Vývoj nového typu podvozku pro kolejová vozidla ve společnosti Škoda Transportation ve spolupráci s výzkumnou organizací COMTES FHT již nese své ovoce. Ukázalo se, že vývojáři spolu s výrobou se dokážou dobře sladit, optimálně spolupracovat. Oč jde?

Pro vývoj a výrobu kolejových vozidel je charakteristická vysoká míra přizpůsobení výsledného výrobku potřebám konkrétního zákazníka a z pohledu množství vyrobených vozidel ve srovnání s automobilovým průmyslem jde prakticky o kusovou výrobu. Přesto sledujeme u kolejových vozidel stejně jako u automobilů trend snižování hmotnosti kvůli úsporám energie a zároveň se konstruktéři snaží o zvýšení tuhosti podvozku i skeletu tak, aby byla zajištěna pasivní bezpečnost a optimální jízdní vlastnosti vozidla.

Na základě rostoucích požadavků trhu na užitné vlastnosti vozidel dokončuje plzeňská Škoda Transportation a.s. vývoj nového typu podvozku pro kolejová vozidla, na kterém spolupracovala s výzkumnou organizací COMTES FHT a.s. Společnost COMTES FHT v projektu zajišťovala především vývoj a zkoušky nového typu oceli a dodala také prototypy některých konstrukčních celků.

Nový materiál na odlitky

Mnoho součástí podvozků kolejových vozidel je odléváno z oceli. Tato technologie je výhodná především kvůli relativně nízkým nákladům na zhotovení finálního tvaru, a to zejména v případech, kdy funkční plochy nevyžadují další úpravu obráběním. Z pohledu mechanických vlastností jsou v případě kolejových vozidel kladeny vysoké nároky především na pevnost při statickém i dynamickém namáhání při současném zamezení křehkosti za nízkých teplot. Vzhledem k tomu, že je provoz kolejových vozidel spojen s vibracemi a cyklickým namáháním funkčních dílů, je zároveň požadována dobrá odolnost proti vysokocyklové únavě. S ohledem na další technologické operace je u odlitků zapotřebí také dobrá svařitelnost, tj. odpovídající hodnota uhlíkového ekvivalentu. V rámci projektu byly stanoveny minimální požadavky na vlastnosti ocelových odlitků podle tab. 1.
Pro dosažení výše uvedených vlastností odlitků je vedle správné technologie tavení a odlévání zapotřebí zvolit také optimální chemické složení materiálu a provést odpovídající tepelné zpracování hotových odlitků. Na základě provedené rešerše a termo-fyzikálních výpočtů byla navržena ocel s nízkým obsahem uhlíku legovaná zejména manganem, niklem a chromem, jejíž výsledný uhlíkový ekvivalent CEV je 0,37 %. Pro tento materiál byla vypracována kompletní technologie odlévání a následného tepelného zpracování typových odlitků. Při návrhu technologie odlévání byl využit simulační program MAGMA, s jehož pomocí byl optimalizován tvar vtokové soustavy i průběh tuhnutí odlitku tak, aby nedocházelo k tvorbě staženin a dalších licích vad. Hotové odlitky byly po očištění normalizačně vyžíhány a zušlechtěny na tvrdost kolem 240 HV10. Takto navržená technologie vedla k homogenní makrostruktuře odlitků bez výskytu nadměrného množství nekovových vměstků, dutin nebo jiných licích vad. Zušlechtění odlitků vedlo ke vzniku jemné bainitické struktury. Při zkoušce svařování se ve středové oblasti svarů vytvořila feriticko-perlitická struktura, viz obr. 1.
Standardní zkoušky statické pevnosti v tahu a vrubové houževnatosti prokázaly, že odlitky z nového materiálu splňují požadavky na mechanické vlastnosti podle tab. 1. Kromě těchto základních zkoušek byla testována také dynamická pevnost v tahu při rychlostech deformace od 0,01 do 2000 s-1 a odolnost proti vysokocyklové únavě.
Pevnost v tahu při vysokých rychlostech deformace byla testována na zkušebním zařízení IMATEK IM10T, průběh deformace vzorků byl zaznamenán pomocí optického systému DIC Mercury. Z výsledků uvedených v diagramu na obr. 2 vyplývá, že i při maximální použité rychlosti deformace bylo možné s uvedeným technickým vybavením spolehlivě změřit závislost zatížení na deformaci a odfiltrovat nežádoucí vliv oscilace celé zkušební soustavy. Zároveň zkoušky prokázaly, že materiál splňuje požadavky na dynamickou pevnost v tahu.
Zkouška odolnosti proti vysokocyklové únavě má za úkol stanovit bezpečnou hodnotu cyklického namáhání (tzv. mez únavy), při které nehrozí iniciace a následné nekontrolované šíření trhliny a únavový lom. Zkoušky byly provedeny na vzorcích s broušeným povrchem (drsnost Ra max. 0,4) a před provedením zkoušky byla u každého vzorku zkontrolována vnitřní jakost pomocí rentgenu.
Z naměřených výsledků byla stanovena hodnota meze únavy 280 MPa, přičemž při zatížení napětím 350 MPa materiál vydrží cca 200 000 zatěžovacích cyklů. Tyto hodnoty také plně odpovídají požadavkům kladeným na novou ocel.

Výroba nosných dílů
z plechů s proměnnou tloušťkou

Výroba součástí podvozků a karosérií z plechů s proměnnou tloušťkou představovala na přelomu milénia výrazný milník v automobilovém průmyslu. Společnost Mubea tehdy představila linku na válcování tenkých plechů pro automobilové karosérie, která umožňuje během válcování flexibilně měnit válcovací mezeru tak, aby výsledný plech měl vyšší tloušťku pouze tam, kde je příslušný díl intenzivně namáhán. V méně namáhaných oblastech je pak použita výrazně nižší tloušťka plechu, což vede k výrazným úsporám hmotnosti.
Společnost COMTES FHT a.s. je v rámci Evropy jediné vývojové pracoviště, které je schopné technologii válcování plechů s proměnnou tloušťkou testovat na prototypové válcovací lince, a to nejen u tenkých plechů válcovaných za studena, ale také při teplém válcování silnějších plátů. Vzhledem k mimořádnému potenciálu, který tato technologie nabízí z pohledu možné úspory hmotnosti, se zástupci Škody Transportation rozhodli tento typ plechu využít při vývoji nového typu podvozku. Zkoušky byly provedeny na plátech z nízkouhlíkové oceli o výchozí tloušťce 15 mm, které pro tento účel dodala Škoda Transportation. Z těchto plátů byly v metalurgické laboratoři COMTES FHT vyválcovány desky s tloušťkou v rozmezí od 12 do 8 mm.
Ze záznamu válcování uvedeného na obr. 3 je zřejmé, že použitá technologie s flexibilní regulací válcovací mezery umožňuje poměrně dobře dodržet požadovaný průběh finální tloušťky materiálu (červená křivka), pouze v místě přechodu mezi tenčím okrajem desky a přechodovou zónou došlo k lokálnímu ztenčení. Tento efekt je způsoben velkou tloušťkou zpracovávaných plátů, pro kterou regulace není konstruována. V současné době probíhá úprava regulačního algoritmu, aby k podobným jevům nedocházelo.
Vzhledem k tomu, že válcování plechů bylo provedeno za tepla, nedošlo k deformačnímu zpevnění materiálu a následné zkoušky statické pevnosti v tahu prokázaly, že materiál je z pohledu mechanických vlastností homogenní. Z takto připravených plechů byly pomocí lisovacího přípravku (obr. 4) vyrobeny prototypy výlisků pro další zkoušky.
V rámci vývojové spolupráce společností Škoda Transportation a COMTES FHT se podařilo vyvinout nový typ oceli na odlitky se zaručenou svařitelností, která poskytuje velmi dobrou kombinaci statické a dynamické pevnosti, odolnosti proti křehkému lomu za nízkých teplot a odolnosti proti vysokocyklové únavě. V rámci prototypových zkoušek byla prokázána vhodnost použití této oceli při výrobě nové generace podvozků kolejových vozidel.
Zároveň byla vyvinuta koncepce válcování ocelových plátů s proměnnou tloušťkou v rozsahu od 8 do 12 mm a bylo prokázáno, že takto vyrobené pláty splňují technické požadavky pro výrobu součástí podvozků. Tato nová technologie představuje výrazný potenciál pro snížení hmotnosti podvozků při zachování potřebné pevnosti a dalších užitných vlastností.
Společnost Škoda Transportation v současné době dokončuje vývoj nového typu podvozku pro kolejová vozidla, ve kterém budou popsané výsledky spolupráce s COMTES FHT použity. První tramvaje s novým podvozkem by měly být uvedeny na trh v roce 2022.

Ing. Pavel Šuchmann,
vedoucí obchodního úseku
a technicko-obchodní konzultant,
COMTES FHT a.s.