(57)【要約】【課題】鉄道車両の運行に必要なトルクを得ることができると共に、広い客室スペースを確保可能な鉄道車両用車輪駆動構造を提供する。【解決手段】鉄道車両用車輪駆動構造は、鉄道車両に取り付けられ、左右の車輪それぞれに設けられて駆動力を伝達する駆動装置３４ａを備える。駆動装置３４ａに注目すると、モータ部Ａと減速部Ｂとを有する。そして、減速部Ｂは、偏心部２ａ，２ｂに回転自在に保持されて、出力軸２の回転に伴ってその回転軸心を中心とする公転運動を行う曲線板１２ａ，１２ｂと、曲線板１２ａ，１２ｂの外周部に係合して公転部材の自転運動を生じさせる外ピン１４と、曲線板１２ａ，１２ｂの自転運動を、出力軸２の回転軸心を中心とする回転運動に変換して車輪３３ａに伝達する運動変換機構とを含む。【選択図】図１
2007230508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両に取り付けられ、独立して回転駆動される２以上の車輪と、
前記車輪それぞれに設けられて駆動力を伝達する駆動装置とを備え、
前記駆動装置は、
偏心部を有するモータ側回転部材を回転駆動するモータ部と、
前記モータ側回転部材の回転を減速して前記車輪に伝達する減速部とを有し、
前記減速部は、
前記偏心部に回転自在に保持されて、前記モータ側回転部材の回転に伴ってその回転軸心を中心とする公転運動を行う公転部材と、
前記公転部材の外周部に係合して公転部材の自転運動を生じさせる外周係合部材と、
前記公転部材の自転運動を、前記モータ側回転部材の回転軸心を中心とする回転運動に変換して前記車輪に伝達する運動変換機構とを含む、鉄道車両用車輪駆動構造。
【請求項２】
前記駆動装置は、ケーシングに収容されて前記鉄道車両に固定され、
前記車輪は、前記ケーシングに回転自在に保持される、請求項１に記載の鉄道車両用車輪駆動構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の車輪駆動構造、特に、左右の車輪を独立して駆動可能な鉄道車両用車輪駆動構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の鉄道車両は、例えば、特開２０００−３０９２６９号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている鉄道車両は、車体と、車体を支持する台車枠と、台車枠の左右に配置されて、左右の車輪の車輪速度を独立して制御可能な独立駆動コンポーネントとを備える。
【０００３】
上記構成の鉄道車両は、左右の車輪が車軸によって連結された一体型車輪を備えた鉄道車両と比較すると、低床構造とすることができると共に、左右の車輪速度を独立して制御することによって曲線軌道を走行することができる利点を有している。また、左右の車輪速度を同一に維持することにより、一体型車輪を備えた鉄道車両と同様に、セルフステアリング効果を利用して曲線軌道を走行することもできる。
【０００４】
上記構成の鉄道車両において、客室スペースを拡大するために独立駆動コンポーネントの小型化が求められている。同時に、高重量の鉄道車両を走行させる独立駆動コンポーネントは、大きなトルクを出力する必要がある。
【０００５】
そこで、同公報に記載されている独立駆動コンポーネントは、駆動力を発生させるモータと、車輪と、モータの回転を減速して車輪に伝達する遊星減速機とを備えると記載されている。これにより、低トルク、高速回転の小型モータを採用した場合でも、車輪に高トルクの回転を伝達することができる。
【特許文献１】特開２０００−３０９２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記公報に記載された独立駆動コンポーネントの減速機に採用されている遊星歯車機構の減速比は、歯車の強度等の観点から１／３〜１／６程度に設定されるのが一般的である。これは、独立駆動コンポーネントを小型化した場合に、鉄道車両の運行に必要なトルクを発生させるには不十分であり、十分な減速比を得るためには、減速機を多段構成とする必要がある。これは、減速機の重量およびサイズの増大を招き、コンパクト化が必要な独立駆動コンポーネントには不適切である。
【０００７】
また、遊星歯車減速機は平行軸歯車等と比較すると大きな減速比を得ることができるが、遊星歯車減速機はサンギヤ、リングギヤ、ピニオンギヤおよびピニオンギヤのキャリヤとで構成されるので、部品点数が多くコンパクト化が難しいという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、鉄道車両の車輪を独立して駆動可能な鉄道車両用車輪駆動構造であって、鉄道車両の運行に必要なトルクを得ることができると共に、広い客室スペースを確保可能な鉄道車両用車輪駆動構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る鉄道車両用車輪駆動構造は、鉄道車両に取り付けられ、独立して回転駆動される２以上の車輪と、車輪それぞれに設けられて駆動力を伝達する駆動装置とを備える。駆動装置に注目すると、偏心部を有するモータ側回転部材を回転駆動するモータ部と、モータ側回転部材の回転を減速して車輪に伝達する減速部とを有する。そして、減速部は、偏心部に回転自在に保持されて、モータ側回転部材の回転に伴ってその回転軸心を中心とする公転運動を行う公転部材と、公転部材の外周部に係合して公転部材の自転運動を生じさせる外周係合部材と、公転部材の自転運動を、モータ側回転部材の回転軸心を中心とする回転運動に変換して車輪に伝達する運動変換機構とを含む。
【００１０】
上記構成のような、コンパクトで高減速比が得られる減速部とすることによって、モータ部が低トルクであっても、車輪に十分なトルクを伝達することが可能となる。このような小型で高出力の駆動装置を採用することにより、広い客室スペースを確保可能な鉄道車両用車輪駆動構造を得ることができる。
【００１１】
好ましくは、駆動装置は、ケーシングに収容されて鉄道車両に固定され、車輪は、ケーシングに回転自在に保持される。これにより、鉄道車両用車輪駆動構造をさらに小型化することができる。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、小型で高出力の駆動装置を採用することにより、鉄道車両の運行に必要なトルクを確保することができると共に、広い客室スペースを確保した鉄道車両用車輪駆動構造を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図１〜図４を参照して、この発明の一実施形態に係る駆動装置について説明する。
【００１４】
図４は、この発明の一実施形態に係る駆動装置を採用した鉄道車両３１の概略図である。図４を参照して、鉄道車両３１は、車体（図示せず）と、車体を支持する台車枠３２と、台車枠３２の左右に配置される車輪３３ａ，３３ｂと、左右の車輪３３ａ，３３ｂそれぞれの車輪速度を独立して制御可能な駆動装置３４ａ，３４ｂとを備える。
【００１５】
上記構成の鉄道車両３１は、左右の車輪３３ａ，３３ｂが車軸によって連結された一体型車輪を備えた鉄道車両と比較すると、低床構造とすることができると共に、左右の車輪速度を独立して制御することによって曲線軌道を走行することができる利点を有している。一方で、鉄道車両３１の運行に必要なトルクと広い客室スペースを確保するためには、小型で高減速比の減速部を備えた駆動装置３４ａ，３４ｂを採用する必要がある。
【００１６】
そこで、図１を参照して、鉄道車両３１に採用する駆動装置３４ａ，３４ｂを説明する。なお、図１は、駆動装置３４ａの概略断面図である。なお、駆動装置３４ｂも同様の構成であるので、説明は省略する。
【００１７】
図１を参照して、駆動装置３４ａは、駆動力を発生させるモータ部Ａと、モータ部Ａの回転を減速して出力する減速部Ｂとを備え、モータ部Ａと減速部Ｂとはケーシング１に収納されて、図４に示すように鉄道車両３１の台車枠３２にボルト等によって機械的に締結される。
【００１８】
モータ部Ａは、ケーシング１に固定されるステータ３と、ステータ３の内側に軸方向の隙間を設けて配置されるロータ４と、ロータ４に嵌合してロータ４と一体回転するモータ側回転部材としての出力軸２とを備えるアキシアルギャップモータである。なお、ロータ４は、一端が転がり軸受４によってケーシング１に対して回転自在に支持され、他端が出力軸２と接続される。
【００１９】
出力軸２は、モータ部Ａの駆動力を減速部Ｂに伝達するためにモータ部Ａから減速部Ｂにかけて配置され、一端がロータ４の軸方向端面に設けられた凹部に嵌合し、他端が車輪３３ａの端面に形成された凹部３５内に転がり軸受６によって回転自在に支持されている。また、減速部Ｂ内に偏心部２ａ，２ｂを有する。さらに、２つの偏心部２ａ，２ｂは、偏心運動による遠心力を互いに打ち消しあうために、１８０°位相を変えて設けられている。
【００２０】
減速部Ｂは、偏心部２ａ，２ｂに転がり軸受１３によって回転自在に保持される公転部材としての曲線板１２ａ，１２ｂと、ケーシング１上の固定位置に保持され、曲線板１２ａ，１２ｂの外周部に係合する外周係合部材としての複数の外ピン１４と、曲線板１２ａ，１２ｂの自転運動を車輪３３ａに伝達する運動変換機構とを備え、車輪３３ａの端面に形成された凹部３５内に配置される。また、減速部Ｂの内部には、グリース等の潤滑剤が封入されており、この潤滑剤がモータ部Ａに漏洩するのを防止するために、モータ部Ａと減速部Ｂとの間には密封部材２０が配置される。
【００２１】
次に、図２を参照して、曲線板１２ａを説明する。なお、図２は、図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。また、曲線板１２ｂも同様の構成であるので、説明は省略する。
【００２２】
図２を参照して、曲線板１２ａは、外周部にエピトロコイド等のトロコイド系曲線で構成される複数の波形を有し、一方側端面から他方側端面に貫通する複数の貫通孔１７ａ，１７ｂを有する。貫通孔１７ａは、曲線板１２ａの自転軸心を中心とする円周上に等間隔に複数個設けられており、後述する内ピン１６を受け入れる。また、貫通孔１７ｂは、曲線板１２ａの中心に設けられており、偏心部２ａを挿通する。
【００２３】
曲線板１２ａは、転がり軸受１３によって偏心部２ａに対して回転自在に支持されている。この転がり軸受１３は、偏心部２ａに嵌合し、外径面に内側軌道面を有する内輪１３ａと、貫通孔１７ｂの内壁面に嵌合し、内径面に外側軌道面を有する外輪１３ｂと、内側軌道面および外側軌道面の間に配置された複数の転動体としての玉１３ｃと、複数の玉１３ｃを保持する保持器（図示せず）とを備える深溝玉軸受である。
【００２４】
外ピン１４は、出力軸２の回転軸心を中心とする円周軌道上に等間隔に設けられる。これは、曲線板１２ａ，１２ｂの公転軌道と一致するので、曲線板１２ａ，１２ｂが公転運動すると、曲線形状の波形と外ピン１４とが係合して、曲線板１２ａ，１２ｂに自転運動を生じさせる。また、曲線板１２ａ，１２ｂとの接触抵抗を低減するために、曲線板１２ａ，１２ｂの外周面に当接する位置に針状ころ軸受１４ａを有する。
【００２５】
運動変換機構は、車輪３３ａに保持された複数の内ピン１６と、曲線板１２ａ，１２ｂに設けられた貫通孔１７ａとで構成される。内ピン１６は、一端が車輪３３ａに固定連結され、他端には車輪３３ａの脱落を防止する抜け止め部１６ｂを有し、車輪３３ａの回転軸心を中心とする円周軌道上に等間隔に設けられる。また、曲線板１２ａ，１２ｂとの接触抵抗を低減するために、曲線板１２ａ，１２ｂの貫通孔１７ａの内壁面に当接する位置に針状ころ軸受１６ａが設けられている。一方、貫通孔１７ａは、複数の内ピン１６それぞれに対応する位置に設けられ、貫通孔１７ａの内径寸法は、内ピン１６の外径寸法（針状ころ軸受１６ａを含む最大外径）より所定分大きく設定されている。
【００２６】
車輪３３ａは、転がり軸受１９によってケーシング１に対して回転自在に支持されている。転がり軸受１９は、ケーシング１の外径面に設けられた内側軌道面と、車輪３３ａの端面に形成された凹部３５の内壁面に設けられた外側軌道面と、内側軌道面および外側軌道面の間に配置された複数の転動体としての玉とを有する。また、凹部３５の開口部には、凹部３５内部に封入された潤滑剤の漏洩や、外部からの塵埃の混入を防ぐために、密封部材２１が配置される。
【００２７】
次に、図３を参照して、減速部Ｂのさらに好ましい実施形態を説明する。なお、図３は、図１に示す偏心部２ａ，２ｂ周辺の拡大図である。
【００２８】
図３を参照して、出力軸２には、偏心部２ａ，２ｂに隣接する位置に、円板状で、中心から外れた位置に出力軸２と嵌合する貫通孔を有するカウンタウェイト１８が配置されている。このカウンタウェイト１８は、曲線板１２ａ，１２ｂの回転によって生じる偶力を打ち消すために、各偏心部２ａ，２ｂの外側に偏心部と１８０°位相を変えて配置される。
【００２９】
ここで、曲線板１２ａ，１２ｂとカウンタウェイト１８とは、図３に示すように、２枚の曲線板１２ａ、１２ｂ間の中心点をＧとし、中心点Ｇと各曲線板１２ａ、１２ｂ中心との距離をＬ１、中心点Ｇと各カウンタウェイト１８との距離をＬ２とし、中心点Ｇより右側の曲線板１２ａおよびカウンタウェイト１８の質量をｍ１、中心点Ｇより左側の曲線板１２ｂおよびカウンタウェイト１８の質量をｍ２とし、これらの重心の回転軸心からの偏心量をそれぞれε１、ε２とすると、Ｌ１×ｍ１×ε１＝Ｌ２×ｍ２×ε２を満たす関係となっている。
【００３０】
上記構成の駆動装置３４ａの作動原理を詳しく説明する。
【００３１】
モータ部Ａは、例えば、ステータ３のコイルに交流電流を供給することによって生じる電磁力を受けて、永久磁石または直流電磁石によって構成されるロータ４が回転する。このとき、コイルに高周波数の電圧を印加する程、ロータ４は高速回転する。
【００３２】
これにより、ロータ４に接続された出力軸２が回転すると、曲線板１２ａ，１２ｂは出力軸２の回転軸心を中心として公転運動する。このとき、外ピン１４が、曲線板１２ａ，１２ｂの曲線形状の波形と係合して、曲線板１２ａ，１２ｂを出力軸２の回転とは逆向きに自転運動させる。
【００３３】
貫通孔１７ａに挿通する内ピン１６は、曲線板１２ａ，１２ｂの自転運動に伴って貫通孔１７ａの内壁面と当接する。このとき、貫通孔１７ａの内径寸法は、内ピン１６の外径寸法より大きく設定されているので、内ピン１６と貫通孔１７ａの内壁面とは、接触状態と非接触状態とを繰り返しながら相互に運動する。これにより、曲線板１２ａ，１２ｂの公転運動が内ピン１６に伝わらず、曲線板１２ａ，１２ｂの自転運動のみが出力部材１５を介して車輪ハブ軸受部Ｃに伝達される。
【００３４】
このとき、出力軸２の回転が減速部Ｂによって減速されて車輪３３ａに伝達されるので、低トルク、高回転型のモータ部Ａを採用した場合でも、車輪３３ａに必要なトルクを伝達することが可能となる。
【００３５】
なお、上記構成の減速部Ｂの減速比は、外ピン１４の数をＺＡ、曲線板１２ａ，１２ｂの波形の数をＺＢとすると、（ＺＡ−ＺＢ）／ＺＢで算出される。図２に示す実施形態では、ＺＡ＝１２、ＺＢ＝１１であるので、減速比は１／１１と、非常に大きな減速比を得ることができる。
【００３６】
このように、多段構成とすることなく大きな減速比を得ることができる減速部Ｂを採用することにより、コンパクトで高減速比の駆動装置を得ることができる。また、外ピン１４および内ピン１６の曲線板１２ａ，１２ｂに当接する位置に針状ころ軸受１４ａ，１６ａを設けたことにより、接触抵抗が低減されるので、減速部Ｂの伝達効率が向上する。
【００３７】
なお、上述の作動の説明では、モータ部Ａに電力を供給してモータ部Ａを駆動させ、モータ部Ａからの動力を車輪３３ａに伝達させたが、これとは逆に、車両が減速したり坂を下ったりするようなときは、車輪３３ａ側からの動力を減速部Ｂで高回転低トルクの回転に変換してモータ部Ａに伝達し、モータ部Ａで発電しても良い。さらに、ここで発電した電力は、バッテリーに蓄電しておき、後でモータ部Ａを駆動させたり、車両に備えられた他の電動機器等の作動に用いてもよい。
【００３８】
ところで、内ピン１６の外径寸法は貫通孔１７ａの内径寸法より小さく、内ピン１６と貫通孔１７ａの内周面とは接触状態と非接触状態とを繰り返しながら回転するので、モータ部Ａの回転を円滑に駆動輪３４に伝達する観点からは、内ピン１６を複数設けることが望ましい。
【００３９】
上記の実施形態に係る駆動装置を鉄道車両３１に採用することにより、鉄道車両３１の運行に必要なトルクを得ることができると共に、広い客室スペースを確保することができる。
【００４０】
上述した実施形態では、減速部Ｂの曲線板１２ａ，１２ｂを１８０°位相を変えて２枚設けたが、この曲線板の枚数は任意に設定することができ、例えば、曲線板を３枚設ける場合は、１２０°位相を変えて設けるとよい。
【００４１】
また、上記の実施形態における運動変換機構は、車輪３３ａに固定された内ピン１６と、曲線板１２ａ，１２ｂに設けられた貫通孔１７ａとで構成される例を示したが、これに限ることなく、減速部Ｂの回転を車輪３３ａに伝達可能な任意の構成とすることができる。例えば、曲線板に固定された内ピンと、車輪に形成された内ピンの外径より所定分大きい凹部とで構成される運動変換機構であってもよい。
【００４２】
また、上記の実施形態において、外ピン１４および内ピン１６に設けた軸受は、径方向の厚み寸法を小さくする観点から針状ころ軸受１４ａ，１６ａとした例を示した。また、曲線板１２ａ，１２ｂを偏心部２ａ，２ｂに対して回転自在に支持する転がり軸受１３として深溝玉軸受を採用した例を示した。しかし、これに限ることなく、例えば、円筒ころ軸受、円錐ころ軸受、アンギュラ玉軸受、４点接触玉軸受、自動調心ころ軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、あらゆる転がり軸受を適用することができる。
【００４３】
また、外ピン１４および内ピン１６に設けた針状ころ軸受１４ａ，１６ａは、針状ころを複列に配置した複列針状ころ軸受であって、２つの曲線板１２ａ，１２ｂとの当接部分にまたがって配置した例を示したが、これに限ることなく、単列の針状ころ軸受１４ａ，１６ａを曲線板１２ａ，１２ｂそれぞれの当接部分に配置してもよい。
【００４４】
また、上述した実施形態では、電動モータをステータとロータとの間にアキシヤルギャップを設けたものとしたが、電動モータはステータとロータとの間にラジアルギャップを設けたもの等、任意の型式のものを採用することができる。さらに、車輪のハブも実施形態のものに限定されることはなく、任意の型式のものを採用することができる。
【００４５】
さらに、上述した実施形態では、モータ部Ａの回転を減速部Ｂに伝達する出力部材として、出力軸２の例を示したが、これに限ることなく、任意の形状とすることができる。例えば、出力軸とロータを一体構成としたフランジ形状の出力部材であってもよい。
【００４６】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】この発明の一実施形態に係る駆動装置を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】図１に示す駆動装置のさらに好ましい実施形態を示す図である。
【図４】この発明の一実施形態に係る鉄道車両用車輪駆動構造の概略図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  ケーシング、２  出力軸、２ａ，２ｂ  偏心部、３  ステータ、４  ロータ、５，６  軸受、１２ａ，１２ｂ  曲線板、１３  転がり軸受、１３ａ  内輪、１３ｂ  外輪、１３ｃ  玉、１４  外ピン、１４ａ，１６ａ  針状ころ軸受、１６  内ピン、１６ｂ  抜け止め部、１７ａ，１７ｂ  貫通孔、１８  カウンタウェイト、２０，２１  密封部材、３１  鉄道車両、３２  台車枠、３３ａ，３３ｂ  車輪、３４ａ，３４ｂ  駆動装置。
【図１】
2007230508.tif 000003
【図２】
2007230508.tif 000004
【図３】
2007230508.tif 000005
【図４】
2007230508.tif 000006