第六节 驱动装置
城轨车辆的动力转向架上都装有驱动装置，所谓驱动装置就是将机车或动车传动系统传来的能量最后有效地传给轮对的执行装置。城轨车辆通常采用电动车组的形式，其驱动装置包括牵引电动机、车轴齿轮箱和驱动机构（例如空心轴和六连杆机构、挠性浮动齿式联轴节等）。
一、驱动装置类型与要求
1.类型
通常把牵引电动机在机车或动车上的安装称为电机悬挂。机车或动车牵引电动机的悬挂方式根据牵引电动机和减速箱在转向架上的安装方式的不同，大致可分为轴悬式、架悬式、体悬式三种。轴悬式牵引电动机的一端用抱轴承支在车轴上，另一端弹性的吊在转向架构架上，故又称为半悬挂式，适用于中、低速，最高运行速度低于120km/h的机车或动车，可分为刚性轴悬挂和弹性悬式两类；架悬式的牵引电动机全部悬挂在转向架构架上，适合最高运行速度低于200km/h的机车或动车；体悬式的牵引电动机全部或大部分悬挂在车体上。架悬式及体悬式牵引电动机悬挂方式又称全悬挂式，适用于高速，最高运行速度高于250km/h的机车或动车。
日本新干线动车组突破了这个观点，新干线动车组基本上采用结构相对简单的挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动装置，即使是最高运行速度可达350km/h的500系动车组也不例外。而挠性浮动齿式联轴节式架悬式驱动装置也是城轨车辆动车转向架最普遍采用的一种典型结构。
2.作用与要求
驱动装置的作用就是将牵引电动机的扭矩有效地转化为转向架轮对转矩，利用轮轨的黏着机理，驱使机车或动车沿着钢轨运行。驱动装置是一种减速装置，用来使高转速、小扭矩的牵引电动机驱动具有较大阻力矩的动轴。因此对驱动装置有以下要求：
（1）驱动装置应保证能使牵引电动机功率得到有效发挥。
（2）电动机在安装上应有减振措施，且电动机电枢轴应尽量与车轴布置在同一高度上，以减少线路的不平顺对齿轮的动作用力。
（3）驱动装置应不妨碍小直径动轮的使用。
（4）当牵引电动机或驱动机构发生损坏时，应易于拆卸。
（5）驱动装置本身应该简单可靠，具有最少量的磨耗件。
二、齿轮传动装置
齿轮传动装置由大齿轮、小齿轮和齿轮箱等三部分组成。齿轮传动的关键问题是齿轮的质量，它除了要求精度高、齿形正确外，还要求齿轮本身具有齿面硬且内部韧的物理性能，加之齿轮传递功率大，工作条件又比较恶劣。因此，传动装置由一级齿轮减速系统组成，小齿轮材质为采用优质合金钢制（如镍铬钼钢），并在表面渗碳淬火后经磨削加工制成，大齿轮材质为碳钢，并在高频淬火后经磨削加工制成，齿轮箱采用分体式结构，由铸铁或者铸铝制成，也可焊接制成。小齿轮轴和齿轮箱由相应的滚动轴承支承。齿轮和轴承都需要润滑。
三、电机悬挂的结构形式
而在城轨车辆上通常采用以下形式：爪型轴承的驱动装置（轴悬式）、横向牵引电机—空心轴驱动装置（架悬式）、两轴—纵向驱动/骑马式结构（轴悬式）、全弹性结构的两轴—纵向驱动（架悬式）、牵引电机对角配置的单独轴—纵式配置的单独轴—纵向驱动（轴悬式）、牵引电机置于车体上的驱动形式（体悬式）等。
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单电机架悬式驱动机构。
现在就依次介绍以上几种常见的驱动装置。
1.爪形轴承的驱动装置
城市电动轨道车辆最古老的驱动形式为，直接利用牵引电机驱动轴上的齿轮带动轮对轴传递扭矩。这时马达轴与轮对轴呈平行配置，牵引电机的一部分重量通过两个爪形轴承点承于轮对轴上，另一部分重量通过弹簧支于构架梁上。一般牵引电机的小齿轮与轮对上的大齿轮之间的传动比取1∶4～1∶6，如图3-42所示。
图3-42 爪形轴承传动装置
1—牵引电机；2—电机弹性悬挂；3—驱动小齿轮；4—车轴上大齿轮；5—减速齿轮箱；6—爪形轴承；7—制动盘
这种驱动装置的很大部分重量非弹性直接支于轮对轴上，增加了簧下部分的重量，对转向架的运行品质带来不利影响，而且必然导致相关的运动零件的强烈振动和磨耗，如轴承、齿轮和集电器等。此外，由于这种驱动的扭转弹性很低，往往要造成集电器过载，甚至损坏。
由于这种驱动结构简单、坚固，所以至今仍在轻轨车上获得应用。
2.横向牵引电机—空心轴驱动装置
该传动装置将牵引电机支承于构架横梁上，采用电机空心轴和高弹性的联轴器驱动齿轮减速箱，解决了上述方案的电机直接立于轮轴增加簧下重量和传动件过小的扭转弹性常导致集电器过载的问题。如图3-43所示。
图3-43 横向牵引电机—空心轴传动装置
1—牵引电机；2—小齿轮；3—驱动轴；4—大齿轮；5—空心轴；6—联轴器；7—减速齿轮箱；8—制动盘
在空心电枢和齿轮减速箱的小齿轮之间设置一可移动的橡胶高弹性的钢片联轴器。减速箱一端支于轮对轴上，另一端通过一可动的纵向可调节的支撑铰接于构架上。
空心轴驱动由于其重量轻、作用可靠和耐久性，在城市轨道车辆中获得广泛应用。
3.两轴—纵向驱动、骑马式结构
沿转向架运动方向配置的牵引电机连同齿轮减速箱组成一组合体，跨骑在转向架的两轮对上，牵引电机的两侧与带有法兰的减速箱组成一个承载的组合体，牵引电机驱动轴经齿轮减速后，借助于空心轴和橡胶联轴器与轮对轴弹性连接。如图3-44所示。
两轴纵向驱动的优点为，转向架的轴距比以上两种形式可有较大的减缩，有可能在2m以内。另外当一个轮对的黏着摩擦由于局部的蠕滑效应而遭到破坏时，则另一具有良好摩擦条件的轮对担当起后备保险的作用。同洋，在加速和减速时所出现的轮对卸载将不起作用，因为一根轴卸载在另一根轴上就要承担附加的载荷，整个转向架所传递的摩擦力矩总和仍不变。而在单轴的分离配置的牵引电机时轮对的摩擦极限有被超过的危险，卸载的轮对就有可能打滑空转。
这种结构通过机械连接强制驱动转向架的两个轮对具有相同的加速度，若两轮对的车轮直径存在差异，由此也造成运行阻力上升和磨耗的增加。另外它的整个装置均由转向架的两轮对直接支承，增加了簧下重量，加剧了转向架的运行动力作用。
图3-44 两轴—纵向驱动、骑马式结构
1—牵引电机；2—联轴器；3—驱动伞齿轮；4—空心轴；5—橡胶联轴器；6—轮轴；7—减速箱；8—制动盘
4.全弹性结构的两轴—纵向驱动
这种装置的牵引电机完全弹性地面定于转向架构架的横梁上，电机驱动轴经减速齿轮驱动万向接头空心轴，再经橡胶连杆联轴器将扭矩传递给轮对。如图3-45所示。
图3-45 全弹性结构的两轴—纵向驱动装置
1—牵引电机；2—联轴节；3—驱动伞齿轮；4—万向接头空心轴；5—联轴器；6—轮轴；7—减速箱；8—制动盘
除了电机的重量由构架承担外（比之两轴驱动骑马式结构减少簧下重量）其余特点与上述的两轴—纵向驱动骑马式结构相同。
5.牵引电机对角配置的单独轴—纵向驱动
两牵引电动机呈对角状完全悬挂于转向架构架的横梁上，通过万向轴传递牵引电动机与齿轮传动装置间的扭矩，并且采用一对圆锥齿轮（即伞齿轮）作为牵引齿轮以实现万向轴和车轴之间的直角传动。而齿轮箱一端通过吊杆弹性悬挂于构架的端梁，另一端则借助于滚动轴承抱在轮对车轴上（图3-46）。万向轴在传递驱动扭矩的同时能较好地补偿牵引电机与车轴齿轮箱之间各个方向的相对运动。
图3-46 牵引电机纵向布置（对角布置）——万向轴架悬式驱动装置原理图
1—牵引电机；2—连杆轴；3—驱动伞齿轮；4—轮对；5—减速箱；6—制动盘
万向轴驱动架悬式驱动装置具有的特点：簧上质量增加（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），改善运行品质，减小了轮轨动作用力；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；车轴周围空间得到释放，有利于安装其他设备（如基础制动装置）；结构较复杂，装置用万向轴和圆锥齿轮传动系统的传动效率有所降低。
6.牵引电机体悬式驱动装置
体悬式的牵引电动机全部或大部悬挂在车体上。牵引电机装于车体上，电机驱动轴经万向联轴节将扭矩传递给置于转向架上的减速装置，从而使轮对转动。其驱动装置原理图如图3-47所示。由于牵引电机重量由车体全部承担，所以称为体悬式。该传动方式广泛用于城轨车辆独立旋转车轮车辆的驱动和高速铁路。
图3-47 牵引电机置于车体上的驱动装置
1—牵引电机；2—齿轮传动装置；3—轮轴；4—连杆轴；5—传动支撑；6—制动盘；7—制动装置
万向轴驱动的体悬式驱动装置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重量，改善列车的动力学性能，大大减小转向架的重量、转动惯量，提高转向架高速运行时的平稳性和稳定性；充分改善了牵引电动机的工作条件；车轴周围空间得到释放，有利于安装其他设备（如基础制动装置）。但也有用万向轴和圆锥齿轮传动系统使传动效率有所降低，万向轴的制造工艺要求很高，整个驱动装置结构复杂的缺点。