JP2004219160A - 鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】鉄道車両の走行時に車軸を支承する軸受に負荷される実アキシャル荷重の大きさ、円周方向負荷分布及び発生頻度などを測定して、実使用条件に合った軸受の最適設計を可能とする。
【解決手段】本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０は、軸受１２を収容する軸箱体１１を軸受１２の外輪２２に嵌合させて配置する。円周方向に複数のロードセル１５が配置されてリング状に形成されたアキシャル荷重センサ１３が、軸箱体１１内の外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ、及び外輪２２の側面２２ａと後蓋１１ｃとの間に夫々配置され、鉄道車両４の走行時に軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するものである。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１０は、軸受１２を収容する軸箱体１１を軸受１２の外輪２２に嵌合させて配置する。円周方向に複数のロードセル１５が配置されてリング状に形成されたアキシャル荷重センサ１３が、軸箱体１１内の外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ、及び外輪２２の側面２２ａと後蓋１１ｃとの間に夫々配置され、鉄道車両４の走行時に軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するものである。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関し、より詳細には、鉄道車両の走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両が曲線区間を走行する際、その車軸を支承する軸受にはアキシャル荷重が作用する。従来、鉄道車両車軸の軸受の設計は、長年の経験から車体重量の１／８又は軸重の１／２をラジアル荷重、その３０％をアキシャル荷重とし、また負荷率を全走行区間の３％と想定して設計されていた。
【０００３】
一方、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する装置としては、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定するものが開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。
また、測定された検出信号を適宜電気的に処理することによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を精度良く測定するようにしたものもある（例えば、下記特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１２０３３４号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献２】
特公平３−１５１３６号公報（第２−４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、鉄道車両の高速化に伴って、車軸の軸受に作用する負荷の大きさ、性質などを精度良く知り、それらを軸受の設計に反映する必要性が高まっている。
従来の経験値を用いた設計によると、推定した荷重が走行時に実際に軸受に負荷される荷重と異なる場合がある。また、軸受の内輪と外輪の相対的な傾きが不明であるため、ミスアライメントに対して考慮して設計することができず、実際の使用条件に適した最適設計がし難い問題点があった。
【０００６】
これらの対策として、鉄道車両の走行試験を行い、車輪に負荷されるアキシャル荷重を測定した測定例はあるが、大掛かりな測定システムが必要であり、容易に測定することができなかった。また、車輪に負荷されるアキシャル荷重と軸受に負荷されるアキシャル荷重との相関関係が必ずしも明確ではなく、更にアキシャル荷重の円周方向分布も判らず、改善が望まれていた。
軸受の最適設計には、走行時に軸受に負荷される実アキシャル荷重の大きさ、発生頻度、円周方向の負荷分布等を各種の走行条件ごとに把握する必要がある。
【０００７】
特許文献１に開示されている測定装置は、荷重センサとして歪みゲージ等を用い、工作機械のハウジングと外輪間に配置して主軸に作用するアキシャル荷重を測定するようになっている。軸受に過大な負荷が作用した場合、工具や被加工物の送り速度を遅くするなどして軸受寿命の長期化を図ったものであり、アキシャル荷重の大きさは測定可能であるが、荷重の負荷分布までは測定することができず、鉄道車両の軸受設計のデータとしては、不十分であった。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている測定装置は、差動増幅器によって、極性の異なる信号を加算し、極性の同じ信号を相殺することにより、測定された信号から誤差成分を除去して精度の良いアキシャル荷重を測定できるようにしたものであり、鉄道車両の軸受設計のデータとしては十分ではなかった。
【０００９】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉄道車両の走行時に、実際に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、円周方向の負荷分布等を測定可能として、実使用条件に適した軸受の設計に反映できるデータを得られる鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記軸受の外輪に嵌合し前記軸受を収容する軸箱体と、前記軸箱体内に配置されて前記鉄道車両の前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサと、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸受を収容する軸箱体を軸受の外輪に嵌合させて配置すると共に、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサを軸箱体内に配置したので、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置を極めて小型化することができる。これによって、実走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）を容易に測定することができる。
【００１２】
また、各種走行条件における実測データに基づいて鉄道車両車軸の軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化及び軸受のメンテナンス期間の延長が可能となる。
更に、ベンチ試験のデータと実車のデータとの一致度を高めたベンチ試験条件を設定することができ、精度の高いベンチ試験を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る請求項２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記アキシャル荷重センサは、前記軸箱体の一方の側面を封止する前蓋と前記外輪の一方の側面との間、及び前記軸箱体の他方の側面を封止する後蓋と前記外輪の他方の側面との間に夫々狭持されて前記軸箱体の内部に配置され、且つ前記外輪は、前記軸箱体に対して軸方向に変位自在に前記軸箱体の内周面に嵌合して配置されたことを特徴としている。
【００１４】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、アキシャル荷重センサは、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、外輪の側面との間に配置すると共に、外輪は軸箱体に対して軸方向に変位自在に嵌合させて配置したので、鉄道車両の走行に伴って軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度を直接、精度良く測定することができる。
【００１５】
また、本発明に係る請求項３記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項１又は２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記アキシャル荷重センサは、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成されたことを特徴としている。
【００１６】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、アキシャル荷重センサは、円周方向に複数の荷重センサを配置してリング状に形成したので、アキシャル荷重の円周方向負荷分布を測定することができる。これによって、内輪と外輪の傾きの有無及び傾きの度合いを知ることができ、これに基づいて転動体の径や長さなどの最適設計、又はクラウニングを施す等の処置を行って、転がり接触面のエッジロードの発生を防止して軸受の信頼性を高めると共に、軸受寿命を長期化することができる。
【００１７】
また、本発明に係る請求項４記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、前記軸受を収容する軸箱体に対して軸方向に変位自在とされて前記軸箱体の内周面に嵌合する外輪の側面と、前記軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、の間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定することを特徴としている。
【００１８】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、軸箱体の内周面に嵌合し軸方向に変位自在に配置された外輪の側面と、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、の間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するようにしたので、小型の測定装置によって軸受に負荷されるアキシャル荷重を直接、精度良く測定することができる。
【００１９】
更に、本発明に係る請求項５記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、請求項４記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成され、前記外輪の側面と前記前蓋及び外輪の側面と前記後蓋との間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定し、アキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定することを特徴としている。
【００２０】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成されたアキシャル荷重センサを、外輪の側面と前蓋及び外輪の側面と後蓋との間に夫々配置してアキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定するようにしたので、軸受の外輪と内輪の相対的傾きを考慮した軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
また、本発明に係る請求項６記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、請求項５記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、前記アキシャル荷重の情報信号、ロードセルの校正情報、製造情報、組込み位置情報の内、少なくとも１つの情報信号をメモリ及び発信可能な電子タグを前記アキシャル荷重センサに取り付け、情報端末から随時前記情報を取り出すようにしたことを特徴としている。
【００２２】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、電子タグをアキシャル荷重センサに取り付けることで、電子タグにアキシャル荷重の情報信号をメモリさせたり、ロードセルの校正情報、製造情報又は組込み位置情報をメモリ内に入力することができる。これによって、随時前記情報を情報端末から取り出すことができるので、アキシャル荷重センサの精度管理が容易となりアキシャル荷重の高い測定精度を維持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の要部縦断面図、図２は荷重センサの第１実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図３は荷重センサの第２実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図であり、図４は荷重センサの第３実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図であり、図５は荷重センサの第４実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【００２４】
図１及び図２に示すように、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１は、軸箱体２と、アキシャル荷重センサ３とを備えている。先ず、鉄道車両４の構成について概略説明すると、図１に示すように、車軸５に固定された車輪６は、レール８上を転動して走行するようになっている。車軸５の両端５ａ（図１においては一方の端部のみ示す）は、軸箱体１１内に配置された軸受１２の内輪１８に嵌合している。軸箱体１１は、上部に配置された頭上ばね１６を介して車体７を支持している。
【００２５】
軸受１２の外輪２２は、中空円筒状の軸箱体１１の内周面１１ａに嵌合している。外輪２２と軸箱体１１との嵌合は、隙間バメされており、外輪２２は軸箱体１１に対して軸方向に変位自在となっている。内輪１８の軌道面と外輪２２の軌道面との間には、複数の円すいころである転動体２４が転動自在に配設されている。
【００２６】
軸箱体１１の一方の側面は、前蓋１１ｂが軸箱体１１に固定されて配置され、軸箱体１１の開口部を封止している。また、軸箱体１１の他方の側面は、後蓋１１ｃが軸箱体１１に固定されて配置され、軸箱体１１の開口部を封止している。
従って、軸受１２は、軸箱体１１の内部に収容されている。
【００２７】
アキシャル荷重センサ１３は、軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するためのものであって、外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ及び外輪２２の側面２２ａと後蓋１１ｃとの間に狭持して配置されている。
図２に示すように、第１実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ａは、リング状のセンサ本体を貫通したロードセル１５が８個、円周方向に４５°の間隔で配置されている。これによって、軸受１２に負荷されるアキシャル荷重の円周方向の負荷分布は、円周方向に４５°の位相精度で検出が可能となる。また、ロードセル１５，１５間にアキシャル荷重の情報信号、ロードセル１５の校正情報、製造情報、組込み位置情報等の情報信号をメモリ及び発信可能な電子タグ２０が取り付けられている。
【００２８】
図３に示すように、第２実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｂは、リング状に形成されたセンサ本体の片面側にロードセル１５が４５°間隔で３個一組、計６個配置され、円周上の該組間に前述した電子タグ２０が取り付けられている。
【００２９】
図４に示すように、第３実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｃは、リング状のセンサ本体の各々片面側に６個、計１２個の突起部１７ａ，１７ｂが円周方向に６０°間隔で突設されており、一方側の突起部１７ａと他方側の突起部１７ｂとの配置構成が３０°ずれている。この一方側の突起部１７ａの両側に一対の２軸（クロス）歪みゲージ１６ａ，１６ｂが計１２個貼着されており、この一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂで１つのロードセル機能（荷重検出器）を形成している。すなわち、突起部１７ａに加わった負荷荷重を他方側の突起部１７ｂで受け、一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂでこの負荷荷重を検出することができる。また、前述した電子タグ２０が突起部１７ａ，１７ａ間に取り付けられている。
【００３０】
図５に示すように、第４実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｄは、リング状のセンサ本体の両側面の対応した位置に４５°間隔で突起部１７が計８個突設されており、この突起部１７の内周面及び外周面に前述した２軸（クロス）歪みゲージ１６ａ，１６ｂが計１６個貼着されている。この一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂで１つのロードセル機能（荷重検出器）を形成している。また、前述した電子タグ２０が突起部１７，１７間に取り付けられている。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
鉄道車両４は、曲線区間を通過する時に遠心力が作用して曲線の半径方向外方に振られる。このとき、車輪６は、レール８によって拘束されて半径方向外方への変位が制限されているが、車体７は外方に振られる。車体７の横方向の変位は、頭上ばね１６及び軸箱体１１を介して外輪２２に伝達され、軸受１２にアキシャル荷重が発生する。
【００３２】
外輪２２に隙間バメされている軸箱体１１が、軸方向に相対的に変位してアキシャル荷重センサ１３を押圧すると、各ロードセル１５は、押圧力に応じた検出信号を出力して軸受１２に負荷されたアキシャル荷重を測定する。このとき、内輪１８と外輪２２とが相対的に傾くと、４５°間隔で配置されたロードセル１５は、異なった力で押圧されるので、押圧力に比例した異なった大きさの信号を出力する。即ち、ロードセル１５によって全アキシャル荷重、アキシャル荷重の発生頻度及びアキシャル荷重の円周方向負荷分布が測定される。
【００３３】
測定された全アキシャル荷重、アキシャル荷重の発生頻度（全走行区間に対する負荷率）に基づいて最適形状の軸受の設計が可能となる。また、アキシャル荷重の円周方向負荷分布が均一でない場合は、内輪１８と外輪２２とが相対的に傾いており、エッジロードの発生が予測されるので、転動体２４の径、長さの最適化を図ると共に、クラウニングを施すなどして、実使用条件に適した軸受１２の最適設計を行うことができる。
また、測定されたアキシャル荷重に基づいて、ベンチ試験の試験条件を設定することで、より実用的なベンチ試験を行うことができ、試験の信頼性が向上する。
【００３４】
本実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、鉄道車両４の車軸５を回動自在に支承する軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するもので、軸箱体１１の内周面１１ａに嵌合する外輪２２の側面２２ａと、軸箱体１１の側面を封止する前蓋１１ｂ及び後蓋１１ｃと、の間に夫々配置された２個のアキシャル荷重センサ１３，１３によって軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するものである。
【００３５】
また、円周方向に複数のロードセル１５が配置されてリング状に形成され、外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ及び後蓋１１ｃとの間に夫々配置されたアキシャル荷重センサ１３によって軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定し、アキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定するものである。
【００３６】
更に、アキシャル荷重センサ１３に電子タグ２０を取り付けることにより、アキシャル荷重信号を電子タグ２０内にメモリさせることができる。また、ロードセル１５の校正情報、製造情報、組込み位置情報等をメモリ内に入力させ、情報端末から随時情報を取り出すことが可能となる。
【００３７】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、前述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。例えば、鉄道車両車軸軸受の軸箱体の形式は、片バネ式ものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ウィング式、軸梁式など、他の形式の軸箱体においても適用することができる。また、軸受は、複列円すいころ軸受として説明したが、その他のどの様な形式の軸受であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸受を収容する軸箱体を軸受の外輪に嵌合させて配置すると共に、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサを軸箱体内に配置したので、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置を極めて小型化することができる。
したがって、実走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、アキシャル荷重の円周方向分布を容易に測定することができる。
また、各種走行条件における実測データに基づいて鉄道車両車軸の軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化及び軸受のメンテナンス期間の延長が可能となる。更に、ベンチ試験のデータと実車のデータとの一致度を高めてベンチ試験条件を設定することができ、精度の高いベンチ試験を行うことができる。
【００３９】
また、本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、軸箱体の内周面に嵌合し軸方向に変位自在に配置された外輪の側面と、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋との間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するようにしたので、小型の測定装置によって軸受に負荷されるアキシャル荷重を直接、精度良く測定することができる。
更に、電子タグをアキシャル荷重センサに取り付けることで、電子タグにアキシャル荷重の情報信号をメモリさせたり、ロードセルの校正情報、製造情報又は組込み位置情報をメモリ内に入力することができ、随時前記情報を情報端末から取り出すことができるので、アキシャル荷重センサの精度管理が容易となりアキシャル荷重の高い測定精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の要部縦断面図である。
【図２】図１における荷重センサの第１実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】図１における荷重センサの第２実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】図１における荷重センサの第３実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図１における荷重センサの第４実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
４ 鉄道車両
５ 車軸
１０ 鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置
１１ 軸箱体
１１ａ 軸箱体の内周面
１１ｂ 前蓋
１１ｃ 後蓋
１２ 円すいころ軸受
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ アキシャル荷重センサ
１５ ロードセル（荷重センサ）
１６ａ，１６ｂ 歪みゲージ
１７，１７ａ，１７ｂ 突起部
２０ 電子タグ
２２ 外輪
２２ａ 外輪の側面
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関し、より詳細には、鉄道車両の走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両が曲線区間を走行する際、その車軸を支承する軸受にはアキシャル荷重が作用する。従来、鉄道車両車軸の軸受の設計は、長年の経験から車体重量の１／８又は軸重の１／２をラジアル荷重、その３０％をアキシャル荷重とし、また負荷率を全走行区間の３％と想定して設計されていた。
【０００３】
一方、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する装置としては、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定するものが開示されている（例えば、下記特許文献１参照）。
また、測定された検出信号を適宜電気的に処理することによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を精度良く測定するようにしたものもある（例えば、下記特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−１２０３３４号公報（第３−４頁、第１図）
【特許文献２】
特公平３−１５１３６号公報（第２−４頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、鉄道車両の高速化に伴って、車軸の軸受に作用する負荷の大きさ、性質などを精度良く知り、それらを軸受の設計に反映する必要性が高まっている。
従来の経験値を用いた設計によると、推定した荷重が走行時に実際に軸受に負荷される荷重と異なる場合がある。また、軸受の内輪と外輪の相対的な傾きが不明であるため、ミスアライメントに対して考慮して設計することができず、実際の使用条件に適した最適設計がし難い問題点があった。
【０００６】
これらの対策として、鉄道車両の走行試験を行い、車輪に負荷されるアキシャル荷重を測定した測定例はあるが、大掛かりな測定システムが必要であり、容易に測定することができなかった。また、車輪に負荷されるアキシャル荷重と軸受に負荷されるアキシャル荷重との相関関係が必ずしも明確ではなく、更にアキシャル荷重の円周方向分布も判らず、改善が望まれていた。
軸受の最適設計には、走行時に軸受に負荷される実アキシャル荷重の大きさ、発生頻度、円周方向の負荷分布等を各種の走行条件ごとに把握する必要がある。
【０００７】
特許文献１に開示されている測定装置は、荷重センサとして歪みゲージ等を用い、工作機械のハウジングと外輪間に配置して主軸に作用するアキシャル荷重を測定するようになっている。軸受に過大な負荷が作用した場合、工具や被加工物の送り速度を遅くするなどして軸受寿命の長期化を図ったものであり、アキシャル荷重の大きさは測定可能であるが、荷重の負荷分布までは測定することができず、鉄道車両の軸受設計のデータとしては、不十分であった。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている測定装置は、差動増幅器によって、極性の異なる信号を加算し、極性の同じ信号を相殺することにより、測定された信号から誤差成分を除去して精度の良いアキシャル荷重を測定できるようにしたものであり、鉄道車両の軸受設計のデータとしては十分ではなかった。
【０００９】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、鉄道車両の走行時に、実際に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、円周方向の負荷分布等を測定可能として、実使用条件に適した軸受の設計に反映できるデータを得られる鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記軸受の外輪に嵌合し前記軸受を収容する軸箱体と、前記軸箱体内に配置されて前記鉄道車両の前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサと、を備えたことを特徴としている。
【００１１】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸受を収容する軸箱体を軸受の外輪に嵌合させて配置すると共に、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサを軸箱体内に配置したので、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置を極めて小型化することができる。これによって、実走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）を容易に測定することができる。
【００１２】
また、各種走行条件における実測データに基づいて鉄道車両車軸の軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化及び軸受のメンテナンス期間の延長が可能となる。
更に、ベンチ試験のデータと実車のデータとの一致度を高めたベンチ試験条件を設定することができ、精度の高いベンチ試験を行うことができる。
【００１３】
また、本発明に係る請求項２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項１記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記アキシャル荷重センサは、前記軸箱体の一方の側面を封止する前蓋と前記外輪の一方の側面との間、及び前記軸箱体の他方の側面を封止する後蓋と前記外輪の他方の側面との間に夫々狭持されて前記軸箱体の内部に配置され、且つ前記外輪は、前記軸箱体に対して軸方向に変位自在に前記軸箱体の内周面に嵌合して配置されたことを特徴としている。
【００１４】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、アキシャル荷重センサは、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、外輪の側面との間に配置すると共に、外輪は軸箱体に対して軸方向に変位自在に嵌合させて配置したので、鉄道車両の走行に伴って軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度を直接、精度良く測定することができる。
【００１５】
また、本発明に係る請求項３記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置は、請求項１又は２記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、前記アキシャル荷重センサは、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成されたことを特徴としている。
【００１６】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、アキシャル荷重センサは、円周方向に複数の荷重センサを配置してリング状に形成したので、アキシャル荷重の円周方向負荷分布を測定することができる。これによって、内輪と外輪の傾きの有無及び傾きの度合いを知ることができ、これに基づいて転動体の径や長さなどの最適設計、又はクラウニングを施す等の処置を行って、転がり接触面のエッジロードの発生を防止して軸受の信頼性を高めると共に、軸受寿命を長期化することができる。
【００１７】
また、本発明に係る請求項４記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、前記軸受を収容する軸箱体に対して軸方向に変位自在とされて前記軸箱体の内周面に嵌合する外輪の側面と、前記軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、の間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定することを特徴としている。
【００１８】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、軸箱体の内周面に嵌合し軸方向に変位自在に配置された外輪の側面と、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、の間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するようにしたので、小型の測定装置によって軸受に負荷されるアキシャル荷重を直接、精度良く測定することができる。
【００１９】
更に、本発明に係る請求項５記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、請求項４記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成され、前記外輪の側面と前記前蓋及び外輪の側面と前記後蓋との間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定し、アキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定することを特徴としている。
【００２０】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成されたアキシャル荷重センサを、外輪の側面と前蓋及び外輪の側面と後蓋との間に夫々配置してアキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定するようにしたので、軸受の外輪と内輪の相対的傾きを考慮した軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
また、本発明に係る請求項６記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、請求項５記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、前記アキシャル荷重の情報信号、ロードセルの校正情報、製造情報、組込み位置情報の内、少なくとも１つの情報信号をメモリ及び発信可能な電子タグを前記アキシャル荷重センサに取り付け、情報端末から随時前記情報を取り出すようにしたことを特徴としている。
【００２２】
前記構成の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、電子タグをアキシャル荷重センサに取り付けることで、電子タグにアキシャル荷重の情報信号をメモリさせたり、ロードセルの校正情報、製造情報又は組込み位置情報をメモリ内に入力することができる。これによって、随時前記情報を情報端末から取り出すことができるので、アキシャル荷重センサの精度管理が容易となりアキシャル荷重の高い測定精度を維持することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置及び荷重測定方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の要部縦断面図、図２は荷重センサの第１実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。図３は荷重センサの第２実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図であり、図４は荷重センサの第３実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図であり、図５は荷重センサの第４実施形態を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【００２４】
図１及び図２に示すように、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置１は、軸箱体２と、アキシャル荷重センサ３とを備えている。先ず、鉄道車両４の構成について概略説明すると、図１に示すように、車軸５に固定された車輪６は、レール８上を転動して走行するようになっている。車軸５の両端５ａ（図１においては一方の端部のみ示す）は、軸箱体１１内に配置された軸受１２の内輪１８に嵌合している。軸箱体１１は、上部に配置された頭上ばね１６を介して車体７を支持している。
【００２５】
軸受１２の外輪２２は、中空円筒状の軸箱体１１の内周面１１ａに嵌合している。外輪２２と軸箱体１１との嵌合は、隙間バメされており、外輪２２は軸箱体１１に対して軸方向に変位自在となっている。内輪１８の軌道面と外輪２２の軌道面との間には、複数の円すいころである転動体２４が転動自在に配設されている。
【００２６】
軸箱体１１の一方の側面は、前蓋１１ｂが軸箱体１１に固定されて配置され、軸箱体１１の開口部を封止している。また、軸箱体１１の他方の側面は、後蓋１１ｃが軸箱体１１に固定されて配置され、軸箱体１１の開口部を封止している。
従って、軸受１２は、軸箱体１１の内部に収容されている。
【００２７】
アキシャル荷重センサ１３は、軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するためのものであって、外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ及び外輪２２の側面２２ａと後蓋１１ｃとの間に狭持して配置されている。
図２に示すように、第１実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ａは、リング状のセンサ本体を貫通したロードセル１５が８個、円周方向に４５°の間隔で配置されている。これによって、軸受１２に負荷されるアキシャル荷重の円周方向の負荷分布は、円周方向に４５°の位相精度で検出が可能となる。また、ロードセル１５，１５間にアキシャル荷重の情報信号、ロードセル１５の校正情報、製造情報、組込み位置情報等の情報信号をメモリ及び発信可能な電子タグ２０が取り付けられている。
【００２８】
図３に示すように、第２実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｂは、リング状に形成されたセンサ本体の片面側にロードセル１５が４５°間隔で３個一組、計６個配置され、円周上の該組間に前述した電子タグ２０が取り付けられている。
【００２９】
図４に示すように、第３実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｃは、リング状のセンサ本体の各々片面側に６個、計１２個の突起部１７ａ，１７ｂが円周方向に６０°間隔で突設されており、一方側の突起部１７ａと他方側の突起部１７ｂとの配置構成が３０°ずれている。この一方側の突起部１７ａの両側に一対の２軸（クロス）歪みゲージ１６ａ，１６ｂが計１２個貼着されており、この一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂで１つのロードセル機能（荷重検出器）を形成している。すなわち、突起部１７ａに加わった負荷荷重を他方側の突起部１７ｂで受け、一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂでこの負荷荷重を検出することができる。また、前述した電子タグ２０が突起部１７ａ，１７ａ間に取り付けられている。
【００３０】
図５に示すように、第４実施形態のアキシャル荷重センサ１３Ｄは、リング状のセンサ本体の両側面の対応した位置に４５°間隔で突起部１７が計８個突設されており、この突起部１７の内周面及び外周面に前述した２軸（クロス）歪みゲージ１６ａ，１６ｂが計１６個貼着されている。この一対の歪みゲージ１６ａ，１６ｂで１つのロードセル機能（荷重検出器）を形成している。また、前述した電子タグ２０が突起部１７，１７間に取り付けられている。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
鉄道車両４は、曲線区間を通過する時に遠心力が作用して曲線の半径方向外方に振られる。このとき、車輪６は、レール８によって拘束されて半径方向外方への変位が制限されているが、車体７は外方に振られる。車体７の横方向の変位は、頭上ばね１６及び軸箱体１１を介して外輪２２に伝達され、軸受１２にアキシャル荷重が発生する。
【００３２】
外輪２２に隙間バメされている軸箱体１１が、軸方向に相対的に変位してアキシャル荷重センサ１３を押圧すると、各ロードセル１５は、押圧力に応じた検出信号を出力して軸受１２に負荷されたアキシャル荷重を測定する。このとき、内輪１８と外輪２２とが相対的に傾くと、４５°間隔で配置されたロードセル１５は、異なった力で押圧されるので、押圧力に比例した異なった大きさの信号を出力する。即ち、ロードセル１５によって全アキシャル荷重、アキシャル荷重の発生頻度及びアキシャル荷重の円周方向負荷分布が測定される。
【００３３】
測定された全アキシャル荷重、アキシャル荷重の発生頻度（全走行区間に対する負荷率）に基づいて最適形状の軸受の設計が可能となる。また、アキシャル荷重の円周方向負荷分布が均一でない場合は、内輪１８と外輪２２とが相対的に傾いており、エッジロードの発生が予測されるので、転動体２４の径、長さの最適化を図ると共に、クラウニングを施すなどして、実使用条件に適した軸受１２の最適設計を行うことができる。
また、測定されたアキシャル荷重に基づいて、ベンチ試験の試験条件を設定することで、より実用的なベンチ試験を行うことができ、試験の信頼性が向上する。
【００３４】
本実施形態の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法は、鉄道車両４の車軸５を回動自在に支承する軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するもので、軸箱体１１の内周面１１ａに嵌合する外輪２２の側面２２ａと、軸箱体１１の側面を封止する前蓋１１ｂ及び後蓋１１ｃと、の間に夫々配置された２個のアキシャル荷重センサ１３，１３によって軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定するものである。
【００３５】
また、円周方向に複数のロードセル１５が配置されてリング状に形成され、外輪２２の側面２２ａと前蓋１１ｂ及び後蓋１１ｃとの間に夫々配置されたアキシャル荷重センサ１３によって軸受１２に負荷されるアキシャル荷重を測定し、アキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定するものである。
【００３６】
更に、アキシャル荷重センサ１３に電子タグ２０を取り付けることにより、アキシャル荷重信号を電子タグ２０内にメモリさせることができる。また、ロードセル１５の校正情報、製造情報、組込み位置情報等をメモリ内に入力させ、情報端末から随時情報を取り出すことが可能となる。
【００３７】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。その他、前述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。例えば、鉄道車両車軸軸受の軸箱体の形式は、片バネ式ものとして説明したが、これに限定されるものではなく、ウィング式、軸梁式など、他の形式の軸箱体においても適用することができる。また、軸受は、複列円すいころ軸受として説明したが、その他のどの様な形式の軸受であってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置によれば、軸受を収容する軸箱体を軸受の外輪に嵌合させて配置すると共に、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサを軸箱体内に配置したので、鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置を極めて小型化することができる。
したがって、実走行時に軸受に負荷されるアキシャル荷重の大きさ、発生頻度（全走行区間に対する負荷率）、アキシャル荷重の円周方向分布を容易に測定することができる。
また、各種走行条件における実測データに基づいて鉄道車両車軸の軸受設計が可能となり、軸受の長寿命化及び軸受のメンテナンス期間の延長が可能となる。更に、ベンチ試験のデータと実車のデータとの一致度を高めてベンチ試験条件を設定することができ、精度の高いベンチ試験を行うことができる。
【００３９】
また、本発明に係る鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法によれば、軸箱体の内周面に嵌合し軸方向に変位自在に配置された外輪の側面と、軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋との間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって、軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するようにしたので、小型の測定装置によって軸受に負荷されるアキシャル荷重を直接、精度良く測定することができる。
更に、電子タグをアキシャル荷重センサに取り付けることで、電子タグにアキシャル荷重の情報信号をメモリさせたり、ロードセルの校正情報、製造情報又は組込み位置情報をメモリ内に入力することができ、随時前記情報を情報端末から取り出すことができるので、アキシャル荷重センサの精度管理が容易となりアキシャル荷重の高い測定精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置の要部縦断面図である。
【図２】図１における荷重センサの第１実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】図１における荷重センサの第２実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】図１における荷重センサの第３実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図１における荷重センサの第４実施形態に係り、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
４ 鉄道車両
５ 車軸
１０ 鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置
１１ 軸箱体
１１ａ 軸箱体の内周面
１１ｂ 前蓋
１１ｃ 後蓋
１２ 円すいころ軸受
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ アキシャル荷重センサ
１５ ロードセル（荷重センサ）
１６ａ，１６ｂ 歪みゲージ
１７，１７ａ，１７ｂ 突起部
２０ 電子タグ
２２ 外輪
２２ａ 外輪の側面
Claims (6)
- 鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置であって、
前記軸受の外輪に嵌合し前記軸受を収容する軸箱体と、前記軸箱体内に配置されて前記鉄道車両の前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定するアキシャル荷重センサと、を備えたことを特徴とする鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。 - 前記アキシャル荷重センサは、前記軸箱体の一方の側面を封止する前蓋と前記外輪の一方の側面との間、及び前記軸箱体の他方の側面を封止する後蓋と前記外輪の他方の側面との間に夫々狭持されて前記軸箱体の内部に配置され、且つ前記外輪は、前記軸箱体に対して軸方向に変位自在に前記軸箱体の内周面に嵌合して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。
- 前記アキシャル荷重センサは、円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定装置。
- 鉄道車両の車軸を回動自在に支承する軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定する鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法であって、
前記軸受を収容する軸箱体に対して軸方向に変位自在とされて前記軸箱体の内周面に嵌合する外輪の側面と、前記軸箱体の側面を封止する前蓋及び後蓋と、の間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定することを特徴とする鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法。 - 円周方向に複数の荷重センサが配置されてリング状に形成され、前記外輪の側面と前記前蓋及び前記後蓋との間に夫々配置されたアキシャル荷重センサによって前記軸受に負荷されるアキシャル荷重を測定し、アキシャル荷重の大きさ及び円周方向の負荷分布を測定することを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法。
- 前記アキシャル荷重の情報信号、ロードセルの校正情報、製造情報、組込み位置情報の内、少なくとも１つの情報信号をメモリ及び発信可能な電子タグを前記アキシャル荷重センサに取り付け、情報端末から随時前記情報を取り出すようにしたことを特徴とする請求項５に記載の鉄道車両車軸軸受の荷重測定方法。
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