JP3891113B2 - 撓み軸継ぎ手 - Google Patents
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- F16D3/18—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth
- F16D3/185—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth radial teeth connecting concentric inner and outer coupling parts
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気車の電動機の回転軸と台車の車軸に組み込まれた歯車装置のピニオン軸とを揺動自在に接続する撓み軸継ぎ手に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
鉄道車両の駆動用電動機は台車枠に配置され、減速用歯車装置は車軸に配置されている。したがって、走行中に台車の揺動によって電動機の出力軸と歯車装置のピニオン軸の軸心がずれる。このように変位した状態においても両軸間の動力の授受を円滑に行う必要があるので、電動機と歯車装置との間を可とう歯車継ぎ手(撓み軸継ぎ手)で連結している。
【0003】
図6は、通常の撓み軸継ぎ手を示す構成断面図である(例えば、特許文献1参照。)。図6に示すように、回転軸1,11は相対向して配置されている。回転軸1,11には、ピニオン2,12が例えばテーパ焼嵌めにより装着されている。ピニオン2,12には、クラウニングが施された外歯歯車2a,12aが形成されている。スリーブ3,13には、内側にピニオン2,12の外歯歯車2a,12aに噛み合う内歯歯車3a,13aが形成されており、スリーブ3,13は互いにボルト4で結合されている。端カバー5,15は、スリーブ3,13に固定され、内側はピニオン2,12の固着部との間に位置するように配置されている。仕切板6はスリーブ3,13の接合面に間挿され、スリーブ3,13の相互間を仕切る。軸端ナット7,17は回転軸1,11にピニオン2,12を固定する。クッション8,18は軸端ナット7,17に固着され、軸端ナット7,17が仕切板6に当たってスリーブ3,13の内歯歯車3a,13aとピニオン2,12の外歯歯車2a,12aとが適正に噛み合うように位置決めする。
【0004】
このように構成された撓み軸継ぎ手は、回転軸1,11のいずれか一方は電動機回転軸に繋がれ、他方は台車の車軸と一緒に組み込まれた歯車装置のピニオン軸に繋がれている。電気車が走行中に台車が揺動して電動機の回転軸と車軸と一緒に組み込まれた歯車装置のピニオン軸との間の軸心がずれると、図7のように両端の回転軸1,11の軸心がずれた状態に変位する。変位が生じても、クラウニング加工されたピニオン2,12の外歯歯車2a,12aはスリーブ3,13の内歯歯車3a,13aに常に噛み合い円滑な駆動力の伝達がなされる。
【0005】
図8はピニオン2の外歯歯車2aを示し、(a)は軸方向外歯溝中央の縦断面図の一部であり、(b)はその側面図である。Sはピニオン2のピッチ円径を示す。図9はピニオン2の外歯歯車2aとスリーブ3の内歯歯車3aとの関係を示し、ピッチ円における円筒状断面を平面に展開した部分図である。ピニオン2では、ピニオン2のピッチ円の円筒状断面の歯厚方向が図9に示すようにクラウニング加工が施されており、ピニオン2の外歯歯車2aが一対の回転軸の角度変位に対してスリーブ3側の内歯歯車3aに円滑に噛み合うように丸みを持たせている。なお、図9において、Tは外歯2a1の中央部歯厚、δはバックラッシュ(背隙)、Rcはクラウニング半径、Hは内歯3a1,3a2間の溝幅、βwは許容動作角である。
【0006】
この歯車形撓み軸継ぎ手は、図7に示すような状態となって、電動機軸(回転軸)1と歯車装置のピニオン軸(回転軸)11の相対変位を許容するため、歯の一部は、図9を参照して、動作角βが大きくなるにつれて、内歯3a1,3a2と外歯2a1の隙間が小さくなる。そして、動作角βが最大(許容動作角βw)となった際にも、内歯3a1,3a2と外歯2a1が干渉しないことが必要であり、このような条件を満足するように内歯3a1,3a2間の溝幅Hと外歯2a1の歯厚Tが決定される。上記のような方法で、内歯3a1,3a2間の溝幅Hと外歯2a1の歯厚Tを決定した場合、動作角βが小さくなってゆくと、内歯3a1,3a2間の溝幅Hと外歯2a1の歯厚Tの隙間が大きくなってゆき、動作角βが0°となった際(回転軸の軸心とスリーブの軸心を一致させた際)に前記隙間は最大となる。そして、その際の隙間をバックラッシュ(背隙)δと称しているが(図9参照)、このバックラッシュδが大きくなると振動や騒音が大きくなる場合がある。
【0007】
図10は撓み軸継ぎ手の外歯歯車と内歯歯車の関係で、負荷運転時の自動調心状況を示す説明図である。走行している際の高負荷時には、図10に示すように、スリーブ3(13)は負荷によって、内歯歯車3a(13a)と外歯歯車2a(12a)に拘束力が発生して自動調心されるので、スリーブ3(13)の振れ回り運動はほとんどなく、振動レベルは小さい。
【0008】
しかしながら、無負荷あるいは軽負荷時において、動作角βが0の場合には、バックラッシュδによる遊隙のため、図11に示すように、スリーブ3(13)はバックラッシュδの1/2だけ心ずれが生じるので、スリーブ3(13)が振れ回りによる振動が発生し、騒音の発生源になる。そして、これらの振動は、継ぎ手のみならず歯車装置、電動機、車体等へも伝播することがあり、伝播した場合には乗客の快適性が損なわれる。なお、図11は撓み軸継ぎ手の外歯歯車と内歯歯車の関係で、バックラッシュδによる偏心状況を示す説明図である。
【0009】
そのため、現状設計ではバックラッシュδを可能な限り小さくすることを目指し、歯面接触応力が限界を超えない程度に歯幅中央部に近づくに従って、クラウニング半径Rcを小さくなるようにしているが、クラウニング形状を工夫することのみで小バックラッシュ化を達成するには限界があり、低騒音化するにも限界があった。また、運転使用条件において、バックラッシュδを構成する外歯2a1(12a1)および内歯3a1(13a1)は、歯面負荷トルクに伴う面圧荷重と変位に伴う内歯歯面と外歯歯面間の相対すべり速度の作用により、歯面がゆっくりではあるが磨耗し、バックラッシュδが徐々に増大する傾向があり、非常に長期にわたる使用の際に騒音が増加する可能性があった。
【0010】
【特許文献1】
特開平10−231849号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の撓み軸継ぎ手においては、歯部のバックラッシュδによる遊隙が存在するため、無負荷あるいは軽負荷の場合に、スリーブの心ずれによる振れ回り振動により、振動や騒音が大きくなる場合があり、外歯歯車のクラウニング形状についての改良等で小バックラッシュ化、低振動、低騒音化を果たしているが、形状の工夫のみでは限界が生じ、また、長期にわたる使用の際に歯面磨耗によるバックラッシュの増大に伴い騒音が増加する可能性が生じるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、トルク伝達時の発生応力は許容範囲内に保って、心ずれ量を低減し、長期使用にわたり低騒音の撓み軸継ぎ手を得ることを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる撓み軸継ぎ手は、外周部に外歯歯車を有するピニオンがそれぞれ固着され、互いに対向して配置された一対の回転軸と、両端部にそれぞれ内歯歯車を有し、対向して配置された一対の上記ピニオンの外歯歯車のそれぞれに上記内歯歯車が噛み合って回転するスリーブとで構成され、二つの上記回転軸を接続する撓み軸継ぎ手において、上記回転軸の軸心と上記スリーブの軸心を一致させた状態で、上記ピニオンの外歯歯車の歯先と上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下とすると共に、上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の両端に上記内歯歯車の歯面に連続して形成された逃がし窪みを有すると共に、上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の上記逃がし窪みの間には上記外歯歯車の歯先に対向する面が形成されているものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
参考例1.
参考例1の構成は、図6〜9で説明した従来の撓み軸継ぎ手の構成と同様であり、相違する点について説明する。図1は参考例1である撓み軸継ぎ手の外歯歯車と内歯歯車の噛合状態において、外歯歯車歯幅中央における横断面を、ピッチ円を直線に展開して示す部分図である。図は、回転軸の軸心とスリーブの軸心を一致させた状態で、ピニオン外歯2a1とスリーブ内歯3a1が噛み合っている。Sはピッチ円径である。歯車のバックラッシュδの1/2に対し、通常、外歯歯車2aの歯先と内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgは大きい状態で構成され(例えば、Tg=δより大きく、Tg=2δ程度に構成され)、内歯歯車3aが形成されるスリーブ3の偏心量は図11に示すようにバックラシュδの1/2となっていた。
【0014】
これに対して、参考例1による撓み軸継ぎ手は、外歯歯車2aの歯先と内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgを、バックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下、または1/2より小さくなるよう構成した。そのため、内歯歯車が構成されるスリーブの偏心量は図11に示すように、バックラシュδの1/2ではなく、外歯歯車2aの歯先と内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgにより抑制されるものとなる。図2は参考例1の撓み軸継ぎ手における外歯歯車と内歯歯車の関係で、バックラッシュδによる偏心状況を示す説明図である。図2に示すように、このように構成された撓み軸継ぎ手は、惰行時には、バックラッシュδの1/2と同等以下に構成された頂隙Tgにスリーブの振れ回り量が抑制された状態となるため、カップリングの変位機能を発揮するために必要となるバックラッシュ量を確保しながらも、頂隙Tgを小さくすることにより、低騒音化の達成が可能となる。
【0015】
撓み軸継ぎ手内には、振動を緩和する(ダンパー効果を有する)高粘度の潤滑剤(例えば、グリース)が用いられており、この参考例1により、バックラッシュ方向のみならず、頂隙方向にも振動を抑制する相乗効果が得られる。
【0016】
さらに、走行している際の高負荷時には、スリーブ3は負荷によって、外歯歯車2aと内歯歯車3aの歯面ピッチ円上の接触点にて拘束力が発生して自動調心されるので、頂隙Tgは確保されながら回転する。外歯歯車2aの歯先と内歯歯車3aの歯溝底は、通常高面圧が発生する負荷時には接触せず、無負荷時のスリーブの微小振れ回り遠心力のみが作用するため、運転使用における負荷トルク条件によりほとんど磨耗することがなく、頂隙Tgは増加せず長期にわたり、低騒音が維持されるものとなる。
【0017】
参考例2.
図3は参考例2における外歯歯車と内歯歯車の関係を示し、軸方向外歯溝中央の縦断面図の一部である。参考例1に加えて、図3に示すように、ピニオン2の外歯歯車2aの歯先をピニオン2の回転軸1中心を起点とし、動作角βが少なくとも許容動作角βwを含む範囲において、一定の半径Rで形成することによって、動作角βが変化しても、外歯歯車2aの歯先と内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgを一定に保つことができる。なお、ピニオン2の外歯歯車2aの歯先の角部は、歯切ホブのトッピング(底当たり)を防ぐために逃している(切り欠いている)。
【0018】
参考例3.
上記参考例1では、回転軸1の軸心とスリーブ3の軸心を一致させた状態で、ピニオン2の外歯歯車2aの歯先とスリーブ3の内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgを歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下にした場合について、説明したが、回転軸1の軸心とスリーブ3の軸心を一致させた状態で、ピニオン2の外歯歯車2aの歯溝底とスリーブ3の内歯歯車3aの歯先の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下にしても、同様に、低騒音化の達成が可能となる。
さらに、参考例1と参考例3を合わせ、ピニオン2の外歯歯車2aの歯先とスリーブ3の内歯歯車3aの歯溝底の頂隙Tgを歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下にすると共に、ピニオン2の外歯歯車2aの歯溝底とスリーブ3の内歯歯車3aの歯先の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下にすることにより、一層長期使用にわたる低騒音化の達成が可能となる。
さらにまた、参考例1と参考例2と参考例3とを合わせた構成も可能であり、組み合わせた作用も発揮される。
【0019】
実施の形態1.
図4はこの発明の実施の形態1である撓み軸継ぎ手を示す図1に対応する部分図である。図は、回転軸の軸心とスリーブの軸心を一致させた状態で、ピニオン外歯2a1とスリーブ内歯3a1が噛み合っている。S,δ,Tgは参考例1と同一の意味を示す。逃がし窪み9,9が内歯歯車3aの歯溝底の付根の両側に設けられている。歯溝底の逃がし窪み9,9の間には接触面10が形成される。このように構成することにより、ピニオン外歯2a1の歯先とスリーブ内歯3a1の歯溝底との角あたりを防止できるとともに、内歯歯車3aの内歯付根の曲げ応力を低減できる。さらに、使用初期の歯面接触による金属磨耗紛等も遠心力により自動的に集積可能となり、潤滑材の劣化を防止できる。
なお、実施の形態1と、参考例1、参考例2、参考例3とを組み合わせた構成は可能であり、組み合わせた作用も発揮される。
【0020】
実施の形態2.
図5はこの発明の実施の形態2である撓み軸継ぎ手を示す図1に対応する部分図である。図は、回転軸の軸心とスリーブの軸心を一致させた状態で、ピニオン外歯2aLとスリーブ内歯3aSが噛み合っている。S,δ,Tg,9は参考例1,実施の形態1と同一の意味を示す。図において、ピニオン外歯2aLはスリーブ内歯3aSの歯厚Bsよりも厚い歯厚Bpで構成されている。内歯歯車3aの歯溝底の付根の両側に設けられた逃がし窪み9,9間には、ピニオン外歯2aLの歯先の接触部10aが形成される。このように構成することにより、同一の歯丈で比較した場合、スリーブ内歯3aSの歯溝底の長さが長くなり、ピニオン外歯2aLの歯先と内歯歯車3aの歯溝底との接触部10aを大きく確保するとともに、歯溝底の付根に設けられる逃がし窪み9,9を形成しやすくなる。また、スリーブ内歯3aSの歯溝底の付根に設けられた逃がし窪み9,9による内歯付根の曲げ応力の低減効果により、スリーブ内歯3aSの歯厚Bsを薄く構成したことによる曲げ応力の増加を抑制できる。
なお、実施の形態2と、参考例1、参考例2、参考例3とを組み合わせた構成は可能であり、組み合わせた作用も発揮される。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の撓み軸継ぎ手によれば、外周部に外歯歯車を有するピニオンがそれぞれ固着され、互いに対向して配置された一対の回転軸と、両端部にそれぞれ内歯歯車を有し、対向して配置された一対の上記ピニオンの外歯歯車のそれぞれに上記内歯歯車が噛み合って回転するスリーブとで構成され、二つの上記回転軸を接続する撓み軸継ぎ手において、上記回転軸の軸心と上記スリーブの軸心を一致させた状態で、上記ピニオンの外歯歯車の歯先と上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下とすると共に、上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の両端に上記内歯歯車の歯面に連続して形成された逃がし窪みを有すると共に、上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の上記逃がし窪みの間には上記外歯歯車の歯先に対向する面が形成されているので、無負荷あるいは軽負荷の場合には、バックラッシュδの1/2と同等以下に構成された頂隙Tgにスリーブの振れ回り量が抑制された状態となるため、カップリングの変位機能を発揮するために必要となるバックラッシュ量を確保しながらも、低騒音化の達成が可能となり、長期使用にわたり低騒音の撓み軸継ぎ手を得る。さらに、ピニオン外歯歯車の歯先とスリーブ内歯歯車の歯溝底との角あたりを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例1における撓み軸継ぎ手の外歯歯車と内歯歯車の関係を示す部分図である。
【図2】 参考例1の撓み軸継ぎ手における外歯歯車と内歯歯車の関係で、偏心状況を示す説明図である。
【図3】 参考例2における外歯歯車と内歯歯車の関係を示す縦断面図である。
【図4】 この発明の実施の形態1である撓み軸継ぎ手を示す図1に対応する部分図である。
【図5】 実施の形態2である撓み軸継ぎ手を示す図1に対応する部分図である。
【図6】 通常の撓み軸継ぎ手を示す構成断面図である。
【図7】 通常のたわみ軸継ぎ手の回転軸の変位状況を示す構成断面図である。
【図8】 通常のピニオンの外歯歯車を示し、(a)は縦断面図であり、(b)はその側面図である。
【図9】 ピニオンの外歯歯車とスリーブの内歯歯車との関係を示す部分図である。
【図10】 外歯歯車と内歯歯車の関係で、負荷運転時の自動調心状況を示す説明図である。
【図11】 従来の撓み軸継ぎ手における外歯歯車と内歯歯車の関係で、偏心状況を示す説明図である。
【符号の説明】
1,11 回転軸 2,12 ピニオン
2a,12a 外歯歯車 3,13 スリーブ
2a1 ピニオン外歯 3a,13a 内歯歯車
3a1,3a2 スリーブ内歯 4 ボルト
5,15 端カバー 6 仕切板6
7,17 軸端ナット 8,18 クッション
9 逃がし窪み 10 接触面
2aL ピニオン外歯 3aS スリーブ内歯
T ピニオン外歯歯厚 H スリーブ内歯歯幅
βw 許容動作角 Rc クラウニング半径
S ピッチ円径 δ バックラッシュ
Tg 外歯歯車の歯先と内歯歯車の歯溝底の隙間長
Bp ピニオン外歯歯厚 Bs スリーブ内歯歯厚
R 半径。
Claims (5)
- 外周部に外歯歯車を有するピニオンがそれぞれ固着され、互いに対向して配置された一対の回転軸と、両端部にそれぞれ内歯歯車を有し、対向して配置された一対の上記ピニオンの外歯歯車のそれぞれに上記内歯歯車が噛み合って回転するスリーブとで構成され、二つの上記回転軸を接続する撓み軸継ぎ手において、
上記回転軸の軸心と上記スリーブの軸心を一致させた状態で、上記ピニオンの外歯歯車の歯先と上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下とすると共に、
上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の両端に上記内歯歯車の歯面に連続して形成された逃がし窪みを有すると共に、上記スリーブの内歯歯車の歯溝底の上記逃がし窪みの間には上記外歯歯車の歯先に対向する面が形成されていることを特徴とする撓み軸継ぎ手。 - 上記逃がし窪みは、上記外歯歯車の歯先と上記スリーブの内歯歯車の歯溝底との角あたりを防止することを特徴とする請求項1記載の撓み軸継ぎ手。
- 上記ピニオンの外歯歯車の歯先は、上記ピニオンの回転軸中心を起点として動作角βが許容動作角βwを含む範囲において、一定の半径Rで形成され、かつ、上記歯先の角部が切り欠かかれた請求項1又は請求項2記載の撓み軸継ぎ手。
- 上記ピニオンのピッチ円上における上記ピニオンの外歯歯車の歯厚を上記スリーブの内歯歯車の歯厚より大きくしたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の撓み軸継ぎ手。
- 上記回転軸の軸心と上記スリーブの軸心を一致させた状態で、上記ピニオンの外歯歯車の歯溝底と上記スリーブの内歯歯車の歯先の頂隙を歯車のバックラッシュδの1/2と同等もしくはそれ以下とすることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の撓み軸継ぎ手。
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