牵引电动机的悬挂位置和悬挂方式是电传动机车转向架设计中的重要课题。从二十世纪五六十年代研究机车转向架电动机架悬技术开始， 出现了许多种型式的架悬结构， 有不少种结构经过实际使用的考验慢慢地被淘汰了，以德国DB120 系列电力机车为代表的空心轴六连杆架悬驱动装置被证明是一种具有潜在发展能力的优良结构[1-2]。空心轴六连杆架悬驱动装置既能无摩擦地弹性传递扭矩， 又可以补偿电机与轮对之间的动态位移， 电机驱动装置的重力和轮轨作用力都通过转向架一系轴箱弹簧和减振器相互传递， 大幅度降低了轮轨冲击力和电机的高频机械振动作用力，因此在140～200 km/h 等级机车上获得了广泛的应用，并得到了不断发展和创新[3]。从设计理论上对空心轴六连杆架悬驱动装置的结构进行分析追溯， 对于我们学习国外先进的设计理念，避免低水平模仿、提高引进吸收再创新水平具有重要意义。

1 公理设计理论

      产品设计主要分为功能设计、概念设计、详细设计三个阶段。人们通常习惯于在第三阶段进行思维（不论是做CAE 分析还是做物理模型试验）， 而产品的核心竞争力在于功能上的创意和质量上的保证。功能上的一、二阶段密切相关。功能是产品的核心和本质，而具体结构只是功能的不同实现形式而已， 人们可以使用不同的原理、结构、原料和外形来实现同一种功能，但是获得最优的功能和概念设计却不是件容易的事情[4-5]。Nam P.Suh 提出的公理设计理论为功能和概念设计提供了科学范式。该理论将设计过程分为四个域，即用户域、功能域、结构域和工艺域，如图1 所示。相邻的两个域中，左边的域是“要达到什么目标”，而右边的域是“选择什么方法来实现左边域的要求”。其中功能域是根据用户需求而确定的产品功能要求和约束； 结构域是为满足功能要求而决定的设计参数。设计过程就是这四个域间的逐层分解，往复映射的过程，也就是从高层的抽象概念到低层详细细节的分解与展开的过程。在分解和映射的过程中， 要做出正确的决策必须遵循两个基本公理：独立性公理和信息公理。独立性公理是指保持功能要求的独立性， 即在功能域中每一层分解得到的功能要求集{FRs}中的元素要相互独立；信息公理是指在满足独立性公理的条件下， 信息量最小的设计是最优设计。

2 基于独立公理的空心轴六连杆架悬驱动装置分析

      按照公理化设计原理，用户域中的需求{CAs}必须转化为功能要求{FRs}，然后分析功能要求，保证它们之间的独立性， 为满足此功能要求选择相应的结构设计参数{DPs}。电力机车架悬式驱动装置总的功能需求FR0为：驱动轮对；总的结构参数DP0为：架悬式轮对电机驱动装置； 设计约束为：C1—不增加轮对簧下重量，C2—不超出空间限界。以SS9 型机车空心轴六连杆架悬式驱动装置为例（如图2 所示）[9]，对功能需求FR0和结构设计参数DP0进行层次分解与映射。功能需求：FR1—输出满足机车牵引特性的转矩；FR2—转移驱动装置的重量至构架；FR3—补偿轮对相对于构架的动态位移；FR4—传递驱动扭矩至轮对。约束：C1—能够产生足够大的扭矩Mmax≈28.6 kN·m；C2—转速可在0 ～783 r/min 间调节；C3—不超出空间限界Φ1 010×1 330  C4—不超出重量限制。结构参数：DP1—电机齿轮箱驱动装置（为便于分析，假设牵引电机的功能包含主电路的功能）；DP2—驱动装置悬挂系统；DP3—弹性橡胶关节；DP4—空心轴六连杆机构。通过分析功能要求与结构参数的关系可得第一级设计方程：

    式中：Aij（i，j∈N）表示功能域中功能要求{FRs}和物理域中设计参数{DPs}的映射关系；Aij=0 表示对应的设计参数对功能要求仅存在弱影响， 否则为强影响（以下同）。由式（1）可知，该设计是一个弱耦合设计，满足独立公理。由式（1）还可知，依次进行电机齿轮箱驱动装置、驱动装置悬挂系统、弹性橡胶关节、空心轴六连杆机构的设计可以有效减少设计参数的反复迭代更改。第一层次的4 个功能模块中，FR1可分解为：FR11—将电能转化为旋转机械能，FR12—在电机轴和空心轴之间传动（传递并变换转矩/转速），FR13—支撑引导从动齿轮的回转运动，FR14—连接固定主从动齿轮旋转轴的相对位置；DP1可分解为：DP11—牵引电机，DP12—渐开线圆柱齿轮传动装置，DP13—空心轴套外圆面和滚动轴承等，DP14—空心轴套电机结合面和连接螺栓。FR1与DP1之间的第二级设计方程为：
 
   

    FR2可分解为：FR21—减振，FR22—固定驱动装置于转向架构架上；DP2可分解为：DP21—弹性橡胶关节，DP22—驱动装置悬挂臂。FR2与DP2之间的第二级设计方程为：

    功能要求和设计参数分解到此，SS9 型机车轮对驱动装置主要的功能和概念设计已经完成，由式（1）～（3）可知空心轴—六连杆架悬式驱动装置结构是一个弱耦合设计，满足公理设计理论的独立公理。SS8、SS9 型机车的基础制动仍然采用传统的踏面制动方式，执行驱动、制动功能的机构相互独立。无论从制动功率还是对车轮踏面磨损的角度考虑， 传统的踏面制动方式都不能适应高速机车的要求。从国内外已有的设计和经验看， 把制动与驱动装置作为一个系统进行考虑是解决这一问题的主要途径。具体地说，即并不一定将制动力直接作用在车轮上， 而可以作用在驱动系统的各中间环节，如空心轴、驱动齿轮甚至电机轴上。当将驱动与制动作为一个系统考虑时，电力机车架悬式驱动制动装置总的功能需求FR0为驱动或制动轮对。若仍采用空心轴六连杆机构，则DP0为空心轴六连杆架悬式轮对驱动制动装置。设计约束：C1—不增加轮对簧下重量，C2—不超出空间限界。德国Kraus-Maffei 交通技术公司与西门子SGP 和SAB WABCO（Bsi）合作开发研制的制动轴盘形制动（空心轴六连杆架悬驱动制动装置） 就是将制动与驱动装置作为整体考虑进行设计的一个典型例子[10-11]，这种驱动装置是在原六连杆机构不作大改动的情况下， 通过在电动机轴中心线对称的另一侧设置一根平行于轮对轴中心线并装有制动盘的制动轴来实现盘形制动（见图3）。对该型驱动制动装置的功能FR0和结构DP0进行层次分解与映射， 可得功能需求：FR1—输出满足机车牵引特性的转矩，FR2—在电机轴和空心轴之间传动（传递并变换转矩/转速），FR3—输出制动转矩，FR4—在制动轴和空心轴之间传动（传递并变换转矩/转速），FR5—支撑引导从动齿轮的回转运动，FR6—连接固定主从动齿轮旋转轴的相对位置，FR7—转移驱动制动装置的重量至构架，FR8—补偿轮对相对于构架的动态位移，FR9—传递驱动转矩或制动转矩至轮对；结构参数：DP1—牵引电机，DP2—主动齿轮与从动齿轮传动链，DP3—轴盘制动装置，DP4—制动齿轮与从动齿轮传动链，DP5—齿轮箱轴承座孔和滚动轴承，DP6—齿轮箱和制动横梁等，DP7—驱动制动装置悬挂系统，DP8—橡胶关节，DP9—空心轴六连杆机构。通过分析功能要求与结构参数的关系，可得第一级设计方程：

    驱动制动装置）是一个弱耦合设计，满足公理设计理论的独立公理。空心轴六连杆驱动装置功能和概念设计分析是进一步的结构设计或详细设计的重要基础， 满足独立公理的功能和概念设计， 消除了各设计参数间的严重耦合， 有效减少了结构优化时各设计目标之间的反复迭代、权衡，保证了设计的稳健性。此外，以功能和概念设计为基础进行设计分工，有助于各设计团队间的协调，实现并行设计，加快设计进程。

3 结论与展望

    轮对空心轴六连杆架悬驱动装置被实践证明是一种具有潜在发展能力的优良结构， 基于公理设计理论的SS9 型机车空心轴六连杆架悬式驱动装置和“Taurus” class 高速电力机车轮对驱动装置分析表明两者的设计均满足独立公理，是两个较理想的设计。公理设计理论对电力机车驱动装置乃至整个电力机车的改进与创新设计能够提供设计方法学上的指导。随着科技的发展， 满足功能要求的新型结构不断出现，原有的结构性能不断提高，设计中的约束条件更易于满足，设计自由度更大，可能带来结构设计上的革命性进步。从电力机车架悬驱动装置来看，在满足原有空间、重量约束的条件下，当牵引电机的输出转矩和转速能够满足机车牵引特性而直接驱动机车轮对时[12]，满足“驱动轮对”这一能要求的结构设计将有更多的选择，其中之一就是将不再需要“在电机轴和空心轴之间传动”这一子功能，自然，满足这一子功能的传动齿轮箱也可以相应取消了。东日本旅客铁路公司开发的AC Train（advanced commuter train）即采用永磁同步电机来直接驱动轮对[13-14]，西门子公司的Syntegra 转向架也采用永磁激励同步电动机直接同心安装在车轴上，无需齿轮传动装置[15]。直接传动式机车驱动装置成为未来的发展趋势， 我们有必要将公理设计等一些先进的研究开发， 才能有效提高我国在这一领域的自主创新水平，设计出结构性能更加优良的电力机车。