JP2012047250A - 歯車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】歯車軸と、歯車軸を回転自在に支持する一対の転がり軸受とを備えた歯車装置の耐久寿命を向上する。
【解決手段】外周に大歯車４と噛合する歯部を有する小歯車３が設けられ、駆動源の出力を受けて回転する歯車軸２と、小歯車３の軸方向両側に配置されて歯車軸２を歯軸箱５に対して回転自在に支持する一対の円すいころ軸受２０，２０とを有する歯車装置１である。一対の円すいころ軸受２０，２０は、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とを支持することができるように対称的に配置されている。一方の円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ１と、他方の円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ２とが、外輪２２の外径側にて交差するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、外周に大歯車と噛合する小歯車が設けられた歯車軸と、この歯車軸を回転自在に支持する転がり軸受とを備えた歯車装置の改良に関する。

図４に、一般的な鉄道車両の駆動系の周辺構造を模式的に示す。同図に示すように、モータ等の駆動源１０１の出力は、継手１０２を介して小歯車１０３および大歯車１０４を有する歯車装置１０５に伝達され、所定のギヤ比で減速されたうえで車輪１０６ａが取り付けられた車軸１０６に伝達される。車軸１０６の両端には、弾性部材１０７を介して台車枠１０８に支持された軸箱１０９が配置される。車軸１０６は、軸箱１０９内に配された転がり軸受１１０によって回転自在に支持され、かつ台車枠１０８に対して適正位置に保持されている。歯車装置１０５の静止側を構成する歯軸箱１１３の内底部には潤滑油１１２が貯留されており、大歯車１０４が潤滑油１１２を跳ね上げることによって歯車装置１０５の内部潤滑が行われる。

図５に、図４に示す歯車装置１０５の一部を拡大して示す。歯車装置１０５は、外周に大歯車１０４と噛合する歯部を有する小歯車１０３が設けられ、駆動源１０１の出力を受けて回転する歯車軸１１１と、小歯車１０３の軸方向両側に配置されて歯車軸１１１を歯軸箱１１３に対して回転自在に支持する一対の転がり軸受１２０，１２０とを備える。各転がり軸受１２０は、外周に円すい状の軌道面を有する内輪１２１と、内周に円すい状の軌道面を有する外輪１２２と、両軌道面間に転動自在に介在する複数の円すいころ１２３と、円すいころ１２３を円周方向所定間隔で保持する保持器１２４とを備えたいわゆる円すいころ軸受である。一対の転がり軸受１２０，１２０は、内輪１２１および外輪１２２の円すい状をなした軌道面のうち大径部の側を小歯車１０３に近接させるようにして対称配置される。このような転がり軸受１２０，１２０の配置態様は正面組み合わせとも称され、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とを同時に支持することができることから、この種の歯車装置１０５に広く採用されている（例えば、特許文献１）。

歯軸箱１１３は、筒部１１４と、筒部１１４の両端開口部を封止する蓋部１１５，１１５とを備え、各転がり軸受１２０の外輪１２２は、蓋部１１５の内周にそれぞれ固定されている。なお、図５に示す歯車装置１０５では、筒部１１４と蓋部１１５の間に介設した環状のシム（スペーサ）１１６の厚みを調整することにより、各転がり軸受１２０の軸受隙間の隙間幅調整や、小歯車１０３と大歯車１０４の歯部の当たり調整等がなされている。

特開２００７−１９８４４７号公報

上記の構成を有する歯車装置１０５の駆動時（鉄道車両の運転走行時）、駆動源１０１の出力を受けて回転する歯車軸１１１の回転速度は数千ｒｐｍ程度にまで及ぶ。そのため、歯車装置１０５の駆動時において、歯車装置１０５の回転側を構成する歯車軸１１１は熱膨張し易く、この熱膨張は軸方向の伸びとして現れる。その一方、歯車装置１０５の静止側を構成する歯軸箱１１３（筒部１１４や蓋部１１５）は、常時外気に触れて冷却（放熱）されていることから、歯車装置１０５の駆動時においても熱膨張は生じ難い。従って、この種の歯車装置１０５において、回転側と静止側との間の熱膨張量差が大きくなることは避け難い事態であるものの、この熱膨張量差が歯車装置１０５の耐久寿命に悪影響を及ぼすことがある。

これは、上記の歯車装置１０５の構造上、歯車軸１１１の熱膨張量が歯軸箱１１３のそれに比べて大きくなったときには、転がり軸受１２０に負荷される軸方向荷重が大きくなるために、摩耗や破損等の問題が生じ易くなるためであると考えられる。すなわち、歯車装置１０５の駆動時に熱膨張し易い（軸方向に伸び易い）歯車軸１１１の外周に固定された内輪１２１の軸方向位置は、歯車装置１０５の軸方向外側に移行する一方、歯車装置１０５の駆動に伴う温度上昇の影響を殆ど受けない蓋部１１５の内周に固定された外輪１２２の軸方向位置は変化しない。この場合、上記の歯車装置１０５では、一対の転がり軸受１２０，１２０が正面組み合わせの状態で配置されているために、転がり軸受１２０の内部に予め設定していた軸受隙間（軸方向隙間）の隙間幅が縮小し、その結果、転がり軸受１２０に負荷される軸方向荷重が大きくなるものと考えられる。

かかる実情に鑑み、本発明の目的は、外周に小歯車が設けられた歯車軸と、この歯車軸を回転自在に支持する一対の転がり軸受とを備えた歯車装置において、駆動時における転がり軸受の摩耗や破損等の不具合発生を可及的に防止して、その耐久寿命向上を図ることにある。

上記の目的を達成すべく創案された本発明は、外周に大歯車と噛合する歯部を有する小歯車が設けられ、駆動源の出力を受けて回転する歯車軸と、小歯車の軸方向両側に配置されて歯車軸を歯軸箱に対して回転自在に支持する一対の転がり軸受とを有する歯車装置であって、各転がり軸受が、歯車軸の外周に固定された内輪と、歯軸箱の内周に固定された外輪と、内輪の外周に設けた軌道面と外輪の内周に設けた軌道面との間に転動自在に介在する複数の転動体とを備え、かつ一対の転がり軸受で、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とが支持されるものにおいて、一方の転がり軸受の荷重作用線の延長線と、他方の転がり軸受の荷重作用線の延長線とが外輪の外径側にて交差するように構成したことを特徴とする。

このように、本発明に係る歯車装置は、一対の転がり軸受で、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とが支持されるものであって、一対の転がり軸受の荷重作用線の延長線が外輪の外径側にて交差するように構成されたことを特徴とする。これはすなわち、一対の転がり軸受が、いわゆる背面組み合わせの状態で配置されることを意味する。このようにすれば、当該歯車装置が駆動されるのに伴って、歯軸箱に比べて歯車軸が大きく熱膨張した場合（歯車軸に軸方向の伸びが生じた場合）でも、軸受隙間の隙間幅が縮小し、その結果、転がり軸受に過大な軸方向荷重が作用するような事態を可及的に防止することができる（例えば図１を参照）。そのため、転がり軸受の摩耗や破損を防止する上で有効となる。また、一対の転がり軸受を、いわゆる背面組み合わせの状態で配置したことから、図５に示す従来構造に比べて軸受の作用点間距離が大きくなり（例えば、図１中の符号Ｓと、図５中の符号Ｓ’を参照）、モーメント荷重に対する負荷能力を高めることができる。さらに、転がり軸受の摩耗等が可及的に防止できるのであれば、設計上、転がり軸受の軸受隙間の隙間幅を小さくすることができるので、振動や衝撃による転がり軸受の破損防止を図る上で有効となる。

上記構成において、歯車軸は、小歯車および一対の転がり軸受の何れか一方の内輪が設けられる第１分割軸と、一対の転がり軸受の他方の内輪が設けられる第２分割軸とを分離可能に結合して形成することができる。この場合、第１分割軸と第２分割軸のうち、何れか一方に設けた軸方向の孔部に、他方に設けた軸部を嵌合することができ、孔部と軸部の嵌合部に、両者をテーパ嵌合してなるテーパ嵌合部を設けることができる。このようにすれば、両分割軸間の組付け精度を容易に高めることができることに加え、両者の接触面積を増大させて、分割軸間の固定強度を高めることができる。そのため、２つの分割軸を結合することによって形成される歯車軸の回転精度や信頼性を向上することができる。

以上の構成において、一対の転がり軸受の双方は、円すいころ軸受で構成しても良いし、アンギュラ玉軸受で構成しても良い。換言すると、歯車軸は、いわゆる背面組み合わせの複列円すいころ軸受、又は複列アンギュラ玉軸受で支持することができる。

以上の構成を有する本発明に係る歯車装置は、鉄道車両の駆動装置に組み込んで好ましく用いることができる。

以上に示すように、本発明によれば、外周に小歯車が設けられ、駆動源の出力を受けて回転する歯車軸と、この歯車軸を回転自在に支持する一対の転がり軸受とを備えた歯車装置において、駆動時における転がり軸受の摩耗や破損等の不具合発生を可及的に防止して、その耐久寿命向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る歯車装置の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る歯車装置の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る歯車装置の要部断面図である。 鉄道車両の駆動系を模式的に示す図である。 従来の歯車装置の概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る歯車装置１の断面図を示す。同図に示す歯車装置１は、鉄道車両の駆動系を構成するものであって、外周に大歯車４と噛合した歯部を有する小歯車３が設けられ、モータ等の駆動源（図４を参照）の出力を受けて回転する歯車軸２と、歯車軸２を歯軸箱５に対して回転自在に支持する一対の円すいころ軸受（転がり軸受）２０，２０とを備える。大歯車４は、鉄道車両の車輪が取り付けられた車軸の外周に設けられており、歯車軸２が回転するのに伴って小歯車３と噛合した大歯車４が回転すると、歯軸箱５の内底部に貯留された潤滑油が跳ね上げられる。これにより、歯車装置１の内部潤滑が行われるようになっている（図４を参照）。

歯軸箱５は、筒部６と、筒部６の両端開口部に配設された軸受押さえ蓋８，８とを備える。筒部６の車輪側開口部および駆動源側開口部は、蓋部材１０およびシール装置１１でそれぞれ封止されている。これにより、歯軸箱５の内部に充填された潤滑油の外部漏洩や、歯軸箱５内部への異物浸入が可及的に防止される。本実施形態では、筒部６と駆動源側の軸受押さえ蓋８との間、および筒部６と車輪側の軸受押さえ蓋８との間に、環状のシム（スペーサ）７をそれぞれ介設している。介設するシム７の厚みを適宜調整することにより、円すいころ軸受２０，２０の軸受隙間の隙間幅調整や、小歯車３の歯部３ａと大歯車４の歯部４ａの当たり調整等がなされる。

一対の円すいころ軸受２０，２０は、小歯車３の軸方向両側にそれぞれ配設されている。この種の歯車装置１の特性上、歯車軸２には、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とが同時に負荷される。そのため、一対の円すいころ軸受２０，２０は、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重を同時に支持するために対称配置されている。なお、各円すいころ軸受２０の構成（構造）は基本的に同一であるから、ここでは、小歯車３よりも駆動源側に配設された円すいころ軸受２０についてのみ詳細に説明し、小歯車３よりも車輪側に配設された円すいころ軸受２０についての説明は省略する。

円すいころ軸受２０は、外周に円すい状の軌道面２１ａを有する内輪２１と、内周に円すい状の軌道面２２ａを有する外輪２２と、内外輪２１，２２の軌道面２１ａ，２２ａ間に転動自在に介在する複数の円すいころ２３と、複数の円すいころ２３を円周方向所定間隔で保持する保持器２４とを備える。

外輪２２は、大端面２２ｂ（軌道面２２ａの大径部側の端面）を軸受押さえ蓋８のフランジ部８ａと軸方向で係合させるようにして軸受押さえ蓋８の内周に固定されている。

内輪２１は、軌道面２１ａの軸方向両側に設けられた小鍔部２１ｂと大鍔部２１ｃとを有し、小鍔部２１ｂ側の端面（小端面）を歯車軸２の肩面２ａに当接させるようにして（軌道面２１ａのうち小径部２１ｂの側を小歯車３に近接させるようにして）歯車軸２の外周に固定されている。詳しくは、内輪２１の大鍔部２１ｃよりも駆動源側に配置した締結手段１２を締め付けて、締結手段１２と歯車軸２の肩面２ａとで内輪２１の両端面を挟持することにより、歯車軸２の軸方向所定位置に内輪２１を固定すると共に、円すいころ軸受２０の内部に予圧を付与している。なお、図示例の締結手段１２は、歯車軸２の外周面に螺合するナット１２ａと、ナット１２ａと内輪２１の間に介在する回り止め座金１２ｂとからなる。

各円すいころ軸受２０を上記の態様で配置することにより、駆動源側に配置された円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ１と、車輪側に配置された円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ２とは、外輪２２の外径側にて交差する。このような円すいころ軸受２０，２０の配置態様（組み合わせ態様）は、背面組み合わせとも称される。

以上の構成からなる歯車装置１は、例えば次のようにして組み立てることができる。まず、歯軸箱５を構成する筒部６の内周に、外周に小歯車３を設けた歯車軸２を挿入しておく。この状態で、内周に車輪側の円すいころ軸受２０を構成する外輪２２が装着された軸受押さえ蓋８を筒部６の車輪側開口部に挿入し、その後、内輪２１、円すいころ２３および保持器２４を組み付けてなるアセンブリを歯車軸２の外周に嵌合する。そして、締結手段１２やシム７を組み付けて車輪側の円すいころ軸受２０を所定の態様で歯車軸２に取り付けた後、筒部６の車輪側開口部を蓋部材１０で封止する。併せて、内周に駆動源側の円すいころ軸受２０を構成する外輪２２が装着された軸受押さえ蓋８を筒部６の駆動源側開口部に挿入した後、上記同様のアセンブリを歯車軸２の外周に嵌合する。そして、締結手段１２やシム７を組み付けて駆動源側の円すいころ軸受２０を所定の態様で歯車軸２に取り付けた後、筒部６の駆動源側開口部にシール装置１１を装着する。

以上に示すように、本発明に係る歯車装置１は、一方の円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ１と、他方の円すいころ軸受２０の荷重作用線の延長線ＥＬ２とが、外輪２２の外径側にて交差するように構成される。このような構成によれば、歯車装置１が駆動されるのに伴って、歯軸箱５に比べて歯車軸２が大きく熱膨張した場合でも、円すいころ軸受２０の軸受隙間の隙間幅が縮小し、その結果、円すいころ軸受２０に過大な軸方向荷重が作用するような事態を可及的に防止することができる。歯車軸２の熱膨張に伴って歯車軸２が軸方向に伸びたとしても、内外輪２１，２２の軌道面２１ａ，２２ａ間距離が拡大するからである。これにより、円すいころ軸受２０の摩耗や破損を防止することができ、歯車装置１の耐久寿命向上を図ることができる。

また、一対の円すいころ軸受２０，２０を、いわゆる背面組み合わせの状態で小歯車３の軸方向両側に組み込んだことから、軸受の作用点間距離Ｓが従来の歯車装置に比べて大きくなり（図５中の符号Ｓ’で示す作用点間距離を参照）、モーメント荷重に対する負荷能力を高めることができる。さらに、円すいころ軸受２０の摩耗等を可及的に防止できるのであれば、設計上、軸受隙間の隙間幅を小さくすることができる。このようにすれば、歯車装置１に作用する振動や衝撃による円すいころ軸受２０の破損防止を図る上で有効となり、歯車装置１の動作不良も効果的に防止される。

以上、本発明の一実施形態に係る歯車装置１について説明を行ったが、歯車装置１には種々の変更を施すことが可能である。以下、本発明の他の実施形態について説明を行うが、以上で述べた実施形態と共通する部材・部位には共通の参照番号を付し、重複説明を省略する。

図２に、本発明の他の実施形態に係る歯車装置１の断面図を示す。同図に示す歯車装置１が図１に示すものと異なる主な点は、歯車軸２を、小歯車３および一対の円すいころ軸受２０，２０のうち何れか一方の内輪２１（ここでは駆動源側に配置される円すいころ軸受２０の内輪２１）が設けられる第１分割軸４１と、車輪側に配置される円すいころ軸受２０の内輪２１が設けられる第２分割軸４２とを分離可能に結合して形成した点にある。

第１分割軸４１の軸心上には軸方向の孔部４１ａが設けられており、この孔部４１ａは、孔底側に向かって内径寸法が漸次縮小したテーパ部４１ｂと、テーパ部４１ｂよりも孔底側に設けられた雌ねじ部４１ｃとを備える。一方、第２分割軸４２の軸心上には孔部４１ａと嵌合可能な軸部４２ａが設けられており、この軸部４２ａは、軸端側に向かって外径寸法が漸次縮小し、孔部４１ａのテーパ部４１ｂとテーパ嵌合可能なテーパ部４２ｂと、孔部４１ａの雌ねじ部４１ｃと螺合する雄ねじ部４２ｃとを備える。従って、第１分割軸４１に設けた軸方向の孔部４１ａに、第２分割軸４２に設けた軸部４２ａを嵌合すると、両者の嵌合部には孔部４１ａと軸部４２ａとをテーパ嵌合してなるテーパ嵌合部が形成される。このような構成によれば、両分割軸４１，４２を組付ける際には、孔部４１ａのテーパ部４１ｂによって軸部４２ａのテーパ部４２ｂがテーパ案内されるので、両分割軸４１，４２間の組付け精度を容易に高めることができる。また、両者の接触面積が増大する分、両分割軸４１，４２間の固定強度を高めることができる。そのため、２つの分割軸を結合することによって形成される歯車軸２の回転精度や信頼性を向上することができる。

なお、車輪側の円すいころ軸受２０の軸方向の位置決めは、当該円すいころ軸受２０の内輪２１と小歯車３との間に介設したスペーサ１３の厚みや、軸受押さえ蓋８と筒部６との間に介設したシム７の厚みを調整することによって行われる。また、第２分割軸４２には、スペーサ１３との間で内輪２１の両端面を挟持するためのフランジ部４２ｄが設けられている。フランジ部４２ｄの軸心上には、第２分割軸４２を第１分割軸４１に結合する際に用いる締結具（ここでは六角レンチ）が嵌合される断面正六角形の嵌合孔４２ｅが設けられる。

以上で示した歯車装置１では、歯車軸２を回転自在に支持する一対の転がり軸受の双方を円すいころ軸受２０で構成したが、図３に示すように、歯車軸２を回転自在に支持する一対の転がり軸受の双方をアンギュラ玉軸受３０で構成しても良い。この場合においても、以上で示した歯車装置１と同様に、一対のアンギュラ玉軸受３０，３０のうち、一方の荷重作用線の延長線ＥＬ１と他方の荷重作用線の延長線ＥＬ２とが、外輪３２の外径側で交差するように構成する。すなわち、小歯車３の軸方向両側に設けられる一対のアンギュラ玉軸受３０，３０を、背面組み合わせの状態で配置（対称配置）する。これにより、以上で述べた実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、各アンギュラ玉軸受３０は、外周に軌道面を有し、歯車軸２の外周に固定された内輪３１と、内周に軌道面を有し、歯軸箱５を構成する軸受押さえ蓋８の内周に固定された外輪３２と、内輪３１の軌道面と外輪３２の軌道面との間に転動自在に介在する転動体としてのボール３３と、ボール３３を円周方向所定間隔に保持する保持器３４とを主要な構成部材として備える。

なお、図３は、図１に示す歯車装置１の円すいころ軸受２０をアンギュラ玉軸受３０に置換したものであるが、図２に示す歯車装置１の円すいころ軸受２０をアンギュラ玉軸受３０に置換することももちろん可能である。

１ 歯車装置
２ 歯車軸
３ 小歯車
４ 大歯車
５ 歯軸箱
２０ 円すいころ軸受（転がり軸受）
２１ 内輪
２１ａ 軌道面
２２ 外輪
２２ａ 軌道面
２３ 円すいころ（転動体）
３０ アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
３１ 内輪
３２ 外輪
３３ ボール（転動体）
４１ 第１分割軸
４１ａ 軸方向の孔部
４２ 第２分割軸
４２ａ 軸部
ＥＬ１ 荷重作用線の延長線
ＥＬ２ 荷重作用線の延長線
Ｓ 作用点間距離

Claims (6)

1. 外周に大歯車と噛合する歯部を有する小歯車が設けられ、駆動源の出力を受けて回転する歯車軸と、小歯車の軸方向両側に配置されて歯車軸を歯軸箱に対して回転自在に支持する一対の転がり軸受とを有する歯車装置であって、各転がり軸受が、歯車軸の外周に固定された内輪と、歯軸箱の内周に固定された外輪と、内輪の外周に設けた軌道面と外輪の内周に設けた軌道面との間に転動自在に介在する複数の転動体とを備え、かつ一対の転がり軸受で、ラジアル荷重と両方向のアキシャル荷重とが支持されるものにおいて、
   一方の転がり軸受の荷重作用線の延長線と、他方の転がり軸受の荷重作用線の延長線とが外輪の外径側にて交差するように構成したことを特徴とする歯車装置。
2. 歯車軸を、小歯車および一対の転がり軸受の何れか一方の内輪が設けられる第１分割軸と、一対の転がり軸受の他方の内輪が設けられる第２分割軸とを分離可能に結合したもので形成したことを特徴とする請求項１に記載の歯車装置。
3. 第１分割軸と第２分割軸のうち、何れか一方に設けた軸方向の孔部に、他方に設けた軸部が嵌合され、孔部と軸部の嵌合部に、両者をテーパ嵌合してなるテーパ嵌合部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の歯車装置。
4. 一対の転がり軸受の双方を、円すいころ軸受で構成した請求項１〜３の何れか一項に記載の歯車装置。
5. 一対の転がり軸受の双方を、アンギュラ玉軸受で構成した請求項１〜３の何れか一項に記載の歯車装置。
6. 鉄道車両の駆動装置用である請求項１〜５の何れか一項に記載の歯車装置。

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