JPH07113459A - 鉄道車両用歯車装置の歯車箱及びそれの軸受蓋 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 必要部分の補強のためにかけていた非常な手
間を省き、しかも従来通りの機械的強度を有し且つ耐久
性のある軽量のアルミニウム合金製の車両用歯車装置の
歯車箱及びその軸受蓋を提供することを目的とする。 【構成】 鉄道車両用歯車装置のアルミニウム合金製歯
車箱13やその軸受蓋16,17に設けられた機械的強度を補
強する必要のある部位Ｘ，Ｙに、高密度熱エネルギーを
熱源とし、アルミニウム合金の母材５を部分的に溶融す
ると同時にニッケルや銅などのような金属元素を添加し
て、必要範囲のみに高強度合金層６を構成して一体化し
た部位を具えることを特徴とする。 【効果】 従来の補強金具を挿入するような加工工程を
行うことなく、従来通りの機械的強度と耐久性を得ら
れ、耐磨耗性が向上して抜き差しの繰り返しに対する耐
久性を向上し、締付強度、締付耐久性及び機械加工性の
点で優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鉄道車両用歯車装置の
アルミニウム合金製歯車箱並びにその軸受蓋に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の鉄道車両用歯車装置の歯車箱に対
しては、強靱性のみを要求し、走行に伴う騒音等の環境
面は無視して、鉄鋼系材料を使用していた。近年、鉄道
に対しより一層の高速性が求められ、それに伴う騒音に
よる路線周辺の環境や乗客の乗り心地などの対応を強く
求められるようになってきた。環境問題を考慮して鉄道
を高速化するには、現在の技術では車両を軽量化するこ
とで当面の施策とせざるを得ない状況である。そのた
め、鉄道車両用歯車装置の歯車箱及びそれの軸受蓋も従
来の鉄鋼系材料製からアルミニウム合金製に変わった
が、構造材料としての強度は充分でも、各部に施工され
たねじ部や、嵌め合い部などの耐久強度が不足するた
め、種々の補強手段を施している。例えばめねじ部に対
しては予めめねじ状に成形された鉄鋼製のねじ補強金具
を手間をかけてねじ込んで補強している。嵌め合い部に
は鉄鋼製の中子を鋳ぐるんで補強する等の手間をかけて
いる。またボルト座面のへたりに対しては、ワッシャー
を大きくしたり、増し締めを繰り返すなどで対策してい
るのが現状である。

【０００３】図３は鉄道車両用歯車装置の一例を示す図
で、上蓋を取り外し且つ一部を破断して示したもので、
車軸10に固着された大歯車11と、この大歯車と噛合する
駆動電動機（図示せず）に連結される小歯車12とを歯車
箱13が収容している。歯車箱13は車体への取り付け部な
どを省略して示してあるが、軸受14, 15を収容するアル
ミニウム合金製軸受蓋16, 17がボルトにより取り付けら
れている。従って、歯車箱13には、小歯車側軸受蓋16取
り付け用のめねじ１及び大歯車側軸受蓋17取り付け用の
めねじ２が設けらると共に、上蓋取り付け用のめねじ３
が設けられている。図４はこれらのめねじの位置をより
詳細に示す歯車箱13の図であり、ａは上面図、ｂは側面
図であって、上面には上蓋取り付け用のめねじ３が多数
設けられており、側面には小歯車側軸受蓋16取り付け用
のめねじ１及び大歯車側軸受蓋17取り付け用のめねじ２
がそれぞれ多数設けられている。これらめねじ部には必
要に応じて補強金具７が挿入されている（後述する従来
品２）。

【０００４】前記のように、アルミニウム合金製鉄道車
両用の歯車装置の組み立ては、ボルト締結が主体となっ
ている。しかも、使用されるボルトには、価格や強度的
な問題から、鉄鋼製のものを使用しなければならない。
この被締結物との材質の違いによる、物性の違いに起因
する不具合も、解決しなければならない避け難い問題の
一つとなっているのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】時代の要請に叶う軽量
化された鉄道用車両は、アルミニウム合金を構造材とし
て多く使用することになるが、素材そのものの機械的強
度不足及び装置として組み立てるための締結の方法に、
次のような解決すべき課題が存在している。 (1) 素材に直接めねじを設けた場合（後述する従来品
１）には、母材そのものの強度不足と、ねじの抜き差し
によるねじ部の耐久性不足などが問題である。 (2) 予めねじ状に作られた鉄鋼製のぺじ補強金具を挿入
した場合（後述する従来品２）には、熱膨張の差からく
る弛み、ねじの抜き差しに伴う弛みや、挿入の加工上の
わずらわしさなどの問題がある。 (3) 鉄鋼製ボルトによる締結には、母材の耐力とクリー
プ強さの不足、及び締結に使用される鉄鋼製ボルトとの
熱膨張などの物性の違いで発生するボルト座面のへたり
による弛みなどの問題がある。 (4) 軸受などの嵌合部には、素材の強度不足による軸受
挿入時のかじりや、車両運転中の衝撃による弛みなどの
問題がある。これお対策として素材鋳造時に、補強用に
鉄鋼製の中子を鋳ぐるんでいるが、鋳造作業のわずらわ
しさと中子の接合不良や熱処理時の剥離による不具合な
どに問題がある。

【０００６】本発明は前述したような点に鑑みて創案さ
れたもので、その目的とするところは、これらの問題を
解決した鉄道車両用歯車装置の歯車箱及びそれの軸受蓋
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による鉄道車両用
歯車装置の歯車箱並びにその歯車箱に取り付けられる軸
受蓋は、それらに設けられためねじ部に、高密度熱エネ
ルギーを熱源とし、アルミニウム合金の母材を部分的に
溶融すると同時にニッケルや銅などのような金属元素を
添加し、必要範囲のみに高強度合金層を構成し一体化し
ためねじを具えることを特徴とする。

【０００８】また、本発明による歯車箱に取り付けられ
るアルミニウム合金製軸受蓋は軸受嵌め合い部に、高密
度熱エネルギーを熱源とし、母材を部分的に溶融すると
同時にニッケルや銅などのような金属元素を添加し、必
要範囲のみに高強度合金層を構成し一体化した嵌め合い
部を具えることを特徴とするものである。

【０００９】すなわち、めねじ部や軸受嵌め合い部、更
にはボルト座等の機械的耐久強度が要求される部位に、
電子ビーム加工機やレーザー加工機等によって得られる
高密度熱エネルギーを熱源として、所要部分の周辺を部
分的に溶融すると同時に、アルミニウム合金母材に適し
た金属元素を単体または数種類の合金の形で添加し、必
要な範囲のみに高強度合金層を形成して強化改質した部
位を具えた鉄道車両用歯車装置の歯車箱並びにその歯車
箱に取り付けられる軸受蓋を提供するものである。

【００１０】高合金層を形成する方法は実願平1-107587
号（実開平3-67710 号）に記載されているが、アルミニ
ウム合金母材の溶融に電子ビームのような高密度熱エネ
ルギーを使用するのは、必要部分のみの加熱が可能なた
めで、添加元素の融和混合が完了すれば、ただちに熱源
を移動させ周辺の低温部に熱を奪わせて、溶融部の急速
冷却を促す。それにより成分元素の密度の違いによる偏
析を起こさず、金属間化合物が微細に且つ均一に分散し
た準安定組織がえられ、通常鋳造時の冷却速度では得難
い機械的強度に優れた強化改質層が得られるものであ
る。

【００１１】母材のアルミニウム合金の組成は、蒸気圧
の高い元素を除いて、特に選ばないでよい。添加金属と
しては、ニッケルや銅のように母材との間で金属間化合
物を形成し、機械的強度の高い合金層を形成し得るもの
を使用する。

【００１２】機械的強度は、添加する金属元素の種類と
晶出する金属間化合物の容積率とによって決定される。
金属間化合物そのものは非常に硬くて脆いが、鉄道車両
用歯車装置の歯車箱及びそれの軸受蓋の必要部位に要求
される特性と、以後に施される加工方法に合わせて有利
な条件になるように、添加金属の種類と分量とを選択す
ることが可能である。

【００１３】AC4CH のアルミニウム合金鋳物に添加成分
として銅を用いて高合金化処理を行った場合の、添加元
素量の硬さに及ぼす影響を確認した結果を図６に示す。
機械的強度として引張強さ (σＮ/mm²) を推定するに
は、品質管理上測定し易いビッカース硬さ（Hv）を代用
特性として、σ＝3.33×Hv なる関係式を用いることが
できる。このような予備試験により得た結果を用いて、
必要部位に要求される特性と、以後に施される加工方法
に合わせて有利な条件になるように、添加金属の種類と
成分量とを選択することが可能である。

【００１４】

【作用】かくして必要部位に設けられた鉄道車両用歯車
装置の歯車箱並びにその歯車箱に取り付けられる軸受蓋
の強化改質された部位は、その部位に適する通常の機械
加工により直接所定の形状に加工することができ、補強
金具を挿入する作業や、鋳造時に鉄鋼製の中子を鋳ぐる
む作業に煩わされることなく、簡素な工程で形成するこ
とが可能である。

【００１５】本発明による強化改質された部位は、高強
度合金層の形成時の急冷凝固によって、母材組織が微細
化され、方位の異なる結晶粒が転位の不連続点を増加さ
せている。硬い金属間化合物の晶出物は結晶の歪みを生
み、組織内の転位を抑制し、材料を強化するものであ
る。従って、鉄道車両用歯車装置の歯車箱並びにその軸
受蓋に施行された強化改質部位は、機械的強度に優れた
上に硬度も高いので、ねじの締め付け力を向上し、軸受
の繰り返し抜き差しに対す耐磨耗性及び耐久性が向上す
る。また、微細化により加工性が向上して加工精度がよ
くなる二次的な利点を有している。締め付けボルト座面
部に強化改質を施した場合にはボルト締め付けによる座
面のへたりを防止できる。また、一体化されたため、本
歯車装置使用中に熱膨張の差からくる緩みが発生せず、
そのための事故を未然に防ぐことができる。

【００１６】また、歯車箱が割り形の場合には、分割さ
れた両部の組立精度が必要とされるため、ノックピンを
用いて固定される。従って、これらの間の固定ねじ用の
めねじ部の他に、このノックピン穴部にも上記の強化改
質を施すとよい。

【００１７】

【実施例】本発明の１実施例を、鉄道車両用歯車装置の
軸受蓋について図１により説明する。図１は図３に示し
た鉄道車両用歯車装置の本発明による小歯車側の軸受蓋
16の断面図である。本実施例における軸受蓋は、母材を
AC4CH として、改質処理の熱源には電子ビーム加工機を
使用し、高合金化元素としては銅を添加している。めね
じの部位をＸで示し、Ｙは軸受嵌め合い部位を示してい
る。

【００１８】めねじの部位Ｘに対しては、引張強さとね
じ加工の作業性とを考慮に入れて、Hv150 を目標に改質
した。軸受け嵌め合い部位Ｙについては、耐磨耗性を考
慮して、Hv200 を確保することを目標とした。ボルト座
面については、 250Ｎ/mm²以上の耐力を要求されるの
で、Hv120 を確保することを目標に改質した。

【００１９】本発明の別の実施例では、図４に示した車
両用歯車箱をAC4CH により鋳造し、上蓋取り付け用のめ
ねじ３の部位、小歯車側軸受蓋16取り付け用のめねじ１
の部位及び大歯車側軸受蓋17取り付け用のめねじ２の部
位に、高合金化元素として銅を添加して高合金化して改
質を行った後、めねじ加工を施した。一例として、小歯
車側軸受蓋16取り付け用のめねじ１の部位においては、
図２に示すごとく母材５の表面で直径30mm、深さ10mmの
範囲にあたる部分に電子ビーム加工機により、高合金化
して高強度合金層６を得た後、M12 のめねじ４の加工を
施した。これを発明品として下記の引張試験及び締付試
験に供した。

【００２０】一方、従来品１として、図４に示した車両
用歯車箱をAC4CH により鋳造し、ねじ加工面の加工後、
補強金具を挿入せずにねじ下穴加工、ねじ加工を施して
下記の引張試験及び締付試験に供した。

【００２１】また、従来品２として、図４に示した車両
用歯車箱をAC4CH により鋳造し、ねじ加工面の加工後、
補強金具下穴加工、補強金具取り付け加工を施して図５
に示したようなめねじ４を形成し、下記の引張試験及び
締付試験に供した。

【００２２】引張試験は、上記発明品及び従来品１，２
について、試験片をめねじ部を含んだブロックに切り出
し、M12 の鋼製ボルトを20mmねじ込んだ状態で引張試験
機にセットし、めねじ山の破壊荷重を測定した。この結
果、表１に示すように本発明品は母材にねじ加工を行っ
た従来品１に比べて高い引張破壊荷重が得られ、補強金
具を挿入した従来品２と比べても同等以上の引張破壊荷
重となっており、引張強度に優れていることが明らかに
なった。

【００２３】

【表１】

【００２４】締付試験は、上記発明品及び従来品１，２
について、規定締付トルク、すなわち5880Ｎ-cm での抜
き差し回数20回の繰り返しによる耐久性を確認する方法
によった。この結果、表２に示すように本発明品は従来
品２とほぼ同等の耐久性を有し、その締付強度に優れて
いることが明らかとなった。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】本発明は必要部分を機械的強度に優れた
ものに改質することにより、アルミニウム合金製の歯車
箱や軸受蓋の信頼性を高めるものである。それによる鉄
道車両用歯車装置の軽量化は、鉄道の高速化の実現にと
って非常に大きな関係を持つものである。軽量化に伴う
運行上の消費エネルギーの節減による経済面、及び環境
面に及ぶ利点は、無視することのできない効果である。
また副次的には、アルミニウム化により材料のリサイク
ルを容易にすることも見逃せない効果の一つである。

【００２７】めねじ部を強化し且つ補強金具のない一体
化をすることによって、ねじ部の剪断応力が上昇し、組
立時に安心して規定トルクの締め付けを可能にするだけ
でなく、定期的に行われる、分解点検時のボルトの抜き
差しによるねじ部の磨耗や、補強金具の弛みなどの不具
合を解消するものである。また、補強金具を使用しない
構造としたため、熱膨張差により発生した補強材料の弛
みはまったく関係の無いものとすることができるのであ
る。

【００２８】ねじ部の補強金具廃止処理に合わせて、被
締結物のボルト座面周辺にも本発明に使用する強化改質
法を適用すれば、座面周辺の圧縮に対する弾性力を向上
させて、更にボルト座面の受圧面積の拡大が図られる。
これによるボルト座面の限界面圧の上昇は、座面が陥没
する座面のへたりによるねじの弛みを防止している。従
って、更に強力なボルトによる塑性域締結も可能とし、
信頼性の高い組立作業を実現できるのである。

【００２９】ねじ部の高合金化は、切削性を向上させる
二次的な効果ももたらし、タップによるねじ切削の面粗
度を向上させるので、ねじ精度も上がり、初期における
締め付け軸力の保証を容易にしている。本発明に利用す
る強化処理法は、母材を積極的に取り込んでの改質であ
るため、肉盛りなどの強化法と異なり処理部の剥離など
もなく、母材との物性の違いが非常に小さいため、それ
に伴う欠陥を防止できるのである。

【００３０】軸受蓋における軸受嵌め合い部周辺の高合
金化処理は、当該部の硬度を上昇して軸受挿入時のかじ
りを防止する。また、車両運転中における衝撃に対して
も効果を発揮するものである。補強金具の鋳ぐるみのな
い一体化された鋳造のため、鋳造作業も簡単化され、且
つ熱処理時に発生する補強金具の剥離事故も関係のない
ものとしている。

【００３１】以上のごとく、本発明により制作される鉄
道車両用歯車装置は、異種金属の組み合わせによる接合
にもかかわらず、信頼性の高いものとなり、鉄道の高速
化に大きく貢献するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示した鉄道車両用歯車装置
の小歯車側の軸受蓋の断面図である。

【図２】発明品として引張試験及び締付試験に供しため
ねじ部の断面図である。

【図３】鉄道車両用歯車装置の一例を示す図である。

【図４】めねじの位置を詳細に示す歯車箱の図である。

【図５】従来の補強加工を施されためねじ部の断面図で
ある。

【図６】AC4CH のアルミニウム合金鋳物に銅を添加成分
として添加する割合に対するビッカース硬さHvの測定結
果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 小歯車側軸受蓋取り付け用のめねじ ２ 大歯車側軸受蓋取り付け用のめねじ ３ 上蓋取り付け用のめねじ ４ めねじ ５ アルミニウム合金の母材 ６ 高強度合金層 ７ 鉄鋼製の補強金具 10 車軸 11 大歯車 12 小歯車 13 歯車箱 14，15 軸受 16 小歯車側軸受蓋 17 大歯車側軸受蓋 Ｘ めねじの部位 Ｙ 軸受嵌め合い部位

【手続補正書】

【提出日】平成５年１０月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】

【表１】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】

【表２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 正道 神奈川県茅ヶ崎市萩園817番地10 株式会 社眞空精工内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄道車両用歯車装置のアルミニウム合金
   製歯車箱に設けられためねじ部に、高密度熱エネルギー
   を熱源とし、母材を部分的に溶融すると同時にニッケル
   や銅などのような金属元素を添加し、必要範囲のみに高
   強度合金層を構成して一体化しためねじを具えることを
   特徴とする鉄道車両用歯車装置の歯車箱。
2. 【請求項２】 鉄道車両用歯車装置の歯車箱に取り付け
   られるアルミニウム合金製軸受蓋に設けられためねじ部
   に、高密度熱エネルギーを熱源とし、母材を部分的に溶
   融すると同時にニッケルや銅などのような金属元素を添
   加し、必要範囲のみに高強度合金層を構成して一体化し
   ためねじを具えることを特徴とする鉄道車両用歯車装置
   の歯車箱の軸受蓋。
3. 【請求項３】 鉄道車両用歯車装置の歯車箱に取り付け
   られるアルミニウム合金製軸受蓋に設けられた軸受嵌め
   合い部に、高密度熱エネルギーを熱源とし、母材を部分
   的に溶融すると同時にニッケルや銅などのような金属元
   素を添加し、必要範囲のみに高強度合金層を構成して一
   体化した嵌め合い部を具えることを特徴とする鉄道車両
   用歯車装置の歯車箱の軸受蓋。