KR20160038054A - 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치 - Google Patents

평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치 Download PDF

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겐이치 고토
요시히코 오츠카
사토시 하야시
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도요덴키 세이조 가부시키가이샤
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Abstract

이차원적인 치면수정만으로 큰 치차와 작은 치차가 맞물릴 때에 발생하는 진동과 소음을 저감시킬 수 있는 저비용의 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치를 제공한다. 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차(1)와 헬리컬 대 치차(2)를 구비하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에서는, 헬리컬 소 치차의 잇줄(tooth trace)방향의 치면에 크라우닝(crowning)을 실시하여 이루어진다. 치면(11)은, 정점(11a)이 헬리컬 소 치차의 치폭(tooth width)방향 중앙영역에 위치하고, 단일의 정현함수(sinusoidal function)로 표현되는, 헬리컬 소 치차의 치폭방향 전체 폭에 걸친 정현곡선(sine curve) 형상을 갖는다.

Description

평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치 {RAILWAY CAR GEARING OF PARALLEL CARDAN DRIVE FORMAT}
본 발명은, 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는 한 쌍의 헬리컬 대 치차와 헬리컬 소 치차를 구비하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에 관한 것이다.
평행 카르단 구동방식의 철도차량은, 차대에 고정된 주 구동모터에서 발생되는 토크를, 가요성 커플링, 치차장치를 통하여 차축에 전달하고, 차축에 설치된 차륜을 회전시켜 레일 위를 주행한다. 이와 같은 철도차량에 사용되는 치차장치(이하, 단순히 "치차장치"라고 한다)는, 쌍을 이루는 헬리컬 대 치차(helical large gear) (이하, 단순히 "대 치차"라고 한다)와 헬리컬 소 치차(이하, 단순히 "소 치차"라고 한다)를 구비하고, 서로 교합되면서 회전하여 토크를 전달한다. 이 경우, 가요성 커플링에 연결되는 회전축에 고정된 소 치차와 차축에 고정된 대 치차는 기어박스 내에 수납되고, 소 치차의 축방향 양측에 위치하는 회전축 부분이 각각 제1 테이퍼 롤러 베어링을 통하여 기어박스에 회전가능하게 지지되고, 대 치차의 축방향 양측에 위치하는 차축 부분이 각각 제2 테이퍼 롤러 베어링을 통하여 기어박스에 회전가능하게 지지된다.
이러한 종류의 치차장치에서는, 예컨대, 온도변화에 기인하여 테이퍼 롤러 베어링에 급유하기 위한 윤활유의 점도가 변동해 윤활 불량을 일으키면, 테이퍼 롤러 베어링이 소착(seizure)되는 문제가 초래된다. 여기서, 그와 같은 치차장치에서는, 제1 및 제2 테이퍼 롤러 베어링 각각의 내륜 및 외륜과, 롤러와의 각각의 축방향 간극, 소위 엔드 플레이(end play) 값(σs)의 조정을 심(shim)에 의해 행하고, 일반적인 산업용 차치장치에 있어서의 엔드 플레이 값(20 ~ 30㎛)과 비교하여 매우 큰 엔드 플레이 값(예컨대, 소 치차에서는 σs: 60 ~ 170㎛, 대 치차에서는 σs: 80 ~ 210㎛)이 되도록 조립되는 것이 일반적이다. 엔드 플레이 값을 크게 설정한 경우, 테이퍼 롤러 베어링의 회전축 주위의 덜컹거림이 커지게 되고, 이것에 수반하여 소 치차의 회전축의 축심에서의 경사도 커지게 된다. 그 결과, 주행시(소 치차의 회전시), 가요성 커플링이 진동하면, 소 치차에 큰 세차운동이 발생하고, 쌍을 이루는 대 치차와 소 치차와의 교합에 악영향을 미치게 된다.
여기서, 대 치차에서는, 그 엔드 플레이 값이 소 치차의 엔드 플레이 값과 비교하여 더욱 크게 설정되지만, 통상, 대 치차가 고정된 차축은 그 자체의 축길이 치수가 길고, 게다가, 차축의 양측에 각각 바깥쪽에서 삽입되는 차륜을 통하여 레일로 지지되어 있는 등의 이유로, 엔드 플레이 값을 크게 설정하여도, 쌍을 이루는 대 치차와 소 치차와의 교합에 미치는 악영향은 거의 없는 것으로 간주될 수 있다. 이 때문에, 대 치차에 대해서는, 이높이(tooth depth) 방향의 치면에 있어서의 치형 수정이나, 잇줄방향(flank line direction)의 치면에 대하여 크라우닝 및 릴리빙(crowning and relieving) 수정을 시행하지 않고, 소 치차에 대해서만, 이높이 방향의 치면에 대한 치형 수정과, 잇줄방향의 치면에 대하여 크라우닝과 릴리빙 수정을 실시하여, 대 치차와 소 치차와의 교합을 개선시키는 것이 종래로부터 행해지고 있다.
즉, 소 치차에 대해서는, 예컨대, 이끝(tooth tip)의 소정범위와 이뿌리(tooth root)의 소정범위를 치폭 전체의 잇줄방향에 걸쳐 일률적인 형상으로 소정 값(예컨대, 치폭이 70mm의 경우, 20 ~ 30㎛)의 치형 수정을 실시하고, 잇줄방향의 치면에, 치폭방향 중앙영역을 원호곡선(예컨대, 반경 R ≒ 17685mm)으로 소정 값(예컨대, 20mm)의 크라우닝을 실시함과 함께 치폭방향 양단측에 해당 크라우닝시의 원호곡선과는 상이한 반경의 원호곡선으로 소정 값(예컨대, 50㎛)의 릴리빙(수정)을 실시하고, 치폭 양단면에서의 크라우닝 및 릴리빙을 더한 잇줄방향의 수정량을 소정 값(예컨대, 70㎛)으로 하여 이차원적인 치면 수정을 실시하고 있다.
그런데, 최근에는, 철도차량의 더 빠른 속도향상 요청에 의한 구동모터의 고속회전화에 수반하여, 소 치차의 회전수가 상승 추세에 있다. 이 때문에, 대 치차와 소 치차와의 사이에서 토크 전달을 행할 때, 상기된 바와 같은 치형 수정으로는, 치가 맞닿는 영역의 면적이 작아져 치합률(contact gear ratio)의 저하를 초래하여, 대 치차와 소 치차가 교합될 때 발생하는 진동과 소음의 전체 값(overall value)이 커지게 되고, 게다가, 전체 값의 주성분인, 대 치차와 소 치차가 교합될 때 발생하는 소음의 주파수가 2000 ~ 3000Hz의 범위로 고주파화되는 문제가 발생하고 있다. 이와 같은 주파수대역의 소음은, 등 라우드니스(loudness) 곡선에서 인간의 청각이 가장 민감하게 되는 것으로, 동일한 폰(phon) 단위에 있어서 1000Hz 이하의 주파수대역의 소음과 비교하여, 10배 정도 시끄러운 소음으로 인간이 감지하기 때문에, 불쾌감을 준다.
종래, 대 치차와 소 치차가 교합될 때 발생하는 진동과 소음을 저감하는 방법으로서, 헬리컬 치차의 단면에 대하여, 치폭방향 접촉선 피치의 정수배의 폭의 완전접촉선 영역을 두어, 이 완전접촉선 영역 이외의 치면에서 치합시에 접촉이 일어나지 않는 3차원적인 바이어스 치면 수정을 실시하는 것(즉, 잇줄방향 위치에 따라서 순차 이높이 방향 치면에 있어서의 치형 형상이 상이한, 소위 바이어스 아웃(bias-out)이라고 하는 삼차원적인 치면수정을 실시하는 것)이 특허문헌 1에 알려져 있다. 또, 헬리컬 치차의 치면의 유효 교합 범위에 대하여, 치면의 교합 접촉선 방향으로 5 ~ 20㎛의 크라우닝을 시공하고, 이 교합 접촉선 방향의 크라우닝과, 이끝 및 이뿌리 수정과 잇줄 수정을 위한 크라우닝을 가한 후의 최대 바이어스 수정량이 10 ~ 40㎛가 되도록, 치면에 수정을 실시하는 것(즉, 잇줄방향 위치에 따라서 순차 이높이 방향 치면에 있어서의 치형 형상이 상이한, 소위 바이어스 인(bias-in)이라고 하는 삼차원적인 치면수정을 실시하는 것)이 특허문헌 2에 알려져 있다.
그렇지만, 상기 각 특허문헌에 기재된 것은 모두 삼차원적인 치면수정을 실시하기 때문에, 종래로부터 널리 이용되고 있는 이차원적인 치면수정이 가능한 치차 연삭기에서는 이미 가공할 수 없다. 이 때문에, 고가이고 고성능인 차치 연삭기가 필요하게 되어, 설비투자에 많은 비용이 든다. 게다가, 삼차원적인 치면수정을 실시할 때의 가공은, 이차원적인 치면수정을 실시할 때와 비교하여 많은 시간을 필요로 하여(적어도 5배 이상의 가공시간), 생산성이 현격하게 저하된다. 그 결과, 헬리컬 치차 제작에 많은 비용이 든다는 문제가 있다.
특허문헌 1: 일본특허 제2965913호 공보 특허문헌 2: 일본특허 제4952362호 공보
본 발명은, 이상의 문제점을 감안하여, 이차원적인 치면수정만으로 대 치차와 소 치차가 교합될 때에 발생하는 진동과 소음을 저감시킬 수 있는 저비용의 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치를 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 실시형태에서는, 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차와 헬리컬 대 치차를 구비하는 본 발명의 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에 있어서, 헬리컬 소 치차의 잇줄방향(flank line direction)의 치면에 크라우닝(crowning)을 실시하고, 상기 치면은, 정점이 헬리컬 소 치차의 치폭방향(tooth width direction) 중앙영역에 위치하고, 단일의 정현함수(sinusoidal function)로 표현되는, 헬리컬 소 치차의 치폭방향 전체 폭에 걸친 정현곡선(sine curve) 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
이상에 따르면, 소 치차의 회전시, 소 치차에 큰 세차운동이 발생하여도, 이 세차운동에 추종하도록 소 치차와 대 치차가 맞닿음으로써, 맞닿음 영역 면적이 최대한 확보되어 교합률이 향상된다. 그 결과, 소 치차와 대 치차가 교합할 때 발생하는 측대파를 포함하는 진동과 소음을 저감시킬 수 있다. 또, 정현곡선 형상을 가지도록 크라우닝을 실시할 뿐이므로, 종래로부터 널리 이용되고 있는 이차원적인 치면 수정이 가능한 치차연삭기를 이용해 동등한 시간으로 가공할 수 있어, 헬리컬 치차 제작의 비용 상승을 억제할 수 있다.
그런데, 회전축에 고정된 소 치차는 기어박스 내에 수납되고, 축방향 양측에 위치하는 회전축 부분이 각각 테이퍼 롤러 베어링을 통하여 기어박스에 회전가능하게 지지되어 있는 경우, (1) 이들 각 테이퍼 롤러 베어링의 형식이나 사양이 동일하고, (2) 소 치차의 치폭방향 중심으로부터 테이퍼 롤러 베어링이 각각 배치되어 있는 위치까지의 거리가 동등하고, (3) 테이퍼 롤러 베어링을 지지하는 기어박스 부분의 강성(해당 부분의 형상이나 변위량이 동일)이 동등하다면, 소 치차의 치폭방향 중심점과 양 테이퍼 롤러 베어링의 하중작용점간 거리의 중심점이 실질적으로 합치하고 있다고 간주할 수 있다. 그러나, 상기 (1) ~ (3) 중 적어도 하나라도 상이하면, 소 치차의 치폭방향 중심점과 양 테이퍼 롤러 베어링의 하중작용점간 거리의 중심점이 어긋나, 효과적으로 교합률이 향상될 수 없다. 이와 같은 경우, 상기 중앙영역은, 상기 헬리컬 소 치차의 치폭방향 중심과 상기 양 테이퍼 롤러 베어링의 하중작용점간 거리의 중심점과의 사이로 하면 좋다. 이것에 따라, 맞닿음 영역 면적이 확실하게 확보되어 교합률을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1 실시형태에 있어서, 상기 헬리컬 소 치차가 회전하면서 세차운동함으로써 발생할 수 있는 헬리컬 대 치차에 대한 잇줄방향의 최대 간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수(influence coefficients)를 A, B라고 할 경우, 상기 크라우닝을 실시할 때의 수정량 R1은, 다음 식 (1)의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
Figure pct00001
또, 상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제2 실시형태에서는, 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차와 헬리컬 대 치차를 구비하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에 있어서, 헬리컬 소 치차의 잇줄방향의 치면에, 단일의 정현함수로 표현되는, 헬리컬 소 치차의 치폭방향 전체 폭의 55% 이상의 범위에 걸친 정현곡선 형상으로 크라우닝을 실시하고, 치폭방향 양단측의 잔존부분을 원호형상으로 릴리빙을 실시하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이상에 따르면, 제1 실시형태와 마찬가지로, 소 치차의 회전시, 소 치차의 세차운동에 추종하도록 소 치차와 대 치차가 맞닿음으로써, 배경기술의 4번째 단락에 기재된 상기 종래예와 비교하여, 맞닿음 영역 면적이 더욱더 확보되어 교합률이 향상되고, 소 치차와 대 치차가 교합할 때 발생하는 측대파를 포함하는 진동과 소음을 저감시킬 수 있다. 이 경우, 치면에 대하여 크라우닝과 릴리빙의 잇줄방향의 이차원적인 치면수정을 실시할 뿐이므로, 제1 실시형태와 마찬가지로, 헬리컬 치차 제작의 비용 상승을 억제할 수 있다.
또한, 제2 실시형태에 있어서, 상기 헬리컬 소 치차가 회전하면서 세차운동함으로써 발생할 수 있는 헬리컬 대 치차에 대한 잇줄방향의 최대 간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수를 A, B라고 할 경우, 상기 치폭 양단면에서의 크라우닝과 릴리빙을 더한 잇줄방향의 수정량 R2는, 다음 식 (2)의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.
Figure pct00002
도 1은 평행 카르단 구동방식의 철도차량의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 치차장치를 나타내는 부분 단면도, 도 2b는 소 치차의 부분을 더욱 확대하여 나타내는 부분 단면도, 도 2c는 소 치차의 잇줄방향 치면수정을 설명하는 도면이다.
도 3은 종래예의 치차장치에서 소음을 측정하고, 측정 데이터를 FFT 애널라이저에서 고주파 분석을 행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 종래예의 치차장치에서 소 치차의 치면의 대 치차의 치면에 대한 잇줄방향의 간격 추이를 시뮬레이션 해석한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 5b는 소 치차와 대 치차의 치면 사이에 발생하는 간극을 설명하는 사시도이다.
도 6은 다른 실시형태에 따른 소 치차의 잇줄방향 치면수정을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명을 적용하여 제작한 소 치차(발명품)와 종래예에 따라 제작한 소 치차(종래제품)와의 치면수정형상을 각각 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 8c는, 발명품 1, 2와 종래제품과의 소 치차의 맞닿음 영역을 시뮬레이션 해석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 발명품 2와 종래제품을 이용하여, 소음 레벨을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여, 평행 카르단 구동방식의 철도차량에 본 발명의 치차장치를 적용한 것을 예로 들어 실시형태(제1 실시형태)를 설명한다.
도 1을 참조하면, RC는 평행 카르단 구동방식의 철도차량으로, 철도차량(RC)은, 도시하지 않은 차대에 고정된 주 구동모터(DM)와, 이 주 구동모터(DM)에 가요성 커플링(FC)을 통하여 연결되는 치차장치(GM)를 구비하며, 주 구동모터(DM)에서 발생하는 토크를, 가요성 커플링(FC), 치차장치(GM)를 통하여 차축(DS)에 전달하고, 차축(DS)에 설치된 좌우 한 쌍의 차륜(DW, DW)을 회전시켜 도시하지 않은 레일 상을 주행하도록 되어 있다. 또한, 주 구동모터(DM)나 가요성 커플링(FC) 등의 구성요소에 관해서는, 공지의 것이 이용될 수 있으므로, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 치차장치(GM)는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차(이하, '소 치차(1)'라고 한다)와 헬리컬 대 치차(이하, '대 치차(2)'라고 한다)를 구비하며, 소 치차(1)와 대 치차(2)가 서로 교합하면서 회전하여 토크를 전달한다. 소 치차(1)와 대 치차(2)는, 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지도록 제작되고 있다. 또, 가요성 커플링(FC)에 연결되는 회전축(3)에 고정된 소 치차(1)와 차축(DS)에 고정된 대 치차(2)는 기어박스(4) 내에 수납되고, 소 치차(1)의 축방향 양측에 위치하는 회전축(3) 부분이 각각 제1 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)을 통하여 기어박스(4)에 회전가능하게 지지되고, 대 치차(2)의 축방향 양측에 위치하는 차륜(DS) 부분이 각각 제2 테이퍼 롤러 베어링(61, 62)을 통하여 기어박스(4)에 회전가능하게 지지되어 있다.
제1 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)은, 동일한 구성을 가지며, 회전축(3)에 수축 끼워맞춤(shrink fit)되는 내륜(51)과, 롤러(52)와, 리테이너(53)와, 외륜(54)을 구비하는 공지의 것으로, 기어박스(4)의 베어링 장착개소에서는, 외륜(54)에 바깥쪽으로부터 끼워져, 소 치차(1)와의 사이에서 내륜(51)을 축방향 양측으로부터 사이에 끼우는 덮개체 겸용의 누름판(55a, 55b)이 설치되어 있다. 한편, 제2 테이퍼 롤러 베어링(61, 62)도, 동일한 구성을 가지며, 차축(DS)에 수축 끼워맞춤되는 내륜(61)과, 롤러(62)와, 리테이너(63)와, 외륜(64)을 구비하는 공지의 것으로, 기어박스(4)의 베어링 장착개소에서는, 외륜(64)에 바깥쪽으로부터 끼워지는 덮개체(41a, 41b)가 고정되어 있다. 또, 대 치차(2)와의 사이에서 내륜(61)을 축방향 양측으로부터 사이에 끼우는 베어링 홀더(65)가 차축(DS)에 수축 끼워맞춤에 의해 고정되어 있다. 그리고, 대 치차(2)가 회전하면, 기어박스(4) 하부에 수납되는 윤활유(도시생략)가 퍼올려져, 소 치차(1)와 대 치차(2)의 교합면이나 테이퍼 롤러 베어링(51, 52, 61, 62)의 윤활이 수행된다.
그런데, 이 종류의 치차장치(GM)에서는, 예컨대, 온도변화에 기인하여 윤활유의 점도가 변동하여 윤활불량을 일으키면, 테이퍼 롤러 베어링(51, 52, 61, 62)이 소착되어 버리는 문제를 초래한다. 여기에, 제1 및 제2 테이퍼 롤러 베어링(51, 52, 61, 62)의 내륜(51, 61) 및 외륜(54, 64)과, 롤러(52, 62)와의 각각의 축방향 간격, 소위 엔드 플레이(end play) 값(σs)의 조정을 심(shim)(7a, 7b)에 의해서 행하고(도 2a 참조), 각 엔드 플레이 값(αs)이, 소 치차 측에서 60 ~ 170㎛, 대 치차 측에서 80 ~ 210㎛가 되도록 설정하고 있다. 이와 같이 소 치차(1)의 엔드 플레이 값(σs)을 크게 설정하여 소 치차(1)를 조립한 경우, 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 회전축(3) 주위의 덜컹거림이 커지게 되고, 이것에 수반하여 소 치차(1)의 회전축(3)의 축심은, +θ로부터 -θ의 각도범위에서 기울어지게 된다(도 2b 참조). 그 결과, 주행시(소 치차의 회전시), 가요성 커플링(FC)이 진동하면, 소 치차(1)에 큰 세차운동이 발생하고, 쌍을 이루는 소 치차(1)와 대 치차(2)와의 교합에 악영향을 미친다.
여기서, 배경기술의 4번째 단락에 기재된 상기 종래예의 소 치차와 대 치차를 구비한 치차장치에 대해, 소 치차의 회전수를 4480rpm으로 하여 소음을 측정하고, 그 측정 데이터를 FFT 애널라이저로 주파수 분석을 행하고, 그 결과를 도 3에 나타낸다. 이것에 따르면, 교합 주파수인 2165Hz에서 소음레벨이 커지는 피크 소음의 산이 나타나고, 그 양측에, 저주파수 영역과 고주파수 영역의 주파수에서 소음 레벨이 크게 나타나는 몇 개인가의 피크 소음(이하, 간단히 '측대파'라고 한다)이 나타나는 것이 확인된다. 이것으로부터, 종래예의 치차장치는, 소 치차와 대 치차가 교합하여 회전할 때, 소 치차와 대 치차와의 맞닿음 영역 면적이 작아져 교합률 부족을 초래하고 있는 것으로 생각될 수 있다.
여기서, 본 출원의 발명자들은, 연구를 거듭하여, 회전축의 회전 위상각을 φ라고 하고, 소 치차의 세차운동에 의해 발생하는, 해당 소 치차의 치면의 대 치차의 치면에 대한 잇줄방향 간격의 추이가 어떻게 되는지를 시뮬레이션 해석하여, 소 치차의 회전 위상각(φ)이 0° ~ 180°의 사이에서 해당 소 치차가 반회전하는 사이에, 도 4에 도시된 바와 같이, 최대간격 +Cm으로부터 최소간격 -Cm에서, 단일의 정현함수로 표현되는 정현곡선을 따른 궤적을 그린다는 것을 알아냈다. 간격(C)은, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 소 치차(1)와 대 치차(2)에서의 잇줄방향 오차 또는 회전축에서의 평행도 오차가 있어, 소 치차와 대 치차가 교합하여 회전할 때에 한쪽 잇줄방향의 단면에서의 소 치차(1)의 톱니(10)와 대 치차(2)의 톱니(20)와의 치면(11, 21) 사이에 발생하는 간격으로서, 평행오차에 의한 간격(U1)과 오프셋 오차에 의한 간격(U2)을 더한 것이다.
상기 발견에 근거하여, 본 실시형태에서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, 잇줄방향의 치면(11)에 대하여, 정점(11a)이 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 중앙영역에 위치하고, 단일의 정현함수로 표현되는, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 전체 폭에 걸친 정현곡선 형상을 치면(11)이 가지도록 크라우닝(crowning)을 실시하였다. 여기서, 상기된 바와 같이, 회전축(3)에 고정된 소 치차(1)는 기어박스(4) 내에 수납되고, 소 치차(1)의 축방향 양측에 위치하는 회전축(3) 부분이 각각 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)을 통하여 기어박스(4)에 회전가능하게 지지되고 있는 경우, (1) 각 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 형식이나 사양이 동일하고, (2) 소 치차(1)의 치폭방향 중심으로부터 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)이 각각 배치되어 있는 위치까지의 거리가 동등하고, (3) 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)을 지지하는 기어박스(4) 부분의 강성(해당 부분의 형상이나 변위량이 동일)이 동등하다면, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향의 중심점(GC)과 양 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 하중작용점간 거리의 중심점이 실질적으로 합치되는 것으로 간주할 수 있다. 이와 같은 경우에는, 치폭(GW)방향 중심(GC)을 통과하는 중심선(GL) 상에 정점(11a)이 위치될 수 있다.
한편, 상기 (1) ~ (3) 중 적어도 하나라도 상이하면, 예컨대 도 2b에 도시된 바와 같이, 소 치차(1)의 치폭방향 중심으로부터 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)이 각각 배치되어 있는 위치까지의 거리가 상이하면, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 중심점(GC)과 양 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 하중작용점(5P, 5P)간 거리의 중심점(5C)이 어긋나, 효과적으로 교합률을 향상시킬 수 없다. 이와 같은 경우, 중앙영역은, 소 치차(1)의 치폭방향 중심(GC)과 양 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 하중작용점(5P, 5P)간 거리의 중심점(5C)과의 사이에 위치할 수 있다. 또, 크라우닝을 실시할 때의 수정량(R1)은, 최대간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수(influence coefficients)를 A, B라고 할 경우, 다음 식 (1)로부터 산출된다.
Figure pct00003
이상에 따르면, 소 치차(1)의 회전시, 소 치차(1)에 큰 세차운동이 발생하여도, 이 세차운동에 추종하도록 소 치차(1)와 대 치차(2)가 맞닿음으로써, 맞닿음 영역 면적이 최대한 확보되어 교합률이 향상된다. 그 결과, 소 치차(1)와 대 치차(2)가 교합할 때 발생하는 측대파를 포함하는 진동과 소음을 저감시킬 수 있다. 또, 잇줄방향의 치면(11)에 대하여, 정현곡선 형상을 가지도록 크라우닝을 실시할 뿐이므로, 종래로부터 널리 이용되고 있는 이차원적인 치면수정이 가능한 치차 연삭기를 이용하여 동등한 시간으로 가공할 수 있어, 소 치차(1)의 제작비용 상승을 억제할 수 있다. 게다가, 중앙영역을 소 치차(1)의 치폭방향 중심(GC)과 양 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 하중작용점(5P, 5P)간 거리의 중심점(5C) 사이에 위치시켰기 때문에, 상기 (1) ~ (3) 중 적어도 하나가 달라져도, 맞닿음 영역 면적이 확실하게 확보되어 교합률을 향상시킬 수 있다.
상기 실시형태에서는, 잇줄방향의 치면(11)에 대하여, 단일의 정현함수로 표현되는, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 전체 폭에 걸친 정현곡선 형상을 치면(11)이 갖도록 크라우닝을 실시한 것을 예로 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 동일한 부재 또는 요소에 대하여 동일한 부호를 이용하면서 도 6을 참조하여 설명하면, 다른 실시형태(제2 실시형태)에 따른 소 치차(1)는, 그 잇줄방향의 치면(11)에 대해서, 정점(11a)이 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 중앙영역에 위치하고, 단일의 정현함수로 표현되는, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 전체 폭의 55% 이상의 범위(GW1)에 이르는 정현곡선 형상으로 크라우닝을 실시하고, 치폭(GW)방향 양단측의 잔존부분(GW2, GW2)을 원호형상으로 릴리빙(relieving)을 실시하여 구성되고 있다. 또한, 상기 (1) ~ (3) 중 적어도 하나라도 상이한 경우, 상기와 마찬가지로, 중앙영역은, 소 치차(1)의 치폭방향 중심(GC)과 양 테이퍼 롤러 베어링(51, 52)의 하중작용점(5P, 5P)간 거리의 중심점(5C)과의 사이에 위치하고 있을 수 있고, 또, 반경이 상이한 2 이상의 원호형상을 조합하여 릴리빙을 실시할 수도 있다. 더욱이, 치폭(GW) 양단면에서의 크라우닝과 릴리빙을 가산한 잇줄방향의 수정량(R2)은, 상기와 마찬가지로, 최대간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수를 A, B라고 할 경우, 다음 식 (2)로 산출된다.
Figure pct00004
다음에, 본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 다음 실험을 행하였다. 즉, 치차장치(GM)의 소 치차(1)와 대 치차(2)를 상술한 치차 제원을 각각 가지도록 제작하고, 소 치차(1)에 대하여, 정점(11a)이 소 치차(1)의 치폭(GW)방향의 중심선(GL) 상에 위치하고, 단일의 정현함수로 표현되는, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 전체 폭에 걸친 정현곡선 형상을 치면(11)이 가지도록 크라우닝을 실시하여, 이것을 발명품 1(제1 실시형태의 것)이라고 하였다. 이 경우, 수정량(R1)을 0.045mm로 하였다. 또, 소 치차(1)에 대하여, 정점(11a)이 소 치차(1)의 치폭(GW) 방향의 중심선(GL) 상에 위치하고, 단일의 정현함수로 표현되는, 소 치차(1)의 치폭(GW)방향 전체 폭의 55%의 범위(GW1)에 걸친 정현곡선 형상으로 크라우닝을 실시하고, 치폭(GW)방향 양단측의 잔존부분(GW2, GW2)을 원호형상으로 릴리빙을 실시하여, 이것을 발명품 2(제2 실시형태의 것)라고 하였다. 이 경우, 크라우닝과 릴리빙을 가산한 수정량(R2)을 0.06mm로 하였다. 비교예로서, 상기와 마찬가지로, 치차장치(GM)의 소 치차(1)와 대 치차(2)를 상술한 치차 제원을 각각 가지도록 제작하고, 소 치차(1)에 대하여, 잇줄방향의 치면에, 치폭방향 중앙영역을 원호곡선(예컨대, 반경 R ≒ 17685mm)의 크라우닝과, 치폭방향 양단측을 해당 크라우닝시의 원호곡선과 상이한 반경의 원호곡선으로 릴리빙을 실시하고, 치폭 양단면에서의 크라우닝과 릴리빙을 가산한 잇줄방향 수정량이 0.070mm가 되도록 치면수정을 실시하였다(종래제품).
도 7은, 발명품 1, 2와 종래제품과의 치면 수정형상을 각각 나타내는 그래프로서, 도 7 중에서 실선으로 나타낸 것이 발명품 1, 일점쇄선으로 나타낸 것이 발명품 2, 점선으로 나타낸 것이 종래제품이다. 이것에 따르면, 잇줄방향의 수정형상이 명백하게 상이한 것을 알 수 있다. 다음에, 발명품 1, 2 및 종래제품에 대하여, 서로 교합하면서 소 치차와 대 치차를 회전시켰을 때의 대 치차에 대한 소 치차의 맞닿음 영역을, 맞닿음 해석 소프트웨어(동양전기제조주식회사 제)를 이용하여 시뮬레이션 해석하고, 그 결과를 도 8a ~ 8c에 나타낸다. 이것에 따르면, 종래제품에서는, 맞닿음 영역은 약 39% 이었다(도 8c 참조). 그것에 비해, 발명품 1에서는, 맞닿음 영역이 약 64%로(도 8a 참조), 맞닿음 영역이 종래제품과 비교하여 약 1.6배 향상되었고, 또, 발명품 2에서도, 맞닿음 영역이 약 48%로(도 8b 참조), 맞닿음 영역이 종래제품과 비교하여 약 1.2배 향상되고 있는 것이 확인되었다. 이것에 따라, 교합률이 대폭 향상되는 것을 알 수 있다.
다음에, 발명품 2 및 종래제품을 이용하여, 소 치차의 회전수를 4310rpm ~ 5478rpm의 범위 내에서 변화시켜, 그 때의 소음 레벨을 측정하고, 그 결과를 도 9에 나타낸다. 이것에 따르면, 특히, 소 치차의 회전수가 4490rpm을 넘을 때 그리고 5200rpm을 넘을 때에, 교합률이 향상됨으로써 소음 레벨을 효과적으로 저하시킬 수 있다는 것이 확인되었다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따라 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경될 수 있다.
RC: 평행 카르단 구동방식의 철도차량
GM: 치차장치
1: 헬리컬 소 치차(소 치차)
2: 헬리컬 대 치차(대 치차)
11: 치면
11a: 정점
GW: 치폭
GC: 치폭방향 중심점
3: 회전축
4: 기어박스
51, 52: 테이퍼 롤러 베어링
5P: 테이퍼 롤러 베어링의 하중작용점
5C: 하중작용점간의 중심점
R1, R2: 크라우닝시의 수정량

Claims (5)

  1. 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차와 헬리컬 대 치차를 구비하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치로서, 헬리컬 소 치차의 잇줄방향(flank line direction)의 치면에 크라우닝(crowning)을 실시한 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에 있어서,
    상기 치면은, 정점이 헬리컬 소 치차의 치폭방향 중앙영역에 위치하고, 단일의 정현함수(sinusoidal function)로 표현되는, 헬리컬 소 치차의 치폭방향 전체 폭에 걸친 정현곡선 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    회전축에 고정된 헬리컬 소 치차가 기어박스 내에 수납되고, 헬리컬 소 치차의 축방향 양측에 위치하는 회전축 부분이 각각 테이퍼 롤러 베어링을 통하여 기어박스에 회전가능하게 지지되는 것으로서,
    상기 중앙영역은, 상기 헬리컬 소 치차의 치폭방향 중심과 양 테이퍼 롤러 베어링의 하중작용점간 거리의 중심점과의 사이에 있는 것을 특징으로 하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 헬리컬 소 치차가 회전하면서 세차운동함으로써 발생할 수 있는 헬리컬 대 치차에 대한 잇줄방향의 최대 간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수(influence coefficients)를 A, B라고 할 경우, 상기 크라우닝을 실시할 때의 수정량 R1은,
    Figure pct00005

    의 식 (1)의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치.
  4. 모듈이 4 ~ 8, 압력각이 20 ~ 30° 및 비틀림각이 15 ~ 30°인 치차 제원을 각각 가지는, 쌍을 이루는 헬리컬 소 치차와 헬리컬 대 치차를 구비하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치에 있어서,
    헬리컬 소 치차의 잇줄방향의 치면에, 단일의 정현함수로 표현되는, 헬리컬 소 치차의 치폭방향 전체 폭의 55% 이상의 범위에 걸친 정현곡선 형상으로 크라우닝을 실시하고, 치폭방향 양단측의 잔존부분을 원호형상으로 릴리빙을 실시하여 구성한 것을 특징으로 하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 헬리컬 소 치차가 회전하면서 세차운동함으로써 발생할 수 있는 헬리컬 대 치차에 대한 잇줄방향의 최대 간격을 Cm, 압력각을 α, 비틀림각을 β, 헬리컬 소 치차가 헬리컬 대 치차와 접촉할 때 변형하는 정도에 대한 영향도 계수를 A, B라고 할 경우, 상기 치폭 양단면에서의 크라우닝과 릴리빙을 더한 잇줄방향의 수정량 R2는,
    Figure pct00006

    의 식 (2)의 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 평행 카르단 구동방식의 철도차량용 치차장치.
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