(57)【要約】【課題】鉄道車両用歯車装置の低騒音化を図る。【解決手段】はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置３である。はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、かつ、1)この噛み合い接触線方向のクラウニングと、歯先・歯元修整と歯筋修整のためのクラウニングを加えた後の最大バイアス修整量が１０〜４０μmとなるように、歯面に修整を施すか、または、2) 諸元噛み合い率が２．４〜２．８となるように歯車諸元を調整すると共に、歯当たり面の接触長さと、作用平面の対角長さの比率が０．６〜０．９５となるように歯面に修整を施す。【効果】トルクが変動しても振動起振力の変動が少なく、かつ発生する振動起振力も小さくできるので、走行時に歯車装置やこの歯車装置を搭載した鉄道車両用台車から発生する騒音を効果的に低減できる。【選択図】図２
2008275060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
前記はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、
前記歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、
かつこの噛み合い接触線方向のクラウニングと、歯先・歯元修整と歯筋修整のためのクラウニングを加えた後の最大バイアス修整量が１０〜４０μmとなるように、歯面に修整を施したことを特徴とする鉄道車両用歯車装置。
【請求項２】
はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
前記はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、
前記歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、
かつ諸元噛み合い率が２．４〜２．８となるように歯車諸元を調整すると共に、歯当たり面の接触長さと、作用平面の対角長さの比率が０．６〜０．９５となるように、歯面に修整を施したことを特徴とする鉄道車両用歯車装置。
【請求項３】
歯幅両端部の夫々略５％の範囲に、歯車の取付け誤差やミスアライメントによって生じる片当りを防止する歯筋方向のレリービングを施工することを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用歯車装置。
【請求項４】
平行カルダン駆動式の鉄道車両用歯車装置であって、
対をなすはすば歯車は、モジュールが５〜７、圧力角が２０〜２８°、ねじれ角が１５〜４０°の歯車諸元をもつものであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用歯車装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トルクを伝達する際に、はすば歯車の噛み合いによって発生する騒音の低減が可能な鉄道車両用歯車装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平行カルダン駆動式の鉄道車両は、図９に示すように、モータ１で発生するトルクを、たわみ軸継手２、歯車装置３を介して車軸４に伝え、車軸４に取り付けた車輪５を回転させて走行するようになっている。
【０００３】
この歯車装置３は、たわみ軸継手２に連結される小歯車軸３ａに形成した小歯車３ａａと車軸４に一体的に取り付けられた大歯車３ｂが噛み合って前記トルクを伝達するようになっており、その際、小歯車３ａと大歯車３ｂが絶えず噛み合って回転している。
【０００４】
従って、前記小歯車３ａと大歯車３ｂが噛み合って回転しているときに発生する振動起振力を低減させることが騒音の低減に重要であり、近年の鉄道車両の高速化ではなおさらである。
【０００５】
はすば歯車の噛み合い時に発生する振動起振力を低減させて低振動、低騒音を達成する技術として、例えば特許文献１〜３が開示されている。
このうち、特許文献１は、歯面上の噛み合い始め部からインボリュート曲面に連なる曲面で歯筋方向位置により歯形形状が異なり、歯面法線方向における噛み合い始め部の修整量が少なくとも歯車噛み合い時の撓み量となるバイアス修整を施すものである。
【特許文献１】特開平８−２８５０４８号公報
【０００６】
また、特許文献２は、歯面に残した歯幅方向接触線ピッチの整数倍幅の完全接触線領域以外の歯面を、噛み合い始め部から完全接触線領域までと、完全接触線領域から噛み合い終わり部までを、それぞれ連続する曲面で形成し、これら両曲面に歯筋方向位置によって歯形形状が異なる３次元的なバイアス修整を施すものである。
【特許文献２】特開平１０−８９４４２号公報
【０００７】
また、特許文献３は、歯車を配設する際のミスアライメントを、歯面の圧力角誤差及びねじれ角誤差に換算して修整を行う、或いは製造誤差を考慮したバイアス修整を加えるものである。
【特許文献３】特開平８−１９７３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記特許文献１や特許文献２で開示された技術は、舶用減速機のように比較的歯幅が長い、一定出力を伝達する歯車には有効である。しかしながら、本発明が対象とする鉄道車両のように、歯幅が１００mm以下と短く、使用出力も常に変動する歯車には、効果が得られない。
【０００９】
また、軸受の構造上及び運転中のミスアライメントが把握できない鉄道用では、修整量の決定ができないので、本発明が対象とする鉄道車両では、特許文献３で開示された技術を適用することはできない。
【００１０】
本発明が解決しようとする問題点は、はすば歯車の噛み合い時に発生する騒音を低減する従来技術では、鉄道車両用の歯車装置に適用しても効果が得られなかったり、鉄道車両用の歯車装置に適用することができないという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の鉄道車両用歯車装置は、
鉄道車両用歯車装置の低騒音化を図るために、
はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
前記はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、
前記歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、
かつ、
1)  この噛み合い接触線方向のクラウニングと、歯先・歯元修整と歯筋修整のためのクラウニングを加えた後の最大バイアス修整量が１０〜４０μmとなるように、歯面に修整を施した点、
または、
2)  諸元噛み合い率が２．４〜２．８となるように歯車諸元を調整すると共に、歯当たり面の接触長さと、作用平面の対角長さの比率が０．６〜０．９５となるように、歯面に修整を施した点、
を最も主要な特徴としている。
【００１２】
上記の本発明に係る鉄道車両用歯車装置を搭載した鉄道車両用台車にあっては、トルクが変動しても振動起振力の変動を少なくでき、かつ振動起振力の最大値も小さくできるので、鉄道車両用台車の騒音を低減できるようになる。
【００１３】
なお、本発明における「歯面の有効噛み合い範囲」とは、歯車の取付け誤差やミスアライメントによって生じる片当りを防止するために、歯筋方向に設けられるレリービングと称する逃がし部分を除く範囲を言う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、はすば歯車によってトルクを伝達する際に、トルクが変動しても振動起振力の変動が少なく、かつ発生する振動起振力も小さくできるので、走行時に歯車装置やこの歯車装置を搭載した鉄道車両用台車から発生する騒音を効果的に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の完成に至る新しい着想及びこの着想から課題解決に至るまでの経緯と共に、本発明を実施するための最良の形態例について、図１〜図８を用いて説明する。
【００１６】
鉄道車両の高速化に伴って車両の静粛性が求められるなか、発明者らは、歯幅が７０mm、モジュールが６、圧力角が２６°、ねじれ角が２０°の従来のはすば歯車を使用した歯車装置（小歯車と大歯車の歯数比は２．７９、諸元噛み合い率は２．６）を用いて、モータのトルクと振動起振力の関係を調査した。
【００１７】
なお、調査に用いた従来のはすば歯車は、歯形方向と歯筋方向の２次元的な修整のみを行ったもので、歯形方向には、歯先・歯元に２５μm、歯筋方向には、レリービング部１１に７０μm、クラウニング部１２に２０μmの修整を行ったものを使用した（図１０参照）。
【００１８】
調査の結果を図１に示す。従来のはすば歯車を使用した歯車装置の場合（◆印）、最高速度巡航時の近傍と、減速最大トルク時近傍の２箇所で振動起振力のピークを有し、これらの間で振動起振力が減少して、振動起振力が大きく変動しているのが分かる。そして、モータトルクが６００Nm以下の場合と、１７００Nm以上の場合に振動起振力は１．５kg／mmより大きくなっていた。
【００１９】
このように、モータトルクの変動幅が大きい、従来のはすば歯車を使用した鉄道車両の歯車装置では、図１のように、モータトルクによって振動起振力が大きく変動し、これが歯車装置を搭載した鉄道車両用台車から発生する騒音の原因になっていると考えられる。
【００２０】
近年の研究結果によれば、歯面修整の効果は、歯当たり面の形状と密接な関連があると言われており、これまで様々な研究事例が発表されている。
そこで、発明者らは、騒音の原因となるはすば歯車回転中の振動起振力に注目し、歯当たり面の接触長さと作用平面の対角長さの比率（以下、接触長さ比という。図２参照）と、振動起振力との関係を、歯面解析シミュレーションを行うことによって分析した。
【００２１】
その結果を図３〜図５に示す。図３は接線力と振動起振力との関係を、図４は接触長さ比と振動起振力との関係を、図５は諸元噛み合い率と振動起振力との関係を示す図である。発明者らは、歯面噛み合い接触線方向のクラウニング（５〜２０μm）と、歯先・歯元修整と歯筋修整のためのクラウニングを加えた最大バイアス修整量を変化させて調査した。
【００２２】
図３より、鉄道車両走行時におけるトルク伝達時に歯面に作用する、接線力が０〜５０kg／mmの範囲では、前記最大バイアス修整量が１０〜４０μmの場合の振動起振力が１．５kg／mm以下の低いレベルに抑えられることが判明した。
【００２３】
また、図４より、接触長さ比が０．６〜０．９５の範囲では、歯面噛み合い接触線方向のクラウニングが５〜２０μmの範囲内であれば、前記最大バイアス修整量に係わらず、振動起振力は極小値を示し、１kg／mm以下であることが判明した。発明者らの分析結果によれば、このことが成立するのは、図５に示すように諸元噛み合い率が２．４〜２．８の範囲に限られる。なお、図５はバイアス修整量が１０〜２０μmの場合の結果を示した図である。
【００２４】
本発明は、発明者らによる上記調査結果に基づいてなされたものであり、
第１の本発明の鉄道車両用歯車装置は、
はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
前記はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、
前記歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、
かつこの噛み合い接触線方向のクラウニングと、歯先・歯元修整と歯筋修整のためのクラウニングを加えた後の最大バイアス修整量が１０〜４０μmとなるように、歯面に修整を施したことを特徴とするものである。
【００２５】
また、第２の本発明の鉄道車両用歯車装置は、
はすば歯車を備えた鉄道車両用歯車装置であって、
前記はすば歯車の歯面の有効噛み合い範囲において、
前記歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工し、
かつ諸元噛み合い率が２．４〜２．８となるように歯車諸元を調整すると共に、歯当たり面の接触長さと、作用平面の対角長さの比率が０．６〜０．９５となるように、歯面に修整を施したことを特徴とするものである。
【００２６】
これらの第１、第２の本発明において、歯幅両端部の夫々略５％の範囲に、歯車の取付け誤差やミスアライメントによって生じる片当りを防止する歯筋方向のレリービングを施工すれば、レリービング部における歯当たり発生を確実に防止することができる。なお、このレリービング量は特に限定されないが、クラウニング量に１０μm以上追加することが望ましい。但し、製造設備の制約もあるため、最大でも５０μm程度である。
【００２７】
また、前記の本発明を適用する鉄道車両用歯車装置としては、例えば平行カルダン駆動式であって、対をなすはすば歯車は、モジュールが５〜７、圧力角が２０〜２８°、ねじれ角が１５〜４０°の歯車諸元をもつものが適している。
【００２８】
これら本発明の鉄道車両用歯車装置において、歯面の噛み合い接触線方向に５〜２０μmのクラウニングを施工するのは、クラウニングの施工量が５〜２０μmの範囲を外れた場合、振動起振力が大きくなって騒音が大きくなるからである。
【００２９】
また、第１の本発明の鉄道車両用歯車装置において、前記最大バイアス修整量が１０〜４０μmとなるように歯面に修整を施すのは、この範囲を外れた場合は、振動起振力が１．５kg／mmより大きくなって騒音が大きくなるからである。
【００３０】
ちなみに、本発明の効果を確認するために、従来のはすば歯車を使用した歯車装置と、図６に示すはすば歯車を使用した本発明の歯車装置を用いて、振動起振力を調査した結果を図１に、騒音レベルを調査した結果を図７に示す。
【００３１】
この調査に使用した従来のはすば歯車は、図１の実験を行ったものと同じはすば歯車である。また、図６に示すはすば歯車は、レリービング部分を除く歯面の有効噛み合い歯面内において、噛み合い接触線方向に１５μmのクラウニングを、歯先・歯元修整を１９μm、歯筋修整のために１０μmのクラウニングを施した後の最大バイアス修整量が１５μmで、歯幅両端から夫々３．５mmの範囲に施す歯筋方向のレリービングを２０μmとしたものである。
【００３２】
図１より、本発明の歯車装置（●印）の場合、先に説明した従来の歯車装置（◆印）と異なり、全トルク範囲で安定して振動起振力を小さくでき、また振動起振力の変動幅も少なくできることが分かる。
【００３３】
図７より、本発明の歯車装置（実線）の場合、１０００〜６０００rpmのいずれの回転域においても、８５dB C以下の騒音レベルに抑えられることが分かる。また、従来の歯車装置（破線）に比べて、５〜１０dB C程度、騒音レベルを低減することができた。
【００３４】
このように、本発明では、歯車装置に使用するはすば歯車を、特許文献１や特許文献２のような、いわゆるバイアスアウト（図１１参照）に修整するのでは無く、バイアスイン（図８参照）に修整して噛み合い長さを伸ばし、実噛み合い率を良くしている。なお、図８、図１１中の斜線部は修整部を示す。
【００３５】
従って、本発明の歯車装置や、この歯車装置を搭載した鉄道車両用台車では、広いトルク範囲にわたって、振動起振力が低減でき、また振動起振力の変動が抑制できて、騒音の低減が図れる。
【００３６】
本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。
【００３７】
例えば第１の本発明と第２の本発明の両方を満足するものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上の本発明の技術的思想は、鉄道車両用の歯車装置に限らず、どのような歯車装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】はすば歯車を使用した歯車装置の、モータトルクと振動起振力の関係を示した図である。
【図２】接触長さ比の説明図である。
【図３】接線力と振動起振力との関係を示す図である。
【図４】接触長さ比と振動起振力との関係を示す図である。
【図５】最大バイアス修整量が１０〜２０μmの場合における、諸元噛み合い率と振動起振力との関係を示す図である。
【図６】本発明に使用する３次元的な歯面修整を施したはすば歯車の歯面形状を示した図である。
【図７】本発明の歯車装置と従来の歯車装置の騒音レベルを比較した図である。
【図８】本発明の歯車装置が採用するバイアスインの修整を説明する図である。
【図９】歯車装置の基本構成を説明する図である。
【図１０】従来の２次元的な歯面修整を施したはすば歯車の歯面形状を示した図である。
【図１１】特許文献１、２で開示されたバイアスアウトの修整を説明する図である。
【符号の説明】
【００４０】
３    歯車装置
３ａａ    小歯車
３ｂ    大歯車
１１    レリービング部
１２    クラウニング部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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