JP4850586B2 - スラスト軸受構造体及び台車 - Google Patents

Description

本発明は、スラスト軸受構造体及び台車に係り、特に、複列アンギュラ玉受軸と皿バネとから構成されたスラスト軸受構造体と、このスラスト軸受構造体を具備する台車に関する。

わが国では、鉄道の左右のレール間隔、すなわち軌間として種々の軌間寸法が採用されており、例えば、新幹線には軌間寸法１４３５ｍｍのいわゆる標準軌が、また在来線には軌間寸法１０６７ｍｍのいわゆる狭軌がそれぞれ用いられている。

近年、新幹線が在来線に乗り入れるなど、軌間が異なる路線間の相互乗り入れが構想され、それに向けて軌間可変台車の開発が進められている。相互乗り入れを行うためには、改軌等の方法もあるが、改軌には工事費や工事期間がかかる等の種々の問題が生じていた。

そこで、これらの問題を解決すべく、軌間に応じて台車における車輪間隔を変更する軌間変換機構が具備された軌間可変台車の開発が進められている。このような軌間可変台車の駆動方式としては、各車輪に直接取り付けられた電動機を駆動することにより、固定車軸上において車輪及び電動機を一体にスライド移動させて軌間変更を行う独立車輪方式と、台車に架装された電動機を駆動することにより、車輪を圧入した外筒との間に設けられたころスプラインを介して左右の車輪を一体にスライド移動させることで軌間変更を行う平行カルダン方式とが挙げられる。

近年においては、使用実績があり、かつ、自己操舵機能を有する平行カルダン方式を採用した軌間可変台車の研究開発が盛んに行われている。この平行カルダン方式を採用した軌間可変台車には、車軸及び当該車軸に軸支された車輪の一体的な回転を許容するとともに、車軸の延在方向における車輪の相対位置を固定するスラスト軸受構造体が具備されており、最近では、深溝玉軸受とこの深溝玉軸受の両端側に配設された球面軸受とから構成されたスラスト軸受構造体を具備し、高速での連続走行を可能とした軌間可変台車が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２７１２１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のスラスト軸受構造体の場合、深溝玉軸受の軸受内部に形成された間隙の寸法が大きいため、走行時において生ずる軌道上に敷設された枕木の長手方向（以下、左右方向Ｙとする。）から付加される荷重によって、車軸における車輪の相対位置が左右方向Ｙに移動することにより、走行時における走行安定性、特に、高速域での走行安定性が低下するといった問題が生じている。
また、球面軸受は、軸受自体の重量が大きいため、台車の軽量化を図ることが非常に困難であり、ひいては、台車の重量に起因した輪重変動や、地盤振動を増大させる要因となるといった問題も生じている。
さらに、長時間使用した場合、磨耗によって間隙が拡大されることにより、走行安定性を低下させるおそれが生じている。

本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、高速域での走行安定性の向上とともに、台車の重量に起因した輪重変動や、地盤振動の軽減を図ることが可能なスラスト軸受構造体及び台車を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係るスラスト軸受構造体は、
所定の方向に延在する車軸及び当該車軸に軸支された車輪の一体的な回転を許容するとともに、当該車軸の延在方向における当該車輪の相対位置を固定するスラスト軸受構造体において、
凹部が形成された本体部と、
径寸法の異なる複数の環状部材と各環状部材の間に形成された軌道空間部に配列された複数の転動体とを備え、前記凹部に設けられた軸受部と、
可撓性を有し、前記軸受部における前記車軸の延在方向の両端側に配設された可撓部と、
前記凹部と前記軸受部との間に形成された空間部とを具備し、
前記空間部は、前記車軸の軸心を含む水平面との直交方向から付加される荷重によって前記本体部が押圧され、前記空間部の内方に変位することで、前記軸受部が当該本体部の変位に付随して当該直交方向に押圧されることを阻止し、
前記可撓部は、皿バネからなるとともに、前記車軸の延在方向から付加される荷重によって圧縮され、当該延在方向に変位することで当該荷重を受け、
前記軸受部は、２以上のアンギュラ玉軸受の背面側が接合された組合せアンギュラ玉軸受又は複列アンギュラ玉軸受からなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係る台車は、請求項１に記載のスラスト軸受構造体を具備することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、スラスト軸受構造体における軸受部が、径寸法の異なる複数の環状部材と各環状部材の間に形成された軌道空間部に配列された複数の転動体とを備えるので、軸受部に従来用いられていた深溝玉軸受と比較して軸受内部の間隙寸法が小さい軸受を用いて間隙寸法を低減することで、車軸における車輪の相対位置が車軸の延在方向に移動することを阻止することができる。
また、空間部は、本体部が車軸の軸心を含む水平面との直交方向から付加される荷重によって押圧され、空間部の内方に変位することで、軸受部が本体部の変位に付随して直交方向に押圧されることを阻止するので、直交方向からの荷重が軸受部に対して付加されることを防止することができる。
さらに、可撓性を有する可撓部が、車軸の延在方向から付加される荷重によって圧縮され、延在方向に変位することで延在方向から付加される荷重を受けるので、従来用いられていた球面軸受と比較して形状寸法及び重量の小さい部材を用いて形状寸法及び重量の低減を図ることで、スラスト軸受構造体の小型化及び軽量化を図ることができる。

また、軸受部が、２以上のアンギュラ玉軸受の背面側が接合された組合せアンギュラ玉軸受又は複列アンギュラ玉軸受からなるので、請求項１に記載の発明と同様に、軸受内部の間隙寸法を低減することで、車軸における車輪の相対位置が車軸の延在方向に移動することを阻止することができる。

また、可撓部が、皿バネからなるので、簡素かつ廉価な皿バネを用いることで、スラスト軸受構造体の簡素化及び製造コストの抑制を図ることができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のスラスト軸受構造体を有するので、車軸における車輪の相対位置が車軸の延在方向に移動することを阻止するとともに、台車の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
そのため、台車走行時における走行安定性、特に、高速域での走行安定性の向上を図ることができる。また、台車の輪重変動や、地盤振動の軽減を図ることができる。さらに、磨耗による間隙の拡大に起因した走行安定性の低下を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
ここで、図１は、台車の内部構成を示す縦断面図であり、図２は、車軸の一端を拡大して示す横断面図であり、図３は、スラスト軸受構造体の内部構成を拡大して示す横断面図である。

図１に示すように、本実施形態における台車１は、図示しない台車枠が備えられ、この台車枠には、左右方向Ｙに延在する略円柱形状の車軸２と、図示しない主電動機の回転トルクを車軸２に伝達する歯車装置３と、略円盤状の車輪４とが配設されている。
ここで、図１における車軸２の軸線Ｌの上下側では、車輪４などの配設位置が異なっており、軸線Ｌの上側は狭軌の軌間に対応する車輪間隔を示し、軸線Ｌの下側は標準軌の軌間に対応する車輪間隔を示す。

上述した構成部材のうち、歯車装置３は、車軸２の左右方向Ｙにおける中央位置に設けられている。このような歯車装置３には、中心に略円形状の貫通孔が穿設された大歯車５が設けられており、この大歯車５の内径側には、貫通孔より小径である略円筒形状のボス６が形成されている。また、ボス６の両端側には、左右方向Ｙに沿って延出する略円筒形状のフランジ７が形成されている。フランジ７には、円筒状のスリーブ８が内挿されており、このスリーブ８は、撓み板継手部９を介してフランジ７に固定されている。

車輪４は、その中心部に挿入孔が穿設され、車軸２における歯車装置３の両側に配設されている。車輪４の挿入孔には、車軸２が挿通されており、この車軸２によって車輪４が軸支されるようになっている。また、車輪４における挿入孔の内径側には、略円筒形状の内スリーブ１０が設けられ、すべり軸受１１を介して車軸２に外嵌されている。

内スリーブ１０には、車軸２における中心側に向かって延出する薄肉円筒状の内スリーブ薄肉部１２が形成されており、上述したスリーブ８との間には、複数のころ１３が介挿されている。また、これらスリーブ８、内スリーブ薄肉部１２、ころ１３等により、スリーブ８に対する内スリーブ薄肉部１２を左右方向Ｙにのみスライド移動させることが可能なころスプラインが構成されている。
このような構成からなるころスプラインにより、内スリーブ１０及び車輪４は、車軸２に対して左右方向Ｙにスライド可能で、かつ、車軸２の軸線Ｌを中心とする回転方向に対してスライド不能となっており、車軸２の回転駆動に合わせて回転するようになっている。

また、車軸２の両端部には、略箱状の軸箱体１４を備える軸箱１５が車軸２の端部を囲繞するように配設されている。軸箱体１４の内周壁面上には、転がり軸受である略円筒形状の車軸軸受１６が設けられており、車軸２の軸線Ｌを含む水平面と直交する方向（以下、上下方向Ｚという。）から付加される荷重を受けながら車軸２を受けるようになっている。軸箱体１４の外壁面上には、スライドストッパ受１７が設けられており、このスライドストッパ受１７の周囲には、図２に示すように、車軸２の軸線Ｌと直交する方向（以下、前後方向Ｘという。）に沿って延出する軸箱梁１８が設けられ、これらスライドストッパ受１７及び軸箱梁１８を介して台車枠と軸箱１５とが結合されている。

上述した軸箱梁１８の上端部には、図示しない軸バネが設けられ、上下方向Ｚに付加される荷重を受けるようになっている。一方、スライドストッパ受１７の前端部には、左右方向Ｙに沿って、平面視して断面Ｕ字形状の第１係合溝１９と、第２係合溝２０とが配設されている。また、軸箱梁１８の一端には、回転軸２１が設けられており、軸箱梁１８はこの回転軸２１を介して台車枠に軸支されている。

スライドストッパ受１７における前後方向Ｘの一端側であって、軸箱梁１８の内部には、車軸２における車輪４の相対位置を固定する車輪位置固定装置２２が設けられており、この車輪位置固定装置２２には、係合突起２３が設けれ、上述した第１係合溝１９又は第２係合溝２０と係合し、車軸２における車輪４の相対位置を固定するようになっている。
また、図１に示すように、軸箱梁１８の下端部には、軌間変更時に軌道上に敷設された図示しない台車支持コロと当接する支承装置２４が設けられており、この支承装置２４を介して台車を支持するようになっている。

また、図１及び図２に示すように、スライドストッパ受１７における左右方向Ｙの一端部には、車軸２及び車軸２に軸支された車輪４の一体的な回転を許容するとともに、車軸２の左右方向Ｙにおける車輪４の相対位置を固定するスラスト軸受構造体２５が設けられており、このスラスト軸受構造体２５を介して内スリーブ１０と連結されている。
そのため、スライドストッパ受１７は、台車枠に対して車軸２を適切な位置に保持するとともに、軸箱梁１８の回転軸２１を中心に回転することで上下方向Ｚに移動することにより、上下方向Ｚに付加される荷重を受けるようになっている。

上述したスラスト軸受構造体２５には、図３に示すように、略円筒形状の本体部２６が備えられ、この本体部２６の内周壁面には、断面形状が凹状の凹部２７が形成されている。凹部２７の内部には、軸受部をなし、２つの単列アンギュラ玉軸受２８の背面同士が接合された背面組合せの構造を有する組合せアンギュラ玉軸受２９が設けられている。
組合せアンギュラ玉軸受２９を構成する単列アンギュラ玉軸受２８には、略環状の内輪３０と、内輪３０よりも径寸法の大きい略環状の外輪３１とが具備され、内輪３０の外径側と外輪３１の内径側とが対向するように配設されている。これら内輪３０と外輪３１との間には、軌道空間部３２が形成されており、この軌道空間部３２には、周方向に沿って転動体である複数のボール３３が配列されている。また、内輪３０及び外輪３１の内周壁面上には、これら複数のボール３３と内輪３０及び外輪３１との接触角が０°を超え９０°未満となるように、軌道溝３４がそれぞれ設けられている。
このような構成からなる組合せアンギュラ玉軸受２９は、複数のボール３３と、内輪３０及び外輪３１の軌道溝３４とが接触することで、左右方向Ｙから付加される荷重を受けるようになっている。

上述した組合せアンギュラ玉軸受２９における外輪３１の外径と、本体部２６における凹部２７との間には、所定の寸法を有する空間部３５が形成されている。このような空間部３５は、本体部２６がスライドストッパ受１７を介して上下方向Ｚから付加される荷重によって空間部３５の内方、すなわち、図３に示す矢印Ａ方向に変位することで、組合せアンギュラ玉軸受２９が本体部２６の変位に付随して矢印Ａ方向に押圧されることを阻止し、上下方向Ｚの荷重が組合せアンギュラ玉軸受２９に対して付加されることを防止することができるようになっている。

一方、組合せアンギュラ玉軸受２９における外輪３１の正面には、可撓部をなす略環状の皿バネ３６が配設されている。この皿バネ３６は、左右方向Ｙから付加される荷重によって圧縮され、左右方向Ｙに変位することにより、荷重を受けるようになっている。

なお、本実施形態におけるスラスト軸受構造体２５には、組合せアンギュラ玉軸受２９が具備されているが、左右方向Ｙから付加される荷重を受けることができるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、単列アンギュラ玉軸受２８を背面組合せとし、内輪３０及び外輪３１をそれぞれ一体とした構造を有する複列アンギュラ玉軸受であってもよい。

また、スラスト軸受構造体２５には、皿バネ３６が具備されているが、形状寸法及び重量が小さく、かつ、可撓性を有する部材であれば、特に限定されるものではなく、例えば、他の形状に成形されたバネ状部材等であってもよい。

次に、本実施形態における台車１の作用について説明する。
以下においては、台車１を具備する車両が狭軌のレールから標準軌のレールに向って走行する場合の作用について説明する。
まず始めに、主電動機に電力が供給されると、主電動機が回転することで回転トルクが発生する。発生した回転トルクは、歯車装置３を介して車軸２に伝達された後、フランジ７、スリーブ８、ころ１３、内スリーブ１０、車輪４へと順次伝達され、車輪４が回転することによって車両が狭軌のレール上を走行する。

走行中の車両は、狭軌のレールが敷設された区間（以下、狭軌区間という。）と標準軌のレールが敷設された区間（以下、標準軌区間という。）との間に設けられた軌間変換区間に進入すると、台車１の支承装置２４と、軌道スラブ上に敷設された図示しない台車支持コロとが当接する。このような支承装置２４と台車支持コロとの当接に伴って、車軸２が軸箱１５に対して相対的に下方に変位し、さらに、図示しない地上側レールによって、係合突起２３が上昇することにより、係合突起２３が第１係合溝１９から抜脱され、係合突起２３と第１係合溝１９との係合状態が解除される。
係合状態が解除されると、各車輪４が車軸２の左右方向Ｙに沿って互いに離間する方向に移動することで、車輪間隔が漸次拡大され、軌間変換区間の終端に到達した時点で、車輪間隔は標準軌と同一となる。

その後、車両が標準軌区間に進入すると、地上側レールによって、係合突起２３が降下することにより、車軸２が軸箱１５に対して相対的に上方に変位し、係合突起２３が第２係合溝２０に係合される。これによって、車軸２における車輪４の相対位置の移動が規制され、車輪間隔が標準軌の軌間に固定されることにより、車両は標準軌のレール上を走行することができる。

上述したような軌間変換区間への進入前後、すなわち、狭軌区間又は標準軌区間での走行時において、台車１における車軸２に対して左右方向Ｙ及び上下方向Ｚからの荷重が付加される。車軸２がこれらの荷重を受けると、車軸２における車輪４の相対位置がスラスト軸受構造体２５における軸受内部の間隙寸法の大きさに応じて左右方向Ｙに移動するが、本実施形態におけるスラスト軸受構造体２５には、軸受内部における間隙寸法が小さく背面が接合された組合せアンギュラ玉軸受２９が用いられているので、間隙寸法を低減することで、車軸２における車輪４の相対位置が左右方向Ｙに移動することを阻止することができる。

また、本体部２６が、スライドストッパ受１７を介して上下方向Ｚから付加される荷重により、空間部３５の内方、すなわち、図３に示す矢印Ａ方向に変位することで、組合せアンギュラ玉軸受２９が本体部２６によって上下方向Ｚに押圧されることを阻止し、上下方向Ｚの荷重が組合せアンギュラ玉軸受２９に対して付加されることを防止することができる。

さらに、組合せアンギュラ玉軸受２９の左右方向Ｙの両端側には、皿バネ３６が配設されているので、皿バネ３６が左右方向Ｙから付加される荷重によって圧縮され左右方向Ｙに変位することにより、左右方向Ｙから付加される荷重を受けることができる。
このように、本実施形態における皿バネ３６は、従来用いられていた球面軸受と同様の効果を奏するが、球面軸受と比較して形状寸法及び重量が小さいため、スラスト軸受構造体２５の小型化及び軽量化を図ることができる。

以上より、本実施形態におけるスラスト軸受構造体２５及び台車１によれば、スラスト軸受構造体２５における軸受部が組合せアンギュラ玉軸受２９からなるので、軸受に従来用いられていた深溝玉軸受と比較して軸受内部の間隙寸法が小さい組合せアンギュラ玉軸受２９を用いて間隙寸法を低減することで、車軸２における車輪４の相対位置が左右方向Ｙに移動することを阻止することが可能となる。
そのため、台車走行時における走行安定性、特に、高速域での走行安定性の向上を図ることができる。

また、本体部２６が、スライドストッパ受１７を介して上下方向Ｚから付加される荷重により、図３に示す矢印Ａ方向に変位することで、組合せアンギュラ玉軸受２９が本体部２６によって上下方向Ｚに押圧されることを阻止し、上下方向Ｚの荷重が組合せアンギュラ玉軸受２９に対して付加されることを防止することができる。
そのため、高速域での走行安定性の更なる向上を図ることができる。

さらに、組合せアンギュラ玉軸受２９の左右方向Ｙの両端側に配設された皿バネ３６が、左右方向Ｙから付加される荷重によって圧縮され、左右方向Ｙに変位することで荷重を受けるので、従来の球面軸受と比較して形状寸法及び重量の小さい皿バネ３６を用いて形状寸法及び重量の低減を図ることで、スラスト軸受構造体２５の小型化及び軽量化を図ることができる。
そのため、台車１の小型化及び軽量化が図られ、台車１の重量に起因した輪重変動や、地盤振動の軽減を図ることができる。また、皿バネ３６を用いることで、構造の簡素化や、製造コストの抑制を図ることもできる。さらに、磨耗による間隙の拡大に起因した走行安定性の低下を防止することができる。

台車の内部構成を示す縦断面図である。 車軸の一端を拡大して示す横断面図である。 スラスト軸受構造体の内部構成を拡大して示す横断面図である。

符号の説明

１ 台車
２ 車軸
４ 車輪
２５ スラスト軸受構造体
２６ 本体部
２７ 凹部
２８ 単列アンギュラ玉軸受
２９ 組合せアンギュラ玉軸受
３０ 内輪
３１ 外輪
３３ ボール
３５ 空間部
３６ 皿バネ
Ｘ 前後方向
Ｙ 左右方向
Ｚ 上下方向

Claims (2)

1. 所定の方向に延在する車軸及び当該車軸に軸支された車輪の一体的な回転を許容するとともに、当該車軸の延在方向における当該車輪の相対位置を固定するスラスト軸受構造体において、
   凹部が形成された本体部と、
   径寸法の異なる複数の環状部材と各環状部材の間に形成された軌道空間部に配列された複数の転動体とを備え、前記凹部に設けられた軸受部と、
   可撓性を有し、前記軸受部における前記車軸の延在方向の両端側に配設された可撓部と、
   前記凹部と前記軸受部との間に形成された空間部とを具備し、
   前記空間部は、前記車軸の軸心を含む水平面との直交方向から付加される荷重によって前記本体部が押圧され、前記空間部の内方に変位することで、前記軸受部が当該本体部の変位に付随して当該直交方向に押圧されることを阻止し、
   前記可撓部は、皿バネからなるとともに、前記車軸の延在方向から付加される荷重によって圧縮され、当該延在方向に変位することで当該荷重を受け、
   前記軸受部は、２以上のアンギュラ玉軸受の背面側が接合された組合せアンギュラ玉軸受又は複列アンギュラ玉軸受からなることを特徴とするスラスト軸受構造体。
2. 請求項１に記載のスラスト軸受構造体を具備することを特徴とする台車。

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