JP5131968B2 - 鉄道車両用歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機で発生する駆動力を車輪に伝達する鉄道車両用の歯車装置に関するものである。

鉄道車両は、図１２に示すように、電動機で発生する駆動力を、例えばたわみ軸継手を介して歯車装置１の小歯車軸２に伝達し、この小歯車軸２に形成した小歯車３に噛み合う大歯車４を経て車軸５に取付けた車輪６に伝達し、走行するようになっている。

この歯車装置１は、小歯車３や大歯車４を収めたケーシング７内に潤滑油が充填されており、この潤滑油を大歯車４の回転によって掻き揚げることで、大歯車４と小歯車３の噛み合い部や、車軸５と小歯車軸２を支持する軸受８，９を潤滑している。

しかしながら、軸受８，９にも十分な潤滑油を供給するには、ケーシング７内に十分な量の潤滑油を確保する必要がある。この際、軸受８，９に供給された潤滑油が、潤滑後、ケーシング７内に戻って軸受８，９部より外部に漏洩しないことが必要である。

そこで、鉄道車両用の歯車装置では、小歯車軸２と車軸５がケーシング７から貫通して突出する部分に、シール装置を設けている。このシール装置は、ケーシング７の前記貫通部に取付ける軸受押え１０と、この軸受押え１０の外側面に嵌め合わせる押え蓋１１の内周側に、それぞれスリーブ１２，１３を取付け、これらスリーブ１２，１３の対向面にラビリンス１４を形成したものである。

ちなみに、特許文献１では、このうちの車軸５の貫通部における車輪側の前記押え蓋１１の外側面に、車輪６のボス６ａとの間にラビリンスの一部として作用する隙間を形成する軸受蓋１５をさらに取付けている。
実開平６−８１８５７号公報

ところで、前記構成のシール装置では、静止時は、図１３に示すように、軸受８のケーシング７より外側に形成された前記シール領域内の空間１６の鉛直下方位置に潤滑油１７が集められ、矢印で示すように、戻し孔（図示省略）からケーシング７の内部に戻される。

しかしながら、車軸５に取付けられたスリーブ１２や、ラビリンス１４のケーシング側に位置する入口１４ａに付着した潤滑油１７を、完全に前記空間１６の鉛直下方位置に集めて回収することは不可能である。

スリーブ１２やラビリンス１４の入口１４ａに潤滑油１７が付着した状態で回転が再開されると、ケーシング内部の温度上昇による圧力上昇や、外部環境の変化等によるケーシング外部の圧力低下により、ケーシング７の内外部に圧力差が生じる。この圧力差によってラビリンス部に流動が発生した場合、ラビリンス１４の入口１４ａに付着した潤滑油１７は、ガス流動によるせん断によってケーシング７の外部へと運ばれることになる。

従って、図１２に示すように、ラビリンス１４の入口１４ａが前記空間１６に向けて大きく開放されている特許文献１の場合、前記入口１４ａに付着した潤滑油１７は、前述のガス流れによりラビリンス１４内に導かれ、徐々に外部に排出されることになる。

このラビリンス１４の入口１４ａに付着した潤滑油１７が、ラビリンス１４内に侵入するのを防止するためには、図１４に示すように、前記入口１４ａの外部への開口面積を抑制すればよい。

しかしながら、図１４に示す形状の場合も、回転時、図１５（ａ）に示すように、ラビリンス１４を形成する車軸側のスリーブ１２の垂直面１２ａに付着していた油滴１７ａは、遠心力によって半径方向外側に移動し、ラビリンス１４の入口１４ａに到達する。

この時、回転が高速の場合は、遠心力が大きいので、前記油滴１７ａはラビリンス１４の入口１４ａを飛翔して通過するが、金属面は油滴に比較的よく濡れるために油滴１７ａの一部は前記入口１４ａに残存する。

ラビリンス１４の入口１４ａに油滴１７ａが残存した状態で、ラビリンス１４にケーシング７の内部から外部に向かう流れ（白抜き矢印で示す）が生じた場合、油滴１７ａは徐々にケーシング７の外部に向かって輸送され、やがて漏洩することになる（図１５（ｂ）参照）。

このように、従来のラビリンスの場合、ラビリンスの入口に油滴が残存することを避けられないので、当該油滴がラビリンスに侵入し、ケーシングの外部に漏洩することを完全に防ぐことは困難である。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の歯車装置の場合、ケーシングからの軸貫通部に形成するラビリンスの入口に油滴が残存することを避けられないので、当該油滴がケーシングの外部に漏洩することを防ぐことは困難であるという点である。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、
ケーシングからの軸貫通部に形成するラビリンスの入口に油滴を残存させないようにするために、
電動機に軸継手を介して接続された小歯車軸に形成された小歯車と、車軸に取付けられた大歯車を噛み合わせてケーシング内に収めた鉄道車両用歯車装置において、
前記小歯車軸及び車軸が各々ケーシングを貫通して突出する部分の軸受押えの対向面と、この軸受押えの外周側に嵌め合わせる押さえ蓋の内周側に取付けたスリーブの対向面に、潤滑油の漏洩を防止するラビリンスを設けると共に、
このラビリンスの、前記ケーシング側に位置する入口の軸心側に、当該軸の軸心と直角の半径方向外側に向かうに従ってケーシングに向かって傾斜するガイドを設けた点を最も主要な特徴としている。

本発明は、ラビリンスのケーシング側に位置する入口の軸心側に、軸の半径方向外側に向かうに従ってケーシングに向かって傾斜するガイドを設けるだけで、静止時、ケーシングに回収されない潤滑油が、回転時にラビリンスに侵入することを防止できる。従って、低コストで簡便なメンテナンスで、ケーシングの外部への潤滑油の漏洩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１〜図７を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用歯車装置において、車軸がケーシングから車輪へ貫通する側の断面図である。なお、図１〜図７中、図１２〜図１５と同一番号は、同一部材或いは相当部材を示し、詳細な説明を省略する。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、図１に示すように、ケーシング７を貫通する車軸５部に設けたラビリンス１４の、ケーシング７側に位置する入口１４ａの軸心側を形成するスリーブ１２の垂直面１２ａにガイド１２ａａを設けていることが大きな特徴である。

すなわち、本発明は、車軸５の軸心と直角の面内を半径方向外側に向かうに従ってケーシング７に向かって傾斜するガイド１２ａａを、前記スリーブ１２の垂直面１２ａに設けているのである。

このガイド１２ａａを設けることで、静止時、ケーシング７に回収されない潤滑油１７が、回転時、遠心力によって半径方向に伝わってきても、ラビリンス１４に侵入することを防止できる。

すなわち、低速回転時には、図２（ａ）に示すように、油滴１７ａはガイド１２ａａの傾斜面に捕えられてラビリンス１４への侵入を抑制される。また、高速回転時には、図２（ｂ）に示すように、ラビリンス１４の入口１４ａから離れる方向に弾き飛ばすことにより、ラビリンス１４への侵入を阻む。

従って、このような作用を奏するように、前記ガイド１２ａａに傾斜角度θを設ける必要がある。発明者らの調査結果によれば、前記傾斜角度θは、車軸５の軸心と直角な面に対して５度〜７０度とすることが望ましいことが判明している。

前記傾斜角度θが５度未満であれば、低速回転時には、十分な油滴１７ａの捕捉効果が得られず、図３（ａ）に示すように油滴１７ａがラビリンス１４の入口１４ａに至る。また、前記傾斜角度θが５度未満では、遠心力により弾き飛ばされた液滴１７とラビリンス１４の入口１４ａとの間に十部な距離を確保できない。従って、高速回転時、ラビリンス１４部にケーシング７の内部から外部に向かう流動（白抜き矢印で示す）が発生した場合、図３（ｂ）に示すように、弾き飛ばされた油滴１７ａの一部が前記入口１４ａのケーシング側のスリーブ１３の壁面１３ａに付着し、ラビリンス１４内に侵入する。

一方、傾斜角度θが７０度を超えた場合、低速回転時の油滴１７ａの侵入抑制効果は確保できるものの（図４（ａ）参照）、高速回転時には、図４（ｂ）に示すようにガイド１２ａａの先端部分からの離脱性が悪化してラビリンス１４の内部に油滴１７ａが侵入する。

従って、前記ガイド１２ａａの傾斜角度θは、５度〜７０度の範囲に設定することが望ましい。発明者らの調査によれば、より望ましい傾斜角度θは１５度〜４５度であった。

但し、傾斜させたガイド１２ａａの高さｈが０．５mmより低い場合、図５（ａ）に示すように、ラビリンス１４の入口１４ａに油滴１７ａの一部が当接する場合がある。当接した油滴１７ａの一部は、表面張力によって前記入口１４ａを形成する押え蓋１１の内周側に配置されたスリーブ１３の壁面１３ａに飛翔して付着し、ラビリンス１４の内部に侵入することになる。従って、前記ガイド１２ａａの高さｈが０．５mm以上となるようにすることが望ましい。

一方、ガイド１２ａａの高さｈを高くした場合、図５（ｂ）に示すように、油滴１７ａのケーシング方向への跳ね飛ばし効果は向上するものの、ガイド１２ａａの傾斜開始部１２ｂの厚さｔが薄くなるので、機械的強度が損なわれる。

確保すべき傾斜開始部１２ｂの厚さｔは、スリーブ１２の材質や負荷条件により様々であるが、一般的には前記厚さｔを１．０mm以上確保しておくことが望ましい。なお、この傾斜開始部１２ｂの厚さｔを確保するには、ガイド１２ａａの高さｈの上限を規定すれば良い。

本発明による潤滑油の漏洩抑制効果をさらに高めるために、図６や図７に示すような構成をさらに付加しても良い。

図６は、ガイド１２ａａによって飛翔した油滴１７ａを捕捉する溝部１８を、軸受押え１０の前記油滴１７ａの飛翔位置に設け、この溝部１８に集まった潤滑油１７を溝部１８の鉛直下部にて集め、戻し孔１０ａを介してケーシング７内の歯車方向へ還流させるものである。

また図７は、ラビリンス１４の入口１４ａの奥部に例えば２ヶ所の空間１４ｂを設けて潤滑油１７を貯留できるようにし、これら空間１４ｂの連通部と、ラビリンス１４との連通部の入口にも前記ガイド１２ａａと同様のガイド１４ｂａを設けたものである。

この図７に示した空間１４ｂは図６に示した溝部１８よりも侵入してくる潤滑油１７の量が格段に少ないと考えられる。従って、前記空間１４ｂの鉛直下部位置に、図６の戻し孔１０ａと同様の戻し孔を必ずしも設ける必要は無いが、同様の戻し孔を設けてケーシング７内の歯車方向へ還流させるようにしても良いことは言うまでもない。

本発明の効果を確認するためのモデル試験を行った結果を、図８〜図１１を用いて説明する。
発明者らは、ラビリンスの回転部に着目し、ラビリンスの入口に設けたガイドのエッジから飛び出す油滴が、よりケーシングの内側方向に飛翔するほど漏れ防止効果が高いと考え、高速度ビデオカメラで油滴の動きを可視化することにより油滴の速度と角度を定量評価した。

図８にモデル試験装置の概要を、図９に高速度カメラで撮影した画像の一例を示す。また、下記表１にモデル試験に供したラビリンスの入口に設けたガイドの形状条件を示す。なお、図８中の１９は電動機、２０は電動機１９の出力軸の回転を増速する増速装置、２１は増速装置２０の出側に取付けたスリーブ１２に形成したガイド１２ａａを映しだす鏡、２２は高速度ビデオカメラである。

高速ビデオカメラ２２で撮影した画像から、スリーブ１２の縁部に形成したガイド１２ａａより飛翔する液滴の速度を３次元計測した結果を図１０及び図１１に示す。何れの場合も、従来例に比べ、発明例の方が漏れを防止する効果があることが認められた。そして、その効果は、傾斜角θが同じ場合は、ガイドの高さｈが高いほど漏れ防止効果が顕著であることが認められた。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、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。

例えば図６で説明したガイド１２ａａによって飛翔した油滴１７ａを捕捉する溝部１８と、図７で説明したラビリンス１４の入口１４ａの奥部に設けた空間１４ｂを、共に設けたものでもよい。

以上の本発明は、鉄道車両用の歯車装置に限らず、どのような歯車装置にも適用できる。

（ａ）は本発明の鉄道車両用歯車装置において、車軸がケーシングから車輪へ貫通する側の断面図、（ｂ）は（ａ）のラビリンス部の拡大図である。 ガイドによる油漏れ防止効果を説明する概念図で、（ａ）は低速回転時、（ｂ）は高速回転時である。 ガイドの傾斜角度の下限値を考察する図で、（ａ）は低速回転時、（ｂ）は高速回転時の説明図である。 ガイドの傾斜角度の上限値を考察する図で、（ａ）は低速回転時、（ｂ）は高速回転時の説明図である。 ガイドの高さを考察する図で、（ａ）は高さが低い場合、（ｂ）は高さが高い場合について説明する図である。 （ａ）は潤滑油の漏洩抑制効果を高めるために設ける潤滑油の油滴捕捉用溝部を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。 （ａ）は潤滑油の漏洩抑制効果を高めるためにラビリンスの入口奥部に設ける空間及びガイドを説明する図、（ｂ）は（ａ）のＢ部拡大図である。 （ａ）は本発明の効果を確認するためのモデル試験装置の概要を示す図、（ｂ）は高速度ビデオカメラで撮影した画像を示す図、（ｃ）はガイド部の形状を拡大した図である。 図８のモデル試験装置の高速度ビデオカメラで撮影した画像の一例を示す図である。 高速ビデオカメラで撮影した画像から、スリーブの縁部に形成したガイドより飛翔する精製水の液滴の速度を３次元計測した結果を示した図である。 高速ビデオカメラで撮影した画像から、スリーブの縁部に形成したガイドより飛翔するグリセリン８０質量％水溶液の液滴の速度を３次元計測した結果を示した図である。 （ａ）は特許文献１で開示された歯車装置を説明する図、（ｂ）は車軸のケーシングからの貫通部の拡大図、（ｃ）（ａ）のラビリンス部の拡大図である。 図１２の歯車装置の静止時における潤滑油の挙動を説明する図である。 図１２において、ラビリンスの入口の外部への開口面積を抑制した場合の図である。 （ａ）（ｂ）は図１４の例における潤滑油の漏洩を順を追って説明する図である。

符号の説明

１ 歯車装置
２ 小歯車軸
３ 小歯車
４ 大歯車
５ 車軸
７ ケーシング
１０ 軸受押え
１０ａ 戻し孔
１１ 押え蓋
１２ スリーブ
１２ａａ ガイド
１３ スリーブ
１４ ラビリンス
１４ａ 入口
１４ｂ 空間
１４ｂａ ガイド
１７ 潤滑油
１７ａ 油滴
１８ 溝部
１９ 電動機
２０ 増速装置
２１ 鏡
２２ 高速度ビデオカメラ

Claims (4)

1. 電動機に軸継手を介して接続された小歯車軸に形成された小歯車と、車軸に取付けられた大歯車を噛み合わせてケーシング内に収めた鉄道車両用歯車装置において、
   前記小歯車軸及び車軸が各々ケーシングを貫通して突出する部分の軸受押えの対向面と、この軸受押えの外周側に嵌め合わせる押さえ蓋の内周側に取付けたスリーブの対向面に、潤滑油の漏洩を防止するラビリンスを設けると共に、
   このラビリンスの、前記ケーシング側に位置する入口の軸心側に、当該軸の軸心と直角の半径方向外側に向かうに従ってケーシングに向かって傾斜するガイドを設けたことを特徴とする鉄道車両用歯車装置。
2. 前記ガイドの傾斜角度は、前記軸の軸心と直角な面に対して５〜７０度の範囲であ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。
3. 前記ガイドによって油滴が飛翔する位置に当該油滴を捕捉する溝部を設け、この溝部に溜まった潤滑油を溝部の鉛直下部位置に設けた戻し孔を介してケーシング内の歯車方向へ還流させるようにした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。
4. 前記ラビリンスの入口の奥部に適数の空間を設け、これら空間の連通部と、ラビリンスとの連通部の入口にも前記ガイドと同様のガイドを設けた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。