カルダン駆動方式

**架懸式驅動方式**是鐵路機車車輛使用的牽引傳動裝置類型之一，該驅動方式的特點是將牽引馬達安裝在轉向架構架上，牽引馬達的全部重量屬於簧上重量。牽引馬達的重力和輪軌作用力通過一次懸吊傳遞，車輛運轉中轉向架構架與輪對之間便產生相對動態位移，為了使牽引馬達輸出的扭矩能夠平穩驅動與之對應的輪對，牽引馬達電樞軸與輪對之間需要採用能適應各方向相對位移的彈性聯軸器，以此作為中間聯結裝置並傳遞扭矩。根據傳動裝置的設計需要和彈性聯軸器的結構差異，彈性聯軸器既可以安裝在牽引馬達與小齒輪（主動齒輪）之間，例如電機空心軸驅動裝置、鼓形齒聯軸器驅動裝置、撓性板聯軸器驅動裝置等；也可以安裝在大齒輪（從動齒輪）與車軸之間，例如輪對空心軸驅動裝置，而聯軸器的位移幅度大小取決於一次懸吊裝置的剛度。架懸式驅動與體懸式驅動都屬於全懸掛式驅動方式，兩者的分別在於架懸式將牽引馬達懸掛在轉向架構架，位於一次懸吊之上及二次懸吊之下；而體懸式將牽引馬達安裝在車體，位於二次懸吊之上。

與傳統的軸懸式驅動方式相比，架懸式驅動方式的主要優點是減輕了簧下重量，牽引馬達全部重量由轉向架構架承擔，而轉向架構架重量又由一次懸吊承擔，並且輪對與牽引馬達之間採用彈性聯接，因軌道不平順和輪軌衝擊所引起的輪對垂向和橫向加速度，不會直接傳遞到牽引馬達和牽引齒輪副，使牽引馬達的工作條件和使用壽命比軸懸式有了大幅改善。此外，採用架懸式驅動的機車車輛在行駛時產生的輪軌動力作用也比軸懸式小得多，減少了對軌道的破壞程度和路線維護保養的工作量，有利於車輛運轉品質和車輛運轉速度的進一步提高。因此架懸式驅動裝置被廣泛應用於最高速度超過 120 公里 / 小時的鐵路機車車輛。

## 主要類型

### 輪對空心軸驅動方式

輪對空心軸驅動方式是歷史最悠久的架懸式驅動裝置類型，原理是在車軸外面套了一根同心的空心軸，並且在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。輪對空心軸驅動方式自二十世紀初在美國問世以來，各國相繼發展出許多各有特色的驅動裝置。1900 年代，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），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幅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。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，設計出經過簡化改良的賽雪龍彈簧驅動裝置（Sécheron-Federantrieb）。與此同時，德國 AEG 公司亦對威斯汀豪斯驅動裝置作出改造，使用彈簧套筒以改善彈簧聯軸器的受力條件，稱之為 AEG - 克萊諾夫彈簧驅動裝置（AEG-Kleinow-Federtopf-Antrieb）。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（La trasmissione Bianchi）和內格里驅動裝置（La trasmissione Negri），以及使用橡膠盤聯軸器的法內利驅動裝置（La trasmissione Fanelli）。

上述幾種驅動裝置都是將彈簧聯軸器置於車輪幅條間，而瑞士勃朗 - 包維利公司（BBC）則發明了將彈簧直接安裝在大齒輪內的結構形式，也就是勃朗 - 包維利彈簧驅動裝置（BBC-Federantrieb）；大齒輪通過滾動軸承安裝在一截短空心軸套上，空心軸套與牽引馬達機座連成一體而不能隨車軸轉動，通過彈簧套筒和壓裝在車輪上的傳動盤傳遞旋轉力矩。除此之外，法國阿爾斯通公司亦發明了使用關節機構作為彈性聯軸器的輪對空心軸驅動裝置，即著名的阿爾斯通浮動盤式驅動裝置（La transmission Alsthom à anneau dansant），通過與空心軸及大齒輪相連的四連杆浮動盤機構向車輪傳遞旋轉力矩，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因為歐洲鐵路對列車速度的要求越來越高，使用雙級彈性傳動系統的輪對空心軸驅動裝置應運而生。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。法國國家鐵路設計的傑奎明驅動裝置（La transmission Jacquemin à anneau dansant）就是雙級彈性傳動的典型例子，特點為使用萬向節空心軸和中間齒輪傳動，使用這種驅動裝置的 BB 9004 號電力機車，於 1955 年達到了 331 公里 / 小時的最高試驗速度。1960 年代，勃朗 - 包維利公司為德國聯邦鐵路開發出雙空心軸六連杆扇形橡膠塊驅動裝置（BBC Kardan-Hohlwellenantrieb），大齒輪通過滾動軸承安裝在固定空心軸上，大齒輪與轉動空心軸用六連杆萬向節聯接，而轉動空心軸另一端用扇形橡膠塊及爪盤與車輪相連；在作為進入交流傳動時代標誌的德國聯邦鐵路 120 型電力機車上，首次採用兩級彈性元件皆為六連杆萬向節的結構形式，即雙級六連杆空心軸驅動裝置。

### 電機空心軸驅動方式

電機空心軸驅動方式的特點是將彈性聯軸器設置在牽引馬達電樞軸與小齒輪之間，並將牽引馬達電樞軸設計成空心軸以節省空間，傳遞扭矩的扭轉軸從空心電樞軸中穿過，從牽引馬達輸出的扭矩通過電樞空心軸、扭轉軸端彈性聯軸器、扭轉軸、小齒輪端彈性聯軸器、小齒輪、大齒輪驅動輪對，電樞空心軸與扭轉軸之間的間隙允許扭轉軸傾斜，以適應牽引馬達與輪對及齒輪箱體之間各個方向的位移。電機空心軸驅動方式的優點是結構緊湊，傳動裝置的重量亦較輕；但由於齒輪箱的布置形式仍然與軸懸式驅動方式相似，大齒輪和齒輪箱直接支承在車軸上，齒輪箱重量的約三分之二為簧下重量，簧下重量相對大於輪對空心軸驅動方式。

電機空心軸驅動方式的典型例子包括瑞士勃朗 - 包維利公司的圓盤式驅動裝置（BBC-Scheibenantrieb），以及賽雪龍公司的十字鋼板式驅動裝置（Sécheron-Lamellenantrieb），兩者分別使用環狀柔性圓盤和十字形鋼板聯軸器作為彈性聯軸裝置。此外，扭轉軸端及小齒輪端彈性聯軸器也可採用不同的結構，例如瑞典通用電機公司（ASEA）開發的電機空心軸驅動裝置（ASEA rotorhålaxel drivningen），在扭轉軸端使用齒形聯軸器，而在小齒輪端則使用橡膠聯軸器，採用單側齒輪單邊傳動方式，這種驅動裝置被廣泛應用於瑞典國鐵 Rc 系列電力機車和相關衍生車型。1950 年代，捷克斯洛伐克的斯柯達公司也為準高速客運電力機車研製了一種電機空心軸萬向節驅動裝置（Pohonu kloubovým hřídelem uloženým v dutině motoru systému ŠKODA），使用十字環形中間萬向接頭作為聯軸器。

### 鼓形齒聯軸器驅動方式

鼓形齒聯軸器驅動方式由美國西屋電氣公司與專門生產齒輪的納塔爾公司（R.D. Nuttall Company）於 1925 年合作開發，因此又稱為西屋電氣－納塔爾驅動方式（Westinghouse-Nuttall drive），或簡稱 WN 驅動方式。在這種傳動系統中，與車軸平行布置的牽引馬達固定在轉向架構架上，電樞軸通過齒輪聯軸器與小齒輪軸相連，並通過齒輪的嚙合將扭矩傳遞到大齒輪，從而驅動輪對旋轉；齒輪箱一端通過抱軸承坐落在車軸上，而另一端通過彈性吊杆或橡膠元件懸吊在構架橫梁上。齒輪聯軸器一般都採用鼓形齒式結構，以避免普通直齒聯軸器因軸歪斜和偏移而產生卡齒現象。鼓形齒聯軸器由外齒軸套和內齒外套等部分組成，通過兩者嚙合點的變化來補償電樞軸和小齒輪軸間的各種位移。

鼓形齒聯軸器驅動方式是一種結構相對簡單、製造成本較低的架懸式驅動裝置，由於齒輪聯軸器需要占據兩車輪之間的部分軸向空間，因此比較適合用於牽引馬達功率較小、輪對內側軸向空間較大的車輛，主要用於動力分散的電聯車和城軌車輛；此外，這種驅動裝置擁有體積小、重量輕的優點，具有良好的動力學性能，可滿足 250～300 公里 / 小時甚至更高速度的需求，因而在高速鐵路列車上也得到廣泛應用，例如日本新幹線 300 系、500 系、700 系電聯車，以及德國的 ICE-3 電聯車等。鼓形齒聯軸器的主要不足之處是扭轉剛度較大，且需要定期檢查維護及加注潤滑油。

### 撓性板聯軸器驅動方式

撓性板聯軸器驅動方式由日本東洋電機製造於 1960 年代研製成功，由於其典型結構的核心部件為兩片金屬撓性板，因而又得名為雙撓性板驅動方式（Twin Disc drive），或簡稱 TD 驅動方式。這種傳動系統的結構形式與 WN 驅動方式相似，與車軸平行布置的牽引馬達固定在轉向架構架上，撓性板聯軸器安裝在電樞軸與小齒輪軸之間，它通過金屬彈性膜片來實現減振和角向、軸向、徑向變位補償。與 WN 驅動方式相比，TD 驅動方式的結構更為簡單，其主要優點是無需潤滑及維護，而且沒有齒輪聯軸器之噪音。然而，撓性板聯軸器運轉時金屬膜片受力比較複雜，需要使用抗疲勞、耐鏽蝕、高彈性的特殊金屬膜片材料，對於金屬材料加工工藝的技術水平要求較高，當今世界上具備撓性板聯軸器生產資質的企業為數不多，因此 TD 驅動方式的應用遠不及 WN 驅動方式普遍。以往一般採用特殊鋼製作金屬膜片，但自 1990 年代起東洋電機亦開始利用輕巧耐用的碳纖維增強複合材料。

### 小齒輪空心軸驅動方式

小齒輪空心軸驅動方式（Ritzelhohlwellenantrieb）是由西門子交通集團研製的彈性懸掛驅動裝置。在這種結構形式中，牽引馬達通過裝有橡膠關節的懸掛臂，全彈性地懸掛在轉向架構架上；從動大齒輪和牽引齒輪箱直接安裝在車軸上；小齒輪軸被設計成空心軸結構，通過軸承支承在牽引齒輪箱上，一根扭轉軸從小齒輪空心軸當中穿過。牽引馬達電樞軸通過鋼片萬向聯軸節與扭轉軸相連，扭轉軸另一端也通過相同的萬向聯軸節與小齒輪空心軸相連。這種驅動方式的主要特點之一是採用了牽引馬達彈性懸掛，使牽引馬達與轉向架構架的橫向運動解耦；另一個特點是將齒輪箱潤滑油循環迴路和牽引馬達軸承潤滑油脂完全分開，使之發生任何故障時不會互相影響。齒輪空心軸驅動裝置的簧下重量稍微大於輪對空心軸驅動方式，適用於最高速度達 200 公里 / 小時的機車車輛，這種驅動裝置首先被應用於西門子「歐洲飛人」（Eurorunner）柴油機車，後來並成為「Vectron」機車設計平台的標準驅動系統。

## 參考文獻