輪對空心軸驅動方式
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輪對空心軸驅動方式是鐵路機車車輛使用的牽引傳動裝置類型之一，也是應用歷史最悠久的架懸式驅動裝置。該驅動方式的特點將牽引馬達安裝在轉向架（轉向架式機車）或底盤（底盤式機車）上，而車軸外面套了一根同心的空心軸，空心軸和車軸間留有足夠的間隙，允許發生軌道衝擊時車軸的上下運動和通過曲線時的傾斜，而車軸（或車輪）與空心軸（或大齒輪）之間設有可適應各方向運動的彈性聯軸器，以補償輪對與轉向架構架（即牽引馬達）之間自由的相對運動。彈性聯軸器對於各向運動的適應性既可以由彈簧實現，也可以採用彈性構件或關節機構來組成聯軸器。因此，在鐵路技術的漫長發展歷史過程中，先後出現了許多形式的輪對空心軸驅動裝置。
輪對空心軸驅動方式一如其他類型的架懸式驅動裝置，其主要優點是減輕機車車輛的簧下重量，降低輪軌間的垂向動作用力，提高車輛的運轉平穩與安全性能，為提高列車運轉速度創造有利條件。除此之外，由於路線不平順對牽引馬達及牽引齒輪副的衝擊，經過彈性元件的振動隔離作用而大幅降低，因而延長了牽引馬達及牽引齒輪副的工作壽命。
發展簡史 編輯
1900年代，西屋電氣公司發明了首先採用彈簧聯軸器的輪對空心軸驅動裝置——威斯汀豪斯驅動裝置。1920年代至1930年代間，隨著歐洲鐵路幹線的電氣化以及客運電力機車的發展，在歐洲多國出現了多種形式的輪對空心軸驅動裝置，例如在威斯汀豪斯驅動裝置基礎上改良的賽雪龍彈簧驅動裝置，以及使用彈簧套筒聯軸器的AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置。而義大利國家鐵路也研製出使用鋼板彈簧聯軸器的比亞恩基驅動裝置和內格里驅動裝置，以及使用橡膠盤聯軸器的法內利驅動裝置。使用關節機構作為彈性聯軸器的輪對空心軸驅動裝置則是由法國阿爾斯通公司發明，亦即是著名的阿爾斯通浮動盤式驅動裝置，後來德國亨舍爾公司和義大利國家鐵路也分別對其作出了改進。
以上這些早期的輪對空心軸驅動裝置結構都比較簡單，驅動元件幾乎只布置在牽引馬達一端的垂直平面內，水平方向伸展與牽引馬達寬度相比較短，既可以設計成單邊傳動，也可以採用雙邊傳動；而且它們都屬於單級彈性傳動系統，彈性元件只設置在空心軸（或大齒輪）與車輪之間。第二次世界大戰結束後隨著各國鐵路的列車運轉速度不斷提高，使用雙級彈性傳動系統的輪對空心軸驅動裝置應運而生，例如法國的傑奎明驅動裝置和德國的BBC雙空心軸驅動裝置。在這種結構形式中，驅動元件除了布置在牽引馬達一端的垂直平面內，還在水平方向從輪對的一側延伸至另外一側；其中一組彈性元件設置在大齒輪與空心軸之間，另一組彈性元件設置在空心軸與車輪之間，如此一來牽引馬達與輪對之間就得到了兩級彈性的隔離。由於這類傳動裝置較為複雜而且占用空間也較多，因此通常只能設計成單側齒輪單邊傳動的結構。
主要類型 編輯
威斯汀豪斯驅動裝置 編輯
1900年代，美國西屋電氣公司發明了第一種輪對空心軸驅動裝置——威斯汀豪斯驅動裝置（Westinghouse quill drive），一組雙轉子牽引馬達安裝在底盤式機車的底盤上，同心套裝在車軸外面的空心軸通過抱軸承支撐在雙轉子牽引馬達的機座上，驅動裝置中的大齒輪固定安裝空心軸的一端，大齒輪通過伸入到車輪輻條間的彈簧聯軸器與輪對相連，而在空心軸另一端的盤形端面法蘭亦有相同形式的彈簧聯軸器[1]。
彈簧連軸器是由六個相隔60°布置的捲簧及夾爪組成，當輪對轉動時其中一邊車輪的彈簧受壓，而同一輪對另一邊車輪的彈簧受拉。此外，由於底盤的彈性位移、車輪轉動時的離心力作用、通過曲線時的輪對偏斜等原因，彈簧聯軸器的應力作用關係十分複雜，因此設計時應當儘可能設定較高的彈簧強度，避免彈簧因承受過度應力而導致損壞。這種驅動裝置只能適用於當車輪有較大直徑的情況，從而有足夠空間容納彈簧聯軸器[2]。
威斯汀豪斯驅動裝置早期曾經被應用於美國和瑞士的電力機車，例如賓夕法尼亞鐵路GG1型電力機車、密爾沃基鐵路EP-3型電力機車、波士頓與緬因州鐵路5000型電力機車，以及瑞士聯邦鐵路（SBB）的Be 4/7、Ae 3/5、Ae 3/6 III型電力機車。
賽雪龍彈簧驅動裝置 編輯
1920年代，瑞士賽雪龍公司（SAAS）在威斯汀豪斯驅動裝置的基礎上，設計出經過改良的賽雪龍彈簧驅動裝置（Sécheron-Federantrieb）。這種驅動裝置使用了三組雙彈簧元件，代替威斯汀豪斯驅動裝置的六個獨立捲簧，每組雙彈簧元件通過一個固定彈簧支座與空心軸相連，並通過兩個外側支座與車輪相連。
與威斯汀豪斯驅動裝置相比，由於每個車輪的固定彈簧支座數目由六個減少至三個，加上彈簧聯軸器的結構更為緊湊，使其能夠安裝在直徑較小的車輪上，這樣除了有利於縮短固定軸距和機車長度外，還可以減輕屬於簧下重量的輪對重量，另外亦能夠降低由於動軸相對於空心軸的偏心以及離心力所造成的彈簧附加應力。在這種驅動裝置當中，每個車輪上相對布置的彈簧交替地承受拉壓作用，當機車運轉方向改變時彈簧上的應力作用也相應改變，但兩個車輪上的彈簧拉壓變化始終是相同的[2]。除此之外，這種驅動裝置的結構也便於對彈簧元件的保養，而且也允許對斷裂的彈簧進行焊接，有利於降低維護成本。
賽雪龍彈簧驅動裝置於1926年首次被使用於BLS勒奇山鐵路的Ae 6/8型電力機車，隨後這種被證明為成熟可靠的驅動方式又應用在各種機車車輛，例如聯邦鐵路奧地利（BBÖ）的1170、1170.1、1170.2型電力機車，奧地利聯邦鐵路（ÖBB）的1040型電力機車，博登湖－托根堡鐵路（BT）的Be 4/4型電力機車，蘇聯鐵路的Eel8型柴油機車等。
AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置 編輯
雖然賽雪龍彈簧驅動裝置大大簡化了威斯汀豪斯驅動裝置的結構，但是仍然未能解決因車輪旋轉產生離心力作用致使彈簧受彎的缺點。為了儘可能消除由離心力造成的附加扭轉應力，並且使彈簧在車輪兩個迴轉方向都均衡受壓，德國AEG公司的機械工程師沃爾特·克萊諾夫（Walter Kleinow，1880年—1944年），於1925年研製了第一種採用彈簧套筒的輪對空心軸驅動裝置，稱之為AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置（AEG-Kleinow-Federtopf-Antrieb）[3]。
空心軸兩端法蘭上利用螺栓安裝了六個彈簧支座，每個支座設有一組連接車輪輻條的彈簧套筒裝置；彈簧套筒由一個捲簧和兩個套筒外殼組成，套筒兩端端面與車輪輻條上的壓板緊貼，所有可相互滑動的部件包括套筒及壓板都經過淬火處理。當車輛起動時支座壓緊彈簧套筒的其中一端，當中的捲簧受壓並將壓力傳到套筒的另一端，再經壓板傳遞到車輪幅條[2]。這種驅動裝置具有良好的扭轉彈性，當機車起動時能夠有效保護牽引馬達的整流子，並且可以緩和改變調壓級位時因牽引力變化所產生的衝擊[3]。
1927年，AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置被首次裝用於德意志國鐵路E21.0型電力機車，並與同時期面世及採用布赫利驅動方式（Buchli-Antrieb）的德意志國鐵路E16型電力機車進行對比試驗，最終德意志國鐵路認為前者具有較佳的傳動性能和經濟性，因而在以後批量採購的E17型、E04型、E18型、E19型電力機車上均統一採用AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置，其中E19型電力機車的構造速度更達到180公里/小時[4]。
彈簧套筒驅動裝置自面世以來曾經出現了多種改良方案，瑞士歐瑞康機械製造廠（MFO）和賽雪龍公司（SAAS）等廠家都生產過類似的驅動裝置，雖然結構上略有差異但基本原理保持不變。金屬彈簧經過長時間使用後容易產生裂紋或斷裂，因此後來有些車輛使用橡膠彈簧取代了捲簧，例如在戰後時期的E18型、E19型電力機車。
比亞恩基驅動裝置 編輯
1920年代，義大利國家鐵路工程師朱塞佩·比安奇（Giuseppe Bianchi）在威斯汀豪斯驅動裝置的基礎上，設計了一種採用鋼板彈簧作為聯軸器的驅動裝置，並以設計者名稱命名為比亞恩基驅動裝置（La trasmissione Bianchi）。在裝備這種驅動裝置的電力機車上，空心軸兩端法蘭盤上相隔60°布置著六個彈簧支座，分別使用螺栓固定著六組鋼板彈簧，每組彈簧在車軸上由兩個滾子支撐，滾子與彈簧端部有一定的間隙，當車輪轉動時彈簧與其中一個滾子貼靠，使鋼板彈簧受到彎曲並產生緩衝作用，以補償空心軸與車軸之間的相對位移[2]。
而運用在電聯車上的比亞恩基驅動裝置則與電力機車略有不同，由於電聯車車輪直徑及輻條間隙較小，各個彈簧支座上平行固定著兩個滾子，鋼板彈簧的一端支撐在滾子上，另一端可插入在輪輻之間或者固定在輪轂上。使用比亞恩基驅動裝置的車型包括義大利國鐵的E.326、E.428型電力機車，以及ALe 790（ALe 880）、ALe 792（ALe 882）型電聯車等。
內格里驅動裝置 編輯
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比亞恩基驅動裝置有一個明顯的缺點，就是鋼板彈簧在空間尺寸最小的夾緊部位承受最大的應力，因而對彈簧的使用壽命造成不利影響。1930年代末，義大利國鐵工程師費迪南多·內格里（Ferdinando Negri）對比亞恩基驅動裝置作出改良，將每組鋼板彈簧支撐在兩個與其端部平行的插銷之中，而插銷插入到車輪的輪輞和輪轂上；空心軸兩端法蘭盤上設有由兩個平行滾子組成的爪輪，支撐在鋼板彈簧的中部。這種設計被稱之為內格里驅動裝置（La trasmissione Negri o "foglie libere"）[2]。
內格里驅動裝置最初被安裝在一台屬於第二生產批次的義大利國鐵E.428型電力機車上進行試驗，隨後又被應用於第四批次的E.428型電力機車，以及大多數的E.636型電力機車。內格里驅動裝置可以與比亞恩基驅動裝置互換使用，因此也會發生兩者同時出現在同一台轉向架的特殊情況，即兩個輪對分別使用兩種不同的驅動裝置。
法內利驅動裝置 編輯
法內利驅動裝置（La trasmissione Fanelli）是由義大利國家鐵路工程師馬里奧·法內利（Mario Fanelli）設計，既可以使用於彈性軸懸式驅動裝置，又可以使用於架懸式驅動裝置。這種驅動裝置是在瑞典通用電機公司（ASEA）的橡膠盤式彈性軸懸驅動裝置基礎上發展而來，採用由六個相隔60°布置的特殊圓形橡膠盤組成的彈性聯軸器，橡膠盤用硫化和夾緊的處理方法，分別與空心軸兩端法蘭及車輪輪心相連，牽引馬達輸出的扭矩通過小齒輪、大齒輪、空心軸、橡膠盤傳遞到車輪[2]。1940年代，法內利驅動裝置首先被應用於第四生產批次的義大利國鐵E.428型電力機車（204～242號機車）；到了1950年代後期，許多早期生產的E.428型電力機車也改裝法內利驅動裝置，以取代使用鋼板彈簧的比亞恩基驅動裝置。其他使用法內利驅動裝置的車型還包括義大利國鐵的部分E.636型電力機車（195～198號機車），以及ALe 601型電聯車、ETR 300型電聯車等[5]。
1950年代初，義大利國鐵為了提高驅動裝置的扭轉彈性，研製了採用雙空心軸設計的法內利驅動裝置，裝用於部分屬於第二生產批次的E.636型電力機車（176～183號機車）進行試驗。這種驅動裝置的結構類似於法國的傑奎明驅動裝置，大齒輪固定安裝在外空心軸上，而外空心軸通過滾動軸承支撐著牽引馬達機殼上；外空心軸通過橡膠套筒柱銷彈性聯軸器與錐形結構的內空心軸相連，內空心軸直徑較小的一端通過相同形式的聯軸器與車軸相連[2]。
BBC彈簧驅動裝置 編輯
A：牽引馬達；B：小齒輪；C：大齒輪；D：車軸；E：空心軸套；F：大齒輪軸承；G：彈簧套筒；H：傳動臂爪；J：車輪
1940年代，瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）在AEG-克萊諾夫彈簧驅動裝置的基礎上，發明了將彈簧套筒直接安裝在大齒輪內的結構形式，稱之為勃朗-包維利彈簧驅動裝置或BBC彈簧驅動裝置（BBC-Federantrieb）。牽引馬達完全安裝在轉向架構架上，大齒輪通過滾動軸承安裝在一截短空心軸套上，該空心軸套與牽引馬達機座連成一體而不能隨車軸轉動；大齒輪心中部設有六組彈簧套筒，彈簧套筒通過六個傳動臂爪與車軸上的傳動盤相連；牽引馬達輸出的扭矩通過小齒輪、大齒輪、彈簧套筒、傳動臂爪、傳動盤傳遞到車輪。當車輛運轉時因路線振動衝擊產生大齒輪與車軸間的相對位移，由傳動臂爪在大齒輪心彈簧孔中產生的相應位移而抵消[6]。
這種結構形式沒有轉動的空心軸，是最為簡單的輪對空心軸驅動裝置，其優點是將受磨損作用的彈簧套筒與大齒輪一起受到油脂潤滑。此外，由於傳遞力矩的彈簧設置在大齒輪軸承座圈內部，因此大齒輪軸承無需承受力矩的作用。BBC彈簧驅動裝置曾經在瑞士聯邦鐵路（SBB）和奧地利聯邦鐵路（OBB）被廣泛採用，它首次應用於1940年研製的瑞士聯邦鐵路RFe 4/4型電聯車，隨後瑞士聯邦鐵路的Re 4/4 I、Re 4/4 II、Re 4/4 III、Re 6/6、Ae 6/6型電力機車、RAe TEE II型電聯車，以及奧地利聯邦鐵路的1010型、1110型、1044型電力機車、4010型電聯車等亦採用了這種結構。
1950年代末，日本國有鐵道借鑑瑞士聯邦鐵路的電力機車，仿製了BBC彈簧驅動裝置並應用於部分早期的新性能電力機車，包括ED70、ED71、ED60、ED61、EF60、EF61型電力機車等，稱之為軸套式驅動方式（クイル式駆動方式）。然而在機車投入運用後就發現嚴重缺點，由於這種驅動裝置的大齒輪箱無法完全密封，沙塵容易通過彈簧孔進入齒輪箱內部，導致齒輪嚙合狀態惡化及磨耗異常；另一方面，其扭轉振動頻率與機車常用速度下的振動頻率接近，引致驅動裝置發生共振。因此，日本國鐵於1962年決定從EF60型電力機車第二批量產車起停止使用這種驅動裝置，而之前生產的機車則陸續改為使用軸懸式驅動裝置，或者採用連杆機構的輪對空心軸驅動裝置[6]。
阿爾斯通浮動盤式驅動裝置 編輯
1920年代，法國阿爾斯通公司發明了第一種採用連杆關節機構的輪對空心軸驅動裝置，稱之為阿爾斯通浮動盤式驅動裝置（La transmission Alsthom à anneau dansant）。這種驅動裝置由齒輪副、空心軸、四連杆浮動盤機構組成，大齒輪壓裝在空心軸的其中一端，空心軸兩端各有兩個主動銷，齒輪端的主動銷設置在大齒輪上，另一端的主動銷裝在空心軸法蘭盤上，主動銷通過四連杆浮動盤機構連接車輪。早期的浮動盤機構曾經使用三平面關節聯軸器，兩對連杆以彼此相隔180°的方式對角設置，每對連杆由兩根以90°相互垂直設置的連杆組成，其中一根連杆端部與大齒輪或空心軸上的主動銷鉸接，另一根連杆端部則與車輪上的從動銷鉸接，兩對連杆的兩個鉸接點通過一個環形的浮動盤相連[3]。這種驅動裝置最早被使用於1928年試製的法國國鐵2BB2 3200型電力機車。
後來，阿爾斯通公司改為使用雙平面關節聯軸器作為浮動盤機構，基本原理與三平面聯軸器沒有分別，同樣由兩根主動連杆、浮動盤、兩根從動連杆構成，但浮動盤形狀和連杆布置方式略有變化，並在活動關節處採用橡膠襯套以解決潤滑問題。牽引馬達輸出的扭矩通過小齒輪、大齒輪、空心軸、主動銷及主動連杆、浮動盤、從動連杆及從動銷傳遞到車輪。空心軸與車軸之間的間隙約為40～45毫米，由關節橡膠襯套的變形實現空心軸與車軸之間的相對位移，最大相對位移可達±30～35毫米。1943年試製的法國國鐵2D2 5300型電力機車（2D2 5302～5306號機車）首次使用這種驅動裝置[7]。
阿爾斯通浮動盤式驅動裝置具有結構簡單及無需潤滑的優點，既可以使用於獨立傳動系統（每根車軸各由一台牽引馬達驅動），也可以使用於組合傳動系統（轉向架內多個輪對由一台牽引馬達驅動的單馬達轉向架），自1940年代後期開始被廣泛應用於阿爾斯通公司製造的多種電力機車和柴油機車，典型例子包括法國國家鐵路（SNCF）的BB 8100、CC 7100、BB 16500、BB 8500、BB 17000、BB 25500、CC 40100型電力機車，以及CC 70000、CC 72000型柴油機車，其中CC 7100型電力機車更在1954年、1955年先後兩次打破鐵路車輛最高速度紀錄，最高試驗速度達到330.8公里/小時[6]。
然而，阿爾斯通浮動盤式驅動裝置在結構上也不無缺點。根據運動學原理的分析，浮動盤發生位移時其中心沿一個圓形軌跡旋轉，其旋轉頻率比車輪轉速大一倍，使驅動元件產生極大的離心力，而且這個離心力與行駛速度成平方關係增加。德國聯邦鐵路曾經在E10 001號電力機車使用浮動盤式驅動裝置，並進行了包括離心力測定計畫在內的動力學性能試驗，當運轉速度為130公里/小時、車軸位移20毫米時的離心力為5.1千牛頓，當運轉速度為200公里/小時、車軸位移35毫米時的離心力為21.19千牛頓，當運轉速度為250公里/小時、車軸位移35毫米時的離心力高達33.06千牛頓，已經達到機車軸重的33.7%。這個特性導致輪軌間垂直酬載不穩定的情況，並使關節橡膠襯套承受酬載大幅增加，嚴重影響橡膠襯套的使用壽命[6]。基於這些原因，阿爾斯通浮動盤式驅動裝置在1960年代以後逐步被傑奎明驅動裝置取代。
義大利國鐵浮動盤式驅動裝置 編輯
1950年代初，義大利國家鐵路（FS）與菲亞特公司參考阿爾斯通浮動盤式驅動裝置，研製了同樣使用三平面關節聯軸器的浮動盤式輪對空心軸驅動裝置（La trasmissione ad albero cavo ed "anello danzante"），兩種驅動裝置的差異在於浮動盤與連杆的連接方式。大齒輪壓裝在空心軸的其中一端，空心軸兩端法蘭盤上各有兩個主動銷，主動銷穿過車輪心並通過四連杆浮動盤機構連接車輪；連杆及浮動盤機構設置在車輪的外側，每對連杆機構由兩根互相垂直的連杆組成，兩對連杆機構以彼此相隔180°的方式對角設置，浮動盤與連杆的連接點位於兩根對置連杆的中間點，而不像阿爾斯通驅動裝置那樣位於兩根連杆的鉸接點[8]。
1954年，義大利國鐵將浮動盤式驅動裝置應用於一台E.434型電力機車（由例行的E.424型電力機車改裝而成）並進行試驗[8]。1959年，這種浮動盤式驅動裝置開始在E.646型電力機車上推廣使用，並在1960年代至1980年間成為義大利國鐵機車的標準型驅動裝置，被廣泛應用於後續的E.444、E.656、E.632、E.633、E.652型電力機車，以及D.343、D.345、D.443、D.445型柴油機車。
亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置 編輯
1960年代初，聯邦德國（西德）的亨舍爾公司在阿爾斯通浮動盤式驅動裝置的基礎上進行改良，設計出採用兩個彈性橡膠環、雙邊齒輪傳動的浮動盤式驅動裝置，稱之為亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置（Henschel-Alsthom Antrieb）或亨舍爾連杆式驅動裝置（Henschel-Verzweiger-Antrieb）。這種驅動裝置的浮動盤不再直接與車輪相連，而是通過設置在車輪外側的兩個彈性橡膠環，兩個橡膠環之間使用16個套筒和16個螺栓連接起來，使用螺栓連接橡膠環與壓裝在車輪心上的中間環。牽引馬達輸出的扭矩通過小齒輪、大齒輪（座落在空心軸滾動軸承上）、主動銷及主動連杆、浮動盤、從動連杆及從動銷、彈性橡膠環、中間環傳遞到車輪；空心軸與車軸之間的最大垂直位移可達±35毫米，最大橫向位移可達±10毫米[6]。
1963年，德國聯邦鐵路為了對研製中的新一代高速客運電力機車進行技術驗證，在當年新造的E10 299號電力機車上首次裝用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置，而E10 300號電力機車則裝用了西門子-舒克特公司和勃朗-包維利公司開發的雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置，兩台機車在試驗時的最高運轉速度都達到了200公里/小時[9]。為了對這兩種驅動裝置作進一步的對比試驗，在1965年交付的首批四台E03型電力機車原型車當中，E03 001、004號機車使用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置，E03 002、003號機車使用雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置。最終德國聯邦鐵路認為後者的重量較輕，並決定在批量生產的103型電力機車上採用，因而放棄了亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置。
傑奎明驅動裝置 編輯
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1950年代，法國國家鐵路工程師安德烈·傑奎明發明了一種採用雙級彈性傳動系統、單邊齒輪單邊傳動的輪對空心軸驅動裝置，既可以使用於獨立傳動系統，也可以使用於組合傳動系統，稱之為傑奎明驅動裝置（La transmission Jacquemin à anneau dansant）。在這種驅動裝置中，牽引馬達和齒輪箱安裝在轉向架構架上，一個空心軸配置銷柱固定在齒輪箱箱體上，大齒輪通過一對滾錐軸承在銷柱上旋轉；萬向節空心軸由主動圓環、扭轉空心軸、從動圓環三個部分組成，大齒輪心有兩個伸入主動圓環內部的支座，支座通過一對帶有橡膠襯套的銷柱連接主動圓環，而主動圓環又通過另一對相隔90°的銷柱連接扭轉空心軸；而空心軸的另一端亦與上述驅動側相似，扭轉空心軸通過一對銷柱連接從動圓環，從動圓環又通過另一對相隔90°的銷柱連接車輪[10]。
牽引馬達輸出的扭矩通過齒輪副、主動圓環、空心軸、從動圓環傳遞至輪對；而來自輪對的橫向作用力經從動圓環、空心軸、主動圓環、大齒輪心、滾錐軸承、空心銷柱、齒輪箱體傳遞至轉向架構架。空心軸與車軸之間的間隙約為25～30毫米。傑奎明驅動裝置具有結構簡單可靠、傳遞功率較大的優點，而且與阿爾斯通浮動盤式驅動裝置相比，傑奎明驅動裝置的橡膠關節襯套變形較小，使橡膠襯套的使用壽命亦比前者長得多。由於帶有彈性圓環的萬向節空心軸占據了輪對內側較多的軸向空間，因此傑奎明驅動裝置的齒輪中心距較大，即使用於獨立傳動系統亦需要使用中間齒輪傳動，使製造成本增加而傳動效率稍微受到影響，但這種結構形式同時也將牽引馬達的重量集中在轉向架中部，有利於改善轉向架高速運轉時的平穩性。隨著運用經驗的增加和生產工藝的進步，傑奎明驅動裝置的結構亦變得更為簡單合理，例如將結構較複雜的彈性從動齒輪改為剛性結構，將橡膠襯套中的橡膠金屬元件簡化為套筒式橡膠金屬鉸接元件等[6]。
電氣牽引設備公司（MTE）於1952年為法國國家鐵路試製的BB 9003、9004號電力機車首次採用了傑奎明驅動裝置，隨後於1954年面世的法國第一代交流電力機車（BB 12000、BB 13000型電力機車）亦採用了這種驅動裝置。1955年3月，BB 9004號電力機車在波爾多－伊倫鐵路以時速331公里刷新了鐵路車輛最高速度的世界紀錄。1955年10月，法國國鐵在部分Z 5100型電聯車上安裝了傑奎明驅動裝置（Z 5148～Z 5154號列車），並進行架懸式與軸懸式驅動裝置的對比試驗，試驗結果表明在運轉平穩性及車輛動力學性能等方面，架懸式驅動裝置都比軸懸式驅動裝置更為優異。
自此，以傑奎明驅動裝置和阿爾斯通浮動盤式驅動裝置為代表的架懸式驅動裝置，開始在以後新造的法國國鐵機車車輛上被廣泛應用；由於阿爾斯通浮動盤式驅動裝置在動力學性能方面的固有缺點，使傑奎明驅動裝置在1960年代以後逐漸成為主流。使用傑奎明驅動裝置的主要車型包括BB 9200、BB 9300、BB 16000、BB 25100、BB 25150、BB 25250、CC 21000、BB 15000、BB 7200、BB 22200、BB 26000型電力機車，以及Z 5300、Z 6400、Z 5600、Z 8800、Z 20500、Z 20900、Z 92050型電聯車[10]。
BBC雙空心軸驅動裝置 編輯
1960年代初，瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）與西德西門子-舒克特公司（SSW）在環狀橡膠彈性驅動裝置的基礎上，合作設計試製了一種採用牽引馬達架懸、雙級彈性傳動、雙空心軸結構、單邊齒輪傳動的輪對空心軸驅動裝置，稱之為BBC雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置（BBC Gummigelenk-Kardan-Hohlwellenantrieb）。在這種結構形式中，牽引馬達剛性地安裝在轉向架構架上，主動齒輪（小齒輪）壓裝在牽引馬達電樞軸端；固定空心軸（外空心軸）用螺栓安裝在牽引馬達機座上，以保證齒輪中心距在車輛行駛過程中保持不變。從動齒輪（大齒輪）通過滾動軸承在固定空心軸上轉動，大齒輪心通過六連杆萬向節與轉動空心軸（內空心軸）連接。六連杆萬向節由六根連杆和一個連杆盤組成，連杆盤用螺栓固定安裝在轉動空心軸的齒輪端，連杆關節連接點採用了帶有球狀橡膠襯套的橡膠球鉸[6]。轉動空心軸是一根圓筒形無縫鋼管，同心地套裝在車軸外並安插在固定空心軸內。轉動空心軸的另一端設置了一個六爪盤，而六爪盤又通過預壓縮安裝的扇形橡膠塊與車輪相連，這種扇形橡膠塊在採用彈性軸懸式驅動裝置的德國聯邦鐵路標準化電力機車上已經有十分成熟的使用經驗[3]。
牽引馬達電樞軸輸出的扭矩經過小齒輪、大齒輪、六連杆萬向節、轉動空心軸、六爪盤、扇形橡膠塊傳遞到其中一個車輪，並通過車軸驅動另一側車輪。當車輛運轉時輪對因路線不平順的激擾而產生的垂向或水平振動，由於扇形橡膠塊和六連杆機構橡膠球鉸的彈性而被大幅衰減，同時，因為扇形橡膠塊和橡膠球鉸的良好萬向性能，使之能夠補償輪對和轉向架構架之間相對運動。轉動空心軸與車軸之間有35～40毫米左右的間隙，而轉動空心軸與固定空心軸之間的間隙約為10～15毫米，因此在這種結構中車軸相對轉向架的最大垂向位移可達±35毫米，最大橫向位移可達±25毫米。為了使轉動空心軸與車軸可以保持同心旋轉，扇形橡膠塊和橡膠球鉸應具有較大的徑向剛度，以免產生不平衡力和慣性力[2]。由於扇形橡膠塊和橡膠球鉸的偏轉剛度較小而徑向剛度較大，使得內空心軸的橫動和偏轉的阻力很小，因此驅動系統有較高的粘滑振動穩定性。雖然這種驅動裝置的零部件數量較多、整體結構較為複雜，製造成本亦因而增加，但當中每件零部件只承擔單一的功能，有利於設計製造和提高可靠性。除此之外，驅動裝置中所有零部件包括彈性聯軸節均無摩擦耗損、無需潤滑，維護保養較為方便。
1963年，德國聯邦鐵路為了對研製中的新一代高速客運電力機車進行技術驗證，將BBC雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置首次裝用於E10 300號電力機車，並與裝用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置的E10 299號電力機車進行對比試驗，兩台機車在試驗時的最高運轉速度都達到了200公里/小時[9]。為了對這兩種驅動裝置作進一步的比較分析，在1965年交付的首批四台E03型電力機車原型車當中，E03 001、004號機車使用亨舍爾－阿爾斯通驅動裝置，E03 002、003號機車使用雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置；最終由於德國聯邦鐵路認為BBC雙空心軸驅動裝置的重量較輕，並決定在自1970年起批量生產、構造速度達200公里/小時的103型電力機車上採用[9]；而在1974年交付的德國聯邦鐵路181.2型電力機車和奧地利聯邦鐵路1044型電力機車亦採用了相同的驅動裝置。
1979年，使用三相交流傳動的德國聯邦鐵路120型電力機車面世，構造速度為200公里/小時，單軸功率達到1400千瓦，並採用了經過改良的BBC雙空心軸驅動裝置。由於沒有換向器的三相異步馬達對於驅動裝置扭轉彈性的要求較低，因此摒棄了具有較大扭轉彈性而結構較笨重的扇形橡膠塊和六爪盤，改為在內空心軸兩端均採用相同的六連杆萬向節機構，即雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置，以進一步簡化結構及減輕重量[6]。同時，為了充分利用輪對內側的軸向空間，將內空心軸由圓筒形改為圓錐形，以加大空心軸與車軸間的齒輪端徑向間隙。1984年，德國聯邦鐵路120 001號電力機車以265公里/小時的試驗速度，創造了當時德國鐵路的最高速度紀錄，顯示這種驅動裝置具備良好的高速性能。
而在同一時期，中國鐵路也提出了開發研製提速客運機車的研究計劃。根據中華人民共和國鐵道部1978年—1985年科技發展規劃，株洲電力機車研究所（株機所）於1979年開始研製架懸式驅動裝置；為了在這項技術領域儘快追上國際先進水平，且考慮到牽引馬達和傳動裝置方面的製造工藝和技術難度等因素，經過對輪對空心軸驅動方式和電機空心軸驅動方式的分析比較，最終決定以德國聯邦鐵路103型電力機車的驅動裝置作為借鑑對象。1979年，株機所設計了一套供試驗用的雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置，對應最高速度為180公里/小時，並於1980年在大功率傳動試驗台完成了強度試驗和萬向性能試驗[11]。此後，針對第一套驅動裝置在設計製造和試驗時發現的問題，同時參考德國聯邦鐵路120型電力機車的研製經驗，株機所於1983年試製了另一套最高速度150公里/小時的雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置，改為採用圓錐形整體鑄鋼空心軸和大齒輪輕型滾動軸承，並於1984年在台架試驗中獲得了優良的性能試驗結果[11]。1990年，首台使用雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置的東風9型提速客運柴油機車研製成功，由於這是中國首次將輪對空心軸驅動裝置應用在機車上，加上該型機車的設計運轉速度為140公里/小時，因此採用了圓柱形空心軸、徑向間隙30毫米的技術方案。其後，在為廣深准高速鐵路研製的東風11型柴油機車上，為了滿足最高運轉速度170公里/小時的技術要求，因而改用圓錐形空心軸並使徑向間隙增大到38毫米[12]。基於東風9型和東風11型柴油機車的成功經驗，後來研製的韶山8型、韶山9型、韶山7D型、韶山7E型電力機車等都沿用了相同的驅動裝置。
上述的德國聯邦鐵路120型電力機車等車型所採用的雙空心軸驅動裝置都屬於剛性架懸式驅動裝置，也就是將牽引馬達、牽引齒輪箱、傳動傳動、空心軸套等部件剛性地或通過橡膠球形關節直接固定在轉向架構架上，驅動裝置的一側通過空心軸套和前托臂與轉向架構架連接，而另一側亦通過後托臂與轉向架構架連接，但牽引馬達剛性懸掛對於機車高速運轉時的橫向穩定性和平穩性都有明顯的不利影響。因此，從1990年代開始就出現了向牽引馬達彈性懸掛發展的趨勢，其原理是將驅動裝置的一側通過兩根帶吊杆彈性地懸掛在轉向架構架橫梁上，另一側通過長吊臂和球形關節吊掛在構架端梁上，並在驅動裝置與構架之間設置橫向減震器，使驅動裝置也能實現相對於構架的橫向運動，以釋放部分簧間橫向慣性品質，因而能有效改善橫向動力學性能、提高非線性臨界失穩速度、降低對路線的輪軌作用力。西門子交通集團和克勞斯-瑪菲公司於1991年向西班牙國鐵提供的252型電力機車，首次採用了牽引馬達彈性懸掛的雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置；葡萄牙鐵路5600型電力機車、西門子ES64P型電力機車、希臘鐵路120型電力機車等高速客運機車也採用了類似形式的驅動裝置。此後，又進一步發展出龐巴迪IGA驅動裝置（半體懸）、西門子HAB驅動裝置等集合碟式軔機裝置的輪對空心軸驅動裝置。
AEG Gealaif驅動裝置 編輯
以德國聯邦鐵路120型電力機車為代表的第一代交流傳動機車，其驅動裝置仍然繼承了過往直流傳動機車的特點，即採用懸臂結構主動齒輪及非承載式結構齒輪箱。由於直流牽引馬達的轉速較低，輸出端軸承酬載較小，一般採用潤滑脂潤滑；但交流異步牽引馬達的轉速較高，因而需要從齒輪箱引入潤滑油對輸出端軸承進行潤滑，但由於受到驅動系統結構空間的限制，容易造成潤滑油竄入牽引馬達內部，影響牽引馬達性能並增加潤滑油消耗。除此之外，傳統的懸臂結構主動齒輪將牽引馬達輸出端軸承設置在馬達上，使電樞軸承受因齒輪嚙合作用所產生的彎矩，並在扭矩和彎矩雙重作用下引致電樞軸變形，使輸出端軸承和主動齒輪容易損壞，無法達到應有的設計使用壽命[13]。
1990年代初，為了開發新一代的大功率交流傳動通用電力機車，德國AEG公司開發研製了稱為「Gealaif」的輪對空心軸驅動裝置，名稱當中的「Gea」代表AEG公司，而「laif」則代表一體化牽引馬達驅動裝置（德語：Lokomotivantrieb mit integriertem Fahrmotor）。這種驅動裝置的特點為承載式齒輪箱，小齒輪採用雙側支承結構，小齒輪軸兩端通過滾子軸承支承在齒輪箱上，牽引馬達的電樞軸輸出端無需軸承，只需通過彈性圓盤聯軸器與小齒輪軸連接，從而大幅提高軸承的使用壽命[14]。
牽引馬達、六連杆萬向節、空心軸、齒輪箱、彈性聯軸器組成為一個整體的驅動單元，由於齒輪箱是一個與馬達連成一體的承載部件，因此齒輪箱還可以同時支承大齒輪和驅動軸承，省略了上一代六連杆空心軸驅動裝置中的空心軸套，有利於進一步減輕轉向架上的簧間重量；和上述的西班牙國鐵252型電力機車一樣，「Gealaif」驅動裝置也採用了三點式彈性懸掛結構，驅動裝置的一側通過橡膠關節支承在轉向架端梁，另一側通過兩根吊杆吊掛於中間橫梁，驅動單元與構架之間設有橫向減震器[3]。「Gealaif」驅動裝置於1993年首次被應用於德國聯邦鐵路120 118號電力機車進行試驗，並在1994年問世的實驗性車型——AEG 12X型電力機車、以及2001年面世的量產車型——德國鐵路146型電力機車上被採用。
西門子HAB驅動裝置 編輯
2000年，德國西門子交通集團、克勞斯-瑪菲公司與瑞典SAB WABCO公司（後被法維萊交通收購）為大功率高速客運電力機車合作開發出HAB驅動裝置，其名稱代表「帶有制軔軸的高性能驅動裝置」（德語：Hochleistungsantrieb mit Bremswelle）。這種驅動裝置不僅繼承了雙側六連杆萬向節空心軸的基本結構，亦採用了承載式牽引齒輪箱及小齒輪雙側支承結構，取消了空心軸套以減輕轉向架上的簧間重量。為了在應用碟式軔機的同時也能達到最低之簧下重量，因此該驅動裝置並沒有採用傳統的輪盤制軔，而是在馬達軸中心線對稱的另一側，設置一根平行於車軸的獨立制軔軸，制軔軸上裝有兩塊煞車盤；制軔軸兩邊均設有聯軸節，無需拆卸其他部件就能快速更換煞車盤[15]。牽引馬達、六連杆萬向節、空心軸、制軔軸、碟式軔機裝置、齒輪箱、彈性聯軸器組成為一個整體的驅動制軔單元，並採用三點式彈性懸掛結構安裝在轉向架上，牽引馬達的一側通過橡膠關節支承在轉向架橫梁，而制軔軸的一側通過兩根吊杆吊掛於端梁，驅動單元與構架之間設有橫向減震器[3]。
西門子HAB驅動裝置適用於最高速度達230公里/小時的高速客運電力機車。該驅動裝置最初被裝用於西門子ES64P型電力機車上進行試驗，並在後來批量生產的ES60U3、ES64U2、ES64U4型「EuroSprinter」電力機車上應用[16]。2006年9月2日，ES64U4型電力機車（奧地利聯邦鐵路1216 050-5號電力機車）在德國紐倫堡－慕尼黑高速鐵路上，以時速357公里/小時創造了當今世界上鐵路機車最高速度紀錄。
參看 編輯
參考文獻 編輯
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