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.

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


 
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.

   
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 lub może być wyposażona w układ siłownika hydraulicznego przełączania kierunku.

   
Przekładnie osiowe w wózku (opis na 1 powiększeniu)

 
Przekładnia osiowa pośrednia - nawrotna (1) z widokiem instalacji siłownika przełączania kierunku obrotów (2) - opis na 2 powiększeniu

 
Przekładnia osiowa 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

   
Przekładnia hydrauliczna niezależna od jednostki napędowej (opis na powiększeniu)

   
Wał Cardana pomiędzy przekładnią główną, a przekładnią osiową

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