WO2023170947A1 - たわみ軸継手 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
- F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
- F16D3/16—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts
- F16D3/18—Universal joints in which flexibility is produced by means of pivots or sliding or rolling connecting parts the coupling parts (1) having slidably-interengaging teeth
Definitions
- the present disclosure relates to a flexible shaft joint.
- Patent Document 1 discloses a gear-shaped flexible joint that allows relative displacement due to steering in a parallel cardan type steering bogie.
- the gear-shaped flexible joint of Patent Document 1 employs a gear with an involute tooth profile.
- the present disclosure has been made in view of the above problems, and aims to suppress contact stress of a flexible shaft joint.
- the flexible shaft joint of the present disclosure includes a first gear and a second gear that meshes with the first gear. At least one of the first tooth surface of the first gear and the second tooth surface of the second gear has a convex shape when viewed in the tooth trace direction.
- the present disclosure since at least one of the first tooth surface of the first gear and the second tooth surface of the second gear has a convex shape when viewed in the tooth trace direction, contact stress of the flexible shaft joint is suppressed. be able to.
- a perspective view of a flexible shaft joint according to Embodiment 1 A diagram schematically showing the internal configuration of a flexible shaft joint according to Embodiment 1.
- a perspective view showing a part of an external gear according to Embodiment 1 A schematic diagram showing the positional relationship between the external teeth of the external gear and the internal teeth of the internal gear according to Embodiment 1.
- Schematic cross-sectional view showing internal teeth of an internal gear according to Embodiment 2 An enlarged view showing the vicinity of the internal tooth pitch point of the internal teeth shown in FIG.
- a railroad vehicle includes a bogie 1 having a bogie frame 11 that supports the body of the railroad vehicle, a wheel section 2 for running the railroad vehicle, and an electric motor that generates power for rotating the wheel section 2. 3, a flexible shaft joint 4 to which the power of the electric motor 3 is transmitted, a gear device 5 to which power is transmitted from the flexible shaft joint 4 and transmits the power to the wheel portion 2, and a gear device 5 that suppresses rocking motion of the gear device 5.
- a hanging device 6 is provided.
- the wheel portion 2 , the electric motor 3 , the flexible shaft coupling 4 , the gear device 5 , and the suspension device 6 are provided on the truck 1 .
- the wheel portion 2 has a wheel 21 that contacts the running surface and an axle 22 that supports the wheel 21.
- the axle 22 is supported by the bogie frame 11 via an axle spring.
- the electric motor 3 is fixed to the bogie frame 11.
- the electric motor 3 is supplied with alternating current power whose current value, frequency, etc. are adjusted.
- the electric motor 3 rotates when AC power is supplied to generate power.
- the electric motor 3 has a drive shaft 31 that outputs generated power to the outside.
- the drive shaft 31 is connected to the flexible joint 4 and transmits the power generated by the electric motor 3 to the flexible joint 4.
- the vertical direction is referred to as the Z-axis direction
- the direction parallel to the central axis AX of the drive shaft 31 of the electric motor 3 that extends horizontally when the railway vehicle is stopped in a horizontal position is referred to as the X-axis direction
- the Z-axis is referred to as the Z-axis direction.
- the direction perpendicular to this direction and the X-axis direction is the Y-axis direction.
- the flexible shaft coupling 4 is arranged between the electric motor 3 and the gear device 5. Flexible joint 4 transmits power from electric motor 3 to gearing 5 .
- the gear device 5 is supported by the bogie frame 11 via the suspension device 6.
- the gear device 5 has a driven shaft 51 that is connected to the flexible joint 4 and receives power from the flexible joint 4 .
- the gear device 5 includes, for example, a speed reducer having a plurality of gears having different numbers of teeth.
- the gear device 5 transmits the power transmitted to the driven shaft 51 to the axle 22, and rotates the axle 22 and the wheels 21. As a result, the railway vehicle runs.
- the flexible shaft joint 4 transmits the power of the electric motor 3 to the gear device 5 while allowing misalignment between the driven shaft 51 and the drive shaft 31.
- FIG. 2 is a perspective view of the flexible joint 4.
- FIG. 2 a part of the flexible joint 4 is shown cut away.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross section of the flexible shaft joint 4 taken along the central axis AX of the drive shaft 31.
- the flexible shaft joint 4 has a cylindrical outer cylinder part 41 and an inner cylinder part 42 provided inside the outer cylinder part 41.
- the outer cylinder part 41 has a first outer cylinder 411 arranged on the drive shaft 31 side and a second outer cylinder 412 arranged on the driven shaft 51 side.
- the first outer cylinder 411 and the second outer cylinder 412 are fastened to each other using a fastener such as a bolt, for example.
- the first outer cylinder 411 and the second outer cylinder 412 have an annular internal gear 43 along their inner peripheral surfaces.
- the internal gear 43 is an example of a "second gear.”
- the internal gear 43 has internal teeth 44 that protrude inward from the outer cylinder portion 41 .
- the inner cylinder portion 42 has a first inner cylinder 421 into which the drive shaft 31 fits, and a second inner cylinder 422 into which the driven shaft 51 fits. Both ends of each of the first inner cylinder 421 and the second inner cylinder 422 are open.
- the first inner cylinder 421 and the second inner cylinder 422 have an external gear 45 provided annularly along the outer peripheral surface.
- the external gear 45 is an example of a "first gear.”
- the external gear 45 has external teeth 46 that protrude to the outside of the inner cylinder portion 42 .
- the external gear 45 of the first inner cylinder 421 meshes with the internal gear 43 of the first outer cylinder 411, and the external gear 45 of the second inner cylinder 422 meshes with the internal gear 43 of the second outer cylinder 412.
- the first outer cylinder 411 is fastened to the second outer cylinder 412 with a fastener. Therefore, the second outer cylinder 412 rotates together with the first outer cylinder 411.
- the internal gear 43 of the second outer cylinder 412 meshes with the external gear 45 of the second inner cylinder 422. Therefore, the second inner cylinder 422 rotates in accordance with the rotation of the second outer cylinder 412.
- the inner cylinder part 42 is inclined with respect to the outer cylinder part 41 in order to allow misalignment that occurs during running of the railway vehicle.
- the central axis of 42 is inclined.
- the state in which the inner cylinder part 42 is inclined with respect to the outer cylinder part 41 will be referred to as a "displaced state”.
- the flexible shaft joint 4 allows an angle of inclination within a certain range.
- the state in which the flexible shaft joint 4 is tilted to the maximum allowable angle will be referred to as the "maximum displacement state.”
- the flexible shaft joint 4 has internal teeth 44 and external teeth 46 with mutually different tooth shapes in order to suppress a reduction in the contact area between the internal teeth 44 and external teeth 46 in the displaced state.
- FIG. 4 is a perspective view showing a part of the external gear 45 of the second inner cylinder 422 described with reference to FIG. 3.
- the external tooth 46 has an isosceles trapezoidal shape when viewed in the tooth trace direction.
- the tooth thickness of the tooth bottom 46b of the external tooth 46 is larger than the tooth thickness of the tooth tip 46t of the external tooth 46.
- the external tooth 46 has a crowning shape in which the center portion of the surface constituting the tooth tip 46t and the tooth surface 46s swells.
- FIG. 5 and 6 show the maximum angle at which the central axis of the inner cylinder part 42, specifically the central axis of the first inner cylinder 421, is inclined to the maximum angle allowed with respect to the central axis of the outer cylinder part 41.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing the positional relationship between the external teeth 46 of the external gear 45 of the first inner cylinder 421 and the internal teeth 44 of the internal gear 43 of the first outer cylinder 411 in a displaced state. At this time, the end of the first inner cylinder 421 on the negative side of the X-axis is displaced from the state shown in FIG.
- FIG. 5 is a diagram of the external teeth 46 and internal teeth 44 located at the top in the vertical direction, viewed in the negative Z-axis direction.
- FIG. 6 is a diagram of the external teeth 46 and the internal teeth 44 located at the ends on the Y-axis negative side as viewed in the Y-axis positive direction. In FIGS. 5 and 6, it is assumed that the external gear 45 rotates upward in the drawings.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section of the internal teeth 44 and external teeth 46 described with reference to FIG. 6. Specifically, FIG. 7 is a cross-sectional view of a cross section perpendicular to the tooth trace direction of the external tooth 46, including a central portion in the tooth trace direction of the external tooth 46 in a non-displaced state.
- FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross section of the internal teeth 44 and external teeth 46 described with reference to FIG.
- FIG. 8 is a cross-sectional view taken at a point near the end of the external tooth 46 in the tooth trace direction, including a contact point that contacts the internal tooth 44, and perpendicular to the tooth trace direction of the external tooth 46. In the following, hatching indicating the cross section will be omitted.
- the pitch circle of each gear is shown by a dashed-dotted line. In each drawing, the pitch circle is drawn as a straight line for ease of understanding.
- the pitch circle of the external gear 45 is referred to as an "external pitch circle Cp1," and the pitch circle of the internal gear 43 is referred to as an "internal pitch circle Cp2.”
- a point on the external tooth pitch circle Cp1 of the external tooth 46, that is, a pitch point of the external tooth 46, is referred to as an "external tooth pitch point 46c,” and a point on the internal tooth pitch circle Cp2 of the internal tooth 44, that is, the pitch point of the external tooth 46.
- the pitch point is called the "internal tooth pitch point 44c.”
- the flexible shaft joint 4 has a back gap between the internal teeth 44 of the internal gear 43 and the external teeth 46 of the external gear 45 in order to allow for misalignment, mechanical tolerance, etc.
- the external teeth 46 and the internal teeth 44 each have a non-involute tooth profile that is different from an involute tooth profile created by an involute function.
- the tooth surface 46s of the external tooth 46 has a linear shape when viewed in the direction of the tooth trace.
- the tooth surface 46s of the external tooth 46 has a linear shape in a cross section perpendicular to the tooth trace direction.
- the tooth surface 46s of the external tooth 46 will be referred to as the "external tooth surface 46s.”
- the external tooth surface 46s is an example of the first tooth surface of the first gear.
- the internal teeth 44 have a different tooth profile than the external teeth 46.
- the tooth surface 44s of the internal tooth 44 has a convex shape, specifically an arc shape, when viewed in the tooth trace direction.
- the tooth surface 44s of the internal tooth 44 has an arcuate shape that projects toward the external tooth 46 in a cross section perpendicular to the tooth trace direction.
- the tooth surface 44s of the internal tooth 44 will be referred to as "internal tooth surface 44s.”
- the internal tooth surface 44s is an example of the second tooth surface of the second gear.
- the shape of the internal tooth surface 44s viewed in the tooth trace direction is a part of the circumference of a circle whose tangent line T is the tangent passing through the internal tooth pitch point 44c.
- the tangent line T is indicated by a two-dot chain line.
- the tangent T is parallel to the adjacent external tooth surface 46s of the external tooth 46, that is, the external tooth surface 46s opposite to the internal tooth surface 44s with which the tangent T contacts.
- the shape of the internal tooth surface 44s when viewed in the tooth trace direction has the shape of an arc whose tangent is a line parallel to the external tooth surface 46s.
- the internal tooth pitch point 44c is closest to the external tooth surface 46s, and the external tooth surface 46s gradually increases from the internal tooth pitch point 44c to the tooth bottom 44b of the internal tooth 44 and the tooth tip 44t of the internal tooth 44. It has a shape that separates from.
- the internal tooth surface 44s of the internal tooth 44 has a convex shape in which the internal tooth pitch point 44c is closest to the opposing external tooth surface 46s in a cross section perpendicular to the tooth trace direction, and is parallel to the external tooth surface 46s of the external tooth 46. It has an arc shape with a tangent line T passing through the internal tooth pitch point 44c. In other words, the tangent T extends in parallel to a straight line corresponding to the external tooth surface 46s of the external tooth 46 through the internal tooth pitch point 44c in a cross section perpendicular to the tooth trace direction. Therefore, as shown in FIG. 8, even in the maximum displacement state, contact with the external tooth 46 at the edge portion 44e on the tooth tip 44t side can be avoided. Therefore, reduction in the contact area between the internal tooth surface 44s and the external tooth surface 46s can be suppressed, and contact stress between the internal tooth 44 and the external tooth 46 can be suppressed.
- the shape of the internal tooth surface 44s of the internal gear 43 when viewed in the tooth trace direction is a circular arc.
- the contact stress between the internal tooth 44 and the external tooth 46 becomes high, the internal tooth 44 is elastically deformed when the internal tooth surface 44s and the external tooth surface 46s come into contact, and the internal tooth surface 44s and the external tooth surface 46s
- the contact area with the material increases. Therefore, the contact stress between the internal teeth 44 and the external teeth 46 can be suppressed compared to a configuration in which the shape of the internal tooth surface 44s of the internal gear 43 when viewed in the tooth trace direction is not a circular arc.
- the contact stress at the contact area between the internal teeth 44 and external teeth 46 can be adjusted. Specifically, by setting the relative radius of curvature larger, the contact stress at the contact portion between the internal teeth 44 and the external teeth 46 can be reduced.
- the flexible shaft joint 4 can further increase the allowable displacement amount. Thereby, the degree of freedom in designing peripheral devices can be improved.
- the shapes of the internal tooth surface 44s and the external tooth surface 46s can be changed as appropriate depending on the inclination angle allowed by the flexible shaft joint 4.
- Both the internal tooth surface 44s of the internal tooth 44 and the external tooth surface 46s of the external tooth 46 are not concave in shape when viewed in the tooth trace direction, that is, are linear or convex, and At least one of the surface 44s and the external tooth surface 46s of the external tooth 46 has a convex shape when viewed in the tooth trace direction.
- at least one of the internal tooth surface 44s of the internal tooth 44 and the external tooth surface 46s of the external tooth 46 only needs to have a convex shape when viewed in the tooth trace direction, and does not have to be an arc shape.
- the internal tooth surface 44s is closest to the external tooth surface 46s at the internal tooth pitch point 44c, or the external tooth surface 46s is closest to the internal tooth surface 46s at the external tooth pitch point 46c. It is sufficient if it is closest to the surface 44s.
- the shape of the internal tooth surface 44s of the internal tooth 44 when viewed in the tooth trace direction is a linear shape
- the shape of the external tooth surface 46s of the external tooth 46 when viewed in the tooth trace direction is convex.
- the shape of the external tooth surface 46s of the external tooth 46 viewed in the tooth trace direction may be an arc that bulges toward the internal tooth surface 44s of the internal tooth 44.
- both the internal tooth surface 44s and the external tooth surface 46s may be mutually convex.
- the internal tooth surface 44s has an arc shape that swells toward the opposing external tooth surface 46s, and the external tooth surface 46s extends toward the opposing internal tooth surface 44s. It may have a bulging arc shape.
- the radius of curvature of the circular arc of the internal tooth surface 44s and the circular arc of the external tooth surface 46s may be the same. However, they may be different.
- the radius of curvature of the circular arc of the internal tooth surface 44s and the circular arc of the external tooth surface 46s in a cross section orthogonal to the tooth trace direction can be adjusted according to the allowable contact stress.
- the internal tooth pitch point 44c of the internal tooth surface 44s is closest to the external tooth surface 46s, but it is sufficient if the edge portion 44e of the internal tooth 44 can avoid contact with the external tooth 46.
- the vicinity of the internal tooth pitch point 44c of the internal tooth surfaces 44s may be closest to the external tooth surface 46s. That is, the tangent T may not be a tangent that passes through the internal tooth pitch point 44c of the internal tooth surface 44s, but may be a tangent that passes through a certain point near the internal tooth pitch point 44c.
- the tangent T may be parallel to the external tooth surface 46s that faces the internal tooth surface 44s with which the tangent T contacts in the displacement state inclined at an angle smaller than the maximum displacement state.
- the direction in which the inner cylinder portion 42 is displaced is not limited to the above example.
- the end of the first inner cylinder 421 on the negative side of the X-axis is displaced from the state in FIG. 3 in the negative direction of the Z-axis
- the end of the first inner cylinder 421 on the positive side of the X-axis is displaced from the state in FIG. It may also be displaced in the positive direction of the Z-axis.
- the shapes of the internal teeth 44 and external teeth 46 will be described with reference to FIGS. 4 to 8, taking the internal teeth 44 of the first outer cylinder 411 and the external teeth 46 of the first inner cylinder 421 as examples.
- the shapes of the internal teeth 44 and external teeth 46 described with reference to FIGS. 4 to 8 are also applicable to the internal teeth 44 of the second outer cylinder 412 and the external teeth 46 of the second inner cylinder 422. .
- FIGS. 11 to 14 A flexible shaft joint 4 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 14.
- the basic configuration and basic operation of the flexible shaft joint 4 according to the second embodiment are the same as those of the flexible shaft joint 4 according to the first embodiment.
- the pressure angle of the internal tooth 44 of the internal gear 43 and the pressure angle of the external tooth 46 of the external gear 45 are different. This is different from the first embodiment.
- differences from Embodiment 1 will be mainly explained. Below, a line perpendicular to the pitch circle on the pitch circle of each gear is indicated by a two-dot chain line.
- FIG. 11 is a view showing the internal teeth 44 of the internal gear 43
- FIG. 12 is an enlarged view showing the vicinity of the internal tooth pitch point 44c of the internal tooth 44 shown in FIG.
- the pressure angle ⁇ 1 of the internal tooth 44 is the angle formed by the tangent T on the internal tooth pitch point 44c, the internal tooth pitch circle Cp2, and the perpendicular P1.
- the pressure angle ⁇ 1 of the internal teeth 44 will be referred to as "internal tooth pressure angle ⁇ 1.”
- FIG. 13 and 14 are diagrams showing the external teeth 46 of the external gear 45.
- the pressure angle ⁇ 2 of the external tooth 46 is the angle between the perpendicular P2 of the external tooth pitch circle Cp1 and the external tooth surface 46s at the external tooth pitch point 46c on the external tooth pitch circle Cp1.
- the pressure angle ⁇ 2 of the external teeth 46 will be referred to as "external tooth pressure angle ⁇ 2.”
- the value of the external tooth pressure angle ⁇ 2 of the external teeth 46 is calculated based on the internal tooth pressure angle of the internal teeth 44.
- a value larger than ⁇ 1 is set in advance.
- the external tooth pressure angle ⁇ 2 is set by the designer, for example, to be the sum of the internal tooth pressure angle ⁇ 1 of the internal teeth 44 and the external tooth pressure angle ⁇ 2 that decreases as the external teeth 46 rotate. As a result, as shown in FIG.
- the external tooth surface at the edge portion 44e of the internal tooth 44 is Although the contact with the inner tooth surface 44s is suppressed, the radius of curvature of the arc of the internal tooth surface 44s may be set to an even smaller value. Thereby, it is possible to suppress contact between the edge portion 44e of the internal tooth 44 and the external tooth surface 46s.
- the flexible shaft joint 4 can also be applied to configurations that transmit power from the drive shaft of electric motors other than railway vehicles to the driven shaft.
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Abstract
たわみ軸継手は、第１歯車（４５）と、第１歯車（４５）と噛み合う第２歯車（４３）と、を備える。第１歯車（４５）の第１歯面（４６ｓ）と第２歯車（４３）の第２歯面（４４ｓ）との少なくとも一方の歯筋方向にみた形状は、凸状である。
Description
本開示は、たわみ軸継手に関する。
鉄道車両の電動機は、台車に取り付けられ、車輪の車軸に動力を伝達する。鉄道車両の走行中、外乱振動によって台車が揺動するため、電動機の駆動軸と車軸とがずれる場合がある。このような駆動軸と車軸との芯ずれを許容しつつ、電動機の動力を車軸に伝達するため、電動機の駆動軸と車軸との間には、たわみ軸継手が設けられる。例えば、特許文献１には、平行カルダン式の操舵台車における操舵による相対変位を許容する歯車形撓み継手が開示されている。特許文献１の歯車形撓み継手では、インボリュート歯形の歯車が採用されている。
インボリュート歯形の歯車では、相対変位の許容範囲を広くすると、外歯車と内歯車との接触面積が減少し、接触応力が増大するという課題がある。
本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、たわみ軸継手の接触応力を抑えることを目的とする。
上記目的を達成するため、本開示のたわみ軸継手は、第１歯車と、第１歯車と噛み合う第２歯車と、を備える。第１歯車の第１歯面と第２歯車の第２歯面との少なくとも一方の歯筋方向にみた形状は、凸状である。
本開示によれば、第１歯車の第１歯面と第２歯車の第２歯面との少なくとも一方の歯筋方向にみた形状が、凸状であるため、たわみ軸継手の接触応力を抑えることができる。
以下、本開示に係るたわみ軸継手の実施の形態について図面を参照して説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
（実施の形態１）
図１に示すように、鉄道車両は、鉄道車両の車体を支持する台車枠１１を有する台車１と、鉄道車両を走行させる車輪部２と、車輪部２を回転させるための動力を発生する電動機３と、電動機３の動力が伝達されるたわみ軸継手４と、たわみ軸継手４から動力が伝達され、その動力を車輪部２へ伝達する歯車装置５と、歯車装置５の揺動運動を抑制する吊り装置６と、を備える。車輪部２、電動機３、たわみ軸継手４、歯車装置５、及び吊り装置６は、台車１に設けられる。
図１に示すように、鉄道車両は、鉄道車両の車体を支持する台車枠１１を有する台車１と、鉄道車両を走行させる車輪部２と、車輪部２を回転させるための動力を発生する電動機３と、電動機３の動力が伝達されるたわみ軸継手４と、たわみ軸継手４から動力が伝達され、その動力を車輪部２へ伝達する歯車装置５と、歯車装置５の揺動運動を抑制する吊り装置６と、を備える。車輪部２、電動機３、たわみ軸継手４、歯車装置５、及び吊り装置６は、台車１に設けられる。
車輪部２は、走行面に接触する車輪２１と、車輪２１を支持する車軸２２と、を有する。車軸２２は、軸ばねを介して台車枠１１に支持される。
電動機３は、台車枠１１に固定される。電動機３には、電流値、周波数等が調節された交流電力が供給される。電動機３は、交流電力が供給されることにより回転し、動力を発生する。電動機３は、発生した動力を外部へ出力する駆動軸３１を有する。駆動軸３１は、たわみ軸継手４に接続され、電動機３が発生した動力をたわみ軸継手４へ伝達する。以下の説明では、鉛直方向をＺ軸方向、鉄道車両が水平な位置で停止している状態において水平に延びる電動機３の駆動軸３１の中心軸ＡＸと平行な方向をＸ軸方向とし、Ｚ軸方向及びＸ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。
たわみ軸継手４は、電動機３と歯車装置５との間に配置される。たわみ軸継手４は、電動機３からの動力を歯車装置５に伝達する。
歯車装置５は、吊り装置６を介して台車枠１１に支持される。歯車装置５は、たわみ軸継手４に接続され、たわみ軸継手４から動力が伝達される従動軸５１を有する。歯車装置５は、例えば、歯数が異なる複数の歯車を有する減速機を含む。歯車装置５は、従動軸５１に伝達された動力を車軸２２に伝達し、車軸２２及び車輪２１を回転させる。この結果、鉄道車両が走行する。
鉄道車両の走行中、例えば、走行面からの外乱振動によって、車輪部２、歯車装置５等が変位する。これにより、歯車装置５の従動軸５１と電動機３の駆動軸３１との間で芯ずれ、すなわち、ミスアライメントが生じる。
たわみ軸継手４は、たわみ性を有することにより、従動軸５１と駆動軸３１との間の芯ずれを許容しつつ、電動機３の動力を歯車装置５に伝達する。
続いて、図２及び図３を参照して、たわみ軸継手４の構成について説明する。図２は、たわみ軸継手４の斜視図である。図２では、たわみ軸継手４の一部を切り取って示している。図３は、たわみ軸継手４を駆動軸３１の中心軸ＡＸに沿って切断した断面を模式的に示す図である。
たわみ軸継手４は、筒状の外筒部４１と、外筒部４１の内側に設けられる内筒部４２と、を有する。
外筒部４１は、駆動軸３１の側に配置される第１外筒４１１と、従動軸５１の側に配置される第２外筒４１２と、を有する。第１外筒４１１と第２外筒４１２とは、例えば、ボルトといった締結具で互いに締結される。
図３に示すように、第１外筒４１１及び第２外筒４１２は、内周面に沿った環状の内歯車４３を有する。内歯車４３は、「第２歯車」の一例である。内歯車４３は、外筒部４１の内側へ突出する内歯４４を有する。
内筒部４２は、駆動軸３１が嵌合する第１内筒４２１と、従動軸５１が嵌合する第２内筒４２２と、を有する。第１内筒４２１及び第２内筒４２２の各々は、両端が開口している。
第１内筒４２１及び第２内筒４２２は、外周面に沿って環状に設けられる外歯車４５を有する。外歯車４５は、「第１歯車」の一例である。外歯車４５は、内筒部４２の外側へ突出する外歯４６を有する。
第１内筒４２１の外歯車４５は、第１外筒４１１の内歯車４３と噛み合い、第２内筒４２２の外歯車４５は、第２外筒４１２の内歯車４３と噛み合う。
上記の構成において、電動機３の駆動軸３１が回転すると、駆動軸３１に嵌合する第１内筒４２１の外歯車４５が駆動軸３１と一体に回転する。第１内筒４２１の外歯車４５は、第１外筒４１１の内歯車４３と噛み合っているため、第１内筒４２１の回転に応じて第１外筒４１１が回転する。
第１外筒４１１は、第２外筒４１２に締結具によって締結されている。このため、第２外筒４１２は、第１外筒４１１と一体となって回転する。第２外筒４１２の内歯車４３は、第２内筒４２２の外歯車４５と噛み合っている。したがって、第２内筒４２２は、第２外筒４１２の回転に応じて回転する。
第２内筒４２２が回転することにより、第２内筒４２２に嵌合する従動軸５１が第２内筒４２２と一体に回転する。以上の構成により、図１を参照して説明したように、電動機３からの動力がたわみ軸継手４を介して歯車装置５へ伝達される。
たわみ軸継手４は、鉄道車両の走行中に発生する芯ずれを許容するため、外筒部４１に対して内筒部４２が傾斜、すなわち、外筒部４１の中心軸に対して内筒部４２の中心軸が傾斜する。以下、内筒部４２が外筒部４１に対して傾斜した状態を「変位状態」という。たわみ軸継手４は、傾斜する角度を一定の範囲で許容する。以下、たわみ軸継手４が許容される角度の最大まで傾斜した状態を「最大変位状態」という。
たわみ軸継手４は、変位状態における内歯４４と外歯４６との接触面積の低減を抑制するため、互いに異なる歯形の内歯４４と外歯４６とを有する。
以下、図４から図７を参照して、内歯４４と外歯４６との構成について詳細に説明する。
図４は、図３を参照して説明した第２内筒４２２の外歯車４５の一部を示す斜視図である。図４に示すように、外歯４６は、歯筋方向にみた形状が等脚台形である。外歯４６の歯底４６ｂの歯厚は、外歯４６の歯先４６ｔの歯厚よりも大きい。外歯４６は、歯先４６ｔを構成する面及び歯面４６ｓの中央部分が膨らむクラウニング形状を有する。
図５及び図６は、内筒部４２の中心軸、具体的には、第１内筒４２１の中心軸が、外筒部４１の中心軸に対して許容される角度の最大まで傾斜した最大変位状態における第１内筒４２１の外歯車４５の外歯４６と第１外筒４１１の内歯車４３の内歯４４との位置関係を模式的に示す図である。このとき、第１内筒４２１のＸ軸負方向側の端部は図３の状態からＺ軸正方向に変位し、第１内筒４２１のＸ軸正方向側の端部は図３の状態からＺ軸負方向に変位する。図５は、鉛直方向上部に位置する外歯４６及び内歯４４をＺ軸負方向に見た図である。図６は、Ｙ軸負方向側の端部に位置する外歯４６及び内歯４４をＹ軸正方向に見た図である。図５及び図６では、図中の上側へ外歯車４５が回転するものとする。
図５において、外歯４６は、歯筋方向、すなわちＸ軸方向の中央部分が内歯４４に接近する。鉛直方向下部に位置する外歯４６と内歯４４との位置関係も同様である。内筒部４２の中心軸が外筒部４１の中心軸に対して傾斜していない非変位状態では、すべての外歯４６及びすべての内歯４４は、図５に示す位置関係と同じであって、各外歯４６は、歯筋方向の中央部分が内歯４４に接近する。
一方、図６に示すように、最大変位状態において、Ｙ軸負方向側の端部に位置する外歯４６は、歯筋方向の端部に近い点で内歯４４に接触する。
図７は、図６を参照して説明した内歯４４及び外歯４６の断面を模式的に示す図である。詳しくは、図７は、非変位状態における外歯４６の歯筋方向における中央部分を含み、外歯４６の歯筋方向に直交する断面での断面図である。図８は、図６を参照して説明した内歯４４及び外歯４６の断面を模式的に示す図である。図８は、外歯４６の歯筋方向における端部に近い点であって、内歯４４に接触する接触点を含み、外歯４６の歯筋方向に直交する断面での断面図である。以下では、断面を示すハッチングは省略する。
以下では、各歯車のピッチ円をそれぞれ一点鎖線で示す。各図面では理解を容易にするために、ピッチ円を直線状に引き延ばして描いている。外歯車４５のピッチ円を「外歯ピッチ円Ｃｐ１」といい、内歯車４３のピッチ円を「内歯ピッチ円Ｃｐ２」という。外歯４６の外歯ピッチ円Ｃｐ１上の点、すなわち、外歯４６のピッチ点を「外歯ピッチ点４６ｃ」といい、内歯４４の内歯ピッチ円Ｃｐ２上の点、すなわち、内歯４４のピッチ点を「内歯ピッチ点４４ｃ」という。たわみ軸継手４は、芯ずれ、機械公差等を許容するため、内歯車４３の内歯４４と外歯車４５の外歯４６との間に背隙を有する。外歯４６及び内歯４４はそれぞれ、インボリュート関数で作成されたインボリュート歯形とは異なる非インボリュート歯形を有する。
図７及び図８に示すように、外歯４６の歯面４６ｓを歯筋方向にみた形状は、直線形状である。換言すれば、外歯４６の歯面４６ｓは、歯筋方向に直交する断面において、直線形状を有する。以下、外歯４６の歯面４６ｓを「外歯面４６ｓ」という。外歯面４６ｓは、第１歯車の第１歯面の一例である。
内歯４４は、外歯４６とは異なる歯形を有する。内歯４４の歯面４４ｓを歯筋方向にみた形状は、凸状、具体的には円弧形状である。詳細には、内歯４４の歯面４４ｓは、歯筋方向に直交する断面において、外歯４６に向かって突出する円弧の形状を有する。以下、内歯４４の歯面４４ｓを「内歯面４４ｓ」という。内歯面４４ｓは、第２歯車の第２歯面の一例である。
詳しくは、内歯面４４ｓを歯筋方向にみた形状は、接線Ｔを内歯ピッチ点４４ｃを通る接線とする円の円周の一部である。以下では、接線Ｔを二点鎖線で示す。
接線Ｔは、外歯４６の隣接する外歯面４６ｓ、すなわち、接線Ｔが接する内歯面４４ｓに対向する外歯面４６ｓと平行である。換言すれば、内歯面４４ｓの歯筋方向にみた形状は、外歯面４６ｓに平行な線を接線とする円弧の形状を有する。
内歯面４４ｓは、内歯ピッチ点４４ｃが外歯面４６ｓに最も近く、内歯ピッチ点４４ｃから、内歯４４の歯底４４ｂと内歯４４の歯先４４ｔとにかけて徐々に外歯面４６ｓから離れる形状を有する。
内歯４４の内歯面４４ｓは、歯筋方向に直交する断面において、対向する外歯面４６ｓに内歯ピッチ点４４ｃが最も近い凸状であって、外歯４６の外歯面４６ｓと平行な線を内歯ピッチ点４４ｃを通る接線Ｔとする円弧の形状を有する。換言すれば、接線Ｔは、歯筋方向に直交する断面において、内歯ピッチ点４４ｃを通って、外歯４６の外歯面４６ｓに相当する直線に平行に延びる。このため、図８に示すように、最大変位状態であっても、歯先４４ｔ側のエッジ部分４４ｅでの外歯４６との接触を回避することができる。したがって、内歯面４４ｓと外歯面４６ｓとの接触面積の低減を抑制することができ、内歯４４と外歯４６との接触応力を抑制することができる。
上述のように内歯車４３の内歯面４４ｓを歯筋方向にみた形状は円弧である。このため、内歯４４と外歯４６との間の接触応力が高くなると、内歯面４４ｓと外歯面４６ｓとの接触時に内歯４４が弾性変形し、内歯面４４ｓと外歯面４６ｓとの接触面積が増大する。したがって、内歯車４３の内歯面４４ｓを歯筋方向にみた形状が円弧でない構成と比べ、内歯４４と外歯４６との接触応力を抑制することができる。
本実施の形態によれば、内歯４４と外歯４６との接触部分の相対曲率半径を調節することで、内歯４４と外歯４６との接触部分における接触応力を調節することができる。具体的には、相対曲率半径をより大きく設定することにより、内歯４４と外歯４６との接触部分における接触応力を減少させることができる。
接触応力を減少させることができるため、極圧を緩和することができ、摩擦熱を低減することもできる。内歯車４３と外歯車４５との噛合い振動がなくなり、振動及び騒音を低減することができる。
接触面積の低減を抑制することができるため、たわみ軸継手４は、許容できる変位量を更に増大させることができる。これにより、周辺機器の設計自由度を向上させることができる。
接触応力を抑制することができるため、摩耗を低減することができ、たわみ軸継手４の長寿命化を図ることができる。
内歯面４４ｓ及び外歯面４６ｓの形状は、たわみ軸継手４が許容する傾斜角に応じて適宜変更可能である。
内歯４４の内歯面４４ｓ及び外歯４６の外歯面４６ｓはともに歯筋方向にみた形状が、凹状でなく、すなわち、直線状または凸状であって、かつ、内歯４４の内歯面４４ｓ及び外歯４６の外歯面４６ｓの少なくとも一方は歯筋方向にみた形状が凸状である。例えば、内歯４４の内歯面４４ｓ及び外歯４６の外歯面４６ｓの少なくとも一方は、歯筋方向にみた形状が、凸状であればよく、円弧形状でなくてもよい。具体的には、歯筋方向に直交する断面において、内歯面４４ｓは、内歯ピッチ点４４ｃにおいて外歯面４６ｓに最も近い、あるいは、外歯面４６ｓは、外歯ピッチ点４６ｃにおいて内歯面４４ｓに最も近ければよい。
図９に示すように、内歯４４の内歯面４４ｓを歯筋方向にみた形状が直線形状であって、外歯４６の外歯面４６ｓを歯筋方向にみた形状が凸状であってもよい。好ましくは、外歯４６の外歯面４６ｓを歯筋方向にみた形状は、内歯４４の内歯面４４ｓの側に膨らむ円弧であってもよい。
あるいは、図１０に示すように、内歯面４４ｓ及び外歯面４６ｓが共に互いに凸状であってもよい。具体的には、歯筋方向に直交する断面において、内歯面４４ｓが、対向する外歯面４６ｓに向かって膨らむ円弧形状であり、外歯面４６ｓが、対向する内歯面４４ｓに向かって膨らむ円弧形状を有してもよい。歯筋方向に直交する断面において、内歯面４４ｓ及び外歯面４６ｓが共に円弧形状を有する場合、内歯面４４ｓの円弧と外歯面４６ｓの円弧との曲率半径は同じであってもよいし、異なってもよい。歯筋方向に直交する断面における内歯面４４ｓの円弧と外歯面４６ｓの円弧との曲率半径は、許容する接触応力に応じて調節可能である。
本実施の形態では、内歯面４４ｓのうちの内歯ピッチ点４４ｃが最も外歯面４６ｓに近い構成を説明したが、内歯４４のエッジ部分４４ｅで外歯４６との接触を回避できればよく、内歯面４４ｓのうちの内歯ピッチ点４４ｃ近傍が最も外歯面４６ｓに近くてもよい。すなわち、接線Ｔは、内歯面４４ｓの内歯ピッチ点４４ｃを通る接線ではなく、内歯ピッチ点４４ｃの近傍のある１点を通る接線であってもよい。
接線Ｔは、最大変位状態よりも小さい角度で傾斜した変位状態において接線Ｔが接する内歯面４４ｓに対向する外歯面４６ｓと平行であってもよい。
内筒部４２が変位する方向は、上述の例に限られない。一例として、第１内筒４２１のＸ軸負方向側の端部は図３の状態からＺ軸負方向に変位し、第１内筒４２１のＸ軸正方向側の端部は図３の状態からＺ軸正方向に変位してもよい。
本実施の形態では、第１外筒４１１の内歯４４及び第１内筒４２１の外歯４６を例に、図４から図８を参照して、内歯４４及び外歯４６の形状について説明したが、図４から図８を参照して説明した内歯４４及び外歯４６の形状は、第２外筒４１２の内歯４４及び第２内筒４２２の外歯４６にも適用可能である。
（実施の形態２）
図１１から図１４を参照して、実施の形態２に係るたわみ軸継手４について説明する。実施の形態２に係るたわみ軸継手４の基本構成及び基本動作は、実施の形態１のたわみ軸継手４の基本構成及び基本動作と同様である。ただし、内歯面４４ｓのエッジ部分４４ｅでの外歯面４６ｓとの接触を更に抑制するため、内歯車４３の内歯４４の圧力角と外歯車４５の外歯４６の圧力角とが異なる点で実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。以下では、各歯車のピッチ円上のピッチ円に対する垂線を二点鎖線で示す。
図１１から図１４を参照して、実施の形態２に係るたわみ軸継手４について説明する。実施の形態２に係るたわみ軸継手４の基本構成及び基本動作は、実施の形態１のたわみ軸継手４の基本構成及び基本動作と同様である。ただし、内歯面４４ｓのエッジ部分４４ｅでの外歯面４６ｓとの接触を更に抑制するため、内歯車４３の内歯４４の圧力角と外歯車４５の外歯４６の圧力角とが異なる点で実施の形態１と異なる。以下、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。以下では、各歯車のピッチ円上のピッチ円に対する垂線を二点鎖線で示す。
図１１は、内歯車４３の内歯４４を示す図であり、図１２は、図１１に示す内歯４４の内歯ピッチ点４４ｃ近傍を拡大して示す図である。
図１１及び図１２に示すように、内歯４４の圧力角α１は、内歯ピッチ点４４ｃ上における接線Ｔと内歯ピッチ円Ｃｐ２と垂線Ｐ１とのなす角度である。以下、内歯４４の圧力角α１を「内歯圧力角α１」という。
図１３及び図１４は、外歯車４５の外歯４６を示す図である。図１３に示すように、外歯４６の圧力角α２は、外歯ピッチ円Ｃｐ１上の外歯ピッチ点４６ｃにおける外歯ピッチ円Ｃｐ１の垂線Ｐ２と外歯面４６ｓとのなす角度である。以下、外歯４６の圧力角α２を「外歯圧力角α２」という。
例えば、図１３及び図１４に示すように、外歯車４５を回転させると、外歯４６の外歯圧力角α２は、回転することにより減少する。外歯４６の回転方向は、図中、時計周りであるものとする。
本実施の形態では、外歯車４５の回転によって外歯４６の外歯圧力角α２が減少することを想定し、外歯４６の外歯圧力角α２の値として、内歯４４の内歯圧力角α１よりも大きい値を予め設定する。外歯圧力角α２は、例えば、内歯４４の内歯圧力角α１に、外歯４６の回転によって減少する外歯圧力角α２が加えられた値が、設計者によって設定される。これにより、図１５に示すように、外歯４６が傾斜して外歯圧力角α２が減少した場合であっても、内歯面４４ｓの外歯面４６ｓとの接触点を通る接線は、外歯面４６ｓに平行になる。この結果、内歯面４４ｓのエッジ部分４４ｅでの外歯面４６ｓとの接触を抑制することができる。
本開示は、上記した実施の態様の例に限定されることなく、適宜の変更を加えることにより、その他の態様で実施できる。
例えば、本開示では、外歯４６の外歯圧力角α２の値として、内歯４４の内歯圧力角α１よりも大きい値を設定することにより、内歯４４のエッジ部分４４ｅでの外歯面４６ｓとの接触を抑制したが、内歯面４４ｓの円弧の曲率半径を更に小さい値に設定してもよい。これにより、内歯４４のエッジ部分４４ｅでの外歯面４６ｓとの接触を抑制することができる。
本開示では、外歯車４５が時計周りに回転する場合を説明したが、外歯車４５は、反時計周りに回転してもよい。この場合、実施の形態１及び２で説明した図は、外歯車４５の回転方向に応じて適宜変更される。例えば、図１４、及び図１５に示す外歯４６の傾斜する方向が、左右が入れ替わる。
たわみ軸継手４は、鉄道車両以外の電動機の駆動軸からの動力を従動軸に伝達する構成にも適用可能である。
本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。
１ 台車、２ 車輪部、３ 電動機、４ たわみ軸継手、５ 歯車装置、６ 吊り装置、１１ 台車枠、２１ 車輪、２２ 車軸、３１ 駆動軸、４１ 外筒部、４２ 内筒部、４３ 内歯車、４４ 内歯、４４ｂ 歯底、４４ｃ 内歯ピッチ点（内歯のピッチ点）、４４ｅ エッジ部分、４４ｓ 内歯面（内歯の歯面）、４４ｔ 歯先、４５ 外歯車、４６ 外歯、４６ｂ 歯底、４６ｃ 外歯ピッチ点（外歯のピッチ点）、４６ｓ 外歯面（外歯の歯面）、４６ｔ 歯先、５１ 従動軸、４１１ 第１外筒、４１２ 第２外筒、４２１ 第１内筒、４２２ 第２内筒、ＡＸ 中心軸、Ｃｐ１ 外歯ピッチ円（外歯のピッチ円）、Ｃｐ２ 内歯ピッチ円（内歯のピッチ円）、α１ 内歯圧力角（内歯の圧力角）、α２ 外歯圧力角（外歯の圧力角）、Ｐ１，Ｐ２ 垂線、Ｔ 接線。
Claims (7)
- 第１歯車と、前記第１歯車と噛み合う第２歯車と、を備え、
前記第１歯車の第１歯面と前記第２歯車の第２歯面との少なくとも一方の歯筋方向にみた形状が、凸状である、たわみ軸継手。 - 前記第１歯面と前記第２歯面との少なくとも一方の前記歯筋方向にみた形状は、円弧の形状である、請求項１に記載のたわみ軸継手。
- 前記第１歯面の前記歯筋方向にみた形状は、直線の形状であり、前記第２歯面の前記歯筋方向にみた形状は、前記直線と平行な線を接線とする円弧の形状である、請求項１又は２に記載のたわみ軸継手。
- 前記接線は、前記第２歯車のピッチ円上の点を通って、前記直線に平行に延びる、請求項３に記載のたわみ軸継手。
- 前記第１歯面の圧力角と前記第２歯面の圧力角とが異なる、請求項１から４のいずれか１項に記載のたわみ軸継手。
- 前記第１歯面の圧力角が前記第２歯面の圧力角よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載のたわみ軸継手。
- 前記第１歯車は、外歯車であり、前記第２歯車は、内歯車である、請求項１から６のいずれか１項に記載のたわみ軸継手。
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| US20200130034A1 (en) * | 2018-10-25 | 2020-04-30 | Xtek, Inc. | Rolling mill drive and associated gear spindle coupling |
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2022
- 2022-03-11 JP JP2024505829A patent/JPWO2023170947A1/ja active Pending
- 2022-03-11 WO PCT/JP2022/011000 patent/WO2023170947A1/ja active Application Filing
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