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转向架

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转向架
转向架引导车辆运行作动图

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]。

概要

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]。

  • 两轴车
    两轴车
  • 平台车
    平台车
  • 连接车
    连接车

简史

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

基本类型

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

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

  • 单轴
    单轴
  • 双轴
    双轴
  • 三轴
    三轴
  • 四轴
    四轴

有枕梁或无枕梁

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]。

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

有动力或无动力

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]。

  • 有动力转向架
    有动力转向架
  • 无动力转向架
    无动力转向架

有无列车倾斜功能

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。

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

转向架的构造

车轴

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

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。

  • 轴箱导架式
    轴箱导架式
  • 圆锥多层橡胶式
    圆锥多层橡胶式
  • 阿尔斯通式
    阿尔斯通式
  • 多层橡胶式
    多层橡胶式
  • 单连杆式
    单连杆式
  • 支撑板式
    支撑板式
  • 轴板弹簧式
    轴板弹簧式
  • 轴梁式
    轴梁式
  • 圆筒轴橡胶式
    圆筒轴橡胶式

悬挂系统

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

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]。

  • 转向架框
    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]。

  • 菱形式转向架
    菱形式转向架
  • 弓形条板菱形转向架
    弓形条板菱形转向架
  • 贝腾多夫式转向架
    贝腾多夫式转向架
  • 内框式转向架
    内框式转向架
  • 内框式转向架（有轨胶轮电车）
    内框式转向架（有轨胶轮电车）

轴承

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。

  • 铁路车辆的轴承
    铁路车辆的轴承
  • 铁路车辆的轴承
    铁路车辆的轴承

驱动装置

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。布赫利驱动方式：由瑞士勃朗-包维利股份公司（BBC）研发。1950年代起，随着轮对空心轴驱动方式和电机空心轴驱动方式的普及，布赫利驱动装置亦逐渐被淘汰[37]。 电机空心轴驱动方式：又称电枢空心轴驱动方式（德语：Ankerhohlwellenantrieb），电枢空心轴与扭转轴之间的间隙允许扭转轴倾斜，以适应牵引马达与轮对及齿轮箱体之间各个方向的位移[37]。WN驱动方式：又称挠性浮动齿式联轴节驱动方式、鼓形齿联轴器驱动方式，由美国西屋电气公司与专门生产齿轮的纳塔尔公司（R.D. Nuttall Company）于1925年合作开发，鼓形齿联轴器的作用为补偿车辆在行驶中线路不平顺和通过曲线等原因，产生牵引马达电枢轴与小齿轮轴之间的相对位移[14]:186－188[38]。 TD驱动方式：又称双挠性板驱动方式、挠性板联轴器驱动方式，由日本东洋电机制造于1969年开发。牵引马达输出的扭矩通过电枢轴、挠性板联轴器、小齿轮、大齿轮传递至轮对[12]:152－157[38]。轮对空心轴驱动方式：是使用历史最悠久的簧上悬挂式动装置，主要用于铁路机车车辆[12]:152－157。

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]。

  • 吊挂式。
    吊挂式。
  • 车体装架式
    车体装架式
  • 布赫利驱动方式
    布赫利驱动方式
  • WN驱动方式
    WN驱动方式
  • TD驱动方式
    TD驱动方式
  • 轮对空心轴驱动方式
    轮对空心轴驱动方式

制轫设备

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

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。

  • 踏面制轫
    踏面制轫
  • 碟式制轫
    碟式制轫
  • 旋转涡电流刹车
    旋转涡电流刹车
  • 磁道制轫
    磁道制轫
  • 涡电流刹车
    涡电流刹车
  • 风阻制轫
    风阻制轫

轫机类型

  • 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

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。

  • 辅助排障器
    辅助排障器

牵引装置

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

注释

  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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