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KR20190032288A - 철도차량용 기어형 유연축 커플링 및 그를 구비한 철도차량용 대차 - Google Patents

철도차량용 기어형 유연축 커플링 및 그를 구비한 철도차량용 대차 Download PDF

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KR20190032288A
KR20190032288A KR1020187036504A KR20187036504A KR20190032288A KR 20190032288 A KR20190032288 A KR 20190032288A KR 1020187036504 A KR1020187036504 A KR 1020187036504A KR 20187036504 A KR20187036504 A KR 20187036504A KR 20190032288 A KR20190032288 A KR 20190032288A
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South Korea
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center
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length
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요시 사토
타케히로 니시무라
스스무 히라타
Original Assignee
카와사키 주코교 카부시키 카이샤
가부시키가이샤 큐슈 하세크
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Publication date
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Abstract

기어형 유연축 커플링은 2개의 외측 기어와, 2개의 외측 기어 각각과 치합되는 2개의 내측 기어를 구비한다. 외측 기어의 치뿌리 크라우닝 반경이 외측 기어의 치끝 크라우닝 반경보다 작고, 외측 기어는 치 폭 방향 중앙 위치의 치 길이인 기준 치 길이가 치 폭 방향 단부 위치의 치 길이인 단부 치 길이보다 작게 되도록 형성된다. 단부 치 길이의 기준 치 길이에 대한 비율이 1.21 이상으로 설정 및/또는 치끝 크라우닝 반경에 대한 치끝 크라우닝 반겨의 비율(Rc/Rb)가 0.37 이상으로 설정된다.

Description

철도차량용 기어형 유연축 커플링 및 그를 구비한 철도차량용 대차
본 발명은 철도차량의 대차(台車)에 적용되는 기어형 유연축 커플링 및 기어형 유연축 커플링을 구비하는 철도차량용 대차에 관한 것이다.
철도차량용 대차에는, 동력원에서 발생된 토크를 바퀴축에 전달하는 동력 전달 장치가 탑재된다. 예를 들어, 특허문헌 1에 나타난 바와 같이, 동력 전달 장치는 기어형 유연축 커플링을 구비한 것이 있다. 기어형 유연축 커플링은 슬리브의 내치(內齒)와 허브의 외치(外齒)의 치합 부분의 경사 변위(슬리브의 축선에 대한 허브의 축선의 경사각의 변화)에 의해 원동축과 피동축 사이의 상대 변위를 허용하면서, 원동축에서 피동축으로 토크를 전달한다.
일본실용신안공개공보 실개소58-72526호
기어형 유연축 커플링을 이용한 평행 카르단(cardan)식 대차에서, 승객의 승하차 등에 의한 대차의 축 스프링의 휨에 따라 대차 프레임의 높이가 변화하기 때문에, 메인 전동기의 회전축과 기어 장치의 소기어축의 높이의 어긋남(상대 변위)이 생긴다. 이러한 차이는 기어형 유연축 커플링의 축 간의 경사 변위에 의해 흡수되는데, 그 경사 변위의 허용 각도(이하, 「허용 상대 변위량」이라고도 한다)는 6도 정도가 한계라고 되어 있다. 따라서, 승차감을 개선하기 위해 축 스프링의 상하 스프링 정수를 유연하게 하려고 하면, 축 스프링의 상하 굴절이 증가하고, 기어형 유연축 커플링의 허용 각도를 초과하는 문제가 있다.
또한, 조타 대차에서는 조타 시에 차축이 요잉(yawing) 방향으로 변위하기 때문에, 메인 전동기의 회전축과 기어 장치의 소기어 축에는 상대적인 변위가 발생한다. 따라서, 평행 카르단식의 조타 대차에서는, 축 스프링의 상하 굴절뿐 아니라 조타에 의한 상대 변위가 더해지기 때문에, 허용 상대 변위량을 크게 초과하게 된다. 이에 따라서, 평행 카르단식 구동 대차에서는 조타 기능을 부가하는 것이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 허용 상대 변위량이 큰 철도차량용 기어형 유연축 커플링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 기어형 유연축 커플링은, 2개의 외측 기어와, 상기 2개의 외측 기어 각각과 치합되는 2개의 내측 기어를 구비하고, 치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치끝은, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치끝 크라우닝(crowning) 반경의 원호를 이루고, 치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치뿌리는, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고, 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치뿌리 크라우닝 반경의 원호를 이루며, 상기 치뿌리 크라우닝 반경은 상기 치끝 크라우닝 반경보다 작고, 상기 외측 기어는 치 폭 방향중앙 위치의 치 길이인 기준 치 길이가 치 폭 방향 단부 위치의 치 길이인 단부 치 길이보다 작게 되도록 형성되고, 상기 단부 치 길이의 상기 기준 치 길이에 대한 비율이 1.21 이상으로 설정된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철도차량용 기어형 유연축 커플링은, 2개의 외측 기어와, 상기 2개의 외측 기어 각각과 치합되는 2개의 내측 기어를 구비하고, 치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치끝은, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치끝 크라우닝 반경의 원호를 이루고, 치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치뿌리는, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고, 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치뿌리 크라우닝 반경의 원호를 이루며, 상기 치뿌리 크라우닝 반경은 상기 치끝 크라우닝 반경보다 작고, 상기 외측 기어의 치 길이는 치 폭 방향 중앙에서 치 폭 방향 양단으로 향함에 따라 커지도록 형성되고, 상기 치끝 크라우닝 반경에 대한 상기 치뿌리 크라우닝 반경의 비율(Rc/Rb)이 0.37 이하로 설정된다. .
상기 구성에 따르면, 치 두께 방향에서 볼 때 외측 기어의 치끝을 원호 형상으로 형성함으로써, 외측 기어의 축선을 내측 기어의 축선에 대해 경사지도록 하는 것이 가능해진다. 기준 치 길이를 단부 치 길이보다 작게 되도록 형성함에 있어서, 단부 치 길이의 기준 치 길이에 대한 비율을 1.21 이상으로 설정 및/또는 치끝 크라우닝 반경에 대한 치뿌리 크라우닝 반경의 비율을 0.37 이하로 설정함으로써, 내측 기어의 축선에 대한 외측 기어의 축선의 경사도의 허용치(이하, 「허용 경사각」이라고 한다)를 6도를 초과하도록 설정하는 것이 가능해진다. 허용 경사각이 커짐으로써, 두 축 간에 허용되는 상대 변위량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 대차는 차체를 지지하는 대차 프레임과, 차축 및 해당 차축의 양단에 설치되는 차륜을 구비하는 바퀴축과, 상기 대차 프레임에 설치되어 그 출력축이 상기 차축과 평행하게 연장되는 메인 전동기와, 상기 차축에 회전을 전달하는 기어 장치와, 상기 메인 전동기와 상기 기어 장치 사이에 배치되는 상기 철도차량용 기어형 유연축 커플링을 구비한다.
본 발명에 따르면, 허용 상대 변위량이 큰 철도차량용 기어형 유연축 커플링을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 기어형 유연축 커플링이 적용된 철도차량용의 대차의 평면도이다.
도 2는 실시예에 따른 기어형 유연축 커플링의 축 방향 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 외측 기어 및 내측 기어의 반경 방향 단면도이다.
도 4는 외치의 반경 방향 직교 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 기어형 유연축 커플링이 원동축의 피동축에 대한 상대 변위를 허용하고 있는 상태를 도시한다. 도 5a는 기어형 유연축 커플링의 축 방향 단면도이고, 도 5b는 기어형 유연축 커플링의 부분 측면도이며, 도 5c는 외치의 내치에 대한 위치 및 자세를 나타낸 모식도이다.
도 6은 외치 및 내치의 반경 방향 직교 단면도이고, 치면(齒面) 크라우닝(crowning) 반경(Ra) 및 허용 경사각(δM)의 설명도이다.
도 7은 외측 기어의 사시도이다.
도 8은 외측 기어의 축 방향 단면도이고, 치끝 크라우닝 반경(Rb), 치뿌리 크라우닝 반경(Rc), 기준 치 길이(h0) 및 단부 치 길이(he)의 설명도이다.
도 9는 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)에 대한 치면 크라우닝 반경(Ra) 또는 허용 경사각(δM)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 허용 경사각(δM)에 대한 반경 비율(Rc/Rb)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11은 허용 경사각(δM)에 대한 치 길이 비율(he/h0)의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예에 대해 설명한다. 전체 도면을 통해 동일하거나 대응하는 요소에는 동일한 부호를 부여하고 중복되는 상세한 설명을 생략한다.
(대차)
도 1은 실시예에 따른 기어형 유연축 커플링(10)이 적용된 철도차량의 평행 카르단식 구동 대차(1)(이하, 「대차」라고 한다)의 평면도이다. 대차(1)는 도시되지 않은 차체를 아래에서 지지하는 대차 프레임(2)을 구비하고 있다. 예시된 대차(1)에서는 2개의 바퀴축(3)이 차량 길이 방향으로 이격되어 배치되고, 도시되지 않은 축상자 지지 장치를 통해 대차 프레임(2)에 탄성적으로 지지되어 있다. 각각의 바퀴축(3)은 차량 폭 방향으로 연장된 차축(4) 및 차축(4)의 양단에 설치된 한 쌍의 차륜(5)을 구비한다. 대차 프레임(2)(예를 들어, 그 크로스빔(橫梁)(2a))에는, 2개의 바퀴축(3)을 각각 회전 구동하는 2개의 메인 전동기(6)가 설치되어 있다. 각각의 메인 전동기(6)의 출력축(6a)은 차축(4)과 평행으로 향해 있고, 기어형 유연축 커플링(10)을 통해 기어 장치(7)의 입력축(7a)과 연결되어 있다. 기어 장치(7)는 평행축식 기어 쌍으로 구성되고, 입력축(7a)은 차축(4)과 평행하게 향해 있다. 기어형 유연축 커플링(10)은 메인 전동기(6)와 기어 장치(7) 사이에 배치된다. 기어 장치(7)는 회전을 차축(4)에 전달한다. 기어 장치(7)는 입력축(7a)에 고정된 소기어(7b) 및 소기어(7b)와 치합되는 차축(4)에 고정된 대기어(7c)를 구비한다. 메인 전동기(6)에서 발생된 토크는 기어형 유연축 커플링(10) 및 기어 장치(7)를 통해 대응하는 바퀴축(3)에 전달된다.
축상자 지지 장치는 대차(1)의 일차 서스펜션(suspension)으로서 기능한다. 메인 전동기(6)는 스프링 위의 대차 프레임(2)에 고정되고, 기어 장치(7)는 스프링 아래의 바퀴축(3)에 고정되어 있다. 축상자 지지 장치의 휘어짐에 대응하여, 출력축(6a)은 입력축(7a)에 대해 상대 변위될 수 있다. 기어형 유연축 커플링(10)은 그 상대 변위를 허용하면서 출력축(6a)에서 입력축(7a)으로 토크를 전달한다. 「상대 변위」에는 축 방향 변위, 평행 변위(반경 방향 변위), 각도 변위가 포함된다.
(기어형 유연축 커플링)
도 2는 기어형 유연축 커플링(10)을 도시하는 축 방향 단면도이다. 기어형 유연축 커플링(10)은 원동 허브(11), 피동 허브(21) 및 슬리브(30)를 구비한다. 원동축(91)(도 1의 예에서는 메인 전동기(6)의 출력축(6a))이 원동 허브(11)에 고정되는 한편, 피동축(92)(도 1의 예에서는 기어 장치(7)의 입력축(7a))이 피동 허브(21)에 고정된다.
원동 허브(11)는 원통형으로 형성된 원통부(12) 및 원통부(12)의 외주면에 설치된 외측 기어(13)를 포함한다. 외측 기어(13)는 원통부(12)로부터 반경 방향 외측으로 돌출된 돌출부(13a) 및 돌출부(13a)로부터 축 방향 외측으로 돌출되어 원통부(12)를 감싸는 링 형태로 형성된 근원(根元)부(13b), 근원부(13b)로부터 반경방향 외측으로 돌출된 복수의 외치(14)를 구비한다. 복수의 외치(14)는 근원부(13b)의 둘레 방향으로 등간격으로 배열된다. 원동 허브(11)와 마찬가지로 피동 허브(21)는 원통부(22) 및 외측 기어(23)를 포함하고, 외측 기어(13)와 마찬가지로 외측 기어(23)는 돌출부(23a), 근원부(23b) 및 복수의 외치(24)를 구비한다.
슬리브(30)는 원통형으로 형성되고, 축방향 양단에 개구를 가진다. 2 개의 내측 기어(31, 32)가 슬리브(30)의 내주면에 축 방향으로 이격되어 설치되어 있다. 내측 기어(31)는 슬리브(30)의 내주면으로부터 돌출되는 복수의 내치(33)를 구비한다. 복수의 내치(33)는 슬리브(30)의 둘레 방향으로 등간격으로 배열되어 있다. 내측 기어(31)와 마찬가지로 내측 기어(32)는 복수의 내치(34)를 구비한다. 외치(14)와 내치(33)의 수는 동일하고, 외치(24)와 내치(34)의 수는 동일하다.
원동 허브(11)는 슬리브(30)의 축 방향 일측에 수납되고, 외측 기어(13)는 내측 기어(31)에 치합되어 있다. 피동 허브(21)는 슬리브(30)의 축 방향 타측에 수납되고, 외측 기어(23)가 내측 기어(32)에 치합되어 있다. 이와 같이, 기어형 유연축 커플링(10)은 2개의 외측 기어(13, 23)와 2개의 외측 기어(13, 23) 각각과 치합되는 2개의 내측 기어(31, 32)를 구비한다.
조립성을 고려하여, 슬리브(30)는 축 방향 일측의 반 부분을 구성하는 제1 분할체(30A) 및 축 방향 타측의 반 부분을 구성하는 제2 분할체(30B)를 구비한다. 슬리브(30)는 축방향으로 맞닿은 2개의 분할체(30A, 30B)를 복수의 리머 볼트(reamer bolt)(39)로 연결하는 것에 의해 구성된다. 제1 분할체(30A)는 내측 기어(31)를 구비하고, 원통 허브(11)를 수납한다. 제2 분할체(30B)는 내측 기어(32)를 구비하고, 피동 허브(21)를 수납한다.
원통부(12)는 그 중심부에 축방향 외측 단부면으로 개방되어 축 방향으로 연장되는 축 삽입공(12a)을 구비한다. 원동축(91)의 선단이 축 삽입공(12a)에 삽입된다. 원통축(91)은 그 선단을 축 삽입공(12a)에 삽입한 상태에서, 나사, 스플라인 및/또는 키와 같은 체결 수단을 이용하여 원통 허브(11)(및 그의 외측 기어(13))에 결합되어 있다. 원통부(12)와 동일하게, 원통부(22)도 축 삽입공(22a)을 구비하고, 원동축(91)과 동일하게, 피동축(92)도 축 삽입공(22a)에 삽입되어 피동 허브(21)(및 그의 외측 기어(23))에 결합되어 있다.
원동축(91)이 회전하면, 원동 허브(11)가 원동축(91)과 일체로 회전한다. 원동 허브(11)의 회전은 외측 기어(13)와 내측 기어(31)의 접촉 부위를 통해 슬리브(30)에 전달된다. 슬리브(30)의 회전은 내측 기어(32)와 외측 기어(23)의 접촉 부위를 통해 피동 허브(21)에 전달되고, 그로 인하여 피동축(92)이 피동 허브(21)와 일체로 회전한다.
도 3은 외측 기어(13) 및 내측 기어(31)의 반경 방향 단면도이다. 외치(14)와 내치(33) 모두 치 두께 방향 중심선(C)에 대해서, 선 대칭의 단면 형상을 가지고 있다. 외측 기어(13) 및 내측 기어(31)의 기준 단면 치형은 외치(14) 및 내치(33)의 잇수(이하, 「실제잇수(N0)」라고 한다)보다 많은 잇수(이하, 「치형잇수(N)」라고 한다)의 인벌류트(involute) 치형을 채용한다. 치형잇수(N)는 실제잇수(N0)의 인벌류트 형상의 제조시에 요구되는 공차를 초과하는 형상을 얻기 위해서 실제잇수(N0)에 대해서 충분히 큰 값으로 설정되어 있다. 예를 들어, 치형잇수(N)는 실제잇수(N0)보다 25% 이상 큰 값으로 설정된다. 치형잇수(N)는 무한대로 설정되어도 좋다. 그 경우, 기준 단면 치형은 등변 사다리꼴이 된다. 여기서, 상세한 도시를 생략하였지만, 외측 기어(23)의 외치(24) 및 내측 기어(32)의 내치(34)의 기준 단면 치형도 상기와 마찬가지로 형성되어 있다.
도 4는 외측 기어(13)(특히, 그 중 하나의 외치(14))의 반경 방향의 직교 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 외치(14)는 2 개의 치면(14a)을 가진다. 본 실시예에에서는, 2 개의 치면(14a) 모두에 원호 형상의 팽창부(이른바 「치면 크라우닝」)가 가해져 있어, 어느 쪽 치면(14a)이라도 반경 방향 직교 단면에서 보았을 때 원호를 이루고 있다. 이하에서, 그 원호의 반경을 「치면 크라우닝 반경(Ra)」이라고 한다. 원호의 중심은 외치(14)의 반경 반향 직교 단면에서 보았을 때 치 폭 방향 중심선 상에 위치한다. 양면에 치면 크라우닝을 가함으로써, 외치(14)의 치 두께는 치 폭 방향 중앙 위치에서 최대가 되고, 치 폭 방향 단부 위치에서 최소가 된다. 반경 방향 직교 단면에서 보았을 때, 각각의 치면(14a)은 치 폭 방향 중심선을 기준으로 하여 선 대칭을 이루고, 2 개의 치면(14a)은 치 두께 방향 중심선을 기준으로 하여 선 대칭을 이룬다.
또한, 외측 기어(13)의 치끝의 직경은 내측 기어(31)의 치뿌리의 직경과 대략 동일하게(약간 작게) 설정되어 있다. 이에 따라서, 원동 허브(11)의 슬리브(30)에 대한 중심 이탈이 발생하지 않고, 진동 및 그에 따른 소음을 저감할 수 있다.
도 5a ~ 도 5c는 기어형 유연축 커플링(10)이 원동축(91)의 피동축(92)에 대한 상대 변위를 허용하는 상태를 도시한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 원동축(91)의 피동축(92)에 대한 상대 변위는 원동 허브(11) 및/또는 피동 허브(21)가 슬리브(30)에 대해 경사지는 것에 의해 허용된다. 경사의 정도는 슬리브(30)의 중심선에 대한 원동 허브(11) 또는 피동 허브(21)의 중심선에 대한 경사각(δ)으로 표시된다.
도 5b와 도 5c에서는 원동 허브(11)의 슬리브(30)에 대한 경사를 도시하고 있다. 도 5b 및 5c에 도시된 바와 같이, 원동 허브(11)가 슬리브(30)에 대하여 경사진 상태에서는, 180도 떨어진 두 위치(도시한 예에서는 θ = 90°, 270°의 두 위치)에서 외치(14)가 내치(33)와 접촉하고, 그에 따라 허브-슬리브 사이의 동력 전달이 가능하도록 되어 있다. 접촉 상태에서 외치(14)와 내치(33)에서는 외치(14)의 치 폭 방향이 내치(33)의 치 폭 방향에 대해 경사각(δ)만큼 경사진다. 이에 따라서, 내치(33)는 외치(14)의 치면 중 치 폭 방향에서 중앙과 단부의 중간 부위와 접촉한다.
경사각(δ)이 클수록 축 사이의 상대 변위량이 크다. 반대로 말하면, 기어형 유연축 커플링(10)에서 허용되는 상대 변위량을 크게 하려면, 경사각(δ)의 허용치(이하, 「허용 경사각(δM)」(도 6 참조))를 크게 할 것이 요구된다.
도 6은 외측 기어(13)의 외치(14) 및 내측 기어(31)의 내치(33)의 반경 방향의 직교 단면도이다. 본 도면에서는, 원동 허브(11)가 슬리브(30)에 대해 허용 경사각(δM)만큼 경사져 있다. 이하에서, 이러한 경우에 외치(14)의 치면(14a) 중 내치(33)와 접촉하고 있는 부위를 「한계 접촉 부위(PM)」라고 한다. 한계 접촉 부위(PM)가 치 폭 단부에 설정되는 일은 현실적으로 없고, 그보다 조금 치 폭 방향 중앙 쪽(예를 들어, 1mm 정도)의 위치에 설정된다.
치면(14a)의 원호의 중심과 한계 접촉 부위(PM)를 통과하는 직선과, 치면(14a)의 원호의 중심을 통과하는 외치(14)의 치 두께 방향으로 연장되는 직선이 이루는 각도가 허용 경사각(δM)이다. 원동 허브(11)가 슬리브(30)에 대해 허용 경사각(δM)을 초과하여 경사지면, 내치(33)와 접촉 가능한 외치(14)가 없게 되어, 동력 전달 불능이 된다. 치면(14a)의 원호의 중심으로부터 한계 접촉 부위(PM)까지의 거리는 치면 크라우닝 반경(Ra)이다. 반경 방향 직교 단면에서, 치 두께 방향은 치 폭 방향과 직교한다.
이상에서, 치면 크라우닝 반경(Ra), 치 폭 방향 중앙에서 한계 접촉 부위(PM)까지의 거리(BM) 및 허용 경사각(δM)은 다음 식: Ra = BM/sinδM을 만족한다. 허용 경사각(δM)을 크게 하기 위해서는 치면 크라우닝 반경(Ra)을 축소 및/또는 거리(BM)를 증가시킬 필요가 있다. 거리(BM)를 증가시키는 것은 외치(14)의 치 폭의 증가를 필요로 하지만, 기어 유연축 커플링(10)이 적용되는 대차(1)의 설계 제약으로 치 폭의 증가에는 한계가 있다. 본 실시예에서는 대차(1)에의 적용을 고려하여, 치 폭은 24 mm 이하로 억제하고 있다.
도 7은 외측 기어(13)의 사시도이다. 여기에서, 「치 폭(B)」은 외치(14)의 치 폭 방향 일단에서 치 폭 방향 타단까지의 치 폭 방향 거리이다. 외치(14)의 잇줄은 일예로 직선치이고, 치 폭 방향은 축 방향과 일치한다. 「치 길이(hi)」는 치 폭 방향의 임의 위치에서 치 두께 방향 중심선(C) 상의 치끝(14b)에서 치뿌리(14c)까지의 거리이다.
치 두께 방향에서 볼 때, 외치(14)의 치끝(14b)과 치뿌리(14c) 모두 치 폭 방향 중앙에서 축 중심까지의 거리가 최대가 되고, 치 폭 방향 앙단에서 축 중심으로부터의 거리가 최소가 되도록, 원호를 이루고 있다. 이하에서는, 치끝(14b)이 이루는 원호의 반경을 「치끝 크라우닝 반경(Rb)」으로 하고, 치뿌리(14)가 이루는 원호의 반경을 「치뿌리 크라우닝 반경(Rc)」으로 한다.
치 폭 방향에서 볼 때, 외치(14)의 치끝(14b)은 치 두께 방향 중앙에서 축 중심으로부터의 거리가 최대가 되고, 치 두께 방향 양단에서 축 중심으로부터의 거리가 최소가 되도록, 치끝 크라우닝 반경(Rb)의 원호를 이루고 있다. 즉, 외치(14)의 치끝(14b)은 구면을 형성한다.
치 두께 방향에서 볼 때, 치끝(14b)이 이루는 원호와 치뿌리(14c)가 이루는 원호 모두 치 폭 방향 중앙과 축 중심을 통과하는 치 폭 방향 중심선을 기준으로, 선 대칭으로 되어 있다. 이에 따라서, 치 폭 방향의 임의의 위치에서의 치 길이는 당해 임의 위치와 치 폭 방향 중심선(C)으로부터의 거리가 동일하게 되는 선 대칭 위치에서의 치 길이와 동일한 값이 된다. 이하에서, 치 폭 방향 중앙 위치에서의 치 길이를 「기준 치 길이(h0)」라고 하고, 치 폭 방향 단부 위치에서의 치 길이를 「단부 치 길이(he)」라고 한다.
도 8은 외측 기어(13)의 축 방향 단면도이다. 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)은 치끝 크라우닝 반경(Rb) 보다 작다. 여기서, 치끝(14b)의 원호와 치뿌리(14c)의 원호가 동심이 되더라도, 두 반경(Rb, Rc)의 치수 관계는 이와 같이 된다. 본 실시예에서는 치끝(14b)의 원호(구면)의 중심이 축 중심 상에 있다. 한편, 치뿌리(14c)의 원호의 중심은 치 두께 방향에서 볼 때 치 폭 방향 중심선 상에 있긴 하지만, 축 중심보다 외치(14)에 가까운 위치에 위치하고 있다.
치끝(14b)의 원호 및 치뿌리(14c)의 원호가 이와 같이 설정되어 있기 때문에, 치 길이(hi)는 치 폭 방향의 위치에 따라 변화한다. 기준 치 길이(h0)는 단부 치 길이(he)보다 작게 되도록 형성된다. 다시 말하면, 치 길이(hi)는 치 폭 방향 중앙 위치에서 최소가 되고, 치 폭 방향에서 치 폭 방향 중앙 위치로부터 멀어질수록 커지며, 치 폭 방향 단부 위치에서 최대가 된다. 기준 치 길이(h0)는 치 폭 방향의 위치에 따라 변화하는 치 길이(hi)의 최소값이고, 단부 치 길이(he)는 치 길이(hi)의 최대값이다.
도 9는 치면 크라우닝 반경(Ra)과 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 관계를 나타내는 그래프이다. 상술한 바와 같이, 치면 크라우닝 반경(Ra)은 허용 경사각(δM)의 정현(sinδM)과 반비례하기 때문에, 해당 그래프는 허용 경사각(δM)과 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 관계를 간접적으로 나타내고 있다. 이 관계성은 가공상의 제약에서 유래한다. 가공 공구를 외측 기어(13)의 밖에서 진입시켜 나감으로써, 치면(14a)에 치면 크라우닝이 부여된다. 치면 크라우닝 반경(Ra)을 작게(치면 크라우닝의 곡률을 크게) 하기 위해서는, 치 폭 방향 단부 위치에서보다 깊게 가공 공구를 진입시킬 필요가 있고, 치 폭 방향 단부 위치에서 치 길이(단부 치 길이(he))를 크게 확보하지 않으면, 공구가 치와 간섭한다. 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 소경화는, 상술한 바와 같이, 단부 치 길이(he)의 증가와 관련된다. 이상에 따르면, 가공 상의 제약으로, 치면 크라우닝 반경(Ra)의 소경화에는 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 소경화가 필요해진다. 또한, 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)을 소경화하고, 단부 치 길이(he)를 증대시키면, 단면 크라우닝 반경(Ra)을 소경화할 수 있고, 치 폭의 증대를 수반하지 않고도 허용 경사각(δM)을 증가시킬 수 있다.
도 10은 반경 비율(Rc/Rb)과 허용 경사각(δM)과의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 11은 치 길이 비율(he/h0)과의 관계를 나타내는 그래프이다. 반경 비율(Rc/Rb)은 치끝 크라우닝 반경(Rb)에 대한 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 비율이다. 치 길이 비율(he/h0)은 기준 치 길이(h0)에 대한 단부 치 길이(he)의 비율이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 반경 비율(Rc/Rb)이 작아지는 만큼, (치면 크라우닝 반경(Ra)의 소경화를 실현할 수 있어,) 허용 경사각(δM)이 증가한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 치 길이 비율(he/h0)이 커지는 만큼, (치뿌리 크라우닝 반경(Rc)의 소경화에 따른 치면 크라우닝 반경(Ra)의 소경화를 실현할 수 있어,) 허용 경사각(δM)이 증가한다.
종래의 철도차량용 기어형 유연축 커플링에서는 치 폭 24 mm 이하에서 허용 경사각(δM)은 대체로 6°가 한계이다.
본 실시예에 따른 기어형 유연축 커플링은 치 폭(B)을 24 mm 이하로 억제한 후, 반경 비율(Rc/Rb)가 0.37 이하로 설정된다. 이에 따르면, 허용 경사각(δM)이 6°를 초과하는 기어형 유연축 커플링(10)을 제공할 수 있다. 반경 비율(Rc/Rb)은 바람직하게는 0.30 ~ 0.36으로 설정된다. 이에 따르면, 허용 경사각(δM)이 7°에서 12°인 기어형 유연축 커플링(10)을 제공할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 기어형 유연축 커플링(10)은 치 폭(B)을 24 mm 이하로 억제한 후, 치 길이 비율(he/h0)이 1.21 이상으로 설정된다. 이에 따르면, 허용 경사각(δM)이 6°를 초과하는 기어형 유연축 커플링(10)을 제공할 수 있다. 치 길이 비율(he/h0)은 바람직하게는 1.22 ~ 1.29로 설정된다. 이에 따르면, 허용 경사각(δM)이 7°에서 12°인 기어형 유연축 커플링(10)을 제공할 수 있다. 이와 같이 허용 경사각(δM)이 6°를 초과하는 기어형 유연축 커플링(10)을 철도차량용 대차에 적용함으로써, 종래에 실현할 수 없던 평행 카르단식 구동 대차에 조타 기능을 부가시킬 수 있다.
또한, 치 폭(B)을 24 mm, 치 폭 방향 중심에서 한계 접촉 부위까지의 치 폭 방향 거리(BM)를 11 mm, 치면 크라우닝 반경(Ra)을 90 mm로 설정하는 조건하에서, 허용 경사각(δM)을 7°로 설정할 수 있다. 이때, 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)은 29 mm로 설정하여, 반경 비율(Rc/Rb) 및 치 길이 비율(he/h0)이 상기 수치 범위를 충족시킬 수 있다. 또한, 성형 가공법에 의한 치면 크라우닝의 부여를 실현할 수 있다.
여기서, 치 폭(B)을 24 mm로 설정하는 조건하에서, 치뿌리 크라우닝 반경(Rc)이 29 mm의 작은 값으로 설정되지만, 성형 가공법을 이용하여 외치(14)가 형성된다. 성형 가공법을 채용함으로써, 호빙 머신을 이용한 창성 가공법과 달리, 치뿌리에 언더컷(undercut)(도려내짐)을 발생시키지 않고, 작은 반경의 크라우닝을 치면(14a)에 부여할 수 있다. 따라서, 치뿌리의 굽힘 강도의 저하를 방지하고(나아가서 전달 동력의 증가), 허용 경사각(δM)을 증대시키는 것을 양립시킬 수 있다. 또한, 성형 가공법의 채용에 따라, 기어 재료에 대한 공구의 절입이 치 폭 중앙에 대해서 대칭이 되므로, 창성 가공법에 비해, 치면(14a)을 치 폭 중앙에 대해 선 대칭으로 형성하기 쉽게 되어 있다. 따라서, 외측 기어가 내측 기어에 대해 경사져 있을 때에, 180도 떨어진 두 위치 사이에서 외치와 내치의 균등한 접촉을 실현할 수 있어, 진동 소음을 줄일 수 있다.
또한, 외측 기어(13)의 치끝의 직경은 내측 기어(31)의 치뿌리의 직경과 대략 동일하게 설정되어 있다. 따라서, 허브(11, 21)가 슬리브(30)에 대한 중심 이탈이 발새하기 어렵고, 이 점에서도 진동 소음을 줄일 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 기준 단면 치형이 외측 기어 및 내측 기어보다 많은 잇수의 인벌류트 기어의 치형으로 되어 있다. 따라서, 기준 단면 치형이 통상의 인버류트 치형인 경우와 비교해서, 치 폭 단부 단면에서 치형 압력각의 변화가 작다. 따라서, 이상 마모나 눌러 붙음이 생기기 어렵고, 전달 동력이 증가한다.
지금까지 실시예에 대해 설명하였지만, 상기 구성은 본 발명의 취지의 범위 내에서 적절하게 변경, 삭제 및/또는 추가 가능하다.
1: 철도차량용 대차 2: 대차 프레임
3: 바퀴축 4: 차축
5: 차륜 6: 메인 전동기
6a: 출력축 7: 기어 장치
10: 기어형 유연축 커플링 13, 23: 외측 기어
31, 32: 내측 기어 Rb: 치끝 크라우닝 반경
Rc: 치뿌리 크라우닝 반경 Rc/Rb: 반경 비율
h0: 기준 치 길이 he: 단부 치 길이
he/h0 치 길이 비율

Claims (6)

  1. 2개의 외측 기어와,
    상기 2개의 외측 기어 각각과 치합되는 2개의 내측 기어를 구비하고,
    치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치끝은, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치끝 크라우닝(crowning) 반경의 원호를 이루고,
    치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치뿌리는, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고, 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치뿌리 크라우닝 반경의 원호를 이루며,
    상기 치뿌리 크라우닝 반경은 상기 치끝 크라우닝 반경보다 작고, 상기 외측 기어는 치 폭 방향 중앙 위치의 치 길이인 기준 치 길이가 치 폭 방향 단부 위치의 치 길이인 단부 치 길이보다 작게 되도록 형성되고,
    상기 단부 치 길이의 상기 기준 치 길이에 대한 비율이 1.21 이상으로 설정된 것을 특징으로 하는 철도차량용 기어형 유연축 커플링.
  2. 2개의 외측 기어와,
    상기 2개의 외측 기어 각각과 치합되는 2개의 내측 기어를 구비하고,
    치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치끝은, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치끝 크라우닝 반경의 원호를 이루고,
    치 두께 방향에서 볼 때, 상기 외측 기어의 치뿌리는, 치 폭 방향 중앙에서 축 중심으로의 거리가 최대가 되고, 치 폭 방향 양단에서 축 중심으로의 거리가 최소가 되도록, 치뿌리 크라우닝 반경의 원호를 이루며,
    상기 치뿌리 크라우닝 반경은 상기 치끝 크라우닝 반경보다 작고, 상기 외측 기어의 치 길이는 치 폭 방향 중앙에서 치 폭 방향 양단으로 향함에 따라 커지도록 형성되고,
    상기 치끝 크라우닝 반경에 대한 상기 치뿌리 크라우닝 반경의 비율(Rc/Rb)가 0.37 이하로 설정된 것을 특징으로 하는 철도차량용 기어형 유연축 커플링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외측 기어의 치 폭이 24 mm 이하인 것을 특징으로 하는 철도차량용 기어형 유연축 커플링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측 기어 및 상기 내측 기어의 기준 단면 치형이, 상기 외측 기어 및 상기 내측 기어의 모듈과 동일한 모듈에서 상기 외측 기어 및 상기 내측 기어의 잇수보다 많은 잇수의 인벌류트(involute) 기어의 치형인 것을 특징으로 하는 철도차량용 기어형 유연축 커플링.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측 기어의 치끝의 직경은, 상기 내측 기어의 치뿌리의 직경과 대략 동일한 것을 특징으로 하는 철도차량용 기어형 유연축 커플링.
  6. 차체를 지지하는 대차 프레임과,
    차축 및 상기 차축의 양단에 설치되는 차륜을 구비하는 바퀴축과,
    상기 대차 프레임에 설치되고, 그 출력축이 상기 차축과 평행하게 연장되는 메인 전동기와,
    상기 차축에 회전을 전달하는 기어 장치와,
    상기 메인 전동기와 상기 기어 장치 사이에 배치되는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 철도차량용 기어형 유연축 커플링을 구비하는 것을 특징으로 하는 철도차량용 대차.
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