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转向架

转向架（英语：bogie，在美国称为：truck[1]），又称台车（来自日语：台車），铁道车辆上最重要的部件之一[2]:30，由于位于车辆底部，因此一般很难可以看清全貌[3]:56，主要功能为承载车体自重和载重[4]，以及引导车辆沿铁路轨道运行[5]，确保车辆在直线上和曲线上顺利行驶[6]:19，并具有减缓来自车辆运行时带来振动和冲击的作用[7]:144，因此转向架的设计也直接决定了车辆的稳定性和车辆乘坐的舒适性[8]:70[9]。

转向架
转向架引导车辆运行作动图

概要

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转向架是由车轴、轴承[10]:148、转向架框、悬挂系统、驱动装置[8]:70、制轫装置、传动单元等装置组成[10]:148，按照支撑方式分成了三种类型，有两轴车、平台车及连接车[11][12]:134，早期大多车辆采用两轴车，但是两轴车的舒适性不高[13]以及受限轴距因素，每辆车长度较短[14]:72，因此现今大多采用可加车体延长的平台车[11]。而连接车可以减少转向架的数量与列车重量，但受限轴距因素，每辆车长度无法太长，因此车辆长度较短[注 1][8]:70，因此部分轻量化的列车有采用[11]。

转向架对于车体以及轨道间具有密切的相互影响，转向架不只是支撑车体的工具[6]:19，还肩负了列车行进运行[9]、乘坐舒适度以及行车安全[5][15]。

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    两轴车
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    平台车
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    连接车

简史

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转向架的雏形最早出现于1820年代的马车轨道，在当时为了提升马车的舒适度，因此开始装设防震结构[5]，为了能让车辆能够顺利通过弯道，1821年由英国威廉·查普曼 （William Chapman）工程师研发出类似转向架的结构。1832年美国铁路运输需求急速提升，于1834年美国工程师罗斯·温南斯（Ross Winans）成功重新开发出可大负重，并且能够高速行驶的转向架 [16]。

转向架的类型

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基本类型

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两轴车最早是由马车改造而成的[1]，将木制车轮改成可行驶于铁道上的钢制车轮[17]，是所有转向架中构造最简单的，构造与马车相同利用两个板簧支撑车轴与车厢，在由车轴与车轮支撑车辆的所有重量[17]，车辆的大小大多也与马车相同[1]，且一般皆为挂车车厢，仅有少数路面电车设有动力系统[18]，也是所有转向架中没有转向架框的结构。平台车是现今最主流的转向架类型，并且能装设更多的车轴[19]，增加车辆的乘载重量[17]，亦是所有转向架中种类最多，舒适度高[4]，且能载重最大的类型[18]。连接车又称连接式设计、雅各式转向架或连接台车（来自日语：連接台車），其支撑方式为将相邻的车厢用同一个转向架连接起来[20]，在二十世纪初期的时候曾被大量采用，但因车厢要分开或加挂时，都必须进入铁路机厂作业等因素，因此渐渐又减少使用[19]，而连接车构造除二次悬挂的部分与平台车不同，其余大致与平台车相同[13]。

轮轴的数目

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可分成单轴、双轴、三轴等[6]:21。大型的特种货车大多采用更多个轮轴转向架，或是多个转向架相连的转向架群。以双轴最常使用，三轴大多用于大型动力机车或是货车[14]:72，三轴的结构复杂且不利于轨道运行的顺畅性，因此很少使用于客车车厢[2]:36。单轴大部分是双轴车使用，仅少数平台车或连接车有采用。另外也有铁路机车采用罕见的四轴转向架，如DD35型柴油机车

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    单轴
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    双轴
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    三轴
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    四轴

有枕梁或无枕梁

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枕梁又称“承梁”[21]，现今大多车辆采用零件数少，较易维修的无枕梁式的转向架[12]:135。枕梁主要吸收列车的前后或左右的震动[12]:136－137，以及列车过弯时的超高及离心力，列车在过弯时枕梁会因离心力发生位移，通过弯道后再次复原[13]。而有枕梁转向架又细分摇枕式与直接安装式[7]:147－148，其中摇枕式是所有转向架中零件最多、构造最复杂以及各种耗材最多的型式，详细构造如下图。直接安装式是由摇枕式改良而来[22]，是近年少数车辆出厂时仍是采用有枕梁转向架的车辆会采用的型式[7]:147－148。有枕梁转向架现今已渐渐被无枕梁转向架取代，其因为无枕梁转向构造简单可轻量化[20]、空气弹簧容许旋转的范围比枕梁多元[3]:59、乘坐舒适度高[21]等优点，因此现今大多车辆采用无枕梁式的转向架[7]:147－148[8]:82－83。此种类型仅有平台车才有区分，两轴车与连接车无此构造[13]。

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    有枕梁转向架（直接安装式）
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    直接安装式转向架作动图
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    摇枕式转向架实体图
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    摇枕式转向架作动图
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    摇枕式转向架构造图
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    无枕梁转向架

有动力或无动力

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主要差在转向架使否装有动力设备，装有动力设备为有动力转向架[22]，若无安装则为无动力转向架[6]:21。

有动力转向架备有减速齿轮、动力装置的转向架，电力列车装有主电动机的电动转向架[23]:1000。旧型电力机车因配置有辅助轮与动力轮，因此有动力的称为“主转向架”[23]:1000。无动力转向架一般用于客车、货车以及动车组的挂车[23]:1000[23]:1002。一般皆设有制轫设备（制动系统）[5]。一般动车组或是动力机车透过拖动比调配也会使用到无动力转向架。但是，通常在蒸汽机车和旧型电力机车的前后，为了增加通过曲线时能够平稳运行，此种转向架称为“引导轮”或“从动轮”[23]:1000。在一些蒸汽机车中，它被称为助推器，少数情况是将小型蒸汽机的驱动装置安装在后轮上，仅用于启动时的加速辅助，但这不包括在驱动轮[5]。

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    有动力转向架
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    无动力转向架

有无列车倾斜功能

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主条目：倾斜式列车

有倾斜功能的倾斜式列车，通过一般弯道时会以较快速度行驶[24]:46－47，可以节省行驶时间以及乘车舒适度[2]:38。一般转向架则无法提高过弯时的行驶速度，详细原理请参见倾斜式列车。

依照倾斜原理可分：自然倾斜式、强制倾斜式以及自然控制倾斜式[24]:46－47。

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    一般转向架
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    倾斜式列车专用转向架
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    倾斜式列车专用转向架（连接车专用）

转向架的构造

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车轴

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车轴一般使用高韧度的钢锻造而成[19]，主要连接与固定两侧车轮，并将所有重量传递给车轮，车轴的尺寸越粗可乘载的重量越大，尺寸越细列车种重量越轻，可提升列车行驶速度[8]。一个车轴固定装有一对车轮，并透过轴箱、悬挂系统等结构与车厢连接[4]。

轴箱支撑架

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轴箱（英语：Axle box[2]:30）主要用来支撑车体与车轴重量[2]:33，并将轮轴保持在转向架框内的适当位置[8]:79，轴箱箱支撑方法五花八门，详细如下：

  • 轴箱导架式：零件最多，构造最复杂型式，容易发生车轴蛇行，造成列车激烈震动，此种支撑方式在橡胶弹簧问世之前最广泛用于各种车辆[2]:30。
  • 圆锥多层橡胶式：利用圆锥橡胶弹簧吸收上下震动[2]:30。
  • 阿尔斯通式：又称双连杆式，透过两侧的梁作为连结，透过轴簧缓冲，此种类型由阿尔斯通发明[8]:78。
  • 多层橡胶式：又称雪弗龙式，利用多层橡胶承受上下的剪断力[8]:78。
  • 单连杆式：由阿尔斯通式改良型，以一根连赶支撑轴箱与转向架[8]:78。
  • 支撑板式：由两片版弹簧黄固定轴箱与转向架。此种方法可减少转向架长度[8]:78。
  • 轴板弹簧式：又称明登式，轴箱两侧装有卧式钢板弹簧，并与转向架架相连支撑。板簧的翘曲抑制垂直运动。此种类型是由德国发明[12]:146－147。
  • 轴梁式：零件最少，构造最简单，广泛用于现代各种车辆[8]:78[12]:146－147。利用橡胶衬套进行缓冲作用，由于轴围绕轴梁的支点旋转，因此车轴与转向加框的距离会随着轴的上下震动而变化[5]。
  • 圆筒轴橡胶式：又称Tandem 式，由日本车辆研发，在各方向的刚性有很高的自由度，主要用于高速行驶的车辆[25]:23－24。
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    轴箱导架式
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    圆锥多层橡胶式
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    阿尔斯通式
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    多层橡胶式
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    单连杆式
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    支撑板式
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    轴板弹簧式
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    轴梁式
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    圆筒轴橡胶式

悬挂系统

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又称为避震系统[5]，主要用于吸收列车的震动与冲击[11]。

  • 主悬挂系统：又称一次悬挂[10]:150[11]、轴簧[21][8]:79或一次簧[26]:45，主要连结轴箱与转向架框，负责吸收大部分行进间的震动、碰撞以及噪音[8]:79[26]:45。一般使用金属卷簧，但也有使用橡胶簧、合成橡胶金属簧、板簧等[8]:79[2]:41。
  • 次悬挂系统：又称二次悬挂[10]:150[11]、枕簧[21]或二次簧[8]:83，主要连接车体与转向架框，用于减少转向架与车体间的碰撞[2]:43，承受车体垂直负荷、横向负荷及旋转运动[26]:47。可大幅提升乘车舒适度。过去使用卷簧与阻尼器组合为主[8]:83，现今改采用舒适度高的空气弹簧[3]:61[27]。

转向架框

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转向架框为车轴、车体、动力系统、制轫系统、悬挂系统等设备安装之框架[21]，早期使用型钢与铆钉铆接制作，后来改以铸钢制造，近年则采用钢板冲压成型焊接制造[8]:81[28]:97，除两轴车无此结构，其余支撑种类皆有此结构[19]。

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    转向架框

转向架框依照形状可分成以下类别：

  • 菱形式转向架：转向架架侧面形状为菱形之车架，轴箱由扁钢组装而成，其上设有枕簧座，并附有摇枕和轮组。 之所以有这个名字，是因为转向架框架的形状是菱形[23]:1002。
  • 弓形条板菱形转向架：1920年代的货车和部分客车采用。车架的主要构件为拱形，固定式轴箱[23]:1002。
  • 贝腾多夫式转向架：（英语：Bettendorf truck），由美国发明，用于固定轴式货车，提高拱杆的强度和刚度。 有些是由早期成型钢材组装而成的，为了提高了批量生产效率，有些是整体铸造的。是贝腾多夫公司的公开专利，种类繁多[29]。
  • 安德鲁式转向架：用于货车。车架的形状与铸钢制成的贝腾多夫式相似，但轴箱是分离的，轴箱夹在上下底架之间[20]。
  • 火神式转向架：用于货车。安德鲁式简化版本，轴箱设有1颗固定螺栓[29]。
  • 内框式转向架：又称侧梁式或侧架式，轴承位于车轮的内侧，一般用于胶轮有轨电车或路面电车[30][31]。
  • 板架框式转向架：框架由薄钢板组装而成。 自19世纪开始广泛用于欧洲铁路，甚至在二战后欧洲制造商仍在制造，主要用于货车。
  • 连杆式转向架：由日本近畿车辆研发[32]，适合行驶于多小曲线弯道的线路，并且可减少行驶中的噪音[33]。
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    菱形式转向架
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    弓形条板菱形转向架
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    贝腾多夫式转向架
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    内框式转向架
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    内框式转向架（有轨胶轮电车）

轴承

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主条目：轴承

轴承具有支撑车轴旋转，并保持车轴在正确位置，减少旋转阻力的功能[8]:79。

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    铁路车辆的轴承
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    铁路车辆的轴承

驱动装置

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将列车动力源产生的旋转力传递给车轮的装置称为驱动装置[34]。

电力车
  • 主电动机动力驱动方式与悬挂方式：动力传动装置为将马达的旋转功率传递至轮轴装置[8]:85－89。
  • 吊挂式：又称为抱轴配置、轴悬式驱动方式、电车式、鼻悬式、半悬挂式驱动方式[12]:152－157，优点为轮轴组内大齿轮中心与马达小齿轮中心之距离固定，安装方便[35]:21—24，缺点为马达一半重量由轮轴支撑，直接承受轨道冲击力，因此马达故障率较高，轴承震动大[26]:47。一般用于旧型电联车、电力机车或柴电机车[35]:21—24。
  • 车体装架式：又称为万向接头式、体悬式驱动方式，利用伞型齿轮与万向接头传输动力[12]:152－157，一般用于低地版电车或是部分柴联车[14]:186－188。
  • 半吊挂式：又称为中空式，介于吊挂式与簧上悬挂式之间的方式[35]:21—24。
  • 连杆式：由半吊挂式改良而来，使用橡皮吸收车轮与齿轮间的变化量[35]:21—24。
  • 直接驱动式：将马达轴与车轴作为一体，由电动机直接推动车轮[12]:152－157[14]:186－188，虽然机械损失小，但是转子冲击力大，马达维护成本高[35]:21—24。
  • 簧上悬挂式：又称为架悬式[35]:21—24[8]:85－89，依照不同驱动方式有以下类型。
柴油车、蒸汽机车
动力传动装置：就柴油车而言，发动机安装在车体上，但将这种动力传递给轮对的部分称为动力传动装置[34]。
减速齿轮、减速机：列车通过安装在车辆上的发动机与车轴之间的减速齿轮将动力减速，并将旋转力传递给车轮。 柴油车在转向架上装有减速齿轮，减速齿轮进一步降低了从推进轴上的液体变速机传递来的动力，从而将旋转力传递给车轮[34]。
推进轴：从车身延伸到轮组的轴，用于传递悬挂在车身上的发动机的动力。 配备万向节以吸收车身与轮对之间的位移[7]:181。
逆转机：一种改变车辆行驶方向的装置，逆转齿轮组在减速器中进行转向[34]。
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    吊挂式。
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    车体装架式
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    布赫利驱动方式
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    WN驱动方式
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    TD驱动方式
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    轮对空心轴驱动方式

制轫设备

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主条目：铁路制动

用于铁道机车车辆的制动系统系统[1]，其主要作用是控制铁道机车车辆的运行速度[13] 。一般有额外的主控制器，利用主控制器控制整列火车的制轫[1]。

制轫方式

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  • 粘著制轫
    • 踏面制轫：是铁道机车车辆最常用的制轫方式之一，依靠压缩空气推动制轫气缸中的活塞，将空气的压力变成机械推力，使闸瓦紧压滚动的车轮踏面而产生制轫[6]:24。
    • 碟式制轫：又称为碟式制轫或是碟煞，主要由制动盘、制轫闸片和制轫钳组成，制动盘安装在车轴上随同车轮旋转，制轫钳像钳一样横跨在制动盘的两侧，制轫时用制轫钳上的闸片压紧制动盘，使闸片与制动盘摩擦而产生制轫作用[6]:24。
    • 液力制轫：液力制轫的原理是通过液体的阻力作用使车辆减速，列车的动能通过液力偶合器及工作介质转换成热能，再透过冷却装置消散到大气。
    • 电阻制轫：利用牵引马达作为发电机，将所发出来电透过电阻器转换成热能消耗掉[3]:67。
    • 再生制轫：利用牵引马达作为发电机，将所发出来电透过集电弓返回变电站[8]:110，以供给同电区其他电车使用。再生电的电压必须高过电车线电压[35]:116。
    • 旋转涡电流制轫：电磁感应进行制轫。涡电流刹车的主要优点是无机械磨损、制轫力在很大速度范围内保持稳定，因此适用于重型汽车、高速列车、起重机械等场合[8]:111。
  • 非粘著制轫
    • 磁道制轫：将磁铁安装于转向架前后两轮对之间的侧梁下部，非作用时磁铁悬挂在距离轨面适当高度，当制轫时磁铁通过压缩空气或液压控制装置放下至轨面，并接通磁铁使其以一定的吸力吸附在钢轨上，使磁铁底部的磨耗板与钢轨摩擦而产生制轫作用[8]:111。
    • 涡电流制轫：电磁感应进行制轫。涡电流刹车的主要优点是无机械磨损、制轫力在很大速度范围内保持稳定，因此适用于重型汽车、高速列车、起重机械等场合[8]:111。
    • 风阻制轫：风阻制轫又称为空气动力制轫，这是一种特别为高速列车而设计的非粘著制轫方式，原理是在列车上设置可伸缩的制轫翼板，正常运行时翼板收进车身内部，紧急紧轫时向车身外伸出翼板，利用空气阻力以弥补粘著制轫力不足，以达到增大减速度和缩短制轫距离的目的。
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    踏面制轫
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    碟式制轫
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    旋转涡电流刹车
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    磁道制轫
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    涡电流刹车
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    风阻制轫

轫机类型

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  • 空气轫机：是以压缩空气作为制动原动力，以改变压缩空气的压强来操纵控制列车的制动，由美国企业家、工程师乔治·威斯汀豪斯于1872年发明。
  • 电气轫机：电力车辆在动力运行时，利用制轫时将主电动机作为电机，使用此阻力作为制轫[8]:109。
  • 保安轫机：当总风缸播破裂，总风缸泄漏殆尽，轫机无法做动时，作为紧急紧轫用[8]:109。
  • 其他韧机：引擎韧机：将引擎与车轮直接连接，将出力轴旋转力传至引擎，利用旋转所产生的摩擦阻力作为制轫[35]:120。排气韧机：将引擎气缸排气管阻塞，使尾气无法排出，让引擎活塞上方产生阻力，达到减速效果[35]:120。手韧机：借由旋转韧机把手，使闸瓦制动车轮，一般用于车辆停留使用[8]:114。踏韧机：利用人体重量施于制动杆，使闸瓦制动车轮，一般用于车辆停留使用[8]:114。停留韧机：主要作为车辆停留使用之韧机[35]:114。

辅助排障器

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为了保护车轮，避开石头、木材等轨道上的障碍物，安装于列车车头转向架框前端，一般皆会装设辅助排障器[25]:27。

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    辅助排障器

牵引装置

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牵引装置为支撑车体，将转向架与车体连接[5]，使转向架在过弯时可以平稳的通过，使车辆减少跳动[8]:81，一般装于转向架框的主梁上[39]。

相关条目

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注释

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  1. ^ 虽然车辆长度较短，但又可比两轴车长，车辆长度介于2轴车与普通车辆之间。

参考文献

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