鼓形齒聯軸器驅動方式
鼓形齒聯軸器驅動方式，又稱撓性浮動齒式聯軸節驅動方式，是鐵路機車車輛使用的架懸式牽引傳動裝置類型之一。在這種傳動系統中，與車軸平行布置的牽引馬達固定在轉向架構架上，電樞軸通過鼓形齒聯軸器與小齒輪軸相連，並通過齒輪的嚙合將扭矩傳遞到大齒輪，從而驅動輪對旋轉；齒輪箱一端通過抱軸承坐落在車軸上，而另一端通過彈性吊杆或橡膠元件懸吊在構架橫梁上。牽引馬達輸出的扭矩通過電樞軸、鼓形齒聯軸器、小齒輪、大齒輪傳遞至輪對。因此，鼓形齒聯軸器的作用就是用來補償車輛在行駛中由於路線不平順和通過曲線等原因，產生牽引馬達電樞軸與小齒輪軸之間的相對位移。
鼓形齒聯軸器驅動方式由美國西屋電氣公司與專門生產齒輪的納塔爾公司（R.D. Nuttall Company[1]）於1925年合作開發，因此又稱為西屋電氣－納塔爾驅動方式（Westinghouse-Nuttall drive），或簡稱WN驅動方式。
結構特點
鼓形齒聯軸器由兩個外齒軸套和兩個內齒外套半聯軸節構成，牽引馬達輸出軸和小齒輪輸入軸分別聯結在外齒軸套內，內齒外套半聯軸節用螺栓剛性地連接在外齒軸套內。內齒輪為一漸開線直齒內齒輪圈，外齒輪為齒頂面為一球面的鼓形漸開線齒輪，內齒輪圈與相對應的每個鼓形外齒相嚙合，通過內、外齒輪間的相互嚙合傳動，達到由牽引馬達向牽引齒輪箱傳遞扭矩的目的。外齒軸套可在內齒外套內軸向浮動，在電機軸伸和小齒輪軸伸間留有間隙，以適應牽引馬達和車軸間相對的橫向變位。電機軸線和車軸軸線間的相對偏角變位，則是通過外齒軸套在內齒外套內的轉動偏角來補償，一般允許最大偏角約為4～5°。
鼓形齒聯軸器屬於精密加工產品，要求較高的加工精度和製造技術，當今世界上只有少數企業有能力研發及生產應用於軌道車輛的高性能鼓形齒聯軸器，主要集中在歐洲、日本、美國等工業技術較發達的地區，例如美國的瑞諾德公司（Renold Plc）[2]，比利時的艾斯克聯軸器公司（Esco Couplings N.V）[3]、IGW公司[4]，德國的KWD公司（KWD Kupplungswerk Dresden GmbH）[5]、西門子公司[6]，日本的新日鐵住金（原住友金屬工業）[7]、三菱電機[8]等。
早期的鼓形齒聯軸器大多採用彈簧作為復位元件，兩個半聯軸節內各設置一個彈簧元件，當一邊彈簧受力壓縮或拉伸時，另一邊彈簧則同時在儲存或釋放能量，保證兩邊彈簧的受力平衡，使得內齒圈自動回到原位；但隨著轉速提高和位移補償增大，不僅聯軸器噪音和振動增加，而且彈簧也有疲勞斷裂的問題，因此採用彈簧復位元件的鼓形齒聯軸器已被逐步淘汰。新型的鼓形齒聯軸器採用了不同的復位元件，例如在鼓形齒內腔與半聯軸節端蓋之間設置波紋管，作為復位元件和密封元件（KWD公司），或者由軸頭橡膠螺母與聯軸節中心擋板組成復位裝置（住友金屬及三菱電機）[9]。
鼓形齒聯軸器驅動方式是一種結構相對簡單、製造成本較低的架懸式驅動裝置，它除了可適應兩個軸線間軸向、徑向、角度位移及其綜合位移，還具有傳遞扭矩大、應用轉速高的特點；但由於齒輪聯軸器需要占據兩車輪之間的部分軸向空間，因此比較適合用於牽引馬達功率較小、輪對內側軸向空間較大的車輛，主要用於動力分散的電聯車和城軌車輛。此外，這種驅動裝置擁有體積小、重量輕的優點，具有良好的動力學性能，可滿足250～300公里/小時甚至更高速度的需求，因而在高速鐵路列車上也得到廣泛應用，例如日本新幹線300系、500系、700系電聯車，以及德國的ICE-3電聯車等。
然而，與其他類型的架懸式驅動裝置相比，鼓形齒聯軸器驅動方式也存在一些不足之處。由於牽引馬達整體懸掛於轉向架構架上，使牽引馬達的全部重量成為簧上重量，但牽引齒輪箱仍然採用車軸支承方式，因此牽引齒輪和牽引齒輪箱之一半重量仍然屬於簧下重量。除此之外，這種驅動裝置的扭轉剛度較大，尤其對於帶有整流子（換向器）的直流牽引馬達，馬達啟動時的換向條件並無得到改善。齒輪聯軸器必須加注潤滑油或潤滑脂以減緩齒面磨損，如果它在潤滑不良的情況下運轉，即使極短時間也會對其造成損害。而且，齒輪聯軸器在運轉時還會產生噪音。
發展歷史
鐵路機車車輛上最傳統的牽引傳動裝置類型是軸懸式驅動方式，也就是將牽引馬達的一側通過抱軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過彈性懸掛於轉向架構架的橫梁上；這種結構的優點是結構簡單、檢修及拆裝方便、製造及維護成本低，但驅動裝置（包含牽引馬達及牽引齒輪箱）的約一半重量屬於簧下重量，使得驅動裝置在車輛行駛過程中產生較大的輪軌作用力，而且牽引馬達和傳動齒輪需要直接承受來自輪對的振動衝擊，影響驅動裝置的工作可靠性及使用壽命。
至二十世紀初，為了解決軸懸式驅動裝置簧下重量大的缺點，歐美多國先後研製了多種形式的架懸式驅動裝置，例如源於美國的輪對空心軸驅動方式，以及瑞士發明的布赫利驅動方式等，它們的共同特點都是將牽引馬達整體懸掛在轉向架上，並與屬於簧下重量的車軸採用彈性聯接。但在當時由於這些驅動裝置結構複雜且笨重，因此大多只應用於單軸功率較大的電力機車。後來，當時在牽引馬達製造行業處於領先地位的美國西屋電氣公司與旗下專門生產齒輪的納塔爾公司，為了提高城市路面電車的運轉品質，於1925年合作開發出為路面電車使用之低電壓高轉速牽引馬達配套的鼓形齒聯軸器驅動裝置，亦即是西屋電氣－納塔爾驅動方式（WN驅動方式）[10]。
這種驅動裝置於1925年首次被應用於美國西維吉尼亞州惠靈的路面電車車輛[11][12]。WN驅動方式在路面電車上經過長期的實踐後，又被成功應用於1941年面世的芝加哥北海岸與密爾沃基鐵路「Electroliner」電聯車[13]。第二次世界大戰結束後，於1948年投入運用的紐約地鐵R12型電動列車亦採用了WN驅動裝置。自此，鼓形齒聯軸器驅動方式逐漸普及到歐洲和日本，被廣泛運用於動力分散式的電聯車。日本在1950年代初開始試製鼓形齒聯軸器驅動裝置，並首先在1953年完成的京阪電氣鐵道1800型電聯車（1802號列車）上試用，該列車裝用了由住友金屬根據國外技術情報自主開發的鼓形齒聯軸器，相同形式的聯軸器還被用於東京都電5500型電車（5502號電車）；隨後住友金屬及三菱電機取得了西屋電氣的技術授權，開始生產用於軌道車輛的鼓形齒聯軸器，並用於因應東京地下鐵丸之內線開通而購置的營團300型電聯車。
參看
參考文獻
- ^ Nuttall History. Nuttall Gear. [2016-05-04]. （原始內容存檔於2016-04-05）.
- ^ Mass Transit Coupling. Renold Plc. [2016-09-03]. （原始內容存檔於2016-08-22）.
- ^ High speed gear coupling, train, underground train, tramway. Esco Couplings N.V.
- ^ Rail Gear Manufacturers - IGW. IGW. [2016-09-03]. （原始內容存檔於2019-12-22）.
- ^ Bahn - Sonderkupplungen. Kupplungswerk Dresden. [2016-09-03]. （原始內容存檔於2016-08-14）.
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- ^ 製品情報：交通産機品. 新日鉄住金. [2016-09-03]. （原始內容存檔於2019-02-18）.
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