轮对空心轴驱动方式

轮对空心轴驱动方式是铁路机车车辆使用的牵引传动装置类型之一，也是应用历史最悠久的架悬式驱动装置。该驱动方式的特点将牵引电动机安装在转向架（转向架式机车）或（车架式机车）上，而车轴外面套了一根同心的空心轴，空心轴和车轴间留有足够的间隙，允许发生轨道冲击时车轴的上下运动和通过曲线时的倾斜，而车轴（或车轮）与空心轴（或大齿轮）之间设有可适应各方向运动的弹性联轴器，以补偿轮对与转向架构架（即牵引电动机）之间自由的相对运动。弹性联轴器对于各向运动的适应性既可以由弹簧实现，也可以采用弹性构件或关节机构来组成联轴器。因此，在铁路技术的漫长发展历史过程中，先后出现了许多形式的轮对空心轴驱动装置。

轮对空心轴驱动方式一如其他类型的架悬式驱动装置，其主要优点是减轻机车车辆的簧下重量，降低轮轨间的垂向动作用力，提高车辆的运行平稳与安全性能，为提高列车运行速度创造有利条件。除此之外，由于线路不平顺对牵引电动机及牵引齿轮副的冲击，经过弹性元件的振动隔离作用而大幅降低，因而延长了牵引电动机及牵引齿轮副的工作寿命。

发展简史
的主车架，图中可见威斯汀豪斯驱动装置的弹簧联轴器（设置在车轮辐条之间）]]
1900年代，西屋电气公司发明了首先采用弹簧联轴器的轮对空心轴驱动装置——威斯汀豪斯驱动装置。1920年代至1930年代间，随着欧洲铁路干线的电气化以及客运电力机车的发展，在欧洲多国出现了多种形式的轮对空心轴驱动装置，例如在威斯汀豪斯驱动装置基础上改良的赛雪龙弹簧驱动装置，以及使用弹簧套筒联轴器的AEG-克莱诺夫弹簧驱动装置。而意大利国家铁路也研制出使用钢板弹簧联轴器的比亚恩基驱动装置和内格里驱动装置，以及使用橡胶盘联轴器的法内利驱动装置。使用关节机构作为弹性联轴器的轮对空心轴驱动装置则是由法国阿尔斯通公司发明，亦即是著名的阿尔斯通浮动盘式驱动装置，后来德国亨舍尔公司和意大利国家铁路也分别对其作出了改进。

以上这些早期的轮对空心轴驱动装置结构都比较简单，驱动元件几乎只布置在牵引电动机一端的垂直平面内，水平方向伸展与牵引电动机宽度相比较短，既可以设计成单边传动，也可以采用双边传动；而且它们都属于单级弹性传动系统，弹性元件只设置在空心轴（或大齿轮）与车轮之间。第二次世界大战结束后随着各国铁路的列车运行速度不断提高，使用双级弹性传动系统的轮对空心轴驱动装置应运而生，例如法国的杰奎明驱动装置和德国的BBC双空心轴驱动装置。在这种结构形式中，驱动元件除了布置在牵引电动机一端的垂直平面内，还在水平方向从轮对的一侧延伸至另外一侧；其中一组弹性元件设置在大齿轮与空心轴之间，另一组弹性元件设置在空心轴与车轮之间，如此一来牵引电动机与轮对之间就得到了两级弹性的隔离。由于这类传动装置较为复杂而且占用空间也较多，因此通常只能设计成单侧齿轮单边传动的结构。

主要类型
威斯汀豪斯驱动装置
1900年代，美国西屋电气公司发明了第一种轮对空心轴驱动装置——威斯汀豪斯驱动装置（），一组双转子牵引电动机安装在车架式机车的车架上，同心套装在车轴外面的空心轴通过抱轴承支撑在双转子牵引电动机的机座上，驱动装置中的大齿轮固定安装空心轴的一端，大齿轮通过伸入到车轮辐条间的弹簧联轴器与相连，而在空心轴另一端的盘形端面法兰亦有相同形式的弹簧联轴器。

弹簧连轴器是由六个相隔60°布置的及夹爪组成，当轮对转动时其中一边车轮的弹簧受压，而同一轮对另一边车轮的弹簧受拉。此外，由于车架的弹性位移、车轮转动时的离心力作用、通过曲线时的轮对偏斜等原因，弹簧联轴器的应力作用关系十分复杂，因此设计时应当尽可能设定较高的弹簧强度，避免弹簧因承受过度应力而导致损坏。这种驱动装置只能适用于当车轮有较大直径的情况，从而有足够空间容纳弹簧联轴器。

威斯汀豪斯驱动装置早期曾经被应用于美国和瑞士的电力机车，例如賓夕法尼亞鐵路GG1型電力機車、密尔沃基铁路、，以及瑞士联邦铁路（SBB）的、、。

赛雪龙弹簧驱动装置
1920年代，瑞士（SAAS）在威斯汀豪斯驱动装置的基础上，设计出经过改良的赛雪龙弹簧驱动装置（）。这种驱动装置使用了三组双弹簧元件，代替威斯汀豪斯驱动装置的六个独立螺旋弹簧，每组双弹簧元件通过一个固定弹簧支座与空心轴相连，并通过两个外侧支座与车轮相连。

与威斯汀豪斯驱动装置相比，由于每个车轮的固定弹簧支座数目由六个减少至三个，加上弹簧联轴器的结构更为紧凑，使其能够安装在直径较小的车轮上，这样除了有利于缩短固定轴距和机车长度外，还可以减轻属于簧下重量的轮对重量，另外亦能够降低由于动轴相对于空心轴的偏心以及离心力所造成的弹簧附加应力。在这种驱动装置当中，每个车轮上相对布置的弹簧交替地承受拉压作用，当机车运行方向改变时弹簧上的应力作用也相应改变，但两个车轮上的弹簧拉压变化始终是相同的。

空心轴两端法兰上利用螺栓安装了六个弹簧支座，每个支座设有一组连接车轮辐条的弹簧套筒装置；弹簧套筒由一个螺旋弹簧和两个套筒外壳组成，套筒两端端面与车轮辐条上的压板紧贴，所有可相互滑动的部件包括套筒及压板都经过淬火处理。当车辆起动时支座压紧弹簧套筒的其中一端，当中的螺旋弹簧受压并将压力传到套筒的另一端，再经压板传递到车轮幅条。

弹簧套筒驱动装置自面世以来曾经出现了多种改良方案，瑞士（MFO）和赛雪龙公司（SAAS）等厂家都生产过类似的驱动装置，虽然结构上略有差异但基本原理保持不变。金属弹簧经过长时间使用后容易产生裂纹或断裂，因此后来有些车辆使用橡胶弹簧取代了螺旋弹簧，例如在战后时期的E18型、E19型电力机车。

比亚恩基驱动装置
1920年代，意大利国家铁路工程师（）在威斯汀豪斯驱动装置的基础上，设计了一种采用作为联轴器的驱动装置，并以设计者名称命名为比亚恩基驱动装置（）。在装备这种驱动装置的电力机车上，空心轴两端法兰盘上相隔60°布置着六个弹簧支座，分别使用螺栓固定着六组钢板弹簧，每组弹簧在车轴上由两个滚子支撑，滚子与弹簧端部有一定的间隙，当车轮转动时弹簧与其中一个滚子贴靠，使钢板弹簧受到弯曲并产生缓冲作用，以补偿空心轴与车轴之间的相对位移。

1950年代初，意大利国铁为了提高驱动装置的扭转弹性，研制了采用双空心轴设计的法内利驱动装置，装用于部分属于第二生产批次的E.636型电力机车（176～183号机车）进行试验。这种驱动装置的结构类似于法国的杰奎明驱动装置，大齿轮固定安装在外空心轴上，而外空心轴通过滚动轴承支撑着牵引电动机机壳上；外空心轴通过橡胶套筒柱销弹性联轴器与锥形结构的内空心轴相连，内空心轴直径较小的一端通过相同形式的联轴器与车轴相连。

这种结构形式没有转动的空心轴，是最为简单的轮对空心轴驱动装置，其优点是将受磨损作用的弹簧套筒与大齿轮一起受到油脂润滑。此外，由于传递力矩的弹簧设置在大齿轮轴承座圈内部，因此大齿轮轴承无需承受力矩的作用。BBC弹簧驱动装置曾经在瑞士联邦铁路（SBB）和奥地利联邦铁路（OBB）被广泛采用，它首次应用于1940年研制的，随后瑞士联邦铁路的、、、、Ae 6/6型电力机车、RAe TEE II型电力动车组，以及奥地利联邦铁路的、、1044型电力机车、等亦采用了这种结构。

1950年代末，日本国有铁道借鉴瑞士联邦铁路的电力机车，仿制了BBC弹簧驱动装置并应用于部分早期的新性能电力机车，包括ED70、ED71、ED60、ED61、EF60、EF61型电力机车等，称之为轴套式驱动方式（）。然而在机车投入运用后就发现严重缺点，由于这种驱动装置的大齿轮箱无法完全密封，沙尘容易通过弹簧孔进入齿轮箱内部，导致齿轮啮合状态恶化及磨耗异常；另一方面，其扭转振动频率与机车常用速度下的振动頻率接近，引致驱动装置发生共振。因此，日本国铁于1962年决定从EF60型电力机车第二批量产车起停止使用这种驱动装置，而之前生产的机车则陆续改为使用轴悬式驱动装置，或者采用连杆机构的轮对空心轴驱动装置。

阿尔斯通浮动盘式驱动装置具有结构简单及无需润滑的优点，既可以使用于独立传动系统（每根车轴各由一台牵引电动机驱动），也可以使用于组合传动系统（转向架内多个轮对由一台牵引电动机驱动的），自1940年代后期开始被广泛应用于阿尔斯通公司制造的多种电力机车和柴油机车，典型例子包括法国国家铁路（SNCF）的、CC 7100、BB 16500、BB 8500、BB 17000、BB 25500、CC 40100型电力机车，以及CC 70000、CC 72000型柴油机车，其中CC 7100型电力机车更在1954年、1955年先后两次打破铁路车辆最高速度纪录，最高试验速度达到330.8公里/小时。

1954年，意大利国铁将浮动盘式驱动装置应用于一台E.434型电力机车（由常规的改装而成）并进行试验。为了对这两种驱动装置作进一步的对比试验，在1965年交付的首批四台E03型电力机车原型车当中，E03 001、004号机车使用亨舍尔－阿尔斯通驱动装置，E03 002、003号机车使用双空心轴六连杆扇形橡胶块驱动装置。最终德国联邦铁路认为后者的重量较轻，并决定在批量生产的103型电力机车上采用，因而放弃了亨舍尔－阿尔斯通驱动装置。

杰奎明驱动装置
1950年代，法国国家铁路工程师发明了一种采用双级弹性传动系统、单边齿轮单边传动的轮对空心轴驱动装置，既可以使用于独立传动系统，也可以使用于组合传动系统，称之为杰奎明驱动装置（）。在这种驱动装置中，牵引电动机和齿轮箱安装在转向架构架上，一个空心轴式销柱固定在齿轮箱箱体上，大齿轮通过一对滚锥轴承在销柱上旋转；万向节空心轴由主动圆环、扭转空心轴、从动圆环三个部分组成，大齿轮心有两个伸入主动圆环内部的支座，支座通过一对带有橡胶衬套的销柱连接主动圆环，而主动圆环又通过另一对相隔90°的销柱连接扭转空心轴；而空心轴的另一端亦与上述驱动侧相似，扭转空心轴通过一对销柱连接从动圆环，从动圆环又通过另一对相隔90°的销柱连接车轮。

牵引电动机输出的扭矩通过齿轮副、主动圆环、空心轴、从动圆环传递至轮对；而来自轮对的横向作用力经从动圆环、空心轴、主动圆环、大齿轮心、滚锥轴承、空心销柱、齿轮箱体传递至转向架构架。空心轴与车轴之间的间隙约为25～30毫米。杰奎明驱动装置具有结构简单可靠、传递功率较大的优点，而且与阿尔斯通浮动盘式驱动装置相比，杰奎明驱动装置的橡胶关节衬套变形较小，使橡胶衬套的使用寿命亦比前者长得多。由于带有弹性圆环的万向节空心轴占据了轮对内侧较多的轴向空间，因此杰奎明驱动装置的齿轮中心距较大，即使用于独立传动系统亦需要使用中间齿轮传动，使制造成本增加而传动效率稍微受到影响，但这种结构形式同时也将牵引电动机的重量集中在转向架中部，有利于改善转向架高速运行时的平稳性。随着运用经验的增加和生产工艺的进步，杰奎明驱动装置的结构亦变得更为简单合理，例如将结构较复杂的弹性从动齿轮改为刚性结构，将橡胶衬套中的橡胶金属元件简化为套筒式橡胶金属铰接元件等。此后，针对第一套驱动装置在设计制造和试验时发现的问题，同时参考德国联邦铁路120型电力机车的研制经验，株机所于1983年试制了另一套最高速度150公里/小时的双侧六连杆万向节空心轴驱动装置，改为采用圆锥形整体铸钢空心轴和大齿轮轻型滚动轴承，并于1984年在台架试验中获得了优良的性能试验结果。基于东风9型和东风11型柴油机车的成功经验，后来研制的韶山8型、韶山9型、韶山7D型、韶山7E型电力机车等都沿用了相同的驱动装置。

上述的德国联邦铁路120型电力机车等车型所采用的双空心轴驱动装置都属于刚性架悬式驱动装置，也就是将牵引电动机、牵引齿轮箱、传动传动、空心轴套等部件刚性地或通过橡胶球形关节直接固定在转向架构架上，驱动装置的一侧通过空心轴套和前托臂与转向架构架连接，而另一侧亦通过后托臂与转向架构架连接，但牵引电动机刚性悬挂对于机车高速运行时的横向稳定性和平稳性都有明显的不利影响。因此，从1990年代开始就出现了向牵引电动机弹性悬挂发展的趋势，其原理是将驱动装置的一侧通过两根带吊杆弹性地悬挂在转向架构架横梁上，另一侧通过长吊臂和球形关节吊挂在构架端梁上，并在驱动装置与构架之间设置横向减震器，使驱动装置也能实现相对于构架的横向运动，以释放部分簧间横向惯性质量，因而能有效改善横向动力学性能、提高非线性临界失稳速度、降低对线路的轮轨作用力。西门子交通集团和克劳斯-玛菲公司于1991年向西班牙国铁提供的252型电力机车，首次采用了牵引电动机弹性悬挂的双侧六连杆万向节空心轴驱动装置；葡萄牙铁路5600型电力机车、西门子ES64P型电力机车、希腊铁路120型电力机车等高速客运机车也采用了类似形式的驱动装置。此后，又进一步发展出庞巴迪IGA驱动装置（半体悬）、西门子HAB驱动装置等集合盘式制动装置的轮对空心轴驱动装置。

AEG Gealaif驱动装置
以德国联邦铁路120型电力机车为代表的第一代交流传动机车，其驱动装置仍然继承了过往直流传动机车的特点，即采用悬臂结构主动齿轮及非承载式结构齿轮箱。由于直流牵引电动机的转速较低，输出端轴承载荷较小，一般采用润滑脂润滑；但交流异步牵引电动机的转速较高，因而需要从齿轮箱引入润滑油对输出端轴承进行润滑，但由于受到驱动系统结构空间的限制，容易造成润滑油窜入牵引电动机内部，影响牵引电动机性能并增加润滑油消耗。除此之外，传统的悬臂结构主动齿轮将牵引电动机输出端轴承设置在电动机上，使电枢轴承受因齿轮啮合作用所产生的，并在扭矩和弯矩双重作用下引致电枢轴变形，使输出端轴承和主动齿轮容易损坏，无法达到应有的设计使用寿命。

1990年代初，为了开发新一代的大功率交流传动通用电力机车，德国AEG公司开发研制了称为“Gealaif”的轮对空心轴驱动装置，名称当中的“Gea”代表AEG公司，而“laif”则代表一体化牵引电动机驱动装置（）。这种驱动装置的特点为承载式齿轮箱，小齿轮采用双侧支承结构，小齿轮轴两端通过滚子轴承支承在齿轮箱上，牵引电动机的电枢轴输出端无需轴承，只需通过弹性圆盘联轴器与小齿轮轴连接，从而大幅提高轴承的使用寿命。

牵引电动机、六连杆万向节、空心轴、齿轮箱、弹性联轴器组成为一个整体的驱动单元，由于齿轮箱是一个与电动机连成一体的承载部件，因此齿轮箱还可以同时支承大齿轮和驱动轴承，省略了上一代六连杆空心轴驱动装置中的空心轴套，有利于进一步减轻转向架上的簧间重量；和上述的西班牙国铁252型电力机车一样，“Gealaif”驱动装置也采用了三点式弹性悬挂结构，驱动装置的一侧通过橡胶关节支承在转向架端梁，另一侧通过两根吊杆吊挂于中间横梁，驱动单元与构架之间设有横向减震器。牵引电动机、六连杆万向节、空心轴、制动轴、盘式制动装置、齿轮箱、弹性联轴器组成为一个整体的驱动制动单元，并采用三点式弹性悬挂结构安装在转向架上，牵引电动机的一侧通过橡胶关节支承在转向架横梁，而制动轴的一侧通过两根吊杆吊挂于端梁，驱动单元与构架之间设有横向减震器。2006年9月2日，ES64U4型电力机车（奥地利联邦铁路1216 050-5号电力机车）在德国纽伦堡－慕尼黑高速铁路上，以时速357公里/小时创造了当今世界上铁路机车最高速度纪录。

参看
*架悬式驱动方式
**电机空心轴驱动方式
**鼓形齿联轴器驱动方式
**挠性板联轴器驱动方式

参考文献