JP5178105B2 - 鉄道車両用歯車装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸受の焼付き防止、温度上昇抑制、ならびに油漏れの防止を目的とした鉄道車両用歯車装置に関するものである。

例えば平行カルダン駆動式の鉄道車両は、モータで発生するトルクを、たわみ軸継手、歯車装置を介して車軸に伝え、車軸に取り付けた車輪を回転させて走行するようになっている。

この歯車装置は、たわみ軸継手に連結される小歯車軸（以下、Ｐ軸という。）に形成した小歯車と、車軸（以下、Ｇ軸という。）に一体的に取り付けられた大歯車が噛み合って前記トルクを伝達するようになっている。

このような歯車装置を備えた車両のうち、−２０℃以下の寒冷地を走行する車両では、低温起動時には特に高速回転となるＰ軸側の軸受の潤滑が不足する。従って、特許文献１のように、歯車箱内におけるＰ軸の上方に上部油案内を設けることで、Ｐ軸側の軸受に潤滑油を供給し易くして油量を増加させ、潤滑特性を改善していた。
実開昭５６−１５８５０号公報

しかしながら、特許文献１で開示された構造では、Ｐ軸側の軸受部に潤滑油が多量に供給されるので、Ｐ軸側においてシール部からの油漏れが発生し易くなるという問題がある。

このようなことから、特許文献２では、Ｐ軸側軸受及びＧ軸側軸受と、小歯車及び大歯車との間にシールを設けることで歯車側からの潤滑油の侵入を遮断し、軸受側をグリス潤滑としたものが開示されている。
実開平６−７４５５１号公報

また特許文献３では、Ｇ軸のシールを増加させて油漏れ性を改善するものが開示されている。
実開平６−７４５５２号公報

また特許文献４では、Ｇ軸側軸受の外側に取り付けた油切りのさらに外側側面に、複数の切欠きを円周方向に配設した突状溝を設けて油の振り切り力を増加させるものが開示されている。
特開平１１−２０１２６４号公報

特許文献２で開示された構造は、歯車噛み合い用の潤滑油の油漏れは少なくなると考えられるが、グリス潤滑では高速回転になるＰ軸側軸受の発熱量が高くなりすぎるので、実際に使用できる範囲が限定される。

また、在来線では歯車軸の軸方向スペースが非常に限られているので、特許文献３で開示された構造は、特にＰ軸側ではスペース的な余裕がなく、シール部を拡張するには限界があると考えられる。また歯車装置の構成部品が増加するというデメリットもある。

また、特許文献４で開示された構造は、潤滑油が多量に流入してきた場合、効果はないと推定される。

一方、近年、新幹線（登録商標）だけでなく在来線においても鉄道車両の高速化が進んできているので、高速走行時の発熱による温度上昇により潤滑油粘度が低下し、特にＰ軸側においてシール部からの油漏れが発生し易くなる。また、低温起動時には、潤滑が不足すると軸受の焼付きが発生する場合がある。特に、大歯車と小歯車との歯数比が大きい場合、Ｐ軸の回転数が高くなるので油漏れが発生しやすく、低温時の軸受焼付きも発生しやすくなる。

このようなことから、鉄道車両の歯車装置においては、低温時の軸受潤滑と高温時の油漏れの両方を改善することが要望されるようになってきているが、従来の油漏れ防止技術では、高温時の油漏れを効果的に防止することができない。

加えて、図３のように、Ｇ軸３側の軸受１が大歯車２の両側に配置されたものでなく、図２のように、Ｇ軸３側の軸受１が大歯車２の片側に複列に配置された片持ちの場合、Ｇ軸３の部分で二分割にしないと組立てが困難になるので、大歯車２から遠い側の軸受１ａに潤滑油が十分まわらず、潤滑不足になりやすい。なお、図３中の４はＰ軸、５は小歯車、６は歯車箱、７は車輪を示す。

また、歯車装置の吊り装置８が、図４のような垂直吊り方式ではなく、図５のような斜め吊り方式の場合、構造上、Ｐ軸４の下部にポケット（空間）を構成できないので、Ｐ軸４の潤滑を良くするためには、大歯車２の潤滑油への浸漬量が多くなって攪拌熱が多くなる。

本発明が解決しようとする問題点は、従来の油漏れ防止技術では、低温時の軸受潤滑と高温時の油漏れの両方を効果的に防止することができないという点である。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、
構成スペースは従来と同程度としつつ、Ｐ軸側軸受に適度な潤滑油供給を行うことで軸受の焼付き防止を図ると共に、温度上昇をも抑制して油漏れの防止を可能とするために、
在来線を１２０km／h以上の最高速度で走行する鉄道車両用の歯車装置であって、
大歯車と小歯車との歯数比は６．５以上であり、
大歯車を取り付けた車軸は、大歯車の片側に配置された軸受によって片持ち支持されると共に、これら大歯車と軸受を収納する歯車箱は、前記車軸の直径の延長線上で二分割される構造と成され、
この歯車箱を台車枠に取り付ける吊り装置は、鉛直方向に対し斜めに傾斜した斜め吊り方式で、
かつ前記歯車箱の内部には、
回転駆動中、小歯車軸に潤滑油を供給する上部油案内、
小歯車軸の車輪側背面への給油部、
及び停止時に潤滑油を溜めておき、低温起動時に小歯車軸を支持する軸受に潤滑油を供給する小歯車軸下部油溜め、
が設けられておらず、
前記吊り装置で台車枠に前記歯車箱を取り付けた状態において、
歯車箱の最下部から、前記吊り装置と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状が、円弧、接線、円弧、接線及び円弧の連続した組み合わせで形成され、
かつ前記最下部における内側半径をＲmmとしたとき、中間部の前記円弧の半径が（Ｒ−１００）mm以上である点を最も主要な特徴としている。

本発明では、歯車箱の最下部から吊り装置と反対側に９０°の範囲における内周形状を、円弧、接線、円弧、接線及び円弧の連続した組み合わせで形成したので、低温起動時における軸受の焼付き防止と共に、潤滑油量の低減により攪拌による発熱を抑制できる。さらに、高速走行時の温度上昇を抑制できるので、シール部からの潤滑油漏れを防止できる。

以下、本発明の完成に至る新しい着想及びこの着想から課題解決に至るまでの経緯と共に、本発明を実施するための最良の形態例について、図１及び図２を用いて説明する。

発明者は、以下の点を考慮することにより、低温時の軸受潤滑と高温時の油漏れの両方を効果的に防止できると考えた。

1) 従来の歯車装置は、図５に示すように、回転駆動中、Ｐ軸４に潤滑油を供給する上部油案内６ａ、ならびにＰ軸４の車輪側背面への給油部６ｂは、軸受９へ潤滑油を多量に供給させる目的で設けられていた。

しかしながら、潤滑油の供給量が多すぎると、軸受の内部に潤滑油が溜まり、高速回転による攪拌で軸受コロ部の温度が上昇しすぎ、すき間が小さくなった結果、軸受の焼付きが発生すると考えられる。

そこで、発明者らは、これら上部油案内とＰ軸の車輪側背面への給油部を廃止することで、潤滑油供給過多を解消し、改善することにした。

2) 上部油案内ならびにＰ軸の車輪側背面への給油部を廃止することに伴う、軸受部への潤滑油の供給は、歯車箱を丸型にすることで対応した。
すなわち、従来の歯車装置では、潤滑油は多量にある方が良いと考え、歯車箱６を、図５に示すように四角型にしていた。

しかしながら、鉄道車両用の歯車装置は、大歯車２による潤滑油の掻き揚げによる軸受潤滑方式であるため、潤滑油量が多くなると、潤滑油の掻き揚げ時に潤滑油の抵抗が大きくなる。また、歯車箱６の形状が四角であると、内面を潤滑油が流れる際に、抵抗や損失が大きくなるので、潤滑油自体の温度上昇が高くなっていた。

そこで、歯車箱６を大歯車２の外径に可能な限り沿わす形にすることで、潤滑油の流れに対する抵抗は少なくなって潤滑油が円滑に歯車箱内を流れるようにし、Ｐ軸４の軸受９及びＧ軸３の軸受１，１ａに適量の潤滑油を供給することが可能となる。また、潤滑油の攪拌損失や抵抗が減少して歯車箱６の温度上昇が抑制されるので、潤滑油の粘度が確保され、油漏れしにくくなる。

ここで、丸型の歯車箱とは、図１に示すように、歯車箱６の最下部から、吊り装置８と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状が、円弧１１、接線１２、円弧１３、接線１４及び円弧１５の連続した組み合わせで形成され、かつ前記最下部における円弧１１の内側半径をＲmmとしたとき、中間部の前記円弧１３の半径が（Ｒ−１００）mm以上である歯車箱をいう。

3) 従来、Ｐ軸下部油溜め６ｃ（図５参照）は、もともと停止時に潤滑油を溜めておき、低温起動時にＰ軸４の軸受９への潤滑油供給を実施する目的で設けられていた。しかしながら、Ｐ軸下部油溜め６ｃには潤滑油が常に存在するので、Ｐ軸４の軸受９は高速回転による攪拌で軸受コロ部の温度が上昇しすぎてすき間が小さくなり、軸受９の焼付きが発生すると考えられる。

そのため、Ｐ軸下部油溜め６ｃを廃止することで、軸受部の攪拌熱を低減させ、また歯車箱６を丸型にすることで、モータ側と車輪側の軸受ともに適量の潤滑油を供給させることができるので、所期の性能を確保できる。また、Ｐ軸下部油溜め６ｃに溜まる油量がなくなることで、全体の油量を低減できるので、さらに大歯車２による攪拌熱を低減できる。

以上の３点を考慮することで、潤滑油が歯車装置内を円滑に循環して、軸受部へは適度に潤滑油を供給できるようになり、かつ設置スペースは従来の歯車装置並で構成することができるようになる。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、以上の考え方を基にしてなされたものであり、
大歯車と小歯車との歯数比は６．５以上であり、
大歯車を取り付けた車軸は、大歯車の片側に配置された軸受によって片持ち支持されると共に、これら大歯車と軸受を収納する歯車箱は、前記車軸の直径の延長線上で二分割される構造と成され、
この歯車箱を台車枠に取り付ける吊り装置は、鉛直方向に対し斜めに傾斜した斜め吊り方式で、
かつ前記歯車箱の内部には、
回転駆動中、小歯車軸に潤滑油を供給する上部油案内、
小歯車軸の車輪側背面への給油部、
及び停止時に潤滑油を溜めておき、低温起動時に小歯車軸を支持する軸受に潤滑油を供給する小歯車軸下部油溜め、
が設けられておらず、
前記吊り装置で台車枠に前記歯車箱を取り付けた状態において、
歯車箱の最下部から、前記吊り装置と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状が、円弧、接線、円弧、接線及び円弧の連続した組み合わせで形成され、
かつ前記最下部における内側半径をＲmmとしたとき、中間部の前記円弧の半径が（Ｒ−１００）mm以上であることを特徴とするもので、特に在来線を１２０km／h以上の最高速度で走行する鉄道車両用の歯車装置に適するものである。

本発明において、大歯車と小歯車の歯数比を６．５以上と規定したのは、車輪の外径が８６０mmで速度が１２０km／hの時には、Ｐ軸の回転数が非常に大きくなり、油漏れ、軸受け焼付きに対して厳しい条件となるためである。

本発明において、中間部の円弧の半径を（Ｒ−１００）mm以上とするのは、（Ｒ−１００）mm未満になると油溜めに溜まる油量が多くなって、大歯車による攪拌熱が大きくなり、温度上昇により潤滑油粘度が低下して油漏れにつながるからである。上限は特に限定されないが、最下部または最下部から９０°の位置におけるＲの値とするのが望ましい。

ちなみに、本発明の効果を確認するために、歯車箱の最下部から、吊り装置と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状が、最下部の円弧１１をＲ３３０mm、中間部の円弧１３をＲ２４０mm、上部の円弧１５をＲ３４０mmとした歯車箱内に、上部油案内と小歯車軸の車輪側背面への給油部と小歯車軸下部油溜めを設けない、図１、図２に示す本発明の歯車装置（大歯車と小歯車との歯数比は６．５）を用いて、定置回転試験を行った。

比較として、最下部の円弧１１がＲ３３０mm、中間部の円弧１３がＲ５０mm、上部の円弧１５がＲ３４０mmの歯車箱内に、上部油案内と小歯車軸の車輪側背面への給油部と小歯車軸下部油溜めを設けた、図５に示す従来の歯車装置（大歯車と小歯車との歯数比は６．５）を用いて、同じ定置回転試験を行った。

その結果を、下記表１及び表２に示す。表１は、車速１２０km／hで連続運転した場合に相当する定置回転試験の結果を、表２はラインカーブを元にした車速で、現車走行パターンを模擬した場合（Ａ→Ｂ→Ａ→Ｃ、１．５往復）に相当する定置回転試験の結果を示したものである。

上記表１より、定置回転試験で連続高速試験を実施した結果、発明例では正回転、逆回転共に大幅に温度上昇が抑制され、油漏れも発生しなかった。また、低温時の試験においても軸受の焼付きは発生しなかった。

また、表２より、同じ走行区間を走った場合でも、従来例では温度上昇が大きく、油漏れが発生する可能性が高いが、発明例では温度上昇が抑制され、油漏れは発生せず、大幅に性能が改善されたことが分かる。

以上の効果は、歯車箱を丸型に変更して潤滑油量を低減するのと共に、潤滑油の円滑な循環を図ることで達成できたものである。

本発明は上記の例に限らず、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。

以上の本発明の技術的思想は、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。

本発明の鉄道車両用歯車装置を説明する図面で、（ａ）は外形図、（ｂ）は歯車箱の最下部から、吊り装置と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状を説明する図である。 本発明の鉄道車両用歯車装置の車軸を支持する軸受部の支持構造を示す図である。 鉄道車両用歯車装置の車軸を支持する軸受部の本発明と異なる支持構造を示す図である。 鉄道車両用歯車装置の吊り構造の本発明と異なる方式を示す図である。 従来の鉄道車両用歯車装置を説明する図面で、（ａ）は外形図、（ｂ）は小歯車軸部分の断面図である。

符号の説明

１ 車軸側の軸受
２ 大歯車
３ 車軸（Ｇ軸）
４ 小歯車軸（Ｐ軸）
５ 小歯車
６ 歯車箱
７ 車輪
８ 吊り装置
１１ 円弧
１２ 接線
１３ 円弧
１４ 接線
１５ 円弧

Claims (1)

1. 在来線を１２０km／h以上の最高速度で走行する鉄道車両用の歯車装置であって、
   大歯車と小歯車との歯数比は６．５以上であり、
   大歯車を取り付けた車軸は、大歯車の片側に配置された軸受によって片持ち支持されると共に、これら大歯車と軸受を収納する歯車箱は、前記車軸の直径の延長線上で二分割される構造と成され、
   この歯車箱を台車枠に取り付ける吊り装置は、鉛直方向に対し斜めに傾斜した斜め吊り方式で、
   かつ前記歯車箱の内部には、
   回転駆動中、小歯車軸に潤滑油を供給する上部油案内、
   小歯車軸の車輪側背面への給油部、
   及び停止時に潤滑油を溜めておき、低温起動時に小歯車軸を支持する軸受に潤滑油を供給する小歯車軸下部油溜め、
   が設けられておらず、
   前記吊り装置で台車枠に前記歯車箱を取り付けた状態において、
   歯車箱の最下部から、前記吊り装置と反対側にかけて９０°の範囲における内周形状が、円弧、接線、円弧、接線及び円弧の連続した組み合わせで形成され、
   かつ前記最下部における内側半径をＲmmとしたとき、中間部の前記円弧の半径が（Ｒ−１００）mm以上であることを特徴とする鉄道車両用歯車装置。

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