Теория механического оборудования городского транспорта - Привод с осевым подвешиванием тягового двигателя

ПРИВОД С ОСЕВЫМ ПОДВЕШИВАНИЕМ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ (МОТОР-КОЛECO)
В настоящее время в нашей стране и за рубежом на подвижном составе безрельсового транспорта (электробусах, троллейбусах, троллейвозах с аккумуляторной тягой и т. д.) начинает получать применение электрический привод с осевым подвешиванием тягового двигателя.
Создание конструкции индивидуального привода этого типа позволило максимально использовать внутреннее пространство обода колеса для размещения элементов привода и получить агрегат, конструктивно объединяющий с колесом тяговый электродвигатель, редуктор и элементы тормозного оборудования. Этот агрегат получил название электромотор- колеса или просто мотор-колеса.
Характерной особенностью привода с осевым креплением тягового двигателя является жесткая связь тягового электродвигателя и редуктора с неподрессоренными элементами ходовых частей экипажа и, как правило, соосное расположение якоря тягового двигателя с осью колеса.
При этом оказалось возможным осуществить весьма рациональную компоновку перечисленных элементов и отказаться от применения ряда узлов и деталей, используемых в обычных дифференциальных передачах.
Применение индивидуального привода с мотор-колесами на подвижном составе городского общественного транспорта позволяет:

1. упростить тяговую передачу и снизить ее вес за счет исключения карданного вала, полуосей, дифференциала, применения планетарных редукторов;
2. понизить уровень пола пассажирского салона, что имеет большое значение для ускорения пассажирообмена и увеличения провозной способности подвижного состава;
3. исключить вибрации кузова, обусловленные работой карданного вала, и за счет этого повысить его долговечность;
4. выполнить контактный и автономный безрельсовый подвижной состав по принципиально новым конструктивным схемам.

Применение мотор-колес позволяет, в частности, создавать многозвенный шарнирно сочлененный безрельсовый подвижной состав большой вместимости, способный реализовать повышенный сцепной вес, обладающий высокой надежностью и безопасностью эксплуатации независимо от сезонного состояния дорожного покрытия на маршрутах с тяжелым профилем, в том числе и на междугородных маршрутах.
Основным типом передачи между электродвигателем и колесом в мотор-колесах является механическая передача. При этом применяются обычные и планетарные редукторы, а также редукторы, выполненные по схемам, представляющим комбинацию первых двух типов.
Для осевого привода подвижного состава городского электрического транспорта применяют в основном односкоростные планетарные редукторы, которые помимо обеспечения соосности якорного вала электродвигателя и входного вала редуктора передачи, компактности, бесшумности, разгрузки центральных валов от изгиба и т. д. наиболее полно отвечают требованиям компоновки редуктора внутри обода мотор-колеса.
Габаритные ограничения, компоновку и взаимное расположение агрегатов мотор-колеса и механического оборудования экипажа определяют (рис. 13.13):

1. принимаемая колея экипажа К;
2. осевые ограничения мотор-колеса, обусловленные необходимостью максимального понижения уровня пола в пассажирском салоне и допустимым расстоянием от внешней точки ступицы до габаритной ширины Ш экипажа;
3. высота h2 между верхними точками а, b и с мотор-колеса и элементами кузова, определяемая необходимым вертикальным ходом мотор-колеса на подвеске;
4. радиус поперечной проходимости;
5. клиренс h.

Рис. 13.13. Габаритные ограничения установки мотор-колес
1 — колесо; 2 — редуктор; 3 — тормозной механизм; 4 — тяговый двигатель; 5 — опорные подшипники ступицы колеса; 6 — направление выброса охлаждающего воздуха

Конструкция самих мотор-колес и основные характеристики их агрегатов (параметры двигателя, тормозных устройств, тип и передаточное число редуктора и т. д.) определяются заданными условиями эксплуатации подвижного состава, а также колесным движителем: конструкцией и грузоподъемностью его шины, типом обода, способом крепления, обода и шины и т. д.
В мотор-колесах могут применяться (рис. 13.14) центральные (схема а) и колесные (схема б) тормозные механизмы.

Рис. 13.14. Схемы компоновки мотор-колес с тормозными механизмами:
а — центральным; б — колесным

Центральные тормозные механизмы (обычно дискового типа) устанавливаются на валу якоря тягового электродвигателя со стороны коллектора. Использование передаточного числа редуктора значительно уменьшает величину тормозного момента на фрикционных парах и диаметральные размеры тормозного механизма.
Компоновка тормозного механизма на валу якоря тягового двигателя упрощает также отвод охлаждающего воздуха из тягового двигателя и установку опорного элемента подвески ближе к колесу, благодаря этому уменьшается плечо I между точками опор колеса и подвески, а следовательно, и величина крутящего момента в узле соединения колеса с несущим элементом подвески.
Недостатком центрального расположения тормозного механизма является необходимость вывода второго конца вала якоря тягового двигателя и определенное увеличение осевого габарита мотор-колеса. Оно затрудняет также выполнение передачи ручного привора тормозного механизма, обязательного на пассажирском подвижном составе городского электрического транспорта.
Применение колесных тормозных механизмов (схема б) требует их выполнения на полный тормозной момент мотор-колеса. Обычно тормозной механизм этого типа располагают с внутренней стороны колеса.
Однако такое расположение тормозного механизма затрудняет отвод из мотор-колеса охлаждающего воздуха, усложняет компоновку и увеличивает плечо между точками опор колеса и подвески до величины l1>l. Вместе с тем осевой габарит мотор-колеса в этом случае уменьшается (l'2>l2).
Подвеска мотор-колеса должна обеспечивать удобный подвод охлаждающего воздуха к тяговому двигателю, сжатого воздуха к приводу тормозного механизма, устанавливаемому на тяговом двигателе, электрической силовой проводки и т. д. Проводка всех этих цепей должна иметь надежное подвижное соединение в зоне шарнирного соединения направляющих устройств подвески с основанием кузова, имеющих минимальные угловые перемещения.
Кинематика подвески мотор-колес должна обеспечивать их вертикальные перемещения таким образом, чтобы максимально сохранить параллельность перемещения оси тягового двигателя. Этому условию удовлетворяет, например, однорычажная подвеска с продольным качанием рычагов 1 относительно опор 2, схематически показанная на рис. 13.14.
В противном случае возможно появление прецессионных моментов от гироскопического эффекта при изменении положения оси вращения ротора тягового двигателя, которые создают дополнительные нагрузки на опорах подвески и могут являться одной из причин явления «шимми» мотор-колес.
Кроме приведенных на рис. 13.14 возможны и другие компоновки мотор-колес, показанные на рис. 13.15. Компоновка по схеме а неприемлема для подвижного состава городского транспорта, так как не позволяет осуществить независимую параллельную вентиляцию тягового двигателя и, следовательно, выполнить его с минимальными габаритами. Это затрудняет вписывание таких двигателей в диаметральный габарит обода. Компоновка по схеме б с установкой опорных подшипников ступиц на корпусе двигателя требует применения подшипников и сальников больших диаметров и затрудняет отвод воздуха под кузов. Компоновка по схеме в с установкой опорных подшипников между тяговым двигателем и редуктором позволяет применить подшипники и уплотнения малого диаметра, обеспечить простую схему охлаждения тягового двигателя с отводом охлаждающего воздуха под кузов. Недостатки этой схемы заключаются в увеличении осевого габарита мотор-колеса и сложности установки и регулировки опорных подшипников, которые монтируют до сборки редуктора.

Основными источниками тепловыделений в мотор-колесе являются тяговый двигатель, редуктор и тормозной механизм, объединенные в сравнительно небольших габаритах. Поэтому при разработке электро- мотор-колес большое внимание уделяется охлаждению его основных агрегатов.
Для охлаждения электродвигателей мотор-колес применяются системы независимой параллельной вентиляции или самовентиляция.

Рис. 13.15. Схемы компоновки мотор-колес при различном взаимном расположении редуктора и тягового двигателя
1 — тяговый двигатель; 2 — редуктор; 3 — тормоз; 4 — направляющее устройство подвески; 5 — рама кузова; 6 — опорные подшипники ступицы колеса

При компоновке мотор-колес независимую вентиляцию тягового двигателя стремятся выполнить таким образом, чтобы направить отвод охлаждающего воздуха во внутреннюю сторону экипажа по направлению стрелки 6, как показано на рис. 13.13. В противном случае непрерывный поток охлаждающего воздуха из тяговых двигателей ведущих колес экипажа, выходящий вблизи расположения входных дверей, затруднит посадку пассажиров.
Теплоотдача редукторов мотор-колес помимо соответствующих компоновочных решений повышается принудительным обдувом картера или использованием в качестве вращающегося картера ступицы колеса, улучшающим перемешивание смазки редуктора.
Более интенсивный теплоотвод от тормозных устройств в некоторых конструкциях достигается их размещением в подводящих воздухопроводах системы вентиляции тягового электродвигателя.
Габаритные ограничения, связанные с размещением элементов мотор- колеса, определяют необходимость специального конструктивного оформления его основных узлов. В частности, для уменьшения осевого габарита в тяговых двигателях постоянного тока применяют коллекторы торцового типа; корпус двигателя часто используют в качестве оси колеса, выполняя его с посадочными местами для внутренних обойм опорных подшипников ступиц и фланцами для крепления к деталям подвески; подшипниковые щиты тягового двигателя используют для установки деталей редуктора и т. д.
Примером подобного рода разработок может служить мотор-колесо, предназначенное для электробусов фирмы «Ателье де конструксьон электрик де Шарлеруа» (Бельгия), конструктивная схема которого показана на рис. 13.16.
Трубчатая балка 1 ведущего моста жестко соединена с монтажным цилиндром 2, ось которого расположена выше оси балки и параллельна ей. Монтажный цилиндр служит для крепления корпуса тягового электродвигателя 3, который фиксируется в цилиндре 2 болтом 4.
Электродвигатель постоянного тока имеет коллектор 5 торцового типа.
К корпусу электродвигателя крепится опора 6, на которой установлена ступица 7 колеса. К ступице шпильками крепятся ободы 8 колес и тормозной барабан 9. Ступица колеса одновременно служит корпусом двухрядного планетарного редуктора.

Рис. 13.16. Конструктивная схема мотор-колеса электробуса фирмы «Ателье де конструксьон электрик де Шарлеруа» (Бельгия)

Смещенное по отношению к оси мотор-колеса расположение несущей балки моста дает возможность понизить уровень пола в салоне электробуса. Специальное исполнение деталей мотор-колеса позволяет использовать их для выполнения одновременно различных функций и снизить вес агрегата в целом. Корпус тягового двигателя выполнен несущим. Внутренний подшипниковый щит двигателя имеет специальную конструкцию и служит для монтажа мотор-колеса на машине. Применение торцового коллектора позволяет использовать всю поверхность корпуса двигателя для монтажных целей и уменьшить осевой габарит мотор-колеса; смотровые люки перенесены на внутренний подшипниковый щит двигателя. Однако выполнение корпусом и подшипниковыми щитами ряда различных функций затрудняет демонтаж, замену и эксплуатацию двигателя.
На рис. 13.17 показана конструкция мотор-колеса с независимой подвеской.
Несущим элементом мотор-колеса служит стакан 1, на котором фланцем 2 крепится тяговый двигатель 3. Корпус редуктора мотор-колеса образуют ступица 4, неподвижная крышка 5, связанная с передним щитом тягового двигателя, и крышка-водило 6, установленная на ступице. Подвижные и неподвижные части корпуса редуктора уплотняются  сальниками 6 и 7. Стакан 1 имеет приливы для установки пневматического упругого элемента 8 и крепления рычагов подвески 9, которыми мотор- колесе крепится к раме 10 кузова.
Опорные подшипники 11 ступицы 4 установлены на неподвижных сдвоенных коронных шестернях 12 редуктора, жестко связанных с опорным стаканом 1 и образующих ось колеса. Тормозной механизм мотор- колеса — колодочный барабанного типа. Тормозной барабан 17 укреплен на внутренней стороне ступицы 4. На ее внешней конусной посадочной поверхности установлен бездисковый обод 18 колеса.

Рис. 13.17. Конструктивная схема мотор-колеса с независимой пневматической подвеской

Общая система смазки зубчатых колес редуктора и подшипников ступицы колеса позволяет уменьшить количество уплотнений и увеличить объем масляной ванны редуктора. Вентиляция тягового двигателя — независимая параллельная.
Охлаждающий воздух через патрубок 13 и кожух 14 поступает в тяговый двигатель, прогоняется через него, затем через отверстие 15 стакана 1 и вырезы в тормозных колодках 16 отводится наружу.