I-16. ANALIZA KONSTRUKCYJNA I FUNKCJONALNA WSPÓŁCZESNYCH AUTOBUSÓW W MIEJSKIM TRANSPORCIE PUBLICZNYM

Transkrypt

1 SYSTEMY I ŚRODKI TRANSPORTU SAMOCHODOWEGO BADANIA, KONSTRUKCJA I TECHNOLOGIA ŚRODKÓW TRANSPORTU I-16. ANALIZA KONSTRUKCYJNA I FUNKCJONALNA WSPÓŁCZESNYCH AUTOBUSÓW W MIEJSKIM TRANSPORCIE PUBLICZNYM PYĆ Marcin, WOJEWODA Paweł Artykuł przybliża i opisuje kluczowe układy dotyczące współczesnych środków komunikacji miejskiej jakimi są autobusy miejskie. Przedstawia analizę danych dotyczących: rodzajów i budowy autobusów miejskich, w zależności od trzech typowych kryteriów: konstrukcji nadwozia, usytuowania podłoża w autobusie oraz rodzajów napędów. Następnie została omówiona budowa modułowa autobusów miejskich ze szczególnym uwzględnieniem nadwozia i podwozia oraz ich elementów składowych. Szczególną uwagę poświęcono układom napędowym tradycyjnych oraz alternatywnym (CNG/LNG), hybrydowym oraz elektrycznym, które znacząco redukują emisję spalin do atmosfery. Przedstawiono także aktualny stan normatywów dotyczących obniżenia emisji spalin dla autobusów miejskich w oparciu o normy międzynarodowe, w szczególności o Europejskie Standardy Emisji Spalin. Analiza ta została wykonana dla napędów z zapłonem samoczynnym, jak i z napędem na gaz ziemny CNG/LNG dla dyrektyw Euro 5 i Euro 6 oraz uznaniowej EEV. Dokonano także przeglądu nowoczesnych skrzyń biegów i systemów hamulcowych powiązanych z zawieszeniem i układem sterowania autobusem miejskim, wraz z ich analizą działania, co ma istotny wpływ na bezpieczeństwo pasażerów podczas jazdy i postoju na przystankach. Na zakończenie zwrócono uwagę na główne kierunki rozwoju w zakresie zwiększenia możliwości rekonfiguracyjnych poszczególnych modułów autobusów miejskich jak i ich całości, przez co przyspieszy się ich serwisowanie oraz ekologicznych układów napędowych, dzięki którym autobusy będą bardziej atrakcyjnym środkiem transportu dla mieszkańców miast i aglomeracji miejskiej. 1. WSTĘP Środki transportu miejskiego we współczesnych miastach i szczególnie aglomeracjach są ciekawą alternatywą dla środków transportu prywatnego, które ze względu na znaczną powszechność, powodują utrudnienia komunikacyjne i mają niekorzystny wpływ na środowisko naturalne. Jest to spowodowane znaczną emisją zanieczyszczeń oraz emitowanie uciążliwego hałasu ze względu na duże natężenie ruchu, które spowodowane jest bardzo dużym zagęszczeniem środków transportu szczególnie prywatnego na drogach miejskich i podmiejskich [1]. Warunkiem powodzenia w konkurowaniu autobusów z prywatnymi środkami transportu jest ciągłe doskonalenie autobusów pod względem konstrukcyjno- funkcjonalnym oraz dostosowanie ich do coraz bardziej surowych wymagań ekologicznych. 151

2 Można to uzyskać przez zastosowanie budowy modułowej całego autobusu oraz jego elementów składowych, przez co możemy skrócić czas montażu autobusów i zmiany ich konfiguracji oraz przyśpieszyć wymianę elementów i modułów składowych podczas serwisowania autobusów. Bezpieczeństwo pasażerów zależy od dobrze działającego zawieszenia, układu hamulcowego oraz systemów sterujących nimi, powiązanych z układem napędowym i układem sterowania autobusu. Układ napędowy i układ sterowania autobusem miejskim są sercem każdego autobusu, ponieważ mają one główny wpływ parametry jazdy, na generowanie hałasu i emisję zanieczyszczeń do atmosfery oraz na komfort podróżowania autobusów. Uwzględniając powyższe zostaną na wstępie przedstawione ogólne informacje dotyczące zastosowania, rodzajów i typów najczęściej używanych autobusów w publicznym transporcie miejskim, uwzględniając ich konstrukcję nadwozia i podwozia, usytuowanie podłoża oraz pod względem używanych napędów. 2. RODZAJE AUTOBUSÓW MIEJSKICH Autobusy miejskie są pojazdami, których głównym zadaniem jest przewiezienie pasażerów między przystankami. Ich głównym obszarem funkcjonowania są trasy miejskie i podmiejskie. Z tego względu posiadają one inną konstrukcję nadwozia i wnętrza, niż autobusy międzymiastowe. Uwzględniając powyższe kryterium podziału autobusy miejskie dzielimy na: Tradycyjne (solowe/jednolite) - o długości do 15m, które mogą być wykonywane z układami drzwi: 1-2-0, 2-2-0, i w wersjach dwu lub trzyosiowych. Przykład takiego autobusu pokazano na rys. 1a). Piętrowe (jednolite lub członowe) - popularne w Wielkiej Brytanii i części krajów azjatyckich, stosowane w celu umieszczenia większej liczby pasażerów w autobusach o długości do 15m. Mogą być one wykonywane z układami drzwi: 2-0 lub 2-2 oraz mogą występować w wersjach dwu lub trzyosiowych. Przykład takiego autobusu pokazany jest na rys. 1b). Przegubowe (członowe) popularne w Ameryce Płd. oraz w niektórych aglomeracjach miejskich na liniach o dużym natężeniu ruchu, szczególnie w krajach europejskich. Są to autobusy o długościach od 18 do 25 metrów, trzy lub 4 osiowe. Mogą być wykonane w wersjach: Jednoprzegubowej (dwuczłonowej) - przeważnie trójosiowej (niekiedy czteroosiowe) z silnikiem umieszczonym za tylną osią w drugim członie, z układem drzwi: 4 (2-2)-2 lub 4 (2-2) - 4 (2-2). Przykład pokazano na rys. 1c). Dwuprzegubowej (3- członowej) - z trzema lub 4-ma osiami z układem drzwi 4 (2-2)-2-2 z silnikiem w pierwszym członie z napędzaną środkową osią. Przegub łączący dwie części autobusu jest osłonięty miechem (harmonią- pot.) zgina się podczas zakręcania autobusu, umożliwiając jednocześnie swobodne przechodzenie pomiędzy członami. Przykład pokazano na rys. 1d). Ze względu na usytuowanie podłoża w autobusie rozróżniamy autobusy miejskie [5]: wysokopodłogowe (tradycyjne) - gdzie jest dwa lub więcej stopni wejściowych dla pasażerów oraz jest podłoga na poziomie od 76 cm wzwyż nad poziomem jezdni, niskopodłogowe (obowiązujący obecnie standard) - gdzie jest wejście bez stopni, natomiast podłoga znajduje się na spodzie nadwozia, do 35cm nad poziomem jezdni, 152

3 niskowejściowe (low entry) - gdzie są wejścia bez stopni (najczęściej w przedniej i środkowej części) oraz wejścia z jednym lub dwoma stopniami (w tylnej części autobusu). a) b) c) d) Rys. 1. Przykłady autobusów miejskich: a) jednolity AMZ CS12LF [1], b) piętrowy ADL dwuczłonowy Enviro400H [2], c) dwuczłonowy Solaris Urbino 18 [3], d) trójczłonowy Van Hool AGG 300 [4] Najczęściej używanymi autobusami miejskimi są autobusy klasy maxi (o długości metrów) oraz klasy mega (wieloosiowe o długości pow. 15m), rzadziej stosowane są autobusy klasy midi (poniżej 10 m). Ze względu na rodzaj napędu występują następujące rodzaje autobusów miejskich: z napędem klasycznym z silnikiem o zapłonie samoczynnym zasilanym ON, z napędem z silnikiem na sprężony gaz ziemny CNG lub skroplony gaz ziemny-lng, z napędem hybrydowym spalinowo- elektrycznym, z napędami: czysto elektrycznym, na ogniwa paliwowe i z silnikiem na biopaliwo. Wg danych przedsiębiorstw komunikacyjnych w Polsce udział procentowy autobusów miejskich we flocie operatorów komunikacji miejskiej na rok 2011 zasilanych ON wynosił ok. 97,48% (11459 szt.), CNG ok. 2,45% (288 szt.), LNG ok. 0,02% (2 szt.), wyposażonych w napęd hybrydowy HEV ok. 0,042% (5 szt.) i napęd elektryczny EV ok. 0,008% (1 szt.) [1, 3]. Powyższy udział procentowy obrazuje powolny wzrost udziału ekologicznie czystych pojazdów na naszych drogach, który jest spowodowany wymaganiami ekologicznymi dotyczącymi obniżenia emisji spalin. 3. WYMAGANIA EKOLOGICZNE DOTYCZĄCE EMISJI SPALIN Głównym elementem, który wpływa na konstrukcję autobusów oraz pozwala na ich sprzedaż, są obecnie wymagania dotyczące obniżenia emisji spalin. Ze względu na wymagania ekologiczne dąży się do jak największego obniżenia toksyczności spalin, a w szczególności redukcji tlenków azotu- NOx, węglowodorów- HC, tlenków węgla- 153

4 CO oraz w szczególności cząstek stałych- PM. Wymagania te są zapisane obecnie w normach międzynarodowych, w przypadku Europy w obowiązkowych Europejskich Standardach Emisji Spalin dla nowo wyprodukowanych autobusów- Euro 5 oraz nieobowiązkowej EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle), dla pojazdów szczególnie przyjaznych środowisku - obowiązujących od 2009r. a wprowadzonych Dyrektywą 2005/55/WE z 28 września 2008r. Od roku 2014 będzie obowiązywać nowa norma Euro 6, określona w najnowszej Regulacji nr 459/2012 z 29 maja 2012 oraz w normie dobrowolnej EEV (wcześniej przyjętej). Wartości graniczne składników zanieczyszczeń dla norm Euro5, Euro 6 i EEV dla autobusów miejskich z zasilanych ON oraz CNG i LNG, podano w tabeli 1. Tabela 1. Wartości dopuszczalnego poziomu zanieczyszczeń dla pojazdów zasilanych ON oraz CNG i LNG [6] Rodzaj normy > EURO 5 EURO 6 EEV Silniki>> Zanieczyszczenia: Silniki na ON [g/km] Silniki na CNG/LNG [g/km] Silniki na ON [g/km] Silniki na CNG/LNG [g/km] Silniki na ON (test ESC i badanie ELR) [g/kwh] Silniki na CNG/LNG (badanie ETC) [g/kwh] CO 0,5 1,0 0,5 1,0 1,5 3,0 HC/THC - 0,68-0,1 0,25 NMHC=0,4 NOx 0,18 0,06 0,08 0,06 2,0 2,0 THC+NOx 0,23-0, CH4=0,65 PM 0,005 0,005 0,0045 0,0045 PT=0,02 PT=0,02 UWAGA: Test ESC określa masę właściwą tlenku węgla, sumy węglowodorów, tlenków azotu i cząstek stałych. Badanie ELR określa zadymienie spalin. Badanie ETC w szczególności dla silników gazowych określa masy właściwe tlenku węgla, węglowodorów niemetanowych, metanu, tlenków azotu i cząstek stałych. PT masa cząstek stałych. Żeby spełnić powyższe wymagania konieczne jest zastosowanie metody oczyszczania spalin SCR (Selective Cathalytic Reduction). Zasada jej działania polega na rozkładzie szkodliwych substancji zawartych w spalinach silnika wysokoprężnego w układzie wydechowym, szczególnie tlenków azotu i przemianę ich na parę wodną i obojętny azot. Przemiana ta odbywa się przy udziale nietoksycznego wodnego roztworu mocznika o nazwie towarowej AdBlue (VDA), jako katalizatora gazów spalinowych. Elektroniczny system zarządzania silnikiem dozuje roztwór mocznika- AdBlue znajdujący się w oddzielnym zbiorniku, a następnie pod wysokim ciśnieniem zostaje wtryskiwany bezpośrednio do katalizatora, gdzie AdBlue reaguje z amoniakiem i ulega rozpadowi na azot i parę wodną. Dzięki zastosowaniu tej technologii zostaje zmniejszone zużycie paliwa o 5% [7], a tym samym redukuje tlenki azotu (NOx) i jeszcze bardziej ogranicza emisję cząstek stałych. Szacuje się, że na 100km będzie potrzebne 1,7l AdBlue (w przypadku normy Euro 5) [8]. Zasadę działania metody SCR przedstawia rys. 2. Wspomniana metoda wymaga zastosowania olejów niskopopiołowych tzw. Low SAPS o niskiej zawartości popiołów siarczanowych (Sulphated Ash), fosforu (P) oraz siarki (S). 154

5 a) b) Rys. 2. Zasada funkcjonowania sytemu SCR z dodatkiem AdBlue: a) schemat blokowy ogólny [9], b) zasada działania [8] Wymagania ekologiczne ograniczania emisji spalin implikują stosowanie skomplikowanych układów oczyszczania spalin a tym samym ingerują w konstrukcję podwozia jak również i nadwozia autobusu. Sprawia to, że obowiązkiem chwili jest konstrukcja modułowa, która może wyeliminować w przyszłości kosztowne modyfikacje. 4. KONSTRUKCJA MODUŁOWA AUTOBUSÓW MIEJSKICH Autobusy miejskie mają budowę modułową i składają się z dwóch modułów głównych, w których są moduły indywidualne - rekonfigurowalne w zależności od typu autobusu [10,11]: Modułu nadwozia (szkielet+oblachowanie/poszycie) - na który składają się moduły: szkieletu podłogi, ściany bocznej, przodu i tyłu autobusu, szkieletu dachu, belki poprzecznej i modułu nadkola. Modułu podwozia - na który składają się moduły: napędowy, jezdny i układ sterowania z szynami CAN-BUS. Moduł szkieletu wykonany jest z profili o przekroju prostokątnym ze stali węglowej nierdzewnej z grupy (np. Nirosta 4003), a jego węzły są wykonane za pomocą wycinania laserowego, co zwiększa sztywność i wytrzymałość szkieletu. Belki 155

6 poprzeczne wykonane są z żeliwa sferoidalnego, natomiast oblachowanie poszycia nadwozia jest napinane jak struna na całym obwodzie autobusu i również jest wykonane z blachy ocynkowanej. Dodatkowo wspomniane elementy są zabezpieczone przed korozją za pomocą kataforezy elektrolitycznej oraz przy użyciu specjalnego koncentratu penetrującego zagłębienia. Część zewnętrzna autobusu zalewana jest elastyczną masą antykorozyjną. Nadwozie zbudowane jest z profili aluminiowych wieloprzekrojowych połączonych ze sobą za pomocą elementów złącznych w postaci śrub oraz w przypadku naroży za pomocą specjalnych narożnych płyt węzłowych. Taka konstrukcja zmniejsza naprężenia powstające w autobusie podczas jego eksploatacji i powoduje wzrost sztywności autobusu i jego odporność na drgania. Po skręceniu śruby pokrywane są środkiem łączącym, które zapobiega poluzowaniu się połączenia w wyniku wibracji (jednocześnie umożliwia łatwy i pełny dostęp do połączeń w przypadku ich uszkodzenia). Pozostałe elementy wykonane są z tworzywa sztucznego wzmocnione włóknem szklanym (nadkola, siedziska, obudowa podłogi, elementy przodu autobusu itd.) lub aluminium (np. klapy chłodnicy, klapy tylne i inne) [11]. Rys. 3. Przykład budowy modułowej autobusów: a) moduł szkieletu [11], b) moduły podwozia, napędowy, jezdny i sterujący [10], c) autobus w pół- widoku i półprzekroju 3D [10] Budowa modułowa skraca czas i koszty opracowywania nowych modeli autobusów (np. wprowadzając modele o długości 9,5 m, gdzie wykorzystano 80% części z modeli o długości 7,5 m), przez co zmniejsza koszty produkcji przez wydłużenie serii, zapewnia rodzinne podobieństwo modułów oraz zmniejsza koszty serwisu i eksploatacji u odbiorców [10]. W przypadku podwozia, koła jezdne umieszczane są na pneumatycznych lub hydraulicznych elementach resorujących, które z kolei są zamontowane na osi przedniej z niezależnym zawieszeniem IFS (rys. 4a), dzięki czemu kierowca ma zapewnioną łatwość kierowania autobusem, wpływa na jakość resorowania, pozwala uzyskać znacznie większą szerokość przejścia pomiędzy nadkolami przednimi przez co poprawia się bezpieczeństwo i komfort podróżowania, w tym niepełnosprawnych oraz wpływa na polepszenie zwrotności autobusu podczas skrętu. Uzupełnieniem zawieszenia są portalowe tylne mosty napędowe dla osi tylnych (rys. 4b) dzięki zastosowaniu 2 miechów z przodu i 4 z tyłu autobusu, możliwy jest tzw. przyklęk autobusu. 156

7 a) b) Rys. 4. Zawieszenie przednie i tylne: a) oś przednia z niezależnym zawieszeniem IFS, b) portalowy most napędowy [12] Rys. 5. Poglądy schemat układu ECAS: 1- czujniki położenia, 2- elektroniczna jednostka sterująca (ECU), 3- zespół zaworów elektromagnetycznych, 4- pneumatyczny miech zawieszenia, 5- urządzenie zdalnego sterowania, 6- rama pojazdu, 7- czujnik ciśnienia powietrza w miechach zawieszenia, 8- zbiornik sprężonego powietrza, 9-przyłącze sprężonego powietrza, 10- oś pojazdu (przednia lub tylna), 11-cięgna [13] 157

8 Najbardziej znanymi firmami produkującymi zawieszenia są Z.F. Friedrichshafen A.G. (Niemcy), Voith Turbo Drive Systems (Holandia), Graziano Transmissioni (Włochy), L.A.F. A.S. (Czechy) i inne. Przydatnym rozwiązaniem jest także wprowadzany w autobusach od niedawna układ sterowania zawieszenia pneumatycznego ECAS (Electronically Controlled Air Suspension), firmy WABCO (rys. 5.) oraz układ sterujący ciśnieniem powietrza w miechach pneumatycznych amortyzatorów- PDC (Pneumatic Damping Control) firmy ZF AG, który w sposób dynamiczny reguluje charakterystykę amortyzatorów, przez automatyczne regulowaniem ciśnienia powietrza w miechach amortyzatorów, dostosowując ją do aktualnego obciążenia pojazdu. Układ ECAS widoczny na rys. 5 to układ, którego zadaniem jest kontrolowanie, utrzymywanie i ewentualnie zmiana prześwitu zawieszenia. Umożliwia również kontrolowanie przechyłu nadwozia spowodowanego nierównomiernym rozłożeniem obciążenia np. podczas wsiadania pasażerów do autobusu. Regulacja zawieszenia polega na tym, że sygnały z czujników przesyłane są za pomocą przewodów elektrycznych do jednostki sterującej (ECU) i tam po przetworzeniu sygnału, ECU dokonuje analizy porównawczej otrzymanego sygnału z zapisanymi w swojej pamięci RAM sygnałami wzorcowymi. Jeśli ECU wykryje, że otrzymany sygnał różni się od wzorcowego, wysyła do zaworów elektromagnetycznych sygnał elektryczny nakazujący zmianę objętości sprężonego powietrza w przeponowych miechach zawieszenia (następuje dopompowanie lub upuszczenie powietrza w miechach). Sygnały są wysyłane z czujników co 0,02 sek. [13]. 5. UKŁADY NAPĘDOWE Obecnie podstawowym rodzajem napędu w autobusach miejskich w Polsce są nadal silniki z zapłonem samoczynnym zasilane olejem napędowym. Jednak obecnie ze względu na wysoki koszt oleju napędowego oraz coraz bardziej restrykcyjne normy ochrony środowiska, coraz większą popularność zdobywają bardziej ekologiczne napędy zasilane sprężonym gazem ziemnym- CNG (Comprerssed Natural Gas) lub skroplonym gazem ziemnym- LNG (Liquefed Natural Gas). Wymagają one jednak zastosowania na terenie bazy przewoźnika lub w jej pobliżu specjalnych stref ze zbiornikami, w których znajduje się gaz ziemny i z których byłby on tankowany do autobusów. Kolejnym rodzajem ekologicznego napędu jest napęd hybrydowy (rys. 6), w którym pracę silnika spalinowego wspomagają silniki elektryczne wykorzystujące energię magazynowaną w specjalnych akumulatorach niklowo- metalowo- wodorowych lub niklowo- fosforowych lub kadmowo- niklowych lub kondensatorach o dużej pojemności (ultrakondensatory). Elektryczny układ napędowy może funkcjonować w konfiguracji spalinowoelektrycznej, hybrydowej z ogniwami paliwowymi oraz elektrycznej zasilanej bateriami lub ultrakondensatorami (rys. 7). Z drugiej strony, elektryczny układ napędowy może być całkowicie oddzielony od silnika spalinowego. Niezależny montaż silnika spalinowego eliminuje występowanie reakcyjnego momentu obrotowego. Efektem tego jest mniejsza ilość drgań i hałasu, co zapewnia znacznie wyższy poziom komfortu dla pasażerów. 158

9 a) b) Rys. 6. Schemat napędu hybrydowego: a) schemat blokowy równoległego napędu hybrydowego Eaton Hybrid Electric System [1, 14, 15], b) rozmieszczenie w autobusie elementów układu hybrydowego spalinowo-elektrycznego [11] Jako pierwotne źródło energii może być zastosowany silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym z generatorem, jak i ogniwa paliwowe. Wtórne źródło energii to wysokiej jakości układ magazynowania energii elektrycznej (baterie lub ultrakondensatory), pozwalający przechwycić i zmagazynować energię uwalnianą podczas hamowania rekuperacyjnego. Zgromadzona energia jest zawsze ponownie wykorzystana do ruszania z miejsca. Silnik spalinowy o zapłonie samoczynnym włącza się przy wyższych prędkościach autobusu lub przy większym zapotrzebowaniu na moc. W zależności od pojemności układu magazynowania energii, autobus może być napędzany wyłącznie elektrycznie (wówczas porusza się z zerową emisją spalin). Silnik 159

10 spalinowy w konfiguracji szeregowej może pracować niezależnie od prędkości jazdy autobusu. Oznacza to pracę silnika spalinowego w najbardziej optymalnym zakresie, w którym zużycie paliwa jest minimalne [1, 15]. Zaletą takiego napędu jest to, że jak wykazały badania, w porównaniu z analogicznym autobusem wyposażonym w identyczny silnik o zapłonie samoczynnym, pozwala zaoszczędzić 20-43% paliwa, emituje 10-39% mniej NO x oraz 51-97% cząstek stałych [16]. Dużym ograniczeniem do stosowania napędu hybrydowego jest to, że wymaga on stosowania dofinansowania dla przewoźników transportu miejskiego, ze strony miast, ponieważ jego użytkowanie generuje znaczne koszty. Rys. 7. Moduły hybrydowego układu napędowego ELFA Hybrid Drive firmy Siemens AG [1, 15] Ten fakt spowodował, że w Polsce jest jeszcze niewiele takich autobusów [16]. Autobusy z takim napędem pozwalają zaoszczędzić do 33% paliwa w porównaniu do autobusów z konwencjonalnym napędem spalinowym w zależności od cyklu jezdnego [1]. Napędy hybrydowe produkowane są przez Allison Transmission (USA), Cummins Inc. (USA), DAF Trucks NV (Belgia), Man Trucks and Bus Aktiengesellschaft (Niemcy), Volvo Buses (Szwecja), Siemens AG (Niemcy) i Iveco SpA (Włochy). Jeszcze bardziej czystym rozwiązaniem są autobusy z napędem elektrycznym (rys. 8), które całkowicie redukują zanieczyszczenia. Układ napędowy składa się z asynchronicznego silnika elektrycznego trakcyjnego o mocy 120kW. Energia do napędzania tego silnika zgromadzona jest w bateriach litowych o napięciu znamionowym 600 V i energii 120kW h. Magazyny energii- akumulatory są chłodzone cieczą i dostarczają energii nie tylko do układu napędowego, ale również do pozostałych układów (wspomagania kierowniczego, ogrzewania, klimatyzacji, sterowania elektrycznego drzwiami. Ilość zgromadzonej energii pozwala przejechać 160

11 jedynie do 100km bez ładowania, z prędkością maksymalną 50km/h. Moc takiego autobusu to 120kW. Baterie, których waga dochodzi nawet do 1400kg ładowane są z terminala ładowania baterii przez złącze plug-in a czas ładowania nie przekracza 4h [14]. Kierowca autobusu elektrycznego ma wgląd przez pulpit LCD w podstawowe parametry dotyczące pracy pojazdu ale również może monitorować podstawowe parametry pracy układu elektrycznego, jak również poziom naładowania baterii. Autobusy miejskie elektryczne są produkowane przez następujące firmy SOR Libchavy (Czechy), Solaris Bus & Coach (Polska), Guantong Bus (Chiny), Zhongtong Bus Holding Co. Ltd. (Chiny), Guangzhou Automobile Group (Chiny), Hanan Shaolin Bus Co. Ltd. (Chiny), KM Global Co Ltd. (Korea Płd.), Design Line Corporation (USA), Iveco (Włochy), AstonBus Inc. (USA) i innych. Oprócz powyższych napędów podejmowane są próby zastosowania jako paliwa biogazu (bioetanolu- stosowanego np. w Brazylii lub estrów olejów roślinnych) oraz wodorowych ogniw paliwowych (np. w Niemczech). a) b) Rys. 8. Przykład autobusu elektrycznego: a) schemat napędu autobusu elektrycznego, b) rozmieszczenie elementów składowych w autobusie, [14] 161

12 6. SKRZYNIE BIEGÓW Z ZINTEGROWANYMI RETARDERAMI W autobusach komunikacji miejskiej dostępne są skrzynie biegów 4 lub 6- biegowe z retarderami (hamulcami długotrwałego działania) mechanicznymi lub magnetycznymi z ręczną zmianą biegów, półautomatyczną zmianą biegów (sterowanie za pomocą przycisków) i z całkowicie automatyczną zmianą biegów. Zastosowanie retarderów zapewnia płynne i ciche wytracanie prędkości, przez co zmniejsza znacząco zużycie hamulców. Skrzynie biegów mają budowę modułową, dzięki czemu składają się z mniejszej liczby części i nie posiadają części wymagających specjalnego dopasowywania. Powoduje to skrócenie czynności naprawczych i serwisowych. a) b) Rys. 9. Przykład automatycznej skrzyni biegów: a) Schemat połączenia przekładni automatycznej Voith DIWA.5 D864.5 ze sterownikiem E 200 i oprogramowaniem DIWA Diagnosis, b) elementy skrzyni DIWA 5 D864.5 [17] 162

13 Posiadają również moduły elektroniczne, które zabezpieczają kierowcę przed wyborem niewłaściwego biegu, chronią przed nadmiernymi wstrząsami spowodowanymi skokami momentu obrotowego, a silnik przed nagłym wzrostem lub spadkiem prędkości obrotowej silnika na danym biegu. Elektroniczny system sterowania skrzynią biegów z funkcją adaptacji i zamkniętą pętlą sterowania, samoczynnie optymalizuje warunki jazdy dla każdego przełożenia (sterownik przekładni rozpoznaje topografię terenu i na jej podstawie dopasowuje odpowiednie przełożenia do warunków otoczenia). Dodatkowo skrzynie biegów wyposażona może być w system rejestracji danych eksploatacyjnych, gdzie podaje dane w postaci raportów danych serwisowych i eksploatacyjnych, czasy postojów, dane zdarzeń i inne. Przykład automatycznej skrzyni biegów zintegrowanej z retarderem DIWA 5, firmy Voith pokazano na rys. 9. Dodatkową funkcją, która jest stosowana skrzyniach biegów w autobusach, dzięki zastosowaniu magistrali CANbus to funkcja redukcji obciążenia silnika podczas postoju (np. na przystanku), w skrócie RELS (Reduced Engine Load and Stop). Jest to funkcja, dzięki której utrzymuje się wartość pierwotna ciśnienia w układzie, aby nie dopuścić do niekontrolowanego toczenia się pojazdu, która pozwala zmniejszyć ilość spalanego paliwa, gdy autobus zatrzymuje się na przystanku [18]. Najbardziej znanymi producentami skrzyń biegów są Voith Turbo Drive Systems (Holandia), Allison Transmission (USA), ZF Friedrichshafen AG (Niemcy), Iveco Stralis (Włochy), Scania (Szwecja) i inne. 7. UKŁAD HAMULCOWY W autobusach miejskich używany jest pneumatyczny układ hamulcowy z hamulcami tarczowymi na wszystkich kołach. Jest on sterowany za pomocą elektronicznego sterowania układem hamulcowym EBS (Electronically Controlled Braking System) z automatyczną regulacją siły hamowania oraz systemem ESC (Electronic Vehicle Stability Control), który zawiera również układ ABS (zapobiega on blokowaniu kół w momencie utraty przyczepności podczas hamowania), ASR (układ elektroniczny zapobiegający poślizgowi kół przy ruszaniu pojazdu) lub ESP (system stabilizacji toru jazdy). Zapobiega on blokowaniu się kół podczas hamowania, skraca drogę hamowania, poprawia stabilność hamowania oraz ciągle monitoruje układ hamulcowy. Układ składa się z dwuobwodowej instalacji pneumatycznej oraz z pojedynczego obwodu elektropneumatycznego. System ten jest uruchamiany, gdy kierowca nie hamuje wystarczająco mocno. Działanie EBS-u polega na wzmocnieniu siły hamowania, gdy zajdzie taka potrzeba. Jest wspólnym rozwiązaniem firm Daimler- Benz i Wabco. Sterownik układu kontroluje zużycie okładzin ciernych hamulców, steruje poślizgiem, monitoruje stan układu hamulcowego (min. temperaturę klocków hamulcowych), sprawdza jego działanie oraz informuje o miejscach uszkodzenia. Zasada działania układu polega na tym, że po naciśnięciu pedału hamulca przez kierowcę sygnał hamowania jest przesyłany do elektronicznej jednostki sterującej EBS. Następnie, na podstawie sygnałów z czujników prędkości obrotowych kół i czujników zużycia klocków hamulcowych, jednostka sterująca oblicza siłę hamowania wymaganą na każdym kole. Ciśnienie powietrza w siłownikach hamulcowych regulują modulatory EBS [19]. 163

14 Opcjonalnie można zamontować hamowanie mieszane (brake bledning), czyli wspomaganie hamulców kół przez hamulce dodatkowe oraz funkcję pomocy przy ruszaniu pod górę, czyli zwolnienie hamulców po osiągnięciu pewnej wartości momentu obrotowego, albo po zwolnieniu pedału sprzęgła w przypadku skrzyń manualnych, albo po upływie ok. 1 sek. od zwolnienia pedału hamulca. Ciekawym rozwiązaniem jest również system HSA (Hill Start Aid), który zapobiega cofaniu się autobusu podczas ruszania pod górę. Hamulce nie są zwalniane, dopóki odpowiednio duży moment obrotowy nie jest przenoszony na koła napędowe, tak aby autobus mógł ruszyć jedynie do przodu [10]. a) b) Rys. 10. Przykład działania systemu EBS: a) schemat, b) rozmieszczenie elementów systemu w autobusie, gdzie: 1- sterownik EBS, 2- pedał hamulca nożnego (nadajnik sygnału hamulcowego), 3- proporcjonalny zawór przekaźnikowy z podwójnym członem sterującym, 4- zawór elektromagnetyczny modulatora- ABS, 5- modulator osi tylnej, 6- pneumatyczny zawór rezerwowy osi, 7- czujniki ABS (zużycia okładzin hamulcowych i prędkości kół), 8- siłownik hamulca, 9- zawór hamulca ręcznego, 10- zbiornik powietrza, 11- kompresor [19] 164

15 8. PODSUMOWANIE Lata badań i poszukiwań oszczędności energetycznych w ruchu pojazdów dowodzą, jak znaczne rezerwy tkwią w konstrukcji pojazdów. Odnosi się to głównie do masy, kształtu nadwozia i opon, w mniejszej mierze do specjalnego oprzyrządowania konwencjonalnego silnika spalinowego. W zakresie zużycia energii przez środki transportu obowiązkiem chwili jest przygotowywanie energooszczędnych konstrukcji przejściowych przy wykorzystaniu silnika cieplnego, a także takich konstrukcji, w których energia pierwotna nie jest uzyskiwana z paliw płynnych. Prace nad zastosowaniem ekologicznych napędów nabrały znaczenia przede wszystkim w USA, Japonii jak również w Europie. Prace nad zapewnieniem właściwego napędu pojazdom powinny być ukierunkowane na: udoskonalenie napędu spalinowego (eliminacja hałasu, oszczędność paliwa, stosowanie paliw alternatywnych, modernizacja silnika), zastąpienie silnika spalinowego elektrycznym, przy czym szczególnie ważne jest opracowanie właściwej technologii uzyskiwania dla niego energii i jej magazynowania w pojeździe [20]. Troska o środowisko oraz jak najmniejsze zużycie paliwa to główne cele przyświecające przy konstrukcji miejskich autobusów. Osiągnięcie znacznej redukcji emisji spalin sprawia, że miejskie autobusy są przyjazne środowisku naturalnemu i mieszkańcom miast i aglomeracji miejskich. Natomiast budowa modułowa skraca czas i koszty opracowywania nowych modeli autobusów wykorzystując ok. 80% części z modeli wcześniejszych, przez co zmniejsza koszty produkcji przez wydłużenie serii produkcyjnej, jak również zapewnia podobieństwo modułów oraz zmniejsza koszty serwisu i eksploatacji u odbiorców. Zastosowanie konstrukcji modułowej autobusów pozwala tym samym na zmniejszenie kosztów modyfikacji floty autobusów miejskich. Tym samym stwarza w przyszłości możliwość wymiany konwencjonalnych napędów na ekologicznie czyste i energooszczędne układy hybrydowe, ogniwa paliwowe czy też układy tribrydowe. LITERATURA [1] Wojewoda P.: Metodyka doboru silnika spalinowego do wybranej konfiguracji napędu hybrydowego autobusu miejskiego. Rozprawa doktorska. Politechnika Rzeszowska, Rzeszów [2] Alexander- Dennis Limited (Wlk. Brytania), [3] Solaris Bus & Coach S.A. (Polska), [4] Van Hool NV (Belgia), [5] Orzełowski S.: Budowa podwozi i nadwozi samochodowych. WSiP, Warszawa [6] [7] - IVECO (Wlk. Brytania), [8] - Blue Solutions Sp. z o.o., [9] EEV%20info%20sheet.pdf DAF, [10] Materiały informacyjne firmy Volvo Bus. 165

16 [11] Materiały informacyjne firmy Man Bus. [12] Materiały informacyjne firmy ZF AG (Zahnradfabrik Friedrichshafen AG). [13] Materiały informacyjne firmy WABCO. [14] Materiały informacyjne firmy Solaris Bus & Coach. [15] Materiały informacyjne firmy Siemens AG. [16] Stachura A.: Modelowanie dynamiki napędu hybrydowego. Rozprawa doktorska. Politechnika Śląska, Gliwice [17] Materiały informacyjne firmy Voith Turbo. [18] Materiały informacyjne firmy Allison Transmission. [19] Materiały informacyjne firmy Daimler- Benz i Wabco. [20] Lejda K., Wojewoda P.: Analiza konstrukcyjna i funkcjonalna hybrydowych układów napędowych stosowanych w autobusach miejskich. Międzynarodowa Konferencja Naukowa w Kijowie BICHИK, 23, s , Kijów THE CONSTRUCTIONAL AND FUNCTIONAL ANALYSIS OF MODERN BUSES IN URBAN PUBLIC TRANSPORT Summary This article introduces and describes the key systems on modern means of city transportation such as city buses. It presents an analysis of data concerning: types and construction of city buses, dependent on three typical criteria: body structure, the location of the chassis on the bus and the types of drives. Then it was discussed modular construction of city buses with particularly take into consideration on the body and chassis and its components. It focus one's give attention on the traditional and alternative of power transmission systems (CNG/LNG), hybrid and electric, which significantly reduces combustion gases to the atmosphere. An article also shows the current states according to the standards reduction of exhaust gas emissions for the city buses based on international standards, in particular the European Emission Standards. The analysis was done for the drive-ignition, and drive as CNG/LNG for directives Euro 5, Euro 6 and discretionary of EEV. A review was made of modern solutions of gearboxes, braking systems with the suspension and control system by city bus, together with a working analysis of which has a significant influence on the safety of passengers. In conclusion highlights the main developments in range the increase reconfiguration ability of the individual modules city buses which will faster their servicing and clean propulsion systems, so that buses will be more attractive means of transportation for the inhabitants of cities and urban agglomeration. 166