体悬式驱动方式

**體懸式驅動方式**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車體底架上，使牽引馬達成為位於二次懸吊之上的車體重量之一部分，而車體重量則通過二系和一次懸吊系統由輪對支承。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。

牽引馬達輸出的旋轉力矩需要經過傳動減速裝置傳遞到輪對上並產生牽引力，體懸式驅動裝置需要適應車體與轉向架之間以及轉向架與輪對之間各方向相對位移。由於二次懸吊的靜撓度一般比一次懸吊更大，安裝在車體上的牽引馬達與輪對之間的動態位移，必然遠大於安裝轉向架構架上的牽引馬達與輪對之間（架懸式驅動方式）的動態位移，因此可適應垂向、橫向、縱向及各個迴轉方向運動的關節聯軸器是傳動裝置的關鍵部件，這亦是體懸式驅動裝置比其他牽引傳動裝置更為複雜的原因。

體懸式驅動方式可以將轉向架的簧下重量減少至最低限度，不僅能改善機車車輛高速運轉時的動力學性能，還有利於降低輪軌作用力，因此體懸式驅動方式主要被應用在高速鐵路列車。牽引馬達在車體底架上可採用橫向或縱向布置，橫向布置為牽引馬達電樞軸與車軸平行設置，典型例子有 TGV 三爪萬向軸驅動裝置；縱向布置為牽引馬達電樞軸與車軸垂直設置，典型例子包括 APT-P 驅動裝置、潘多利諾十字萬向軸驅動裝置等。

## 主要類型

### TGV 三爪萬向軸驅動裝置

TGV 三爪萬向軸驅動裝置（La transmission à cardan tripode）是福伊特公司為法國高速列車（TGV）開發研製的體懸式驅動裝置，整套傳動系統由體懸齒輪箱、三爪萬向軸、車軸齒輪箱三大部分組成。牽引馬達以平行於車軸的方式安裝在車體底架上，電樞軸輸出的旋轉力矩經小齒輪直接輸入到體懸齒輪箱，體懸齒輪箱為帶有一個中間齒輪的減速齒輪箱；由牽引馬達和體懸齒輪箱構成的驅動單元，以三點懸掛方式彈性地懸掛在車體底架上；體懸齒輪箱的輸出端通過三爪萬向軸連接裝置，向車軸齒輪箱及輪對傳遞扭矩；車軸齒輪箱的一端以滾動軸承抱坐在車軸上，另一端以懸掛臂與轉向架構架相連。由於牽引馬達採用了體懸式懸掛，使轉向架自重及簧下重量得以大幅減輕，以 TGV 大西洋線列車為例，其轉向架自重僅 7.2 噸，每軸一系簧下重量僅 2.0 噸。

這種驅動裝置的特點是採用了三爪萬向軸（又稱三球銷式滑動萬向軸）作為兩個齒輪箱之間的動力傳遞裝置，能夠補償車體與轉向架之間所有相對運動。這種萬向軸最初是由法國格朗澤・史派沙公司（Glaenzer Spicer）為汽車傳動而發明。三爪萬向軸由兩個十字萬向節和一個中間聯接裝置構成，聯接裝置設有三球銷凹槽的銷套，三個帶有滾動軸承的萬向軸軸杆嵌在三球銷凹槽內，銷套內壁設有對應滾動軸承的三條溝槽，軸杆可以在銷套內自由來回伸縮，最大伸縮位移可達 ±120 毫米，而且滾動軸承滑動所產生的軸向摩擦力極小。

三爪萬向軸驅動裝置最初被應用在法國國家鐵路試製的 Z 7001 型試驗性電動力車，最高運轉試驗速度達到了 309 公里 / 小時；根據其實驗成果發展而成的 TGV 東南線高速列車（TGV-PSE），亦採用了這種被證明為性能優良可靠的傳動裝置。1981 年 2 月，TGV-PSE 列車在法國高速鐵路東南線創造了 380 公里 / 小時的輪軌鐵路速度紀錄。後來出現的各種 TGV 高速列車及相關衍生車型均繼承了三爪萬向軸體懸式驅動裝置，包括屬於第二代的 TGV 大西洋線列車（TGV-A）、TGV 路網列車（TGV-R）、大力士高速列車（Thalys PBA）、歐洲之星列車（TGV-TMST），屬於第三代的 TGV 雙層列車（TGV-D），以及屬於第四代的 TGV-POS 列車、TGV-2N2 列車。

### APT-P 柔性浮動套驅動裝置

APT-P 柔性浮動套驅動裝置是德比鐵路技術中心為英國鐵路先進旅客列車（APT-P）開發的體懸式驅動裝置，傳動系統由傳動減速齒輪箱、萬向軸、車軸齒輪箱、柔性浮動套等幾個部分組成。牽引馬達以縱向方式安裝在車體內其中一側，其電樞軸輸出的扭矩首先輸入到傳動減速齒輪箱，減速齒輪箱輸出法蘭連接一根較長的斜向萬向軸，向懸掛於轉向架構架上的車軸錐齒輪箱傳遞扭矩，然後經過帶有連杆機構的柔性浮動套驅動力車輪。柔性浮動套與傳統的輪對空心軸驅動方式相似，其結構形式實際上是一節短空心軸，空心軸兩端設有五連杆萬向節機構，分別與車軸齒輪箱和車輪心相連；柔性浮動套允許車軸與轉向架之間的各向位移，最大垂向位移可達 ±35 毫米。

柔性浮動套驅動裝置被首先應用於 APT-P 高速列車的動力車上，其構造速度達到 155 英里 / 小時（250 公里 / 小時），並且獲得了令人滿意的試驗結果。雖然先進旅客列車開發計劃最終夭折，但在此列車上許多已經過驗證的先進技術，包括柔性浮動套驅動裝置，被繼承到後來用於「城際 225」列車的英國鐵路 91 型電力機車，但不同之處是牽引馬達改為懸掛在車體底架上，因而縮短了傳動路線和萬向軸長度。這種結構形式使得列車能夠滿足最小之簧下重量和轉向架重量的目標，APT-P 動力車的簧下重量僅 1.5 噸，而 91 型電力機車的簧下重量亦只有 1.7 噸。

### 潘多利諾十字萬向軸驅動裝置

潘多利諾十字萬向軸驅動裝置是由義大利菲亞特公司鐵路設備部門為「潘多利諾」系列高速列車而研製，牽引馬達以縱向方式懸掛在兩個轉向架之間的車體下部，通過一根可伸縮十字萬向軸將轉矩傳遞給車軸齒輪箱，萬向軸的伸縮與轉角功能可有效地補償轉向架和車體間的各向運動。車軸齒輪箱通過兩對軸承支承在車軸上，齒輪箱採用單級圓錐齒輪傳動，齒輪箱迴轉反作用杆通過橡膠彈性關節與轉向架構架橫梁連接，在齒輪箱兩側並且設置了碟式軔機裝置。在這種結構形式中，每個動力轉向架只有內側輪對為動軸，即只有一台牽引馬達和一套驅動裝置，是結構最為簡單的體懸式驅動裝置。

1970 年代，這種驅動裝置最初被安裝在 Y 0160 型試驗性電動力車上進行技術驗證，最高試驗速度達到了 260 公里 / 小時，為後來的「潘多利諾」系列動力分散傾斜式高速列車奠定了基礎，包括 ETR 401 型電聯車、ETR 450 型電聯車、ETR 460 型電聯車、ETR 470 型電聯車、ETR 480 型電聯車等。

### ICE 半體懸式驅動裝置

ICE 半體懸式驅動裝置是德國聯邦鐵路為城際快車（ICE）開發研製、介乎於全體承式和架承式之間的驅動方式。這種結構的主要特點是將牽引馬達、齒輪傳動系統、基礎制軔裝置集成為一體化的驅動制軔單元，驅動制軔單元的一端用橡膠關節吊掛在車體底架上，另一端通過兩根設有橡膠關節的擺杆吊掛在轉向架構架端梁上，即形成半體懸驅動方式。驅動制軔單元可以作為一個整體實現與車體及轉向架構架的聯接，驅動制軔單元的品質中心靠近轉向架中間的懸掛點，使其約三分之二的品質由車體承擔，約三分之一的品質由轉向架構架承擔。動力傳遞機構採用雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置，與德國聯邦鐵路 120 型電力機車的傳動裝置基本相同，大齒輪通過滾動軸承安裝在固定空心軸（外空心軸）上，齒輪心與轉動空心軸（內空心軸）用六連杆萬向節聯接，而轉動空心軸另一端亦使用六連杆萬向節與車輪聯接，利用橡膠球鉸的萬向彈性補償車體和轉向架之間的相對運動。和其他體懸式驅動裝置一樣，半體懸式驅動裝置的主要目的也是為了減輕簧下重量和一系簧上重量，ICE-1 列車的動力轉向架每軸簧下品質為 2.2 噸，而 ICE-V 列車的簧下重量更只有 1.9 噸。

半體懸式驅動裝置在德國聯邦研究及技術部（BMFT）研製的驅動品質可控轉換轉向架（Umkoppelbarer Antriebsmasse，“UmAm”）上被首次應用，並於 1982 年將其裝用於一台 DE2500 型柴油機車進行高速試驗，構造速度為 250 公里 / 小時，在定置滾動試驗台的最高速度達到 310 公里 / 小時。1985 年，試驗型城際快車（ICE-V）交付德國聯邦鐵路並投入試驗，其動力轉向架基本沿用了「UmAm」高速轉向架的結構，主要變化為將驅動制軔單元的主動控制橫向品質轉換裝置改為被動的液壓減振器 ；1988 年 5 月，ICE-V 列車以 406.9 公里 / 小時的試驗速度創造了輪軌鐵路速度世界紀錄。這種高速轉向架經過大量試驗研究及改良後，被應用於批量生產的 ICE-1、ICE-2 列車。

半體懸式驅動裝置在中國也有應用例子。作為「八五」國家重點科技攻關計畫的「高速動力車轉向架研究」，由西南交通大學主持設計、聯合鐵路機車工廠研製，通過對比研究及論證分析各國電力機車的高速轉向架，最終決定以德國 ICE 高速列車的動力轉向架為參照對象，採用一體化驅動制軔單元及輪對雙空心軸驅動機構的設計。原型轉向架經過改良後被應用於「藍箭」和「中華之星」電聯車，其中「中華之星」正線試驗速度達到 321.5 公里 / 小時，試驗台最高試驗速度達到 400 公里 / 小時。

### 龐巴迪 IGA 驅動裝置

為了研製新一代的交流傳動高速客運電力機車來替代日漸老化的德國聯邦鐵路 103 型電力機車，德國 ABB 亨舍爾公司（1996 年改組為 Adtranz，並於 2001 年被龐巴迪公司收購）在雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置及上述的 ICE 半體懸式驅動裝置的基礎上，設計出同樣採用半體懸結構併集成碟式軔機的 IGA 驅動裝置（Integrierten Gesamtantrieb），意為「整體集成驅動裝置」。驅動裝置靠近轉向架中央的一側通過一根輔助樑懸掛在車體底架上，而另一側通過兩根設有橡膠關節的擺杆吊掛在轉向架構架端梁上；由於這種布置使轉向架品質集中在旋轉軸線周圍，使得機車具有較好的曲線通過性能。為了有充分空間在空心軸上設置煞車盤，因此在小齒輪和大齒輪之間加入中間齒輪，以加大了牽引馬達與空心軸間的距離；與傳統的輪盤制軔（在車輪上設置煞車盤）相比，這種制軔裝置方案不會增加簧下重量，而且輪對橫動對於閘片間隙的影響也十分輕微。

與同時期由 AEG 公司開發的「Gealaif」架懸式驅動裝置相似，IGA 驅動裝置亦採用了承載式齒輪箱結構，將小齒輪及其軸承設置在齒輪箱內，牽引馬達的電樞軸輸出端無軸承，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。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。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；而在摒棄了笨重的空心軸套之後，驅動側的六連杆機構可以改為設置在齒輪箱內側，既縮短了空心軸的長度亦改善了六連杆機構的可維護性。

龐巴迪 IGA 驅動裝置首先被應用於 1996 年面世的德國鐵路 101 型電力機車，單軸持續功率為 1600 千瓦，構造速度可達 220 公里 / 小時；後來多種由龐巴迪生產並以 101 型電力機車為基礎的出口車輛，包括義大利國鐵 E.464 型電力機車、新澤西通勤鐵路 ALP-46 型電力機車、ALP-45DP 型雙動力源機車等亦採用了 IGA 驅動裝置。

## 參考文獻