特許 6200564 撓み軸継手

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6200564

(24)【登録日】2017年9月1日

(45)【発行日】2017年9月20日

(54)【発明の名称】撓み軸継手

(51)【国際特許分類】

   F16D 3/78 20060101AFI20170911BHJP

   F16D 3/50 20060101ALI20170911BHJP

【ＦＩ】

   F16D3/78

   F16D3/50 G

【請求項の数】3

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2016-171598(P2016-171598)

(22)【出願日】2016年9月2日

【審査請求日】2016年9月7日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003115

【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000305

【氏名又は名称】特許業務法人青莪

(72)【発明者】

【氏名】林 智

【審査官】 上谷 公治

(56)【参考文献】

【文献】 実公昭４９−００３８７２（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 特開２０００−２５４８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６０−１０７４２７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５８−０１４５２２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５８−０５０２３０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００８−０９５７７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｄ ３／５０

Ｆ１６Ｄ ３／７８−３／７９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平行カルダン駆動方式の鉄道車両にて台車に固定の主電動機と歯車装置との間に介在される撓み軸継手であって、
主電動機の出力軸に固定の第１の固定継手と、歯車装置の小歯車軸に固定の第２の固定継手と、第１と第２の両固定継手間に設けられる中間継手とを備え、第１と第２の各固定継手と中間継手とが、板状の撓み板を軸方向に複数枚重ねたものを介して連結されるものにおいて、
上記撓み板が機械構造用合金鋼製の第１撓み板と繊維強化プラスチック製の第２撓み板とを含み、枠状の第１撓み板と第２撓み板とが交互に重ねられ、
上記第１撓み板の中央開口が四角形であり、上記第２撓み板の中央開口が円形であることを特徴とする撓み軸継手。

【請求項2】

前記撓み板の重ね枚数を３枚以上の奇数枚とし、軸方向両側の撓み板を第１撓み板としたことを特徴とする請求項１記載の撓み軸継手。

【請求項3】

前記撓み板の重ね枚数を３枚以上の奇数枚とし、軸方向両側の撓み板を第２撓み板としたことを特徴とする請求項１記載の撓み軸継手。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、平行カルダン駆動方式の鉄道車両にて台車に固定の主電動機と歯車装置との間に介在される撓み軸継手に関する。

【背景技術】

【0002】

平行カルダン駆動方式の鉄道車両は、台車に固定の主電動機で発生するトルクを、撓み軸継手、歯車装置を介して車軸に伝達し、車軸に設けた車輪を回転させてレール上を走行する。主電動機と歯車装置との間に介在される撓み軸継手は例えば特許文献１で知られている。このものは、主電動機の出力軸に固定の第１の固定継手と、歯車装置の小歯車軸に固定の第２の固定継手と、第１及び第２の両固定継手間に設けられる中間継手とを備え、第１及び第２の両固定継手と中間継手とが板状の撓み板を軸方向に複数枚重ねたものを介して夫々連結されている。板状の撓み板を軸方向に複数枚重ねたものとしては、板厚１ｍｍの機械構造用合金鋼（例えば、ＳＣＭ４３０１）製の平板を３枚重ねしたものや、板厚２．５ｍｍの繊維強化プラスチック（例えば、炭素繊維強化プラスチック（以下、単に「ＣＦＲＰ」という））製の平板を２枚重ねしたものが従来から一般に知られている。

【0003】

ところで、鉄道車両の歯車装置では、対を成す小歯車と大歯車とが噛合いながら回転してトルク伝達を行っている。そのため、歯同士の噛合いによる振動と騒音が発生し、このときの周波数（以下、単に「噛合い周波数」という）は回転数に比例して増大する。このような振動と騒音は、通常、回転数の２乗に比例して増大していく。そして、撓み軸継手においても、噛合い周波数によって誘起されて騒音や振動が発生し、ある特定の回転数（いわゆる共振回転数）にて撓み軸継手が共振し、大きな振動と騒音が発生する。近年、鉄道車両のスピードアップに伴い、電気機器に対する低振動並びに低騒音化の要求が一段と高くなっており、共振回転数にて撓み軸継手に発生する振動と騒音を効果的に低減する必要が生じている。

【0004】

上記撓み軸継手で発生する振動と騒音を低減する方法として、撓み軸継手を構成する固定継手と中間継手の継手形状を修正変更し、撓み軸継手全体として共振を回避することが考えられる。然し、継手形状の修正変更だけでは、ある特定の共振回転数での振動と騒音は回避低減できても、その他の特定の共振回転数では振動と騒音が増大するという不具合が生じる。このため、上記低減方法では、複数ある共振回転数のいずれにおいても、撓み軸継手に発生する振動と騒音を効果的に低減することができないという問題を招来する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１−１６５１８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、以上の点に鑑み、小歯車と大歯車とが噛合うときに発生する噛合い周波数によって誘発される、撓み軸継手の振動と騒音とを効果的に低減することができるようにした撓み軸継手を提供することをその課題とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、平行カルダン駆動方式の鉄道車両にて台車に固定の主電動機と歯車装置との間に介在される本発明の撓み軸継手は、主電動機の出力軸に固定の第１の固定継手と、歯車装置の小歯車軸に固定の第２の固定継手と、第１と第２の両固定継手間に設けられる中間継手とを備え、第１と第２の各固定継手と中間継手とが、板状の撓み板を軸方向に複数枚重ねたものを介して連結され、上記撓み板が機械構造用合金鋼製の第１撓み板と繊維強化プラスチック製の第２撓み板とを含み、枠状の第１撓み板と第２撓み板とが交互に重ねられ、上記第１撓み板の中央開口が四角形であり、上記第２撓み板の中央開口が円形であることを特徴とする。

【0008】

以上によれば、小歯車と大歯車とが噛合うときに発生する噛合い周波数によって誘発される、撓み軸継手の振動と騒音とを効果的に低減できることが確認された。なお、機械構造用合金鋼としては、例えばＳＣＭ４３０１が利用でき、また、繊維強化プラスチックとしては、例えばＣＦＲＰが利用できる。

【0009】

本発明において、前記撓み板の重ね枚数を３枚以上の奇数枚とし、軸方向両側の撓み板を、第１撓み板または第２撓み板とした構成を採用することが好ましい。ここで、鉄道車両の走行中、主電動機の出力軸と歯車装置の小歯車軸との間で絶えず相互の軸心がずれ合って偏心が発生し、その偏心を受けながら撓み軸継手はトルク伝達を行う。この場合、撓み板が繊維強化プラスチック製であると、トルク伝達時に圧縮側で横座屈が生じ易くなる。このため、伝達トルクが大きく、偏心量が少ない要求仕様条件の場合には、軸方向両側の撓み板を第１撓み板とする方が有利であり、逆に、伝達トルクが小さく偏心量が多い要求仕様条件の場合には、軸方向両側の撓み板を第２撓み板とする方が有利となる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の第１実施形態の撓み軸継手を備える平行カルダン駆動方式の鉄道車両の構成を示す模式図。

【図2】（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａに沿う矢視図、（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ―ＩＩｂに沿う断面図。

【図3】第１実施形態の撓み軸継手を有限要素法にて固有値解析した結果で、（ａ）は共振周波数１５１０Ｈｚでの振動による変形モードを示す図、（ｂ）は共振周波数３０３４Ｈｚでの振動による変形モードを示す図。

【図4】第２実施形態の撓み軸継手の断面図。

【図5】発明品と従来品とを、夫々台上試験装置での定置試験を実施し、計測された騒音レベルのオーバーオール値の結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、平行カルダン駆動方式での鉄道車両に本発明の撓み軸継手を適用した場合を例にその実施形態を説明する。

【0012】

図１を参照して、ＲＣは、平行カルダン駆動方式の鉄道車両であり、鉄道車両ＲＣは、図示省略の車台に固定の主電動機ＤＭと、この主電動機ＤＭに撓み軸継手ＦＣを介して連結される歯車装置ＧＭとを備え、主電動機ＤＭで発生するトルクを、撓み軸継手ＦＣ、歯車装置ＧＭを介して車軸ＤＳに伝達し、車軸ＤＳに設けた左右一対の車輪ＤＷ，ＤＷを回転させて図外のレール上を走行するようになっている。歯車装置ＧＭは、対をなすはすば小歯車（以下、「小歯車Ｓｇ」という）とはすば大歯車（以下、「大歯車Ｂｇ」という）とを備え、小歯車Ｓｇと大歯車Ｂｇとが互いに噛み合いながら回転してトルクを伝達する。なお、これら主電動機ＤＭ等の構成要素については、公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明は省略する。以下に、図２を参照して、第１実施形態の撓み軸継手ＦＣの構成を具体的に説明する。

【0013】

撓み軸継手ＦＣは、主電動機ＤＭの出力軸Ｄｍ１に固定の第１の固定継手１と、小歯車Ｓｇの回転軸（小歯車軸）Ｓｇ１に固定の第２の固定継手２と、第１及び第２の両固定継手１，２間に設けられる中間継手３とを備え、第１と第２の各固定継手１，２と中間継手３とが、板状の撓み板４ａ，４ｂを軸方向に複数枚重ねたものを介して連結されている。第１と第２の各固定継手１，２は、出力軸Ｄｍ１と回転軸Ｓｇ１に夫々外挿されるボス部１１，２１と、ボス部１１，２１の外周から径方向に突出させた第１継手腕部１２，２２とを夫々有し、出力軸Ｄｍ１と回転軸Ｓｇ１とに外挿した状態でボルトＢ１により夫々固定されている。中間継手３は、筒部３１とこの筒部３１の軸方向一端から径方向に突出させた第２継手腕部３２とで構成される２個の部材を軸方向で連結して構成されている。

【0014】

各撓み板４ａ，４ｂは、同様の形態を有し、機械構造用合金鋼製の第１の撓み板４１と、繊維強化プラスチック製の第２の撓み板４２とを含み、第１の撓み板４１と第２の撓み板４２とが軸方向で交互に重ねて構成される。この場合、撓み軸継手ＦＣの振動と騒音とを効果的に低減できるように第１及び第２の各撓み板４１，４２の重ね枚数は３枚以上の奇数枚とすることが好ましい。第１実施形態では、第２撓み板４２を軸方向両側から第１撓み板４１，４１で挟み込んで構成される。この場合、第１撓み板４１と第２撓み板４２とは、第１と第２の各固定継手１，２のボス部１１，２１が夫々挿通する四角形または円形の中央開口を持つ外枠形状が四角形枠状に夫々形成され、第１撓み板４１と第２撓み板４２との四隅において、第１継手腕部１２，２２と第２継手腕部３２とで軸方向両側から挟み込むようにしてボルトＢ２により固定されている。機械構造用合金鋼としては、例えばＳＣＭ４３０１が挙げられ、繊維強化プラスチックとしては、例えばＣＦＲＰが挙げられる。第１撓み板４１と第２撓み板４２との板厚は、板厚方向（即ち、軸方向）における撓み変形の可撓性に影響を与える曲げ剛性の値を考慮して夫々設定される。

【0015】

以上の第１実施形態によれば、第１及び第２の各固定継手１，２間と、中間継手３との間に夫々介在される各撓み板４ａ，４ｂが対をなして撓み変形（いわゆる平板の板厚方向での曲げ変形）することにより、上記偏心を受けながらトルク伝達を行う。そして、異種材料を組み合わせて撓み板４ａ，４ｂを構成することで、小歯車Ｓｇと大歯車Ｂｇとが噛合うときに発生する噛合い周波数によって誘発される、撓み軸継手ＦＣの振動と騒音とを効果的に低減することができる。次に、第１実施形態の撓み軸継手ＦＣの効果を確認するために有限要素法による固有値解析を行った。

【0016】

第１撓み板４１として、板厚が１ｍｍ、板幅が４０ｍｍの等方性材料であるＳＣＭ４３０１製のものを２枚、第２撓み板４２として、板厚が２．５ｍｍ、平均の板幅が４３．２５ｍｍの異方性材料であるＣＦＲＰ製のものを１枚用意し、軸方向両側に位置する撓み板を第１撓み板４１として、重ね枚数を３枚としたものを用意した（発明品１）。この場合、板厚方向における撓み変形の可撓性に影響を与える曲げ剛性（Ｅ×Ｉ＋Ｅ′×Ｉ′）の値は、第１撓み板４１の曲げ弾性係数Ｅ＝２０．５８×１０^１０［Ｐａ］、第２撓み板４２の曲げ弾性係数Ｅ′＝４．５５×１０^１０［Ｐａ］として、Ｅ×Ｉ＋Ｅ′×Ｉ′＝２０．５８×１０^１０×２×（４０×１０^−３）×（１×１０^−３）^３／１２＋４．５５×１０^１０×１×（４３．２５×１０^−３）×（２．５×１０^−３）^３／１２＝３．９３４［Ｎｍ^２］である。そして、有限要素法による固有値解析したところ、共振周波数が１５１０Ｈｚ（図３（ａ）参照）と、３０３４Ｈｚ（図３（ｂ）参照）とであったが、回避すべき、小歯車Ｓｇと大歯車Ｂｇとが噛合うときに発生する噛合い周波数（２０５０〜２６５０Ｈｚ）の範囲外となり、共振に伴って振動や騒音が増大することはないことが確認された。

【0017】

ここで、比較実験として、撓み板として、板厚１ｍｍの機械構造用合金鋼のＳＣＭ４３０１製の平板を３枚重ねしたもの（従来品１）と、板厚２．５ｍｍのＣＦＲＰ製の平板を２枚重ねしたもの（従来品２）とを用意し、有限要素法による固有値解析した。これによれば、従来品１では、共振周波数が２０５４Ｈｚであり、回避すべき噛合い周波数（２０５０〜２６５０Ｈｚ）の範囲内となっていた。また、従来品２では、共振周波数が２５０２Ｈｚであり、噛合い周波数（２０５０〜２６５０Ｈｚ）の範囲内となっていた。

【0018】

ところで、上記第１実施形態では、等方性材料である機械構造用合金鋼（ＳＣＭ４３０１）製の第１撓み板４１と、異方性材料である繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の第２撓み板４２とが交互に順次重ね合わさるように組み込まれており、第１及び第２の両撓み板４１，４２同士は撓み変形を繰り返しながら、互いに接触しトルク伝達を行う。ここで、第１及び第２の両撓み板４１，４２同士間での任意の接触面に作用する面圧をＰとすれば、第１撓み板４１の板厚方向の縦弾性係数はＥｏ＝２０．５８×１０^１０［Ｐａ］であり、板厚をｔ＝１［ｍｍ］とすれば、板厚方向の面圧Ｐによる縮み変位量（Δｔ）は、Δｔ＝Ｐ×ｔ／Ｅｏにより算出される。

【0019】

また、第２撓み板４２の板厚方向の縦弾性係数はＥ′ｏ＝０．７０５６×１０^１０［Ｐａ］であり、板厚をｔ′＝２．５［ｍｍ］とすれば、板厚方向の面圧Ｐによる縮み変位量（Δｔ′）は、Δｔ′＝Ｐ×ｔ′／Ｅ′ｏにより算出される。従って、第２撓み板４２の縮み変位量（Δｔ′）は、第１撓み板４１の縮み変位量（Δｔ）の７２．９倍となる。このため、第２撓み板４２は、第１撓み板４１の変形をなぞるように変形して相互に密着した状態で接触仕合い、両撓み板４１，４２同士の擦過作用による摩擦減衰の効果が大きい。その結果、撓み軸継手ＦＣの振動が抑制低減化され、それに伴い撓み軸継手ＦＣの低騒音化につながる。

【0020】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記のものに限定されるものではない。上記第１実施形態では、軸方向両側の位置する撓み板が第１撓み板４１となるように、重ね枚数を３枚としたものを例に説明したが、これに限定されるものではない。第２実施形態では、図４に示すように、軸方向両側に位置する撓み板を第２撓み板４２とし、重ね枚数を３枚としたものから撓み板４０ａ，４０ｂを構成している。この場合、第１撓み板４１として、板幅ｂが４０ｍｍの等方性材料であるＳＣＭ４３０１製のものを１枚、第２撓み板４２として、平均の板幅ｂ′＝４３．２５ｍｍの異方性材料であるＣＦＲＰ製のものを２枚とし、また、上記第１実施形態の値と合致させるべく、それらの板厚ｔ，ｔ′を適宜変更している（発明品２）。即ち、板厚方向における撓み変形の可撓性に影響を与える曲げ剛性（Ｅ×Ｉ＋Ｅ′×Ｉ′）の値を、上記第１実施形態と同等の値（３．９３４［Ｎｍ^２］）にしている。これにより、回避すべき歯車の噛合い周波数の範囲外となるので、共振現象に伴う振動や騒音が誘起増大化することはない。

【0021】

また、上記第１及び第２の各実施形態では、撓み板４ａ，４ｂ，４０ａ，４０ｂを３枚重ねしたものを例に説明したが、重ね枚数を３枚以上の５枚や７枚などの奇数枚として構成することができる。これによれば、第１撓み板４１と第２撓み板４２との接触面の数を２面から４面、６面と２面ずつ増加する。このため、上述したように、第１撓み板４１と第２撓み板４２同士の擦過作用による摩擦減衰の効果を比例的に増大され、撓み軸継手ＦＣの振動の抑制化とそれに伴う騒音の低減化の効能を一層向上させた撓み軸継手ＦＣを提供できる。

【0022】

図５は、発明品１，発明品２と従来品との夫々の撓み軸継手ＦＣを、台上試験装置を用いて定置試験を行い、計測された騒音レベルのオーバーオール値を示したグラフである。図５中、−△−線が発明品１、−□−線が発明品２、−◆−線が従来品である。これによれば、発明品１、発明品２はいずれも回避すべき歯車の噛合い周波数（２０５０〜２６５０Ｈｚ）の範囲内において、共振周波数の回避により共振現象に伴う騒音が誘起増大化されておらず、しかも、第１撓み板４１と第２撓み板４２同士の擦過作用による摩擦減衰の効能により、ほぼ全ての噛合い周波数の範囲内で低騒音化されていることが判る。

【符号の説明】

【0023】

ＲＣ…平行カルダン駆動方式の鉄道車両、ＦＣ…撓み軸継手、ＧＭ…歯車装置、ＤＭ…主電動機、Ｓｇ…小歯車、Ｂｇ…小歯車、Ｓｇ１…回転軸（小歯車軸）、Ｄｍ１…出力軸、１…第１の固定継手、２…第２の固定継手、３…中間継手、４ａ，４ｂ，４０ａ，４０ｂ…撓み板、４１…第１撓み板、４２…第２撓み板。

【要約】

【課題】平行カルダン駆動方式の鉄道車両にて台車に固定の主電動機と歯車装置との間に介在される撓み軸継手を、小歯車と大歯車とが噛合うときに発生する噛合い周波数によって誘発される、撓み軸継手の振動と騒音とを効果的に低減することができるように構成する。
【解決手段】撓み軸継手ＦＣは、主電動機ＤＭの出力軸Ｄｍ１に固定の第１の固定継手１と、歯車装置ＧＭの小歯車軸Ｓｇ１に固定の第２の固定継手２と、第１及び第２の両固定継手間に設けられる中間継手３とを備える。第１及び第２の両固定継手と中間継手とが、板状の撓み板４ａ，４ｂを軸方向に複数枚重ねたものを介して連結され、上記撓み板が機械構造用合金鋼製の第１撓み板と、繊維強化プラスチック製の第２撓み板とを含み、第１撓み板と第２撓み板とが交互に重ねられる。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】