牵引电机悬挂方式
牵引电机的三种悬挂方式
欧阳学文
动力车和机车的牵引电机是通过传动装置驱动轮对的，牵引电动机悬挂，是指牵引电动机的安装方式。牵引电机和传动装置在动力车上有不同的悬挂方式，常用的悬挂方式有以下三种：抱轴式悬挂，车体悬挂，转向架悬挂。轴悬式又称牵引电动机半悬挂，架悬式和体悬式又称牵引电动机全悬挂。以下就这三种悬挂方式的结构、工作原理和优缺点进行介绍。
一、抱轴式悬挂
1、定义
牵引电动机抱轴式悬挂，或称半悬挂（traction motor semisuspension）：牵引电动机的一端通过抱轴承刚性抱合在车轴上，另一端弹性悬挂在转向架构架的横梁或端梁上的安装方式。牵引电动机质量的一半支悬在构架上，为簧上质量，故称半悬挂。牵引电动机的另一半质量压在车轴上，为簧下质量。
2、结构图
左图为弹性轴悬式牵引电机
1—牵引电动机；2—车轴；3—空心轴；
4—抱轴承；5—大齿轮；6—弹性元件。
3、工作原理
固装在牵引电动机电枢轴上的小齿轮与固装在车轴上的大齿轮组成一级减速装置，牵引电动机驱动车轴回转。借助于抱轴承的定位作用，保证了牵引电动机电枢轴与车轴平行，且大小齿轮的中心距保持不变，保证了大小齿轮的正常啮合。
弹性轴悬式也属于牵引电动机半悬挂（轴悬式）。弹性轴悬式的结构与刚性轴悬式相似，见上图。牵引电动机的一端弹性支在转向架构架上，另一端通过抱轴承支承在空心轴上，此空心轴套装在车轴的外面，从动大齿轮固装在空心轴端部，空心轴两端通过弹性元件支承在轮心上，牵引电动机输出的力矩通过小齿轮传至大齿轮，通过空心轴、弹性元件传至轮对，空心轴与车轴一同旋转。装在轮心上的弹性元件，既要支承牵引电动机约一半的重量和空心轴及大齿轮的全部重量，还要传递牵引电动机通过大齿
轮传来的力矩。
4、优缺点
（1）优点：牵引电动机半悬挂由于结构简单、工作可靠、制造容易、成本低廉、维修方便等优点，在电传机车上得到广泛应用。弹性轴悬式牵引电动机只要存在一点弹性，来自钢轨的硬性冲击，经过弹性元件的缓冲，使抱轴承及牵引电动机的垂向加速度大为减小，改善了牵引电动机的工作条件。牵引电动机的力矩经弹性元件传至轮对，改善了牵引齿轮副的工作条件。
（2）缺点：
①簧下质量大，因而轮轨垂向动载荷大。
牵引驱动装置中的大齿轮全部质量以及牵引电动机、小齿轮和齿轮箱等约一半的质量是压在车轴上的簧下质量。②牵引电动机及牵引齿轮的工作条件差。
来自钢轨的冲击直接传至牵引电动机和牵引齿轮啮合面，牵引电动机垂向加速度大，牵引齿轮啮合面的接触动应力大，影响它们的工作可靠性及使用寿命。因此，随着机车速度的提高，牵引电动机半悬挂不再适应要求而要采用牵
引电动机全悬挂。一般情况下，机车最大运用速度不超过120km/h，可以采用牵引电动机半悬挂。
③牵引电动机抱轴承的技术状态对驱动装置的工作有重大影响。
抱轴承过去都采用滑动轴承，滑动抱轴承与车轴之间径向间隙较大，且随着机车走行里程的增加，滑动抱轴承的间隙增大，大小牵引齿轮的中心距发生变化，齿轮啮合条件恶化，抱轴承间隙增大，使牵引电动机电枢轴与车轴不平行度增大，也使齿轮啮合条件恶化，影响齿轮的使用寿命。因此必须严格注意抱轴承的润滑与维护，保证轴承间隙不超限。滑动抱轴承在速度较高的情况下磨损快，且容易发热而引起烧瓦事故。滑动抱轴承缺点是：运用可靠性差，维修工作量大，维修费用高，牵引齿轮副的啮合条件差，影响齿轮使用寿命。
近些年来，国内外一些机车采用滚动抱轴承。与滑动抱轴承相比，滚动抱轴承的优点为滚动轴承工作可靠，维修工作最小，而且减小了抱轴承的径向间隙，改善牵引齿轮的啮合条件，延长牵引齿轮的使用寿命。弹性轴悬式的
动力学性能及其结构复杂性介于刚性轴悬式与架悬式之间，适用于是最大速度为120km/h～160km/h的机车。
二、车体悬挂
1、定义
这种悬挂方式通常是把牵引电动机悬挂在车体的底部，使其成为二系弹簧以上的质量。这样一来，转向架构架的质量及回转惯性矩就大为减小，容易保持转向架高速时的蛇形稳定性，对减轻轮轨的垂向及横向动载荷也有所帮助。对于时速超过200km的动力集中型高速动车组，动力车置于列车两端，中间为拖车，要求动力车具有很大的功率，其牵引电动机车较大，如果采用架悬式，则转向架构架质量增加很多，簧间质量（构架质量位于一二系之间，称为簧间质量）过大，对机车动力学性能、特别是对转向架的蛇行稳定性不利，须设法减小。为此，把牵引电动机挂在车体底部，使牵引电动机成为二系悬挂之上的车体质量，谓之体悬式，也属于全悬挂。此时，牵引电动机电枢轴输出的力矩经减速装置传到轮对上产生牵引力，该驱动装置要适应车体与轮对之间各方向的相对位移，该相对位
移比架悬式驱动装置要求的相对位移量要大得多。体悬式牵引电动机的驱动机构最为复杂，只有必要时才采用体悬式。
2、结构
全悬挂方式模型
1、车体
2、构架
3、轮对
4、驱动装置牵引电动机体悬式驱动装置
3、工作原理
牵引电动机悬挂在车体上，其输出扭矩通过齿轮箱（装在车体上）、万向轴、小齿轮、大齿轮传至轮对。牵引电动机体悬式驱动装置必须适应车体与转向架之间的相对运动以及转向架与轮对之间的相对运动。传递扭矩的万向轴的长度必须能够灵活伸缩，以适应车体与轮对之间较大的相对运动。
4、车体悬挂方式的优缺点
牵引电机采用体悬挂的方式可以使得簧下不能通过弹簧进行缓冲的重量大大减轻，这样减轻了车辆对钢轨的冲击力，并改善了电机与齿轮组的工作条件，相对于轴悬式来
说，轴悬式有一半的重量要直接冲击钢轨，在同样冲击力的情况下，很明显要比轴悬跑得快。
三、转向架悬挂
1、定义
架悬式悬挂牵引电动机固装在转向架构架上，牵引电动机全部是簧上质量，故又称全悬挂式。牵引电动机架悬式由于簧下质量小，适用于快速和高速机车。架悬式牵引电动机和转向架构架一起振动，与电枢轴上的小齿轮相啮合的大齿轮也必须随构架振动，使大小齿轮的中心距保持不变。把从动大齿轮上的力矩传到轮对的驱动装置上是架悬式的关键技术。该驱动装置必须是弹性的，以适应转向架构架相对于轮对各方向的振动位移。
2、架悬式驱动机构
架悬式驱动机构，按弹性联轴器的结构和布置方式不同，可分为电机空心轴驱动装置和轮对空心轴驱动装置两大类。
（1）电机空心轴驱动装置
①示意图
1—轮对；2—齿轮箱；
3—小齿轮；4—弹性联轴器；5—牵引电动机；6—扭轴；7—齿形联结器。
牵引电动机固装在转向架构架上，而牵引齿轮箱是轴悬的。牵引电动机的电枢轴是空心的，传递扭矩的丑轴从空心电枢轴中穿过。牵引电动机空心电枢轴的输出超矩，经齿形联结器、扭轴、弹性联轴器、小齿轮、大齿轮驱动轮对转动。扭杆端的齿形联结器和扭轴与空心电枢轴之间的间隙，允许扭杆倾斜，以适应牵引电动机与轮对之间各个方向的相对位移。
②优缺点：电机空心轴驱动装置布置紧凑、尺寸小、重量轻，其缺点是簧下质量较大、牵引电动机长度缩短，对提高功率不利。另外，整个传动系统的扭转刚度较小，如果各弹性元件的刚度选择及匹配不恰当，会使轮轨间的黏滑振动增大，容易诱发空转，影响机车黏着牵引力的正常发挥。
（2）轮对空心轴驱动装置
①示意图
1—弹性元件；2—空心轴；
3—轮对；4—轴承；
5—牵引齿轮；6—牵引电动机；7—空心轴套。
大齿轮用滚动轴承支承在空心轴套上，而空心轴套紧固在牵引电动机的机体上。在空心轴套内又贯穿一根空心轴，包在车轴外面，此空心轴是转动的，用来传递牵引电动机的扭矩。空心轴是一端通过连接盘、弹性元件与大齿轮相一端通过连接盘、弹性元件与大齿轮相连。另一端通过连接盘、弹性元件与轮心相连。牵引电动机扭拒由小齿轮、大齿轮，经弹性元件、空心轴，传至空心轴另一端的弹性元件，传递给车轮，再经车轴传至另一侧的车轮。这种驱动装置称为轮对空心轴两级弹性驱动装置。
②优缺点：空心轴两端的弹性元件为弹性六连杆机构，分别与大齿轮及轮心相连，用来传递扭矩，并且有良好的运动学性能。轮对空心轴两级弹性驱动装置的优点是：簧下质量轻，轮对与牵引电动机之间得到两级弹性隔离，因此有较好的动力学性能，弹性六连杆机构的径向刚度很大，与车轴保持同心，不产生离心力而形成附加载荷和应力。
其缺点是结构比较复杂。
3、架悬式悬挂方式补充
牵引电动机架悬式广泛应用于速度较高的机车和动车上。其主要特点是将牵引电动机固装在转向架构架上。因牵引电动机全部质量属于簧上部分，故称这种悬挂为全悬挂。这种悬挂方式因簧下质量较小，有利于机车高速运行。同时因线路不平顺和冲击所引起的轮对垂向和横向加速度，不会传到牵引电动机和牵引齿轮副，使电机和齿轮副的工作条件大为改善。例如当车轮的垂向加速度为10g 时，牵引电动机的垂向加速度只有0.5g，牵引电动机及牵引齿轮副的工作条件大为改善，故障率减少，工作寿命延长。机车速度愈高，上述优点愈明显。通常认为，机车最大运用速度超过120km/h就应采用牵引电动机架悬式。