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（德語：Ankerhohlwellenantrieb），是鐵路機車車輛使用的架懸式牽引傳動裝置類型之一。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簧上重量；牽引電動機電樞軸採用空心結構，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接，從牽引電動機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，以適應牽引電動機與輪對及齒輪箱體之間各個方向的位移[1]。
結構特點
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根據輪軌相互作用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；而隨着車輛運行速度的提高，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、輪重減載率等安全性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運行品質，就必須降低機車車輛的簧下重量，以達到減少輪軌作用力、提高動力學性能的目的。
傳統的軸懸式驅動方式將牽引電動機的一側通過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過彈性懸掛於轉向架構架的橫梁上；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（包含牽引電動機及牽引齒輪箱）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（即牽引電動機）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，可以利用這個空間布置聯軸器，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[2]。
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置扭轉軸的結構，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英國鐵路86型電力機車為例，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[3]。
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[3]。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，另一端通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[4]。
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、再黏着時，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性能參數匹配不當，當扭矩急劇變化時驅動裝置可能會產生彈性自激振動，導致輪軌粘着狀態受到破壞並誘發空轉[4]。
主要類型
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1940年代，瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）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（BBC-Scheibenantrieb）。這種驅動裝置使用彈性圓盤式聯軸器作為彈性元件，壓裝在空心電樞軸內的套筒與傳動臂連為一體，傳動臂通過螺栓與金屬彈性圓盤連接；圓盤背面用螺栓裝有另一個傳動臂，這個傳動臂與前者相互90°垂直布置，並與穿過空心電樞軸的扭轉軸剛性地連接；空心電樞軸的另一端通過相同形式的圓盤式聯軸器，與支撐在牽引齒輪箱上的小齒輪軸相連。這套驅動裝置當中除了大小齒輪外，沒有其他相互滑動及產生磨損的零部件[5]。
BBC圓盤式驅動裝置於1941年被首次應用於蘇黎世電車並獲得了令人滿意的結果，隨後又使用於1944年為BLS勒奇山鐵路研製的Ae 4/4型電力機車[5]，其後的錫爾谷鐵路CFe 4/4型電力動車組和比利時國鐵121型電力機車亦採用了BBC圓盤式驅動裝置[6][7]。1953年，在德國聯邦鐵路E10.0型電力機車的首五台原型車上，其中E10 002號機車亦採用了BBC圓盤式驅動裝置，與其他幾台分別裝有阿爾斯通浮動盤式驅動裝置、SSW彈性軸懸式驅動裝置、賽雪龍十字鋼板式驅動裝置的原型車進行了對比試驗；在這次為標準化電力機車進行的牽引傳動裝置選型當中，德國聯邦鐵路最終沒有採用BBC圓盤式驅動裝置，而是相中了SSW彈性軸懸式驅動裝置[8][9]。
賽雪龍十字鋼板式驅動裝置
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1950年代初，瑞士賽雪龍公司（SAAS）在BBC圓盤式驅動裝置的基礎上，開發出經過改良的賽雪龍十字鋼板式驅動裝置（Sécheron-Lamellenantrieb）。這種驅動裝置採用片式聯軸器作為扭轉軸與空心電樞軸及小齒輪軸之間的聯接裝置，片式聯軸器是由一組以正方形四邊布置的鋼片組成，一對鋼片式傳動臂連接在四邊形的兩對對角處。與BBC圓盤式驅動裝置相比，這種驅動裝置的結構比較簡單，製造及維護成本也較低。此外，片式聯軸器只需要很薄的鋼片來構成，因此其所占用的軸向空間更小，更適合用於牽引電動機尺寸受限制的情況[2]。
彈性片式聯軸器在車輛運轉過程中，因應不同情況產生的應力使鋼片變形，包括傳遞力矩時產生的拉應力、鋼片兩端處於不同平面時產生的彎曲應力、以及扭轉軸與小齒輪軸存在角位移時產生的扭轉應力。鋼片的尺寸大小、鋼片每端固定螺栓的數量、以及疊在一起的鋼片數量取決於傳遞扭矩的大小，鋼片通常採用優質彈簧鋼製作，鋼片厚度約為1.5～4毫米，長度為160～630毫米。瑞士歐瑞康機械製造廠（MFO）也生產過結構相似的片式聯軸器驅動裝置，只是鋼片固定螺栓形式稍有區別[2]。
使用賽雪龍十字鋼板式驅動裝置的主要車型包括奧地利聯邦鐵路的4061型電力機車、4030型電力動車組、4130型電力動車組、汝拉鐵路BDe 4/4 I型電力動車組、瑞士聯邦鐵路Fe 4/4型軌道客車等。在德國聯邦鐵路E10.0型電力機車的首五台原型車上，其中E10 004、005號機車亦採用了賽雪龍十字鋼板式驅動裝置。除此之外，斯柯達公司於1950年代初與賽雪龍公司簽訂了生產許可協議，引進了賽雪龍十字鋼板式驅動裝置的全套製造技術，並且將其應用於捷克斯洛伐克國鐵的E 499.0、E 669.0型電力機車，以及為蘇聯鐵路提供的ChS1型電力機車。
ASEA電機空心軸驅動裝置
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1950年代，由於瑞典國家鐵路需要一款新型快速客運電力機車，瑞典通用電機公司（ASEA）的工程師讓·利勒伯特（Jan Liljeblad）為此在賽雪龍十字鋼板式驅動裝置的基礎上，設計出使用齒輪聯軸器及橡膠盤聯軸器的牽引傳動裝置，稱之為ASEA電機空心軸驅動裝置（ASEA rotorhålaxel drivningen）[10]。這種驅動裝置的特色是扭轉軸端及小齒輪端的彈性聯軸器採用了不同的結構，空心電樞軸與扭轉軸之間使用齒輪聯軸器，而扭轉軸與小齒輪軸之間則使用橡膠聯軸器。牽引電動機以三點支承方式安裝在轉向架構架橫梁上，採用單側斜齒圓柱齒輪單邊傳動，牽引電動機輸出的扭矩通過空心電樞軸、齒輪聯軸器、扭轉軸、橡膠聯軸器、小齒輪、大齒輪傳遞到輪對。
齒輪聯軸器由齒數相同的外齒輪和內齒輪組成，內齒輪圈與電樞空心軸相連，外齒輪則與穿過電樞軸的扭轉軸相連；為了使扭轉軸能夠軸向移動和擺動，外齒輪沿齒長修正成鼓形，而齒頂沿齒寬呈弧形；齒輪聯軸器採用潤滑油壓力潤滑，並裝有密封性好的套箍式油封。扭轉軸採用經過表面淬火的鉻鉑鋼製成，還覆蓋了氨基甲酸酯橡膠塗層以防腐蝕。橡膠聯軸器選用英國Metalastik公司（鄧祿普的子公司）的萊魯布式萬向聯軸節（Layrub-koppling），這種聯軸器由預壓縮的橡膠塊所製成，使驅動裝置具有較大的扭轉彈性，牽引電動機能夠較平穩地向齒輪箱傳遞扭矩，並且可以降低驅動裝置的固有振動頻率（～6 Hz）。這種驅動裝置中的齒輪箱屬於承載部件，承受傳遞轉矩時所產生的各向作用力和反作用力，齒輪箱的大齒輪端通過兩個滾柱軸承支承在車軸上，另一端通過帶有橡膠襯套的反作用吊杆懸掛在轉向架構架橫梁上[1]。
ASEA電機空心軸驅動裝置最初被用於1955年面世的瑞典國鐵Ra型電力機車，這也是當時世界上功率重量比最大的鐵路機車，額定牽引功率為3600馬力（2650千瓦），構造速度可達150公里/小時。後來，瑞典國鐵的Rb、Rc系列電力機車均沿用了這種驅動裝置，成為瑞典電力機車的傳統技術特色，並在ASEA向國外出口的電力機車上被廣泛採用，例如美國的GM10B、AEM-7型電力機車、羅馬尼亞鐵路060 EA型電力機車、南斯拉夫鐵路441型電力機車、中國鐵路6G1型電力機車、挪威國鐵El 16型電力機車、奧地利聯邦鐵路1043型電力機車、英國鐵路87型電力機車等[1]。
斯柯達電機空心軸驅動裝置
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1950年代末，捷克斯洛伐克的斯柯達公司為了擺脫按生產許可協議製造驅動裝置的限制和費用，於是在賽雪龍十字鋼板式驅動裝置的基礎上，自主開發了一種專門用於大功率快速客運電力機車的驅動裝置，稱之為斯柯達電機空心軸驅動裝置（Pohonu kloubovým hřídelem uloženým v dutině motoru systému ŠKODA）。這種驅動裝置的設計者為斯柯達公司工程師薩韋利·哈吉（Savelij Chadži），因此又被稱為斯柯達－哈吉驅動裝置（kloubové spojky ŠKODA Chadži）[11]。牽引電動機以三點或四點支承方式安裝在轉向架構架橫梁上，採用單側直齒圓柱齒輪單邊傳動，牽引電動機輸出的扭矩通過空心電樞軸、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[12]。
主動萬向聯軸器由傳動環、十字環形中間接頭、滾針軸承等部分組成。傳動環外表面設有12條均勻分布在圓周上的凹槽，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。中間接頭通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布的圓軸，其中兩個圓軸安裝在傳動環的滾針軸承座內，另外兩個圓軸亦通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，並通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[1]。
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E 469.1、E 469.2、E 469.3、E 479.0、E 499.2、S 489.0、S 499.0、S 499.2、ES 499.1、ES 499.2型電力機車，以及捷克鐵路的151、184型電力機車等眾多車型[11]。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[12]，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性能，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（8～9 Hz），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性能試驗中，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性能[12]。
東洋電機空心軸平行萬向節驅動裝置
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1950年代初，為了提高鐵路車輛的運行品質，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[13]。1952年10月，東洋電機製造首先在京阪神急行電鐵京都線（1,435毫米標準軌）的751號列車上，進行了電機空心軸驅動方式和鼓形齒聯軸器驅動方式的對比試驗。1953年6月，京阪電氣鐵道1801號電力動車組交付使用，該列車亦採用了東洋電機研製的電機空心軸驅動裝置，扭轉軸端及小齒輪端採用了不同的彈性聯軸器，空心電樞軸與扭轉軸之間使用齒輪聯軸器（類似ASEA驅動裝置），而扭轉軸與小齒輪軸之間使用片式聯軸器（類似賽雪龍驅動裝置），這種驅動裝置在日本被稱為空心軸平行萬向節驅動方式（中空軸平行カルダン駆動方式）[14][15]。
1954年，南海電氣鐵道的南海11001系電力動車組面世，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類型。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名鐵モ3750型電力動車組上，改裝空心軸平行萬向節驅動裝置作為試驗車，而翌年面世的名鐵5000系電力動車組則正式選用空心軸平行萬向節驅動裝置[16]。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[17]。
1957年，首列日本國鐵101系電力動車組（當時被稱為モハ90系）誕生並投入中央線運用，該型列車正式確立了日本國鐵現代化電力動車組的發展方向，包括動力分散式、車體輕量化、以及電機空心軸驅動裝置等特點。自1950年代末起，日本國鐵開發的所有新性能電力動車組均統一採用空心軸平行萬向節驅動裝置（只有採用交流傳動的207系除外），例如著名的103系、201系、205系、711系通勤型電力動車組，111系、113系、115系、415系近郊型電力動車組，151系、157系、181系、381系、485系特急型電力動車組等。
從1980年代後期起，隨着功率更大、體積更小的三相交流異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（WN驅動）和撓性板聯軸器驅動方式（TD驅動）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[13]。
參看
編輯參考文獻
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