JP2009150504A - 軸封機構、およびこれを備えた鉄道車両用歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄道車両の高速走行化に支障がなく、高速走行時に歯車装置からの潤滑油の漏出を防止できる軸封機構を提供する。
【解決手段】小歯車２を一体に備える小歯車軸４と、小歯車２の軸方向の両側で小歯車軸４を支持する軸受６と、小歯車軸４に嵌め込まれ軸受６の軸方向の外側で小歯車軸４と一体で回転する油切り部材１０と、軸受６を保持する軸受押え部材２０と、油切り部材１０に環装され軸受押え部材２０に固定される押え蓋４０と、を備える。油切り部材１０の外周面を周方向に沿って延在する第１の突起部１１と押え蓋４０との間にラビリンス構造の第１シール部が形成される。第１の突起部１１の軸方向の内側で、第１の突起部１１の最外径よりも内径が小さく周方向に分割可能な分割環状部材３０を軸受押え部材２０に取り付け、分割環状部材３０の内周面と油切り部材１０の外周面との間で第２シール部が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道車両において、車輪が取り付けられた車軸に主電動機からの駆動力を伝達する鉄道車両用歯車装置（以下、「歯車装置」ともいう）の軸封機構、およびこれを備えた歯車装置に関する。

鉄道車両は、台車枠に支持された主電動機からの駆動力が車軸に伝達されることにより、車輪が回転し、レール上を走行する。その車軸への駆動力の伝達に、歯車装置が用いられる。

図１は、従来の鉄道車両用歯車装置の構成を示す断面図である。同図に示すように、歯車装置は、小歯車２と、この小歯車２に噛み合う大歯車３とを歯車箱１内に収容している。小歯車２は、同一素材から削りだす等の方法にて小歯車軸４と一体に形成され、小歯車軸４の一端には、図示しないたわみ軸継手を介して図示しない主電動機の駆動軸が連結されている。大歯車３は、車軸５に嵌め込まれて車軸５と一体化され、車軸５には、車輪８が嵌め込まれている。

小歯車軸４は、小歯車２の軸方向の両側で軸受６によって回転可能に支持され、車軸５は、大歯車３の軸方向の両側で軸受７によって回転可能に支持されている。軸受６、７としては、円錐ころ軸受などのころ軸受が用いられる。主電動機の駆動により小歯車軸４と一体で小歯車２が回転し、これに伴って、大歯車３が小歯車２と噛み合いにより減速されて回転し、大歯車３の回転に伴って車軸５が回転する。

歯車箱１内には、図示しない潤滑油が貯溜されており、この潤滑油は、回転する大歯車３によりかき上げられて、大歯車３と小歯車２同士の噛み合い部、および軸受６、７に供給され、これらの潤滑を行う。軸受６、７に供給された潤滑油は、従来、以下に示す軸封機構によって外部への漏出が防止されている。

図２は、従来の鉄道車両用歯車装置の軸封機構を示す小歯車軸周辺の断面図である。ここでは、同図に示す小歯車軸に対する軸封機構を説明するが、車軸に対する軸封機構も基本的に同様の構成である。

同図に示すように、小歯車軸４には、軸受６の軸方向の外側に、その軸受６の内輪に隣接して、管状の油切り部材１０が嵌め込まれている。また、軸受６は、その外輪を環状の軸受押え部材２０により保持され、軸受押え部材２０は、ボルト４２によって歯車箱１に取り付けられている。さらに、油切り部材１０の周囲には押え蓋４０が環装され、押え蓋４０は軸受押え部材２０に接合されている。

油切り部材１０の外周面には、周方向に沿って延在する第１の突起部１１が設けられている。この油切り部材１０の第１の突起部１１と、押え蓋４０との間の微小隙間により、非接触形のラビリンス構造のシール部（以下、「第１シール部」ともいう）が形成される。

さらに、油切り部材１０の外周面には、第１の突起部１１の軸方向の内側に、第２の突起部１５が設けられている。一方、軸受押え部材２０には、第２の突起部１５の外周面と微小な隙間をあけて対向する環状部２５が設けられている。この油切り部材１０の第２の突起部１５の外周面と、軸受押え部材２０の環状部２５の内周面との微小隙間により、非接触形のシール部（以下、「第２シール部」ともいう）が形成される。

このような従来の歯車装置の軸封機構は、以下の手順で組み立てられる。小歯車２および軸受６を備えた小歯車軸４に、油切り部材１０を焼きばめなどによって嵌め込み、小歯車軸４と油切り部材１０を一体化させる。次に、軸受６に軸受押え部材２０を嵌め込み、その後に、押え蓋４０を取り付ける。

ここで、軸受押え部材２０を組み付ける際、軸受押え部材２０の環状部２５の内径が、先に組み付けられた油切り部材１０の第１の突起部１１の最外径よりも小さく設定されていると、環状部２５が第１の突起部１１に干渉し、軸受押え部材２０の組み付けを行うことができない。そのため、従来の軸封機構では、軸受押え部材２０の環状部２５の内径が、油切り部材１０の第１の突起部１１の最外径よりも大きく設定されている。

このような構成の従来の軸封機構において、軸受６に供給された潤滑油は、第２シール部、さらに第１シール部という２重のシール部で封じられる。

ところが、近年、鉄道車両の益々の高速走行化に伴い、軸受に供給された潤滑油が、第２シール部および第１シール部を順次通じて、歯車装置の外部に漏出することがあった。この改善策として、特許文献１には、車軸に対する軸封機構に関し、押え蓋と車輪ボスとの間に、ラビリンスの一部として作用する隙間を形成した外蓋を設ける技術が提案されている。そして、特許文献１では、ラビリンスシールとして機能する外蓋を設けることにより、潤滑油の漏出を防止できるとされている。

実開平６−８１８５７号公報

前記特許文献１で提案された技術では、第１シール部および第２シール部に加えて、さらに歯車装置の外側に設けた別途の外蓋によりシール部を形成するものであるため、外蓋が追加された分、歯車装置が大型化し、歯車装置の重量が増大するとともに、軸方向のスペースが必要となる。これは、鉄道車両の高速走行化を阻害する要因となる。

しかも、前記特許文献１で提案された技術は、主軸に対しての軸封機構であり、小歯車軸に対しては、依然、高速走行時の潤滑油の漏出を防止できない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、鉄道車両の高速走行化に支障がなく、高速走行時に歯車装置からの潤滑油の漏出を防止することができる軸封機構、およびこれを備えた鉄道車両用歯車装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鉄道車両の高速走行時、すなわち小歯車軸および車軸の高速回転時における潤滑油の流動に関して鋭意検討を重ねた結果、下記の知見を得た。
（Ａ）大歯車によりかき上げられて小歯車軸の軸受に供給された潤滑油は、小歯車軸の高速回転による高い遠心力を受け、軸受から第２シール部までの空間において、その回転軸である小歯車軸の径方向の外方に向けて飛散する。車軸の軸受に供給された潤滑油も、同様に、その回転軸である車軸の径方向の外方に向けて飛散する。
（Ｂ）一方、従来の軸封機構では、上述したように、各部材の組付け時の制約から、軸受押え部材の環状部の内径が、油切り部材の第１の突起部の最外径よりも大きく設定されているため、第２シール部の形成位置が回転軸の径方向の外方寄りにならざるを得ない。
（Ｃ）上記（Ａ）および（Ｂ）より、従来の軸封機構では、回転軸の径方向の外方に向けて飛散した潤滑油が、そこに形成されている第２シール部にそのまま到達するため、第２シール部を通過し易く、シール外側の圧力が低くなった場合、その負圧により、第２シール部が十分にシール機能を果たすことができない。すなわち、潤滑油の漏出に第２シール部の形成位置が大きく影響を及ぼすことを知見した。

このような知見に基づき、軸封機構における第２シール部の形成位置に着目し、以下に示す本発明を完成させた。

本発明の軸封機構は、歯車を一体に備える回転軸と、前記歯車の軸方向の両側で前記回転軸を支持する軸受と、前記回転軸に嵌め込まれ前記軸受の軸方向の外側で前記回転軸と一体で回転する油切り部材と、前記軸受を保持する軸受押え部材と、前記油切り部材に環装され前記軸受押え部材に固定される押え蓋と、を備えた鉄道車両用歯車装置において、前記油切り部材の外周面を周方向に沿って延在する第１の突起部と前記押え蓋との間にラビリンス構造の第１シール部が形成される軸封機構であって、前記第１の突起部の軸方向の内側で、前記第１の突起部の最外径よりも内径が小さく周方向に分割可能な分割環状部材を前記軸受押え部材に取り付け、前記分割環状部材の内周面と前記油切り部材との間で第２シール部が形成されることを特徴とするものである。ここでいう回転軸とは、小歯車軸または車軸のことを意味し、回転軸と一体の歯車とは、小歯車軸の場合は小歯車のことを、車軸の場合は大歯車のことをそれぞれ意味する。

このような構成にすれば、第２シール部の形成位置が回転軸の径方向の内寄りとなるため、鉄道車両の高速走行時、回転軸の径方向の外方に向けて飛散した潤滑油は、第２シール部への到達が抑制され、第２シール部を通過し難い状態になる。その結果、第２シール部が高速走行時のシール機能を十分に発揮し、これにより、第１シール部のシール機能とあいまって、潤滑油の漏出を防止することが可能になる。しかも、歯車装置の大型化や重量増大は生じず、鉄道車両の高速走行化に支障はない。

ここで、潤滑油の漏出防止の確実性を高めるためには、前記第２シール部が前記分割環状部材の内周面と前記油切り部材の外周面との間で形成されることが好ましい。保守点検時の分割環状部材の取付けおよび取外しの容易性を踏まえると、前記分割環状部材が前記軸受押え部材にボルトによって取り付けられることが好ましい。潤滑油の漏出防止を一層図る観点から、前記分割環状部材が軸方向に複数段設けられることが好ましい。

また、本発明の歯車装置は、主電動機とたわみ軸継手を介して連結され小歯車を一体に備える小歯車軸と、前記小歯車と噛み合う大歯車を一体に備える車軸と、上記の軸封機構を備えた鉄道車両用歯車装置であって、前記回転軸が、前記小歯車軸、および前記車軸のうちの少なくとも一方であることを特徴とするものである。

本発明の軸封機構、およびこれを備えた歯車装置によれば、第２シール部が高速走行時のシール機能を十分に発揮し、潤滑油の漏出を防止することができる。しかも、歯車装置の大型化や重量増大は生じず、鉄道車両の高速走行化に支障はない。

以下に、本発明の軸封機構および歯車装置の実施形態について、図面を参照しながら詳述する。

図３は、本発明の鉄道車両用歯車装置の軸封機構を示す小歯車軸周辺の図であり、同図（ａ）は軸方向に沿った断面図、同図（ｂ）は軸方向視での平面図である。

同図に示すように、小歯車軸４には、軸受６の軸方向の外側に、その軸受６の内輪に隣接して、管状の油切り部材１０が嵌め込まれている。油切り部材１０は、小歯車軸４と一体で回転する。また、軸受６は、その外輪を環状の軸受押え部材２０により保持されている。この軸受押え部材２０の軸方向の外側となる側面には、周方向に分割可能な板状の分割環状部材３０が取り付けられている。さらに、油切り部材１０の周囲には押え蓋４０が環装されている。押え蓋４０は軸受押え部材２０に重ねられ、軸受押え部材２０とともに、周縁部の４箇所をノックピン４３により位置決めされつつ、周縁部の８箇所をボルト４２により歯車箱１に取り付けられている。

油切り部材１０の外周面には、周方向に沿って延在する第１の突起部１１が設けられており、この第１の突起部１１の軸方向の外側となる側面には、同心円状に２つの凸部１２が設けられている。一方、押え蓋４０には、油切り部材１０の第１の突起部１１からの凸部１２を微小な隙間をあけて受け入れる凹部４１が設けられている。この油切り部材１０の第１の突起部１１からの凸部１２と、押え蓋４０の凹部４１との間の微小隙間により、非接触形のラビリンス構造の第１シール部が形成される。

分割環状部材３０は、ボルト３１により軸受押え部材２０の外側面に取り付けられ、油切り部材１０の第１の突起部１１の軸方向の内側に配置された状態になっている。分割環状部材３０の内径は、油切り部材１０の外周面の径よりも僅かに大きく設定されており、分割環状部材３０の内周面と、油切り部材１０の外周面との微小隙間により、非接触形の第２シール部が形成される。

図４は、本発明の軸封機構を構成する分割環状部材の一例を示す平面図である。同図に示すように、分割環状部材３０は、周方向に２分割された半円弧状の上側分割部材３０Ａおよび下側分割部材３０Ｂから成り、上側分割部材３０Ａと下側分割部材３０Ｂとを組み合わせることにより、環状となるものである。上側分割部材３０Ａおよび下側分割部材３０Ｂの各周縁部には、ボルト３１による軸受押え部材２０への取付けのためのボルト取付け穴３２、および位置決めのためのノックピン３３が２箇所ずつ設けられている。

また、下側分割部材３０Ｂは、その周縁部の鉛直方向の下部に切欠き３４が設けられている。この切欠き３４には、軸受押え部材２０に形成された切り穴２１の一端が臨んでおり、この切り穴２１は、歯車箱１の内部に連通している（前記図３参照）。

このような歯車装置の軸封機構は、以下の手順で組み立てられる。小歯車２および軸受６を備えた小歯車軸４に、油切り部材１０を焼きばめなどによって嵌め込み、小歯車軸４と油切り部材１０を一体化させる。次に、軸受６に軸受押え部材２０を嵌め込み、その後に、分割環状部材３０を構成する上側分割部材３０Ａおよび下側分割部材３０Ｂを個々に軸受押え部材２０に取り付ける。このとき、分割環状部材３０は、分割された上側分割部材３０Ａと下側分割部材３０Ｂとを組み合わせて成るものであるため、その内径が、先に組み付けられた油切り部材１０の第１の突起部１１の最外径よりも小さく設定されていても、第１の突起部１１との干渉を回避しながら組み付けを行うことができる。そして、軸受押え部材２０に押え蓋４０を取り付ける。

このような構成の軸封機構において、軸受６に供給された潤滑油は、第２シール部、さらに第１シール部という２重のシール部で封じられる。その際、第２シール部は、油切り部材１０の第１の突起部１１の最外径よりも小さく設定された内径の内周面と、油切り部材１０の外周面との微小隙間により形成されるため、第２シール部の形成位置は、小歯車軸４の径方向の内寄りとなる。このため、鉄道車両の高速走行時、小歯車軸４の径方向の外方に向けて飛散した潤滑油は、そこに第２シール部が形成されていないことから、第２シール部への到達が抑制され、第２シール部を通過し難い状態になる。そして、軸受６から第２シール部までの空間に存在する潤滑油、および第２シール部を通過して第１シール部までの空間に存在する潤滑油は、分割環状部材３０を構成する下側分割部材３０Ｂの切欠き３４から軸受押え部材２０の切り穴２１を通じ、歯車箱１内に回収される。

従って、本発明の軸封機構によれば、第２シール部が高速走行時のシール機能を十分に発揮し、これにより、第１シール部のシール機能とあいまって、潤滑油の漏出を防止することが可能になる。しかも、本発明の軸封機構は、前記特許文献１で提案されたような外蓋を歯車装置の外側にさらに設けるわけではなく、従来の軸封機構と比較して、第２シール部自体を改良したものであるため、歯車装置の大型化や重量増大は生じず、鉄道車両の高速走行化に支障はない。

本発明の軸封機構は、上述した通り、小歯車軸に対して適用できるが、歯車を一体で備えた回転軸であれば同様の状況が起こるため、大歯車を一体に備えた車軸に対しての適用も可能である。すなわち、本発明の軸封機構は、歯車装置において、小歯車軸および車軸のうちの少なくとも一方に対して適用することができる。

また、前記図３および図４に示す軸封機構では、分割環状部材３０の内周面と油切り部材１０の外周面との間で第２シール部が形成されているが、分割環状部材３０の内径が油切り部材１０の第１の突起部１１の最外径よりも小さく設定される限り、例えば、油切り部材１０の外周面の一部に第２の突起部を設け、当該第２の突起部との間で第２シール部が形成されるようにしてもよい。ただし、潤滑油の漏出防止の確実性を高めるためには、第２シール部の形成位置が回転軸の径方向の最も内寄りとなるように、分割環状部材３０の内周面と油切り部材１０の外周面との間で第２シール部が形成されるのが好ましい。

また、前記図３および図４に示す軸封機構では、軸受押え部材２０への分割環状部材３０の取付けをボルト３１による締結で行っているが、圧入や、溶接などの接合で行うこともできる。ただし、保守点検時の分割環状部材３０の取付けおよび取外しの容易性を踏まえると、ボルト３１による締結が好ましい。

また、前記図３および図４に示す軸封機構では、分割環状部材３０を軸方向に１段設けた構成であるが、分割環状部材を軸方向にシムなどを間に挟んで複数枚重ね、複数段設けた構成にすることができる。分割環状部材の段数が増えるほど、第２シール部自体のシール性能が向上するため、複数段の分割環状部材の設置は、潤滑油の漏出防止を一層図ることができる点で有効である。

また、前記図３および図４に示す軸封機構では、分割環状部材３０が周方向に２分割された半円弧状の上側分割部材３０Ａおよび下側分割部材３０Ｂから構成されるが、分割環状部材の分割数に制限はなく、３分割以上に分割された円弧状の部材から分割環状部材が構成されても構わない。

本発明の軸封機構による効果を確認するため、以下の試験を行った。本実施例の試験では、試験用の歯車装置に、本発明例として前記図３および図４に示す本発明の軸封機構を小歯車軸に対して組み込み、この歯車装置を稼動させて、潤滑油の漏れ状況を調査した。その際、鉄道車両の速度に相当する指標として、その速度上昇に対応して上昇する潤滑油の温度を採用し、潤滑油の温度ごとに油漏れを調査した。比較例として、前記図２に示す従来の軸封機構を歯車装置に組み込んだものについて、同様の油漏れ調査を行った。

試験の結果、比較例では、６５℃〜６９℃で油漏れが発生したが、本発明例では、比較例で油漏れが発生した温度をはるかに超える９８℃でも油漏れの発生はなかった。すなわち、本発明例では、比較例と比べて、鉄道車両の高速走行時であっても潤滑油の漏出を防止できることが確認できた。

本発明の軸封機構、およびこれを備えた歯車装置によれば、第２シール部の形成位置が小歯車軸または車軸の径方向の内寄りとなるため、鉄道車両の高速走行時、それぞれの回転軸の径方向の外方に向けて飛散した潤滑油は、第２シール部への到達が抑制され、第２シール部を通過し難い状態になる。その結果、第２シール部が高速走行時のシール機能を十分に発揮し、これにより、第１シール部のシール機能とあいまって、潤滑油の漏出を防止することができる。しかも、歯車装置の大型化や重量増大は生じず、鉄道車両の高速走行化に支障はない。従って、本発明は、高速走行化に対応した鉄道車両の歯車装置に極めて有用である。

従来の鉄道車両用歯車装置の構成を示す断面図である。 従来の鉄道車両用歯車装置の軸封機構を示す小歯車軸周辺の断面図である。 本発明の鉄道車両用歯車装置の軸封機構を示す小歯車軸周辺の図であり、同図（ａ）は軸方向に沿った断面図、同図（ｂ）は軸方向視での平面図である。 本発明の軸封機構を構成する分割環状部材の一例を示す平面図である。

符号の説明

１ 歯車箱
２ 小歯車
３ 大歯車
４ 小歯車軸
５ 車軸
６ 軸受
７ 軸受
８ 車輪
１０ 油切り部材
１１ 第１の突起部
１２ 凸部
２０ 軸受押え部材
２１ 切り穴
３０ 分割環状部材
３０Ａ 上側分割部材
３０Ｂ 下側分割部材
３１ ボルト
３２ ボルト取付け穴
３３ ノックピン
３４ 切欠き
４０ 押え蓋
４１ 凹部
４２ ボルト
４３ ノックピン

Claims (5)

1. 歯車を一体に備える回転軸と、前記歯車の軸方向の両側で前記回転軸を支持する軸受と、前記回転軸に嵌め込まれ前記軸受の軸方向の外側で前記回転軸と一体で回転する油切り部材と、前記軸受を保持する軸受押え部材と、前記油切り部材に環装され前記軸受押え部材に固定される押え蓋と、を備えた鉄道車両用歯車装置において、前記油切り部材の外周面を周方向に沿って延在する第１の突起部と前記押え蓋との間にラビリンス構造の第１シール部が形成される軸封機構であって、
   前記第１の突起部の軸方向の内側で、前記第１の突起部の最外径よりも内径が小さく周方向に分割可能な分割環状部材を前記軸受押え部材に取り付け、前記分割環状部材の内周面と前記油切り部材との間で第２シール部が形成されることを特徴とする軸封機構。
2. 前記第２シール部が前記分割環状部材の内周面と前記油切り部材の外周面との間で形成されることを特徴とする請求項１に記載の軸封機構。
3. 前記分割環状部材が前記軸受押え部材にボルトによって取り付けられることを特徴とする請求項１または２に記載の軸封機構。
4. 前記分割環状部材が軸方向に複数段設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸封機構。
5. 主電動機とたわみ軸継手を介して連結され小歯車を一体に備える小歯車軸と、前記小歯車と噛み合う大歯車を一体に備える車軸と、請求項１〜４のいずれかに記載の軸封機構を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
   前記回転軸が、前記小歯車軸、および前記車軸のうちの少なくとも一方であることを特徴とする鉄道車両用歯車装置。

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