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CN112622941B - 用于铁路载具的发动机和/或发电机、相关转向架和铁路载具 - Google Patents

用于铁路载具的发动机和/或发电机、相关转向架和铁路载具 Download PDF

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CN112622941B
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Abstract

本发明涉及发动机和/或发电机(1)，尤其是尤其用于铁路载具的发动机和/或发电机(1)，其包括：机壳(10)；轴(16)，其自身绕着轴线(X‑X')相对于机壳(10)旋转移动；以及连接轴(16)和机壳(10)的至少两个斜轴承(18、20)，两个斜轴承(18、20)中的每一个均包括固定到机壳(10)的外圈(30)、固定到轴(16)的内圈(32)、和多个滚珠(34)，每个滚珠(34)在外圈(30)上限定外接触路径并且在内圈(32)上限定内接触路径，外接触路径相对于内接触路径轴向错位。

Description

用于铁路载具的发动机和/或发电机、相关转向架和铁路载具
【技术领域】
本发明涉及发动机和/或发电机、尤其是用于铁路载具的发动机和/或发电机，用于铁路载具的转向架，以及铁路载具。
本发明尤其适用于高速发动机，通常是被配置成以介于每分钟5000至6000转(rpm)的旋转速度运转的发动机。这些发动机用于任何类型的铁路载具，如慢速载具(例如电车)或超高速载具(例如被配置成以高于250km/h的速度行驶的载具)。这取决于传动装置的减速比。
【背景技术】
这些铁路载具包括发动机转向架，每个发动机转向架包括至少一个发动机。每个发动机包括机壳，机壳容纳定子和安装在轴上的转子。
轴通过轴承连接到机壳，从而使得轴能够以高速(如5000rpm)相对于机壳旋转。于是，轴承以高速旋转。
然而，如所描述的发动机并不完全令人满意。当轴的旋转速度增大时，轴承的寿命会缩短。轴承还可能会引起转子的振动不稳定性，这可能导致过高的声音水平和/或使用中的故障，尤其是在用润滑油润滑的轴承的情况下(如铁路牵引发动机通常的情况)。于是需要经常维护。
本发明的目的在于在不增加维护频率且不使发动机的可靠性水平降级的情况下增大轴的旋转速度。
【发明内容】
为此，本发明涉及一种发动机和/或发电机，尤其是用于铁路载具的发动机和/或发电机，其包括：机壳；轴，其自身绕着轴线相对于机壳旋转移动；以及连接轴和机壳的至少两个斜轴承，两个斜轴承中的每一个均包括固定到机壳的外圈、固定到轴的内圈、和多个滚珠，每个滚珠在外圈上限定外接触路径并且在内圈上限定内接触路径，外接触路径相对于内接触路径轴向错位。
根据特定实施例，所述发动机包括单独考虑或根据任何可能的技术组合来考虑的以下特征中的一个或多个：
-外接触路径分别对于每个所述滚珠包括第一接触点，内接触路径分别对于每个所述滚珠包括第二接触点，第一接触点和第二接触点限定了直线，该直线与垂直于轴线的平面形成15度到25度之间的角度。
-发动机还包括连接轴和机壳的至少一个圆柱轴承，该圆柱轴承包括圆柱滚轴。
-发动机包括转子，斜轴承轴向地设置在转子与轴的适于将牵引扭矩传递到传动箱的部分之间。
-至少一个斜轴承包括套圈(cage)，其包括黄铜或热稳定聚合物。
-内圈限定了包括内接触路径的凹槽，该凹槽沿垂直于轴线的平面对称，并且外圈限定表面，该表面沿轴线依次包括：第一部分、其后是第二部分、其后是第三部分，第一部分是具有第一半径的圆柱表面，并且第三部分是具有严格大于第一半径的第二半径的圆柱表面，第二部分包括外接触路径。
-外圈限定了一个表面，该表面沿轴线依次包括：第一部分、其后是第二部分、其后是第三部分，第二部分是环面。
-每个滚珠包括陶瓷材料。
本发明的主题还有一种用于铁路载具的转向架，该转向架包括至少一个如上所述的发动机和/或发电机。
最后，本发明的主题是一种包括至少一个如上所述的转向架的铁路载具。
【附图说明】
通过阅读以下描述将会更好地理解本发明，所述描述是仅作为示例给出的，并且是参考附图进行的，在附图中：
图1是用于铁路载具的发动机和/或发电机的剖视图，并且
图2是图1所示的发动机和/或发电机的包括轴承的部分的剖视图。
【具体实施方式】
参考图1，描述了铁路载具的转向架的包括发动机1和传动箱6的部分。
发动机(moteur)1被构造成将电能转换成机械能。
替换地或附加地，发动机1被构造成将机械能逆转换为电能。具有这样的操作的发动机1称为发电机(générateur)。在本说明书的其余部分中，出于可读性的原因，术语“发动机”既表示发动机又表示发电机。
发动机1例如是永磁体发动机或异步发动机。特别地，发动机1是大功率发动机，例如大于100kW。
发动机1包括机壳10，以及容纳在机壳10中的定子12和转子14。发动机1还包括轴16、第一斜轴承18、第二斜轴承20和圆柱轴承22。第一和第二斜轴承18、20和圆柱轴承22连接机壳10和轴16。
特别地，机壳10包括第一凸缘24，第一斜轴承18和第二斜轴承20(优选地直接)固定在第一凸缘24上。机壳10还包括第二凸缘26，圆柱轴承22(优选地直接)固定在第二凸缘26上。
作为未示出的变型，第一斜轴承18和第二斜轴承20借助于轴台箱(depalier)而固定在第一凸缘24上。同样，圆柱轴承22例如借助于轴台箱而固定在第二凸缘26上。在该实施例中，凸缘24、26例如由铝合金形成。
转子14固定在机壳10内部的发动机1的轴16上。转子14被安装成可相对于定子12绕轴线X-X'旋转移动，该轴线也称为旋转轴线。定子12在机壳10内平行于轴线X-X'围绕转子14，并且与转子14同轴。传统上，转子14和定子12使得能够将电能转换成由轴16传递的机械能，或者相反，将机械能转换成电能。
对于轴16，限定了：轴向地位于转子14的一侧上的第一段28，该第一段28适于在转子14和传动箱6之间传递机械扭矩；以及与第一段28相对于转子14相对的第二段29。特别地，第一和第二斜轴承18、20设置在第一段28处，并且圆柱轴承22设置在第二段29处。特别地，沿着轴线X-X'，第一斜轴承18和第二斜轴承20位于转子14和传动箱6之间。
轴16在第一和第二斜轴承18、20处具有第一直径27A。第一直径27A被选择成使得具有该参数的轴16能够在转子14和传动箱6之间传递机械扭矩。特别地，第一直径27A是使得能够传递机械扭矩所需的最小直径。
轴16在第一段28中的第一直径27A(尤其在图1中可见)例如在40至100mm之间。
轴16在圆柱轴承22处具有第二直径27B。第二直径27B例如严格小于第一直径27A。第二段29的第二直径27B特别地严格小于第一段28的第一直径27A，因为在轴16的第二段29中没有扭矩要传递。
根据替换实施例，轴16的第二段29也可传递机械扭矩，特别是有损于最大可传递扭矩。
于是，在轴16旋转期间，与第一和第二斜轴承18、20相比，圆柱轴承22旋转得更慢。特别地，轴承18、20的圆周速度更低。轴16的旋转速度(例如，以rpm)对于第一段28和第二段29是相同的。圆周速度以本身已知的方式取决于轴承18、20、22的半径以及轴16的旋转速度。例如，滚子轴承可允许的圆周速度低于滚珠轴承可允许的圆周速度。
第一和第二斜轴承18、20形成轴16的轴向止挡。换言之，第一轴承18和第二轴承20被构造成限制轴16的轴向运动。
第一和第二斜轴承18、20是主轴轴承类型。第一和第二斜轴承18、20各自包括外圈30、内圈32、多个滚珠34、和套圈36(尤其在图2中可见)。
内圈32固定在轴16上，并且外圈30固定在机壳10上，特别是在第一凸缘24上。滚珠34介于外圈30和内圈32之间。
外圈30限定表面S，该表面S沿轴线X-X'依次包括：第一部分S1、其后是第二部分S2、其后是第三部分S3。
第一部分S1是相对于轴线X-X'具有第一半径R1的圆柱表面。
第二部分S2是环面。第三部分S3是具有严格大于第一半径R1的第二半径R2的圆柱表面。第二部分S2设置在第一部分S1和第三部分S3之间。
如尤其在图2中可见的，第一部分S1限定了与包括轴线X-X'的径向平面I-I相交的直线S1'，并且第三部分S3限定了与包括轴线X-X'的径向平面I-I相交的直线S3'。相交的直线S1'位于相对于轴线X-X'等于第一半径R1的距离处，并且相交的直线S3'位于相对于轴线X-X'等于第二半径R2的距离处。
第二部分S2在径向平面I-I中形成曲线S2'。曲线S2'在第一端E1连接到相交的直线S1'，并且在第二端E2连接到相交的直线S3'。曲线S2'例如是圆的一部分。
内圈32限定了沿垂直于轴线X-X'的平面A-A对称的凹槽S4。凹槽S4沿着径向平面I-I形成曲线，如圆的一部分(尤其在图2中可见)。
每个滚珠34在外圈30上限定外接触路径C1，并且在内圈32上限定内接触路径C2。外接触路径C1相对于内路径C2轴向错位。
外接触路径C1对于每个滚珠34分别包括第一接触点P1。内接触路径C2对于每个滚珠34分别包括第二接触点P2。
特别地，第一接触点P1分别形成滚珠34之一与外圈30的接触，并且第二接触点P2分别形成滚珠34之一与内圈32的接触。
特别地，表面S的第二部分S2包括外接触路径C1，并且凹槽S4包括内接触路径C2。
换言之，每个滚珠34与外圈30和内圈32一起形成倾斜接触。术语“斜轴承(roulement oblique)”尤其理解为具有倾斜接触的轴承。如尤其在图2中可见的，第一和第二接触点P1、P2限定了直线DR，直线DR沿垂直于轴线X-X'的平面A-A形成角度α。角度α例如在10度至25度之间，并且优选地等于25度。
例如，每个滚珠34包括陶瓷材料。优选地，每个滚珠包括陶瓷材料，特别是至少50质量％。更优选地，每个滚珠由单一材料形成。例如，每个滚珠由陶瓷材料形成。
套圈36被构造成使滚珠34保持在相对于彼此的给定位置。
根据一个实施例，套圈36由黄铜制成，以至少50质量％，优选地至少80％，并且更优选地至少95％。特别地，套圈36由单一材料形成。例如，套圈36由黄铜形成。
根据另一实施例，套圈36由热稳定聚合物制成。例如，套圈36由聚醚醚酮(PEEK，PolyEtherEtherKetone的首字母缩合词)形成，以至少50质量％，优选地至少80％，并且更优选地至少95％。根据一个实施例，更优选地，套圈36由PEEK形成。
由PEEK形成的套圈36由于重量小而尤其使得能够增加每个斜轴承18、20的可能的圆周速度，同时提供足够的机械强度。
斜轴承18、20有利地以因数NxDm为特征，N是轴16的每分钟转数，x是乘法符号，并且Dm是相应的斜轴承18、20的以毫米为单位的平均直径。平均直径Dm定义如下(尤其在图2中可见)：
Dm＝(D+d)/2
其中：
D是第一轴承或者是第二轴承的外径，并且
d是第一轴承或者是第二轴承的内径。
第一轴承或者是第二轴承的因数NxDm在500000至850000之间。例如，轴承18或20的平均直径为102.5mm，并且最大速度为7500rpm，于是NxDm为768750。
特别地，因数NxDm与上面定义的圆周速度成比例。
圆柱轴承22形成滑动枢轴。换言之，圆柱轴承22被构造成仅负担施加到轴16的径向力。
圆柱轴承22包括圆柱滚轴40、外圈42和内圈44。圆柱轴承22还包括套圈46，其被构造成保持圆柱滚轴40相对于彼此的预定义的距离。
外圈42例如固定在第二凸缘26上，并且内圈44固定在轴16上。
圆柱滚轴40例如由陶瓷材料制成。
圆柱轴承22由小于斜轴承18、20的因数NxDm来表征。其大约为600000。
藉由上述特征，可以增加轴16的旋转速度，而不会增加维护频率或使发动机的可靠性降级。
根据本发明的发动机1具有许多优点。
设置两个斜轴承18、20的事实使得能够增加轴16的旋转速度，同时保持较低的维护频率。
斜轴承18、20使得能够最小化轴16相对于发动机1的固定结构(特别是第一和第二凸缘24和26、定子12和机壳10)的游隙，从而减小轴16在高速旋转期间的振动，这种振动有损于机器的可靠性。
此外，第一斜轴承18和第二斜轴承20在具有第一直径27A的第一段28处固定在轴16上、并且圆柱轴承22在具有第二直径27B的第二段29处设置在轴16上的事实使得能够获得这样的发动机1：其被构造成更快地旋转，而不会引起轴承18、20、22的高磨损。实际上，因为直径27B小于直径27A，因此圆柱轴承22的圆周速度小于斜轴承18、20的圆周速度。由于斜轴承18、20相对于圆柱轴承22的最佳几何构造，斜轴承18、20特别适于以比现有技术的解决方案更高的速度旋转。
特别地，斜轴承18、20使得能够实现轴16的至少10000rpm的旋转，其中包括例如在其中用润滑油润滑轴承的实施例中(并且更不必说在用油润滑轴承的情况下)。
特别地，根据本发明，对于给定直径的轴承，滚珠34的数量被优化以使得套圈36的加固能够与铁路环境的约束(如高旋转速度)兼容。
另外，藉由包括套圈36的斜轴承18、20(其使得能够实现更高的旋转速度)，根据本发明的发动机1特别紧凑。

Claims (9)

1.发动机和/或发电机(1)，用于铁路载具，其包括：机壳(10)；轴(16)，其自身绕着轴线(X-X')相对于机壳(10)旋转移动；以及连接轴(16)和机壳(10)的至少两个斜轴承(18、20)，
两个斜轴承(18、20)中的每一个均包括固定到机壳(10)的外圈(30)、固定到轴(16)的内圈(32)、和多个滚珠(34)，每个滚珠(34)在外圈(30)上限定外接触路径(C1)并且在内圈(32)上限定内接触路径(C2)，外接触路径(C1)相对于内接触路径(C2)轴向错位，其特征在于，所述发动机(1)还包括连接轴(16)和机壳(10)的至少一个圆柱轴承(22)，所述圆柱轴承(22)包括圆柱滚轴(40)，并且所述轴(16)在第一和第二斜轴承(18、20)处具有第一直径(27A)，所述轴(16)在圆柱轴承(22)处具有第二直径(27B)，所述第二直径(27B)严格小于所述第一直径(27A)，所述发动机(1)是大功率发动机，大于100kW。
2.根据权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，其中，外接触路径(C1)分别对于每个所述滚珠(34)包括第一接触点(P1)，内接触路径(C2)分别对于每个所述滚珠(34)包括第二接触点(P2)，第一接触点(P1)和第二接触点(P2)限定了直线(DR)，该直线(DR)与垂直于轴线(X-X')的平面(A-A)形成15度到25度之间的角度(α)。
3.根据前述权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，发动机(1)包括转子(14)，斜轴承(18、20)轴向地设置在转子(14)与轴(16)的适于将牵引扭矩传递到传动箱(6)的部分之间。
4.根据前述权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，其中，至少一个斜轴承(18、20)包括套圈(36)，其包括黄铜或热稳定聚合物。
5.根据前述权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，其中，内圈(32)限定了包括内接触路径(C2)的凹槽(S4)，该凹槽(S4)沿垂直于轴线(X-X')的平面(A-A)对称，并且外圈(30)限定表面(S)，该表面(S)沿轴线(X-X')依次包括：第一部分(S1)、其后是第二部分(S2)、其后是第三部分(S3)，第一部分(S1)是具有第一半径(R1)的圆柱表面，并且第三部分(S3)是具有严格大于第一半径(R1)的第二半径(R2)的圆柱表面，第二部分(S2)包括外接触路径(C1)。
6.根据前述权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，其中，外圈(30)限定了一个表面(S)，该表面沿轴线(X-X')依次包括：第一部分(S1)、其后是第二部分(S2)、其后是第三部分(S3)，第二部分(S2)是环面。
7.根据前述权利要求1所述的发动机和/或发电机(1)，其中，每个滚珠(34)包括陶瓷材料。
8.用于铁路载具的转向架，该转向架包括至少一个根据权利要求1至7中的任一项所述的发动机和/或发电机(1)。
9.铁路载具，其包括至少一个根据权利要求8所述的转向架。
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