JP4802975B2 - 鉄道車両用歯車装置の温度予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両走行時における歯車装置の温度変化を予測する方法に関するものである。

鉄道車両用歯車装置は、図７に示す様に、歯車箱１の内部に、車軸３に接続された大歯車２と、電動機軸５に接続された小歯車４を収め、これら小歯車４と大歯車２を噛み合わせることにより、電動機の回転を減速させて車軸３に伝え、車輪を駆動している。

ところで、前記歯車箱１の内部には潤滑油６が封入されており、この潤滑油６を大歯車２の回転によって跳ね上げることにより、大歯車３と小歯車４の噛み合い部や、車軸３や電動機軸５の軸受け部に潤滑油６を供給している。

このような構成の歯車装置では、前記噛み合い部や軸受け部といった接触部分での発熱の他に、歯車による潤滑油の攪拌によっても発熱する。特に高速回転時には、軸受けや歯車の発熱だけでなく、潤滑油の攪拌による発熱が支配的となる場合がある。

このようにして歯車箱内で発生した熱は歯車箱の壁を通して外気に放出されることになるが、歯車箱の放熱特性が低い場合、潤滑油の温度上昇が顕著となって潤滑油の性能が劣化し、各接触部分で焼き付きが発生したり、歯車や軸受けなどの材料強度が低下するなどのトラブルを引起すことになる。

そこで、軸受箱の蓋の内部に潤滑油の熱を受ける受熱用リブと、蓋の外部に熱を放散する放熱用リブを形成し、これらのリブにより潤滑油から受け取った熱を外部に放散させる放散機能をもたせた変速機のケース構造が、特許文献１に開示されている。
特開２００２−５２７０号公報

このような歯車箱の放熱特性は、歯車箱の内外部構造や配置状態、走行中における歯車箱への風の当り方に支配される。そして、この歯車箱の放熱特性を評価し、内部に封入された潤滑油の温度変動を知るためには、歯車装置を実際の鉄道車両に搭載して走行中の温度変化を計測するか、または走行中に発生する風を再現できる風洞内に歯車装置を配置し、この風洞内で歯車装置を駆動させて温度変動を計測する方法がある。

しかしながら、前者の方法は、実際に運行している路線で計測することになるので、時間的に大きな制約を受けるのと共に、潤滑油の最高温度に大きな影響を及ぼすと考えられる鉄道車両の最高速度での走行時間にも制約される。

また、後者の方法は、鉄道車両の高速化に対応した検討を実施するためには、高い流速を実現する風洞が要求されるのと共に、風洞内に歯車の回転を制御する装置を配置する必要があるので、大型・高性能の風洞が必要となり、風洞の設備・運用に多大な費用が発生する。

解決しようとする問題点は、歯車箱の放熱特性を評価するに際し、歯車装置を実際の鉄道車両に搭載して走行中の温度変化を計測する方法では、時間的に大きな制約を受け、かつ鉄道車両の最高速度での走行時間にも制約を受けるという点である。また、風洞内で歯車装置を駆動させて温度変動を計測する方法では、大型・高性能の風洞が必要となって、風洞の設備・運用に多大な費用が発生するという点である。

本発明の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法は、
時間的な制約や最高速度での走行時間の制約を受けることなく、しかも大型・高性能の風洞が必要となって、風洞の設備・運用に多大な費用が発生することがないようにするために、
鉄道車両用歯車装置における歯車箱の内部発熱量と内面熱伝達率を予め導出しておき、
この予め導出した内部発熱量及び内面熱伝達率と、歯車箱周囲の流動状況を求める熱流動現象及び歯車箱部分の伝熱現象を連成解析することにより、歯車箱の内部に封入されている潤滑油の走行時における温度変化を予測することを最も主要な特徴としている。

本発明では、簡易な実験と熱流動解析を組み合わせるので、簡便、低コストで、実際の鉄道車両走行状態下における歯車装置の温度を精度良く予測することができる。従って、本発明方法を用いて歯車装置を評価することで、実際に使用する際の温度特性を事前に把握でき、歯車装置の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の最良の形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本発明の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法は、低風速環境下でベンチ試験を実施して、予め歯車箱内部での発熱量Ｑと、歯車箱内部において攪拌された潤滑油と空気が接触する内面の熱伝達率ｈ_innerを導出しておく。

ところで、この発熱量Ｑと熱伝達率ｈ_innerの速度依存性（走行速度すなわち車軸の回転数との関係）を導出する際には、例えば前記ベンチ試験時に回転数（走行速度に相当）を変化させて、その回転数毎の発熱量Ｑと熱伝達率ｈ_innerを導出しこれらの値を内挿することにより全速度域に亘る速度依存性を導出することが最も望ましい。

しかしながら、前記発熱量Ｑは運動エネルギーに正比例するとして車軸回転数Ｎ（走行速度）の２乗に、前記内面熱伝達率ｈ_innerはレイノルズ数の０．８乗に比例するとして車軸回転数Ｎ（走行速度）の０．８乗に比例すると考え、前記ベンチ試験にて予測される最大速度時の発熱量Ｑと熱伝達率ｈ_innerを導出し、それ以下の速度域の発熱量Ｑと熱伝達率ｈ_innerを内挿の形でそれぞれの依存性を考慮することも可能である。

次に、歯車箱周囲の空間に対して、走行風の速度ｖ_outerと周囲温度Ｔ_outerを境界条件として、質量保存の式（下記数式１）と、運動量保存の式（下記数式２）と、エネルギー保存の式（下記数式３）を連成させて歯車箱周囲の熱流動状況を把握する。

この歯車箱周囲の熱流動状況の把握に際し、乱流の影響は、乱流モデルを導入することにより考慮する。その際、同時に歯車装置を構成する金属部分である歯車箱の熱伝導状態も解析により把握する。さらに、車軸部分等の熱伝導状態も解析により把握することが望ましい。

ここで、
1) 歯車箱の内部で発生した熱は、潤滑油を昇温させた後に壁面を伝わって歯車箱の外部に放出される。
2) 内面の熱伝達率は、歯車箱の内面全域で同じ値をとる。
の仮定のもとに前述の歯車箱周囲及び歯車箱部分の熱流動解析を組み合わせることによって、歯車箱内の潤滑油の温度変化を捉えることが可能となる。

つまり、歯車箱内の潤滑油の温度変化は、予め導出しておいた歯車箱内部での発熱量Ｑから、歯車箱の表面から外部への伝熱量を引いた値を、歯車箱の内部に存在する潤滑油と内部構成部品の熱容量（Ｖ・Ｃｐ_lub・ρ＋Ｗ・Ｃｐ_other、Ｖ：潤滑油の体積、Ｃｐ_lub：潤滑油の比熱、ρ：潤滑油の密度、Ｗ：歯車箱内の部品の重量、Ｃｐ_other：歯車箱内の部品の比熱）で除することにより導出される。

図１に示すフローチャートに従えば、時間的に変動する走行速度（＝車軸回転数Ｎ）、歯車箱の周囲の温度Ｔ_outerに応じた潤滑油温度Ｔ_lubの変化を予測することが可能になる。

例えば前記ベンチ試験に基いて導出した走行状態に応じた歯車箱の内部で発生する発熱量（＝潤滑油温度）Ｑと、潤滑油及び空気に接触している歯車箱内面の熱伝達率ｈ_inner及び歯車箱温度から、歯車箱の内面での熱流束を導出しておく。

次に、この熱流束を歯車箱の内面で積分した抜熱量Ｑ_innerと、発熱量Ｑを比較する。そして、前記抜熱量Ｑ_innerが発熱量Ｑより小さい場合は、発熱量Ｑと抜熱量Ｑ_innerの差の絶対値を歯車箱内部の熱容量Ｖ・Ｃｐ_lub・ρ＋Ｗ・Ｃｐ_otherで除した値（潤滑油の温度変化量）ΔＴを、前記予め導出しておいた潤滑油温度^oldＴ_lub（推定当初は初期潤滑油温度ⁱⁿⁱＴ_lub）に加えて次のステップの潤滑油温度^newＴ_lubとする。

一方、前記抜熱量Ｑ_innerが発熱量Ｑより大きい場合は、両者の差の絶対値を歯車箱の内部熱容量Ｖ・Ｃｐ_lub・ρ＋Ｗ・Ｃｐ_otherで除した値ΔＴを、前記予め導出しておいた潤滑油温度^oldＴ_lubより引いて次のステップの潤滑油温度^newＴ_lubとする。

このようにして導出された次のステップの潤滑油温度^newＴ_lubを用いて再度熱流束を導出し、前記と同じ手順にて発熱量Ｑと比較することにより次のステップの潤滑油温度^newＴ_lubを補正する。

この繰り返しを抜熱量Ｑ_innerと発熱量Ｑが一致するまで行い、一致した時の潤滑油温度^oldＴ_lub＝^newＴ_lubをその時点での潤滑油温度Ｔ_lubとする。

次に、この潤滑油温度Ｔ_lubを境界条件として歯車箱周囲及び歯車箱部分の熱流動解析を実施し、次の時間における歯車箱温度を導出する。
以上を走行条件に合わせて繰り返すことにより、走行時の潤滑油温度変動を予測する。

ちなみに、図２に示すように、実際の寸法の歯車箱１を配置して、送風機により歯車箱１の車軸と直角の二方向から風（風速Ｖ_Front＝１２m／秒、Ｖ_Back＝１０m／秒）を送り、歯車を駆動した際の歯車箱１の内部に封入された潤滑油の温度変化を計測した。図３に実験の際の温度変化を■印にて示すが、潤滑油温度は最終的に一定温度に飽和している。

この実験における条件（車軸の回転数（６０００rpm）、潤滑油封入量及び風速）を前述した図１に示す熱流動解析モデルに導入し、未知のパラメータとなっている内部発熱量及び内面熱伝達率をフィッティングした。その結果を図３に実線で示す。

発熱量を９０００W、内面熱伝達率を９３０W／m²・Kとした場合、ほぼ実験結果と合致する潤滑油温度変化曲線が得られ、この両パラメータ値（内部発熱量と内面熱伝達率）を前述の図１に示す熱流動解析モデルに導入するとモデルは閉じ、これにより異なる走行条件下での潤滑油温度を予測することが可能となることは明らかである。

但し、実際の鉄道車両の走行時は、時間と共に車軸の回転数（走行速度）が変化し、これに伴って内部発熱量、内面熱伝達率が変化するので、これらの依存性を把握しておく必要がある。

この車軸回転数（走行速度）の依存性に関しては、実際の寸法のベンチ試験で回転数を変化させて計測することにより得ることができる。しかしながら、より簡便な方法として、内部発熱量は運動エネルギーに正比例するとして車軸回転数（走行速度）の２乗に、内面熱伝達率はレイノルズ数の０．８乗に比例するとして、車軸回転数（走行速度）の０．８乗に比例すると考え、それぞれの依存性を考慮した。

これらを考慮して、実際の鉄道車両走行試験時における潤滑油温度変化の推定を実施した。この際の車軸回転数及び外部温度の履歴を図４及び図５に示す。また、これを解析条件として前述の図１に示す熱流動解析モデルを用いて導出した潤滑油温度の変化（実線）と、実際の鉄道車両の走行試験時における温度変化履歴（■印）の比較を図６に示す。この図６によると、実線で示した本発明による潤滑油温度予測モデルは、■印で示した潤滑油の温度履歴及び最高温度を正確に予測できていることが分かる。

これより、本発明によれば、高いコストがかかるテストを省いて、容易かつ低コストで実現可能な低風速環境下でのベンチ試験により歯車箱内部で発生する熱量及び潤滑油と空気に接触している歯車箱内面の熱伝達率を導出し、これと歯車箱周囲の流動状況を求める熱流動解析と連成させることにより、実際の鉄道車両の走行状態における潤滑油の温度変化の予測が行えることが分かる。

本発明は上記の例に限らず、本発明の各請求項に記載された技術的思想の範疇内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

本発明は、鉄道車両用の歯車装置のみならずバスやトラックなどの自動車用の歯車装置の温度予測にも適用できる。

本発明における計算アルゴリズムを説明するためのフローチャートである。 実際の寸法の歯車装置を使用した実験を説明するための図である。 実際の寸法の歯車装置を使用した実験での測定潤滑油温度と本発明により予測された潤滑油温度を比較するための図である。 実際の鉄道車両走行試験における車軸回転数履歴を示す図である。 実際の鉄道車両走行試験における歯車箱周囲温度変化履歴を示す図である。 実際の鉄道車両走行試験での測定潤滑油温度と本発明により予測された潤滑油温度を比較するための図である。 鉄道車両用歯車装置の構造を説明する断面図である。

符号の説明

１ 歯車箱
２ 大歯車
３ 車軸
４ 小歯車
５ 電動機軸
６ 潤滑油

Claims (6)

1. 鉄道車両用歯車装置における歯車箱の内部発熱量と内面熱伝達率を予め導出しておき、
   この予め導出した内部発熱量及び内面熱伝達率と、歯車箱周囲の流動状況を求める熱流動現象及び歯車箱部分の伝熱現象を連成解析することにより、歯車箱の内部に封入されている潤滑油の走行時における温度変化を予測することを特徴とする鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。
2. 車軸部分の熱伝導状態を、前記熱流動現象の解析に連成させることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。
3. 歯車箱の内部に存在する構成部品の熱容量を、前記解析に際して考慮することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。
4. 前記の内部発熱量及び内面熱伝達率を、ベンチ試験の結果より導出することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。
5. 前記ベンチ試験の結果より最大速度相当時の内部発熱量及び内面熱伝達率を導出し、内部発熱量及び内面熱伝達率を車軸回転数（走行速度）の関数として表現することを特徴とする請求項４に記載の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。
6. 前記内部発熱量は車軸回転数（走行速度）の２乗、前記内面熱伝達率は車軸回転数（走行速度）の０．８乗に比例するとした関数を用いることを特徴する請求項５に記載の鉄道車両用歯車装置の温度予測方法。

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