ... 77
6.3 SYSTEM POMIAROWY ... 79
6.4 REALIZACJA BADAŃ DROGOWYCH I UZYSKANE WYNIKI ... 81
6.5 WYODRĘBNIENIE SYGNAŁÓW DLA SPECYFICZNYCH FRAGMENTÓW JAZDY AUTOBUSU I ICH ANALIZA ... 86
6.6 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 6 ... 911
7 SYMULACJA PRZEBIEGÓW CZASOWYCH OBCIĄŻENIA UKŁADU NAPĘDOWEGO NA PODSTAWIE ZNANYCH PROFILI PRĘDKOŚCI ... 93
7.1 IDEA SYMULACJI PRZEBIEGÓW CZASOWYCH OBCIĄŻENIA UKŁADU NAPĘDOWEGO ... 93
7.2 ŹRÓDŁA I PRZYGOTOWANIE DANYCH WEJŚCIOWYCH DO SYMULACJI ... 94
7.3 MODEL SZACOWANIA OBCIĄŻENIA WAŁU NAPĘDOWEGO NA PODSTAWIE CYKLU JEZDNEGO ... 97
7.4 WYNIKI I WERYFIKACJA SYMULACJI ... 101
7.5 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 7 ... 102
8 SYMULACJA OBCIĄŻEŃ EKSPLOATACYJNYCH UKŁADU NAPĘDOWEGO AUTOBUSU MIEJSKIEGO ... 103
8.1 PROCEDURA SYMULACJI EKSPLOATACYJNYCH OBCIĄŻEŃ UKŁADU NAPĘDOWEGO ... 103
8.2 OPIS PROGRAMU SYMULACYJNEGO DO SYMULACJI OBCIĄŻEŃ EKSPLOATACYJNYCH ... 113
8.3 WYNIKI SYMULACJI I ICH WERYFIKACJA ... 116
8.4 PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU 8 ... 126
9 PODSUMOWANIE PRACY ... 127
LITERATURA I INNE ŹRÓDŁA ... 130
ZAŁĄCZNIKI ... 134
PLIKI PROGRAMU SYMULACYJNEGO ... 134
MACIERZ WARUNKÓW EKSPLOATACJI ... 149
STRUKTURA ARKUSZA „JAZDA_ROZPEDZANIE_ZWALNIANIE_ZESTAWIENIE.XLS………..150
Streszczenie
W pracy przedstawiono zagadnienie analizy i symulacji obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego autobusu miejskiego. W początkowej części pracy na tle wymagań i oczekiwań stawianych współczesnym autobusom miejskim przedstawiono ich konstrukcję, ze szczególnym zwróceniem uwagi na charakterystyczną konstrukcję układu napędowego wynikającą z potrzeby stosowania niskopodłogowej konstrukcji nadwozia. Przeanalizowano charakterystyki i parametry podzespołów układu napędowego typowego autobusu miejskiego. Ich znajomość pozwala oszacować zakres zmienności obciążeń układów napędowych – zakres zmienności prędkości obrotowych i wartości momentów obrotowych. Na podstawie przeprowadzonej analizy wytypowano najważniejsze problemy konstrukcyjne układów napędowych ze zwróceniem uwagi na zagadnienia trwałości.
W rozdziale drugim przeanalizowano zagadnienia trwałości autobusów i ich układów napędowych zwracając uwagę na praktyczne aspekty wykorzystania wałów napędowych, jako gotowych podzespołów. Omówiono metody szacowania i badania trwałości z możliwością ich przyspieszania. Wskazano konieczność znajomości obciążeń układu napędowego w procesie konstrukcyjnym i badawczym, szczególnie na etapie projektowania nowego pojazdu, gdy nie jest znane widmo tych obciążeń lub na etapie testów laboratoryjnych, gdy planuje się program testów trwałościowych.
Na podstawie przeprowadzonych analiz i zdefiniowanych potrzeb postawiono tezę, że obciążenia eksploatacyjne oszacować można wykorzystując symulację procesów eksploatacyjnych bazujących na danych o obciążeniach układu napędowego z drogowych badań eksploatacyjnych zrealizowanych dla wybranych reprezentatywnych fragmentów eksploatacji. Założono, że umożliwi to przyspieszenie oceny trwałości układu napędowego autobusu i uzyskanie korzyści ekonomicznych w tym procesie. Główny cel pracy zdefiniowano w postaci opracowania metody szacowania obciążeń układu napędowego autobusu miejskiego wraz z egzemplifikacją wykorzystania tej metody.
Szczegółowe założenia do metody szacowania obciążeń eksploatacyjnych autobusu miejskiego omówiono w rozdziale czwartym. Przedstawiona koncepcja łączy badania eksploatacyjne z symulacją komputerową składającą sygnał obciążenia układu napędowego z próbek zarejestrowanych w różnych warunkach eksploatacji wg sterującej procesem składania macierzy warunków eksploatacji. Pozwala to wykorzystać bezpośrednio zarejestrowany w badaniach drogowych sygnał momentu napędowego obciążającego wał napędowy.
W rozdziale piątym omówiono źródła i sposoby pozyskania informacji o zmiennych warunkujących zmienność obciążenia układu napędowego dla wytypowanych faz i warunków eksploatacji autobusu. Są one niezbędne dla opracowania macierzy warunków eksploatacji. Do takich zmiennych należy ciężar autobusu zmienny wraz z ilością pasażerów, nachylenie wzdłużne drogi zmienne wg topografii trasy, prędkość autobusu zależna od charakterystyk ruchu drogowego zmiennych wraz z topografią tras i porą dnia.
Eksploatacyjne badania drogowe przedstawiono w rozdziale szóstym. Pozwoliły one na pozyskanie sygnałów pomiarowych o obciążeniach układu napędowego dla wytypowanych faz i warunków eksploatacji autobusu. Szczegółowo omówiono obiekt badawczy oraz zastosowane metody pomiaru momentu obrotowego z wykorzystaniem telemetrii, a także warunki przeprowadzenia badań. Przedstawiono i przeanalizowano uzyskane wyniki pod kątem oceny specyfiki faz rozpędzania, zwalniania i jazdy. Przeanalizowano także 0cząstkowe rozkłady obciążeń
porównując je z rozkładem dla całościowych obciążeń eksploatacyjnych pozyskanym w wyniku niezależnych badań drogowych.
W rozdziale siódmym przedstawiono alternatywną wobec pomiarów drogowych momentu obrotowego metodę oszacowania tego sygnału na podstawie symulacji komputerowej z wykorzystaniem sygnału zmienności prędkości pozyskanego z badań drogowych. Metoda ta pozwala ograniczyć pomiary w badaniach drogowych wyłącznie do rejestracji profilu prędkości.
Przy dodatkowym uwzględnieniu informacji o topografii oraz zmienności zapełnienia autobusu możliwe jest symulowanie obciążeń wału napędowego, co zweryfikowano w pracy poprzez porównanie wyników symulacji wykonanej w środowisku Matlab/Simulink z pomiarami obciążenia wału napędowego momentem.
W rozdziale ósmym przedstawiono procedurę symulacji obciążeń układu napędowego.
Omówiono najpierw metodykę uporządkowania i przygotowania sygnałów pomiarowych do wykorzystania w symulacji. Omówiono także źródła danych do stworzenia macierzy warunków eksploatacji sterujące doborem plików do symulacji - dane dotyczące zmienności obciążenia, charakterystyk ruchu drogowego oraz topografii trasy. Następnie omówiono szczegółowo procedurę symulacji sygnałów zmienności prędkości oraz momentu obrotowego charakteryzujących proces eksploatacji autobusu. Przedstawiono opracowany sposób sterowania doborem fragmentów pliku z uwzględnieniem losowego doboru danych ze zdefiniowanych podzbiorów sygnałów odpowiadających zróżnicowanym warunkom eksploatacji. Dla uzyskanego oszacowanego sygnału zmienności momentu obrotowego dla całodziennej eksploatacji na trasie 172 w Warszawie, dokonano obliczenia udziału procentowego poszczególnych wartości momentu obrotowego. Uzyskany wynik porównano z rozkładem udziałów procentowych uzyskanym dla obciążeń zarejestrowanych w ramach niezależnych badań drogowych na tej samej trasie.
W podsumowaniu autor pracy odniósł się do uzyskanych wyników podsumowując pracę w wymiarze osiągniętych celów naukowych oraz utylitarnych i wskazując potwierdzenie przedstawionej w rozdziale trzecim tezy. Warto tutaj podkreślić, że udowodnienie tezy ma charakter utylitarny – dokonano egzemplifikacji zaproponowanej i opracowanej metody budując program symulacyjny, jak i procedury przetwarzania danych – zamieszczono je w załącznikach do pracy. W końcowej części pracy zawarto także wskazówki dla możliwych dalszych badań.
Wstęp
Historia rozwoju motoryzacji sięga końca XIX wieku i w związku z tym można sądzić, że pojazdy samochodowe są produktami wszechstronnie dopracowanymi, a metody ich konstruowania niezawodne i efektywne. Jednak postępujące zmiany zarówno w technologiach produkcji, dostępnych rozwiązaniach technicznych, oczekiwaniach klientów, czy też zmianach warunków eksploatacji, ciągle stawiają nowe wyzwania przed ich wytwórcami zarówno w obszarach konstruowania, jak i wytwarzania.
W procesie konstruowania wyróżnić można dwa istotne obszary prowadzenia prac projektowych:
– uzyskanie pożądanych właściwości funkcjonalnych pojazdu, – uzyskanie pożądanej trwałości pojazdu.
Pierwszy z wymienionych aspektów jest dosyć szeroko obecny w literaturze i jest przedmiotem nauczania na specjalnościach samochodowych na uczelniach technicznych, drugi z aspektów jest już rzadziej poruszany w specjalistycznej literaturze dotyczącej pojazdów i też rzadziej nauczany w ramach specjalizacji konstrukcyjnych w obszarach pojazdów.
Jest to jednak obszar bardzo istotny i wyraźnie widoczny w dziedzinie eksperymentalnych badań pojazdów samochodowych, gdzie znaczna część metod i stanowisk badawczych poświęcona jest temu właśnie zagadnieniu. Badania trwałościowe mają przede wszystkim na celu dać odpowiedź na temat przewidywanego czasu eksploatacji pojazdu, co z kolei jest istotne ze względu na oczekiwania klientów co do niezawodności i kosztów eksploatacji. Zagadnienie to dla producentów staje się w ostatnich czasach tym bardziej istotne, że coraz częściej koszty usuwania awarii wynikających z niedostatecznej trwałości pojazdów bywają przenoszone na producenta poprzez wydłużanie gwarancji lub zawieranie odpowiednich kontraktów serwisowych na wiele lat eksploatacji pojazdu.
Prognozowanie trwałości pojazdów związane jest z jednej strony z przewidywaniem właściwości jego konstrukcji, ale z drugiej strony z przewidywaniem oddziaływujących na tę konstrukcję czynników eksploatacyjnych. Wynika to z faktu, że trwałość jest wynikiem wzajemnej relacji obu grup tych czynników. Zarówno ta sama konstrukcja może cechować się różną trwałością w różnych warunkach eksploatacji, jak i w tych samych warunkach zróżnicowanie konstrukcji może prowadzić do uzyskania innej trwałości.
Problemem prognozowania trwałości jest trudne jej weryfikowanie na etapie prowadzenia prac konstrukcyjnych. W większości przypadków nie jest możliwe eksperymentalne zweryfikowanie uzyskiwanych prognoz na tym etapie. Można to zrealizować tylko w ograniczonym zakresie poprzez prowadzenie tzw. przyspieszonych badań trwałościowych obejmujących tylko część czynników eksploatacyjnych. Ich realizacja wymaga jednak i tak znaczących nakładów ekonomicznych, technicznych, jak i zdobycia wiedzy na temat warunków rzeczywistej eksploatacji danego pojazdu. Pomimo tego nie udaje się w pełni odtworzyć wszystkich czynników oddziaływujących na pojazd - w szczególności tych, które wpływają bardziej na starzenie, niż na zużycie elementów pojazdów. Dlatego ostateczną weryfikacją prognozowanych trwałości jest rzeczywista eksploatacja, w której i tak uzyskuje się dla wielu obiektów danego typu rozrzuty trwałości.
Wśród pojazdów samochodowych istnieją różne grupy pojazdów, niektóre o bardzo specyficznej budowie i zastosowaniu, a także technologii produkcji. Należą do nich niewątpliwie autobusy, a w szczególność autobusy miejskie.
Wyróżniają się one bardzo specyficznym rodzajem eksploatacji narzucanym generalnie przez dwa czynniki:
– eksploatację na ogół w ruchu miejskim, który sam w sobie narzuca specyficzne warunki ruchu charakteryzujące się niskimi średnimi prędkościami jazdy, dużym udziałem nieustalonych stanów ruchu i znacznym udziałem czasu postoju autobusu w trakcie ruchu, wywoływanym kongestią lub organizacją ruchu,
– użytkowanie autobusu na trasach tzw. linii, na których umieszczonych jest wiele przystanków rozmieszczonych co kilkaset metrów wymuszających zatrzymanie i kilkunasto- do kilkudziesięciosekundowe postoje autobusów na przystankach.
Te dwa czynniki wpływają na znaczne zróżnicowanie w czasie obciążenia układu napędowego, a dodatkowo drugi z czynników związany jest także ze zmienną ilością pasażerów, czyli masy ładunku autobusu. Jest to dodatkowy czynnik wpływający na znaczną zmienność obciążeń układu napędowego.
Ponadto te dwa czynniki, poprzez znaczną zmienność warunków eksploatacji, znacząco utrudniają szacowanie trwałości podukładów autobusu - w tym w szczególności jego układu napędowego.
W niniejszej rozprawie podjęto się analizy obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego autobusu miejskiego w aspekcie szacowania trwałości tego układu wraz z zaproponowaniem metody charakteryzującej się z jednej strony łatwością zastosowania, a z drugiej strony jej niewielkim kosztem wynikającym z ograniczonego zakresu drogich badań eksperymentalnych zastąpionych wykorzystaniem symulacji komputerowej.
Warto dodać, że nie tylko warunki eksploatacji autobusów miejskich są specyficzne, ale także i ich konstrukcja. Stało się to szczególnie wyraźne w ostatnich kilkunastu latach, co dodatkowo utrudniło uzyskiwanie pożądanej trwałości, a dodatkowo nie odnajduje właściwego odzwierciedlenia w literaturze naukowo-technicznej.
Dlatego też w pracy podjęto się przedstawienia nie tylko specyfiki zagadnień dotyczących szacowania trwałości, ale także przedstawienia najważniejszych elementów specyfiki autobusów miejskich w zakresie ich konstrukcji i eksploatacji.
1 Współczesne autobusy miejskie - rozwiązania i problemy konstrukcyjne układów napędowych
1.1 Definicje i kryteria klasyfikacji autobusów
Autobus (grec. automobil, łac. omnibus) to samochód służący wg przepisów polskich, jak i europejskich do przewozu większej liczby niż 9 osób łącznie z kierowcą [46].
Dla klasyfikacji autobusów zastosować można wiele kryteriów, wśród nich takie, jak:
– funkcje autobusu,
– wielkość (głównie długość) - często związana wprost z pojemnością (ilością pasażerów),
– rozwiązania konstrukcyjne nadwozia związane z ilością przewożonych osób i długością tras podróży,
– rozwiązania konstrukcyjne głównych podzespołów, – rodzaju napędu.
Wielość tych kryteriów wynika z faktu różnorodności występujących konstrukcji, które powstały na konkretne zapotrzebowanie rynku. Z jednej strony istnieje określona potrzeba funkcjonalna, z drugiej - różnorodność konstrukcji wskazuje, jak różnie można daną funkcjonalność zrealizować, mając na względzie np. aspekt długości pojazdu lub aspekt ekonomiczny.
Aby ta różnorodność nie powodowała jednak znaczących różnic w bezpieczeństwie użytkowania autobusów, to podobnie, jak i dla innych pojazdów, ustala się minimalne wymagania opisane w odpowiednich normach, jakie w tym zakresie muszą one spełnić. Poświadczenie zgodności produktu z normami i przepisami obowiązującymi w danym obszarze (kraju lub krajów) odbywa się w procesie homologacji [15]. Dla pojazdów silnikowych, w tym też autobusów, bazowym i uniwersalnym zbiorem przepisów opisujących je w krajach Wspólnoty Europejskiej, jest dyrektywa 2007/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 05 września 2007 r. [45].
W oparciu o ten dokument możliwe jest uzyskanie homologacji europejskiej na dany pojazd.
Dyrektywa ta zawiera, oprócz szczegółowego opisu technicznego, również listę przepisów (dyrektyw WE lub coraz częściej regulaminów EKG ONZ), które pojazd musi spełniać.
Informacje o tych regulacjach prawnych przytoczono, aby wskazać, że znacząca grupa cech konstrukcyjnych pojazdów unormowana jest prawnie.
Jednym z usankcjonowanych prawnie dokumentów odnoszącym się szczególnie do autobusów i przy okazji wprowadzającym klasyfikację autobusów (dla pojazdów o pojemności od 22 osób łącznie z kierowcą) na poszczególne klasy funkcjonalne jest Dyrektywa 2001/85/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 20 listopada 2001 r. [44], będąca dokumentem homologacyjnym szczególnym w odniesieniu do autobusów w Europie. Wprowadza ona podział autobusów na następujące grupy (klasy):
– klasa I: pojazdy z miejscami siedzącymi oraz obszarami do stania, umożliwiającymi przewóz pasażerów na trasach o dużej liczbie przystanków (autobusy miejskie) i ich częste przemieszczanie się we wnętrzu,
– klasa II: pojazdy przeznaczone przede wszystkim do przewozu pasażerów na miejscach siedzących z pewnymi (relatywnie niewielkimi) obszarami do stania (autobusy międzymiastowe),
– klasa III: pojazdy tylko z miejscami siedzącymi (autobusy turystyczne, autokary).
Dyrektywa ta, która dodatkowo od 13 sierpnia 2006 obowiązuje również we wszystkich krajach członkowskich Unii Europejskiej, wprowadza również podział autobusów na:
– klasę A – pojazdy przeznaczone do przewozu pasażerów z miejscami siedzącymi i stojącymi,
– klasę B – pojazdy przeznaczone tylko do przewozu pasażerów na miejscach siedzących.
Klasyfikacja ta, wprowadzona wspomnianą dyrektywą, wynika z potrzeby zdefiniowania różnorodnych wymagań dla poszczególnych klas w takich obszarach odnoszących się do bezpieczeństwa i wygody pasażerów, jak:
– dostępnej powierzchni dla pasażerów i jej rozplanowania, – cech komory silnika,
– siedzeń i poręczy dla pasażerów, – łączności z kierowcą,
– przegubu (element konstrukcyjny łączący dwa wagony w autobusie dwuczłonowym – przegubowym)
– wejść, okien
– wyposażenia elektrycznego, – oznakowania.
Wymagania dotyczące innych układów, nie dotyczących bezpośrednio pasażerów – a odnoszące się do takich podukładów jak silnik, układ hamulcowy, kierowniczy i inne, zawarte są w innych, ogólnych przepisach homologacyjnych.
Wiele z tych przepisów ogranicza znacząco swobodę kształtowania konstrukcji współczesnego autobusu, której scharakteryzowaniu poświęcono kolejny rozdział. Omówiono w nim także kolejne ograniczenia w swobodzie konstruowania, jakimi są dostępne i zasadne z ekonomicznego punktu widzenia technologie produkcji i gotowe podzespoły.
1.1.1 Definicja autobusu miejskiego i wymagania mu stawiane
Z punktu widzenia funkcjonalnego autobusy możemy podzielić na następujące grupy:
– miejskie, – podmiejskie, – międzymiastowe, – turystyczne, – szkolne,
– specjalnego przeznaczenia.
W niniejszej pracy szczególną uwagę poświęcono autobusom miejskim, będącym współcześnie bardzo wyspecjalizowaną formą autobusu. Mówiąc o autobusie miejskim, mówimy o autobusie definiowanym przez następujące cechy:
– służącym do przewozu stosunkowo dużej liczby pasażerów na stosunkowo krótkich odcinkach,
– posiadającym odpowiednią liczbę szerokich drzwi służących do szybkiej wymiany pasażerów,
– posiadającym stosunkowo niewielką liczbą miejsc siedzących, lecz dużą ilością miejsc stojących,
– charakteryzującym się dużą zwrotnością,
– umożliwiającym uzyskanie dużej płynności (w zakresie dynamiki wzdłużnej) jazdy,
– osiągającym przyspieszenia właściwe dla współczesnego ruchu miejskiego, – posiadającym czytelny system informacji pasażerskiej.
1.1.2 Podstawowe kryteria klasyfikacji autobusów miejskich
1.1.2.1 Klasyfikacja autobusów miejskich ze względu wymiary lub ilość przewożonych pasażerów
Przyjęto, iż do opisów technicznych stosuje się umowną klasyfikację współczesnych autobusów analizując parametr ich długości, co najczęściej przedkłada się bezpośrednio na ilość przewożonych pasażerów, który jest parametrem uzupełniającym klasyfikację przedstawioną w tabeli 1.1:
Tab. 1.1. Podział autobusów wg ich długości i odpowiadające im pojemności autobusów
Lp. Typ autobusu Długość Pojemność – liczba pasażerów
1. mini do 7,5 m do ok. 40 pasażerów
2. midi od 7,5 do 10,5 m do ok. 75 - 80 pasażerów 3. maxi od 10,5 do 13 m do ok. 90 - 110 pasażerów 4. mega powyżej 13 m do ok. 150 - 170 pasażerów
Rys. 1.1. Przykład autobusu mini i mega [42]
Podstawową szerokością współczesnych autobusów miejskich jest dopuszczona wspomnianymi wcześniej przepisami, szerokość 2550 mm. Starsze konstrukcje miały szerokość 2500 mm. W autobusach typu midi stosuje się najczęściej szerokość 2300 – 2400 mm. Jest to związane z szerokością tras, na których jest eksploatowany tego typu pojazd (np. wąskie górskie drogi, ciasne centra miast).
Długości autobusów mieścić się muszą w ograniczeniach prawnych – tzn. nie mogą być dłuższe niż:
– 13,5m dla autobusów dwuosiowych,
– 15m dla autobusów solo o więcej niż dwóch osiach,
– 18,75m dla autobusów przegubowych i solo wraz z przyczepami.
Przykład autobusu klasy mini o długości 7,3 m oraz autobusu klasy mega długości 18,75m przedstawia rys. 1.1.
Najczęściej stosowaną długością autobusów w Europie, jak i w Polsce jest długość 12 m, następnie 18 m i praktycznie wszyscy liczący się europejscy producenci autobusów miejskich posiadają te pojazdy w swoim portfolio. Długości autobusów w pełni są związane z ich możliwościami przewozu określonej ilości pasażerów, co przedstawiono w tab. 1.1.
Różne długości autobusów, szerokości, jak i wymienione powyżej rozwiązania konstrukcyjne odpowiadają na różnorakie zapotrzebowania klientów w zakresie możliwości przewożenia określonej liczby pasażerów, czy też trasy, na której dany autobus może się poruszać, itd.
1.1.2.2 Klasyfikacja autobusów miejskich ze względu na ogólną koncepcję budowy
Z punktu widzenia konstrukcyjnego, ze względu na ogólną koncepcje budowy, autobusy miejskie można podzielić na następujące rozwiązania:
– autobusy pojedyncze (tzw. solo, dwuosiowe) oraz z większą ilością osi, co w praktyce oznacza 3 osie,
– autobusy przegubowe (ze względu na lokalizację silnika) dzieli się je na:
o ciągnione - z ang. pull o pchacze - z ang. push – autobusy piętrowe.
Można również zaobserwować, ostatnio lokalny (głównie w Niemczech i Szwajcarii), powrót do stosowanych wcześniej (w latach 60-siątych i 70-siątych) rozwiązań typu pojedynczego pojazdu (solo) wraz z przyczepą, która odczepiana jest w określonych porach dnia, przy zmniejszonym potoku pasażerskim.
1.1.2.3 Klasyfikacja ze względu na wysokość umieszczenia podłogi nad nawierzchnią drogi Z punktu widzenia konstrukcyjnego, jak i funkcjonalnego stosuje się również umowną klasyfikację autobusów uwzględniając parametr wysokości umieszczenia podłogi nad nawierzchnią jezdni, a przez to dostępności podłogi pojazdu dla pasażerów o ograniczonych możliwościach ruchowych.
Stosuje się tu określenie „autobus niskopodłogowy”, który wg Dyrektywy 2001/85/WE jest pojazdem klasy I, II lub A, w którym co najmniej 35% powierzchni przeznaczonej dla pasażerów stojących (lub w jego przedniej części w przypadku pojazdów przegubowych lub na pokładzie dolnym w przypadku pojazdów dwupokładowych) tworzy powierzchnię bez stopni, do której dostęp z zewnątrz możliwy jest przez co najmniej jedne drzwi główne. Klasyfikacja ta wygląda następująco:
• autobusy niskopodłogowe (ang. LF, low floor), w których podłoga nie ma stopni wejściowych (rys. 1.2) przy wszystkich drzwiach, te z kolei można podzielić na:
o częściowo niskopodłogowe (gdy najczęściej ok. 70% podłogi jest dostępne dla pasażera bez stopni),
o w pełni niskopodłogowe (100% podłogi pozbawionej jest stopni),
• autobusy niskowejściowe (ang. LE, low entry), w których część podłogi wraz z przynajmniej jednym wejściem dostępne jest bez stopni, najczęściej występuje tu niska podłoga w zakresie obu przednich drzwi wejściowych - rys. 1.3,
• autobusy o średniej wysokości podłogi (ang. intercity), w których występują stopnie wejściowe, a poziom podłogi kształtuje się średnio na wysokości ok. 680 mm od jezdni (można w nich zastosować specjalną windę dla pasażerów niepełnosprawnych) - rys. 1.4,
• autobusy wysokopodłogowe, turystyczne, w których wysokość podłogi podyktowana jest wygospodarowaniem odpowiedniej objętości przestrzeni bagażowej, najczęściej wysokość podłogi umiejscowiona jest na wysokości ok. 720 mm powyżej jezdni.
Rys. 1.2.Przykład wnętrza autobusu niskopodłogowego (LF) oraz jego widok z rozłożona rampą dla pasażerów o ograniczonych możliwościach ruchowych [42]
Rys. 1.3. Przykład wnętrza autobusu niskowejściowego (LE) [42]
W autobusach typu LF i LE najczęściej podłogę sytuuje się na wysokości ok. 350 mm powyżej jezdni, przy czym często pierwsze i drugie drzwi (np. w układzie 2-2-2 – wyjaśnienie w rozdziale 1.1.2.4) są dostępne nawet już z wysokości ok. 320 mm powyżej jezdni. Powodem takiego postępowania jest maksymalizacja „przyjazności” pojazdu dla pasażerów.
Rys. 1.4.Przykład sposobu wejścia do autobusu o średniej wysokości podłogi [42]
1.1.2.4 Klasyfikacja ze względu na ilość i układ drzwi wejściowych
Uzupełniającym parametrem stosowanym w opisach technicznych jest parametr ilości drzwi, definiujący głównie możliwość wymiany pasażerów. I tak dla najczęściej występującego pojazdu, tj.
dla autobusu o długości 12 m, ilość drzwi może występować w przykładowych (choć najczęściej występujących) konfiguracjach 2-2-2, 2-2-0 lub ich wariacje (np. 1-2-0 itd.). Przy czym, dla przykładu, wyrażenie „2-2-2” oznacza drzwi dwuskrzydłowe w pierwszej, drugiej i trzeciej wnęce drzwiowej, a wyrażenie „2-2-0”, oznacza występowanie drzwi dwuskrzydłowych w dwóch pierwszych wnękach drzwiowych i brak drzwi w trzeciej wnęce. Przykłady autobusów w konfiguracji drzwi 2-2-2 i 2-2-2-2, ilustrują rys 1.5 i rys. 1.6.
Rys. 1.5. Autobus Solaris Urbino 12, o długości 12 m, LF z układem drzwi 2-2-2 [42]
Rys. 1.6. Autobus Solaris Urbino 18 z układem drzwi 2-2-2-2 [42]
Z punktu widzenia zastosowanych napędów drzwi, wyróżniamy drzwi o napędzie:
• mechanicznym (ręcznym – praktycznie nie stosowanym w autobusach miejskich),
• pneumatycznym,
• elektrycznym.
Natomiast z punktu widzenia kinematyki ich otwierania, wyróżniamy drzwi:
• otwierane do wewnątrz pojazdu,
• otwierane na zewnątrz pojazdu,
• otwierane na zewnątrz - odskokowo-przesuwne.
1.1.2.5 Klasyfikacja ze względu na rodzaj napędu
Najczęściej stosowanym obecnie w autobusach miejskich jest silnik Diesla (ZS – o zapłonie samoczynnym). W zależności od długości pojazdu, szerokości itd., co bezpośrednio wpływa na ilość przewożonych pasażerów, najczęściej stosuje się siniki 6-cio cylindrowe o pojemnościach skokowych od ok. 6 dm3 do ok. 12 dm3. Silniki te charakteryzują się mocami w zakresie od ok. 160 kW do ok. 265 kW i więcej.
Ze względu jednak na wykorzystywanie także innych rozwiązań, z punktu widzenia napędu autobusy podzielić można na pojazdy:
• o napędzie konwencjonalnym (silnik Diesla),
• o napędzie gazowym (CNG – z ang. Compressed Natural Gas – sprężony gaz ziemny, LNG z ang. Liquefied Natural Gas – skroplony gaz ziemny – produkt niszowy),
• o napędzie hybrydowym (hybryda szeregowa, równoległa, mieszana),
• o napędzie elektrycznym (autobusy bateryjne),
• inne źródła napędu (np. paliwo wodorowe).
Oddzielną kategorią nie będącą przedmiotem rozważań tej pracy są trolejbusy.
1.2 Specyfika wymagań, konstrukcji i skali produkcji współczesnych autobusów miejskich
1.2.1 Wymagania stawiane współczesnym autobusom miejskim
Konstrukcje autobusów odpowiadające w większości cech aktualnie produkowanym autobusom niskopodłogowym pojawiły się w latach 70 XX wieku (1977r. Neoplan N814). Cechy różnicujące konstrukcje autobusów są też tymi, które różnicują konstrukcje współczesne od tych budowanych jeszcze w latach 80-tych i początku 90-tych. Wynikają one z optymalizacji konstrukcyjnej i technologicznej autobusu w zakresie spełnienia następujących oczekiwań klientów (eksploatatorów):
1. efektywności ekonomicznej:
˗ możliwie najniższy koszt zakupu,
˗ możliwie najniższe koszty eksploatacji (tzw. LCC – z ang. Life Cycle Cost, koszt cyklu życia produktu):
zdolność do przewiezienia maksymalnej ilości pasażerów w ramach danej wielkości autobusu,
niskie zużycie paliwa,
wysoka sprawność techniczna pojazdu, niskie koszty obsługi i napraw,
2. komfortu korzystania z autobusu przez pasażerów:
˗ umożliwienia łatwego dostępu do wnętrza autobusu i łatwego przemieszczania we wnętrzu,
˗ zapewnienia płynności ruchu w zakresie dynamiki wzdłużnej, co jest szczególnie istotne ze względu na częste hamowanie i ruszanie autobusu,
˗ zapewnienia komfortu klimatycznego we wnętrzu,
˗ zapewnienia efektywnej i czytelnej informacji pasażerskiej,
3. sprawnego i bezpiecznego użytkowania autobusu we współczesnym ruchu drogowym i z możliwie najmniejszym oddziaływaniem na środowisko:
˗ spełnienia wszystkich norm dotyczących bezpieczeństwa w ruchu drogowym,
˗ spełnienia wszystkich norm dotyczących bezpieczeństwa ekologicznego,
˗ zapewnienia sprawnej eksploatacji, adekwatnej do warunków narzuconych przez współczesny ruch drogowy.
Rozwój techniki, technologii, doświadczenie i możliwości ekonomiczne oraz organizacyjne producentów autobusów oraz producentów podzespołów na przestrzeni ostatnich 30 lat pozwoliły w każdym z wymienionych obszarów na znaczący postęp.
W obszarze 1 – efektywności ekonomicznej autobusów jednym z najistotniejszych zagadnień jest przebiegowe zużycie paliwa. Jest ono w odniesieniu do autobusów miejskich oceniane specjalnymi procedurami badawczymi SORT – Standardised On-Road Test Cycles opracowanymi przez UITP (International Association of Public Transport) [36][37], której ideą było stworzenie jednolitej, porównywalnej metody do badania zużycia paliwa w najbardziej wierny sposób odzwierciedlającej warunki eksploatacyjne autobusów. Obowiązuje on od 2004, jako zalecenie UITP, a testy SORT zostały zaakceptowane przez praktycznie wszystkich producentów autobusów w Europie i nie tylko, jak i użytkowników autobusów (eksploatatorów).
Stosuje się 3 typy testu, różniące się opracowanym i stosowanym w badaniach profilem jezdnym (profilem zmian prędkości w funkcji czasu):
• SORT 1 – Heavy Urban (“ciężki” ruch w centrum miast),
• SORT 2 – Easy Urban (“zwykły” ruch miejski),
• SORT 3 – Suburban (ruch podmiejski).
Przykładowe wartości zużycia paliwa dla autobusów 12 metrowych dla silników o pojemności skokowej 6,5 - 7,0 dm3, wyposażonych w automatyczną skrzynię biegów przedstawiono w tab. 1.2.
Wyniki te są oczywiście mocno zależne od kompletacji, wyposażenia, skrzyni biegów, przełożenia mostu napędowego, warunków eksploatacji, itd.
Tab. 1.2 Zakresy średnich wartości zużycia paliwa wg cyklu SORT dla autobusu 12 metrowego wyposażonego w silniki o pojemności 6,5 – 7,0 dm3 [opracowanie własne, [42]]
SORT 1 SORT 2 SORT 3
Autobus 12m 42 – 48 l/100km 35 - 39 l/100km 33 - 35 l/100km
Innym istotnym czynnikiem jest niski koszt obsługi i napraw, który wynika z kolei z, w miarę możliwości, bezobsługowej konstrukcji autobusu oraz jego trwałości i niezawodności. Wymagania te spełnić można projektując pojazdy o zakładanych przebiegach między obsługowych rzędu 30.000 – 60.000 km (bądź wyższych). I szacowanej trwałości rzędu 800.000 do nawet 1 mln km.
Uzyskaniu tak dużej trwałości służą m.in. rozwiązania takie, jak:
• systemy automatycznie dbające o najlepsze warunki pracy podzespołów – np. systemy automatycznego centralnego smarowania, systemy automatycznego osuszania powietrza w instalacjach pneumatycznych itd.,
• rozwiązania konstrukcyjne generujące najmniejsze obciążenia podukładów, podzespołów i elementów – np. zgodne z wymaganiami kinematyki prowadzenie kół, zgodne z wymaganiami kinematyki umiejscowienie wału napędowego, itd.,
• rozwiązania i technologie produkcji zabezpieczające elementy konstrukcji przed wpływem oddziaływań otoczenia – stosowanie na nadwozia stali nierdzewnych, bądź aluminiowych, poszyć z tworzyw sztucznych, zabezpieczeń antykorozyjnych, itd.
W obszarze 2 – komfortu korzystania z autobusów cechą najbardziej różnicującą jest znaczące ułatwienie w korzystaniu z autobusów poprzez obniżenie poziomu podłogi. Jeszcze na przełomie XX i XXI wieku można było spotkać niemal we wszystkich miastach polskich autobusy, których głównym przedstawicielem był węgierski Ikarus 260 czy Ikarus 280. Pojazdy te charakteryzowały się stopniami wejściowymi (najczęściej dwoma bądź trzema), po pokonaniu których pasażer uzyskiwał dostęp do miejsc stojących i siedzących. Stopnie wejściowe
uniemożliwiały prosty, czy łatwy dostęp do autobusu dla pasażerów o ograniczonych możliwościach ruchowych, bądź dla pasażerów podróżujących z wózkami dziecięcymi.
Współczesne konstrukcje pozbawione są tej wady. Dziś w centrach miast używa się głównie autobusów ze 100% udziałem niskiej podłogi (LF), w których główną zaletą dla pasażerów jest dostępność podłogi pozbawionej stopni. Dodatkowo, w autobusach wyposażonych w zawieszenie pneumatyczne, często stosuje się tzw. przyklęk pojazdu (z ang. kneeling), który obniża prawą część pojazdu o ok. 70 – 80 mm, dodatkowo ułatwiając wejście do autobusu. Częstym wyposażeniem autobusów typu LF i LE są ręczne (bądź elektryczne) rampy inwalidzkie - znacząco ułatwiające wjazd do pojazdu, co przedstawiono na rys. 1.2.
W zakresie peryferii miast i centrów stosuje się zarówno autobusy LF, jak i LE. Zaletą tych drugich jest posiadanie funkcjonalności autobusów LF pomiędzy dwoma pierwszymi drzwiami, co umożliwia bezproblemowy dostęp do tej powierzchni przez pasażerów niepełnosprawnych, czy wjazd do niej wózkiem dziecięcym. Dodatkowo posiadają one większą ilość miejsc siedzących umieszczonych w tylnej części pojazdu (najczęściej) zwróconych w kierunku jazdy, dla pasażerów podróżujących na większych dystansach.
Innym wymaganiem w obszarze komfortu jest płynność ruchu w zakresie dynamiki wzdłużnej. Wymaga się odpowiedniej płynności w zmianach poziomu przyspieszenia wzdłużnego przy przełączaniu biegów. Zrealizować udaje się to najlepiej przy zastosowaniu automatycznych skrzyń biegów. We współczesnych autobusach miejskich są one rozwiązaniem standardowym wspomagającym nie tylko uzyskanie odpowiedniego komfortu jazdy pasażerów, ale także komfortu pracy kierowcy i ekonomii eksploatacji.
W obszarze 3 - sprawnego i bezpiecznego użytkowania autobusu we współczesnym ruchu drogowym i z możliwe najmniejszym oddziaływaniem na środowisko wyróżnić można stosowanie systemów wspomagających pracę tradycyjnych podukładów samochodu – np.
systemy przeciwpoślizgowe w czasie hamowania (ABS – ang. Anti-Lock Breaking System), systemy sterowania siłą napędową (ASR - ang. Acceleration Slip Regulation), elektropneumatyczne układy hamulcowe (EBS – ang. Electronic Breaking System).
Oprócz cech związanych z wymogami bezpieczeństwa dla sytuacji ekstremalnych istotnym jest też zadbanie o możliwość sprawnego poruszania się autobusu we współczesnym ruchu miejskim. Dzisiejsze wymagania co do przyspieszeń w takim ruchu są znacznie wyższe od tych sprzed kilkunastu lat. Oczekuje się, że autobus będzie przyspieszał w zakresie od 0 do 50 km/h na poziomie nieodbiegającym od realizowanego przez współczesne samochody osobowe, nie powodując dodatkowych utrudnień w ruchu miejskim.
Współczesne autobusy 12 metrowe potrafią osiągnąć 60km/h w czasie krótszym niż 20 s, natomiast 40 km/h w czasie około 10s [42]. Dynamikę autobusu i parametry układu napędowego z reguły dobiera się stosownie do wymagań operatora. Ich zróżnicowanie wynikać może z odmiennych warunków eksploatacji. Na przykład układ napędowy powinien być tak dobrany, by umożliwić płynne włączanie się do ruchu z przystanku zlokalizowanego na jezdni, jak i w przypadku przystanku zlokalizowanego w zatoczce. Ten drugi przypadek będzie jednocześnie stanowił o możliwym występowaniu znacznie wyższych obciążeń układu napędowego (w stosunku do przystanku zlokalizowanego na jezdni, gdzie autobus „blokuje” ruch i o przyspieszeniu decyduje kierowca), niż zakładano podczas jego doboru, czy konstruowania (kierowca musi się
„wpasować” w istniejący potok samochodów).
1.2.2 Specyfika konstrukcji autobusów miejskich
Wymienione powyżej różnorodne wymagania nierzadko sprawiają problemy konstrukcyjne i wykonawcze producentom oraz bywają ekstremalnie trudne do spełnienia. Mimo tych problemów, z uwzględnieniem specyfiki produkcji autobusów i specjalizacji na rynku podzespołów motoryzacyjnych, wykształciła się specyficzna forma konstrukcji współczesnych autobusów miejskich – rys. 1.7.
Rys. 1.7. Struktura współczesnego autobusu miejskiego - szkielet i rozmieszczenie najważniejszych podzespołów [opracowanie własne, [42]]
Jest to w Europie stosunkowo często spotykany pojazd o samonośnym nadwoziu szkieletowym wyposażonym w dwie lub trzy osie, z których pierwsza - kierowalna może być osią sztywną lub mieć zawieszenie niezależne, oś druga w autobusach niskopodłogowych jest najczęściej osią napędową w formie tzw. mostu portalowego. Silnik zabudowany jest w tylnej części autobusu, bardzo często w tzw. zabudowie wieżowej. Zawieszenie jest realizowane przy pomocy pneumatycznych elementów sprężystych i amortyzatorów hydraulicznych, a układy kierownicze są typu śrubowo-kulkowego z hydraulicznym urządzeniem wspomagającym. Systemy drzwi otwieranych wyposażone są w pneumatyczne lub elektryczne układy otwierania, a instalacja elektryczna oparta jest o magistrale danych CAN (ang. Controller Area Network). Wyposażenie wnętrz to z reguły zestaw produkowanych przez wyspecjalizowanych dostawców siedzeń o ograniczonym komforcie, ale podwyższonej trwałości.
Tak ustandaryzowana konstrukcja współczesnego autobusu miejskiego związana jest z potrzebą godzenia możliwości spełnienia wymaganych cech funkcjonalnych z zachowaniem konkurencyjnej ceny gotowego pojazdu, co powoduje, że producenci autobusów wykorzystują wiele gotowych podzespołów, rezygnując z ich samodzielnej produkcji, a także ich konstruowania, rozwoju i badań. To powoduje, że współczesne autobusy budowane są u producenta głównie w zakresie konstrukcji szkieletu (nie uwzględniono tu pewnej specyfiki dotyczącej silników), bądź podwozia i nadwozi, a znaczna część głównych podzespołów dostarczana jest przez zewnętrznych podwykonawców oferujących swoje rozwiązania wielu konkurującym producentom gotowych pojazdów.
Tak jest w odniesieniu do takich podzespołów, jak np.:
– układy hamulcowe – główni dostawcy – firmy Wabco, Knor-Bremse, Haldex, – osie napędzane i nienapędzane – ZF, Voith, Meritor,
– wały napędowe – Cardan, GKN,
– silniki – DAF, Scania, Cummins, Mercedes-Benz, MAN, Volvo, – skrzynie biegów – ZF, Voith, Allison,
– układy kierownicze – ZF, TRW,
– przeguby łączące wagony w autobusach wieloczłonowych (przegubowych) – Huebner, Hemscheidt,
– drzwi – Bode, Rawag, Ventura,
– siedzenia pasażerskie – Kiel, Ster, SKA, Vogel,
– układy klimatyzacji – Konvekta, Suetrack, Denso, Webasto, Eberspaecher.
1.2.3 Skala produkcji autobusów
Problemy konstrukcyjne w budowie pojazdów są problemami dotyczącymi dużej populacji wyrobów. Produkcja autobusów nie jest co prawda tak duża, jak produkcja samochodów ciężarowych, niemniej także w ich przypadku stosowane rozwiązania dotyczą nie pojedynczych egzemplarzy, a całych serii danego produktu. To znacząco uzasadnia podejmowanie prac badawczo rozwojowych rozwiązujących dane zagadnienie dla relatywnie sporej grupy wyrobów.
Największymi producentami autobusów w Europie (wszystkie kategorie powyżej DMC 8t) są EvoBus (autobusy Mercedes i Setra), Irisbus (dziś Ivecobus) oraz MAN (wg VDA- Verband der Automobilindustrie, [39]). Siedziby geograficzne wraz z nazwami najistotniejszych europejskich producentów autobusów przedstawiono na rys. 1.8.
Rys. 1.8. Nazwy i lokalizacje siedzib najważniejszych europejskich producentów autobusów [61]
Ilość nowo rejestrowanych autobusów o masie całkowitej (DMC - dopuszczalna masa całkowita) powyżej 8t, dla Europy Zachodniej UE (bez krajów byłego „bloku wschodniego”
i Turcji) w latach 2013-2014 zawierała się w wartościach między 21,7 tys. do 22,3 tys. rocznie.
Największym rynkiem autobusowym są Francja i Niemcy. Ok. 55% nowo rejestrowanych autobusów przypada na kategorię autobusów turystycznych i międzymiastowych, natomiast pozostałe ok. 45% to rejestracje autobusów miejskich.
Rynek jedenastu nowych członków UE (dla DMC powyżej 8t) wahał się między 3,2 tys. a 3,5 tys. rocznie w latach 2013-2014. Największymi rynkami autobusowymi tych 11 krajów są Polska i Czechy. Dane przedstawiające ilości wyprodukowanych pojazdów w poszczególnych krajach w latach publikuje również stowarzyszenie ACEA (European Automobile Manufactures’
Association) - tab. 1.3 [52].
Tab. 1.3 Pierwsze rejestracje autobusów powyżej 8t DMC w poszczególnych krajach Europy w latach 2013 i 2014 [52]
2013 2014 2015
Belgia 601 970 850
Dania 265 300 320
Niemcy 4 762 4 738 5 100
Finlandia 199 415 300
Francja 5 793 4 947 5 400
Grecja 14 36 30
Wielka Brytania 3 518 3 283 3 700
Irlandia 158 205 300
Włochy 1 929 1 438 1 800
Luksemburg 155 154 200
Holandia 568 631 700
Norwegia 792 600 500
Austria 634 791 700
Portugalia 130 145 200
Szwecja 1 038 1 106 950
Szwajcaria 476 495 500
Hiszpania 1 324 1 518 2 000
Bułgaria 147 190 180
Chorwacja 57 62 80
Estonia 169 109 110
Łotwa 51 85 120
Litwa 68 135 50
Polska 942 919 1 100
Rumunia 161 75 300
Słowacja 256 429 400
Słowenia 125 125 110
Czechy 839 985 950
Węgry 384 413 400
Turcja 4 027 1 378 1 700
RAZEM 29 582 26 677 29 050
1.3 Analiza typowych układów napędowych autobusów miejskich i parametrów ich pracy
1.3.1 Konfiguracje i konstrukcja układów napędowych w autobusach
W języku polskim funkcjonują w odniesieniu do pojazdów takie terminy, jak: napędy, źródła napędu, układy napędowe, czy też układy przeniesienia napędu. W języku angielskim bliskimi znaczeniowo terminami są drivetrain, który określa grupę elementów służących dostarczeniu mocy (momentu) do kół napędzanych, ale wyklucza generator mocy (momentu obrotowego), którym najczęściej jest silnik spalinowy. Pojęciem które obejmuje silnik z pozostałymi podzespołami przenoszącymi moment z silnika do kół napędzanych jest pojęcie (z j.angielskiego) powertrain.
W języku polskim układ napędowy jest najczęściej używany jako synonim pojęcia układ przeniesienia napędu. Wg definicji zawartej w [14] jest to układ przekazujący napęd z wału korbowego silnika na jezdne koła pędne samochodu. W pozycji [40] M. Zając w podobny sposób zdefiniował układ napędowy pisząc, że układ napędowy ma za zadanie przenieść moment obrotowy, generowany przez silnik do kół napędowych w sposób umożliwiający pokonanie przez samochód oporów ruchu. Prof. Z. Jaśkiewicz i A. Wąsiewski w pozycji [12] używają określenia napęd w odniesieniu do silnika z układem przeniesienia napędu. Natomiast w odniesieniu do tytułu, jako układy napędowe, traktują układ przeniesienia napędu nie zajmując się obliczeniami projektowymi samego silnika.
Z punktu widzenia lokalizacji układów napędowych autobusy możemy podzielić na:
• autobusy z układem napędowym przed (rzadziej za) przednią osią (charakterystyczne dla uboższych krajów, jako zabudowy ciężarówkowe lub starsze konstrukcje autobusowe),
• autobusy z układem napędowym pomiędzy osią pierwszą a drugą (relatywnie rzadko występują w Europie),
• autobusy z układem napędowym za ostatnią osią (najczęściej drugą lub trzecią).
W niniejszej pracy skupiono się na ostatniej grupie wyżej wymienionego podziału, która występuje w zdecydowanej większości współczesnych autobusów. Grupę tę możemy dodatkowo podzielić ze względu na umiejscowienie silnika:
• w pobliżu osi głównej pojazdu w tylnej części pojazdu,
• w pobliżu lewej tylnej części (najczęściej) pojazdu (patrząc w kierunku jazdy).
Dodatkowo możemy te grupy podzielić ze względu na umiejscowienie silnika w pozycji stojącej lub leżącej, co oczywiście determinuje odpowiednią jego konstrukcję. W przypadku silnika leżącego, chłodnica najczęściej występuje po jego prawej stronie (patrząc w kierunku jazdy).
Logiczną konsekwencją natomiast zastosowania silnika stojącego jest umiejscowienie układu chłodnic nad nim. W takim przypadku mówimy o umownym układzie wieżowym zabudowy jednostki napędowej.
Ze względu na usytuowanie w autobusach rozróżnić można zabudowę wzdłużną, bądź poprzeczną silnika w stosunku do osi głównej pojazdu. Głównym kryterium w zastosowaniu odpowiedniego umiejscowienia jednostki napędowej jest, jak najbardziej optymalne zagospodarowanie przestrzeni pasażerskiej. Kilka przykładów koncepcji układów napędowych występujących we współczesnych autobusach przedstawia rys. 1.9:
• na rys. 1.9 - 1 przedstawiony jest silnik, jak i skrzynia biegów umiejscowione poprzecznie za osią tylną (układ stosowany np. w autobusach Scania Omnicity),
• na rys. 1.9 - 2 przedstawiano silnik i skrzynię biegów umiejscowioną w lewym tylnym rogu za osią tylną pojazdu, gdzie stosowany jest dzielony wał napędowy, by przenieść napęd na
oś napędową, musi on „minąć” oś trzecią, zwaną osią wleczoną (układ stosowany np. w autobusie Solaris Urbino 15),
• rys. 1.9 - 3 przedstawia zarówno silnik, jak i skrzynię biegów umieszczone wzdłużnie za osią tylną (układ stosowany w autobusach typu LE- Low Entry, np. Solaris Urbino LE),
• rys. 1.9 - 4 przedstawia podobny układ, jak na rys. 11.3 z tym, że silnik i skrzynia biegów znajduje się przed osią tylną (układ stosowany w poprzedniej generacji autobusów np.
Ikarus),
• rys. 1.9 - 5 przedstawia silnik i skrzynię biegów umiejscowioną przed osią tylną, ale przesunięte do boku pojazdu w stosunku do osi głównej (układ stosowany np. w autobusach Van Holl, bądź w trolejbusach Solaris Trollino),
• rys. 1.9 - 6 przedstawia silnik i skrzynię biegów umiejscowioną w lewym tylnym rogu za osią tylną pojazdu (najczęściej stosowany układ w autobusach miejskich typu LF - Low Floor, stosowany np. w autobusach Solaris Urbino 12, MAN Lion’s City, Volvo 7700, Mercedes Citaro).
Rys. 1.9. Różnego rodzaje umiejscowienia napędu występujące w autobusach [opracowanie własne]
Omówione rozwiązania w zakresie lokalizacji elementów układu napędowego determinują szereg wyzwań i problemów konstrukcyjnych, jakim jest uzyskanie poprawności funkcjonowania elementów układu napędowego, pomimo nakładania dodatkowych albo specjalnych wymagań.
Przykładem może tu być lokalizacja wzajemna elementów względem siebie, ich ewentualne kolizje bądź ograniczenia w uzyskaniu wymaganej funkcjonalności układu. Rys. 1.10 przedstawia kompletny układ napędowy współczesnego autobus miejskiego wyposażonego w automatyczną skrzynię biegów i most portalowy AV 132 niemieckiej firmy ZF.
1. 2. 3.
4. 5. 6.
Rys. 1.10. Przykład zabudowy układu napędowego wraz z osią portalową ZF AV 132 [42]
1.3.1.1 Silniki spalinowe stosowane w autobusach miejskich
Jak już wcześniej wspomniano podstawowym źródłem napędu są silniki wysokoprężne Przykładowymi silnikami stosowanymi w autobusach miejskich firmy Solaris jest rodzina silników o pojemności skokowej 9,2 dm3 firmy DAF (należącej do amerykańskiej firmy Paccar) serii PR [71].
Silniki te charakteryzują się trzema zakresami mocy: 183 kW, 225 kW i 265 kW, osiągając odpowiednio 1050 Nm, 1275 Nm i 1450 Nm przy prędkości obrotowej rzędu 1100 – 1700.
Charakterystyki mocy, jaki i momentów obrotowych rodziny silników DAF przedstawiają rys. 1.11 i rys. 1.12. W tab. 1.4 przedstawiono przykładowe typy silników i ich skrócone charakterystyki występujące w autobusach miejskich na przykładzie czołowych producentów europejskich.
Rys. 1.11. Charakterystyka mocy i momentu rodziny silników DAF PR [71]
Tab. 1.4. Wybrane przykłady stosowanych silników wraz z ich podstawową charakterystyką [opracowanie własne]
1.3.1.2 Skrzynie biegów stosowane w autobusach miejskich
Omawiając nie tylko konfigurację, ale także w bardziej szczegółowym podejściu również funkcjonalność skrzyń biegów stosowanych w układach napędowych współczesnych autobusów stwierdzić można, że ze względu na wymogi eksploatatorów, jak i pasażerów w zakresie płynności jazdy, praktycznie nie stosuje się obecnie skrzyń mechanicznych, wyeliminowanych przez automatyczne skrzynie biegów. Na rys. 1.12 przedstawiono przekrój współczesnej skrzyni biegów niemieckiej firmy Voith DIWA.
Rys. 1.12. Widok i przekrój współczesnej skrzyni biegów firmy Voith DIVA 6 [75]
Skrzynia biegów DIWA 6 jest nowoczesną skrzynią zapewniającą mniejsze zużycie paliwa oraz mniejszą emisję spalin poprzez wykorzystanie takich rozwiązań, jak:
– zastosowanie systemu Stop-Start,
– program zmiany biegów zależny od topografii terenu (SensoTop),
– przekładni hydrokinetycznej pracującej jako zwalniacz (retarder) podczas hamowania/zwalniania,
– struktury z równoległym przepływem mocy - drogą hydrokinetyczną oraz mechaniczną.
Tab. 1.5 ilustruje osiągi skrzyń biegów firmy Voith DIVA.6. Z kolei na rys. 1.13 przedstawiono schemat kinematyczny współczesnej automatycznej skrzyni biegów niemieckiej firmy ZF z rodziny EcoLife z ilustracją położeń poszczególnych elementów dla pierwszych trzech biegów (z sześciu). W tab. 1.6 przedstawiono wartości przełożeń poszczególnych biegów na przykładzie produktu firmy ZF EcoLife.
producent autobusu model długość typ silnika moc
{kW]
ilość cylidrów
pojemność skokowa
[cm3]
max moment obrotowy
[Nm]
obroty znamionowe
[obr/min]
Evobus (Mercedes) Citaro O 530 G snodato 18 OM 457hLA II/5 260 6 11 967 1600 1100
Evobus (Mercedes) Citaro O 530 12m. 12 OM 906 HlA II/2 170 6 6 374 900 1300
Evobus (Mercedes) Citaro O 530 12m. 12 OM 906 HlA III/2 205 6 6 374 1100 1200-1600
Evobus (Mercedes) Citaro O 530 12m. 12 OM 457hLA II/5 185 6 11 967 1100 1100
Evobus (Mercedes) Citaro O 530 12m. 12 OM 457hLA II/5 220 6 11 967 1250 1100
MAN Lion's City U A 20 12 MAN D2866 LUH24 228 6 11 967 1 400 900-1300
MAN Lion's City A 21 12 MAN D0836 LUH40 206 6 6 871 1 100 1200-1800
MAN Lion's City A 21 12 MAN D2866 LUH24 228 6 11 967 1 400 900-1300
Solaris Bus & Coach Urbino 10 10 Cummins ISBe4 250B 184 6 6 700 1 020 1200-1600
Solaris Bus & Coach Urbino 12 12 DAF PR183 183 6 9 200 1 050 1200-1700
Solaris Bus & Coach Urbino 12 12 DAF PR228 228 6 9 200 1 275 1200-1700
Solaris Bus & Coach Urbino 12 12 DAF PR265 265 6 9 200 1 450 1200-1700
Solaris Bus & Coach Urbino 18 18 DAF PR265 265 6 9 200 1 450 1200-1700
Tab. 1.5 Charakterystyka osiągów skrzyń biegów Voith DIVA.6 [76]
Voith DIVA.6 - charakterystyka
typ D 824.6 D 854.6 D 864.6 D 884.6
moc wejściowa P1max [kW] 200 240 290 320
wejściowy moment obrotowy M1max
[Nm] 800 1 250 1 600 1 900
prędkość wejściowa n1max
[min-1] 2 500 2 500 2 500 2 200
moment hamujący retardera MBR
[Nm] 1 800 2 000 2000 2 000
masa skrzyni biegów wraz z retarderem
[kg] ok. 329 ok. 334 ok. 339 ok. 344
max. masa pojazdu [kg] 15 000 28 000 28 000 34 000
Tab. 1.6 Wartości przełożeń poszczególnych biegów dla skrzyni biegów ZF EcoLife [77]
Przełożenia skrzyni biegów ZF EcoLife
Wersja przełożeń skrzyni biegów 1 bieg
2 bieg
3 bieg
4 bieg
5 bieg
6 bieg
bieg wsteczny
suma- rycznie współosiowa 6 AP xx00 B 3,364 1,909 1,421 1,00 0,72 0,615 4,235 5,469 z napędem kątowym(WTR)
6 AP xxxx B IWTR=0,971 3,265 1,853 1,38 0,971 0,699 0,597 4,112 5,469
Rys. 1.13. Schemat kinematyczny skrzyni biegów ZF EcoLife w zakresie pierwszych trzech biegów [77]
1.3.1.3 Wały napędowe stosowane w autobusach miejskich
W wałach napędowych pojazdów użytkowych stosuje się stalowe rury bezszwowe. Przeguby krzyżakowe do końców rur spawa się maszynowo. Jeśli wał umieszczony jest między elementami mogącymi zmieniać swoje położenie, np. między skrzynią biegów, a mostem napędowym, jego długość też musi się zmieniać. Do kompensacji długości wału stosuje się wielowypustowe połączenie przesuwne. Połączenie wielowypustowe może mieć zarys prostokątny lub ewolwentowy. Zarys ewolwentowy zapewnia lepszy kontakt współpracujących ze sobą powierzchni i uważany jest za cichy. Połączenie wielowypustowe wyposażone jest w specjalną wkładkę polimerową, którą pokryty jest wałek albo tuleja. Dzięki temu nie wymaga smarowania i pracuje ciszej. Budowę typowego wału napędowego przedstawia rys. 1.14.
Rys. 1.14. Budowa typowego wału napędowego: 1 - złącze kołnierzowe (flansza), 2 - przegub krzyżakowy (Cardana), 3 - smarowniczka, 4 - połączenie przesuwne (wielowypust), 5 - korpus wału (rura), 6 - spoiny, 7 - ciężarek
wyrównoważający [49]
Złącza kołnierzowe (flansze), znajdujące się na końcach wału, mają znormalizowane wymiary i występują w kilku rodzajach: DIN (z j.niem. Deutsches Institut für Normung), SAE (z ang. Society of Automotive Engineers) lub KV (z j.niem. Kreuzverzahnung). We flanszach typu DIN moment obrotowy jest przekazywany przez połączenie typu ciernego, a odpowiedni docisk współpracujących flansz zapewniają śruby. Obecnie coraz popularniejsze są flansze typu KV, w których moment obrotowy jest przenoszony przez czołowe uzębienie nacięte na powierzchni czołowej. Śruby są elementami ustalającymi połączenie.
Łożysko podporowe pełni rolę dodatkowej podpory w wałach wieloczęściowych. Łożysko podporowe składa się z jedno-lub dwurzędowego łożyska kulkowego, którego zewnętrzna bieżnia osadzona jest w obudowie przytwierdzonej do ramy pojazdu w sposób sztywny. W nowoczesnych wersjach łożyska podporowe są bezobsługowe.
1.3.1.4 Mosty napędowe stosowane w autobusach miejskich
Powszechnie stosowanym rozwiązaniem osi napędowej (tylnej) jest oś portalowa z mostem napędowym (rys. 1.15) stanowiącym typowe zawieszenie zależne. Dzięki zastosowaniu tej konstrukcji możliwe jest uzyskanie wysokości podłogi autobusu w odległości od jezdni niewiele przekraczającej 400 mm. W praktyce konstrukcyjnie obniża się dodatkowo próg wejściowy drzwi osiągając wysokość podłogi od jezdni na poziomie ok. 320 mm.
Rys. 1.15. Tylna oś portalowa autobusu niskopodłogowego opis w tekście [77]
Podstawą osi jest most portalowy 1, w którym przekładnia główna 8 jest umiejscowiona asymetrycznie. Wał główny również umieszczony asymetrycznie przekazuje napęd na koła poprzez przekładnie główną z małym kołem odbiorczym o przełożeniu 1:1. Następnie napęd jest przenoszony na zwolnice napędzające koła autobusu. Osie są prowadzone poprzez drążki reakcyjne 3. Oś portalowa jest zawieszona na czterech miechach pneumatycznych montowanych
do wspornika 2 w miejscu oznaczonym przez 4. Tłumienie drgań odbywa się za pomocą amortyzatorów sytuowanych w otworze 5. Pozostałe elementy oznaczone na rysunku stanowią:
piasta 6, siłowniki hamulców 9 oraz tarcze hamulcowe 7. Wewnętrzną budowę osi w zakresie podzespołów przeniesienia napędu przedstawia rys. 1.16.
Rys. 1.16. Wewnętrzna budowa tylnej osi portalowej autobusu niskopodłogowego [77]
Najpopularniejsze rozwiązanie zawieszenia tylnego przedstawiono na rys. 1.17. Jest to zawieszenie wykorzystujące tzw. most portalowy, do którego przyłącze wału napędowego znajduje się maksymalnie blisko lewej strony. Takie rozwiązanie umożliwia otrzymanie niskiej podłogi (brak stopni) na całej długości pojazdu.
Istotną informacją w przypadku stosowania osi tylnej napędzanej jest możliwość wprowadzenia napędu. Duża różnorodność stosowanych rozwiązań napędu wymusza na producentach osi konieczność umożliwienia wyboru optymalnego rozwiązania. Możliwości adaptacyjne tylnej osi przedstawiono na rys. 1.17. Dane charakterystyczne osi portalowych produkowanych przez ZF zestawiono w Tab. 1.7.
Rys. 1.17. Możliwości adaptacji wejścia napędu do mostu w zależności od usytuowania silnika i skrzyni biegów [77]
