transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Układy przeniesienia napędu w pojazdach spalinowych > Pojazdy spalinowe z przekładnią hydrauliczną - hydrodynamiczną i hydromechaniczną

W omawianym rodzaju pojazdów trakcyjnych moment obrotowy wytworzony przez silnik spalinowy jest przenoszony na zestawy kołowe poprzez przekładnię główną, która działa jako automatyczna skrzynia biegów. Rozróżnia się przekładnie główne hydrodynamiczne (hydrokinetyczne) i hydromechaniczne, które łączą w sobie zasadę działania przekładni hydrodynamicznej z przekładnią mechaniczną zębatą. Przekładnia główna samoczynnie zmienia przełożenia (biegi) i optymalizuje przełożenie na wał wyjściowy optymalnie do obrotów silnika spalinowego. Sterowanie pracą przekładni realizują sterowniki mikroprocesorowe na podstawie danych o zadanym przez maszynistę momencie rozruchowym, aktualnej prędkości jazdy, obrotach silnika spalinowego itp.
Podstawową cechą przekładni hydraulicznej (hydrodynamicznej) jest brak sztywnego połączenia wału wejściowego i wyjściowego, co pozwala na znaczne jej przeciążanie bez ryzyka przeciążenia układu napędowego. Sztywne połączenie występuje w klasycznej mechanicznej skrzyni biegów, gdzie następuje wzajemna cierna współpraca kół zębatych i sprzęgieł.
W przekładni hydraulicznej wykorzystywana jest energia kinetyczna oleju hydraulicznego jako medium przenoszącego moment napędowy.

Kliknij aby powiększyć   
Schemat przekładni głównej hydraulicznej VOITH T211bre opis na powiększeniu (źródło: VOITH)



Kliknij aby powiększyć  
Przykładowe przekładnie główne: montowane niezależnie od silnika (1) i montowane kołnierzowo z silnikiem (2)


Przekładnia hydrauliczna składa się z dwóch podstawowych elementów: przetwornika hydraulicznego oraz sprzęgła (sprzęgieł) hydrokinetycznych, pracujących według zasady Fottingera. Zasada ta polega na połączeniu w jednym zespole konstrukcyjnym pracy cieczy, pomiędzy pompą, a turbiną. Tą cieczą jest olej hydrauliczny. Dodatkowo w omawianym typie przekładni stosowane są też przekładnie zębate (przekładnie hydromechaniczne), które wraz z powyższymi głównymi elementami uczestniczą w procesie przeniesienia napędu na koła jezdne. Tego typu przekładnie zapewniają łagodny rozruch, zabezpieczają przed przeciążeniem układu i umożliwiają przenoszenie dużych momentów obrotowych. Cechuje je jednak dość niska sprawność. 

Przetwornik hydrauliczny
to element przekładni hydraulicznej, składający się z pompy w postaci koła łopatkowego, turbiny, również w postaci koła łopatkowego oraz nieruchomej kierownicy. Zastosowana pompa poprzez ukształtowanie łopatek jest pompą odśrodkową. Wymienione elementy zamknięte są szczelnie w korpusie obudowy wewnątrz zespołu przekładni hydraulicznej. Koło pompy osadzone jest na wale wejściowym przekładni, czyli tym połączonym docelowo z silnikiem spalinowym. Turbina osadzona jest z kolei na wale wyjściowym przekładni, czyli tym po stronie odbiornika mocy - z którego moment obrotowy docelowo przekazywany jest na zestaw kołowy.



Schemat przetwornika hydraulicznego (przekrój)
A - pompa
B - turbina
C - kierownica
D - obieg oleju

Pompa napędzana silnikiem spalinowym wprawia w ruch olej hydrauliczny w korpusie przetwornika, który przepływając przez łopatki kierownicy oddziałuje na łopatki turbiny wprawiając je w ruch. Przepływ oleju pomiędzy pompą, a turbiną i poprzez łopatki kierownicy powoduje zmianę parametrów energetycznych cieczy, a więc zmianę momentu obrotowego i prędkości turbiny w stosunku do pompy.
Poza zaletą związaną z dużą przeciążalnością tego układu w stosunku do przełożeń zębatych, należy też zwrócić uwagę na inną zaletę jaką jest samoczynne dostosowanie się momentu obrotowego turbiny do warunków jazdy niezależnie od prędkości obrotowej i aktualnego momentu obrotowego pompy. W momencie gdy turbina spowalnia na skutek wolniej obracających się kół jezdnych pojazdu (na przykład z powodu jazdy pod górę) to pompa ma cały czas prędkość obrotową zadaną przez silnik spalinowy. Jako, że turbina z pompą, jak już było wspomniane, nie są połączone ze sobą sztywnym połączeniem mechanicznym, w omawianej sytuacji jazdy pod górę, w momencie spowolnienia turbiny, olej hydrauliczny napiera z większą energią na łopatki zwalniającej turbiny zwiększając tym samym jej moment obrotowy oczywiście w zakresie ograniczeń wynikających ze sprawności przetwornika.
Załączenie przetwornika hydraulicznego następuje przez wypełnienie go olejem hydraulicznym.

Sprzęgło hydrokinetyczne
ma budowę zbliżoną do przetwornika hydraulicznego z podstawową różnicą polegającą na braku w swojej budowie koła łopatkowego kierownicy. Brak kierownicy powoduje, że sprzęgło nie realizuje zmiany momentu obrotowego, a służy jedynie do łączenia / rozłączania napędu poprzez przeniesienie momentu obrotowego z wału wejściowego, na wał wyjściowy. Prędkość obrotowa kola łopatkowego pompy i turbiny po załączaniu sprzęgła są takie same. Załączenie sprzęgła hydrokinetycznego polega na wypełnieniu przestrzeni jego korpusu olejem hydraulicznym, który poprzez ruch pompy wprawiany jest w ruch, napędzając tym samym łopatki turbiny. Rozłączenie sprzęgła polega na wypuszczeniu oleju hydraulicznego lub zmniejszeniu obrotów silnika, do wartości mniejszej niż prędkość obrotowa turbiny - w takiej sytuacji zmniejszy się napór oleju hydraulicznego na łopatki turbiny, która tym samym nie będą już w stanie przekazywać momentu obrotowego.

W zależności od typu i przeznaczenia przekładni hydraulicznej stosowane są w nim jeden lub dwa przetworniki hydrauliczne oraz jedno lub więcej sprzęgieł hydrokinetycznych. Odpowiednia ilość i konfiguracja tych elementów poprzez zastosowane różne gabaryty i kąty nachylenia łopatek, powodują uzyskanie różnych przełożeń prędkości obrotowej turbiny w stosunku do pompy. Dzięki temu każdy przetwornik i sprzęgło ma największa sprawność przy odpowiednim dla niego przełożeniu.
Odpowiednia konfiguracja przełożeń hydraulicznych przekładni pozwala osiągnąć wysoką sprawność całej przekładni hydraulicznej.

Działanie przetworników i sprzęgieł hydrokinetycznych zabudowanych w danej przekładni działa na zasadzie wypełniana (i opróżniania) ich korpusów olejem hydraulicznym w odpowiedniej kolejności, co powoduje, załączanie kolejnych biegów i w efekcie zwiększanie prędkości pojazdu. W danej fazie pracy (biegu) napełniony jest tylko jeden przetwornik, czy sprzęgło hydrokinetyczne.
Napełnianiem i opróżnianiem elementów hydraulicznych steruje układ mikroprocesorowy. Olej hydrauliczny jest wtłaczany do przetworników / sprzęgieł samoczynnie na podstawie pomiarów obciążenia i zadanej siły pociągowej poprzez pompy hydrauliczne układu sterowania przekładni. Dzięki temu uzyskiwana jest wymagana siła pociągowa i prędkość jazdy.

Dzięki zastosowaniu sprzęgieł i przetworników hydraulicznych ograniczone zostaje przenoszenie drgań promieniowych i osiowych, gdyż sprzęgło działa jak kompensator tych sił. Brak elementów ciernych w sprzęgłach i przetwornikach wydłuża ich trwałość oraz wpływa na zwiększenie niezawodności układu.

Omawiając przekładnie hydrauliczne, warto wspomnieć, że są wyposażone w układ hamulca hydraulicznego zwanego retarderem, czy też zwalniaczem hydrokinetycznym, który umożliwia rozwijanie mocy hamowania przewyższającej moc napędną i działa na zasadzie sprzęgła hydrokinetycznego o zmiennym stopniu napełnienia. Główna różnica w stosunku do sprzęgła hydrokinetycznego polega na tym, że koło łopatkowe turbiny jest połączone z nieruchomym korpusem - tym samym turbina jako element nieruchomy wytraca moment napędowy pompy. W przekładniach głónych hydromechanicznych stosowany jest retarder elektromagnetyczny.

Pracujący olej hydrauliczny w elementach przekładni hydraulicznej nagrzewa się i konieczne jest jego chłodzenie. Do tego celu służy chłodnica (wymiennik ciepła) zintegrowany z przekładnią. Przepływanie oleju hydraulicznego przez chłodnicę powoduje zmniejszenie jego temperatury, po czym ponownie jest od wtłaczany do przekładni. Olej hydrauliczny pracuje w obiegu zamkniętym.

Kliknij aby powiększyć   
Przekładnia główna hydrauliczna ZF ECOLIFE i wymiennik ciepła (wskazany strzałką)


Odmianą przekładni hydraulicznej jest przekładnia HYDROMECHANICZNA, czyli taka, która łączy rozwiązania przekładni mechanicznej (klasycznej zębatej skrzyni biegów) z przekładnią hydrodynamiczną. Przy niskich prędkościach pracują elementy przekładni hydraulicznej, a gdy prędkość rośnie i maleje wymagany moment obrotowy, załączone zostają układy przekładni mechanicznej czyli przenoszenie momentu poprzez odpowiednie przełożenia kół zębatych.

Przekładnie hydrauliczne stosowane są zarówno w lokomotywach jak i zespołach trakcyjnych. Ze względu na to, że wał silnika spalinowego obraca się zawsze w tym samym kierunku, konieczne jest zastosowanie układu, który umożliwi zmianę kierunku obrotów momentu przekazywanego z silnika spalinowego na zestawy kołowe, w celu umożliwienia jazdy do przodu i do tyłu. Zmianę kierunku obrotów realizują przekładnie nawrotne. Zmiana kierunku odbywa się na zasadzie zmiany kierunku obrotów wału wyjściowego. Sterowanie zmianą przełożeń na przeciwny w przekładniach nawrotnych najczęściej jest realizowane na drodze pneumatycznej.

Przykładowy układ napędowy lokomotywy z przekładnią hydrauliczną prezentuje poniższy schemat.


Schemat przykładowego układu napędowego lokomotywy z przekładnią hydrauliczną
A - silnik spalinowy
B - przekładnia główna z przekładnią nawrotną
C - przekładnie osiowe zestawów kołowych
D - wały przegubowe Cardana
E - układ wydechowy spalin
F - uckład chłodzenia silnika spalinowego i przekładni głównej

 
Przeniesienie napędu z silnika spalinowego (2) przez wał przegubowy na przekładnię hydrauliczną (1)

   
Wał przegubowy pomiędzy przekładnią hydrauliczną (1), a przekładnią osiową zestawu kołowego (2 i 3) w ciężkiej lokomotywie towarowej (opis na powiększeniu)


Przykładowa przekładnia osiowa (przelotowa)

W spalinowych zespołach trakcyjnych, czy też wagonach silnikowych, na układy napędowe jest dostępna znacznie mniejsza ilość miejsca w stosunku do lokomotyw. Ze względu na przestrzeń pasażerską oraz często zastosowaną w takich pojazdach niską podłogę, elementy napędowe muszą być maksymalnie zintegrowane.
W pojazdach tego typu stosuje się jednostki napędowe w postaci tak zwanych zespołów "powerpack", które we wspólnej ramie mieszczą silnik spalinowy (najczęściej z rzędowym układem cylindrów), układ dolotowy z filtrami powietrza, układ wydechowy, zespół chłodnic silnika, alternator oraz osprzęt dodatkowy i napędy pomocnicze (jak np. napęd sprężarki klimatyzacji) konieczne do prawidłowego funkcjonowania samej jednostki napędowej jak i całego pojazdu. Przekładnia główna może być zintegrowana z takim zespołem lub zamocowana w podwoziu jako osobny podzespół. W drugim przypadku pomiędzy jednostką napędową, a przekładnią główną napęd przenoszony jest przez wał przegubowy Cardana.


Schemat przykładowego układu napędowego spalinowego zespołu trakcyjnego z przekładnią hydrauliczną stanowiącą zintegrowany zespół konstrukcyjny z silnikiem spalinowym 
A - silnik spalinowy
B - przekładnia główna
C1 - przekładnia pośrednia (nawrotna / osiowa)
C2- przekładnia osiowa
D - wały przegubowe Cardana
A i B - zintegrowana jednostka napędowa "powerpack"


   
Lokalizacja zintegrowanych jednostek napędowych "powerpack" w strefach wysokiej podłogi SZT

Zintegrowane jednostki napędowe "powerpack" są podwieszane do nadwozia poajzdów przez elementy wibroizolacyjne w postaci wsporników metalowo-gumowych.

 
Wibroizolatory podwieszające ramę "powerpack" do nadwozia

   
Zintegrowana jednostka napędowa "powerpack" z przekładnią główną (opis na powiększeniach 1 i 2)

 
Układ z dachowymi chłodnicami silnika spalinowego (1) i zespół chłodnic na module "powerpack" (2)


Moduł AdBlue i tłumik z katalizatorem spalin SCR

 
Przednia strona silnika rzędowego (1), głowice cylindrów, kolektor wydechowy i fragment turbosprężarki (2)

 
Jednostka napędowa typu "powerpack" - widok od spodu (opis na powiększeniach)

W powyżej prezentowanych układach silnik spalinowy jest połączony z przekładnią główną kołnierzowo. Pomiędzy kołnierzem koła zamachowego silnika, a wałem wejściowym przekładni stosuje się nierozłączalne sprzęgło elastyczne, tłumiące drgania skrętne jakie występują podczas współpracy tych komponentów.


Połączenie kołnierzowe silnika z przekładnią główną (opis na powiększeniu)

   
Kołnierze montażowe: silnika (1) i przekładni głównej (2) oraz sprzęgło elastyczne

  
Przeniesienie napędu z jednostki napędowej: widok od strony przekładni głównej (1 i 2) i od strony wózka (3) - opis na powiększeniach
(przekładnia główna bez przekładni nawrotnej)

  
Silnik spalinowy i tłumik wydechu spalin (1), przekładnia główna z flanszą podłączenia wału Cardana (2) i podłączony wał Cardana (3) - opis na powiększeniach
(przekładnia główna zintegrowana z przekładnią nawrotną)

Przekładnie osiowe ułożyskowane są na osiach zestawów kołowych. Połączenie przekładni z ramą wózka realizowane jest przez podatne ramiona (drążki) reakcyjne, zapewniające utrzymanie przekładni w prawidłowej pozycji, przy jednoczesnym zapewnieniu właściwej podatności połączenia w związku z przemieszczaniem się przekładni zgodnie z ruchami zestawu kołowego w ramach zakresów pracy układu prowadzenia zestawu kołowego i jego usprężynowania.

Zobacz opis układów prowadzenia i usprężynowania zestawów kołowych - tutaj.

W wózkach dwuosiowych napęd z przekładni głównej przenoszony jest na przekładnie osiowe. Pierwsza z przekładni (ułożyskowana na osi drugiego zestawu kołowego, licząc od czoła pojazdu) jest przekładnią integrującą w swojej obudowie przekładnię osiową oraz przekładnię pośrednią. Przekładnia pośrednia odbiera moment obrotowy z wału Cardana i przekazuje na przekładnię osiową drugiego zestawu kołowego oraz na wał wyjściowy połączony wałem przegubowym Cardana z przekładnią pierwszego zestawu kołowego. Jeżeli przekładnia główna nie jest wyposażona w przekładnię nawrotną (zmiana kierunku), to taki zespół zawarty jest w ramach właśnie przekładni pośredniej. Czyli na tej przekładni następuje zmiana kierunku poprzez mechanizm przełączający kierunek obrotów. Przekładnia nawrotna może działać na przykład, na zasadzie układu sprzęgła hydrokinetycznego.

 
Przekładnia pośrednia - nawrotna i osiowa (opis na powiększeniach)

  
Przykładowe przekładnie osiowe (opis na powiększeniach)

 
Przykładowa przekładnia osiowa - widok przełożeń

Poniższe fotografie przedstawiają makietę przykładowego układu napędowego do SZT opisanego powyżej.

   
Przekładnia główna (1), przełożenia przekładni nawrotnej (2) i duże koło zębate przekładni osiowej zamontowane na osi zestawu kołowego (3)




Schemat przykładowego układu napędowego spalinowego zespołu trakcyjnego z przekładnią główną montowaną niezależnie od silnika spalinowego
A - silnik spalinowy
B - przekładnia główna
C - przekładnia osiowa
D - wały przegubowe Cardana

Kliknij aby powiększyć   
Przekładnia hydrauliczna niezależna od jednostki napędowej (opis na powiększeniu)


Kliknij aby powiększyć   
Wał Cardana pomiędzy przekładnią główną, a przekładnią osiową


Kliknij aby powiększyć   
Przekładnia osiowa i wał Cardana połączony z przekładnią główną (opis na powiększeniu)