Механическая передача характеризуется жесткой кинематической связью между валом дизеля с колесными парами тепловоза.
Рис. 35. Принципиальная схема механической передачи тепловоза
Принципиальная схема механической передачи показана на рис. 35. Муфта сцепления 1 позволяет отсоединить вал дизеля от колесных пар в моменты пуска дизеля, реверсирования, при включении и переключении ступеней скорости. Многоступенчатый редуктор 2 является основным узлом механической передачи и предназначен для изменения величины касательной силы тяги и реверсирования тепловоза с механической передачей.
При включении ступени скорости в зацепление вводится определенная пара шестерен редуктора, имеющая постоянное передаточное отношение i. Величина передаваемого к колесным парам вращающего момента на валу дизеля Ме изменится в редукторе в 1|i раз. Меняя комбинации пар шестерен, находящихся в зацеплении (т.е. ступени скорости), можно регулировать величину вращающего момента на осях колесных пар Мк, Н/м:
где i — передаточное отношение ступени скорости, например для первой ступени i1 = z1Ιz2·
Чем больше ступеней имеет редуктор (коробка скоростей), тем в большей степени тяговая характеристика тепловоза приближается к гиперболической (идеальной). По условиям эксплуатационной надежности считают, что максимальное число ступеней редуктора не должно превышать восьми.
Для обеспечения простоты переключения ступеней передачи интервалы скоростей определяют из условия
Из-за ограниченности числа ступеней скорости в передаче тяговая характеристика тепловоза с механической передачей имеет вид ступенчатой ломаной линии, заметно отличающейся от гиперболы (рис. 36, а). Ступенчатость тяговой характеристики тепловоза FK=f(V) обусловлена наличием жесткой связи (через шестерни) между входным и выходным валами механической передачи. Касательная сила тяги FK на каждой ступени скорости (участки а-б, в-г, д-е, ж-з на кривой FK=f(V) целиком определяется изменением вращающего момента на валу дизеля, т.е. характеристикой Ме =f(nе). На каждом интервале скорости а V лишь одна точка (б, г, е, з) соответствует режиму номинальной мощности дизеля.
Рис. 36. Расчетные характеристики тепловоза с механической передачей: а — тяговая характеристика; б — кривая изменения касательной мощности
В точках переключения скоростей (б, г, е, з), соответствующих номинальной скорости дизеля Ne ном, касательная сила тяги тепловоза с механической передачей определяется уравнением, Н:
где Ме ном — эффективный вращающий момент дизеля, соответствующий номинальному режиму, Н - м; DK — диаметр колеса колесной пары, м; β — доля затрат мощности на привод вспомогательных механизмов; ij — передаточное отношение на j-й ступени скорости передачи; ηmex — к.п.д. всей механической передачи.
Скорость движения тепловоза с механической передачей, км/ч:
где nе — частота вращения вала дизеля, мин-1.
К недостаткам этого типа передачи нужно также отнести то обстоятельство, что каждое переключение ступеней скорости передачи (при скоростях V1, V2, V3, ...,см. рис. 36, а) связано с полной потерей силы тяги в момент переключения. Это вызывает неизбежное замедление движения поезда, а также приводит к появлению значительных динамических нагрузок на элементы передачи, которые снижают надежность работы тепловозов в условиях эксплуатации.
Таким образом, механическая передача не позволяет полностью использовать мощность дизеля тепловоза, так как процесс переключения ступеней скорости связан с потерями (недоиспользованием) мощности дизеля и уменьшением касательной мощности на ведущих колесах локомотива (см. рис. 36, б, заштрихованные площади).
Существенным недостатком механической передачи на тепловозе, особенно при больших мощностях и вращающих моментах, является жесткая непосредственная связь вала дизеля и ведущих осей локомотива, при которой все усилия и ускорения, возникающие между колесами и рельсами, воздействуют и на зубчатые колеса, валы и подшипники передачи, и на вал дизеля.
Механические передачи применяют на локомотивах малой мощности: автомотрисах, мотовозах, промышленных тепловозах, дизель-поездах.