JP5919690B2 - 車両車軸用軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鉄道車両の車軸を回転自在に支持する軸受装置に関する。

従来、この種の軸受装置として、例えば鉄道車両車軸には、各種の円すいころ軸受が用いられている（例えば、特許文献１,２参照）。一例として図５に示された円すいころ軸受には、常時非回転状態に維持された静止輪１（例えば、外輪）と、外輪１の内側に対して相対回転可能に対向配置された回転輪３（例えば、内輪）と、外輪１及び内輪３の対向面にそれぞれ周方向に連続して形成された軌道面１ｓ,３ｓ相互間に転動自在に組み込まれた複数の転動体（ころ）５と、複数の転動体（ころ）５を１つずつ回転自在に保持しながら、外内輪１,３間に沿って公転する例えば樹脂製の保持器１１とが設けられている。

また、鉄道車両車軸１３には、複数（図面では、２つ）の内輪３がその背面同士を環状の間座１５に当て付けた状態で嵌合（圧入）されており、これら２つの内輪３の外側に対向して単体の外輪１がハウジング（図示しない）に嵌合（圧入）されている。なお、それぞれの内輪３の対向面には、間座１５側から離間する方向に沿って末広がり状に傾斜し、かつ、周方向に連続した環状の内輪軌道面３ｓが形成されており、これに対して、外輪１の対向面には、各内輪３の内輪軌道面３ｓに沿って傾斜し、かつ、周方向に連続した環状の外輪軌道面１ｓが形成されている。

また、各内輪軌道面３ｓの両側には、当該内輪軌道面３ｓに沿って環状の鍔部７,９が突出されており、その突出端７ｅ,９ｅの径寸法が相互に異なっている。即ち、各内輪３において、間座１５側の鍔部７（以下、小径鍔部７という）は、比較的小径の突出端７ｅとなり、反間座１５側の突出端９ｅ（以下、大径鍔部９という）は、間座１５側の鍔部７よりも比較的大径の突出端９ｅとなっている。

更に、２つの内輪３の軸方向両側には、これに隣接して、シール・ウェア・リング（ＳＥＡＬ ＷＥＡＲ ＲＩＮＧ）機能を有する環状の油切り部材１７,１９（符号１９の部材は、後ろ蓋部材ともいう）が、鉄道車両車軸１３に嵌合されている。この場合、一方側（図３(ａ)中向って左側）の油切り部材１７に対して、押圧体２１をアキシアル方向（軸方向ともいう）に当て付けてボルト２３で締め付けることで、円すいころ軸受に所定の予圧を付与することができる。なお、軸方向とは、軸受の回転中心軸Ａｘに沿って平行を成す方向を指す。具体的には、鉄道車両車軸１３の回転中心軸Ａｘ、及び、当該回転中心軸Ａｘに一致する円すいころ軸受の回転中心軸Ａｘ（外内輪１,３の相対回転中心軸Ａｘ）に沿って平行を成す方向を指す。

上記した円すいころ軸受によれば、鉄道車両車軸１３を回転させると、外内輪１,３の軌道面１ｓ,３ｓ相互間に、保持器１１と共に組み込まれた複数の転動体（ころ）５は、当該外内輪１,３が回転中心軸Ａｘ回りに相対回転する間（軸受回転中）に、各鍔部７,９の案内面７ｓ,９ｓによって保持・案内されながら軌道面１ｓ,３ｓに沿って転動する。これにより、鉄道車両車軸１３を円滑に回転させることができる。

また、上述した円すいころ軸受には、軸受回転中における潤滑性能を一定に維持するために、所定量の潤滑剤（例えば、グリース）が軸受内部に封入されている。この場合、潤滑剤（グリース）の軸受外部への漏洩防止を図ると共に、異物（例えば、水、塵埃）の軸受内部への浸入防止を図るために、外内輪１,３の両側には、軸受内部を軸受外部から密封するための密封機構が設けられている。

密封機構は、その基端部２５ｅが外輪１に固定され、その先端部２５ｔが各油切り部材１７,１９に非接触状態に位置決めされた環状のシールケース２５と、当該シールケース２５と油切り部材１７,１９との間に介在された密封部材２７とを備えている。なお、シールケース２５は、基端部２５ｅから先端部２５ｔに向けて軸受内部（内輪３と油切り部材１７,１９との軸方向当接部位）を覆うように延出されている。

密封部材２７は、シールケース２５に固定され、かつ、油切り部材１７,１９に向けて延出した環状のスリンガ２７ａと、スリンガ２７ａの内側に固定され、かつ、油切り部材１７,１９に向けて延出した環状のシール部材２７ｂとを備えている。この場合、スリンガ２７ａの延出端は、油切り部材１７,１９に対して非接触状態に位置決めされ、これに対して、シール部材２７ｂの延出端は、油切り部材１７,１９に対して接触状態に位置決めされている。

特開２００９−１３８８８０号公報 特開２００９−８５４１８号公報 特開平１１−３３６７７４号公報 特開２０００−５２９８６号公報 特開２００５−２２６７９４号公報

ところで、上記した軸受装置（円すいころ軸受）は、車輪の両外側に配置されて鉄道車両の重量を支える仕様となっている。このため、当該軸受装置には、極めて大きな荷重が負荷される場合があり、その際に作用した曲げモーメントの大きさの程度によっては、鉄道車両車軸１３が撓む場合がある。特に、鉄道車両の重量が軸受装置に対して車軸と垂直方向に負荷された場合、当該車軸が大きく撓むが、このときの撓み状態（撓み量、撓み程度）は、当該車軸の両軸端側に向うに従って大きくなる。

そして、上記したような撓み状態で鉄道車両車軸１３が回転すると、２つの内輪３と、その両側の油切り部材１７,１９との軸方向当接部位が、相対的に回転（揺動）しながら擦れ合うことで、その軸方向当接部位の相互間において、応力変動（応力集中）が繰り返されると同時に、微小滑りが繰り返されることになる。

ここで、応力変動（応力集中）や微小滑りの程度によっては、２つの内輪３と、その両側の油切り部材１７,１９との軸方向当接部位が相互に摩耗し、これにより、摩耗粉（鉄金属粉）が発生する現象、即ち、フレッチングを生じる場合がある。この場合、フレッチングによって発生した摩耗粉（鉄金属粉）が軸受装置内に浸入すると、当該軸受が早期に劣化してしまう虞がある。

そこで、例えば特許文献３〜５には、上記した軸方向当接部位の応力変動（応力集中）や微小滑りによって発生した摩耗粉（鉄金属粉）が軸受装置内に浸入するのを防止するための技術思想が示されている。しかしながら、これら３つの特許文献３〜５に係る技術思想は、発生した摩耗粉（鉄金属粉）が軸受装置内に浸入するのを防止するにとどまり、摩耗粉（鉄金属粉）自体の発生を防止（抑制）する点について何ら考慮がされていない。

このため、フレッチングによって摩耗粉（鉄金属粉）が発生し続けた場合、その発生の程度によっては、当該フレッチング摩耗粉（鉄金属粉）が軸受装置内に浸入するのを防止することが困難になってしまうだけでなく、このときの軸受装置内へのフレッチング摩耗粉（鉄金属粉）の浸入の程度によっては、当該軸受が早期に劣化してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、フレッチングが生じる部位に自動調心性を有する自動調心構造を構築することで、その部位における応力変動（応力集中）と微小滑りを無くし、これにより、車軸と共に軸受の回転中、フレッチング摩耗粉の発生を防止することを可能にした車両車軸用軸受装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、車両車軸を回転自在に支持する車両車軸用軸受装置であって、常時非回転状態に維持される静止輪ユニットと、前記静止輪ユニットに対して相対回転可能に対向配置され、車両車軸に嵌合されて共に回転する回転輪ユニットと、前記回転輪ユニットの軸方向両側に設けられ、前記車両車軸に嵌合される一対の油切り部材とを有し、前記一対の油切り部材のうち、前記車両車軸の反軸端側に設けられた油切り部材と、前記回転輪ユニットとの間には、軸受の回転中心軸に対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されており、前記自動調心構造は、前記回転輪ユニットに当接する当接面部を有すると共に、前記回転中心軸上の車輪中心よりも軸端側で、当該車輪中心かその近傍に位置した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の球面部を有する自動調心輪と、前記反軸端側に設けられた前記油切り部材に設けられ、前記自動調心輪の球面部が相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部と回転中心軸上に同中心で同半径を成す中空の球面部とを備えている。
このような目的を達成するために、本発明は、車両車軸を回転自在に支持する車両車軸用軸受装置であって、常時非回転状態に維持される静止輪ユニットと、
前記静止輪ユニットに対して相対回転可能に対向配置され、車両車軸に嵌合されて共に回転する回転輪ユニットと、前記回転輪ユニットの軸方向両側に設けられ、前記車両車軸に嵌合される一対の油切り部材とを有し、前記一対の油切り部材のうち、前記車両車軸の反軸端側に設けられた油切り部材と、前記回転輪ユニットとの間には、軸受の回転中心軸に対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されており、前記自動調心構造は、前記回転輪ユニットに当接する当接面部を有すると共に、前記回転中心軸上の軸受中心かその近傍に設定した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の凸球面状の球面部を有する自動調心輪と、前記反軸端側に設けられた前記油切り部材に設けられ、前記自動調心輪の球面部が相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部と回転中心軸上に同中心で同半径を成す中空の凹球面状の球面部とを備えている。
本発明において、前記自動調心輪の球面部の内径は、前記車両車軸の直径よりも大きく設定されている。
本発明において、前記軸受装置は、車輪の両外側に配置されて車両の重量を支える。

本発明によれば、フレッチングが生じる部位に自動調心性を有する自動調心構造を構築することで、その部位における応力変動（応力集中）と微小滑りを無くし、これにより、車軸と共に軸受の回転中、フレッチング摩耗粉の発生を防止することを可能にした車両車軸用軸受装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る車両車軸用軸受装置の構成を示す断面図。 (ａ)は、図１に示された自動調心輪の構成を示す断面図、(ｂ)は、図１に示された油切り部材の構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る車両車軸用軸受装置の構成を示す断面図。 (ａ)は、図３に示された自動調心輪の構成を示す断面図、(ｂ)は、図３に示された油切り部材の構成を示す断面図。 従来の車両車軸用軸受装置の構成を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係る車両車軸用軸受装置について、添付図面を参照して説明する。なお、本実施形態は、図５に示された車両車軸用軸受装置の改良であるため、以下では、改良部分の説明にとどめる。この場合、上記した車両車軸用軸受装置（図５）と同一の構成については、その構成に付された参照符号と同一の符号を本実施形態に用いた図面上に付すことで、その説明を省略する。

図１及び図２(ａ),(ｂ)に示すように、本実施形態に係る車両車軸用軸受装置は、例えば鉄道車両の車輪の両外側に配置されて当該車両の重量を支える仕様となっており、常時非回転状態に維持された静止輪ユニットと、静止輪ユニットに対して相対回転可能に対向配置され、鉄道車両車軸１３に嵌合されて共に回転する回転輪ユニットと、回転輪ユニットの軸方向両側に設けられ、鉄道車両車軸１３に嵌合される一対の油切り部材１７,１９とを有している。

静止輪ユニットとしては、ハウジング（図示しない）に嵌合（圧入）される単体の静止輪（外輪）１を想定することができる。一方、回転輪ユニットとしては、その背面同士を環状の間座１５に当て付けた状態で鉄道車両車軸１３に嵌合（圧入）される複数（図面では２つ）の回転輪（内輪）３、並びに、間座１５を想定することができる。

また、本実施形態に係る車両車軸用軸受装置において、一対の油切り部材１７,１９のうち、鉄道車両車軸１３の反軸端側（図中向って右側）に設けられた油切り部材１９と、回転輪ユニット（具体的には、反軸端側の内輪３の正面）との間には、軸受の回転中心軸Ａｘに対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されている。

自動調心構造は、回転輪ユニット（反軸端側の内輪３の正面）に当接する当接面部２９ｓを有すると共に、回転中心軸Ａｘ上に位置した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の球面部２９ｒを有する自動調心輪２９と、反軸端側に設けられた油切り部材１９に設けられ、自動調心輪２９の球面部２９ｒが相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部２９ｒと回転中心軸Ａｘ上に同中心で同半径を成す中空の球面部１９ｒとを備えている。

自動調心輪２９において、当接面部２９ｓの形状については、反軸端側の内輪３の正面の形状に応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。例えば、反軸端側の内輪３の正面が、回転中心軸Ａｘを直交する方向に沿って延在する中空円形状の平坦面を成している場合、当接面部２９ｓの形状は、これに合わせて、回転中心軸Ａｘを直交する方向に沿って延在する中空円形状の平坦面に設定すればよい。

また、自動調心輪２９において、球面部２９ｒの形状については、油切り部材１９に向けて球面状に突出した形状（即ち、凸球面状）に設定する場合、凸球面状を成す球面部２９ｒの曲率中心Ｐ１を、回転中心軸Ａｘ上の軸受中心Ｓ側（及び、その近傍）に設定すればよい。図面では一例として、回転中心軸Ａｘ上において、軸受中心Ｓよりも軸端側に曲率中心Ｐ１を設定し、当該曲率中心Ｐ１から所定の曲率半径Ｒ１を成す中空の球面部２９ｒが構成されている。なお、曲率中心Ｐ１は、鉄道車両車軸１３の剛性により算出することができる。

更に、自動調心輪２９において、球面部２９ｒの内径２９ｔ（図２(ａ)参照）は、鉄道車両車軸１３の直径１３ｔ（図１参照）よりも大きく設定（２９ｔ＞１３ｔ）することが好ましい。なお、球面部２９ｒの内径２９ｔ、及び、鉄道車両車軸１３の直径１３ｔについては、例えば、車両車軸用軸受装置の大きさや種類、或いは、使用目的や使用環境などに応じて設定されるため、ここでは特に数値限定しない。

この場合、油切り部材１９において、球面部１９ｒの形状については、上記した自動調心輪２９の球面部２９ｒが相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部２９ｒと回転中心軸Ａｘ上に同中心Ｐ１で同半径Ｒ１を成すように設定すればよい。これにより、球面状に窪んだ形状（即ち、凹球面状）を成す球面部１９ｒが構成される。

以上、本実施形態によれば、鉄道車両車軸１３の反軸端側に設けられた油切り部材１９と、回転輪ユニット（反軸端側の内輪３の正面）との間に、回転中心軸Ａｘに対して自動調心性を有する自動調心構造を構築したことで、軸受装置に極めて大きな荷重が負荷されて、鉄道車両車軸１３が軸端側に向うに従って大きく撓んだ状態で回転した場合でも、従来では生じたような応力変動（応力集中）や微小滑りを無くし、これにより、フレッチング摩耗粉の発生を防止（抑制）することができる。

具体的に説明すると、鉄道車両車軸１３が撓んだ状態での軸受回転中、反軸端側に設けられた油切り部材１９と、反軸端側に設けられた内輪３の正面との間に隣接して介在された自動調心輪２９は、その凸球面状の球面部２９ｒが、油切り部材１９の凹球面状の球面部１９ｒに沿って相対的に回転しながら摺動することで、軸受の回転中心軸Ａｘに対して自動的に調心動作を実行する。

このとき同時に、自動調心輪２９は、その球面部２９ｒの内径２９ｔを鉄道車両車軸１３の直径１３ｔよりも大きく設定したことで、反軸端側に設けられた内輪３の正面に沿って径方向（回転中心軸Ａｘに直交する方向）に微小変位（微小スライド）しながら自動的に径方向位置の調整動作を実行する。

これにより、自動調心輪２９の軸方向両側に隣接した内輪３の正面と油切り部材１９との軸方向当接部位において、応力変動（応力集中）や微小滑りが発生しないため、フレッチングが発生する余地は無く、その結果、フレッチング摩耗粉（鉄金属粉）自体の発生を防止（抑制）することができる。

この場合、自動調心輪２９と油切り部材１９との軸方向当接部位に着目すると、双方の球面部２９ｒ,１９ｒ同士を摺接させる構成となっている。かかる構成は、非球面（例えば、平面）同士の接触に比して、その摺接面積を大きくすることができる。これにより、当該軸方向当接部位における面圧が小さくなることで、応力変動（応力集中）の発生を防止（抑制）することができるため、フレッチングが発生する余地は無く、その結果、フレッチング摩耗粉（鉄金属粉）自体の発生を防止（抑制）することができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されることはなく、これに代えて、以下の他の実施形態に係る車両車軸用軸受装置としても、上記した実施形態（図１,２）と同様の効果を実現することができる。

図３及び図４(ａ),(ｂ)に示すように、本実施形態に係る車両車軸用軸受装置にも、上記した実施形態（図１,２）と同様に、一対の油切り部材１７,１９のうち、鉄道車両車軸１３の反軸端側（図中向って右側）に設けられた油切り部材１９と、回転輪ユニット（反軸端側の内輪３の正面）との間には、軸受の回転中心軸Ａｘに対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されている。

自動調心構造は、回転輪ユニット（反軸端側の内輪３の正面）に当接する当接面部２９ｓを有すると共に、回転中心軸Ａｘ上に位置した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の球面部２９ｒを有する自動調心輪２９と、反軸端側に設けられた油切り部材１９に設けられ、自動調心輪２９の球面部２９ｒが相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部２９ｒと回転中心軸Ａｘ上に同中心で同半径を成す中空の球面部１９ｒとを備えている。

自動調心輪２９において、当接面部２９ｓの形状については、反軸端側の内輪３の正面の形状に応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。例えば、反軸端側の内輪３の正面が、回転中心軸Ａｘを直交する方向に沿って延在する中空円形状の平坦面を成している場合、当接面部２９ｓの形状は、これに合わせて、回転中心軸Ａｘを直交する方向に沿って延在する中空円形状の平坦面に設定すればよい。

また、自動調心輪２９において、球面部２９ｒの形状については、油切り部材１９から離間する方向に向けて球面状に窪んだ形状（即ち、凹球面状）に設定する場合、凹球面状を成す球面部２９ｒの曲率中心Ｐ２を、回転中心軸Ａｘ上の車輪中心Ｔ側（及び、その近傍）に設定すればよい。図面では一例として、回転中心軸Ａｘ上において、車輪中心Ｔよりも軸端側に曲率中心Ｐ２を設定し、当該曲率中心Ｐ２から所定の曲率半径Ｒ２を成す中空の球面部２９ｒが構成されている。なお、曲率中心Ｐ２は、鉄道車両車軸１３の剛性により算出することができる。

更に、自動調心輪２９において、球面部２９ｒの内径２９ｔ（図４(ａ)参照）は、鉄道車両車軸１３の直径１３ｔ（図３参照）よりも大きく設定（２９ｔ＞１３ｔ）することが好ましい。なお、球面部２９ｒの内径２９ｔ、及び、鉄道車両車軸１３の直径１３ｔについては、例えば、車両車軸用軸受装置の大きさや種類、或いは、使用目的や使用環境などに応じて設定されるため、ここでは特に数値限定しない。

この場合、油切り部材１９において、球面部１９ｒの形状については、上記した自動調心輪２９の球面部２９ｒが相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部２９ｒと回転中心軸Ａｘ上に同中心Ｐ２で同半径Ｒ２を成すように設定すればよい。これにより、球面状に突出した形状（即ち、凸球面状）を成す球面部１９ｒが構成される。

なお、本実施形態において、上記した実施形態（図１,２）では凸球面状の球面部２９ｒとしたものを、凹球面状の球面部２９ｒとし、これに対応して、上記した実施形態（図１,２）では凹球面状の球面部１９ｒとしたものを、凸球面状の球面部１９ｒとした以外は、上記した実施形態（図１,２）と同様の構成及び効果であるため、その説明は省略する。

なお、上記した各実施形態では、鉄道車両車軸を支持する軸受装置を想定したが、これ以外の車両車軸にも当該軸受装置を適用できることは言うまでもない。

１３ 鉄道車両車軸
１７,１９ 油切り部材
１９ｒ 球面部
２９ 自動調心輪
２９ｒ 球面部
２９ｓ 当接面部
Ａｘ 回転中心軸
Ｐ１,Ｐ２ 曲率中心
Ｒ１,Ｒ２ 曲率半径

Claims (4)

1. 車両車軸を回転自在に支持する車両車軸用軸受装置であって、
   常時非回転状態に維持される静止輪ユニットと、
   前記静止輪ユニットに対して相対回転可能に対向配置され、車両車軸に嵌合されて共に回転する回転輪ユニットと、
   前記回転輪ユニットの軸方向両側に設けられ、前記車両車軸に嵌合される一対の油切り部材とを有し、
   前記一対の油切り部材のうち、前記車両車軸の反軸端側に設けられた油切り部材と、前記回転輪ユニットとの間には、軸受の回転中心軸に対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されており、
   前記自動調心構造は、
   前記回転輪ユニットに当接する当接面部を有すると共に、前記回転中心軸上の車輪中心よりも軸端側で、当該車輪中心かその近傍に位置した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の球面部を有する自動調心輪と、
   前記反軸端側に設けられた前記油切り部材に設けられ、前記自動調心輪の球面部が相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部と回転中心軸上に同中心で同半径を成す中空の球面部とを備えていることを特徴とする車両車軸用軸受装置。
2. 車両車軸を回転自在に支持する車両車軸用軸受装置であって、
   常時非回転状態に維持される静止輪ユニットと、
   前記静止輪ユニットに対して相対回転可能に対向配置され、車両車軸に嵌合されて共に回転する回転輪ユニットと、
   前記回転輪ユニットの軸方向両側に設けられ、前記車両車軸に嵌合される一対の油切り部材とを有し、
   前記一対の油切り部材のうち、前記車両車軸の反軸端側に設けられた油切り部材と、前記回転輪ユニットとの間には、軸受の回転中心軸に対して自動調心性を有する自動調心構造が構築されており、
   前記自動調心構造は、
   前記回転輪ユニットに当接する当接面部を有すると共に、前記回転中心軸上の軸受中心かその近傍に設定した曲率中心から所定の曲率半径を成す中空の凸球面状の球面部を有する自動調心輪と、
   前記反軸端側に設けられた前記油切り部材に設けられ、前記自動調心輪の球面部が相対回転可能に摺接し、かつ、当該球面部と回転中心軸上に同中心で同半径を成す中空の凹球面状の球面部とを備えていることを特徴とする車両車軸用軸受装置。
3. 前記自動調心輪の球面部の内径は、前記車両車軸の直径よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両車軸用軸受装置。
4. 前記軸受装置は、車輪の両外側に配置されて車両の重量を支えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車両車軸用軸受装置。

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