Opis wybranych układów i zespołów w tramwajach > Zespoły napędowe i silniki trakcyjne w tramwajach

Napęd we współczesnych tramwajach realizują elektryczne silniki trakcyjne zabudowane w wózkach napędnych. Są to maszyny elektryczne, przetwarzające energię elektryczną na mechaniczną w postaci momentu obrotowego. Podstawowymi elementami silników trakcyjnych są stojan i obracający się w nim wirnik. Stojan wykonany jest w formie wydrążonego walca i stanowi jednocześnie korpus silnika (jego obudowę) najczęściej jako odlew żeliwny lub staliwny. Wirnik jest częścią obrotową silnika, która obraca się wewnątrz stojana.
Rozróżnia się silniki trakcyjne prądu stałego - komutatorowe (tzw. szeregowe) oraz silniki na prąd przemienny - indukcyjne, najczęściej: klatkowe, asynchroniczne, trójfazowe.

a) Silniki trakcyjne szeregowe to silniki prądu stałego stosowane w starszego typu pojazdach. W silnikach tych uzwojenie wzbudzenia stojana i wirnika połączone są szeregowo (jedno za drugim) przez co przepływa przez nie taki sam prąd. W silnikach tego typu zasilane jest więc zarówno uzwojenie stojana w korpusie silnika ja również uzwojenie obracającego się wirnika. Wewnątrz stojana na jego obwodzie znajdują się bieguny główne i pomocnicze, na których nawinięte są uzwojenia. Część bieguna umieszczona najbliżej osi nazywa się nabiegunnikiem i jest szersza od reszty bieguna.


  
Schemat elektryczny przykładowego silnika szeregowego

 
Silnik trakcyjny prądu stałego - LTa 220 (na fot. 2 widoczny komutator wirnika i szczotkotrzymacze)


Wirinik silnika szeregowego z widocznym komutatorem
 

Odłącznik silników szeregowych (2 / 1+2 / 1) - wybór silników wagonu dwusilnikowego

W ramach sterowania silnikami trakcyjnymi łaczy się je w grupy - zobacz opis tutaj.

Zaletami silnika szeregowego są następujące cechy:
- pracujący silnik dostosowuje prędkość obrotową do aktualnego obciążenia - im większy prąd tym mniejsza prędkość obrotowa silnika i na odwrót,
- duży moment rozruchowy,
- stosunkowo prosty sterowanie rozruchem (rozruch oporowy lub chopperowy),
Wadami silnika szeregowego są następujące cechy:
- duża masa i gabaryty,
- hamowanie elektrodynamiczne wykorzystywane w niepełnym pełnym zakresie prędkości (przy małej prędkości hamowanie ED nie jest możliwe),
- wymaga prac przeglądowo-naprawczych - zastosowany komutator i szczotki wymagają bieżących przeglądów oraz wymian w związku z występującymi zużyciami na skutek tarcia oraz ewentualnych uszkodzeń wynikających ze zużycia ciernego i elektrycznego.
- wymaga pracy zawsze pod obciążeniem – zmniejszenie obciążenia powoduje wzrost prędkości, który może doprowadzić do rozbiegnięcia się silnika na skutek zwiększania jego prędkości obrotowej do nieskończoności w myśl zasady dostosowania prędkości obrotowej do aktualnego obciążenia - im mniejszy prąd tym większa prędkość obrotowa silnika.


Krzywa charakterystyki silnika szeregowego - obroty [n] w odniesieniu do natężenia prądu [I]


b) Silniki trakcyjne indukcyjne to silniki prądu przemiennego stosowane w nowoczesnych pojazdach szynowych. W tym rozwiązaniu zasilany jest tylko uzwojenie stojana. Trójfazowy prąd przemienny w uzwojeniu stojana powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego (dla każdej fazy) w sposób taki, że pole wypadkowe jest polem wirującym. Pole to w wyniku indukcji magnetycznej (stąd nazwa silniki indukcyjne), powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniu wirnika. Wzajemne oddziaływanie pól stojana i wirnika wytwarza moment elektromagnetyczny, powodujący ruch obrotowy wirnika. Brak komutatora w silniku powoduje że jest on praktycznie bezobsługowy przez cały okres eksploatacji. W zakresie przeglądu wymagana jest praktycznie tylko kontrola i ewentualna wymiana łożysk wirnika oraz weryfikacja oporności uzwojeń (stanu izolacji).
Wirnik w omawianych silnikach obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie stojana (prędkość obrotowa wirnika jest mniejsza od prędkości obrotowej strumienia magnetycznego stojana - stąd nazwa: asynchroniczne.

  
Silnik trakcyjny indukcyjny (asynchroniczny) MLU 3443 

Zaletami silnika indukcyjnego są następujące cechy:
- mała masa i małe gabaryty w stosunku do mocy,
- praktycznie bezobsługowy proces eksploatacyjny,
- hamowanie elektrodynamiczne wykorzystywane w pełnym zakresie prędkości.
Wadą silnika indukcyjnego jest skomplikowane sterowanie rozruchem silnika, które wymaga zastosowania rozruchu częstotliwościowego (impulsowego).

Za sterowanie pracą silników odpowiadają napędy trakcyjne - zobacz opis tutaj. 


Silniki trakcyjne podczas pracy nagrzewają się na skutek przepływu prądu o dużych wartościach. Z tego powodu konieczne jest zapewnienie im chłodzenia w celu wyeliminowania możliwości przekroczenia temperatury, której wartość mogłaby doprowadzić do uszkodzenia silnika. W nowoczesnych pojazdach silniki trakcyjne są wykorzystywane nie tylko do rozpędzania pojazdu trakcyjnego, ale realizują również w hamowanie elektrodynamiczne (zobacz opis - tutaj). Z tego powodu są jeszcze bardziej narażone na utrzymujące się wysokie temperatury pracy, gdyż ich uzwojenia nagrzewają się zarówno podczas rozruchu jak i hamowania. W pojazdach, które nie mają hamulca elektrodynamicznego, silniki podczas hamowania nie pracują pod obciążeniem, więc temperatura ich uzwojeń spada.
W tramwajach ze względu na stosunkowo małe moce silników (do ok. 150 kW) stosowany jest powszechnie samoprzewietrzalny układ chłodzenia. Silniki samoprzewietrzalne to takie, na których wałach wirników zamontowane są wentylatory. Obracający się wirnik porusza łopatami wentylatora, które zasysają i tłoczą powietrze do wnętrza silnika przedmuchując uzwojenia. Rozróżnia się układy z czerpnią powietrza zabudowaną bezpośrednio w obudowie (stojanie) silnika lub z czerpnią zabudowaną w nadwoziu i kanałami doprowadzającymi powietrze do wentylatora silnika. Pierwsze rozwiązanie stosowane jest powszechnie w silnikach indukcyjnych. Brak komutatora oraz nowoczesne technologie wykonania izolacji powodują, że silniki te mogą pracować w dużej wilgotności i ewentualna woda dostająca się do ich wnętrza nie stanowi dla nich zagrożenia. Układ z kanałami występuje głównie przy silnikach szeregowych, które muszą być zabezpieczone przed przedostawaniem się wilgoci do ich wnętrza. Zastosowanie czerpni i kanałów w nadwoziu pozwala na izolowanie silników od nadmiaru wilgoci, która jest zasysana z powietrzem. W takim rozwiązaniu, ze względu na podatne zamocowanie wózka względem nadwozia, pomiędzy silnikiem, a kanałem w nadwoziu konieczne jest stosowanie elastycznych miechów umożliwiających przepływ powietrza bez ograniczania ruchów wózka względem nadwozia.

   
Czerpnia powietrza bezpośrednio na silniku - za kratą widoczny wentylator na wale silnika

    
Czerpnia w nadwoziu (1), kanały powietrzne pod nadwoziem i mech (2), silnik trakcyjny z komorą wlotową /zasłonięta/ (3)


Przykładowe wentylatory zdemontowane z korpusów silników

   
Przykładowe kanały doprowadzające powietrze i miech elastyczny nad wózkiem

Drugim rozwiązaniem chłodzenia silników trakcyjnych jest układ chłodzenia wymuszonego, czyli takiego w którym powietrze jest wdmuchiwane do silników przez zewnętrzne wentylatory ssąco-tłoczące zabudowane w nadwoziu. Tramwaje z chłodzeniem wymuszonym silników charakteryzuje charakterystyczny szum (hałas) emitowany przez wentylatory. Przykładowymi tramwajami, w których zastosowany jest wymuszony układ chłodzenia to modele takie jak np. 13N, 102N, 105N i im pochodne. Wymuszony układ chłodzenia przez ciągłe tłoczenie powietrza do silnika ogranicza również ryzyko dostawania sie wody przez otwory wentylacyjne w stojanie. 


Ogólny schemat rozprowadzania powietrza do chłodzenia (105N)
A - czerpnia w ścianie bocznej nadwozia
B - przetwornica pokładowa z wentylatorami (x)
C - silniki trakcyjne
D - rozrusznik
E - kanał powietrzny w belce grzbietowej ostoi wagonu
x - wentylatory przetwornicy
y - kanał wylotu rozgrzanego powietrza ze skrzyni rozrusznika

 
Wentylatory na wale przetwornicy pokładowej


Kanał doprowadzenia powietrza do silników (belka grzbietowa ostoi nadwozia)

   
Elastyczny miech pomiędzy kanałem nadwozia, a silnikiem

   
Otwory wlotowe powietrza do silnika 


Silniki trakcyjne wchodzą w skład elektrycznych zespołów napędowych.
Zespół napędowe składają się z:
- elektrycznego silnika trakcyjnego,
- przekładni, stanowiącej reduktor obrotów,
- w większości nowoczesnych rozwiązań z mechanizmu podatnego przeniesienia napędu,
- zestawu kołowego lub niezależnych kół.

Pod względem przeniesienia napędu na koła rozróżnia się cztery rodzaje zespołów napędowych:
- z indywidualnym napędem osi,
- z grupowym napędem osi,
- z indywidualnym napędem koła,
- z grupowym napędem kół.

Pod względem zabudowy silnika trakcyjnego rozróżnia się układy:
- z silnikami zabudowanymi w wózkach napędnych,
- z silnikami zabudowanymi w nadwoziach pojazdów. 

Moment obrotowy z silnika trakcyjnego przenoszony jest na koła przez przekładnie i obecnie bardzo często również przez mechanizmy podatnego przeniesienia napędu. W przypadku stosowania takich mechanizmów wyróżnia się układy z klasycznymi wałami przegubowymi Kardana lub z zastosowaniem dwusprzęgłowych wałów drążonych Kardana, czyli tzw. wałów drążonych przegubowych. Klasyczny wał drążony porusza się równolegle do osi zestawu kołowego. Wał przegubowy ma możliwość pracy nierównoległej, zapewniając tym samym podatne przeniesienie napędu. Szczegółowy opis rozwiązań z mechanizmami podatnymi znajduje się w ramach wybranych poniższych opisów konstrukcji zespołów napędowych. 

I - ZESPOŁY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI TRAKCYJNYMI MONTOWANYMI W RAMIE WÓZKA

1) Zespoły napędowe z indywidualnym napędem osi to takie, w których jeden silnik trakcyjny napędza jeden zestaw kołowy wózka.

a) Zespół napędowy z silnikiem zawieszonym "za nos":


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia jednostopniowa
c - oś zestawu kołowego
d - łożysko ślizgowe oparcia silnika na osi
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

     
Zespół napędowy z silnikiem zawieszonym "za nos" (opis na powiększeniu)

Rozwiązanie to jest najstarszym układem zespołu napędowego tramwaju elektrycznego. Silnik trakcyjny zabudowany jest poprzecznie do osi wzdłużnej pojazdu.
Moment obrotowy przenoszony jest z silnika na jednostopniową przekładnię, a z niej na os zestawu kołowego.
Silnik zawieszony jest w układzie "za nos", czyli z tyłu podwieszony do ramy wózka, a z przodu opera się poprzez łożyska ślizgowe na osi zestawu kołowego przez co jest on tylko w połowie usprężynowany. Połowa masy silnika oparta jest na osi przez co szkodliwe wibracje przenoszone są z kół na silnik i odwrotnie.
Tego typu zespoły napędowe stosowane są np. w tramwajach zabytkowych typu: N, SN1, SN2, KSW. W nowych tramwajach takich zespołów napędowych nie stosuje się. Są one natomiast nadal powszechnie stosowane w pojazdach kolejowych - zobacz opis tutaj.




b) Zespół napędowy z podłużnym zamocowaniem silnika i przeniesieniem napędu z użyciem wałów Kardana
Omawiane rozwiązanie wywodzi się z konstrukcji zespołów napędowych amerykańskich tramwajów PCC z początku XX wieku.
Silniki trakcyjne zamontowane są wewnątrz ramy wózka równolegle do osi wzdłużnej pojazdów.
Moment obrotowy przenoszony jest z silnika na wał pędny Kardana (tzw. przegub krzyżakowy), a z niego poprzez przekładnię kątową na oś zestawów kołowego.
Silniki trakcyjne są zamontowane do poprzecznic ram wózków.

   
Zespoły napędowe z podłużnym zamocowaniem silników i przeniesieniem napędu z użyciem wałów przegubowych Kardana (opis na 1 i 2 powiększeniu)


Przegub krzyżakowy wału Kardana po stronie przekładni

   
Wały przegubowe Kardana (1 i 2) oraz wałek wejściowy przekładni do połączenia z wałem Kardana (3)


 
Mocowanie silnika do poprzecznicy ramy wózka

Omawiane zespoły napędowe zastosowane są w tramwajach takich jak np: 105N, 102N, 13N, 111N, 805N, TATRA, PCC, 116Na, 2014WrAs, 2015WrAs, 405N.

W wagonach 13N 102N/Na i pochodnych stosowane były przekładnie osiowe dwustopniowe (kątowo-czołowe). W wagonach 105N i pochodnych stosowano przekładnie jednostopniowe kątowe. 

Wózek z zastosowanymi przekładniami dwustopniowymi
a - silnik trakcyjny
b - wał przegubowy Kardana
c - przekładnia dwustopniowa
d - oś zestawu kołowego
e - wał pusty
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

 
Przekładnia osiowa dwustopniowa (opis na 2 powiększeniu)

W powyższym rozwiązaniu wyjściowe koło zębate przekładni ułożyskowane jest na osi zestawu kołowego. Ze względu na masę przekładni jej obudowa dodatkowo związana jest z ramą wózka poprzez tzw. nieobrotowy wał pusty, którego środkiem przebiega oś.  



Wózek z zastosowanymi przekładniami jednostopniowymi
a - silnik trakcyjny
b - wał przegubowy Kardana
c - przekładnia jednostopniowa
d - oś zestawu kołowego
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

   
Przekładnia jednostopniowa

W powyższym rozwiązaniu wyjściowe koło zębate przekładani ułożyskowane jest na osi zestawu kołowego, a obudowa przekładni podwieszona do poprzecznicy ramy wózka.

 
Zamocowanie przekładni do poprzecznicy ramy wózka (opis na 1 powiększeniu)

Dla zachowania bezpieczeństwa, na wypadek zerwania się wałów przegubowych Kardana, stosuje się specjalne obejmy zabezpieczające przykręcane do poprzecznic ramy wózka i belki bujakowej oparcia nadwozia.

 
Zebezpieczenia wału przegubowego Kardana

c) Zespół napędowy z poprzecznym zamocowaniem silnika i przeniesieniem napędu z użyciem wału drążonego i przegubowego
Ten rozdzaj zespołów napędowych stosowany jest w tramwajach z częściowym udziałem niskiej podłogi. Umiejscowienie zespołów napędowych w środku ramy wózka wymusza zastosowanie nad jego obszarem podwyższonej podłogi.
W tym rozwiązaniu silnik zamocowany jest w ramie wózka poprzecznie do osi wzdłużnej pojazdu i stanowi jeden zespół konstrukcyjny z dwustopniową przekładnią osiową.
Moment obrotowy z silnika przenoszony jest na przekładnię, a z niej na wał drążony, którego środkiem przebiega oś zestawu kołowego. W zakresie mechanizmu podatnego przeniesienia napędu moment obrotowy z wału drążonego przekładni przenoszony jest na oś zestawu kołowego poprzez wał drążony Kardana (przegubowy) ze sprzęgłami podatnymi. Wał drążony przekładni połączony jest sprzęgłem podatnym wejściowym z wałem drążonym (przegubowym) zwanym też wałem pośednim. Z kolei ten wał łączy się z osią zestawu kołowego przez sprzęgło podatne wyjściowe. W układzie zastosowano sprzęgła podatne nierozłączalne czeterocięgnowe. 
Dzięki zastosowaniu sprzęgieł podatnych i wału drążonego i przegubowego wibracje z zespołu napędowego nie są przenoszone na zestaw kołowy. Analogicznie wibracje z zestawu kołowego powstałe na skutek jazdy nie są przenoszone na zespół napędowy.

   
     
Zespół napędowy z poprzecznym zamocowaniem silnika i zastosowaniem wału drążonego i przegubowego (opis na powiększeniach)

a - silnik trakcyjny
b - przekładnia dwustopniowa
c - oś zestawu kołowego
d - wał drążony przekładni
e - wał drążony - przegubowy, 1 - sprzęgło wejściowe, 2 - sprzęgło wyjściowe
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka


 
Uproszczony schemat mechanizmu napędowego z zastosowaniem wału drążonego / przegubowego i sprzęgieł podatnych
A - przekładnia dwustopniowa
B - łożyska osiowe
C - silnik trakcyjny
D - tarcza hamulcowa
E - oś zestawu kołowego
1 - wał drążony przekładni
2 - sprzęgło wejściowe
3 - wał drążony - przegubowy
4 - sprzęgło wyjściowe
x - sworzeń z tuleją metalowo-gumową
y - łącznik sprzęgła
z - jarzmo sprzęgła 4 na osi zestawu kołowego



 
Wał drążony - przegubowy (opis na 1 powiększeniu)


Jarzmo sprzęgła wyjściowego ze sworzniami metalowo-gumowymi osadzone na osi zestawu kołwowgo 

Uproszczona animacja pracy wału drążonego - przegubowego w odniesieniu do obciążenia wózka napędowego 

Silnik trakcyjny z przekładnią stanowią zespół konstrukcyjny zamocowany do ramy wózka - są całkowicie usprężynowane. Omawiane zespoły napędowe są montowane podatnie z wykorzystaniem elementów metalowo-gumowych. Wał drążony z kolei jest ułożyskowany w skrzyni przekładniowej. Na wale drążonym osadzone jest wyjściowe koło zębate przekładni oraz tarcza hamulcowa. Zakres ruchu wału przegubowego w osi pionowej jest uzależniony od podatności pierwszego stopnia usprężynowania zestawu kołowego. Z przedstawionym rozwiązaniu wynosi około 30 mm. 

   
 
Przykładowe mocowania podatne zespołów napędowych do ram wózków (opisy na powiększeniach)

Ten typ zespołu napędowego zastosowany jest w tramwajach między innymi takich jak: NGd99, 116Nd, NGT6, NGT8, 2014N, 118N, STADLER Lajkonik.

d) Zespół napędowy z poprzecznym zamocowaniem silnika z zastosowaniem sprzęgła membranowego pomiędzy silnikiem i przekładnią
W tym rozwiązaniu silnik zamocowany jest całkowicie w ramie wózka poprzecznie do osi wzdłużnej pojazdu.
Na osi zestawu kołowego ułożyskowana jest przekładnia podwieszona podatnie po stronie silnika do ramy wózka. Pomiędzy silnikiem, a przekładnią zamontowane jest sprzęgło membranowe, charakteryzujące się dużą sztywnością skrętną i elastycznością poprzeczną.
W tym rozwiązaniu silnik jest całkowicie uprężynowany natomiast przekładnia tylko w połowie, gdyż połowa jej masy spoczywa na osi zestawu kołowego.


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia jednostopniowa
c - sprzęgło membranowe
d - oś zestawu kołowego
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

 
Zespół napedowy (opis na powiększeniach)


Sprzęgło membranowe pomiedzy silnikiem, a przekładnią

   
Zespół napędowy z poprzecznym zamocowaniem silnika z zastosowaniem sprzęgła membranowego pomiędzy silnikiem i przekładnią (opis na 1 i 3 powiększeniu)

 
Punkty mocowania silników i przekładni (opis na powiększeniu)

Omówiony rodzaj zespołu napędowego zastosowany jest na przykład w tramwajach typu: 16T i 19T.

e) Zespół napędowy z podłużnym zamocowaniem silnika na zewnątrz ramy wózka i zastosowaniem przekładni z wałem drążonym i sprzęgłami podatnymi
Obniżanie podłogi w tramwaju powoduje konieczność zmiany lokalizacji zespołów napędowych (silniki, przekładnie itd.). Zamiast klasycznego układu, w którym zespoły napędowe znajdują się pomiędzy kołami (jak w poprzednich przykładach), stosowany musi być bardziej skomplikowany układ z zespołami napędowymi zabudowanymi po zewnętrznych stronach ramy wózka - równolegle do osi wzdłużnej pojazdu. W wielu rozwiązaniach powoduje to eliminację części siedzeń pasażerskich, bo w miejscu gdzie w strefie z podwyższoną podłogą znajduje się przestrzeń na nogi, w omawianym układzie zabudowany jest zespół napędowy. Zobacz opis konfiguracji tramwajów - tutaj.

 
Ukształtowanie wózka z zespołami napędowymi po zewnętrznych stronach ramy wózka i wolna przestrzeń na przebieg niskiej podłogi

   
Ogranicznie w ilosci miejsc siedzących ze zwględu na przestrzeń potrzebną na zabudowę zespołów napędowych 

Zastosowanie w wózku klasycznych osi zestawów kołowych wymaga zastosowanie pochylni w niskiej podłodze w strefach nad wózkami.


Pochylnie w podłodze nad wózkiem napędowym

Niekorzystną cechą takiego układu jest również zwiększanie masy po zewnętrznych stronach wózka zamiast w jego osi wzdłużnej - odmienne zachowanie dynamiczne przy współpracy z torem.  


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia dwustopniowa
c - oś zestawu kołowego
d - wał drążony / przegubowy, 1 - sprzęgło wejściowe, 2 - sprzęgło wyjściowe
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

     
Zespół napędowy z podłużnym zamocowaniem silnika na zewnątrz ramy wózka i zastosowaniem przekładni ze sprzęgłami podatnymi (opis na powiększeniu)

W omawianym rozwiązaniu zespołu napędowego, silnik trakcyjny zamocowany jest równolegle do osi wzdłużnej pojazdu po zewnętrznej stronie ramy wózka. Do silnika zamocowana jest przekładnia kątowo - czołowa, która stanowi z silnikiem jeden zespół konstrukcyjny - całkowicie usprężynowany.
Przekładnia posiada w swojej budowie krótki wał drążony (przegubowy) działający w układzie przegubu Kardana. Z jednej strony wał jest połączony przez pakietowe sprzęgło podatne wejściowe z wałem drążonym wyjściowym koła zębatego przekładni. Z drugiej strony wał połączony jest przez podatne sprzęgło podatne wyjściowe z osią zestawu kołowego. W omawianym rozwiązaniu zastosowane są sprzęgła podatne z pakietami elementów metalowo-gumowych klinowych.
Tego typu zespoły napędowe zastosowane są w tramwajach takich jak na przykład: 120N, 121N, 122N, 120Na, 126N, S15.


Uproszczony schemat przekładni z wałem drążonym i przegubowym ze sprzęgłami
A - przekładnia
B - kadłub łożyska osi (maźnica)
C - oś zestawu kołowego
1 - wał drążony przekładni do którego przymocowane jest jej wyjściowe koło zębate
2 - sprzęgło podatne wejściowe
3 - wał drążony - przegubowy
4 - sprzęgło podatne wyjściowe
x - jarzmo sprzęgła połączone z zestawem kołowym
y - jarzmo sprzęgła połączone z wałem drążonym przekładni
z - pakiety metalowo-gumowe (podatność sprzęgieł)


Uproszczona animacja pracy wału drążonego - przegubowego w odniesieniu do obciążenia wózka napędowego 

Przykładowa przekładnia w przekroju

 
Przekładnia i sprzęgło wejściowe

 
Przekładnia i sprzęgło wyjściowe z flanszą, z zębnikiem do montażu osi

 
Zestaw kołowy z flanszą i zębnikiem do połączenia z przekładnią

Połączenie sprzęgła wyjściowego z osią zestawu kołowego (opis na powiększeniu)


Przykładowy wał drążony ze sprzęgłami pakietowymi

 

f) Zespół napędowy z podłużnym zamocowaniem silnika na zewnątrz ramy wózka bez klasycznej osi zestawu kołowego, z zastosowaniem wałów napędowych międzyprzekładniowych
Przedstawione poniżej rozwiązanie to skomplikowany zespół napędowy zastosowany w tramwajach produkowanych przez chorwacki KONCAR dla miasta Zagrzeb.
Silnik trakcyjny zamocowany jest po zewnętrznej stronie ramy wózka, aby zapewnić niską podłogę na całej długości wagonu.
Moment obrotowy z silnika przenoszony jest przez wał przegubowy Kardana na zintegrowany zespół przekładniowy, składający się z przekładni, która napędza jedno koło oraz przekładni, która napędza wał pędny, przenoszący moment obrotowy na przekładnię koła przeciwnego. Wał pędny międzyprzekładniowy jest odpowiednikiem osi zestawu kołowego w wyniku czego praktycznie zachowany jest układ dynamiki jazdy klasycznego zestawu kołowego. Poprzez brak klasycznej osi podłoga w pojeździe jest całkowicie płaska, natomiast układ napędowy bardzo skomplikowany.


a - silnik trakcyjny
b - wał przegubowy Kardana
c - zespół przekładniowy (koło 1 - wał pędny przekładni koła 2)
d - wał napędowy międzyprzekładniowy
e - przekładnia koła 2
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

   
Zespół napędowy z podłużnym zamocowaniem silnika na zewnątrz ramy wózka bez klasycznej osi zestawu kołowego, z zastosowaniem wałów napędowych międzyprzekładniowych (opis na 1 i 2 powiększeniu)

2) Zespoły napędowe z grupowym napędem osi to takie, w których jeden silnik trakcyjny napędza dwa zestawy kołowe.
Tego typu zespoły napędowe stosowane były w wysokopodłogowych tramwajach produkowanych na przykład w Niemczech i w Austrii w XX wieku.
W poniższym rozwiązaniu moment obrotowy przenoszony jest z silnika trakcyjnego na przekładnie osiowe kątowe. Koło zębate wyjściowe przekładni osadzone jest na wale drążonym przekładni, z którego moment obrotowy przenoszony jest przez sprzęgła podatne na oś zestawu kołowego.


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia kątowa z mechanizmem podatnego przeniesienia napędu
c - oś zestawu kołowego
d - wał drążony pzekładni
e - sprzęgła podatne gumowe


 
Zespół napędowy z grupowym napędem zestawów kołowych (opis na powiększeniu)

 
Zestaw kołowy z przekładnią (1) i przykładowy wózek z napędem grupowym (2)

 
Obudowa przekładni z wałkiem atakującym

W tym rozwiązaniu silnik trakcyjny i przekładnie stanowią jeden zespół konstrukcyjny oraz są jednocześnie elementem konstrukcyjnym wózka. Silnik trakcyjny nie jest mocowany do ramy wózka. Związanie go z ramą realizuje układ prowadzenia zestawów kołowych. 

Zestawy kołowe z przekładniami połączone silnikiem jako jeden zespół konstrukcyjny (po wyjęciu z ramy wózka)

Omówiony rodzaj zespołów napędowych zastosowany jest w wysokopodłogowych tramwajach produkcji niemieckiej i austriackiej z XX wieku takich jak na przykład: E1, E6, GT6, EU8N, GT8S, GT8, N8S.





3) Zespoły napędowe z indywidualnym napędem kół to takie, w których jeden silnik trakcyjny napędza jedno koło. Zespoły napędowe są wyposażone w zestawy kołowe bez klasycznej osi (niezależnie obracające się koła).

Poniżej rozwiązanie, które można go spotkać na przykład w tramwajach 15T "ForCity" czeskiej SKODY. W tramwajach czeskich dzięki wprowadzeniu takiego zespołu napędowego wyprodukowano pojazd z napędowymi wózkami Jacobsa, w tramwaju całkowicie niskopodłogowym.

a - silnik trakcyjny
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka


   
Zespół napędowy z indywidualnym napędem koła poprzez silnik synchroniczny z przekładnią planetarną (1), tabliczka znamionowa silnika (2), wózek Jacobsa napędny (3) - SKODA 15T

W tym rozwiązaniu synchroniczny silnik trakcyjny chłodzony cieczą napędza bezpośrednio jedno koło, a redukcję obrotów realizuje przekładnia planetarna.

Poniżej przedstawione jest inne rozwiązanie z napędem indywidualnym kół z zastosowaniem klasycznych przekładni z układem wału drążonego i przegubowego zintegrowanych w ich obudowach.  

   
a - silnik trakcyjny
b - przekładnia kątowa z mechanizmem podatnego przeniesienia napędu


Zespół napędowy z indywidualnym napędem koła poprzez silnik asynchroniczny z zastosowaniem przekładni w wałem drążonym i przegubowym (134N)


Płaska, niska podłoga i zabudowa strefy wózka z uwzględnieniem zespołów napędowych po zewnętrznych stronach ramy wózka

W tym rozwiązaniu silniki trakcyjne z przekładniami stanowią zwarty zespół konstrukcyjny zamontowany do ramy wózka po jej zewnętrznej stronie. Każde koło napędza niezależny silnik trakcyjny. Przy takim napędzie często stosuje się precyzyjne sterowanie prędkością obrotową kół (dyferencjał elektroniczny). Więcej informacji o transmisji momentu obrotowego znajduje się w kolejnym przykładzie. 

Poniższa fotografie przedstawiają przykładową przekładnię oraz mechanizm napędowy w postaci wału drążonego i wału przegubowego z zastosowanymi sprzęgłąmi: zębatym i pakietowym metalowo-gumowym. 
Rodzaj stosowanych sprzęgieł jest często uzależniony od dostępnej ilości miejsca w zakresie przestrzeni dla zespołów napędowych. Dążenie do stosowania w tramwajach jak największego obszaru niskiej podłogi wpływa na konieczność miniaturyzacji rozwiązań napędowych.

 
Przekładnia (1) i mechanizm napędowy z zastosowaniem wału drążonego i przegubowego oraz sprzęgła zębatego i pakietowego (2) - opis na powiększeniu




4) Zespoły napędowe z grupowym napędem kół to takie, w których jeden silnik trakcyjny napędza dwa koła jezdne po jednej stronie wózka, tworząc tzw. połączenie kół tzw. osią wzdłużną.
Dzięki wyeliminowaniu osi podłoga w pojeździe jest całkowicie płaska (bez pochylni). Zewnętrzne usytuowanie zespołów napędowych analogicznie jak w poprzednich omówionych przykładach przełożyło się na układ wętrza i nadbudowy z siedzeniami na obszarze wózków. 

   


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia 
c - wał drążony - przegubowy, 1 - sprzęgło wejściowe, 2 - sprzęgło wyjściowe
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka

    
   
Zespół napędowy z grupowym napędem kół (opis na 1 i 3 powiększeniu)


Przykładowa przekładnia - widok w przekroju


Zestaw kołowy z osią wykorbioną i przekładniami napędowymi kół 

W powyższym rozwiązaniu silnik trakcyjny ma na obu końcach zamocowane przekładnie osiowe kątowe, które stanowią z nim jeden zespół konstrukcyjny zamocowany do ramy wózka, po jej zewnętrznej stronie (całkowicie usprężynowany).

 
Wibroizolatory mocowania zespołu napędowego do ramy wózka

Moment obrotowy przenoszony jest z silnika na przekładnie zintegrowane z krótkimi wałami drążonymi (przegubowymi) i sprzęgłami podatnymi z pakietami elementów metalowo-gumowych klinowych, poprzez które moment obrotowy przenoszony jest na półosie kół.
W omawianym rozwiązaniu koła jezdne są niezależne - nie ma zastosowanej klasycznej osi - w wyniku czego podłoga w tramwaju jest niska na całej długości wagonu i przebiega na jednym poziomie (bez pochylni).


Uproszczony schemat przekładni z wałem drążonym / przegubowym i sprzęgłami
A - przekładnia
B - kadłub łożyska osi (maźnica)
C - oś koła
1 - wał drążony przekładni, do którego przymocowane jest jej wyjściowe koło zębate
2 - sprzęgło podatne wejściowe
3 - wał drążony - przegubowy
4 - sprzęgło podatne wyjściowe 
x - jarzmo sprzęgła połączone z zestawm kołowym
y - jarzmo sprzęgła połączone z wałem drążonym przekładni
z - pakiety metalowo-gumowe (podatność sprzęgieł)

Powyższe zespoły napędowe zastosowane są na przykład w tramwajach serii Combino SIEMENSa, czy też wagonach rumuńskiej firmy ASTRA produkowanych na licencji SIEMENSa.


Opisane w powyższych rozdziałach wózki przystosowane do tramwajów z niską podłogą umożliwiają utrzymanie jej przebiegu na wysokości około 350 mm powyżej główki szyny, z lekkimi wzniosami z zastosowaniem pochylni, gdy stosowane są klasyczne osiowe zestawy kołowe. Chęć dalszego obniżania podłogi wymaga rezygnacji ze stosowania klasycznych wózków jedno lub dwuosiowych, na rzecz rozwiązania z zastosowaniem przegubu portalowego, stanowiącego jednocześnie podwozie pojazdu (wózki portalowe jednoosiowe). Taki układ, pozwalający na obniżenie podłogi do poziomu aż 200 mm powyżej główki szyny zostało wdrożone przez koncern SIEMENS w latach 90 ubiegłego wieku, w tramwajach serii ULF "Ultra Low Flor Tram", które eksploatowane są w Wiedniu oraz rumuńskim mieście Oradea.

  
Tramwaj ULF w Wiedniu


Układ zespołów napędowych w tramwaju ULF
a  -silnik trakcyjny
b - przekładnia jednostopniowa

W wagonach tych zespoły napędowe zintegrowane zostały z przegubami międyczłonowymi. Jednoosiowe zestawy kołowe z niezależnie obracającymi się kołami napędzane są poprzez niezależne silniki trakcyjne usytuowane wraz przekładniami pionowo w konstrukcji przegubu międzyczonowego. Sąsiednie człony zostały zawieszone na przegubach stanowiących jednocześnie wspomniany układ jezdny tramwaju.
Więcej informacji o budowie wagonów ULF i ich zespołów napędowych można znaleźć - tutaj. 

II - ZESPOŁY NAPĘDOWE Z SILNIKAMI TRAKCYJNYMI MONTOWANYMI DO NADWOZIA

W powyższym rozdziale omówione zostały najpopularniejsze rozwiązania zespołow napędowych, których silniki trakcyjne zamontowane są do ram wózków. Poniżej przykładowe rozwiązania z tramwajów, w których silniki trakcyjne zostały zamontowane w nadwoziu w celu obniżenia masy wózków. 

Wózek z zespołem napędowym z silnikiem trakcyjnym zamontowanym do nadwozia wagonu
a - silnik trakcyjny
b - wał przegubowy Kardana
c - przekładnia kątowo - walcowa
d - przekładnia walcowa
e - wał napędowy międzyprzekładniowy 
punkty pomarańczowe - miejsca mocowań do ramy wózka
punkty żółte - miejsca mocowań do nadwozia wagonu

Poniżej przykład zespołów napędowych z silnikami montowanymi do nadwozia tramwaju, w którym zastosowane są wózki jednoosiowe ustawiane radialnie do przebiegu łuku poziomego toru.


a - silnik trakcyjny
b - przekładnia pośrednia stanowiąca z silnikiem zespół konstrukcyjny 
c - wał przegubowy Kardana
d - przekładnia jednostopniowa
punkty żółte - miejsca mocowań do nadwozia wagonu

Powyżej przedstawione przykłady zespołów napędowych to wybrane i najbardziej popularne rozwiązania. Opis ten stanowi ich podstawową charakterystykę. W celu bliższego poznania budowy pojazdów poszczególnych z nich zachęcam do zapoznania się z opisami poszczególnych typów tramwajów - zobacz.

Polecam również zapoznanie się ze szczegółowym opisem rozwiązań technicznych taboru kolejowego w tym też układów napędowych - zobacz.