軸懸式驅動方式

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軸懸式驅動方式，又名為抱軸式、吊掛式、電車式、鼻懸式、半懸掛式驅動方式，是鐵路機車車輛上應用歷史最悠久的牽引傳動裝置類型之一，該驅動方式的特點是將牽引電動機的一側通過軸承剛性地抱合在車軸上，而牽引電動機的另一端則彈性懸掛於轉向架構架，牽引電動機大多採用平行於車軸的布置方式。軸懸式驅動裝置最早在十九世紀末首先應用於城市有軌電車，由於其結構簡單和成本低廉等優點，迅速普及應用到各類型的電傳動鐵路機車和動車，過百年來一直沿用至今。

## 剛性軸懸式

### 結構特點

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剛性軸懸式傳動裝置是在1885年由美國發明家法蘭克·史伯格發明（美國專利號：US 324892 A），並在兩年後首次在美國維珍尼亞州的里奇蒙聯合客運鐵路得到應用，這也是世界上第一個投入營運的有軌電車系統。此後，軸懸式傳動裝置隨著有軌電車的浪潮而推廣到世界各地，並且在鐵路機車和電力動車組上被廣泛使用。

牽引傳動裝置的作用是將牽引電動機所產生的旋轉力矩傳遞給輪對，而軸懸式驅動裝置的主要結構如前所述，牽引電動機的一側通過軸承剛性地抱合在車軸上，而牽引電動機的另一端則通過懸掛裝置彈性地懸掛於轉向架構架的橫樑或端樑。這類型傳動裝置一般採用單級減速齒輪傳動，整套裝置由主動齒輪（小齒輪）、從動齒輪（大齒輪）、齒輪箱體、抱軸箱體等部分組成，小齒輪裝配在牽引電動機電樞軸上以傳遞旋轉扭矩，再將扭矩傳遞給固定壓裝在車軸上的大齒輪。牽引電動機可以通過彈性懸掛裝置作縱向和橫向擺動，彈性懸掛裝置的結構形式林林總總，例如螺旋彈簧式、彈簧套筒式、橡膠緩衝器等。牽引電動機通常採用平行於車軸的布置方式，但也有例子將牽引電動機布置在車輛縱向中心線方向，並通過錐齒輪或蝸輪傳動車輪，這種縱向形式的布置在有軌電車的應用較多，原因是車輪直徑可以不受牽引電動機直徑的限制，允許使用小直徑車輪以降低登車高度，典型例子有蘇黎世交通局Be 4/4型有軌電車。

軸懸式驅動裝置的主要優點是結構簡單、安裝容易、維修方便。此外，軸懸式驅動裝置還具有結構緊湊、便於充分利用空間的優勢，由於齒輪中心距（車軸和電機軸之間的距離）較短，只需採用單級減速齒輪傳動，就保證能夠在最小的空間內安裝牽引電動機，並且可以設計較大的齒輪傳動比和較小的車輪直徑。然而，由於牽引電動機的約一半重量屬於簧下重量，導致軸懸式驅動裝置產生很大的輪軌作用力，而且輪軌作用力隨著車輛速度的提高而增大，過大的輪軌作用力會對線路上部建築造成破壞，導致線路品質惡化和加劇車輛損耗。同時，車輪與鋼軌之間的動力作用直接傳到牽引電動機，使牽引電動機和傳動齒輪直接承受來自輪對的振動，導致牽引電動機振動加速度以及傳動齒輪嚙合面接觸動應力增大，影響牽引電動機和驅動裝置的工作可靠性及使用壽命。除此之外，由於齒輪嚙合時齒與齒之間的振動衝擊，軸懸式驅動裝置運轉時也會產生較大的齒輪噪音。

簧下重量過重是限制了剛性軸懸式驅動裝置使用範圍的一個重要原因，它並不適合用於最高速度達140公里/小時以上的快速鐵路車輛；而對於結構速度較低的鐵路車輛（最高速度不大於120公里/小時），軸懸式驅動仍然不失為一個簡單可靠的選擇。當機車車輛進入交流傳動的時代以後，重量較輕的交流牽引電動機能夠減少簧下重量，有助降低軸懸式驅動裝置對軌道的動力作用，例如採用軸懸式驅動的西門子ES64F、ES64F4型電力機車，其最高速度可達到140公里/小時，這基本上已經是軸懸式驅動裝置的極限。為了解決軸懸式驅動裝置簧下重量大的缺點，其中一個解決方法是將牽引電動機整體懸掛在轉向架上，並與屬於簧下重量的車軸採用彈性聯接，即架懸式驅動方式。

### 抱軸軸承

軸懸式驅動裝置根據所使用的抱軸軸承類型，可分為採用滑動軸承的滑動抱軸，或者採用滾動軸承的滾動抱軸兩種形式。在二十世紀中期之前各國大多採用成本較低的滑動軸承，但滑動軸承的主要缺點是需要較多的維護保養，這是因為軸承和車軸之間間隙的大小，會隨著運行公里數和抱軸瓦磨耗的增加而增大，導致齒輪副中心距改變和齒輪嚙合條件惡化，因此必須經常對滑動軸承進行檢查維護，確保齒輪達到應有的使用壽命。為了克服這一缺點，二十世紀中期以後開發的軸懸式驅動裝置，許多都改為使用少維護或免維護的滾動軸承。在此之前主要有兩個原因阻礙滾動抱軸的應用，其一是滾動軸承外徑相對滑動軸承較大，而傳動裝置齒輪副軸距一般都比較小，其二是鐵路車輛使用的滾動軸承必須具備良好的密封性能，防止運轉時外部灰塵、異物、水分等侵入軸承內部。這些問題隨著二戰以後軸承技術的快速發展，例如採用雙列球面滾子軸承、迷宮式軸承密封裝置而得到解決。

### 傳動方式

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軸懸式驅動裝置可以依機車車輛的技術要求或轉向架結構，設計成單側齒輪單邊傳動或雙側齒輪雙邊傳動。雙邊傳動的兩組傳動齒輪分別安裝在牽引電動機的兩側，這種結構的優點是輪對的左右扭矩均衡，並可以傳遞較大的旋轉力矩，但缺點是占用較多輪對內側有限的軸向空間，因而對牽引電動機的尺寸有更嚴格的限制，不利於進一步提高單軸功率。雙邊傳動一般均使用斜齒圓柱齒輪，而且雙側齒輪的齒斜相反，因此雙側齒輪的軸向力也相反，齒輪安裝的誤差可由軸向力差值引起的輪對微小橫動來得到糾正，保證了雙側齒輪傳動轉矩的均勻性。如果採用雙側直齒輪，輪對組裝時必須保證雙側大小齒輪形對應的精確性，否則必然引致齒輪不能同時嚙合，或雙側齒輪嚙合力不等的問題。雙側斜齒傳動的典型車型主要包括蘇聯鐵路的K型、VL8型、VL22型、VL60型、VL80型電力機車，以及中國鐵路的韶山1型、韶山3型電力機車。蘇聯曾經在部分VL8型、VL22M型電力機車試用雙側彈性直齒傳動，但因結構複雜及裝配困難等原因而被放棄。

在採用軸懸式驅動裝置的鐵路機車車輛之中，採用雙邊齒輪傳動的車型僅屬少數，主流仍然是結構較為簡單的單邊齒輪傳動，而且幾乎無一例外地採用直齒圓柱齒輪。由於單邊傳動比雙邊傳動少了一對齒輪，因此可以裝用尺寸和功率較大的牽引電動機，而且簧下重量也相對地略為減輕，製造和裝配工作亦較為簡單。而缺點是傳動時輪對受到偏於一側的驅動力，抱軸承會承受不均勻的載荷，為此，可採用鼓形齒或斜邊齒等齒向修正，或者採用滾動抱軸承等對策措施，確保齒輪對的正確嚙合。

### 彈性齒輪

為了避免使傳動齒輪直接承受來自軌道的振動衝擊、延長齒輪和牽引電動機的使用壽命，自1920年代起，越來越多機車車輛的軸懸式驅動裝置採用了彈性齒輪，以取代無彈性減震裝置的剛性齒輪。這是提高機車走行部可靠性和耐久性的重要措施之一，彈性齒輪能夠改善牽引齒輪間的偏載、緩和來自線路的動力衝擊、改善牽引電動機的工作條件、減少由於齒輪製造和裝配誤差所引起的動力負荷等。製造商一般都會選擇將大齒輪設計成彈性結構，因為它有較大的空間設置彈性元件。彈性元件設置在齒輪圈和齒輪心之間，較常見的彈性元件包括金屬片彈簧、金屬圓彈簧和橡膠彈簧。

金屬片彈簧彈性齒輪由瑞士機車和機器製造廠（SLM）發明，最初使用於瑞士BLS鐵路的BLS鐵路Be 5/7型電力機車；這種彈性齒輪實際上衍生自阿普特式齒軌鐵路機車的牽引齒輪，使用多層彎曲的鋼板彈簧作為彈性元件，但由於鋼板彈簧剛度大、緩衝效果不顯著、組裝及維修不方便，因此這種彈性齒輪在二十世紀中葉以後已被逐步淘汰，典型例子有瑞士為羅馬尼亞研製的060 DA型柴油機車。

金屬圓彈簧彈性齒輪於1920年代由美國西屋電氣公司發明，最早使用於鮑爾溫機車廠及西屋電氣公司製造的日本國鐵EF51型電力機車，這種彈性齒輪採用螺旋彈簧作為彈性元件，並且可以配合額外的摩擦式阻尼裝置，來獲得合適的性能參數。在1930年代至1950年代，金屬圓彈簧彈性齒輪的製造技術已發展成熟，法國、日本、蘇聯、英國等國亦廣泛採用了這種結構。

套筒形橡膠元件彈性齒輪於1930年代在英國面世，最初被使用於英國城市有軌電車上。由於橡膠元件彈性齒輪結構簡化、製造成本降低，而且橡膠元件也不像金屬彈簧那樣需要經常維護，因此自1950年代起開始迅速普及，並出現逐步取代金屬彈簧彈性齒輪的趨勢。例如，日本首先在日本國鐵EF58型電力機車上，進行了套筒形橡膠元件彈性齒輪的運用試驗，並自1960年代起應用到EF70型及以後的各型電力機車。而蘇聯則從1974年開始，在所有新造的2TE10V、2TE116型貨運機車，以及TEM7型調車機車上應用自動調節式橡膠元件彈性齒輪。

## 彈性軸懸式

### 結構特點

彈性軸懸式驅動方式又稱為彈性半懸掛傳動，是從上述的剛性軸懸式驅動裝置的基礎上發展而成。這種驅動裝置的特點是，牽引電動機與轉向架之間的鼻式懸掛方式原則上保持不變，但牽引電動機抱軸承不再直接由車軸支撐，而是支撐在一根同心地包在車軸外的空心軸上，從動大齒輪固定安裝在空心軸端部，空心軸兩端通過彈性元件支承在車輪心上，牽引電動機輸出的力矩通過小齒輪傳至大齒輪，通過空心軸、彈性元件傳至輪對，空心軸與車軸一同旋轉。雖然牽引電動機約一半重量仍然支承在車軸上，但之間通過具有緩衝作用的彈性元件，使抱軸載荷能夠彈性地支承於車軸上，故稱之為彈性軸懸式。因此，彈性軸懸式的重點在於聯接空心軸和輪心的彈性元件，它既要支承牽引電動機約一半的重量和空心軸及大齒輪的全部重量，並且具有可適應各個方向運動和衰減振動的功能，還要傳遞牽引電動機通過大齒輪傳來的力矩。空心軸與車軸之間的間隙一般為15毫米左右，約為輪對空心軸架承式驅動方式的三分之一。

彈性軸懸式傳動裝置除繼承了剛性軸懸式結構簡單的優點，並且令牽引電動機的全部重量都屬於簧上重量，來自鋼軌的硬性衝擊經過彈性元件的緩衝，有效緩和了軌道不平順對牽引電動機的振動衝擊，使牽引電動機和傳動齒輪的運轉條件得以改善。此外，這類型採用橡膠彈性元件的彈性傳動裝置還具有很大的扭轉彈性，當車輛進行起動時動輪尚未轉動之前，牽引電動機整流子已經開始相對轉動，以德國聯邦鐵路E40型電力機車為例，當起動牽引力達到75千牛時，電樞已經首先轉動過了27個整流子片，使每一整流子片僅在極短時間內承受較大的起動電流，從而對牽引電動機產生了保護作用；而且橡膠彈性元件的旋轉彈性也有利於起動，即使稍微超過粘著係數時也不會發生輪對空轉；基於同一原因，由牽引電動機產生雙倍於電網頻率的脈動轉矩，其所引起振動亦得以通過彈性元件阻尼被衰減。

剛性軸懸式驅動裝置對牽引電動機最大振動加速度，幾乎是與軌道干擾作用同時發生；而彈性軸懸式驅動裝置因彈性元件的阻隔作用，使牽引電動機達到最大振動加速度的時間得以延遲，牽引電動機相對動軸的位移在其固有振動的四分之一周期以後才達到最大值。然而，彈性軸懸式本質上仍然屬於軸懸式驅動，彈性元件的撓度遠比一系懸掛為小，因此對牽引電動機的振動衝擊不可能完全消除，減震效果與全懸掛驅動裝置相比仍有差距。另一方面，由於空心軸與車軸之間的間隙較小，因此牽引齒輪副中心距也相對較小，難以設計尺寸較大的小齒輪和較小的傳動比，不利於進一步提高機車車輛的構造速度，使其應用範圍受到一定限制。

彈性軸懸式的典型例子有瑞典通用電機公司（ASEA）的橡膠盤式彈性驅動裝置、瑞士歐瑞康機械製造廠（MFO）的柱銷式彈性聯軸裝置、西德西門子-舒克特公司（SSW）的環狀橡膠彈性驅動裝置、東德黑尼格斯多夫電力機車製造廠（LEW）的錐形橡膠環彈性驅動裝置，大多用於構造速度為120～160公里/小時的鐵路機車車輛。彈性軸懸式驅動的概念始於1930年代，至1948年首次應用於瑞典國鐵的瑞典國鐵X5型電力動車組。1950年代，西門子-舒克特公司發明了環狀橡膠彈性軸懸式驅動裝置，並且被廣泛運用於德國聯邦鐵路的標準化電力機車系列。1960年代，黑尼格斯多夫電力機車廠參照西門子的產品，研製了錐形橡膠環彈性軸懸式驅動裝置；隨後，日本亦成功研製了QD10型彈性軸懸式傳動裝置，被裝用於日本國鐵EF66型電力機車。

### SSW傳動裝置

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1950年，聯邦德國（西德）的西門子-舒克特公司（SSW）成功研製了環狀橡膠彈性驅動裝置（Gummiringfederantrieb），又稱為西門子-舒克特傳動裝置或簡稱SSW傳動裝置。這種彈性軸懸式驅動裝置的特點是採用了西門子獨創的扇形橡膠塊作為彈性元件，傳動系統由齒輪副、空心軸和每側六組扇形橡膠塊組成。牽引電動機的一端通過剪切橡膠彈簧懸掛於轉向架構架，另一端通過滾動軸承和空心軸套座落在圓柱形空心軸，空心軸套用螺栓與牽引電動機機座相連，而大齒輪的齒輪心用12個螺栓固定在空心軸兩端；從齒輪心伸出來六個臂爪，通過六組呈環狀布置的扇形橡膠塊，與車輪心的輻板聯接及傳遞扭矩。

西門子-舒克特傳動裝置首先被安裝在德國聯邦鐵路德意志國鐵路E44型電力機車 038號機車的其中一台轉向架上，進行了彈性軸懸式和剛性軸懸式的對比試驗。試驗結果顯示，彈性軸懸式驅動裝置對於牽引電動機有明顯的減震作用，垂直振動加速度是剛性軸懸式的五分之一，水平振動加速度是剛性軸懸式的六分之一。與此同時，在德國聯邦鐵路E10.0型電力機車的首五台原型車上，其中一台機車亦採用了西門子舒克特傳動裝置，與其他機車使用的三種傳動裝置進行了對比試驗。德國聯邦鐵路根據其試驗結果，決定在自1956年起投入批量生產的標準化電力機車上，包括E10、E40、E41、E50型電力機車等，以及後來的111、151型電力機車，均統一採用西門子-舒克特傳動裝置。

### LEW傳動裝置

1960年，東德的黑尼格斯多夫電力機車製造廠（LEW）研製了錐形橡膠環彈性驅動裝置（Kegelringfeder-Antrieb），又簡稱為LEW傳動裝置，其技術結構與西門子-舒克特傳動裝置相類似，但改為使用一個具有30°錐角的整圈錐形橡膠環作為彈性元件。在運行速度為100公里/小時的動力作用條件下，錐形橡膠環的垂向撓度可達10毫米，軸向撓度可達8毫米。與SSW傳動裝置的扇形橡膠塊相比，錐形橡膠環的結構和組裝更為簡單，但因橡膠環直徑達600～700毫米，製造品質均勻的橡膠環的難度和成本亦較大。錐形橡膠環彈性驅動裝置首先應用於1961年試製的德國國營鐵路E11 002號電力機車原型車，並與裝用剛性軸懸式驅動裝置的E11 001號機車進行了對比試驗。後來，錐形橡膠環彈性驅動裝置被廣泛使用於批量生產的德國國營鐵路243、250、252型電力機車。