专利名称：驱动轴用的容纳支架的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及驱动轴系统，尤其涉及一种驱动轴的容纳支架。
火车中常用的驱动结构的特征在于与火车车体连接的牵引电机；安装在转向架上的传动齿轮箱；以及在每一端上都与电机和齿轮箱相连接、以将电机的能量传递到车轮的万向轴。
图1表明使用万向轴的通常结构。所示的火车部分包括车体(10)的下侧和转向架(12)。牵引电机(14)通过安装结构(16)连接在车体(10)的下面，且传动齿轮箱(18)安装在转向架(12)上。齿轮箱(18)与机内轮轴连接，其上安装有两个车轮(图未示)。万向轴(20)通过联轴器(22，24)在一端连接到电机(14)上，在另一端连接到齿轮箱(18)上。在操作中，电机(12)通过万向轴(20)将功率传递至齿轮箱(18)，再传递到转向架的每个轮轴，以驱动车轮。
该驱动结构潜在的问题是，万向轴可能会断裂或者与电机或齿轮箱脱离。万向轴故障可能会由于以下原因引起转矩过大，或者万向轴、其接头或联轴器的结构故障所导致的扭转振动，或者最终驱动组装或维护较差并使得万向轴的联轴器、电机或齿轮箱分离。万向轴的转矩过大可能会由电机中的轴承或机械故障引起，从而转子锁定，或使齿轮箱发生相似的故障。
如果在火车移动时万向轴断裂或任一端脱离，那么轴可能会向周围甩打，或穿透车体地板，或对火车造成其他损失，并可能撞击地面，并使转向架脱轨。断裂或脱离的万向轴所引起的可能损害会随着车辆重量和速度的提高而急剧增大，因为万向轴的重量和旋转速度也在增大。
断裂或脱离的万向轴的容纳难度也急剧增加，这是因为万向轴的重量和旋转速度的增大，会使得甩打轴所施加的力也更大。此外，随着火车速度增大，使火车停止进而使万向轴停止旋转所需的时间也增大，这样断裂的万向轴必须被容纳较长的时间。
因而，需要一种装置，其用于在高速车辆中来容纳任一端断裂或脱离的驱动轴。
本发明提供一种用于驱动轴的容纳支架，其包括限定开口的支架和柔性元件，其中该驱动轴贯穿该开口，且该柔性元件位于该支架的至少一部分的周围，并且在每一端进行紧固。该柔性元件可以包括线缆，多个线缆，或带体，且该柔性元件优选保持在拉伸状态下。该柔性元件缠绕该支架至少一次，并紧固在该支架的第一上侧。
该支架包括限定该支架开口的凸缘和朝向该凸缘的每一边缘进行设置的两个腹板，其中该柔性元件位于该腹板之间的凸缘的至少一部分的周围。该容纳支架还可以包括用于检测该驱动轴故障或断开连接的轴故障检测系统。
本发明的另一方面提供一种传动系统，其包括驱动轴，其在第一端与驱动机构相连，且在另一端与从动机构相连；以及上述的支架。
下面结合本发明实施方案的附图来举例说明本发明的特征和优点，附图中图1显示使用万向轴的常规牵引结构；图2显示用于容纳万向轴的支架的一个实施方案；图3是图2中容纳支架的仰视图，包括缠绕在支架周围的线缆带体；图4是图3的容纳支架的侧视图，表明线缆带体的细节；图5是牵引结构的侧视图，显示本发明的万向轴和容纳支架的位置；图6是图5的牵引结构的俯视图，表明万向轴和容纳支架的位置；图7显示断裂轴施加在图3中容纳支架上的撞击力；及图8是图3中容纳支架的立体图，包括断裂万向轴检测系统。
下面说明驱动轴用的容纳支架的实施方案。首先参阅图2，所示的容纳支架(30)包括两个垂直腹板(34，36)和限定开口的矩形凸缘(38)，其中万向轴穿过该开口。支架(30)可以由钢、金属合金、塑料复合材料构成，或者由在轴脱离或断裂的情况下可提供容纳万向轴所需的抗撞击性的其他任何材料构成。
角托架(40，41)设置有连接装置，以使支架(30)与适合的安装结构相连接以定位支架，从而容纳万向轴。支架(30)可通过螺栓连接或焊接到支承结构上，或者使用其他适合的连接装置；角托架(40，41)中的安装孔(42)可用于此目的。支架(30)的两端在垂直腹板(34，36)中，设置有用于容纳榫销的孔(44)，从而图3所示并在下面说明的那样来紧固线缆带体。
线缆带体可以与支架(30)一起使用。图3表明容纳支架(30)的仰视图，且线缆(50)在支架的腹板(34，36)之间围绕支架凸缘(38)缠绕多圈。优选地，线缆(50)保持在拉紧状态，并通过将每一端绕在榫销(46，48)上进行紧固，其中该榫销位于支架腹板(34，36)的孔(44)中。按这种方式，线缆(50)尽可能与万向轴移动的包络面保持接近，从而容纳由转向架的移动和车体的倾斜位移所引起的轴操作移动。线缆(50)优选由高抗拉性钢、凯夫拉尔纤维(kevlar)、或者能够承受高拉伸和脱离万向轴所引起的撞击震动的类似材料制成。线缆可以包括编织、搓捻、平行搓合或任何其他适合结构的单股线或多股线。
图4表明从图3的剖面A-A看到的侧视图。在线缆(50)的每一端形成环，每个环绕过套环(52，54)，该套环位于榫销(46，48)的周围，且线缆的端部由夹具(56，58)紧固。也可以使用其他适合方式紧固线缆(50)的端部，从而使线缆在支架周围保持拉伸状态。
图3和图4中所示的线缆(50)从榫销(48)起沿凸缘(38)的上边缘进行缠绕，绕凸缘进行顺时针缠绕，并在榫销(46)处终止。可选择地，线缆可以从榫销(48)起沿凸缘(38)的左侧边缘向下且沿凸缘的下边缘按逆时针方向缠绕在凸缘周围，并在榫销(46)处终止。此外，尽管所述容纳支架的线缆带体包括绕容纳支架的凸缘缠绕多次的线缆，但是线缆也可以仅缠绕支架一次，或者可以从榫销(46)到榫销(48)绕凸缘(38)的下边缘形成环，而根本不环绕支架。
另一种选择是使用多根线缆来代替单根线缆，其中每根线缆形成环或绕支架缠绕一次或多次。尽管所示线缆是圆形截面，但也可以使用扁平截面(形成带体)、方形截面或任何其他适合的截面。
图5显示与火车车体(10)下方的安装座架(32)相连接的支架(30)的侧视图。万向轴(20)通过联轴器(22)与电机连接，并贯穿支架(30)以通过联轴器(24)连接至齿轮箱。支架(30)的安装位置使得在万向轴和矩形凸缘(38)之间提供所需的间隙，以限定万向轴穿过的支架(30)中的开口。
图6表明支架(30)和万向轴(20)的俯视图。当转向架相对于车体移动时，万向轴也在支架(30)的开口内沿垂直和水平方向移动。当支架(30)使用在倾斜的火车上时，随着火车通过拐角并且火车车体相对于转向架倾斜，万向轴在支架开口内的移动加剧。支架(30)中的开口尺寸必须正确，且必须正确放置支架，以适应万向轴的这种移动。
如上所述，万向轴故障可能因齿轮箱或电动卡死带来的过大转矩引起。卡死齿轮箱会使牵引电机较快地转速下降，这将通过产生的最大转矩进行反作用。在最恶劣情况下，这种突然的转矩反作用可以激励驱动线路的固有频率，从而由电机在万向轴中产生两倍于最大转矩的动转矩。在卡死电机情况下，最大程度是万向轴中产生的最大转矩被限制为轮轨粘着。
万向轴故障使万向轴和齿轮箱分离，这将使牵引电机处于未加载状态。牵引系统通常检测电机上的未加载条件，且将使电机功率降低。这种情况下的能量储存的水平相对较低，并与电机转子和万向轴的转动惯性成比例。在这种情况下，支架必须能够在电机和轴减速的时间内容纳脱离的万向轴。
万向轴故障使万向轴和电机分离，这将使轴以齿轮箱输入轴的速度旋转。只要火车继续移动，轴将以与轮轴速度成固定比例的速度继续旋转。如上所述，牵引系统通常检测电机上的未加载条件，并将使电机功率降低。在这种情况下，支架必须能够在火车减速的时间内容纳脱离的万向轴。
在万向轴与牵引电机在牵引电机端部处进行分离的情况下，需要容纳住万向轴，直到火车停止。可以预料到，在这段时间内，万向轴多次对容纳支架进行连续撞击，并且大部分沿支架的底边缘进行撞击。尽管由于齿轮箱端部的振动水平较高，万向轴最可能在该端部分离，但是容纳支架优选被设计成可以承受较恶劣情况下引起的撞击。模拟实验表明，脱离的万向轴的行为与偏离中心的旋转陀螺相似，且万向轴的轨迹取决于系统惯性主轴及万向轴绕轴线旋转的初始速度。因此，万向轴在垂直于主轴的平面内呈现摆线轨迹。
模拟撞击情况下的研究表明，万向轴施加在容纳支架上的总力大小与万向轴的初始速度成比例。容纳支架的腹板中的最大应力随万向轴施加在容纳支架的撞击力的水平呈线性增大。如果万向轴在电机端进行分离，那么断裂检测系统通常使火车紧急刹车。在进行紧急刹车直到火车完全停下的时间段内，容纳支架必须能够承受万向轴对支架施加的多次撞击。
图7显示了在万向轴故障过程中由于万向轴的撞击作用在容纳支架(30)上的力，其中该容纳支架带有线缆带体(50)。由于撞击转移到支架(30)上的负载由箭头(60)代表。这使得负载(62)被转移到线缆带体(50)上。负载(62)作为每半根线缆带体中的拉伸力(64，66)被转移至线缆带体。这些拉伸力(64，66)对抗由线缆带体的各个绕线中的拉伸力(由箭头68，70代表)和在支承销(46，48)处的拉伸力(由箭头72，74代表)，其中拉伸力(68，70)由各个线路绕线相对于容纳支架的腹板(34，36)和凸缘(38)及相对于相邻线缆绕线的摩擦所引起。
如图7所示，较大的撞击会使容纳支架发生塑性变形，从而使得支架永久弯曲。在这种撞击过程中，线缆带体(50)处于拉伸态，且发生弹性形变(也可能发生一定量的塑性形变，从而使缆线圈发生少量的永久延伸)。线缆带体的弹性形变有助于容纳支架抵抗故障万向轴的甩打所引起的连续撞击，并防止支架断裂和释放万向轴。
图8表明带有断裂万向轴检测系统的容纳支架。该检测系统包括水平放置的支柱(80)，其与凸缘(38)的下部内侧面相邻，且略置于其上。支柱(80)在一端固定于枢轴点(82)处。支柱(80)的另一端位于可断开管(84)和检测器(90，92)之间，其中该检测器置于板(94)上，以促进正确定位。可断开管(84)利用与支柱(80)的缺口部分(88)相邻近的夹子(86)保持就位，从而支柱(80)的下边缘靠着可断开管(84)的每一端。
如果万向轴断裂或断开连接，那么其将移动到其允许和正常移动范围之外，并撞击支柱(80)的上边缘。支柱(80)绕枢轴点(82)顺时针旋转，从而在可断开管(84)的每一端上施加压力。如果万向轴对支柱(80)的撞击足够大，可断开管(84)上的压力将使其断裂，从而使支柱(80)进一步顺时针旋转，这样支柱(80)的上边缘就远离检测器(90，92)。可以使用其他适合元件替代可断开管(84)，例如金属或在压力下弯曲的塑料元件、弹簧或橡胶元件。可选择地，可以省略这种元件，且支柱(80)被固定和设计成仅当足够力的万向轴撞击时才旋转，或者被设计成在上述力的作用下弯曲。
当支柱(80)的上边缘远离检测器时，检测器(90，92)产生信号，以表明万向轴发生故障。检测器(90，92)可以是压力开关、位置开关、磁力传感器，或任何其他适合类型的近程传感器。在此实施方案中使用两个检测器(90，92)，从而为两个不同系统提供信号，但是也可以使用单个检测器来为两个系统产生信号，或者可以使用两个检测器以提供冗余。优选地，检测器的位置使得在断裂或断开连接的万向轴的撞击下支柱(80)远离检测器。可选择地，检测器的位置位于支柱的旁边或下面，并被设计成可以相对于检测器来检测支柱的任何移动。
检测器(90，92)产生的信号，可用于向火车管理系统提供万向轴故障信号，从而向火车司机提醒这种故障情况，并向火车控制系统提供信号，以使系统自动采取行动。
从而，本发明描述了一种用于容纳断裂或断开连接的驱动轴的装置的实施方案。应该注意到，上述实施方案可以有各种修改和选择形式。例如，尽管容纳支架被描述用于火车中的万向轴，但是也可用于使用高速轴的任何应用中，如在车辆传动系统、工业或农业机械，其中轴将任何类型的驱动装置之间的能量传递给任何类型的从动装置。尽管支架被描述在其上边缘处进行安装，但是支架可以安装在侧面或底部。所示支架是完全环绕万向轴的单件体；但是可选择地，支架可以是两件或多件，并通过使用螺栓或焊接固定以环绕万向轴；或者可以设计成“U”型或“C”型，其尽管没有完全环绕万向轴，但在万向轴故障的情况下仍能提供一些保护。
权利要求
1.一种用于驱动轴的容纳支架，包括限定开口的支架(30)和柔性元件(50)，其中驱动轴(20)贯穿该开口，且该柔性元件位于该支架的至少一部分的周围，并且在每一端进行紧固。
2.如权利要求1所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)包括线缆。
3.如权利要求1所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)包括多个线缆。
4.如权利要求1所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)包括带体。
5.如前述任一权利要求所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)保持在拉伸状态下。
6.如前述任一权利要求所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)缠绕该支架至少一次。
7.如前述任一权利要求所述的容纳支架，其特征在于该柔性元件(50)的第一端紧固在该支架(30)的第一上侧。
8.如前述任一权利要求所述的容纳支架，其特征在于该支架(30)包括限定该支架的开口的凸缘(38)和朝向该凸缘的每一边缘进行设置的两个腹板(34，36)，其中该柔性元件(50)位于所述腹板之间的凸缘的至少一部分的周围。
9.如前述任一权利要求所述的容纳支架，还包括用于检测该驱动轴故障或断开连接的轴故障检测系统。
10.如前述任一权利要求所述的容纳支架，还包括轴故障检测系统，其包括与凸缘(38)的内侧表面相邻的支柱(80)，其中当轴断裂或断开连接时，该支柱可以在轴的撞击下移动；以及与该支柱(80)的一端相邻的至少一个检测器(90，92)，其中当轴断裂或断开连接时该支柱(80)在轴的撞击下移动时，该检测器产生轴故障信号。
11.如权利要求6所述的容纳支架，其特征在于该支柱(80)的移动由一个元件(84)限制，其中当轴断裂或断开连接时该轴撞击支柱时，该元件屈服且使该支柱移动。
12.如权利要求6所述的容纳支架，其特征在于该检测器(90，92)向火车管理系统提供轴故障信号，用于表明轴发生故障。
13.一种传动系统，包括驱动轴(20)，其在第一端与驱动机构(14)相连，且在第二端与从动机构(18)相连；及根据前述任一权利要求所述的支架(30)。
14.如权利要求13所述的传动系统，还包括如权利要求9或权利要求10所述的轴故障检测系统。
全文摘要
一种容纳断裂或断开连接的驱动轴进行移动的容纳支架，包括限定了开口的刚性支架和线缆，其中该驱动轴穿过该开口；以及缠绕该支架并在每一端进行紧固的线缆。该容纳支架可以包括限定该支架开口的凸缘和朝向该凸缘的每一边缘进行设置的两个腹板，同时线缆在两个腹板之间缠绕在凸缘周围。轴故障检测系统，可以包括与凸缘的内表面相邻的支柱，其中当轴断裂或断开连接时，该支柱在轴的撞击下可以移动；以及与该支柱的一端相邻的至少一个检测器，其中当轴断裂或断开连接时，该支柱在轴的撞击下移动时，该检测器产生轴故障信号。
文档编号B60K17/24GK1784329SQ200480011934
公开日2006年6月7日 申请日期2004年2月27日 优先权日2003年3月3日
发明者卢茨·科庞 申请人:邦巴尔迪尔运输有限公司