(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の筐体とこの筐体内で回転駆動する歯車を備え、筐体の内部に潤滑油が封入された油浴潤滑方式の鉄道車両用歯車装置における温度予測方法であって、
筐体を一つの熱容量体として、筐体内の発熱量Ｑを歯車の回転数ωpと潤滑油の温度ＴOilの関数で設定するとともに、潤滑油から筐体への内面熱伝達率ｈiおよび筐体から外気への外面熱伝達率ｈoをそれぞれ歯車の回転数ωpの関数で設定し、これらの関数で設定した発熱量Ｑ、内面熱伝達率ｈiおよび外面熱伝達率ｈoに基づいて、潤滑油から筐体への伝熱量Ｑi、筐体から外気への放熱量Ｑo、潤滑油温度の上昇速度「ｄＴOil／ｄｔ」、および筐体温度の上昇速度「ｄＴBox／ｄｔ」を設定し、潤滑油温度の上昇速度と筐体温度の上昇速度を差分化して計算することにより、実走行時における潤滑油の温度を導出することを特徴とする鉄道車両用歯車装置における温度予測方法。
【請求項２】
前記伝熱量Ｑi、前記放熱量Ｑo、前記潤滑油温度の上昇速度「ｄＴOil／ｄｔ」、および前記筐体温度の上昇速度「ｄＴBox／ｄｔ」は、それぞれ下記の式で表されることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用歯車装置における温度予測方法。
Ｑi＝ｈi・Ａi・（ＴOil−ＴBox）
Ｑo＝ｈo・Ａo・（ＴBox−ＴAir）
ｄＴOil／ｄｔ＝（Ｑ−Ｑi）／ＣOil+etc
ｄＴBox／ｄｔ＝（Ｑi−Ｑo）／ＣBox
ただし、上記の式中、Ａiは筐体の内面の表面積［ｍ2］を、ＴBoxは筐体の温度［℃］を、Ａoは筐体の外面の表面積［ｍ2］を、ＴAirは外気の温度［℃］を、ＣOil+etcは潤滑油と歯車装置を構成する筐体以外の金属部品との合計熱容量［Ｊ／Ｋ］を、ＣBoxは筐体の熱容量［Ｊ／Ｋ］をそれぞれ示す。
【請求項３】
無走行回転試験を行って筐体表面の温度と熱流束を経時的に計測し、この計測結果から前記発熱量Ｑおよび前記内面熱伝達率ｈiの関数をそれぞれ設定することを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用歯車装置における温度予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両に搭載され、電動機の駆動力を減速して車輪に伝達する鉄道車両用歯車装置（以下、単に「歯車装置」ともいう）における温度予測方法に関し、特に、油浴潤滑方式の歯車装置に適した温度予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両は、台車枠に支持された電動機の駆動力が車軸に伝達され、車軸とともに車輪が回転することにより、レール上を走行する。その車軸への駆動力の伝達に、歯車装置が用いられる。
【０００３】
図１は、油浴潤滑方式の鉄道車両用歯車装置の構造を示す断面図である。同図に示すように、歯車装置は、筐体である歯車箱１の内部に、互いに噛み合う小歯車４と大歯車２を収容している。小歯車４の中心軸５には、歯車箱１の外部で電動機の主軸が連結される。大歯車２はその中心に車軸３が嵌め込まれ、歯車箱１の外部に突出する車軸３の両端に車輪が嵌め込まれる。このような歯車装置においては、電動機の駆動により小歯車４が回転し、これに伴って、大歯車２が小歯車４との噛み合いにより減速されて回転し、大歯車２の回転に伴って車軸３とともに車輪が回転する。
【０００４】
また、歯車箱１の内部には潤滑油６が封入されている。潤滑油６は、大歯車２の下部が浸る程度に貯溜されており、回転する大歯車２により跳ね上げられ、大歯車２と小歯車４の噛み合い部、さらには、小歯車４の中心軸５や車軸３を支持する軸受け部に供給され、これらの各部の潤滑を行う。このような潤滑方式は、油浴潤滑方式と称される。
【０００５】
油浴潤滑方式の歯車装置では、上記の歯車噛み合い部や軸受け部といった接触部分での発熱の他に、歯車箱１内に貯溜されている潤滑油６が大歯車２により跳ね上げられると同時に攪拌され、この攪拌に伴う潤滑油６の流動によっても発熱が生じる。特に、鉄道車両が高速で走行する際の高速回転時には、潤滑油６の攪拌が著しくなることから、全発熱量に対し、潤滑油６の攪拌に起因する発熱が支配的となる場合がある。
【０００６】
歯車箱１内で発生した熱は、歯車箱１を構成する壁を通じて放出される。このとき、歯車箱１の放熱特性が低い場合、潤滑油６の温度上昇が顕著となって潤滑油６の性能が劣化し、各接触部分で焼き付きが発生したり、各歯車や軸受け部の材料強度が低下するなどのトラブルが発生し易い。
【０００７】
ここで、歯車箱１の放熱特性は、歯車箱１の内外部構造や配置状態、さらには、実走行中における歯車箱１への風の衝突状態に支配される。このため、歯車箱１の放熱特性を予め評価し、内部に封入された潤滑油６の温度変化を事前に把握することが重要であり、その手法として、従来は、歯車装置を実際の鉄道車両に搭載して実走行中の温度を計測する方法を採用するか、または、実走行時の風を再現できる風洞を用い、風洞内で歯車装置を駆動させて温度を計測する方法を採用している。
【０００８】
しかし、前者の方法は、実際に運行している路線で計測することになるので、時間的な制約が大きく、しかも、将来敷設が計画されている未敷設の路線では対応することができない。
【０００９】
一方、後者の方法は、鉄道車両の高速化に対応した検討を実施するために、高速の風を発生させることが可能な風洞が要求され、また、風洞内に歯車の回転を制御する装置を配置する必要があるので、大規模で高性能の風洞が必要となり、風洞の設置や運用に多大な費用が発生する。
【００１０】
これらの問題を解消する手法として、例えば、特許文献１には、実走行状態における筐体（歯車箱）の周囲の空気流動をシミュレーションで解析し、筐体への衝突風速を求め、筐体の外面から放出される熱量を推定することにより、実走行時における潤滑油の温度を予測する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１１１４８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、前記特許文献１に記載の歯車装置の温度予測方法では、筐体の形状を３次元的にモデリングし、この筐体モデルを多数の要素に分割した上で、要素間で複雑な流体方程式を連立させて解くＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析が欠かせないため、解析を行うのに莫大な時間を要する。また、ＣＦＤ解析を行うために格別な流体解析ソフトを使用する必要があるため、ソフトライセンス費用が高額になるという欠点がある。
【００１３】
さらに、前記特許文献１に記載の方法では、歯車箱内の発熱量の境界条件は、歯車の回転数にのみ依存して与えられるが、実際には潤滑油温度への依存性も強いため、無走行回転試験（ベンチ試験）と実走行とにおいて環境温度が大きく相違する場合、潤滑油温度が相違し、その結果、温度予測精度が悪化することが懸念される。
【００１４】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、油浴潤滑方式の鉄道車両用歯車装置において、コストを削減しつつ、実走行時の潤滑油の温度を短時間で精度良く予測することができる温度予測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の通り、前記特許文献１に記載の方法では、所要時間の増大およびコストの上昇の要因がＣＦＤ解析を行うことにある。このため、本発明者らは、ＣＦＤ解析に代えて簡略な手法を採用できれば、所要時間の短縮化およびコストの削減が可能になると想定し、ＣＦＤ解析に代わる新たな簡略法について鋭意検討を重ねた。
【００１６】
その際、歯車装置の筐体である歯車箱は、アルミニウムなどの金属で構成されて熱伝導率が高く、部位によらずに、伝熱特性および放熱特性が全域にわたり概ね均一であることに着目した。この筐体の特性を踏まえ、ＣＦＤ解析で必須となる筐体モデルの要素分割を行うことなく、筐体全体を一つの熱容量体とし、その上で、筐体内の発熱量、潤滑油から筐体への内面熱伝達率、および筐体から外気への外面熱伝達率をそれぞれ関数で設定し、これらの発熱量、内面熱伝達率、および外面熱伝達率に基づいて、実走行時における潤滑油の温度を導出する手法を見出した。導出した潤滑油温度は、前記特許文献１に記載の方法で得られたものと遜色がないことを確認できた。
【００１７】
本発明は、上記の検討結果に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記の鉄道車両用歯車装置における温度予測方法にある。
【００１８】
本発明の歯車装置における温度予測方法は、金属製の筐体とこの筐体内で回転駆動する歯車を備え、筐体の内部に潤滑油が封入された油浴潤滑方式の鉄道車両用歯車装置における温度予測方法であって、筐体を一つの熱容量体として、筐体内の発熱量Ｑを歯車の回転数ωpと潤滑油の温度ＴOilの関数で設定するとともに、潤滑油から筐体への内面熱伝達率ｈiおよび筐体から外気への外面熱伝達率ｈoをそれぞれ歯車の回転数ωpの関数で設定し、これらの関数で設定した発熱量Ｑ、内面熱伝達率ｈiおよび外面熱伝達率ｈoに基づいて、潤滑油から筐体への伝熱量Ｑi、筐体から外気への放熱量Ｑo、潤滑油温度の上昇速度「ｄＴOil／ｄｔ」、および筐体温度の上昇速度「ｄＴBox／ｄｔ」を設定し、潤滑油温度の上昇速度と筐体温度の上昇速度を差分化して計算することにより、実走行時における潤滑油の温度を導出することを特徴とする。
【００１９】
上記の温度予測方法では、無走行回転試験を行って筐体表面の温度と熱流束を経時的に計測し、この計測結果から前記発熱量Ｑ、前記内面熱伝達率ｈiの関数を設定し、また実走行試験を行って筐体表面の温度を経時的に計測し、この計測結果から前記外面熱伝達率ｈoの関数を設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の歯車装置における温度予測方法によれば、汎用の計算ソフトを用いて簡略な計算式により、実走行時における潤滑油温度の導出を行えるため、コストを大幅に削減することができ、所要時間も格段に短縮することが可能になる。しかも、筐体内の発熱量の計算式において、潤滑油温度の依存性をも考慮しているため、精度良く潤滑油温度を予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】油浴潤滑方式の鉄道車両用歯車装置の構造を示す断面図である。
【図２】本発明法および従来法による潤滑油温度の予測結果、ならびに実走行による潤滑油温度の計測結果の一例を経過時間ごとに示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
上述の通り、本発明の歯車装置における温度予測方法は、筐体を一つの熱容量体として、筐体内の発熱量Ｑを歯車の回転数ωpと潤滑油の温度ＴOilの関数で設定するとともに、潤滑油から筐体への内面熱伝達率ｈiおよび筐体から外気への外面熱伝達率ｈoをそれぞれ歯車の回転数ωpの関数で設定し、これらの関数で設定した発熱量Ｑ、内面熱伝達率ｈiおよび外面熱伝達率ｈoに基づいて、実走行時における潤滑油の温度を導出することを特徴とする。以下に、その具体例を説明する。
【００２３】
本発明の温度予測方法では、前提として、筐体（歯車箱）は熱伝導率の高い金属製である。筐体の材質としては、アルミニウムや鉄などが適用される。
【００２４】
まず、筐体は熱伝導率が高いことから、伝熱特性および放熱特性が全域にわたり概ね均一と仮定することができ、このことから、筐体を一つの熱容量体とする。すなわち、本発明では、前記特許文献１に記載の方法のように、ＣＦＤ解析を行うために筐体モデルを多数の要素に分割することはしない。
【００２５】
その上で、筐体内部での発熱量Ｑ［Ｗ］、内面熱伝達率ｈi［Ｗ／ｍ2／Ｋ］および外面熱伝達率ｈo［Ｗ／ｍ2／Ｋ］をそれぞれ下記（１）、（２）および（３）式に示す関数で設定する。内面熱伝達率ｈiは、筐体内に貯溜されている潤滑油から筐体への熱伝達率を意味し、外面熱伝達率ｈoは、筐体から外気への熱伝達率を意味する。
Ｑ＝ｆ1（ωp，ＴOil）  ・・・  （１）
ｈi＝ｆ2（ωp）  ・・・  （２）
ｈo＝ｆ3（ωp）  ・・・  （３）
ただし、上記（１）〜（３）式中のωpは、歯車（小歯車）の回転数に相当する電動機軸の回転数［ｒｐｍ］を示し、実走行時には鉄道車両の走行速度に正比例する。さらに、上記（１）式中のＴOilは、潤滑油の温度［℃］を示す。歯車回転数として、大歯車の回転数を採用しても構わない。
【００２６】
このように、筐体内の発熱量Ｑは、上記（１）式に示すように、歯車回転数ωpと潤滑油温度ＴOilを物理変数とする関数で表される。また、内面熱伝達率ｈi、外面熱伝達率ｈoは、上記（２）、（３）式に示すように、歯車回転数ωpのみを物理変数とする関数で表される。これらの関数としては、例えば、歯車回転数ωpや潤滑油温度ＴOilを物理変数とし、比例係数および累乗係数を有する累乗関数を用いることができる。
【００２７】
ここで、発熱量Ｑ、内面熱伝達率ｈiおよび外面熱伝達率ｈoの関数をそれぞれ設定するに際し、実体の歯車装置を使用して、熱電対と熱流束計を筐体表面の複数個所に設置し、無車輪状態で歯車を回転させる無走行回転試験（ベンチ試験）を行い、筐体表面の温度と熱流束を経時的に計測する。
【００２８】
この測定結果から、単位時間当たりの発熱量を算出する。この発熱量は、潤滑油および筐体への蓄熱量と、大気への放熱量とを加算したものに相当し、前者は、測定した筐体表面の温度変化から求められ、後者は測定した熱流束から求められる。そして、算出した発熱量と一致するように、上記（１）式に示す発熱量Ｑの関数を設定する。例えば、発熱量Ｑの関数として累乗関数を用いる場合、算出した単位時間当たりの発熱量から、比例係数および累乗係数を決定する。
【００２９】
これと同時に、上記無走行回転試験の測定結果と一致するように、上記（２）式に示す内面熱伝達率ｈiの関数を設定する。例えば、内面熱伝達率ｈiの関数として累乗関数を用いる場合、過去に実施した試験実績に基づいて累乗係数を−１〜＋２の範囲で適宜設定し、比例係数を決定する。歯車回転数ωpを種々変更して無走行回転試験を繰り返すことにより、上記（２）式に示す関数形式が決定される。この際、外面熱伝達率ｈoは無走行回転試験では歯車回転数ωpに殆ど依存しないことから、外面熱伝達率ｈoは所定の値に設定される。
【００３０】
さらに、実走行試験の測定結果と一致するように、上記（３）式に示す外面熱伝達率ｈoの関数を設定する。外面熱伝達率ｈoの関数を設定に関しても、内面熱伝達率ｈiの関数の設定と同様、例えば累乗関数を用いる場合、過去に実施した試験実績に基づいて累乗係数を−１〜＋２の範囲で適宜設定し、比例係数を決定すればよい。また、外面熱伝達率ｈoの関数は筐体に高速の風が衝突する影響に主に依るものであることから、その関数設定に関しては、実走行試験を行わず、過去に実施した類似の試験実績に基づく累乗係数及び比例係数を適宜調整し用いてもよい。
【００３１】
次に、上記の通りに設定した発熱量Ｑ、内面熱伝達率ｈiおよび外面熱伝達率ｈoを用い、潤滑油から筐体への伝熱量Ｑi、および筐体から外気への放熱量Ｑoをそれぞれ下記（４）および（５）式で設定する。
Ｑi＝ｈi・Ａi・（ＴOil−ＴBox）  ・・・  （４）
Ｑo＝ｈo・Ａo・（ＴBox−ＴAir）  ・・・  （５）
ただし、上記（４）式中、Ａiは筐体の内面の表面積［ｍ2］であり、ＴBoxは筐体の温度［℃］である。上記（５）式中、Ａoは筐体の外面の表面積［ｍ2］であり、ＴAirは外気の温度［℃］である。
【００３２】
さらに、潤滑油温度の上昇速度「ｄＴOil／ｄｔ」を下記（６）式で設定する。
ｄＴOil／ｄｔ＝（Ｑ−Ｑi）／ＣOil+etc  ・・・  （６）
ただし、上記（６）式中のＣOil+etcは、潤滑油と、歯車装置を構成する筐体以外の金属部品の合計熱容量［Ｊ／Ｋ］である。
【００３３】
これに加え、筐体温度の上昇速度「ｄＴBox／ｄｔ」を下記（７）式で設定する。
ｄＴBox／ｄｔ＝（Ｑi−Ｑo）／ＣBox  ・・・  （７）
ただし、上記（７）式中のＣBoxは、筐体の熱容量［Ｊ／Ｋ］である。
【００３４】
そして、上記（６）式に示す潤滑油温度の上昇速度を差分化して計算することにより、各時刻における潤滑油の温度を算出することができる。同様に、上記（７）式に示す筐体温度の上昇速度を差分化して計算することにより、各時刻における筐体の温度を算出することができる。
【００３５】
このように、本発明の温度予測方法においては、実走行時の温度を予測するために、車速に正比例する歯車回転数（電動機軸回転数）の経時変化および環境温度を与条件とし、上記（１）〜（７）式を計算することにより、潤滑油や筐体（金属部品を含む）の温度の経時変化を逐次的に導出することが可能になる。上記（１）〜（７）式の計算は、前記特許文献１に記載の方法で用いるような流体解析ソフトを用いることなく、簡易なプログラミング言語で構築される汎用の計算ソフト、例えばマイクロソフト社製のＥｘｃｅｌ  ＶＢＡを用いて行うことができる。
【実施例】
【００３６】
本発明の温度予測方法による効果を確認するため、マイクロソフト社製のＥｘｃｅｌ  ＶＢＡを用いて上記（１）〜（７）式の計算を行い、実走行時における潤滑油の温度を算出し予測した。また、比較のために、従来法として、アンシス・ジャパン社製の流体解析ソフト：ＦＬＵＥＮＴを用いて前記特許文献１に記載の方法により、実走行時における潤滑油の温度を算出し予測した。これらの温度予測方法に加え、実際に歯車装置を鉄道車両に搭載して実走行中の潤滑油の温度を計測した。
【００３７】
図２は、本発明法および従来法による潤滑油温度の予測結果、ならびに実走行による潤滑油温度の計測結果の一例を経過時間ごとに示す図である。同図に示すように、本発明法によって得られた潤滑油温度は、前記特許文献１に記載の従来法によって得られたものと遜色がなく、しかも、実走行での実測値と概ね一致していることが確認できた。
【００３８】
また、潤滑油温度の算出には、従来法では複雑なＣＦＤ解析を行うため約３０時間を要したのに対し、本発明法ではＣＦＤ解析を省略することにより５秒以内で終了することができた。
【００３９】
その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の歯車装置における温度予測方法によれば、実走行時における潤滑油温度を導出する際に、ＣＦＤ解析を行うことなく、汎用の計算ソフトを用いて簡略な計算式で行えるため、コストを大幅に削減することができ、所要時間も格段に短縮することが可能になる。しかも、筐体内の発熱量の計算式において、歯車回転数のみならず潤滑油温度の依存性を考慮しているため、精度良く潤滑油温度を予測することができる。
【００４１】
従って、本発明は、高速走行化に対応した鉄道車両用歯車装置の温度予測に極めて有用であり、実走行を行うことなく歯車装置の温度特性を事前に把握でき、歯車装置の信頼性を高めることにも寄与する。本発明は、バスやトラックなど自動車用歯車装置の温度予測にも適用範囲が広がる。
【符号の説明】
【００４２】
１：歯車箱（筐体）、    ２：大歯車、    ３：車軸、
４：小歯車、    ５：中心軸、    ６：潤滑油
【図１】
0005381850.tif 000002
【図２】
0005381850.tif 000003