第五章牵引驱动与缓冲连接装置

第五章牵引驱动与缓冲连接装置第一页，共102页。1.2.

第5章牵引驱动装置的安装形式一．作用

将牵引电动机的扭矩有效地转化为转向架轮对转矩， 利用轮轨的粘着机理，驱使车辆沿着钢轨运行。

(通过驱动装置将驱动力传递给轮对产生牵引力）二．结构形式

通常有轴悬式、架悬式和体悬式之分。而在城轨车辆 上通常采用如下形式：

轴悬式驱动 电机空心轴架悬式驱动牵引电动机横向布置牵引电动机纵向布置轮对空心轴架悬式驱动

挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动 单电机弹性轴悬式驱动

单电机架悬式驱动(全弹性驱动)

对角配置的万向轴驱动(架悬式)

第二页，共102页。第三页，共102页。3.牵引电动机体悬式驱动（略）其中：现代轻轨车辆和地铁车辆转向架大多采用挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动机构；而旧的轻轨车辆转向架常常采用纵向布置的单电机架悬式驱动机构。轴悬式：电机一端支在车轴上，另一端尾部吊挂在转向架构架上，电机与轮对无联轴器，直接进行力矩传递。此方式一系簧下重量大，只适用于低速。架悬式：电机全部悬挂在构架上，电机重量属于簧上部分。牵引电机与轮对之间需通过联轴器传递力矩，适用于200km/h以下的高速动车组。体悬式：电机全部或大部分悬挂在车体上，电机重量属于二系以上。牵引电机与轮对之间需通过联轴器传递力矩，适用于200km/h以上的高速动车组。第四页，共102页。轴悬式电机一端支在车轴上，另一端尾部吊挂在转向架构架上，电机与轮对无联轴器，直接进行力矩传递。此方式一系簧下重量大，只适用于低速。轴悬式第五页，共102页。架悬式电机全部悬挂在构架上，电机重量属于簧上部分。牵引电机与轮对之间需通过联轴器传递力矩，适用于200km/h以下的高速动车组。第六页，共102页。体悬式：电机全部或大部分悬挂在车体上，电机重量属于二系以上。牵引电机与轮对之间需通过联轴器传递力矩，适用于200km/h以上的高速动车组。体悬式：以半体悬悬挂方式吊挂在车体和转向架构架，通过轮对空心轴六连杆弹性传动机构、单边刚性直齿轮驱动车轮。第七页，共102页。第八页，共102页。1.①三．牵引电机横向布置——轴悬式驱动机构(刚性、弹性） 刚性轴悬式驱动机构

结构原理图（见下图）

构架 弹性吊挂 大齿轮轮对抱轴承刚性轴悬式驱动机构工作原理图

小齿轮牵引电机弹性吊挂 构架车轴齿轮箱

30第九页，共102页。横向安装的牵引电机的抱轴承

第十页，共102页。③②特点结构简单，检修方便；簧下死重量大——电机和驱动齿轮箱的重量之半属簧下死重量，轮轨间的动作用力很大（且速度越高，轮轨动作用力越大）；牵引电机、轴承和牵引齿轮等工作条件恶劣；由于其驱动扭转弹性很差，往往造成集电器过载甚至损坏。适用于：运用速度较低的轻轨车辆（有轨电车），120km/h以下

31第十一页，共102页。2.弹性轴悬式驱动机构（160km/h以下） ①结构

与刚性轴悬式驱动机构相 比，只是在车轴和电动机六连杆机构弹性橡胶关节牵引电动机 弹性吊挂抱轴承间加了一根空心轴，而该空心轴两端通过弹性元件（六连杆机构及橡胶关节）与左右车轮相

抱轴承空心车轴构架连。而大齿轮与空心轴固结在一起。②特点弹性轴悬式驱动机构原理图车轴齿轮箱 小齿轮 大齿轮与刚性轴悬式驱动机构基本相同，只是轮轨动作用力经弹性元件缓冲后再传给齿轮和电动机，但结构比较复杂。

32由于空心轴弹性联轴器偏心转动，易带来附加垂向动载荷，对于高速运行存在弊病。第十二页，共102页。弹性联轴器（橡胶柱销套六连杆结构）第十三页，共102页。①四．牵引电机横向布置——架悬式驱动装置1.挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动装置结构原理图（见下图）牵引电机悬吊牵引电动机横向布置——挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动装置结构原理图33第十四页，共102页。挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动装置结构示意图驱动轮对牵引电动机构架齿轮箱吊挂牵引齿轮箱

WN

联轴节牵引电机悬挂

34第十五页，共102页。挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动装置结构图连接构架齿轮箱安全索连接构架弹性吊杆安全凸缘联轴节电动机速度牵引电动机（安装在构架）传感器35第十六页，共102页。深圳地铁一号线长客车辆转向架驱动装置36第十七页，共102页。深圳地铁一号线株机车辆转向架驱动装置37第十八页，共102页。驱动装置中的联轴器所起的基本作用为：1）同心轴间力矩传递；2）适应轴间的径向、轴向及偏角三向变位；3）提供驱动轴系必要的弹性，以降低传动噪声；4）为驱动装置总成的装配带来便利。第十九页，共102页。

可实现电机输出轴相对于（小）齿轮输入轴间的相互跳动和转动，且运动很灵活，运动阻力很小，同时能平顺传递电机驱动扭矩。在运动过程中，两个外筒就像“树叶一样”漂浮在半联轴节的齿顶上——这就是“浮动”一词的来历。同时电机输出轴和齿轮输入轴间除传递扭矩之外也没有任何约束，再加上中间隔板两边设有弹簧或橡胶，属于“挠性”连接。其运动范围为：结构：由半联轴节（外齿轴套）、外筒（内齿套筒）和中间隔板等组成。半联轴节的外齿和外筒的内齿始终相互啮合,传递驱动扭矩。运动：径向跳动量最大值约12mm；轴向跳动量最大值约10mm。38挠性浮动齿式联轴节12第二十页，共102页。WN39联轴节的具体结构pinion半联轴节 （外齿轴套）

Sleeve外筒（内齿套筒）中间隔板第二十一页，共102页。第二十二页，共102页。第二十三页，共102页。②运动分析40第二十四页，共102页。具体结构剖视图齿形剖面——鼓形齿41第二十五页，共102页。③特点簧下死重量小（电机重量全部悬挂于构架横梁上成为簧上重量，但牵引齿轮和齿轮箱之重量的一半仍然属于簧下死重量），减小了轮轨间的动作用力；同时大大改善了牵引电动机的工作条件；但牵引齿轮的工作条件并未得到改善；且与刚性轴悬式驱动装置相比，结构稍复杂，但与其它架悬式结构相比，结构要简单得多。42第二十六页，共102页。鼓形齿联轴器特点：鼓形齿联轴器的外齿轴套可在内齿外套内轴向浮动，在电机轴伸和小齿轮轴伸间留有间隙，以适应电机和车轴间相对的横向变位。因采用的是鼓形齿，外齿轴套可在内齿外套内转动偏角，故电机轴线和车轴轴线间的相对偏角变位可得到补偿。2轴间的径向变位补偿，也是通过内外齿套间的转动偏角来实现。齿形剖面——鼓形齿第二十七页，共102页。鼓形齿联轴器缺点：刚性大，无弹性，不能减振、缓冲；齿面存在摩擦和磨损，寿命有限；传动噪声大；需要加注润滑油，增加了污染的环节；传动周向间隙(齿间)较大，易产生脉动冲击；、频繁换向的适应性差。齿轮啮合的缺点。第二十八页，共102页。

补充：TD挠性板式联轴节架悬式驱动机构工作原理和工作特点与挠性浮动齿式联轴节架悬式驱动机构基本相同，只是由TD挠性板结构代替半联轴节（外齿）和外筒（内齿）结构来传递扭矩，同时补偿电机输出轴相对于（小）齿轮输入轴间的相互跳动和转动。固定侧连接器中间偶连器固定侧连接器43第二十九页，共102页。优点：1.没有磨损；2.无需润滑（免维护）。TD——TwinDisk挠性弹簧板TD挠性板式联轴节结构44第三十页，共102页。第三十一页，共102页。TD挠性联轴器TD挠性联轴器属于金属挠性板联轴器，目前在国内主要用在北京地铁复八线车辆上。它主要通过金属弹性膜片来实现减振和角向、轴向、径向变位补偿。TD挠性联轴器的核心部件是金属挠性板。它采用若干数量的方形框金属膜片叠合方式构成。在螺栓连接部位增加2片短直角形膜片，以增强局部强度。第三十二页，共102页。TD挠性联轴器特点：优点：无需润滑，减振好，噪声低，免维护。缺点：TD挠性联轴器工作时金属膜片受力比较复杂。驱动力矩使膜片产生拉压应力，三向变位补偿产生弯曲应力和高频循环疲劳应力。膜片材料的力学性能要求非同一般，需采用抗高频循环疲劳、耐锈蚀、高弹性的特殊金属薄片材料。目前国内难以生产TD挠性联轴器，主要受到特殊金属薄片材料关键技术的限制。根据分析结果和相关资料，金属膜片要求的抗拉强度应达到1200MPa，同时其疲劳强度应在500～60OMPa，目前国内材料和热处理工艺难以实现。第三十三页，共102页。2.轮对空心轴架悬式驱动机构

①结构弹性橡胶关节牵引电动机 短吊挂牵引电动机的两端均通过长、短吊挂与转向架构架横梁或端梁六连杆机构相连，并在车轴上加内空心轴外空心轴上了一根空心轴，其长吊挂构架一端通过弹性元件滚动轴承（六连杆机构和橡胶关节）与车轮连接，轮对空心轴架悬式驱动机构原理图

DF11和SS9准高速机车均采用轮

对空心轴架悬式驱动机构车轴齿轮箱小齿轮大齿轮另一端同样通过弹性元件与驱动大齿轮连接。而外空心轴和齿轮箱与牵引电动机连成一体，全部吊挂在构架上称为簧上重量。

第三十四页，共102页。②驱动力矩的传递过程由牵引电动机产生的驱动力矩经输出轴→小齿轮→大齿轮→传动销→左侧弹性元件和六连杆机构→内空心轴→右侧弹性元件和六连杆机构→传动销→右侧车轮→车轴→左侧车轮。③特点a)簧下死重量小（电动机悬挂在构架上，牵引电机、牵

引齿轮和齿轮箱等全部重量均为簧上重量，可最大限 度地减轻簧下死重量），减小了轮轨动作用力；b)改善了牵引电动机及牵引齿轮的工作条件；c)具有足够的径向扭转刚度，可避免驱动装置牵引时的粘—滑振动；d)该系统的轴向、纵向和垂向刚度很小，能很好满足轮对相对于系统的各向运动；e)机车起动时，电动机能先于轮对转过一微小角度，改善了牵引电机启动换向条件。但是，f)结构较复杂，维修困难；g)连杆结构所产生的离心力会使车轮载荷不稳定。46第三十五页，共102页。3.电机空心轴架悬式驱动机构 ①结构

牵引电动机的两端均通弹性吊挂齿形联轴器弹性扭轴牵引电动机弹性吊挂过弹性吊挂与转向架构架横梁相连，但在电机内部将转子铁芯挖空，并通过齿形联轴器将扭滚动轴承

电机空心轴架悬式驱动机构原理图构架弹性联轴节弹性吊挂小齿轮车轴齿轮箱大齿轮矩传给弹性扭轴，再通过弹性联轴节与驱动小齿轮连接。但车轴齿轮箱一端仍然通过抱轴承与车轴相连，另一端通过弹性吊挂与构架相连（与轴悬式类似）。

47第三十六页，共102页。②特点a)簧下死重量较小（电动机悬挂在构架上，全部重量均为簧上重量。但齿轮箱的重量之一半仍然悬挂在轴上，属簧下死重量），减小了轮轨动作用力；b)改善了牵引电动机的工作条件，但牵引齿轮的工作条件与轴悬式相同并未有所改善；c)但，弹性扭轴的柔性很大，使得整个驱动机构的弹性太软，容易使轮对在驱动过程中产生粘—滑振动（致命弱点，SS5机车就因为采用该驱动机构而产生严重的粘—滑振动）；d)且，结构较复杂，维修困难。48第三十七页，共102页。1.2.

轴悬式驱动 电机空心轴架悬式驱动牵引电动机横向布置牵引电动机纵向布置轮对空心轴架悬式驱动

挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动 单电机弹性轴悬式驱动

单电机架悬式驱动(全弹性驱动)

对角配置的万向轴驱动(架悬式)

第三十八页，共102页。3.为什么采用单电机纵向布置呢？因为：①转向架轴距短（一般轻轨车辆转向架轴距在1900～2100mm间），主要为了适应轻轨车辆通过很小的曲线半径要求；②直流牵引电动机体积大若采用两台横向布置的直流牵引电动机分别驱动两根动轴，则受轴距限制的转向架中可利用的空间有限，还要在车轴上布置制动盘，因此牵引电动机的功率只能限于50～

60kW，显然不能满足一般轻轨车辆单轴电动机功率为100kW左右的要求。52第三十九页，共102页。

五．牵引电机纵向布置——单电机架悬式驱动机构1.结构原理图（见 右图）

牵引电动机与齿轮 减速箱连成一体完 全弹性地悬挂在转向架构架的横梁上，电机驱动轴经减速齿轮（锥齿轮）悬挂在构架上橡胶弹性关节驱动空心轴，再经橡胶连杆机构（即联轴器）将扭矩传递给轮对。

49第四十页，共102页。2.特点①可较大地缩短轴距；②两轮对由同一电机驱动——成组驱动，可有效避免轮对空转打滑；③可最大限度地减轻簧下死重量（电机和齿轮箱等全部 为簧上重量），能明显改善电机及齿轮的工作条件；④但，两轮对的直径差对运行阻力和轮轨磨耗影响较大 （因为转向架内的两个轮对被机械联结在一起，转动 角速度相同），因此必须严格控制各车轮的轮径差。50第四十一页，共102页。六．对角配置的万向轴架悬式驱动机构1.结构原理（见图）齿轮箱弹 性吊挂

53第四十二页，共102页。万向轴连接器第四十三页，共102页。2.特点①两牵引电动机对角全悬挂于转向架构架的横梁上，可减小轮轨间的动作用力；②通过万向轴传递牵引电动机与齿轮传动装置间的扭矩；③齿轮箱一端弹性悬挂于构架的端梁，另一端抱在轮对车轴上（与刚性轴悬式驱动装置相同）。54第四十四页，共102页。七．牵引电动机体悬式驱动机构1.结构原理（见图）有多种结构形式，此仅为其中一种。55第四十五页，共102页。2.特点①牵引电动机完全放置于（悬挂于）车体之上，可进一 步减轻转向架质量（即所谓簧间质量，特别是能够减 轻转向架的回转转动惯量），提高转向架高速运行时 的平稳性和稳定性；②通过万向轴传递牵引电动机与齿轮传动装置（轮对）间的扭矩；③齿轮箱一端弹性悬挂于构架的侧梁，另一端抱在轮对车轴上（与刚性轴悬式驱动装置相似）。56第四十六页，共102页。第四十七页，共102页。第四十八页，共102页。第四节城轨车辆车钩缓冲装置§1车钩缓冲装置的用途、组成及分类§2城轨车辆车钩缓冲装置的几种典型结构1车钩连接车钩分离第四十九页，共102页。思考题：1）密接式车钩有哪几种结构形式？与一般车钩有何区别？2）缓冲器的功能和原理是什么？其容量如何确定？3）试述轨道车辆缓冲器的主要类型及其特点。第五十页，共102页。§1车钩缓冲装置的作用、组成及分类1.作用用来连接列车中各车辆使之彼此保持一定的距离，并且传递和缓和列车在运行中或在调车时所产生的纵向力或冲击力。2.组成车钩（亦称牵引连挂装置）——用来保证动车和车辆彼此连接，并且传递拉伸力（牵引力）。缓冲装置——用来传递和缓冲压缩力，并且使车辆彼此之间保持一定的距离。3.分类按照牵引连挂装置的连接方式，可分为自动车钩和非自动车钩。自动车钩不需要人工参与就能实现连接，而非自动车钩则要有人工完成车辆之间的连接。自动车钩又可分为两种基本类型：非刚性车钩和刚性车钩。我国铁路一般客、货车均采用非刚性的自动车钩，对于高速列车和城市轨道交通车辆则应采用刚性的自动车钩（即密接式车钩）。第五十一页，共102页。非刚性车钩允许两个相连接的车钩钩体在垂直方向上有相对位移。刚性车钩，也称为密接式车钩，它的连接不允许两连挂车钩存在相对位移，而且对前后的间隙要求应限制在很小的范围之内。如呈倾斜状态。第五十二页，共102页。非刚性车钩(一般客、货车)1)简化了两车钩纵向中心线高度偏差较大的车辆相互连挂的条件（例如，空车和重车）2)车钩强度大。3)不需要复杂的钩尾销连接结构和复杂的对心装置。4)车钩钩体的结构和铸造工艺较为简单。第五十三页，共102页。一．车钩缓冲装置的结构组成3第五十四页，共102页。自动车钩结构4车钩拆装(2)车钩拆装(1)开口销（1），（2）第五十五页，共102页。三．车钩的三态作用下锁销钩舌钩锁铁 钩舌推铁 下锁销杆钩锁铁挡住钩舌

连挂后位置钩锁铁让开钩舌

摘挂位置钩锁铁完全张开 且不落下

准备挂钩6第五十六页，共102页。二．车钩作用力的传递过程

当车辆受拉时，作用力的 传递过程为： 车钩→钩尾销→钩尾框→ 后从板→缓冲器→前从板→ 前从板座→牵引梁；车钩钩尾销钩尾框牵引梁当车辆受压（冲击）时，作用力的传递过程为：车钩→钩尾销→钩尾框→前从板→缓冲器→后从板→前从板后从板 缓冲器后从板座→牵引梁。

5第五十七页，共102页。四．缓冲装置（器）结构1.缓冲器的工作原理

借助于压缩弹性元件来缓和冲 击作用力，同时在弹性元件变 形过程中利用摩擦和阻尼来吸 收冲击能量。2.缓冲器的类型弹簧式缓冲器、摩擦式缓冲器、 橡胶缓冲器、摩擦橡胶式缓冲 器、粘弹性橡胶泥缓冲器、液 压缓冲器及空气缓冲器等。

目前使用最广泛的为摩擦式缓 冲器和摩擦橡胶式缓冲器。7第五十八页，共102页。3.缓冲器的性能参数缓冲器的性能直接影响列车的牵引总重、运行速度、车辆的总重、编组作业效率和列车运行平稳性等涉及铁路运输效能的主要技术经济指标。决定缓冲器特性的主要参数是：缓冲器的行程、最大作用力、容量及能量吸收率等。①行程：缓冲器受力后产生的最大变形称为行程。此时弹 性元件处于全压缩状态，如果再加大外力，变形量也不 会再增加。②最大作用力：缓冲器产生的最大变形时所对应的作用外力。③容量：缓冲器在全压缩过程中，作用力在其行程上所作 的功的总和称为容量。它是衡量缓冲器能量大小的主要 指标，如果容量太小，则当冲击力较大时就会使缓冲器 全压缩而导致车辆刚性冲击。8第五十九页，共102页。④初压力：缓冲器的静预压力。初压力的大小将影响列车的起动加速度。⑤能量吸收率：缓冲器在全压缩过程中，有一部分能量被 阻尼所消耗，其所消耗部分的能量与缓冲器容量之比称

为能量吸收率。能量吸收率愈大，则表明缓冲器吸收冲

击能量的能力愈大，反冲作用就愈小，否则，缓冲器必 须往复工作几次才能将冲击能量消耗尽，这将导致车钩、 车底架过早疲劳损伤，并且加剧列车纵向冲动。

一般要求缓冲器能量吸收率不低于70%。9第六十页，共102页。刚性车钩（城轨车辆及高速动车组）密接式车钩1)减小了两个车钩连接表面之间的间隙，从而降低了列车中的纵向力，提高了列车运行的平稳性。2)由于车钩零件的位移减小了，并且在这些零件上作用的力也减小了，因此改善了自动车钩内部零件的工作条件。3)减小了车钩连接表面的磨耗。4)减小了由于两连挂车钩相互冲击而产生的噪声，这对于城市轨道车辆和客车尤为重要。5)避免在意外撞车事故时，发生一个车辆爬到另一个车辆上的危险。第六十一页，共102页。§2城轨车辆车钩缓冲装置的几种典型结构对于高速列车和城轨车辆的车钩缓冲装置常采用机械、气路、电路均能同时实现自动连接的密接式车钩。这种车钩属于刚性自动车钩，它要求在两车钩连接后，其间没有上下和左右的移动，而且纵向间隙也限制在很小的范围内（约1～2mm）。这对提高列车运行平稳性、降低车钩零部件的磨耗和噪声均有重要意义。国内外常见的密接式车钩有三种结构形式：1.日本新干线高速列车上所采用的柴田式密接式车钩，我国北京地铁车辆的车钩即属此列；2.常见于欧洲国家所制造的地铁、轻轨及高速车辆上的Schafenberg型（亦称沙库）密接式车钩，德国制造的上海地铁车辆亦采用这种车钩；3.德国的BSI-COMPACT型密接式车钩。10第六十二页，共102页。第六十三页，共102页。一．北京地铁的密接式车钩11第六十四页，共102页。第六十五页，共102页。柴田式车钩工作原理连挂前状态钩头钩舌解钩杆弹簧连挂中状态连挂后状态闭锁后状态12第六十六页，共102页。解钩前状态解钩过程解钩状态解钩后状态解钩过程详细说明

13第六十七页，共102页。柴田式车钩第六十八页，共102页。二．上海地铁的密接式车钩（沙库）缓冲装置14全自动车钩(1)全自动车钩(2)第六十九页，共102页。第七十页，共102页。15沙库车钩有三种类型：全自动车钩、半自动车钩和半永久性车钩。全自动车钩：实现机械、气路和电路的自动连接。半自动车钩：机械、气路自动连接，但电路需人工手动连接。半永久性车钩的机械、气路、电路的连接都需要人工手动操作，一般只有在架修、大修时才能分解。第七十一页，共102页。16第七十二页，共102页。第七十三页，共102页。第七十四页，共102页。沙库车钩工作原理17第七十五页，共102页。第七十六页，共102页。沙库车钩工作原理第七十七页，共102页。18第七十八页，共102页。19第七十九页，共102页。16第八十页，共102页。20第八十一页，共102页。第八十二页，共102页。第八十三页，共102页。第八十四页，共102页。北京地铁的密接式车钩上海地铁的密接式车钩CRH5车钩挂钩CRH5车钩前罩第八十五页，共102页。三．BSI-COMPACT型密接式车钩21德国的BSI-COMPACT型密接式车钩主要用于欧洲、巴西等国的地铁、轻轨车辆和城郊列车上。第八十六页，共102页。BSI-COMPACT型密接式车钩作用原理22第八十七页，共102页。两钩连挂时，两钩的锁栓侧面相互挤压，压缩各自的弹簧，直至两锁栓的鼻子彼此咬合。第八十八页，共102页。两锁栓的鼻子咬合后，弹簧回复原位，达到连挂闭锁位。第八十九页，共102页。两钩分解时，扳动钩头上方手柄或操纵解钩风缸，使一个钩的锁栓要一直回拉到另一个钩的锁栓能够脱开为止。或者同时操作两钩的锁栓使之脱开。第九十页，共102页。半永久牵引杆（棒式车钩）除了上述3种常见的密接式车钩外，还有一种半永久牵引杆。通常使用在由若干辆动车和拖车组成的一个比较独立的单元内。它两端分别通过刚性销与车体底架相连接，杆内有橡胶块作为弹性缓冲元件，起到一定的缓冲减振作用。第九十一页，共102页。半永久牵引杆(棒式车钩)半自动车钩和缓冲器23车钩上主要是三个部分需要连接，机械连接、电子连接和气路连接。全自动车钩就是这三个部分全部自动连接，不需要人工去帮助连接。半自动车钩是机械连接、气路连接与全自动车钩相同，为自动连接。而电子连接需要人工操作。第九十二