DE69220125T2

DE69220125T2 - Zahnradantrieb für Schienentriebfahrzeuge

Info

Publication number: DE69220125T2
Application number: DE69220125T
Authority: DE
Inventors: Junichi Shigeura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-03-29
Filing date: 1992-03-27
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2012-03-28
Also published as: JP2736291B2; JPH04302752A; EP0506096A1; DE69220125T3; DE69220125D1; US5222406A; EP0506096B1; CN1065429A; EP0506096B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung einer Zahnradantriebsvorrichtung zum Übertragen einer Antriebskraft eines Fahrmotors auf eine Radsatzachse auf einem Gleis eines Eisenbahntriebwagens, wobei die Vorrichtung aus einem auf der Radsatzachse befestigten größeren Zahnrad und einem an dem Fahrmotor befestigten kleineren Zahnrad besteht.
Der Artikel in ASEA Journal, Vol 60, Nr. 3-4, 1987 Örebro, Schweden, S. 22-25, von I. Johansson und H. Tengstrand, "Development of Gears for Narrow-Gauge Railway Vehicles" erörtert Modifikationen eines Zahnradantriebssystems für einen Eisenbahntriebwagen. Ein kleineres Zahnrad ist auf der Drehwelle eines Fahrmotors befestigt und mit einem größeren Zahnrad in Eingriff, das auf der Radsatzachse befestigt ist. Um Auslenkungen der Fahrmotorwelle auszugleichen, die von der Motorlast sowie von Auslenkungen infolge der Belastung der Radsatzachse abhängig sind, sind Korrekturen für die Zahnform der jeweiligen Zahnräder angegeben. Insbesondere weisen die Zahnkorrekturen eine Balligkeit und eine Winkelkorrektur der Zahnräder auf. Der Artikel sagt nichts über ein Verdrehen der Orientierung der Verzahnung des großen oder des kleinen Zahnrads.
Das veröffentlichte DE-Patent DE-B-566 042 zeigt ein Zahnradantriebssystem für einen Eisenbahntriebwagen mit einem elektrischen Fahrmotor. Im unbelasteten Zustand ist das kleinere Zahnrad des Fahrmotors so angeordnet, daß seine Verzahnung im lastfreien Zustand unter einem Winkel in bezug auf die Verzahnung des größeren Zahnrads, das die Radsatzachse des Eisenbahntriebwagens antreibt, angeordnet ist. Nur im belasteten Zustand gelangen die Oberflächen der jeweiligen Zähne tatsächlich vollständig miteinander in Kontakt. Die Druckschrift zeigt keine Balligkeit oder andere Arten von Korrekturen an den jeweiligen Verzahnungen der Zahnräder selbst.
Als Eisenbahntriebwagen mit einer Triebkraft gibt es eine Elektrolokomotive, einen elektrischen Triebwagen, eine dieselelektrische Lokomotive, die einen von einem Dieselmotor getriebenen Generator und elektrische Fahrmotoren hat, die von der vom Generator erzeugten elektrischen Energie angetrieben werden, usw. Eine andere herkömmliche Zahnradantriebsvorrichtung, die bei einer Elektrolokomotive angewandt wird, wird nachstehend beschrieben. Fig. 6 ist eine Seitenansicht, die den Aufbau einer Elektrolokomotive schematisch zeigt. In Fig. 6 umfaßt die Elektrolokomotive 10 einen Lokomotivkasten 11, Drehgestelle 12, einen Stromabnehmer 15 zur Abnahme von elektrischem Strom von einer Oberleitung 17. Das Drehgestell 12 hat eine Vielzahl Räder 13, die auf einem Gleis 16 laufen. Der Kasten 11 ist auf den Drehgestellen 12 angebracht.
Fig. 7 ist eine Draufsicht, die den Aufbau eines Drehgestells 12 zeigt. In Fig. 7 ist ein Paar von Rädern 13 auf einer Radsatzachse 19 befestigt. Die Radsatzachse 19 ist in einem Paar von Lagern 20 an ihren beiden Enden abgestützt Die Lager 20 sind über Federn (nicht gezeigt) an einem Rahmen 18 bewegbar gehalten. Dadurch ist der Rahmen 18 auf den Rädern 13 abgestützt. Ein kleineres Zahnrad 23 ist auf einem Ende einer Drehwelle 22 eines Fahrmotors 21 befestigt. Ein größeres Zahnrad 24 ist auf der Radsatzachse 19 befestigt und mit dem kleineren Zahnrad 23 in Eingriff. Der Fahrmotor 21 ist an der Radsatzachse 19 über ein Paar von Lagern 25 aufgehängt, und eine Nase 26 des Fahrmotors 21 ist an dem Rahmen 18 elastisch aufgehängt.
Bei der Elektrolokomotive 10 ist der Fahrmotor 21 ein Hochleistungsmotor und relativ groß. Wie Fig. 7 zeigt, muß der Hochleistungs-Fahrmotor 21 in einem kleinem Raum zwischen dem Paar von Rädern 13 untergebracht sein. Es ist somit notwendig, den Aufbau einer Zahnradantriebsvorrichtung einfach zu machen und den von der Zahnradantriebsvorrichtung eingenommenen Raum klein zu machen. Daher wird der oben erwähnte Aufbau, bei dem der Fahrmotor 21 direkt an der Radsatzachse 19 aufgehängt ist und eine Antriebskraft des Fahrmotors 21 über einen Getriebezug aus dem kleineren Zahnrad 23 und dem größeren Zahnrad 24 auf die Radsatzachse 19 übertragen wird, sodaß relativ wenig Raum eingenommen wird, als eine Antriebsvorrichtung der Elektrolokomotive 10 verwendet. Eine solche Antriebsvorrichtung wird als "Tatzlager/Achsaufhängung-Antriebsvorrichtung" bezeichnet.
Das Gewicht der Lokomotive 10, das im wesentlichen die Summe der Gewichte des Wagenkastens 11 und des Rahmens 18 des Drehgestells 12 ist, wirkt verteilt auf die Lager 20. Gegenkräfte wirken auf Teile der Radsatzachse 19 dort, wo die Räder 13 befestigt sind. Die Radsatzachse 19 wird daher ausgelenkt. Die Auslenkung der Radsatzachse durch das Gewicht der Lokomotive 10 ist in Fig. 8 gezeigt. Wie Fig. 8 zeigt, wirken Belastungen "W" infolge des Gewichts des Wagenkastens 11 und des Rahmens 18 auf Punkte 20a, die Druckkegel-Scheitelpunkte der Lager 20 an dem Rahmen 18 sind. Und die Gegen kräfte wirken auf Punkte 13a, die der Befestigungspunkt der Räder 13 auf der Radsatzachse 19 sind. Infolgedessen wird die Radsatzachse 19 ausgehend von einer virtuellen Linie 19a so ausgelenkt, wie das durch die Auslenkungskurve 19b gezeigt ist. Die virtuelle Linie 19a ist eine Mittelachse der Radsatzachse 19, wenn darauf keine Last aufgebracht wird. Das größere Zahnrad 24, das auf der Radsatzachse 19 befestigt ist, neigt sich vertikal zu der Auslenkkurve 19b, die durch die Auslenkung der Radsatzachse 19 verursacht ist, und der Auslenkungswinkel des größeren Zahnrads 24 zwischen der Mittelachse 24a des größeren Zahnrads 24 und der virtuellen Linie 19a ist mit "α" bezeichnet.
Als nächstes wird das kleinere Zahnrad 23 betrachtet, das auf der Drehwelle 22 des Fahrmotors 21 befestigt ist. Fig. 9(A) ist eine seitliche Querschnittsansicht, die einen Aufbau des Fahrmotors 21 zeigt. In Fig. 9(A) umfaßt der Fahrmotor 21 einen Ständer 27, einen Läufer 28, der auf der Drehwelle 22 befestigt ist, und Lager 29, die die Drehwelle 22 an einem Gehäuse 30 drehbar abstützen. Wie Fig. 7 zeigt, wird eine Antriebskraft des Fahrmotors 21 von dem kleineren Zahnrad 23 auf das größere Zahnrad 24 übertragen. Dabei ändert sich die Richtung einer Gegenkraft von dem größeren Zahnrad 24 auf das kleinere Zahnrad 23 in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Fahrmotors 21.
Wenn der Motor in einer Richtung entsprechend dem Pfeil X in Fig. 9(A) gesehen und die Drehwelle 22 des Fahrmotors 21 im Uhrzeigersinn gedreht wird, erhält das kleinere Zahnrad 23 eine Gegenkraft in einer Richtung entsprechend einem Pfeil P&sub1; in Fig. 9(B) von dem größeren Zahnrad 24. Dadurch erfolgt ein Auslenken der Drehwelle 22 des Fahrmotors 21, wie die Auslenkungskurve 22b in Fig. 9(B) zeigt. Die Mittelachse 23a des kleineren Zahnrads 23 ist gegenüber einer virtuellen Linie 22a geneigt, und der Auslenkungswinkel der Welle ist mit "β&sub1;" bezeichnet ist.
Wenn dagegen die Drehwelle 22 des Fahrmotors 22 im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, erhält das kleinere Zahnrad 23 die Gegenkraft in der entgegengesetzten Richtung entsprechend einem Pfeil P&sub2; in Fig. 9(C) von dem größeren Zahnrad 24. Dadurch erfolgt ein Auslenken der Drehwelle 22 des Fahrmotors 21, wie die Auslenkungskurve 22b in Fig. 9(C) zeigt, wobei der Auslenkungswinkel der Welle 22 mit "β&sub2;" bezeichnet ist.
Fig. 10(A) ist ein Querschnitt, der eine relative Neigung zwischen den Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23, das in Fig. 9(B) zu sehen ist, und des größeren Zahnrads 24, das in Fig. 8 zu sehen ist, für den Fall zeigt, daß der Fahrmotor 21, gesehen aus der Richtung eines Pfeils X in Fig. 9(A), im Uhrzeigersinn dreht. In Fig. 10(A) bezeichnet 23b einen Querschnitt eines Zahns des kleineren Zahnrads 23, das mit dem größeren Zahnrad 24 in Eingriff ist, auf einem Wälzkreis. 24b ist ein Querschnitt eines Zahns des größeren Zahnrads 24, das mit dem kleineren Zahnrad 23 in Eingriff ist, auf einem Wälzkreis. In Fig. 10(A) ist ein mit α bezeichneter Winkel derselbe wie der in Fig. 8 gezeigte Auslenkungswinkel des größeren Zahnrads 24, ein mit β&sub1; bezeichneter Winkel ist derselbe wie der in Fig. 9(B) gezeigte Auslenkungswinkel des kleineren Zahnrads 23, und ein mit Θ&sub1; bezeichneter Winkel ist ein Winkel der relativen Neigung zwischen der Zahnflanke des Zahns 23b des kleineren Zahnrads 23 und der Zahnflanke des Zahns 24b des größeren Zahnrads 24, die miteinander in Eingriff sind.
Fig. 10(B) ist ein Querschnitt, der eine relative Neigung zwischen der Zahnflanke des in Fig. 9(C) gezeigten kleineren Zahnrads 23 und der des größeren Zahnrads 24 von Fig. 8 in einem Fall zeigt, daß der Fahrmotor 21 im Gegenuhrzeigersinn dreht, gesehen aus der Richtung eines Pfeils X in Fig. 9(A). In Fig. 10(B) sind die Verzahnungen 23b und 24b und ein mit α bezeichneter Winkel entsprechend denen von Fig. 10(A). Ein mit β&sub2; bezeichneter Winkel entspricht dem Auslenkungswinkel des kleineren Zahnrads 23 in Fig. 9(C), und ein mit Θ&sub2; bezeichneter Winkel ist ein Winkel der relativen Neigung zwischen der Zahnflanke des Zahns 23b des kleineren Zahnrads 23 und der Zahnflanke des Zahns 24b des größeren Zahnrads 24, die in Eingriff miteinander sind.
Wie die Fig. 10(A) und 10(B) zeigen, treten unterschiedliche Auslenkungswinkel in dem kleineren Zahnrad 23 und dem größeren Zahnrad 24 auf, die in Eingriff miteinander sind, um eine Drehkraft des Fahrmotors 21 zu übertragen, und zwar entsprechend der Steifigkeit der Drehwelle 22 bzw. der Radsatzachse 19, auf der die Zahnräder 23 und 24 befestigt sind. Wenn also das kleinere und das größere Zahnrad 23 und 24 allgemeine Geradstirnräder sind, berühren die Zähne 23b und 24b einander an einem Endpunkt, der mit A in Fig. 10(A) und mit B in Fig. 10(B) bezeichnet ist. Eine solche Erscheinung ist im Hinblick auf die Lebensdauer der Verzahnung der Zahnräder 23 und 24 sehr nachteilig.
Wie Fig. 11 zeigt, die ein Querschnitt von anderen herkömmlichen Zahnflanken ist, haben andererseits Zähne von einem von dem kleineren Zahnrad 23 und dem größeren Zahnrad 24 (allgemein dem kleineren Zahnrad 23) einen gerundeten Querschnitt Rc11 auf dem Wälzkreis, um den vorgenannten Nachteil auszuschalten. Diese Rundung des Querschnitts wird als "Balligkeit" bezeichnet, wobei der Berührungspunkt der Zähne 23c und 24b zu einem mit C bezeichneten Punkt verlagert ist, der im Vergleich mit dem durch A in Fig. 10(A) oder B in Fig. 10(B) bezeichneten Punkt innenseitig ist.
Bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung wird davon ausgegangen, daß die Achsen der Zahnräder, die miteinander in Eingriff sind, unter der Bedingung, daß keine Last auf sie aufgebracht wird, parallel sind. Wie Fig. 12 zeigt, die ein Querschnitt ist, der die Gestalt des Zahns 23c des kleineren Zahnrads 23 zeigt, ist die Balligkeit an beiden Oberflächen des Zahns 23c des kleineren Zahnrads 23 ausgebildet. Der Zahn 23c, an dem die Balligkeit vorgesehen ist, muß den härtesten Bedingungen genügen, die beispielsweise in Fig. 10(B) gezeigt sind. Unter den härtesten Bedingungen gemäß Fig. 10(B) ist der relative Neigungswinkel Θ&sub2; der Zahnräder 23 und 24 größer als Θ&sub1; gemäß Fig. 10(A). Um ferner das kleinere Zahnrad 23 einfach auszubilden, ist die Verzahnung des kleineren Zahnrads 23 allgemein symmetrisch in bezug auf Radien auf einer zu der Drehachse vertikalen Schnittebene ausgebildet. Daher ist der Krümmungsradius Rc11 der Balligkeit auf das kleinere Zahnrad vereinheitlicht.
Allgemein wird eine Gegenkraft an einem Berührungspunkt, an dem tonnenförmige Körper einander wie in Fig. 13 gezeigt berühren, durch die nachstehende Gleichung (1) angenähert:
Dabei sind
: tangentiale Pressung an einem Punkt C in Fig. 13,
P : Pressungskraft, die zwischen den tonnenförmigen Körpern 23d und 24d in Fig. 13 wirksam ist,
K : eine Konstante, die Elastizitätsmodule und Poissonsche Beiwerte von Materialien der tonnenförmigen Körper 23d und 24d in Fig. 13 enthält,
R&sub1; : ein Radius des tonnenförmigen Körpers 23d in einem Abschnitt, der den Punkt C einschließt, und vertikal zu dessen Achse in Fig. 13,
R&sub2; : ein Radius des tonnenförmigen Körpers 24d in einem den Punkt C einschließenden Abschnitt und vertikal zu dessen Achse in Fig. 13,
Rc1 : ein Radius des tonnenförmigen Körpers 23d in einem den Punkt C einschließenden Abschnitt und parallel zu dessen Achse in Fig. 13,
Rc2 : ein Radius des tonnenförmigen Körpers 24d in einem den Punkt C einschließenden Abschnitt und parallel zu dessen Achse in Fig. 13.
In Fig. 13 und der obigen Gleichung (1) entspricht R&sub1; einem Radius eines Evolventenzahns des kleineren Zahnrads 23; R&sub2; entspricht einem Radius eines Evolventenzahns des größeren Zahnrads 24; Rc1 entspricht dem Radius der Balligkeit Rc11 einer Zahnoberfläche des kleineren Zahnrads 23; Rc2 entspricht einem Radius des Balligkeitsradius einer Zahnoberfläche des größeren Zahnrads 24 (der tatsächlich unendlich ist, da die Balligkeit nicht praktisch umgesetzt wird); Der Druck P entspricht einer Arbeitskraft der Zahnräder 23 und 24, und daher entspricht die Pressung einer Pressung auf Zahnoberflächen der Zahnräder 23 und 24. Aus der Gleichung (1) ist es bekannt, daß die Kontaktpressung umso kleiner gemacht werden kann, je größer die Radien R&sub1;, R&sub2;, Rc1, Rc2 gemacht werden.
Wie in den Fig. 11 und 12 zu sehen ist, muß bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung der Radius Rc11 der Balligkeit so bestimmt sein, daß er dem größeren relativen Neigungswinkel Θ&sub2; entspricht. Daher wird der Radius Rc11 der Balligkeit kleiner. Infolgedessen wird die Kontaktpressung der Verzahnung der Zahnräder größer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Lösung des oben erläuterten Problems der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung und die Bereitstellung einer verbesserten Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen, wobei die an einer Berührungsfläche des in Eingriff befindlichen Zahns des Zahnrads auftretende Kontaktpressung verringert und die Übertragungsfähigkeit der Drehkraft auf den Motor erhöht wird.
Eine Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen wird gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend der Definition in Anspruch 1 bereitgestellt.
Bei der Erfindung ist die Zahnflankenlinie des kleineren Zahnrads in bezug auf diejenige des größeren Zahnrads entsprechend der Zahnflankenlinie des größeren Zahnrads verdreht oder umgekehrt. Dadurch wird ein Radius der Balligkeit, die an der Zahnflankenlinie von einem von dem kleineren oder dem größeren Zahnrad vorgesehen ist, groß gemacht, und eine Berührungsfläche der Arbeitsflächen des kleineren Zahnrads und des größeren Zahnrads wird ebenfalls groß gemacht. Infolgedessen wird die Kontaktpressung, die an den Zähnen des kleineren Zahnrads und des größeren Zahnrads auftritt, verringert.
Das Verständnis sowohl des Aufbaus als auch des Inhalts der Erfindung ergeben sich zusammen mit weiteren Zielen aus der nachstehenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform des Eingriffs zwischen einem kleineren und einem größeren Zahnrad einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen zeigt;
Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht der Verzahnung auf einem Evolventenkreis zur Verdeutlichung der Balligkeit, die an einem Zahn 23e eines kleineren Zahnrads 23 vorgesehen ist, der mit einem Zahn 24b eines größeren Zahnrads 24 in Eingriff ist;
Fig. 3 ist eine Zeichnung, die eine Balligkeitskurve zeigt, die an dem in Fig. 2 gezeigten Zahn 23e des kleineren Zahnrads 23 vorgesehen ist;
Fig. 4 ist eine Zeichnung, die vergleichsweise simulierte Charakteristiken von Kontaktpressung an Berührungsflächen der Zahnräder der vorliegenden Ausführungsform und solchen der herkömmlichen Beispiele zeigt;
Fig. 5 ist eine Zeichnung, die vergleichsweise Charakteristiken der Reibungswärmetemperaturen an Zahnflächen der Zahnräder der vorliegenden Ausführungsform und denjenigen der herkömmlichen Beispiele zeigt;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht, die schematisch den Aufbau einer typischen und allgemeinen Elektrolokomotive zeigt;
Fig. 7 ist eine Draufsicht, die den Aufbau des Drehgestells der in Fig. 6 gezeigten Elektrolokomotive zeigt;
Fig. 8 ist eine Zeichnung, die die Auslenkung der Radsatzachse infolge der Belastungen durch den Wagenkasten und den Rahmen des Drehgestells zeigt;
Fig. 9(A) ist eine seitliche Querschnittsansicht, die den Aufbau des Fahrmotors zeigt;
Fig. 9(B) zeigt die Auslenkung der Drehwelle 22 des Fahrmotors, wenn der Läufer 28 des Motors in Fig. 9(A) im Uhrzeigersinn, gesehen in Richtung des Pfeils X, gedreht wird;
Fig. 9(C) zeig die Auslenkung der Drehwelle 22 des Fahrmotors, wenn der Läufer 28 des Motors in Fig. 9(A) im Gegenuhrzeigersinn, gesehen in Richtung des Pfeils X, gedreht wird;
Fig. 10(A) ist eine Querschnittsansicht, die die relative Neigung zwischen der Zahnflankenlinie 23b des kleineren Zahnrads 23 und der Zahnflankenlinie 24b des größeren Zahnrads 24 zeigt, wenn der Fahrmotor 21, gesehen aus der Richtung des Pfeils A in Fig. 9(A), im Uhrzeigersinn gedreht wird;
Fig. 10(B) ist eine Querschnittsansicht, die die relative Neigung zwischen der Zahnflankenlinie 23b des kleineren Zahnrads 23 und der Zahnflankenlinie 24b des größeren Zahnrads zeigt, wenn der Fahrmotor 21, gesehen aus der Richtung des Pfeils A in Fig. 9(A), im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird;
Fig. 11 ist ein Querschnitt, der die Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23 bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung zeigt, wobei die Balligkeit an der Zahnflankenlinie vorgesehen ist, um den Nachteil eines Punktkontakts zwischen dem kleineren und dem größeren Zahnrad zu verhindern;
Fig. 12 ist ein Querschnitt, der die Einzelheiten der herkömmlichen balligen Zahnflankenlinie des kleineren Zahnrads zeigt;
Fig. 13 ist eine Perspektivansicht, die die Berührung zwischen dem großen und dem kleinen tonnenförmigen Körper zeigt;
Fig. 14 ist eine Vorderansicht, die eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Eingriffs zwischen einem kleineren und einem größeren Zahnrad einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen zeigt;
Fig. 15 ist eine Vorderansicht, die eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Aufhängung eines Fahrmotors mit einem kleineren Zahnrad einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen zeigt;
Fig. 16 ist eine Vorderansicht, die eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines Eingriffs eines kleineren Schrägzahnrads mit einem größeren Schrägzahnrad einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen zeigt.
Es ist ersichtlich, daß einige oder sämtliche Figuren schematische Darstellungen zum Zweck der Veranschaulichung sind und nicht unbedingt die echten relativen Größen oder Positionen der gezeigten Elemente wiedergeben.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen beschrieben. Fig. 1 ist dabei eine Vorderansicht, die einen Eingriff zwischen einem kleineren und einem größeren Zahnrad einer Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen bei einer ersten Ausführungsform zeigt, wobei die Zähne des größeren Zahnrads 24, die dem kleineren Zahnrad 23 zugewandt sind, durch virtuelle Linien (Zweipunkt-Strich-Linien) angedeutet sind. In Fig. 1 sind Zahnflankenlinien der Zähne 24b des größeren Zahnrads 24, die als Zweipunkt-Strich-Linien gezeigt sind, parallel zu der Achse der Radsatzachse 19 geschliffen, die ebenso wie im herkömmlichen Fall überhaupt nicht ausgelenkt wird. Fig. 1 zeigt den Fall, daß die Radsatzachse 19 mit dem größeren Zahnrad 24 in dem Rahmen 18 des Drehgestells 12, das in Fig. 7 gezeigt ist, montiert ist. Die Mittelachse 24a des größeren Zahnrads 24 ist unter einem mit α bezeichneten Winkel geneigt, der gleich α in Fig. 8 ist, der der Auslenkung der Radsatzachse 19 aufgrund der auf die Radsatzachse 19 aufgebrachten Last entspricht. Zahnflankenlinien der Zähne 23e des kleineren Zahnrads 23 sind entsprechend dem Neigungswinkel α verdreht, so daß sie zu den Zahnflankenlinien der Zähne 24b des größeren Zahnrads 24 parallel sind. Infolgedessen kann ein Radius Rc12 der Balligkeit gemäß Fig. 2 größer als der Radius R&sub1;&sub1; der in Fig. 12 gezeigten herkömmlichen Balligkeit gemacht werden. In Fig. 2 bezeichnet D einen Berührungspunkt der Zähne 23e und 24b.
Der Grund, weshalb der Radius R&sub1;&sub2; der Balligkeit des Zahnrads 23 größer als derjenige der herkömmlichen gemacht werden kann, wird nachstehend beschrieben. Fig. 3 zeigt die Balligkeitskurve auf der rechtwinkligen Koordinate. Wenn dabei die Ordinate mit y und die Abszisse mit x bezeichnet wird, dann wird die Balligkeitskurve mit V, der Krümmungsradius der Balligkeit mit Rc, ein beliebiger Punkt auf der Kurve V mit Q(x&sub1;, y&sub1;) und der Schnittpunkt der Ordinate y mit der Abszisse x mit 0 bezeichnet, und eine Gleichung der Kurve V erhält man aus der nachstehenden Gleichung (2) und ihrer Differentialgleichung, die durch die Gleichung (3) wiedergegeben ist:
y = x²/²(Rc).....(2)
unter der Begingung, daß dy/dy < 1,
dy/dx = x/Rc.....(3).
An dem beliebigen Punkt Q(x&sub1;, y&sub1;) ist eine Neigung i einer Tangentiallinie M der Kurve V gegen die Abszisse x durch die nachstehende Gleichung (4.1) dargestellt:
i = d(y&sub1;)/dx = x&sub1;/Rc.....(4.1).
Die Gleichung (4.1) wird zu der folgenden Gleichung (4.2) umgeschrieben:
Rc = x&sub1;/i.....(4.2).
Um die obigen Beziehungen auf die herkömmliche Balligkeitskurve des kleineren Zahnrads 23 gemäß den Fig. 11 und 12 anzuwenden, kann der Radius Rc zu Rc11 ersetzt werden, und x&sub1; kann durch eine Distanz L zwischen dem Zentrum des Radius Rc11 und dem Berührungspunkt C ersetzt werden. Die obige Gleichung (4.2) ergibt sich nach Umschreiben unter Ersetzen dieser Symbole als die nachstehende Gleichung (4.3):
Rc11 = L/Θ&sub2;.....(4.3).
Wenn L konstantgehalten wird, wird der Radius Rc11 umso größer, je kleiner der Winkel Θ&sub2; gemacht wird. Um den Winkel Θ&sub2; kleiner zu machen, muß die Zahnflankenlinie des kleineren Zahnrads 23 so geschliffen sein, daß sie eine Neigung α gegen die Zahnflankenlinie des größeren Zahnrads 24 entsprechend den Fig. 1, 8, 10(A) und 10(B) hat.
Wenn also der Winkel als der Mittelwert der Winkel Θ&sub1; in Fig. 10(A) und Θ&sub2; in Fig. 10(B) gewählt wird, können auch dann, wenn der Fahrmotor 21 entweder im Uhrzeiger- oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, die relativen Neigungswinkel zwischen den Arbeitsflächen des kleineren Zahnrads 23 und des größeren Zahnrads 24 im wesentlichen gleich gemacht werden.
Allgemein liefert der Fahrmotor 21 bei Rotation im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn im wesentlichen dieselbe Leistung. Daher sind die Absolutwerte der Winkel β&sub1; in Fig. 10(A) und β&sub2; in Fig. 10(B) im wesentlichen dieselben. Wenn diese Winkel durch β repräsentiert sind, ist der maximale Neigungswinkel Θ zwischen den Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23 und des größeren Zahnrads 24 gleich dem Winkel β.
Bei dieser Ausführungsform sind die Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23 und des größeren Zahnrads 24, deren Zähne auf unterschiedliche Weise geschliffent sind, in Fig. 1 gezeigt.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, die Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23 und des größerne Zahnrads 24 zueinander parallel zu machen, wenn das kleinere Zahnrad 23 mit dem größerne Zahnrad 24 in Eingriff ist, um nicht dem Neigungswinkel der Zahnflankenlinie des größeren Zahnrads 24 zu entsprechen, der aufgrund der Auslenkung der Radsatzachse 19 durch die Last von Wagenkasten 11 und Rahmen 18 des Drehgestells 12 geneigt ist, und zwar unter der Bedingung, daß die Zahnradantriebsvorrichtung lastfrei ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, werden weitere Ausführungsformen vorgeschlagen.
In Fig. 14, die eine zweite Ausführungsform der Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, werden zum Ausgleich des Neigungswinkels α der Zahnflankenlinie des größeren Zahnrads 24 infolge der Auslenkung der Radsatzachse 19 die Zahnflankenlinien des größeren Zahnrads 24 vorher um α verdreht. Dadurch gelangen die Zahnflankenlinien des größeren Zahnrads 24 und des kleineren Zahnrads 23 parallel miteinander in Eingriff. Die Balligkeit ist an der Verzahnung des kleineren Zahnrads 23 erzwungen.
Wie Fig. 15 zeigt, die eine dritte Ausführungsform der Zahnantriebsvorrichtung der Erfindung für einen Eisenbahntriebwagen darstellt, ist der Fahrmotor 21 an der Radsatzachse 19 und dem Rahmen 18 auf solche Weise aufgehängt, daß die Zahnflankenlinien des kleineren Zahnrads 23, das auf der Drehachse 22 des Fahrmotors 21 befestigt ist, mit denen des größeren Zahnrads, das den Neigungswinkel α infolge der Auslenkung der Radsatzachse 19 hat, parallel sind. Die Balligkeit ist ebenfalls an der Verzahnung des kleineren Zahnrads 23 erzwungen.
Bei den obigen Ausführungsformen werden als das kleinere Zahnrad 23 und das größere Zahnrad 24 Geradstirnräder verwendet. Schrägzahnräder können jedoch als das kleinere Zahnrad 23 und das größere Zahnrad 24 verwendet werden. Wie Fig. 16 zeigt, die eine bevorzugte vierte Ausführungsform der Zahnradantriebsvorrichtung der Erfindung für einen Eisenbahntriebwagen darstellt, sind die Zahnflankenlinien 24b des größeren Zahnrads 24 so verdreht, daß sie schräg verlaufen. Wenn der Schrägungswinkel des größeren Zahnrads 24 mit Θ bezeichnet wird, sollte der Schrägungswinkel des kleineren Zahnrads 23, das mit dem größeren Zahnrad 24 in Eingriff ist, Θ + α sein. Dadurch werden die Zahnflankenlinien 23e des kleineren Zahnrads 23 und die Zahnflankenlinien 24b des größeren Zahnrads 24 zueinander parallel, wenn die Radsatzachse 19 durch die Last des Wagenkastens 11 usw. ausgelenkt wird.
Simulationen der Kontaktpressung und der Reibungswärmetemperatur an der Arbeitsfläche der Zahnräder der ersten Ausführungsform der Zahnradantriebsvorrichtung, die bei der Elektrolokomotive angewandt wird, sind in den Fig. 4 bzw. 5 gezeigt.
In Fig. 4 bezeichnet die Kontaktpressung auf die Arbeitsfläche, P ist eine auf die Arbeitsfläche wirkende Kraft, Kurven E zeigen die Simulation der Kontaktpressung der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung, und Kurven F zeigen die Simulation der Kontaktpressung der Zahnradantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn die Kurven E und F miteinander verglichen werden, ergibt sich, daß die Kontaktpressung bei der Zahnradantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform um ca. 20 % geringer ist als bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung.
In Fig. 5 bezeichnet t die Temperatur der Arbeitsfläche aufgrund der reibungsbedingten Erwärmung, P bezeichnet die auf die Arbeitsfläche wirkende Kraft, Kurven G zeigen die Simulation der Temperatur der Arbeitsfläche bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung, und Kurven H zeigen die Simulation der Temperatur der Arbeitsfläche der Zahnradantriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wenn die Kurven G und H miteinander verglichen werden, zeigt sich, daß die partielle Erwärmungstemperatur an der Arbeitsfläche infolge der Gleitreibung der Arbeitsflächen bei der vorliegenden Zahnradantriebsvorrichtung um ca. 40 % geringer als bei der herkömmlichen Zahnradantriebsvorrichtung ist.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen ist die Balligkeit an der Verzahnung des kleineren Zahnrads 23 erzwungen. Es ist jedoch möglich, die Balligkeit an der Verzahnung des größeren Zahnrads 24 anstatt an derjenigen des kleineren Zahnrads 23 zu erzwingen.

Claims

1. Zahnradantriebsvorrichtung für einen Eisenbahntriebwagen, die folgendes aufweist:

ein größeres Zahnrad (24), das auf einer Achse (19) befestigt ist, die an einem Rahmen (18) eines Drehgestells (12) drehbar abgestützt ist;

einen Fahrmotor (21), der an der Achse (19) und dem Rahmen (18) aufgehängt ist;

ein kleineres Zahnrad (23), das auf einer Drehwelle (22) des Fahrmotors (21) befestigt und mit dem größeren Zahnrad (24) in Eingriff ist;

wobei Flankenlinien von jedem von dem kleineren oder dem größeren Zahnrad (23, 24) eine Balligkeit haben, die durch einen Krümmungsradius (RC12) definiert ist;

wobei die Flankenlinien der Zähne (23e, 24b) des kleineren Zahnrads (23) und des größeren Zahnrads (24) jeweils ausgebildet sind, um in paralleler Anordnung miteinander in Eingriff zu sein, wenn die Mittelachse (24a) des größeren Zahnrads (24) aufgrund der Auslenkung der Achse (19) unter der Last des Eisenbahntriebwagens eine Neigung (α) hat;

wobei die Flankenlinie von jedem von dem kleineren Zahnrad (23) und dem größeren Zahnrad (24) um den Betrag der Neigung (α) verdreht ist, um die parallele Anordnung zu ergeben.

2. Zahnradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei alternativ die Welle (22) des Fahrmotors (21), an der das kleinere Zahnrad befestigt ist, unter einer Neigung (α) aufgehängt ist, um die parallele Anordnung der Flankenlinien zu ergeben.

3. Zahnradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kleinere Zahnrad (23) und das größere Zahnrad (24) Geradstirnräder sind.

4. Zahnradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kleinere Zahnrad (23) und das größere Zahnrad (24) Schrägzahnräder sind.

5. Zahnradantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kleinere Zahnrad und das größere Zahnrad Schrägzahnräder sind und wobei der Schrägverzahnungswinkel (Θ + α) des kleineren Zahnrads (23) um den Betrag der Neigung (α) größer als der Schrägverzahnungswinkel (Θ) des größeren Zahnrads (24) ist, um die parallele Anordnung der Flankenlinien zu ergeben.