JPH09310751A - 鉄道車両用歯車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来と同等の曲げ剛性を有する軽量化した鉄道
車両用歯車の提供。 【解決手段】（１）リム部（１）、歯部（２）、ボス部
（５）および板部（３、４）からなる歯車であって、そ
の板部を、板部の肉厚中心が円周方向もしくは半径方向
またはこれら両方向にそって歯車の中心面（９）を挟ん
で交互に周期的に変化する波打ち形状とし、波打ち形状
における下記式に示す波打ち高さδ（ｍｍ）を、下記
式に示す径方向長さＬ（ｍｍ）の２．５％〜１０％と
する鉄道車両用歯車。 波打ち高さδ(mm)＝板部の肉厚中心と中心面との距離の
最大値(mm)・・・・・ 径方向長さL(mm)＝(1/2)×{リム内径からボス外径を減
じた値(mm)}・・・・・

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉄道車両において使
用される歯車、とくに軽量化をはかった歯車に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両に使用される歯車には、車軸に
直接圧入される大歯車（ギヤ）と誘導電動機に接続され
る小歯車（ピニオン）の２種類がある。これらの歯車の
ほとんどは、かみあい率を向上させて一歯に作用する応
力を減少させる効果が大きいはすば歯車であり、その形
状はＪＩＳ Ｂ１７２２（一般用はすば歯車の形状およ
び寸法）に規定されている１Ａ、１Ｂまたは１Ｃ形とい
ったリム部１とボス部５が離れて、その間に板部がある
ものが多い。これら歯車は通常は鋼からなるが、他の金
属、例えばアルミ、またはその他の合金であってもよ
い。

【０００３】鉄道車両において、高速化に必要な乗り心
地の改善には、ばね下重量の軽減が不可欠であり、歯車
装置においても大歯車および小歯車を軽量化できればこ
れに寄与する効果が大きい。

【０００４】これら歯車を軽量化するために板部を薄肉
化すると、曲げ剛性が低下するとともに、固有振動数が
低下するため、実際の鉄道車両の運転時に異常な振動や
騒音が生じる危険性がある。さらに、曲げ剛性の低下に
よって、歯部で片当たりが生じ、歯面の異常摩耗や、歯
元部での疲労による折損が起こる可能性が高くなる。

【０００５】この騒音を低減する歯車として、板部に溝
を設け、この溝内に減衰ゴムを挿入した歯車が提案され
ている（L.Zhengxiong,Z.Mengzhou,Z.Ce:Noise Control
Engineering Journal 33-1(1989),p.17）。

【０００６】しかしながら、強度面から薄肉化と軽量化
が困難であり、部品点数が多くなるためコストが上昇す
るという不具合がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鉄道
車両に使用される歯車を軽量化して、なお従来と同等の
曲げ剛性を有する歯車を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、曲げ剛性
を低下させることなく板部を薄肉化することを可能にす
るため、特に板部の形状に注目し、種々の板部形状で試
作、評価を繰り返した結果、下記の事項を確認した。

【０００９】(a) 板部の肉厚を薄肉化しても、板部を平
面とせずに歯車の中心面外方向に波打たせた形状とする
ことにより曲げ剛性を高めることができる。このような
歯車を“波打ち歯車”という。

【００１０】(b) 板部の肉厚を薄肉化しても部分的にパ
ッチ状に増肉することにより曲げ剛性は高められるが、
軽量化の効果は、波打ち歯車に比べると小さい。

【００１１】(c) 軽量化したうえで同時に曲げ剛性を高
めるには、上記の中心面外への波打ち高さを適正な範囲
にしなければならない。

【００１２】(d) 中心面外に波状に変形した板部の形状
は、円周方向もしくは半径方向またはこれら両方向への
周期的な波として表すことができる。これらのうち、円
周方向一周あたりの波の数を偶数とすると、使用時に発
生する偶数次の固有振動の振動のモードが、上記の波打
ち形状と一致して、振動の振幅が大きくなる危険性があ
る。

【００１３】図１は、上記の事項をもとに板部を波状に
変形した本発明に係る波打ち歯車の、中心軸１０を含む
平面による断面図である。リム部１の先に設けられた歯
部２は、板部３、４に支持されて、ボス部５に嵌入され
た軸６を介して動力の伝達をおこなう。同図の歯車の場
合は、板部を半径方向には波打たせずに、円周方向にの
み波打たせ、しかも板部の肉厚中心の中心面９からの距
離を、中心面９に関して交番対称に変化させた波打ち歯
車である。

【００１４】板部の２種類の表示、実線３および破線４
は、上記断面が、最も左がわに変形している位置（実線
３）と最も右がわに変形している位置（破線４）の２種
類に対応している。このとき、位置３における肉厚中心
の中心面９からの距離の最大値は、中心面に関して交番
対称に変化するので、位置４における肉厚中心のそれと
等しい。

【００１５】図１において、ボスフィレット部７および
リムフィレット部８は、断面位置３での形状および位置
を示すものであり、断面位置４については省略した。本
明細書において、ボスフィレット部７およびリムフィレ
ット部８は、両方とも板部に含まれる部分とする。

【００１６】板部をこのような波打ち形状とすることに
より、板部の肉厚を薄くしても曲げ剛性は低下しないで
すむのである。

【００１７】板部の径方向長さＬは、ボス部５の外形を
延ばして中心面９と交わった交線（円）からリム部１の
内径までの距離である。

【００１８】本発明は、このような波打ち形状の板部を
有する下記の歯車を要旨とする（図１参照）。

【００１９】（１）リム部（１）、歯部（２）、ボス部
（５）および板部（３、４）からなる歯車であって、そ
の板部を、板部の肉厚中心が円周方向もしくは半径方向
またはこれら両方向にそって歯車の中心面（９）を挟ん
で交互に周期的に変化する波打ち形状とし、その波打ち
形状における下記式に示す波打ち高さδ（ｍｍ）を、
下記式に示す径方向長さＬ（ｍｍ）の２．５％〜１０
％とする鉄道車両用歯車。

【００２０】 波打ち高さδ（ｍｍ）＝ 板部の肉厚中心と中心面（９）との距離の最大値（ｍｍ）・・・ 径方向長さＬ（ｍｍ）＝ （１／２）×｛リム内径からボス外径を減じた値（ｍｍ）｝・・・ 歯車の中心面９は、中心軸１０に直交し、リム部１およ
びボス部５を中心軸方向に２分する面とする。“板部の
肉厚中心と中心面９との距離”とは、板部の肉厚中心か
ら中心面９に下ろした垂線の長さをいう。“中心面外方
向の距離”または“中心面外距離”という場合もある。

【００２１】“板部の肉厚中心と中心面との間の距離
が、周期的に変化する”とは、板部の肉厚中心位置の変
化を円周方向等の波としてみたとき、肉厚中心位置と中
心面９との距離が一定周期をもって波のように変化する
ことをさす。図１に示すような径方向の波の数が一に満
たない場合には、円周方向の波と半径方向の波が重なっ
た場合、肉厚中心が中心面９を挟んで交互に位置する交
番対称に変化する波のようには見えない。しかし、径方
向にも円周方向にも波の数が一以上の場合には、径方向
にも円周方向にも、肉厚中心と中心面９との距離は一定
周期をもって波のように変化する。

【００２２】また、ボス部５およびリム部１は、中心面
９に固定されているが、ボスフィレット部７およびリム
フィレット部８は、“板部として”波打ち形状を保った
まま、ボス部５またはリム部１に連続している。

【００２３】

【発明の実施の形態】

１．波打ち形状 本発明において、板部は円周方向もしくは半径方向のい
ずれか、またはその両方に周期的に波打っている。すな
わち、本発明に係る波打ち歯車において、板部の肉厚中
心の中心面９からの距離は、円周方向もしくは半径方向
に、またはその両方にそって周期的に変化する。

【００２４】その波打ち形状の波打ち高さδは、板部の
肉厚中心と中心面９との距離の最大値とする。図１の場
合は、半径方向の波打ちは一周期に満たず、円周方向に
は複数周期波打たせ、中心面外方向への距離の変化を中
心面９に関して交番対称としたので、図１中の位置３に
よっても、また位置４によってもδの値は同じである。

【００２５】本発明においては、δは、「リム内径から
ボス外径を減じた値の半分である板部の径方向長さＬ」
の２．５％から１０％の範囲としなければならない。δ
がＬの２．５％未満であると同じ板厚で比較した場合、
曲げ剛性の向上の効果がほとんど認められず、一方、δ
がＬの１０％を超えると板部の体積が大きくなるため軽
量化の効果が小さくなる。

【００２６】２．波の数 本発明においては、円周方向の波の数が、整数でない端
数の場合は、円周方向に一周したとき、はじめと終わり
で食い違いを生じるので、偶数、奇数を問わないが、円
周方向の波の数は整数であることが望ましい。しかし、
半径方向については、ボス外径の円周での波とリム内径
の円周での波を一致させる必要がないので、半径方向の
波の数は、端数であってよい。この端数は、しかも１未
満の端数である場合も含める。

【００２７】本明細書において、このような１波長、す
なわち１周期に満たない場合も含めて“周期的”という
語を用いる。

【００２８】円周方向の波の数は、中心軸１０を含む平
面で板部を切断したときの断面形状が、その平面を中心
軸１０を軸として１回転させるあいだに、等角度間隔で
いくつ現れるかにより数えられる。そのことを考慮した
うえで、目視観察で数えることも可能である。例えば、
波の数が５個の場合は、同じ断面形状は７２゜間隔で現
れる。中心軸１０の周りのこの角度は、円周方向にそっ
た１個の波に対応する。

【００２９】円周方向の波の数については、さらに、
５、７、９、１１または１３のいずれかであることが望
ましい。波の数が５より小さいと同じ板厚での剛性向上
の効果が小さいものとなる。一方、波の数が１３より大
きい場合、波打ち高さδを板部の径方向の長さＬの２．
５％以上とするので、板部の体積が大きくなり重量増の
ため軽量化の効果が小さくなる。

【００３０】歯車の板部には、使用時に負荷応力の変動
等に起因して振動が発生するが、とくに振動のうち円周
方向にそった２次、４次といった偶数次の固有振動は、
比較的大きな振幅をもつ。これら振動は、実際に、板部
の一つの位置に着目したときに時間的にその位置を振動
させるもので、上記の波打ち形状の波とは異なる。両者
を区別するために、前者を「振動」といい、後者を
「波」という。

【００３１】波の数が６、８、１０、１２といった偶数
の場合、この固有振動の振動モードと波打ち歯車の変形
の波のモードとが一致するために、波の数が奇数の歯車
と比較してその振動の振幅が大きくなる危険性がある。
振動の振幅が大きくなると、歯の異常摩耗や片当たりな
どを発生して、歯車として問題であることは言及するま
でもない。そこで、円周方向一周あたりの波の数を、５
以上１３以下のうち、奇数の５、７、９、１１または１
３とすることが望ましい。

【００３２】３．板部の肉厚 本発明による板部の肉厚は、特に限定しない。径方向お
よび円周方向に一様でも良いし、ボスフィレット部７付
近のみ若干厚肉にしても良い。後者の場合、曲げモーメ
ントが最大となるボスフィレット部７の肉厚が大きいた
め、応力集中を緩和する効果がある。

【００３３】４．板部の端 板部の端であるボスフィレット部７とリムフィレット部
８は、円周方向もしくは半径方向またはその両方向に波
打つ“板部として”、波打っている。図１においては、
ボスフィレット部、リムフィレット部ともに波打ち高さ
３ｍｍで波打っており、波打ちままボス部およびリム部
に連続している。これら部分の波打ち高さも、前記した
δと同様に、ボスフィレット部またはリムフィレット部
に範囲を限定して肉厚中心と中心面９との距離の最大値
として求められる。ボスフィレット部もリムフィレット
部も半径方向に幅をもつので、上記の距離は最もボス部
またはリム部に近い円周、すなわち板部の最も端にそっ
た円周での値とする。

【００３４】本発明に係る歯車は型打ち鍛造または鋳造
により製造することができる。鍛造によって製造する場
合、金型を本発明の板部形状に対応した形状にしておけ
ば良い。鋳造にて製造する場合は砂型を本発明の板部形
状に対応した形状にしておけば良い。

【００３５】本発明の歯車に用いる材料は特に限定しな
い。通常、鉄道車両用には炭素鋼や低合金鋼といった鉄
鋼材料が用いられており、将来においては、アルミニウ
ム等の非鉄材料が使われる可能性もある。本発明の歯車
の形状は使用した材料を問わず、適用され効果を発揮す
る。

【００３６】

【実施例】つぎに、実施例により本発明の効果を説明す
る。

【００３７】表１は、試験に用いた本発明に基づいて製
造した波打ち歯車および比較のための板部に波打ちがな
い歯車（以後、波無し歯車という）を示す一覧表であ
る。歯車の素材はいずれもＪＩＳ Ｓ４０Ｃ鋼とし、熱
間鍛造によりこれらの波打ち歯車および波無し歯車を製
造した。本発明例では板部の厚さを１５ｍｍ、また比較
例では１５ｍｍと２０ｍｍの２種類とした。板厚１５ｍ
ｍの波打ち歯車に対して波無し歯車の板厚１５ｍｍのも
のは重量を同じに揃え、また２０ｍｍのものは剛性を同
じに揃えた比較例である。リム部およびボス部の諸元
は、本発明例と比較例で共通とした。

【００３８】

【表１】

【００３９】本発明例における歯車の板部は径方向と円
周方向に周期的に面外方向に波打っており、円周方向に
９周期、すなわち円周方向の波の数を９とした。板部の
肉厚中心と中心面９との距離が最大となる位置はリムと
ボスの間の中央とした。この位置での波打ち高さδは９
ｍｍで、板部の径方向長さＬの７．５％であり、本発明
の範囲内２．５％〜１０％に含まれる。半径方向の波の
数は、０．８とした。この結果、ボスフィレット部とリ
ムフィレット部は円周方向に波打ち高さ３ｍｍで波打つ
形状となった。

【００４０】これらの歯車をつぎにしめす試験に供し
た。

【００４１】１．曲げ剛性試験 ボス部を固定し、リムの１点に軸方向圧縮荷重を負荷
し、負荷点での軸方向の単位変位量あたりの荷重を簡易
的に曲げ剛性とした。

【００４２】２．固有振動数測定方法 打撃試験により試験した。

【００４３】３．歯車装置によるベンチ試験時の騒音レ
ベル測定方法 マイクロホンによる近接音の測定をおこなった。このと
きのかみ合い周波数は０〜１３０３Ｈｚの範囲で可変で
ある。

【００４４】４．重量測定 表２はこれらの試験結果をあらわす一覧表である。

【００４５】

【表２】

【００４６】本発明例は、同じ板厚（１５ｍｍ）の比較
例と比べると、重量はほとんど変わらないのに、曲げ剛
性は３０％弱増加し、騒音レベルは２８ｄＢ低下し、非
常に大きな制音効果が得られている。板厚２０ｍｍの比
較例と比べると、本発明例は曲げ剛性と騒音レベルは大
差ないのに重量は６％程度減少していることが分かる。

【００４７】本発明例は、曲げ剛性、騒音レベルおよび
重量の３点ともにバランスよく向上させていることが明
瞭に分かる。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、鉄道車両のような高速
かつ高負荷下で使用される歯車を、曲げ剛性を低下させ
ることなく、軽量化することが可能となり、車両の軽量
化による省エネルギーおよび乗り心地改善をもたらし鉄
道旅客輸送産業に対して大きな効果を与える。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る歯車を表す中心軸１０を
含む平面による断面図である。

【符号の簡単な説明】

１…リム部 ２…歯部 ３…板部（中心軸１０を含み中心面９から最も“左”に
離れた板部の肉厚中心 を通る平面による
断面＝“断面ａ”とする） ４…板部（中心軸１０を含み中心面９から最も“右”に
離れた板部の肉厚中心 を通る平面による
断面） ５…ボス部 ６…軸 ７…ボスフィレット部（断面ａ） ８…リムフィレット部（断面ａ） ９…中心面 １０…中心軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リム部（１）、歯部（２）、ボス部（５）
   および板部（３、４）からなる歯車であって、その板部
   を、板部の肉厚中心が円周方向もしくは半径方向または
   これら両方向にそって歯車の中心面（９）を挟んで交互
   に周期的に変化する波打ち形状とし、その波打ち形状に
   おける下記式に示す波打ち高さδ（ｍｍ）を、下記
   式に示す径方向長さＬ（ｍｍ）の２．５％〜１０％とす
   ることを特徴とする鉄道車両用歯車。 波打ち高さδ（ｍｍ）＝ 板部の肉厚中心と中心面（９）との距離の最大値（ｍｍ）・・・ 径方向長さＬ（ｍｍ）＝ （１／２）×｛リム内径からボス外径を減じた値（ｍｍ）｝・・・