KONSTRUKČNÍ NÁVRH PŘEVODOVKY PRO POHON DVOJKOLÍ REGIONÁLNÍHO VOZIDLA S ELEKTRICKÝM MOTOREM SVOČ FST 2014 Petr Macher Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, 306 14 Plzeň Česká republika ABSTRAKT Cílem této práce je navrhnout reálný konstrukční návrh převodovky pro regionální jednotku (vozidlo) s elektrickým motorem. Nejprve je nutno vybrat vhodný druh pohonu dvojkolí podle zadaných parametrů. Nejčastěji se jedná o pohon se zubovou spojkou a pohon kloubovou hřídelí procházející dutinou rotoru. Následně vypočítat ozubení a určit vhodný typ, provést pevnostní výpočet zjednodušeného modelu převodové skříně, ze kterého vzejde konečný konstrukční návrh. Nakonec určit a početně podložit uložení hřídelí a navrhnout řešení těsnění tak, aby docházelo k minimálnímu úniku oleje ze skříně. KLÍČOVÁ SLOVA Jednotka, skříň, pastorek, náprava, labyrint ÚVOD Regionální elektrické jednotky jsou určeny především pro provoz s rychlejší výměnou cestujících. K tomuto účelu slouží široké vstupy se sníženou úrovní podlahy. Odpadá tak těžké nastupování do strmých schodů, což určitě ocení běžní cestující, ale i vozíčkáři nebo rodiny s kočárky. Při stavbě skříní vozidel se používají především lehké kovy, díky kterým lze dosáhnout snížení hmotnosti celé jednotky, ta pak nespotřebuje tolik energie a provozovatel šetří náklady. Elektrické jednotky mohou být jak v jednopodlažním, tak i dvojpodlažním provedení. Například u nás vyrobený a používaný City Elefant. Přidáním druhého podlaží se navýší kapacita vozu, což je výhodné pro tratě s požadavkem pro velkou přepravní kapacitu. Z jednopodlažních jednotek je na našich tratích možno spatřit například polský RegioShark nebo český RegioPanter. Převodovka slouží k přenosu točivého momentu z elektromotoru na dvojkolí. Může být jedno i vícestupňová. ZADANÉ PARAMETRY P = 340 kw (výkon elektromotoru) 3500 ot/min průměr dvojkolí 920mm rozchod 1435mm maximální rychlost vozidla 140km/h VÝBĚR DRUHU POHONU DVOJKOLÍ Druh pohonu je vybírán především podle výkonu elektromotoru, ten určuje jeho velikost a tím pádem i volný pracovní prostor pro převodovou skříň. Nejčastějšími pohony dvojkolí regionálních jednotek jsou pohon se zubovou spojkou a pohon kloubovou hřídelí procházející dutinou rotoru.
Pohon dvojkolí se zubovou spojkou 1 rám podvozku 2 trakční motor 3 nápravová převodovka 4 zubová spojka 5 závěska Obrázek 1 - schéma pohonu se zubovou spojkou Točivý moment je přenášen z motoru 2 na pastorek pomocí zubové spojky 4, která zároveň tlumí svislé pohyby vypruženého motoru vůči převodovce. Převodová skříň 3 je umístěna na nápravě a zavěšena na rám 1 pomocí závěsky 5. Toto řešení se používá u trakčních motorů menších výkonů (kolem 350kW). Motor s menším výkonem má z pravidla i menší rozměr, díky tomu je mezi ním a převodovou skříní dostatek místa pro použití zubové spojky. Pohon kloubovou hřídelí procházející dutinou rotoru 1 rám podvozku 2 trakční motor 3 dutý rotor 4 kloubová hřídel 5 kloub 6 převodovka 7 pastorek 8 hnané ozubené kolo 9 závěska 10 kloub Obrázek 2 - schéma pohonu kloubovou hřídelí procházející dutým rotorem Přenos točivého momentu z motoru 2 na pastorek 7 je zajištěn pomocí kloubové hřídele 4. Ta je k motoru připevněna kloubem 5 a prochází dutinou rotoru 3. Propojení kloubové hřídele 4 s pastorkem 7 je zajištěno pomocí kloubu 5 (v praxi se nejčastěji používají lamelové spojky). Toto řešení se používá u stejnosměrných trakčních motorů velkých výkonů (700kW a více). V rámu podvozku není díky rozměrnému motoru dostatek místa, proto je ke spojení kloubové hřídele s pastorkem používána lamelová spojka.
Nevýhodou je konstrukční uspořádání motoru oproti jiným řešením a délka kloubové hřídele. Ta je oproti předchozímu řešení více namáhána na krut a může zde docházet k většímu průhybu. Výběr varianty pohonu dvojkolí Nejvhodnějším druhem pohonu dvojkolí vzhledem k zadaným parametrům je varianta se zubovou spojkou. Vzhledem k výkonu trakčního motoru 330 kw lze očekávat, že motor není příliš rozměrný, proto je na použití zubové spojky v prostoru rámu podvozku dostatek místa. Jednou z výhod oproti řešení s lamelovou spojkou je, že zubová spojka, mimo přenosu točivého momentu, zároveň tlumí relativní svislé pohyby vypruženého motoru vůči převodovce. VÝPOČTY Potřebné veličiny jsou vypočítány v pěti zatěžovacích stavech rozdělených podle rychlosti vozidla (tab. 1) Podle tabulek je patrné, že s přibývající rychlostí klesá točivý moment Mk a narůstají otáčky n. Životnost Lh je stanovena úvahou, kdy se osobních železničních vozů v praxi uvažuje trvanlivost nápravových ložisek 3 10 6 km (poté se provádí revize) a průměrná rychlost vozidla na trati Plzeň-Domažlice činí 65 km/h. V tabulce 2 jsou znázorněny průběhy sil v na šikmých zubech (obr. 3), ze kterých se dále vychází při výpočtu ozubení. Tabulka 1 - zatěžovací stavy hřídel 1 - pastorek z. stav Mk[N/m] n[ot/min] Lh[hod] v[m/s] v[km/h] n[ot/s] 1 2805,0 1123,447 47000 11,111 40 18,724 2 1870,0 1685,170 47000 16,667 60 28,086 3 1402,5 2246,893 47000 22,222 80 37,448 4 1122,0 2808,617 47000 27,778 100 46,810 5 935,0 3370,340 47000 33,333 120 56,172 hřídel 2 - náprava z. stav Mk n[ot/min] Lh[hod] v[m/s] v[km/h] n[ot/s] 1 12622,5 249,655 47000 11,111 40 4,161 2 8415,0 374,482 47000 16,667 60 6,241 3 6311,3 499,310 47000 22,222 80 8,322 4 5049,0 624,137 47000 27,778 100 10,402 5 4207,5 748,964 47000 33,333 120 12,483 Tabulka 2 - zatěžovací stavy - síly v ozubení z. stav Mk[N/m] Fo Fr Fa 1 2805,000 43008,280 16205,938 11524,034 2 1870,000 28672,186 10803,958 7682,689 3 1402,500 21504,140 8102,969 5762,017 4 1122,000 17203,312 6482,375 4609,614 5 935,000 14336,093 5401,979 3841,345 Obrázek 3- síly v ozubení
PEVNOSTNÍ ANALÝZA SKŘÍNĚ Před výsledným návrhem převodové skříně byla provedena pevnostní analýza jejího zjednodušeného modelu. Na obr. 4 jsou vidět nejvíce namáhaná místa při rychlosti 40km/h. Nejnamáhanější místo převodové skříně je prostor pro svislou závěsku, kterou je zavěšena vrchní část skříně k rámu podvozku. Obrázek 4 - pevnostní analýza skříně KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ PŘEVODOVÉ SKŘÍNĚ Podle technologie výroby se převodové skříně dělí na odlitky a svařence. Vzhledem k uvažovanému počtu vyráběných kusů byla vybrána svařovaná konstrukce skříně (obr. 5). Oproti odlitku je toto řešení výrazně levnější, nevýhodou je možné zkroucení skříně při svařování, proto jsou na všech funkčních plochách přídavky na obrábění (červená barva). V místě pro závěsku, kde v pevnostní analýze vyšlo největší napětí, je závěskový plech protažen až k obvodovému plechu a je oboustranně přivařen koutovým svarem ze tří stran (obr. 6). Tím bylo dosaženo větší tuhosti. Skříň je dělená, dělící rovina prochází osou nápravy, pastorek s ložisky a těsněním je do skříně vložen ze strany. Obrázek 5 - svařenec skříně
Obrázek 6 převodovka ULOŽENÍ A ŘEŠENÍ TĚSNĚNÍ Nejčastějším problémem u všech typů převodovek je únik oleje ze skříně. Hřídelová těsnění se dělí na kontaktní a bezkontaktní. Při použití kontaktních těsnění dochází časem při vysokých obvodových rychlostech k poškození hřídele a těsnění tím ztrácí svou funkci (obr. 7). Vzniká mezera mezi těsněním a hřídelí, kterou začne unikat olej. Dražším, ale vhodnějším řešením jsou těsnění bezkontaktní neboli labyrintová. Při vhodné konstrukci je únik mazacího média minimální. Obrázek 7 - poškozené pouzdro Radiální síly na vstupní hřídeli (pastorku) zachycují dvě válečková ložiska, axiální síly pak jedno dvouřadé kuličkové ložisko s kosoúhlým stykem. Na obrázku 8 je vidět vlastní návrh řešení labyrintů. Když se kapka média dostane k ostřikovacímu kroužku nalisovanému na rotující hřídeli, odstředivou silou dojde k jejímu odtržení, dostane se do labyrintové komory a po obvodu steče do nejnižšího místa příruby, kde je vyvrtán odtokový kanál. První dvě labyrintové komory směrem z vnitřku skříně ven slouží pro odtok oleje zpět a zbylé dvě komory slouží pro zabránění styku vody z vnějšku s olejem.
Obrázek 8 - řez pastorkem U nápravy (obr. 9) je těsnění téměř stejné s tím rozdílem, že je zde o jeden labyrint na odtok vody více. Důvodem je, že náprava je umístěna níže než pastorek a kapičky vody z okolí se k ní dostanou snáze. Radiální i axiální síly zde zachycují dvě dvouřadá soudečková ložiska.
Obrázek 9 - řez nápravou ZÁVĚR A DOPORUČENÍ Všechny provedené výpočty s rezervou vyšly (pevnostní výpočet skříně, výpočty uložení, hřídelí a ozubených kol). Při svařování skříně by podle výpočtů nemělo dojít k výraznému zkroucení, před zahájením výroby prototypu je ovšem nutná technologická zkouška. Kdyby k výraznému zkroucení svařence přeci jen došlo, je možné konstrukci z vnější strany vyztužit navařenými žebry. Dále je nutno použít olejotěsné svary a provést před výrobou prototypu zkoušku těsnosti. Skutečná funkčnost labyrintů se dá prověřit až v praxi. PODĚKOVÁNÍ Poděkování patří vedoucímu práce Doc. Petru Hellerovi. LITERATURA Knižní publikace: [1] DOSTÁL, J., HELLER, P. Kolejová vozidla I Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2010. ISBN 978-80-7043-960-9 [2] DOSTÁL, J., HELLER, P. Kolejová vozidla II Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2009. ISBN 978-80-7043-641-7 [3] DOSTÁL, J., HELLER, P. Kolejová vozidla III Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, 2011. ISBN 978-80-261-0028-7