В процессах взаимодействия пути и подвижного состава участвуют массы колесных пар, тележек, кузова и других элементов механической части экипажа, соединенные между собой упругими или жесткими связями.
Существенное влияние на эти процессы оказывают также масса и момент инерции привода (тяговых двигателей и передаточных механизмов, соединенных с тележкой или с колесной парой жесткими или упругими связями). Поэтому при исследованиях процессов взаимодействия пути и подвижного состава необходимо учитывать конструктивные особенности привода.
Различают два основных типа подвешивания тягового привода: опорно-осевое и опорно-рамное. Опорно-осевое подвешивание (так называемая трамвайная подвеска) получило широкое распространение на всех грузовых локомотивах и локомотивах, имеющих сравнительно небольшую скорость движения (рис. 19). Опорно-рамное подвешивание, как правило, применяется на высокоскоростном подвижном составе.
Рис. 19. Схема опорно-осевого подвешивания тягового двигателя:
- — тяговый двигатель; 2 — ведомая шестерня редуктора; 3 — ведущая шестерня редуктора; 4 — упругая подвеска двигателя на раме тележки
При опорно-осевом подвешивании тяговый двигатель одной стороной жестко опирается на ось колесной пары через моторноосевые подшипники, а другой на упругих элементах подвешивается к поперечной балке рамы тележки. Таким образом, двигатель опирается двумя точками на ось колесной пары и одной точкой подвешивается на поперечной балке рамы тележки. Вращающий момент от вала двигателя передается на колесную пару через редуктор, состоящий из одноступенчатой зубчатой передачи. При этом одна шестерня насажена на вал двигателя, а другая — на ось колесной пары или на удлиненную ступицу колеса.
При различных конструкциях опорно-осевого подвешивания к необрессоренной массе следует относить массу лишь тех элементов, которые имеют жесткие связи (контакт) с рельсами. Массы остальных элементов подвешивания следует считать присоединенными к необрессоренной массе через упругие элементы (с присущей этим элементам жесткостью). Однако при опорноосевом подвешивании весьма значительная доля массы двигателя и редуктора (примерно половина) жестко соединена с осью. За счет этого существенно увеличивается динамическое воздействие на верхнее строение железнодорожного пути, колесные пары, зубчатые передачи, ухудшаются условия электрической коммутации двигателей. В связи с этим сейчас все шире стали применять опорно-рамное подвешивание привода. При опорно-рамном подвешивании двигатель подвешивается на упругих связях на раме тележки и связан упругими элементами или непосредственно с колесной парой, или с промежуточными элементами, передающими вращающий момент колесной паре. За счет деформаций упругих элементов сам двигатель или двигатель совместно с редуктором может упруго перемещаться относительно колесной пары.
В практике локомотивостроения сейчас применяют четыре основные принципиально различающиеся схемы опорно-рамного подвешивания двигателя. Первая группа конструкций приводов отличается тем, что тяговый двигатель укреплен на раме тележки, а упругие связи (так называемые подвижные элементы) привода установлены между ведущей шестерней редуктора и колесной парой (рис. 20). В этом случае обрессорены и двигатель и редуктор.
Привод первой группы имеет полый вал, охватывающий ось колесной пары. Между внутренними стенками полого вала и осью колесной пары имеется зазор. На концах полого вала установлены ведомые зубчатые колеса. Между зубчатым колесом и колесной парой установлены подвижные элементы.
Рис. 20. Схема опорно-рамного подвешивания тягового двигателя типа «Альстом»:
1 — полый вал; 2 — тяговый двигатель; 3 — ведущая шестерня; 4 — ведомая шестерня; 5 — подвижные элементы; 6 — диск колесного центра
Рис. 21. Схема опорно-рамного подвешивания тягового двигателя типа «Сешерон»:
1 — рама тележки; 2 — шарнир подвески редуктора; 3 — ведущая шестерня; 4 — тяговый двигатель; 5 — ведомое зубчатое колесо; 6 — подвижные элементы; 7 — кожух редуктора; 8 — торсионный вал
Существует большое количество различных конструкций подвижных элементов. Привод первой группы (типа «Альстом») применен, например, на отечественных тепловозах ТЭП60.
Во второй группе конструкций приводов (рис. 21) редуктор подвешен непосредственно на колесной паре, а двигатель — на раме тележки. Здесь обрессорен полностью только двигатель. Подвижные элементы во второй группе приводов устанавливаются или с двух сторон тягового двигателя и соединяются между собой торсионным валом или размещаются между ведущей шестерней и хвостовиками вала двигателя. Приводы этой группы (типа «Сешерон») применены, например, на электропоездах ЭР1 и на электровозе ЧС1 первых выпусков.
Третья группа конструкций подвешивания привода применяется при двигателях большой мощности и больших габаритных размерах. В этом случае приходится между ведущей и ведомой шестерней насаживать промежуточную шестерню. При этом упругие элементы устанавливаются с одной стороны между колесной парой и диском полого вала, а с другой между диском полого вала и ведомым зубчатым колесом. Такая конструкция характерна для привода типа «Жакмен».
Конструкции четвертой группы приводов близки к конструкции приводов с опорно-осевым подвешиванием (рис. 22). Здесь тяговый двигатель опорно-осевыми подшипниками опирается на полый вал, упруго соединенный с колесами. На валу насажены ведомые шестерни. Последние с помощью подвижных элементов соединены с колесной парой. Приводы такой конструкции (фирмы «Сименс-Шуккерт») применяются на некоторых типах немецких электровозов (Е10, Е40 и др.). Детальное описание конструкций опорно-осевого и опорно-рамного подвешивания привода дано в работе [34].
Кроме опорно-осевого и опорно-рамного подвешивания привода, у тепловозов иногда применяется раздача мощности к осям так называемой гидромеханической передачей.
Рис. 22. Схема опорно-рамного подвешивания тягового двигателя типа «Сименс-Шуккерт»:
1 — рама тележки; 2 — тяговый двигатель; 3 — ведущая шестерня; 4 — ведомое зубчатое колесо; 5 — подвижные элементы; 6 — центр колеса
В таких тепловозах, как правило, используются быстроходные дизели, соединенные карданным валом с гидравлической передачей. Вращающий момент от выходного вала гидравлической передачи в большинстве случаев передается через карданный привод к осевым редукторам колесных пар. В этом случае на каждой оси устанавливаются пары конических шестерен, соединенны с карданным валом с выходным валом гидропередачи. Следовательно, при такого рода конструкциях к массе колесной пары присоединена масса редуктора и половина массы карданного вала.
При анализе процессов взаимодействия пути и подвижного состава, особенно при анализе горизонтальных колебаний колесных пар, необходимо также учитывать конструкцию зубчатых передач редуктора. При косозубых и шевронных зубчатых передачах колесная пара при горизонтальных перемещениях вовлекает в эти перемещения и редуктор и соединенные с ним массы. При прямозубых передачах горизонтальные перемещения колесной пары из-за поперечных скольжений зубчатых колес могут не передаваться редуктору и двигателю.