電機空心軸驅動方式

電機空心軸驅動方式，又稱電樞空心軸驅動方式，是鐵路機車車輛使用的架懸式牽引傳動裝置型別之一。這種驅動方式將牽引電動機安裝在轉向架構架上，使牽引電動機的全部重量屬於；牽引電動機採用空心結構，傳遞扭矩的扭轉軸從空心電樞軸中穿過，扭轉軸兩端設有彈性聯軸器分別與電樞空心軸及小齒輪軸連線，從牽引電動機輸出的扭矩透過電樞空心軸、扭轉軸端彈性聯軸器、扭轉軸、小齒輪端彈性聯軸器、小齒輪、大齒輪驅動。電樞空心軸與扭轉軸之間的間隙允許扭轉軸傾斜，以適應牽引電動機與輪對及齒輪箱體之間各個方向的位移。結構特點.根據理論和鐵道車輛動力學的分析，由於線路不平順和輪軌表面幾何缺陷等原因，鐵道車輛行駛時輪軌之間產生相互動作用力，引起機車車輛和軌道結構各自的振動；而隨著車輛執行速度的提高，簧下重量對輪軌作用力的影響越來越大，簧下重量越大，輪軌作用力越大，而且簧下重量對脫軌係數、輪重減載率等安全效能指標也有直接影響。因此，要提高行車速度的同時並且改善執行品質，就必須降低機車車輛的簧下重量，以達到減少輪軌作用力、提高動力學效能的目的。傳統的軸懸式驅動方式將牽引電動機的一側透過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側透過彈性懸掛於轉向架構架的橫樑上；這種結構的優點是結構簡單、檢修及拆裝方便、製造及維護成本低，但驅動裝置的約一半重量屬於簧下重量，使得驅動裝置在車輛行駛過程中產生較大的輪軌作用力，而且牽引電動機和傳動齒輪需要直接承受來自輪對的振動衝擊，影響驅動裝置的工作可靠性及使用壽命。為了解決軸懸式驅動裝置簧下重量大的缺點，最直接的辦法是將牽引電動機的重量轉移至轉向架上，也就是架懸式驅動裝置。在架懸式驅動裝置上，牽引電動機與輪對之間需要使用彈性聯軸器，彈性聯軸器不僅具有傳遞扭矩的作用，還需要補償輪對與轉向架構架之間的相對運動。當牽引電動機功率和尺寸較小時，輪對內側有較多的軸向空間，可以利用這個空間佈置聯軸器，例如鼓形齒聯軸器驅動方式和撓性板聯軸器驅動方式。但在單軸功率較大的機車車輛上，尤其對於窄軌鐵路而言，兩個車輪之間的空間便受到更大限制，因此亦可以選擇將牽引電動機電樞軸設計成空心結構，扭轉軸設置於空心電樞軸之內，並使用萬向聯軸節作為彈性元件，這樣就能充分利用輪對內側有限的軸向長度，有利於使用功率較大的牽引電動機，這就是電機空心軸驅動裝置的由來。與軸懸式驅動方式相比，電機空心軸驅動方式的簧下重量比前者大幅減輕，但因採用空心電樞軸內建扭轉軸的結構，所以牽引電動機的結構複雜程度較高，而且牽引電動機的重量亦較大。以採用軸懸式驅動的為例，牽引電動機重量為3250公斤，每軸簧下重量為4300公斤，而重量相若並採用電機空心軸驅動的英國鐵路87型電力機車，牽引電動機重量為3600公斤，每軸簧下重量僅2500公斤。與同樣屬於架懸的輪對空心軸驅動方式相比，電機空心軸驅動方式結構緊湊又較簡單，而且彈性聯軸器設在驅動裝置的高速端，因而其承受的扭矩、位移和變形亦較小。然而，電機空心軸驅動裝置的牽引齒輪箱本質上仍然是軸懸結構，齒輪箱的一端坐落在車軸或大齒輪輪轂上，另一端透過搖擺吊杆支撐在轉向架構架上，因此齒輪箱約三分之二的重量還屬於簧下重量，整體上簧下重量仍然大於輪對空心軸驅動裝置。採用電機空心軸驅動方式的韶山5型電力機車，每軸簧下重量約為3500公斤，而採用輪對空心軸驅動方式的東風11型柴油機車，每軸簧下重量約2500公斤。由於整個驅動裝置的扭轉彈性比較大，因此其粘滑振動穩定性並不如輪對空心軸驅動裝置，這也是電機空心軸驅動裝置的其中一個不足之處。尤其對於功率較大的電力機車，每軸傳遞的功率和扭矩愈大，在車輛起動、空轉、再黏著時，牽引電動機輸出扭矩的變動也愈大；如果驅動系統中的彈性元件剛度、懸掛系統剛度、齒輪箱吊杆剛度、牽引裝置剛度、防空轉系統靈敏度等效能引數匹配不當，當扭矩急劇變化時驅動裝置可能會產生彈性自激振動，導致輪軌粘著狀態受到破壞並誘發空轉。主要型別.BBC圓盤式驅動裝置.1940年代，瑞士勃朗-包維利股份公司發明了世界上第一種電機空心軸驅動裝置，稱之為BBC圓盤式驅動裝置。牽引電動機以三點或四點支承方式安裝在轉向架構架橫樑上，採用單側直齒圓柱齒輪單邊傳動，牽引電動機輸出的扭矩透過空心電樞軸、主動萬向聯軸器、扭轉軸、從動萬向聯軸器、小齒輪、大齒輪傳遞到輪對。主動萬向聯軸器由傳動環、十字環形中間接頭、等部分組成。傳動環外表面設有12條均勻分佈在圓周上的凹槽，它與空心電樞軸上的12塊插片相楔合，負責承受由電樞軸傳來的扭矩。中間接頭透過兩個滾針軸承座設置於傳動環內，圓環形的中間接頭設有四個呈十字形分佈的圓軸，其中兩個圓軸安裝在傳動環的滾針軸承座內，另外兩個圓軸亦透過滾針軸承與扭轉軸端的傳動盤相連。從動萬向聯軸器由主動盤、十字環形中間接頭、滾針軸承、從動盤等部分組成。安裝在扭轉軸端的主動盤亦設有兩個滾針軸承座，並透過與上述形式相同的十字環形中間接頭驅動與小齒輪相連的從動盤。在1957年面世的捷克斯洛伐克國鐵E 499.1型電力機車，是第一款採用斯柯達電機空心軸驅動裝置的機車，從此以後這種驅動裝置被廣泛應用於的多種型號的斯柯達電力機車，包括、、、、、、、、、，以及捷克鐵路的、等眾多車型。而斯柯達向蘇聯出口的快速客運電力機車亦全部採用了這種驅動裝置，首先被用於1960年底交付的ChS1-102號電力機車，並且廣泛用於後續的ChS2、ChS3、ChS4、ChS2T、ChS4T、ChS6、ChS7、ChS8、ChS200型電力機車等。實際運用顯示斯柯達電機空心軸驅動裝置具有優良的高速運轉效能，裝用這種驅動裝置的ChS200型電力機車最高速度可達220公里/小時，牽引電動機的單軸功率可達1000千瓦。驅動裝置還具有較低的扭轉振動頻率，有效降低了驅動裝置與轉向架自身振動頻率發生共振的可能性；在ChS200型電力機車的動力學效能試驗中，即使在較大的線路不平順、輸出轉矩達到額定轉矩130～150%的條件下，驅動裝置仍然保持良好的振動效能。東洋電機空心軸平行萬向節驅動裝置.1950年代初，為了提高鐵路車輛的執行品質，日本的鐵路車輛製造商亦緊隨國外的步伐，展開適應窄軌鐵路之架懸式驅動裝置的研究。1952年10月，東洋電機製造首先在京阪神急行電鐵京都線，這種驅動裝置在日本被稱為空心軸平行萬向節驅動方式（--1954年，南海電氣鐵道的面世，這是世界上第一款採用電機空心軸驅動裝置的窄軌鐵路車輛，該型列車採用了經過改良的東洋電機驅動裝置，扭轉軸端與小齒輪端聯軸器均為片式聯軸器，與賽雪龍十字鋼板式驅動裝置屬於同一型別。與鼓形齒聯軸器驅動方式相比，電機空心軸驅動方式能夠更充分利用輪對內側空間，有利於安裝功率和尺寸更大的牽引電動機，這個特點對於窄軌鐵路顯得尤其重要，因此這種驅動方式很快就在日本的窄軌私鐵業者普及。同年，名古屋鐵道在其中兩輛上，改裝空心軸平行萬向節驅動裝置作為試驗車，而翌年面世的則正式選用空心軸平行萬向節驅動裝置。此後，除了上述的京阪電氣鐵道、南海電氣鐵道和名古屋鐵道外，東京急行電鐵、小田急電鐵、西武鐵道、京成電鐵、京王電鐵、伊豆箱根鐵道等眾多私鐵業者也相繼引進了多種採用空心軸平行萬向節驅動裝置的鐵路車輛。1957年，首列，例如著名的103系、201系、205系、通勤型電力動車組，111系、113系、115系、，151系、、181系、、485系等。從1980年代後期起，隨著功率更大、體積更小的三相交流非同步牽引電動機逐漸普及，輪對內側的軸向空間已經不像採用直流電動機時那樣緊迫。在這種情況下，電機空心軸驅動方式過往曾經被重視的優越性已經不再存在，結構較簡單的鼓形齒聯軸器驅動方式具有更大優勢，因此交流傳動的電力動車組和柴油動車組基本上已不再使用電機空心軸驅動方式。