JP2736291B2 - 電気車両用駆動歯車装置 - Google Patents
電気車両用駆動歯車装置Info
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Description
歯車と、主電動機の回転軸に固着され、大歯車にかみ合
い回転力を伝達する小歯車とからなる、電気車両用駆動
歯車装置に関する。
車,電車,ディーゼル発電機と主電動機とによるディー
ゼル車などがあるが、電気機関車に適用した場合を説明
する。図6は電気機関車の概要を示す。10は電気機関
車で、車体11が台車12に載せられ、台車12は車輪
13を有している。15はパンタグラフである。16は
レール、17は架線である。
18は台車枠、19は一対の車輪13を固着した車軸
で、一対の軸受20を介し台車枠18を支持している。
21は駆動源の主電動機で、回転軸22の軸端に小歯車
23を固着している。24は車軸19に固着された大歯
車で、小歯車23にかみ合っており、回転を減速して車
軸19に伝える。主電動機21は、一方側が軸受25を
介し車軸19につり掛け支持され、他方側が取付台26
を介し台車枠18に弾性支持されている。
搭載するのに、図7に示すように、一対の車輪13間の
限られた空間中に収めなくてはならない。このため、駆
動歯車装置の単純化と、その占有空間ができるだけ小さ
くなるようにしなければならない。主電動機21は、車
軸19に直接つり掛けて小歯車23と大歯車24のかみ
合い関係を成立させているので、この一連の駆動形式を
つり掛け式と呼んでいる。
車装置について説明する。図7に示す、車軸19に固着
された車輪13と、台車枠18の軸受20とに作用す
る、機関車10の重量による車軸19のたわみは、図8
のようになる。台車枠18の軸受20の力の作用点20a
に、車体11及び台車枠18の重量による荷重Wが作用
し、車輪13の力の作用点13aに反力を生じる。その結
果、車軸19が無荷重状態の直線19aから曲線19bのよ
うにたわむ。車軸19に固着された大歯車24は、車軸
19のたわみ曲線19bとともに傾斜し、その軸中心線24
aと台車枠18の両側の軸受20間を結ぶ直線19aに対
し、傾き角αを生じる。
れた小歯車23について考察する。図9(A)は図2の主
電動機21の縦断面図を示す。27は固定子、28は回
転軸22に固定された回転子、29は回転軸22を固定
子27に支持する軸受である。図7において、主電動機
21の回転力が小歯車23から大歯車24に伝達される
が、この場合、主電動機21の回転方向によって、小歯
車23が大歯車24から受ける反力の方向が異なる。
23側)から見て時計回り回転したとき、回転軸22が
曲る方向を図9(B)に示す。小歯車23が大歯車24か
ら下向きの反力Pを受け、力が作用する前は直線22aで
あった回転軸22が、曲線22bのように上に凸形にたわ
む。その結果、小歯車23は回転軸22のたわみ曲線22
bにより傾斜し、その延長線23aは、主電動機21の両
端側の一対の軸受29間を結ぶ直線22aに対し傾き角β
1を生じる。
ら見て、反時計回り回転したとき、回転軸22が曲る方
向を図9(C)に示す。小歯車23の作用,反作用が図9
(B)とは反対方向となり、小歯車23は傾き角β2を生
じる。
と、図9(B)の小歯車23の歯すじとの相対傾きを示す
(主電動機21が負荷側から見て時計回り回転のと
き)。23bは小歯車23のかみ合っている歯で、ピッチ円
上の断面で示す。24bは大歯車24のかみ合っている歯
で、ピッチ円上の断面で示す。αは図8における大歯車
24の傾き角、β1は図9(B)における小歯車23の傾
き角、θ1は大歯車24の歯24bと小歯車23の歯23b
のかみ合い状態の相対傾き角である。
と、図9(C)小歯車23の歯すじの相対傾きを示す(主
電動機21が負荷側から見て反時計回り回転のとき)。
23b,24b,αは図10(A)と同様である。β2は図9
(C)における小歯車の傾き角、θ2は大歯車24の歯24
bと小歯車23の歯23bのかみ合い状態の相対傾き角であ
る。
を伝達しながらかみ合う対をなす小歯車23と大歯車2
4は、これらの取付られた軸の剛性によってそれぞれ異
なったたわみ角を生じるので、通常の平歯車では歯幅の
端(図10(A)でA点,図10(B)でB点)で角当りす
る。これは、歯の強度上非常に不利になる。
対をなす小歯車と大歯車のうち、一方(一般には小歯車
23の方)の歯車の歯のピッチ円に沿って切った断面に
丸みRC11を与え、(これをクラウニングという)、
かみ合い接触点を端より内側(図のC点)に移し、角当
りを防ぐ手段が採用されていた。23cは小歯車23のクラ
ウニングされた歯を示す。
荷重,無負荷時平行になっていることを前提にし、図1
2に示すように、小歯車23の歯23cの裏表対象にクラ
ウニングが施されていた。そのため、図10(B)に示す
歯車の相対傾き角θ2の大きい方(図10(A)のθ1に
比べて)を満足するように、クラウニングを施す必要が
あった。すなわち、クラウニング半径RC11を小さい
方に統一しなければならなかった。
触するときの接触点の応力は、近似的に数1の(1)式で
表される。
のインボリュート歯形の曲率半径、R2を大歯車24の
インボリュート歯形の曲率半径、RC1を小歯車23の
歯面のクラウニング半径(RC11)、RC2を大歯車
24の歯面のクラウニング半径(実際にはクラウニング
を施さないので無限大)、Pを歯車のかみ合い力とする
と、σは歯車歯面の接触応力となる。(1)式から、R
1,R2,RC1,RC2を大きくするほど、接触応力
σを小さくできることが分かる。
11,図12のように、大きい方の相対傾き角θ2に合
わせてクラウニング半径RC11を決めなければならな
かったので、クラウニング半径RC11が小さくなり、
その結果接触応力が大きくなるという問題点があった。
ためになされたもので、双方の歯車のかみ合い接触面に
発生する応力を低減し、回転力の伝達能力を向上させる
電気車両用駆動歯車装置を得ることを目的としている。
は、支持荷重による車軸のたわみによって生じた大歯車
の傾きに対処し、第1の発明では、小歯車の歯すじを捩
り大歯車の歯すじと平行にかみ合うようにし、双方の歯
車のうち、いずれか一方の歯車の歯すじに施したクラウ
ニングの半径を増大したものである。
ように、あらかじめ大歯車の歯すじを捩り、小歯車の歯
すじと平行にかみ合うようにし、双方の歯車のうち、い
ずれか一方の歯車の歯すじに施したクラウニングの半径
を増大したものである。
大歯車の傾き角だけ傾けて、車軸と台車枠とに装着し、
小歯車の歯すじと大歯車の歯すじが平行にかみ合うよう
にし、双方の歯車のうち、いずれか一方の歯車の歯すじ
に施したクラウニングの半径を増大したものである。
の歯すじを大歯車の傾き角に合わせ捩っており、第2の
発明では大歯車の歯すじを大歯車の傾き角に合わせ補正
するように捩っており、第1,第2の発明とも、小歯車
と大歯車のいずれか一方乗り歯すじに施したクラウニン
グの半径の増大で、双方のかみ合い接触面積が増大さ
れ、接触応力が減少される。また、第3の発明では、主
電動機の回転軸に固着された小歯車が、大歯車の傾き角
と同じく傾けられて大歯車にかみ合わされ、小歯車と大
歯車のいずれか一方の歯すじに施したクラウニングの半
径の増大で、双方の歯のかみ合い接触面積が増大され、
接触応力が減少される。
例を示す要部正面図で、大歯車は鎖線で示している。大
歯車24は歯24bの歯すじを従来装置と同様に、車軸1
9が全くたわんでいない状態の車軸中心線に平行に歯切
りしてある。図では、大歯車24は台車枠18(図7参
照)に組込んだ状態を示し、車軸19の荷重によるたわ
みで、傾き角α(図8参照)傾いている。大歯車24の
歯すじにかみ合う小歯車23の歯23eの歯すじは、大歯
車24の傾き角αに合わせ、平行になるように捩ってい
る。これにより、図2に示すように、クラウニング半径
R12を、図12に示す従来のクラウニング半径R11
より増大させている。Dは双方の歯23eと24bのかみ合
い接触点を示す。
ものより大きくできるのかを説明する。図3はクラウニ
ング曲線を座標上に示している。直交する縦軸をy,横
軸をx,クラウニング曲線をV,その曲率半径をRc,
曲線V上の任意の点Q(x1,y1),x軸とy軸の交
点を0とすると、曲線Vの方程式は(2)式のようにな
り、その微分方程式は(3)式のようになる。 y=x2/(2RC) ・・・・・(2) ただしdy/dx≪1 dy/dx=x/RC ・・・・・(3)
線Vに接する直線Mのx軸に対する勾配iは、次の式(4
・1)で表される。 i=d(y1)/dx=x1/RC ・・・・・(4・1) 式(4・1)を変形して、式(4・2)のように表すこともでき
る。 RC=x1/i ・・・・・(4・2) これを、小歯車23の歯のクラウニング曲線(図11,
図12)にあてはめると、RCをRC 11 に、iをθ2
に、x1をRC11の中心から接触点Cまでの距離Lに
置換えることができる。式(4・2)をこれらの記号に置換
えて表すと、式(4・3)のようになる。 RC11=L/θ2 ・・・・・(4・3) Lを一定にすると、θ2を小さくするほどRC11が大
きくなる。θ2を小さくするためには、小歯車23の歯
すじを、あらかじめ、大歯車24の歯すじに対して、α
(図8,図10(A),図10(B),図1)だけ傾けるよう
に歯切りすればよい。
(B)のθ2を平均化することにより、主電動機21が時
計回り回転しても、反時計回り回転しても、小歯車23
と大歯車24の歯面の相対傾き角が同じになるようにす
ることである。
も、反時計回り回転のときも同じ回転力を出すので、図
10(A),図10(B)のβ1とβ2の絶対値は同じにな
る。これをβの記号で代表すると、この発明の歯車の組
合せでは、小歯車23と大歯車24の歯すじの最大相対
傾き角θはβと等しくなる。
歯車24をそれぞれ単独で歯切りした歯すじは、図1に
示すようになる。
の重量により生じる車軸19のたわみによる、大歯車2
4の歯すじの傾き角に、小歯車23の歯すじを合わせて
車両全体を組立てたとき、駆動装置が無負荷状態におい
て、双方の歯すじが平行になるようにすることにある。
この目的を達するには、上記一実施例の外に、次に示す
第2実施例及び第3実施例による手段がある。
軸19のたわみによる大歯車24の歯すじの傾き角α分
を補正するように、あらかじめ、大歯車24の歯すじの
方を角αだけ捩り、小歯車23の歯すじと平行にかみ合
うようにしている。小歯車23の歯すじは、第1実施例
と同様にクラウニングを施す。
る。車軸19のたわみによる大歯車24の歯すじの傾き
角αに、小歯車23の歯すじが合うように、主電動機2
1全体を、台車枠18と車軸19につり掛け支持してい
る。小歯車23の歯すじは、第1実施例と同様にクラウ
ニングを施す。
実施例の、歯面接触応力及びかみ合い摩擦による歯面の
温度上昇のシミュレーションの結果を、図4及び図5に
示す。
面に作用する力、曲線Eは従来の歯車装置の結果を、曲
線Fはこの発明の一実施例による歯車装置の結果を示
す。歯車歯面の接触応力は、この発明のものは従来のも
のより約20%低下している。
面に作用する力、曲線Gは従来の歯車装置の結果を、曲
線Hはこの発明の一実施例による歯車装置の結果を示
す。歯面の滑り摩擦による局部的発熱温度は、この発明
のものは従来のものより約40%低下している。
じに従来のものより増大した半径のクラウニングを施し
たが、場合によっては、小歯車の代りに大歯車24の歯
すじにクラウニングを施してもよい。
重による車軸のたわみによって生じた大歯車の歯すじの
傾きに対処し、第1実施例では、大歯車の歯すじの傾き
に合わせて小歯車の歯すじを捩りクラウニングを施し、
双方の歯すじが平行にかみ合うようにし、第2実施例で
は、大歯車の歯すじの傾きを補正するように、大歯車の
歯すじを捩って小歯車の歯すじと平行にかみ合うように
し、また、第3実施例では、大歯車の歯すじの傾きに合
わせ、主電動機全体を傾けて車軸と台車枠に装着し、各
実施例とも、小歯車と大歯車のうち、いずれか一方の歯
車には歯すじにクラウニングを施したので、双方の歯車
の歯面接触応力が低下し、回転力の伝達能力が向上さ
れ、歯面の滑り摩擦による局部的発熱温度が下がり、歯
車の潤滑状態が向上され潤滑不良による歯面の損傷が防
止される。
要部正面図である。
すじのクラウニングの説明図である。
曲線を座標上示した図である。
実施例による歯車装置と従来の歯車装置とを比較して示
す曲線図である。
実施例による歯車装置と従来の歯車装置とを比較して示
す曲線図である。
機関車の概略側面図である。
を示す説明図である。
(A)図の回転子が時計回り回転のとき小歯車が曲る方向
を示す説明図で、(C)図は(A)図の回転子が時計回り回転
のとき小歯車が大歯車の反力を受け回転軸が曲る方向を
示す説明図である。
きの大歯車と小歯車のかみ合った歯すじの相対傾きを示
す説明図で、(B)図は図7の主電動機が反時計回り回転
のときの大歯車と小歯車のかみ合った歯すじの相対傾き
を示す説明図である。
角当り防止のクラウニングを施した図10(B)に相当す
る説明図である。
明図である。
ある。
Claims (3)
- 【請求項1】 台車枠を支持した車軸に固着された大歯
車と、上記台車枠と車軸に装着された主電動機の回転軸
に固着され、上記大歯車にかみ合い回転力を伝える小歯
車とからなる駆動歯車装置において、 支持荷重による上記車軸のたわみによって生じた上記大
歯車の歯すじの傾きに合わせて、上記小歯車の歯すじを
捩り双方の歯すじが平行にかみ合うようにし、小歯車と
大歯車のうち、いずれか一方の歯すじにクラウニングを
施した電気車両用駆動歯車装置。 - 【請求項2】 台車枠を支持した車軸に固着された大歯
車と、上記台車枠と車軸に装着された主電動機の回転軸
に固着され、上記大歯車にかみ合い回転力を伝える小歯
車とからなる駆動歯車装置において、 支持荷重による上記車軸のたわみによって生じた上記大
歯車の歯すじの傾きを補正するように、大歯車の歯すじ
を捩って上記小歯車の歯すじと平行にかみ合うように
し、小歯車と大歯車のうち、いずれか一方の歯車の歯す
じにクラウニングを施した電気車両用駆動歯車装置。 - 【請求項3】 台車枠を支持した車軸に固着された大歯
車と、上記台車枠と車軸に装着された主電動機の回転軸
に固着され、上記大歯車にかみ合い回転力を伝える小歯
車とからなる駆動歯車装置において、 支持荷重による上記車軸のたわみによって生じた上記大
歯車の歯すじの傾きに合わせ、小歯車の歯すじが大歯車
の歯すじに平行にかみ合うように、主電動機全体を傾け
て上記車軸と上記台車枠に装着し、小歯車と大歯車のう
ち、いずれか一方の歯車の歯すじにクラウニングを施し
たことを特徴とする電気車両用駆動歯車装置。
Priority Applications (5)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP3093016A JP2736291B2 (ja) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | 電気車両用駆動歯車装置 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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CN (1) | CN1065429A (ja) |
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