Первые|Начало внедрения|Реконструкция тяги|Новые решения|Литература|Страница автора
РЕКОНСТРУКЦИЯ ТЯГИ » ОРП С ОСЕВЫМ РЕДУКТОРОМ
3.4. Опорно-рамный привод с осевым редуктором.
Развитие опорно-рамного привода с осевым редуктором также в первую очередь обусловлено использованием высокоэластичных материалов. Первоначально резина начинает использоваться в подвеске осевого редуктора (что обусловлено меньшими требованиями к резиновым элементам в подвеске и возможностью выбирать более простые технологии для их изготовления) и лишь затем применяется в передаточном механизме. При этом упругие карданные полумуфты конкурируют с карданами с шарнирами Гука, поскольку для быстроходного вала шарниры Гука можно изготавливать на той же производственной базе, что и для автомобильных карданов.
3.4.1. Опорно-рамные приводы с осевым редуктором и внешними муфтами или карданными валами.
Как уже указывалось ранее, резиновые элементы в данном типе приводов были вначале применены в подвеске осевого редуктора. В качестве примера такого решения можно привести опорно-рамный привод вагона Московского метрополитена типа Д, выпускавшегося с 1949 г. В этом приводе в качестве шарниров подвески осевого редуктора применнены плоские резиновые шайбы, а двойная карданная муфта выполнена кулачковой. Резиновые шайбы подвески в данном случае не только компенсируют поворот и перекос тяги, но и амортизируют колебания в валопроводах, вызванные возмущением от пути, т.к. иных упругих элементов в приводе не содержится. Тяговая передача выполнена косозубой с небольшим наклоном зубьев (8 градусов), что вызвано в первую очередь необходимостью снизить уровень шума при пересопряжении зубьев передачи.
Осевой редуктор привода вагона типа Д для удобства монтажа насажен на ось колесной пары через промежуточную втулку, что стало возможным ввиду небольшой нагруженности привода. В редукторе, опять-таки из-за малой нагруженности, применены шариковые подшипники, обеспечивающие простоту устройства подшипниковых узлов за счет того, что они способны воспринимать не только радиальные, но и небольшие осевые нагрузки. Передаточное число редуктора достаточно велико (5,73). Т.к. диаметр ведущего вала под посадку подшипников оказался близок к диаметру ведущего зубчатого колеса по делительной окружности, ведущее колесо пришлось выполнить заодно с валом.
Устройство кулачковой муфты можно рассмотреть на примере аналогичной конструкции муфты, использованной в тяговом приводе опытных электропоездов СН (1954 г.) и электропоездов ЭР1 раннего выпуска (1957 г.). Муфта представляет собой сдвоенный игольчатый кардан, изобретенный Лайпом в 1909 г и применявшийся на некоторых автомобилях европейских производителей с передними ведущими колесами. Она состоит из двух кулачков, которые через кольца на игольчатых подшипниках передают момент на пазы полумуфт. Полумуфты центрируются на кулачках в радиальном направлении по грибообразным колпачкам на торцах. Грибообразные колпачки также удерживают кольца на кулачках с помощью упорных шарикоподшипников. Муфта допускает перекос до 4°46’ и поперечную расцентровку осей валов до 8,5 мм. Недостатком муфты является сложность и наличие изнашиваемых поверхностей. Кроме того, она не амортизирует динамические моменты в приводе.
На электропоезде ЭР1 была применена более сложная подвеска осевого редуктора, представляющая собой изогнутую серьгу, крепящуюся через сферические шарниры одним концом к корпусу редуктора под осью ведущей шестерни, а другим - через болт к кронштейну на раме тележки. Это позволяло, с одной стороны, максимально приблизить точку подвеса к оси колесной пары и уменьшить расцентровку валов редуктора и двигателя при колебаниях буксовой ступени рессорного подвешивания, а с другой стороны - сделать подвеску достаточно динной, чтобы уменьшить перекосы шарниров. На опытном образце ЭР1, выпущенном в 1957 году, болт подвески крепился непосредственно к раме тележки. Таким образом, в приводе ЭР1 вообще не оказалось элементов, амортизирующий динамический момент, что привело к высоким динамическим нагрузкам при прохождении неровоностей пути и поломкам деталей привода. В результате исследований МИИТ, завершенных к 1960 году, было установлено, что динамические усилия в приводе в 2,7 раза превышают пусковые, и для усовершенствования привода наиболее простым путем, не требовавшим длительной экспуатационной проверки, было решено поставить под болт подвески амортизирующие шайбы. МИИТ также установил, что более эффективным решением при наличии жесткой кулачковой муфты было бы применение упругого зубчатого колеса в редукторе, однако из-за большей технологической сложности такого решения, упругими колесами были оборудованы только вагоны электропоездов были оборудованы только опытный вагон номер 2012 серии ЭР1 и поезд номер 76.
С развитием шинной промышленности появились торовые резинокордные муфты (шинные муфты), которые были применены в приводах отечественных электропоездов взамен кулачковых, а на трамвае РВЗ-7 - взамен шарниров Гука в карданных валах. В резинокордной муфте отечественных электропоездов ЭР2, ЭР22 и ЭР9П была использована неразрезная резинокордная оболочка, которая крепится к фланцам разрезными нажимными кольцами. Нажимные кольца крепятся к фланцам болтами (по 8 на каждый фланец) с втулками, которые разгружают болты от поперечных усилий. На одном из нажимных колец размещено центрирующее кольцо, необходимое при монтаже муфты.
Резинокордная муфта существенно проще и дешевле в производстве по сравнению с кулачковой, не требует смазки и не содержит изнашиваемых деталей, а также служит элементом, амортизирующим динамические моменты в приводе. Она снизила собственную частоту крутильных колебаний в тяговом приводе до 8,7 Гц, изолировав при этот тяговый двигатель от возмущений от тяговой передачи. Динамические нагрузки, передаваемые от тяги редуктора на раму тележки, снизились втрое - с 50-60 кН до 18-22 кН., т.е снизились до уровня нагрузок от пускового момента.
Появление резинокордных муфт снизило потребность в максимальном сближении точки подвеса редуктора к оси ведущей шестерни. Поэтому на электропоезде ЭР22, где был применен другой корпус осевого редуктора, конструкция подвески редуктора была также изменена и сделана аналогичной применявшейся с 40-х годов подвеске редуктора электропоездов. Выбор плоских шайб в качестве шарниров подвески был обусловлен уже освоенной технологией изготовления таких шайб для электропоездов ЭР2 и ЭР9П. Тем самым из подвески были исключены трущиеся и изнашиваемые элементы. Кроме того, такая подвеска позволяла регулировать расцентровку валов. Например, для электропоезда ЭР2 предельная величина расцентровки составляет 12 мм; чтобы учесть прогиб рессор при загрузке вагона, под тарой устанавливают величину начальной расцентровки, равной 3-5 мм, что при динамической расцентровке, не превышающей 7 мм, позволяет не выйти за предельные значения расцентровки.
Недостатком подвески с плоскими шабами является относительно высокая их деформация при передаче момента, которая не улучшает амортизирующие свойства привода (поскольку резинокордная муфта уже имеет достаточную крутильную податливость), но при этом увеличивает расцентровку валов привода. Позднее такая подвеска была применена и на других электропоездах.
Недостатком резинокордной муфты с одним гофром является то, что она имеет больший наружный диаметр, а при вращении муфты из-за растяжения резинокордной оболочки центробежными силами в ней возникают осевые усилия, стремящиеся сблизить фланцы. Поэтому для скоростного электропоезда ЭР200 (200 км/час) была создана резинокордная муфта с двумя гофрами, которая позволила снизить осевые усилия, действующие на фланцы, в 4-5 раз, несмотря на повышение частоты вращения муфты в 1,3 раза. Максимальные динамические моменты в приводе ЭР200 составляли 1,3 от пускового, несмотря на то, что конструкционная скорость и, соответственно, вертикальная скорость колесной пары при прохождении одних и тех же неровностей, по сравнению с электропоездом ЭР2 повысилась в 1,5 раза. Частоты динамического момента от путевых возмущений для привода ЭР200 в основном были сосредоточены в диамазоне 5...25 Гц.
Корпус редуктора скоростного электропоезда ЭР200 отличается тем, что в нижней его половине был сделан дополнительный карман для увеличения объема смазки. Шестерня редуктора прямозубая, число зубьев 26, модуль 10, большое зубчатое колесо имеет 61 зуб; таким образом, передаточное число редуктора равно 2,346. Смазка тяговой передачи и подшипников раздельная, для предохранения от попадания жидкой смазки в подшипниковые узлы использованы лабиринтовые уплотнения с развитыми поверхностями, один из лабиринтов сделан в виде выступов на диске зубчатого колеса, использована практически вся поверхность диска от ступицы до венца.
Подвешивание редуктора на электропоезде ЭР200 отличается от примененного на ЭР2 и Эр22 тем, что, ввиду того, что поперечная балка тележки располагается ниже, верхний и нижний упругие элементы совмещены; положение редуктора регулируется гайками. Упругая траверса вызывала небольшую дополнительную расцентровку валов от динамического крутящего момента (до 1,5 мм)
Аналогичное подвешивание по сходным причинам было использовано на электропоезде ЭР2Р (см. рис.), однако в нем использованы резинометаллические многослойные элементы, зажатые между съемными крышками узла подвески, поэтому регулировка осуществляется подбором прокладок между резиновыми элементами и крышками узла подвески. В случае обрыва болтов нижней крышки, кронштейн подвески удерживается предохранительным болтом.
В 1983 году на вагоне метро типа Е в опытном порядке была применена и испытана упругая муфта в виде двух упругих элементов 310*100. В отличие от кулачковой, он не требовала смазки и позволила существенно повысить способность привода амортизировать возмущения от пути. Частота крутильных колебаний валопроводов с этой муфтой составляла 5-5,5 Гц, при динамической расцентровке 3 мм, суммарная расцентровка с учетом погрешностей сборки составляла 6-7 мм.
В моторном вагоне скоростного экспресса Кодама (1964 г.), рассчитанного на скорость 210 км/час, конструкторы пошли на сравнительно консервативное решение, применив в качестве карданной двойную зубчатую муфту. Такой выбор характерен тем, что при проектировании экспресса Кодама конструкторы, имея задачу быстро получить пусть не самый оптимальный по цене и эксплуатационным расходам, но зато не требующий длительной доводки поезд, как правило, делали ставку на узлы хорошо проверенной конструктивной схеме, изготавливая их по наиболее передовым технологиям. Зубчатые колеса полумуфт выполнены из никель-хромомолибденовой стали SNCM 23, зубья подвергнуты цементации и закалке. Венцы обойм из углеродистой стали S45C с закалкой поверхностей зубьев токами высокой частоты.
Желание снизить углы перекоса в приводах скоростного моторвагонного подвижного состава за счет удлинения внешнего кардана приводила конструкторов к решениям, в которых кардан по длине приближается к варианту с карданом в полом якоре. Так, на французском скоростном электровагоне 7001 зубчатая передача разделена на две ступени, одна из которых размещена на корпусе двигателя, а другая - на оси колесной пары. Обе ступени соединены между собой карданом с шарнирами Гука, что позволило применить конструкцию и технологию изготовления шарниров, хорошо отработанную в автомобилестроении. Конструкция позволяет разместить кардан достаточно больших размеров и приблизить тяговые двигатели к центру масс тележки, чтобы снизить ее момент инерции. Недостатком конструкции является увеличение сложности и снижение к.п.д. за счет добавления еще двух зубчатых зацеплений. Тем не менее конструкция оказалась приемлемой и послужила прототипом для тягового привода высокоскоростного электропоезда TGV-PSE (260 км/ч).
В тяговом приводе aнглийского скоростного дизель-поезда HST (200 км/ч),построенного в 1973 г., карданный вал проходит через полый ведущий вал осевого редуктора и связан с ним и с валом двигателя поводковыми муфтами. Такая компоновка стала возможной благодаря большому диаметру ведущей шестерни редуктора. К недостаткам конструкции относится усложнение конструкции осевого редуктора, в частности, необходимость применения двух разных подшипников для ведущего вала. Кроме того, длина кардана при этом невелика, что не позволяет эффективно его использовать в качестве торсиона для амортизации возмущений от пути.
В тяговом приводе английского скоростного электропоезда APT (200 км/ч) тяговый двигатель для снижения момента инерции тележки размещен на кузове вагона и соединен сначала с передаточным редуктором карданным валом в полом якоре, а передаточный редуктор соединен с осевым редуктором длинным карданным валом с шарнирами Гука. Это позволило установить на быстроходном валу также и гидродинамический тормоз. Более простой вариант позднее был применен фирмой Альстом для поездов типа Пендолино для скоростей движения до 250 км/час (двигатель размещен на кузове и соединен напрямую осевым редуктором с шарнирами Гука). Недостатком приводов такого типа в скоростном движении является то, что конические зубчатые колеса, которые требуются для осевого редуктора, допускают меньшие окружные скорости, чем цилиндрические.
В тяговых редукторах отечественных электропоездов использовались в качестве радиальных роликовые подшипники, имевшие относительно меньшие габариты, чем шариковые. Поэтому в редукторе поездов ЭР22, Эр2, ЭР9 осевые подшипники были посажены не на промежуточную втулку, как на вагоне метрополитена серии Д, а непосредственно на ось. Однако, если на промежуточной втулке редуктора метровагона можно было сделать канавки между посадочными местами подшипников и ступицы зубчатого колеса (они необходимы, т.к. для обойм подшипника и ступицы применяются разные посадки), то на оси это было невозможно по условиям прочности. Поэтому на редукторах отечественных электропоездов ЭР2, ЭР22, ЭР9 зубчатое колесо было закреплено на выступе колесного центра болтами, а корпус редуктора установлен консольно на опорном стакане с парой роликовых подшипников. Недостатком такой конструкции является увеличение перекосов в зубчатой передаче из-за большего числа звеньев размерных цепей и деформации корпуса редуктора.
В связи с этим в тележках ТУР-01 конструкция подшипникового узла была изменена и осевые роликовые подшипники были установлены симметрично на ступице ведомого зубчатого колеса. Такая компоновка подшипникового узла часто встречается в этот период в зарубежных электропоездах, например, в том же HST. Позднее это решение было использовано на электропоездах Демиховского завода ЭД9. При этом венец большого зубчатого колеса крепился на ступице с помощью болтового соединения.
Трамвайные приводы в середине 20 столетия изготавливались с максимальным использованием технологий, хорошо освоенных к тому времени в автомобилестроении. Примером может служить привод выпускавшегося с 1947 года на Усть-Катавском вагонном заводе трамвая КТМ-1. В приводе использовался двухступенчатый осевой редуктор с гипоидной передачей в первой ступени, подвеска редуктора - в виде двух пружин для амортизации возмущений от пути. Двигатель был расположен вдоль экипажа и подвешен к кузову, т.к. экипаж был бестележечным и соединен с редуктором карданным валом средней длины с шарнирами Гука. Двигатель подвешен на пружинах, что вызвано потребностью снизить вибрации от него и кардана, передаваемые на кузов.
С 40-х по конец 60-х гг. отечественная промышленность постепенно переходит на выпуск серий трамваев, созданных на основе американской концепции PСС (РВЗ-6, КТМ-5 и т.п.). На таких трамваях использовалась мостовая тележка с опорно-рамным приводом, в которой осевые редукторы одновременно выполняли роль концевых балок тележки и буксовых узлов. Это позволяло снизить массу тележки и ее стоимость, что было важно для подвижного состава трамвая, который выпускается массовой серией и должен конкурировать по цене с такой массовой продукцией, как автобусы и троллейбусы, которые изготавливаются с широким использованием холодной штамповки и точного литья и поэтому недороги. Недостатком таких тележек является худшая динамика и увеличение необрессоренной массы экипажа.
В 1974 году на трамвайном вагоне РВЗ-7 Рижского вагоностроительного завода был применен упругий карданный вал с полумуфтами в виде торовых резинокордных муфт, центрирующихся на сферических шарнирах, т.к. торовые муфты не способны к самостоятельному центрированию. Шарниры имели втулки, допускающие компенсацию осевого смещения. Выбор торовых муфт был обусловлен значительными углами перекоса в шарнирах. В связи с относительно сложной технологией изготовления торовых муфт в условиях локомотиво- или вагоностроительного завода, такой вариант имеет смысл в том случае, когда возможны поставки этих муфт предприятием, уже освоившим их выпуск.
В 70-е годы во ВНИТИ были созданы экспериментальные варианты тяговых приводов, в которых в качестве муфты поперечной компенсации использовался уравновешенный шарнирно-поводковый механизм (УШПМ, см. гл. 3.3.). В частности, были проведены испытания варианта тягового привода тепловоза 2ТЭ121, в котором УШПМ был применен вместо привода с карданным валом в полом якоре. В ходе испытаний под нагрузкой была замечена пульсация крутяшего момента с шестикратной частотой, имевшая резонансное усиление на определенной скорости. По утверждению разработчиков привода, данная пульсация была вызвана циклической ошибкой шага ведомой шестерни. Однако в зарубежных публикациях также было отмечено наличие пульсации момента УШПМ с частотой, равной частоте оборотов вала, умноженной на число поводков. Другая версия - имело место резонансное усиление пульсаций момента при совпадении частоты пульсаций момента УШПМ и собственной частоты колебаний системы "редуктор-рама тележки".
При использовании цилиндрических резино-металлических шарниров УШПМ является более нагруженным узлом, чем карданный вал в полом якоре ТЭД (относительные деформации сжатия по краям резиновых элементов до 0,28). В связи с этим, а также в связи с большей технологической сложностью изготовления УШПМ и требованием дорогих материалов, специальных подшипников, более высокими требованиями к сбалансированности механизма, привод с УШПМ оказался в общем случае неконкурентоспособным по сравнению с приводом с карданным валом в полом якоре.
На рисунке показан созданный во ВНИТИ вариант опорно-рамного тягового привода с планетарным осевым редуктором, позволяющий реализовывать большой крутящий момент при диаметре колеса 1050 мм. Привод не был внедрен в связи с большой сложностью в сравнении с другими вариантами (шевронные зубчатые колеса, бесколлекторный ТЭД).
Более удачным вариантом примения УШПМ было бы использование его в тихоходной ступени привода, в случае, когда необходимо уменьшить расстояние между остовом ТЭД и осью колесной пары, а также в случаях, когда необходимо соединение при малом осевом расстоянии концов несоосных валов, которые технически невозможно сделать полыми, либо надеть на них полые валы (коленчатые валы, например).
В 1976 году НЭВЗ изготовил экспериментальный электровоз ВЛ83 (сила тяги 6,25 т на ось в часовом режиме) с групповым приводом и осевыми редукторами. Так же как и в приводе TGV, для электровоза ВЛ83 был использован раздаточный редуктор с промежуточным колесом, соединенный с осевым редуктором внешним карданным валом. Данное решение было выбрано в условиях, когда использование передаточных механизмов с простыми резинометаллическими шарнирами, изготовленными методом запрессовки, не позволяло добиться высокой долговечности последних. Недостатками такого привода явились: существенное увеличение промежуточных зубчатых колес, снижающих к.п.д. привода и дополнительное ограничение габаритов тягового двигателя раздаточным редуктором. Поэтому данная схема привода развития не получила.
Более распространенной оказалась схема группового привода с продольным расположением двигателя, внешними карданными валами и осевыми редукторами, прежде всего на поторвагонном подвижном составе. Примером может служить привод французского объединения MTE для вагонов парижского метро серии М77. Мощность двигателя 275 кВт, редуктор цилиндрический с геликоидальной первой ступенью с передаточным отношением 33:58 и конической второй ступенью со спиральным зубом и передаточным отношением 17:43.
