JP2006083937A - クロスグルーブ型ボールスプライン - Google Patents

Abstract

【課題】 たたき音や、摺動音を減らし、車両全体の振動音を低減させる。
【解決手段】 軸線に対して角度をなすトラック22を外周面に形成した内輪20と、軸線に対して角度をなすトラック32を内周面に形成した外輪30と、内輪20のトラック22と外輪30のトラック32の交差部に組み込んだトルク伝達ボール40と、内輪20の外周面と外輪30の内周面との間に介在し、トルク伝達ボール40を収容するポケットを有するケージ50とで構成されるクロスグルーブ型ボールスプラインを軌間可変台車の伝動システムに採用し、車軸10の外周に同軸状に配置し、外輪30をギヤボックスの大歯車と接続し、内輪20を車輪と接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明はクロスグルーブ型ボールスプラインに関するもので、たとえば、左右のレールの間隔（軌間）の異なる複数種の軌道を走行可能な鉄道車両用軌間可変台車（ＧＣＴ：Gauge Changeable Train）におけるギヤボックス（減速機）と車輪を連結する伝動システムに利用することができる。

従来、軌間可変台車のギヤボックスと車輪を連結する伝動システムとしては、外筒に内歯、内筒に外歯を設け、外歯と内歯の間で軸方向に大きな伸縮が可能なスライディングギヤや、ボールスプラインまたはころスプラインが提案されている。

特開平１０−２７８７８３号公報の図８には、スライディングギヤタイプの動力伝達スプラインが記載されている。図９を参照して説明すると、駆動筒２の端部の内面には、軸線方向に長く延びる雌スライディングギヤ３が形成されている。さらに、車輪と一体に回転するトルク伝達筒４の先端には、雌スライディングギヤ３とかみ合う軸線方向長さの短い雄スライディングギヤ５が形成されている。したがって、駆動モータによって駆動筒２を回転駆動することにより、トルク伝達筒４を介して車輪を回転させることができる。また、雌スライディングギヤ３と雄スライディングギヤ５とのかみ合い位置の変化により、軌間の変化を吸収することができる。符号１は車軸を示す。

また、特開平１０−２７８７８３号公報の図１には、ボールスプラインタイプが記載されている。ボールに代えてころを使用したころスプラインを示す図１０を参照して説明すると、駆動力を車輪に伝達する駆動力伝達手段としてのころスプライン筒（５，７）が、車軸１に対して同軸に設けてある。ころスプライン筒は、互いに同軸な外筒５と内筒７を有し、外筒５の内周面に形成した軸方向溝６と、内筒７の外周面に形成した軸方向溝８とに円筒ころ９を介在させてある。円筒ころ９の作用により、外筒５と内筒７とは軸線方向に滑らかにスライドしつつ駆動力を伝達することができる。これにより、このころスプライン筒は、駆動力を車輪に伝達して車輪を回転させながら、軌間の変化を滑らかに吸収することができる。
実公平０７−０４７６１９号公報（図２） 特開平１０−２９７４８７号公報（図１、図８）

鉄道車両では自動車と同様に益々静粛性が求められている。しかし、駆動系のガタに伴う振動音の問題がある。軌間可変台車のギヤボックスと車輪軸を連結する従来の伝動機構は、上述のスライディングギヤタイプであれ、ボールスプラインまたはころスプラインタイプであれ、かみ合い面にすきまを有している。このすきまの影響で、回転中の速度変動などによって、いわゆるたたき音が発生する。また、連結される車軸の僅かなミスアライメントによりスライディングギヤタイプでは内方側ギヤと外方側ギヤのかみ合い面の摺動に伴って摺動音が発生する。ころスプラインタイプは、ころところを収納する溝とのすきまでミスアライメントに伴う角度を許容しているが、殆ど角度自在性がなく、ころと溝との間でギヤと同様のたたき音が発生する。

本発明の主要な目的は、このようなたたき音や、摺動音を減らし、車両全体の振動音を低減させることにある。

本発明は、かかる振動音低減策として、軌間可変台車の伝動システムに、軸方向に大きな伸縮が可能で、しかも、ガタのないクロスグルーブジョイントを応用したボールスプラインすなわちクロスグルーブ型ボールスプラインを採用することを提案するものである。

本発明のクロスグルーブ型ボールスプラインは、軸線に対して角度をなすトラックを外周面に形成した内輪と、軸線に対して角度をなすトラックを内周面に形成した外輪と、内輪のトラックと外輪のトラックの交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在し、トルク伝達ボールを収容するポケットを形成したケージとで構成される。

クロスグルーブ型ボールスプラインを軌間可変台車の伝動システムにおいて利用する場合、車軸の外周に同軸状に配置し、たとえば外輪をギヤボックスの大歯車と接続し、内輪を車輪と接続する。

トルク伝達ボールが内輪のトラックと外輪のトラックの交差部に挟まれているため、回転方向ガタがなく、大きな伸縮量が可能で、しかも、トルク伝達ボールの転がり運動によって僅かなミスアライメントにも対応可能である。したがって、鉄道車両の更なる静粛性向上に寄与する。

現状、新幹線と在来線の相互乗り入れに必要な軌間可変量が３６８ｍｍであり、減速機を介して左右両輪に伸縮可能なボールスプラインを各１セット適用する場合、少なくとも１８４ｍｍ以上の大きな伸縮量が求められる。また、新幹線車両の車輪とレール間の摩擦係数０．３５でこの時にボールスプラインに負荷される最大トルクが１０ＫＮｍ、車軸径が１８０ｍｍで、内輪は少なくともこれ以上の大きさの内径を確保しなければならない。このように制約された条件下で伸縮可能なボールスプラインには限られたスペースにおいて高い捩り剛性と軽量・コンパクトが求められている。

クロスグルーブ型ボールスプラインは、ボール数を少なくしてトルク容量を確保しようとするとボール径を大きくするため必然的に外径が大きくなり所定のスペースを満足できない。また、ボール径を小さくしてたくさん入れてもトルク容量が確保できない（ボール径は負荷容量の３乗で、ボール数はそのままリニアに負荷容量に効いてくる）。また、トラックの交差角は３°未満にするとケージに作用するモーメントの釣り合いがとれず、ミスアライメント時の角度自在性を損ねる（実際は２°以下しか許容できない）。一方、トラック交差角が７°を越えると、隣り合うトラックの確保ができず大きな伸縮量が確保できない。本発明のクロスグルーブ型ボールスプラインはこのようにトルク伝達容量、車軸径、伸縮量およびスペースのバランス上、トルク伝達ボールを１０個以上１８個以下、トラック交差角を３°以上７°以下の範囲とするのが好ましい。たとえば現状の新幹線車両を想定するならば、ボール個数１４個以上１８個以下、トラック交差角３°以上５°以下が好適である。

軌間可変台車のギヤボックスと車輪軸を連結する伝動システムとして、ガタのないクロスグルーブ型ボールスプラインを採用することにより、従来のスライディングギヤや、ボールまたはころスプラインに見られる歯打ち音や擦れ音がなく、車両全体の振動音を低減させることができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態を説明する。

ここで、図１はクロスグルーブ型スプラインの縦断面を示し、軌間可変台車の台車枠や駆動モータを省略した正面図である図６のＩ部拡大断面図に相当する。図６には、車軸１０と、車軸１０に支持された一対の車輪１２と、減速機１４が現れている。軌間可変台車は白抜き矢印で示すように軌間が可変で、標準軌の場合を実線で示し、狭軌の場合を二点鎖線で示してある。また、図２は図１のII矢視図、図３は図１のクロスグルーブ型スプラ
インの一部をカットした要部斜視図、図４はトラックの展開図、図５はトラック交差角を説明するための略図である。

図１に示すように、クロスグルーブ型ボールスプラインは、内輪２０と外輪３０と複数のトルク伝達ボール４０とケージ５０を主要な構成要素として成り立っている。内輪２０は車軸１０の外周に同軸状に位置し、外周面に複数のトラック２２が形成してある。外輪３０は内輪２０の外周に同軸状に位置し、内周面に内輪２０のトラック２２と同数のトラック３２が形成してある。図４に示すように、内輪２０のトラック２２と外輪３０のトラック３２は軸線に対して互いに反対方向に角度をなしている。軸線とトラック２２，３２がなす角度をトラック交差角αと呼ぶこととする（図５参照）。内輪２０のトラック２２と外輪３０のトラック３２との交差部にトルク伝達ボール４０が組み込んである。ケージ５０は内輪２０の外周面と外輪３０の内周面との間に介在し、円周方向の等間隔位置にトルク伝達ボール４０を収容するポケット５２を有する。

軌間可変台車のギヤボックスと車輪を連結する伝動機構として、トルク伝達ボール４０のピッチ径を大きくするとともに、その数を増やし、所定のトルク伝達と軸方向に大きな伸縮が可能なクロスグルーブ型ボールスプラインとすることができる。具体的に例示するならば、モータ出力と負荷容量および主軸１０の大きさとのバランスを考慮して、トルク伝達ボール４０の数は１０以上１８以下、内外輪２０，３０のトラック交差角αは３°以上７°以下の範囲が好ましい。より具体的には、たとえば、トルク伝達ボール４０の数を１４、内外輪２０，３０のトラック交差角を３°とする。

組み込み性を考慮するならば、内輪２０はケージ５０に対して軸方向に分離できるタイプ、すなわち、内輪２０の最大外径をケージ５０の最小内径より小さくする。

外輪３０の一端にシール固定板６０が取り付けてある。シール固定板６０は円筒部６４と、円筒部６４の一端に形成したフランジ部６２と、円筒部６４の他端に形成したシール部６６とからなり、フランジ部６２を外輪３０の端面に当ててボルト７０で固定してある。円筒部６４は、外輪３０からスライドアウトした内輪２０のトラック２２がシール部６６のＯリング６８を越えて露出しないような長さに設定してある。シール部６６は、内周面に形成した環状溝にＯリング６８を装着してある。Ｏリング６８が常に内輪２０の外周面に摺接することによって、内部に充填した潤滑剤の漏洩を防止し、また、外部から異物が侵入するのを防止する。

図６から理解できるとおり、クロスグルーブ型ボールスプラインの外輪３０は減速機１４の大歯車と接続し、内輪２０は車輪１２と接続する。そして、駆動モータ（図示せず）からのトルクが減速機１４を介して外輪３０に伝達され、さらにトルク伝達ボール４０、内輪２０を介して車輪１２へと伝達される。

軌間変更に際しては、内輪２０と外輪３０が軸方向に相対変位する。図１は、トルク伝達ボール４０が中立位置にあるときの状態を実線で示し、スライドアウト時およびスライドイン時の状態をそれぞれ二点鎖線で示してある。同図中、符号Ｃは中立位置にあるトルク伝達ボール４０の中心、Ｃ_Iはスライドイン時のトルク伝達ボール４０の中心、Ｃ_Oはスライドアウト時のトルク伝達ボール４０の中心をそれぞれ示している。

トルク伝達ボール４０はトラック２２，３２の交差部に組み込まれ、トラック２２，３２によって挟まれているため、軸方向にも円周方向にもガタがなく、あるいは非常に小さく抑えられる。したがって、従来のスライディングギヤタイプやボールまたはころスプラインタイプにおけるようなたたき音や摺動音がなくなり、あるいは、大幅に減少し、車両全体の振動音を低減させることができる。

クロスグルーブ型ボールスプラインは上述の図１の実施の形態のように片輪当たり１個でもよいが、図７および図８に示すように、内輪２０同士を共有する２個一組で使用すれば、１個当たりの伸縮量を少なくでき、しかも、交差角を大きくすることができ、より角度自在性が高まる。この場合、内輪２０は、図示するように一体ものとするほか、別々の内輪を中間軸を用いてつないでもよい。

実施の形態を示すクロスグルーブ型ボールスプラインの縦断面図である。 図１のII−II矢視図である。 クロスグルーブ型ボールスプラインの要部斜視図である。 トラックの展開図である。 トラック交差角を示す略図である。 軌間可変台車の要部正面図である。 別の実施の形態を示す軌間可変台車の要部正面図である。 図７のVIII部拡大断面図である。 Ａは従来の技術を示すスライディングギヤの縦断面図、Ｂは横断面図である。 Ａは従来の技術を示すころスプラインの縦断面図、Ｂは横断面図である。

符号の説明

１０ 車軸
１２ 車輪
１４ 減速機
２０ 内輪
２２ トラック
３０ 外輪
３２ トラック
４０ トルク伝達ボール
５０ ケージ
５２ ポケット
６０ シール固定板
６８ Ｏリング

Claims (4)

1. 軸線に対して角度をなすトラックを外周面に形成した内輪と、軸線に対して角度をなすトラックを内周面に形成した外輪と、内輪のトラックと外輪のトラックの交差部に組み込んだトルク伝達ボールと、内輪の外周面と外輪の内周面との間に介在し、トルク伝達ボールを収容するポケットを形成したケージとで構成されたクロスグルーブ型ボールスプライン。
2. トラック交差角が３°以上７°以下の範囲内であることを特徴とする請求項１のクロスグルーブ型ボールスプライン。
3. トルク伝達ボールの数が１０以上１８以下の範囲内であることを特徴とする請求項１のクロスグルーブ型ボールスプライン。
4. 請求項１ないし３のいずれかのクロスグルーブ型ボールスプラインを車軸の外周に同軸状に配置し、外輪をギヤボックスの大歯車と接続し、内輪を車輪と接続したことを特徴とする軌間可変台車のギヤボックスと車輪を連結する伝動システム。