JP6432389B2 - 鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機で発生する駆動力を車輪に伝達する鉄道車両用の歯車装置における非接触式シール装置に関するものである。

鉄道車両は、図３に示すように、電動機で発生する駆動力を、軸継手を介して歯車装置１の小歯車軸２に伝達し、この小歯車軸２に形成した小歯車３に噛み合う大歯車４を経て車軸５に取付けた車輪に伝達し、走行するようになっている。

この歯車装置１は、小歯車３や大歯車４を収めたケーシング６内の潤滑油７を大歯車４の回転によって掻き揚げることで、大歯車４と小歯車３の噛み合い部Ａや、車軸５と小歯車軸２を支持する軸受８，９を潤滑している。

しかしながら、軸受８，９にも十分な潤滑油７を供給するには、ケーシング６内に十分な量の潤滑油７を確保する必要がある。この際、軸受８，９に供給された潤滑油７が軸受８，９を潤滑した後、ケーシング６内に戻って軸受８，９部より外部に漏洩しないことが必要である。

そこで、鉄道車両用の歯車装置１では、小歯車軸２と車軸５がケーシング６から貫通して突出する部分に、軸封装置を設けている。

輸送機械などの回転軸の軸封装置は、回転軸とケーシング部分が接触しない非接触シールと、回転軸とケーシングが樹脂部材等を介して接触することによりシール機能を確保する接触シールに分類され、装置の使用環境に応じて両者が使い分けられている。

鉄道車両の歯車装置では、小歯車軸や車軸の軸封装置として非接触シールが採用されている。

しかしながら、非接触シールでは、ケーシングの内外に圧力差が生じた場合、非接触シールの流路内にガス流動が生じて内部に残留した潤滑油がガス流れによるせん断により輸送され、ケーシングの外部に漏出する問題が発生することがある。

なお、ケーシング内外の圧力差の発生原因としては、ケーシングの内部温度上昇による圧力上昇、トンネルへの侵入や列車同士のすれ違い等によるケーシング外部の圧力低下、回転軸継手部材の回転遠心力による圧力低下等が考えられる。

前記潤滑油の漏出トラブルを回避するため、非接触シールでは、図４に示すように、多段のラビリンス流路１０を設けることでケーシング６の内外を繋ぐ通路を長くして密閉効果を高めるラビリンスシールが多く採用されている。

また、図５に示すように、小歯車軸２や車軸５にスリンガ１１と称する突起を設けることにより、小歯車軸２や車軸５に沿って流出した潤滑油を遠心力で振り切り、潤滑油をケーシング６に戻す構造が採用されている。

鉄道車両用歯車装置では、例えば図６，７に示すように、図４に示す多段のラビリンス流路１０と図５に示すスリンガ１１の両者を共に設けたラビリンスシールによりケーシング６の内部からの潤滑油の漏れを抑制している（例えば特許文献１，２参照）。

しかしながら、多段のラビリンス流路とスリンガの両者を共に設けるという基本設計指針だけでは、潤滑油が漏出するおそれがあり、その漏出メカニズムが不明であったため、根本的な解決には至っていなかった。

特許第５１３１９６８号公報 特公平６−６３５７３号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の場合、多段のラビリンス流路とスリンガを共に設けるだけでは、潤滑油の漏出を防止するには不十分となる場合があるという点である。

発明者らは、鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置のシール性能のさらなる向上を図るため、ラビリンスシール内のガス流れ及び油滴流れを後述する数値解析を行って詳細に可視化分析した。

その結果、図６に示すように、小歯車軸２や車軸の軸受９からケーシング６の外側に至る領域に、軸受９側から、空間１４、狭間隙１２ｂ、大空間１３、狭間隙１２ａ（ラビリンス流路１０を含む）を順に設け、狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂとラビリンス流路１０の入口１０ａを相対するように設けたものでは、図８に示すように、ガス流れに乗った油滴が狭間隙１２ｂから大空間１３を短絡してラビリンス流路１０に流れる。

また、図７に示すように、狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂとラビリンス流路１０の入口１０ａの、小歯車軸２の半径方向位置を異ならせた場合であっても、大空間１３の大きさが不十分であると、図９に示すように、大空間１３がガス流れの流路の一部となって、ガス流れに乗った油滴が大空間１３で滞留せずにラビリンス流路１０に流れる。

すなわち、大空間１３での油粒子の捕捉量が不十分となって、全体的な油シール性能が不十分となることが判明した。なお、図６〜９中の１５は油粒子の流れの軌跡、１６は軸受蓋、１７は小歯車軸側のスリーブである。

発明者らは、前記ラビリンスシール内のガス流れ及び油滴流れを数値解析して詳細に可視化分析することによってシール性能を定量的に評価する指針を見出し、シール性能をさらに向上させる新たな非接触式シール装置を完成させた。

本発明は、
鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置のシール性能のさらなる向上を図るために、
電動機に軸継手を介して接続された小歯車軸に形成された小歯車と、車軸に取付けられた大歯車を噛み合わせてケーシング内に収めた鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置であって、
前記ケーシングの外側から前記小歯車軸の軸受に至る領域、前記ケーシングの外側から前記車軸の軸受に至る領域の少なくとも何れか一方に、狭間隙と空間と狭間隙を１回以上繰り返して設け、
前記軸受側から見て、前記空間への前記狭間隙の出口と、前記空間からの前記狭間隙の入口を、前記小歯車軸又は車軸の半径方向に異なった位置で、前記小歯車軸又は車軸の軸方向に開口させ、
前記空間における、前記狭間隙の入口と前記空間の外周側端面までの前記小歯車軸又は車軸の半径方向長さ、及び前記小歯車軸又は車軸の軸方向の最大長さを、前記狭間隙の出口と、前記狭間隙の入口間の前記半径方向長さよりも大きくし、
前記狭間隙の入口の小歯車軸又は車軸の軸中心側に、前記入口よりも突出させたスリンガを設け、前記狭間隙の出口から流出した油滴が前記空間の外周側に流れて前記空間の内壁に沿って一周するようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明では、空間における、狭間隙の入口と空間の外周側端面までの小歯車軸又は車軸の半径方向長さを狭間隙の出口と狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．３倍以上、さらに、空間における、小歯車軸又は車軸の軸方向の最大長さを、狭間隙の出口と狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．５倍以上にしている。

従って、ガス流れに乗った油滴は狭間隙から空間の外周側に流れ、狭間隙から空間を短絡して狭間隙に流れることがない。

本発明では、ガス流れに乗った油滴は狭間隙から空間の外周側に流れて空間内で十分滞留するので、油粒子の捕捉量が多くなってケーシング外部への漏出を防ぐことができる。

本発明の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図である。 数値流動解析により図１に示した非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。 油浴潤滑式の鉄道車両用歯車装置の断面図である。 多段のラビリンス流路を設けたラビリンスシールを説明する図である。 スリンガを設けたシールを説明する図である。 従来の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図である。 従来の他の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図である。 数値流動解析により図６に示した非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。 数値流動解析により図７に示した非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。

本発明は、鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置のシール性能のさらなる向上を図ることを目的としたものである。

そして、前記目的を、空間における、狭間隙の入口と空間の外周側端面までの小歯車軸又は車軸の半径方向長さを狭間隙の出口と狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．３倍以上、さらに、空間における、小歯車軸又は車軸の軸方向の最大長さを、狭間隙の出口と狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．５倍以上にすることで実現した。

以下、本発明の一実施例を図１及び図２を用いて説明する。
図１は本発明の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置の要部の断面図、図２は数値流動解析により図１に示した非接触式シール装置における油粒子の流れの軌跡を示した図である。なお、図１及び図２中、図３〜図９と同一番号は、同一部分或いは相当部分を示し、詳細な説明を省略する。

本発明の鉄道車両用歯車装置は、図１に示すように、例えば、小歯車軸２の軸受９からケーシング６の外側に至る領域に、ケーシング６の外側から順に、狭間隙１２ａ（ラビリンス流路１０を含む）、大空間１３、狭間隙１２ｂ、空間１４を小歯車軸２の軸方向に設けている。

そして、前記軸受９側から見て、大空間１３への狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂと、大空間１３からのラビリンス流路１０の入口１０ａを、小歯車軸２の半径方向にＬ１の長さだけ隔てて小歯車軸２の軸方向に開口させている。

その際、本発明では、大空間１３における、ラビリンス流路１０の入口１０ａと大空間１３の外周側端面までの小歯車軸２の半径方向長さＬ２を前記長さＬ１の０．３倍以上、及び小歯車軸２の軸方向の最大長さＬ３を、前記長さＬ１の０．５倍以上にしたことが大きな特徴である。

図１の例では、ラビリンス流路１０の入口１０ａ部に、大空間１３における、狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂとラビリンス流路１０の入口１０ａ間の、小歯車軸２の軸方向長さＬ４よりも長い高さの立壁１０ｂを設けたものを示している。

上記構成の本発明では、図２に示すように、ガス流れに乗って狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂから流出した油滴は、大空間１３の外周側に流れて大空間１３の内壁に沿って一周し、前記狭間隙１２ｂから大空間１３を短絡してラビリンス流路１０に流れることがない。

つまり、本発明では、ガス流れに乗った油滴は空間１４と大空間１３を継ぐ狭間隙１２ｂから大空間１３の外周側に流れて大空間１３の内部で十分滞留するので、油粒子の捕捉量が多くなってケーシング６の外部への潤滑油の漏出を効果的に防ぐことができる。

図２及び図８，９に示した油粒子の流れの軌跡１５を求めた数値流動解析は、汎用のＣＦＤ（数値流体力学）の一つであるFluentを使用して行った。

具体的には、図１及び図６，７に示すラビリンスシール構造を軸対称三次元計算モデルで表現し、小歯車軸側のスリーブ１７の壁面に運動壁面境界条件を、その他の壁面に静止壁面境界条件を設定した。

そして、軸受９を設けた空間１４の気圧を大気圧よりも高く設定することで、軸受９から空間１４、狭間隙１２ｂ、大空間１３、ラビリンス流路１０、狭間隙１２ａを通過してケーシング６の外部に流出するガス流れの速度場を計算した。

さらに、前記計算したガス流れに油粒子を模擬した微粒子群を浮遊させ、その流れの軌跡１５を計算し、この結果から、油粒子が空間１４と連通する狭間隙１２ｂの入口１２ｂａからケーシング６の外部に漏出するまでの時間（以下、滞留時間という）を計測した。

その結果、図１及び図６，７に示した寸法（mm）の場合、図６に示す従来の非接触式シール装置の滞留時間を１．０とすると、図７に示す従来の他の非接触式シール装置の滞留時間は１．５となった。

これに対して、図１に示す本発明の非接触式シール装置の滞留時間は４．５となり、図６に示す従来の非接触式シール装置に比べて４．５倍、図７に示す従来の他の非接触式シール装置に比べて３．０倍の滞留時間となった。

これは、図６に示す従来の非接触式シール装置では、図８に示すように、空間１４から狭間隙１２ｂを通って大空間１３に流出した油粒子は、ラビリンス流路１０に向かってほぼ直線的に向かって流れるため、大空間１３で油粒子を捕捉する効果がほとんど期待できないからである。

また、図７に示す従来の他の非接触式シール装置では、図９に示すように、狭間隙１２ｂから大空間１３に流出した油粒子は、ラビリンス流路１０に向かう途中に大空間１３に一旦捕捉されても、大空間１３の大きさが不十分であるため、大空間１３自体が流路の一部となって、大空間１３で油粒子を捕捉する効果がほとんど期待できないからである。

これに対して、図１に示す本発明の非接触式シール装置の場合は、大空間１３に流出した油粒子は、小歯車軸２の半径方向外方に向かって流れた後、大空間１３の内壁面に沿って一周して、油粒子が大空間１３で十分滞留する結果、大空間１３での油粒子の捕捉量が増え、シール性能が高くなる。

本発明の効果を確認するために、図１及び図６，７に示した非接触式シール装置を備え、その他の条件を同一とした歯車装置を試作し、ベンチ回転試験を行って油が漏出するか否かを判定した。

その結果、図６，７に示す従来の非接触式シール装置の場合は油の漏出が発生したが、図１に示す本発明の非接触式シール装置の場合は油の漏出は発生しなかった。

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。

例えば、図１に示した実施例では、ラビリンス流路１０の入口１０ａ部に、狭間隙１２ｂの出口１２ｂｂとラビリンス流路１０の入口１０ａ間の小歯車軸２の軸方向長さＬ４よりも高い立壁１０ｂを設けているが、この立壁１０ｂを設けなくてもよい。

以上の本発明は、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。

１ 歯車装置
２ 小歯車軸
３ 小歯車
４ 大歯車
５ 車軸
６ ケーシング
７ 潤滑油
８，９ 軸受
１０ ラビリンス流路
１０ａ 入口
１０ｂ 立壁
１１ スリンガ
１２ａ 狭間隙
１２ｂ 狭間隙
１２ｂｂ 出口
１３ 大空間
１４ 空間

Claims (3)

1. 電動機に軸継手を介して接続された小歯車軸に形成された小歯車と、車軸に取付けられた大歯車を噛み合わせてケーシング内に収めた鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置であって、
   前記ケーシングの外側から前記小歯車軸の軸受に至る領域、前記ケーシングの外側から前記車軸の軸受に至る領域の少なくとも何れか一方に、狭間隙と空間と狭間隙を１回以上繰り返して設け、
   前記軸受側から見て、前記空間への前記狭間隙の出口と、前記空間からの前記狭間隙の入口を、前記小歯車軸又は車軸の半径方向に異なった位置で、前記小歯車軸又は車軸の軸方向に開口させ、
   前記空間における、前記狭間隙の入口と前記空間の外周側端面までの小歯車軸又は車軸の半径方向長さを前記狭間隙の出口と前記狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．３倍以上、さらに、前記空間における、小歯車軸又は車軸の軸方向の最大長さを、前記狭間隙の出口と前記狭間隙の入口間の前記半径方向長さの０．５倍以上にし、
   前記狭間隙の入口の小歯車軸又は車軸の軸中心側に、前記入口よりも突出させたスリンガを設け、前記狭間隙の出口から流出した油滴が前記空間の外周側に流れて前記空間の内壁に沿って一周するようにしたことを特徴とする鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置。
2. 前記空間における、前記狭間隙の入口部に、前記狭間隙の出口と前記狭間隙の入口間の前記小歯車軸又は車軸の軸方向長さよりも高い立壁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用歯車装置における非接触式シール装置。
3. 前記狭間隙のうち、前記空間よりケーシングの外側に設けた狭間隙は、ラビリンス流路を含むものであ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における非接触式シール装置。

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