JP6610300B2 - 鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置に関するものである。

鉄道車両においては、電動機で発生する駆動力を、車軸に取付けた車輪に伝達するにあたり、電動機側の小歯車、車輪側の大歯車を介して行っており、これら各歯車は、ケーシングで形成された歯車箱に収められている。この歯車箱には、潤滑油が入れられており、この潤滑油は大歯車の回転によって掻き揚げられ、大歯車と小歯車の噛合部、小歯車の回転、車軸を支持する軸受部分を潤滑している。

かかる潤滑油は、外部に漏出しないことが必要であるが、従来から鉄道車両用歯車箱の軸受けのシールにあたっては、特殊な高速車両以外は、回転軸とケーシング部分が接触しない非接触式が採用されている。

非接触式のシールにおいては、ケーシングの内外に圧力差が生ずることでシール内にガス流動が生じた場合、内部に残留している潤滑油は、当該ガス流動によって輸送され、外部に漏出することがある。なおケーシングの内外に圧力差が生ずる原因としては、ケーシング内部温度の上昇による内部圧力の上昇、トンネルへの進入、列車同士の擦れ違い等によるケーシング外部の圧力低下、回転軸継ぎ手部材の回転遠心力などが挙げられる。

このような潤滑油の漏出を防止するため、非接触式のシール構造においては、ケーシング内に複雑な流路を形成したラビリンス構造が採用されている（特許文献１、２）。またその他に潤滑油を溜めるための大径の空間をシール装置内に設けたものも提案されている（特許文献３）。

特開２００８−３２２３０号公報 特許第５１３１９６８号公報 特公平６−６３５７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたシールに関する技術は、依然として通常のラビリンス構造の域を出るものではなく、また特許文献２に記載の技術は、確かに回転軸側の回転壁に付着した油滴に漏出には効果があるものの、固定側（ケーシング側）の固定壁に付着した油滴については、改善の余地があった。そして特許文献３に記載の技術は、大空間に油滴を溜めおくことによって、ある程度の漏出を防止できるが、許容量を超えた場合には、やはり漏出するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、鉄道車両用歯車箱の非接触のラビリンスシール構造において、従来よりも潤滑油の漏出を抑えることを目的としている。

前記課題を解決するため、本発明は、鉄道車両の車軸における車輪と歯車との間の外周に設けられ、前記車軸と一体となって回転する回転壁と、前記歯車を収容する歯車箱を構成するケーシング側の固定壁とでラビリンスシールが構成された、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置において、上下方向に対面する回転壁と固定壁とによって環状に形成された狭間隙の入口よりも外周側の固定壁表面に、前記回転壁表面と前記固定壁表面との相対位置関係で、前記回転壁表面より基準面が突出することとなる凹条部または前記回転壁表面より頂面が突出することとなる凸条部によって形成され、かつ前記車軸の軸方向から見て、前記狭間隙の入口の少なくとも上方を覆うように前記回転壁表面から突出したガイド部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、上下方向に対面する回転壁と固定壁とによって環状に形成された狭間隙の入口よりも外周側（径方向外側）の固定壁表面に、前記回転壁表面と前記固定壁表面との相対位置関係で、前記回転壁表面より基準面が突出することとなる凹条部または前記回転壁表面より頂面が突出することとなる凸条部によって形成され、かつ前記車軸の軸方向から見て、前記狭間隙の入口の少なくとも上方を覆うように前記回転壁表面から突出したガイド部が形成されているので、固定壁に付着した油滴は、重力によって固定壁表面を伝って下方に落ちて行く際に前記ガイド部にトラップされ、当該ガイド部によって当該油滴は前記狭間隙を迂回して下方に落下していくので、固定壁表面に付着した油滴が、前記狭間隙内に侵入することが抑制される。

またガイド部とは、溝や樋構造などが例示でき、その他軸方向に突出している堰のようなものであってもよい。

さらに狭間隙とは、ラビリンス構造のシールにおいて、最も狭く形成されている隙間に限らず、相対的に他の間隙よりも狭い幅間隙も含むものである。具体的に間隙の幅は、例えば０．２ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の間隙をいう。

またさらに上下方向に対面する回転壁と固定壁とによって狭間隙が環状に形成されるとは、車軸と平行に対面（対峙）して、車軸と平行方向に長さを持って形成された環状の狭間隙のみならず、車軸と平行ではないが、歯車側又は車輪側に傾いてテーパ状に形成された狭間隙も含むものである。

前記ガイド部は、車軸の軸方向から見て、前記狭間隙の少なくとも上方を覆うものであればよいので、かかる条件を満たせば、軸方向からみて円弧形状のガイド部はもちろん、環状のガイド部であってもよい。なおここでいう上方を覆う、ことの意味は、後述の実施の形態にて説明する。

前記ガイド部は、前記車軸の軸方向から見て、同心円上に複数形成されていてもよい。すなわち複数のガイド部列が同心上に形成されていてもよい。これによってさらに、幾重にもトラップ、ガイドされるので、狭間隙への侵入はさらに抑制され、シール効果はさらに向上する。かかる場合、同心円上に複数形成されるとは、たとえば軸方向からみて円弧状のガイド部が複数列の場合、環状のガイド部が複数列の場合のみならず、円弧状のガイド部と環状のガイド部とが組み合わされたもの含む。

本発明によれば、回転壁と固定壁とで構成されたラビリンス構造のシールにおいて、固定壁側の表面に付着した油滴が、狭間隙内に侵入することが抑制されるので、従来よりもシール効果が向上している。

実施の形態にかかる鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置の側面断面図である。 狭間隙の外周上方に形成される溝と狭間隙の関係を模式的に示した軸方向から見た説明図である。 円弧状の溝の例を示す軸方向から見た説明図である。 円弧状の溝の他の例を示す軸方向から見た説明図である。 環状の溝の例を示す軸方向から見た説明図である。 他の狭間隙の外周上方に溝を設けた他の実施の形態にかかる鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置の側面断面図である

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかる鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置１の一部断面図を示しており、この道車両用歯車箱の非接触式シール装置１は、鉄道車両の車軸２における車輪３と歯車（図１の右側に位置するが図示せず）との間の外周に設けられている。なお歯車箱は、一般的に車軸２における一方の車輪寄りに設けられており、図１は、当該一方の車輪に近い側の軸受部を図示しているが、もちろん本発明は、当該歯車箱の他方の軸受部側の位置にも適用があり、通常は歯車箱の両側に適用される。また図示の例では、車輪３として描図して説明しているが、この部分は電動モータまたは車軸継手であっても本質的に変わりはない。

車軸２の外周には、ラビリンスシールの一方側、すなわち回転壁を構成する回転軸側スリーブ１１が固定されている。またラビリンスシールの他方側、すなわち固定壁を構成するケーシング側スリーブ２１は、図中の右側に位置する歯車箱のケーシング（図示せず）と固定されている。なお本実施の形態では、ケーシング側スリーブ２１の車輪３側端面には、円環状の軸受け蓋４が設けられている。

回転軸側スリーブ１１には、歯車側、すなわち図１の右側から順に、表面に凹凸のない第１の周面部１１ａ、スリンガ１１ｂ、車軸２と直角方向に形成された環状の凹部１１ｃ、スリンガ１１ｂより少し外径が小さい外周面を有し、車輪３側に車軸２と平行に突出する環状の第１の凸部１１ｄ、第１の凸部１１ｄの車輪３側の端面の下方に軸方向と略平行に形成された第１水平凹部１１ｅ、第１水平凹部１１ｅの下端から車輪３側に向かうにつれて車軸２に近づく斜面部１１ｆ、斜面部１１ｆが上面を構成し、車輪３の方向に突出する環状の第２の凸部１１ｇ、第２の凸部１１ｇの車輪３側の端面の下方に軸方向と略平行に形成された第２水平凹部１１ｈ、第２水平凹部１１ｈの車軸２側の周面を構成する第２の周面部１１ｉがそれぞれ形成されている。第２の周面部１１ｉには環状の凹部１１ｊが形成されている。

またラビリンスシールの他方側、すなわち固定壁を構成するケーシング側スリーブ２１には、歯車側、すなわち図１の右側から順に、回転軸側スリーブ１１の第１の周面部１１ａと対面する第１の周面部２１ａ、スリンガ１１ｂと対向し、スリンガ１１ｂを余裕を持って受容し、かつスリンガ１１ｂの先端部との間に十分な距離を確保して車軸２と直角方向に形成された第１の凹部２１ｂ、回転軸側スリーブ１１の第１の凸部１１ｄの歯車寄りの部分と対面する環状の第１の凸部２１ｃ、回転軸側スリーブ１１の第１の凸部１１ｄの車輪３寄りの部分と対向し、かつ段部２１ｄを有し、さらに車軸２と直角方向に形成された第２の凹部２１ｅ、回転軸側スリーブ１１の第１水平凹部１１ｅ内に隙間をもって入り込む第２の凸部２１ｆ、回転軸側スリーブ１１の第２の凸部１１ｇを、隙間をもって受容する凹部２１ｇ、回転軸側スリーブ１１の第２水平凹部１１ｈ内に隙間をもって入り込む第３の凸部２１ｈ、第３の凸部２１ｈの車軸２側周面を構成する第２の周面部２１ｉが形成されている。
このような構成において、たとえば第１の凹部２１ｂや第２の凹部２１ｅはいわゆる大空間を形成するが、これは、狭間隙→大空間→狭間隙という構成を採ることで、空気の膨張と縮流を繰り返させ、空気の圧力損失を大きくすることによって、空気の漏れ量を減らすという効果がある。そしてその結果として、シール性能が向上する。またこのような大空間に油滴を捕捉し滞留させることで、大空間の底部に穿った戻し孔から、重力の作用により潤滑油を歯車箱筐体内に戻すことができる。

固定壁を構成するケーシング側スリーブ２１の第１の周面部２１ａには、環状の凹条部２１ｊが形成されている。また前記軸受け蓋４には、段部４ａが形成され、この段部４ａとケーシング側スリーブ２１の車輪３側の端面とで、車軸２の軸方向と直角な環状の凹部４ｂが形成される。このような凹条部２１ｊや凹部４ｂもまた、上記したように、空気の膨張と縮流を繰り返させて空気の圧力損失を大きくして、空気の漏れ量を減らし、シール性能を向上させる効果がある。

以上のように構成されている回転軸側スリーブ１１とケーシング側スリーブ２１との間には、狭隘な流路が複数形成されたラビリンスシールが構成される。

そしてこのようなラビリンスシールにおいては、複数の箇所に狭間隙が形成されている。図１に即して言うと、たとえば、
（１）回転軸側スリーブ１１の第１の周面部１１ａとケーシング側スリーブ２１の第１の周面部２１ａとの間に形成される狭間隙Ａ、
（２）回転軸側スリーブ１１の第１の凸部１１ｄとケーシング側スリーブ２１の第１の凸部２１ｃとの間に形成される狭間隙Ｂ、
（３）回転軸側スリーブ１１の第１の凸部１１ｄとケーシング側スリーブ２１の第２の凸部２１ｆとの間に形成される狭間隙Ｃ、
（４）回転軸側スリーブ１１の第２の凸部１１ｇとケーシング側スリーブ２１の第３の凸部２１ｈとの間に形成される狭間隙Ｄ、
（５）回転軸側スリーブ１１の第２の周面部１１ｉとケーシング側スリーブ２１の第２の周面部２１ｉとの間に形成される狭間隙Ｅ、
が形成されている。

本実施の形態は、たとえばそのような狭間隙Ａ〜Ｅよりも外周側かつ上方の固定壁表面、すなわちケーシング側スリーブ２１の表面に、車軸２の軸方向から見てこれら狭間隙Ａ〜Ｅの少なくとも上方を覆うように、ガイド部としての溝を形成するものである。

図１に示した例では、回転軸側スリーブ１１の第１の凸部１１ｄとケーシング側スリーブ２１の第１の凸部２１ｃとの間に形成される狭間隙Ｂの外周側で、固定壁側となるケーシング側スリーブ２１の表面、すなわち、第１の凹部２１ｂの車輪３側の一側端面２１ｋの表面に、円弧状の凹条部４１ａ、４１ｂによって溝４１、４２が形成されている。この溝４１、４２は、図２に示したように、車軸２の軸方向から見て狭間隙Ｂの少なくとも上方を覆う長さ、位置に設定されている。

これを図２に基づいていえば、溝４１、４２の両端部の位置が、狭間隙Ｂの水平方向両端面の位置における垂線Ｑと同じか、それ以上垂線Ｑの外側（外周側）に位置していればよい。なお垂線Ｑは狭間隙Ｂの最外周の位置での垂線である。Ｐは車軸２の軸心である。また溝４１は、溝４２の外周側に位置しているが、少なくとも１つの溝がかかる条件を満たしていればよい。したがって本発明でいう軸方向から見て狭間隙Ｂの少なくとも上方を覆うとは、上記したように、ガイド部となるたとえば溝４２両端部の位置が、狭間隙Ｂの水平方向両端部の位置における垂線Ｑと同じか、それ以上外周側（径方向外側）に位置していることを意味している。

実施の形態にかかる鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置１は、以上の構成を有しており、歯車からの潤滑油は図中の右側から車輪３の方向へと侵入していく。したがってそのときの侵入の入口となる部分は、狭間隙Ａである。この狭間隙Ａを通過した油滴は、まず回転するスリンガ１１ｂの表面から遠心力で振り切られ、また圧力変動により大部分が気相になる。そして気相になった潤滑油は、第１の凹部２１ｂの表面に付着し、次第に凝縮して油滴ｘとなって、第１の凹部２１ｂの車輪３側の一側端面２１ｋを伝って下方に落ちていく。

そうすると油滴ｘは、やがて溝４１でトラップされ、溝４１内に入り込む。溝４１内に入り込んだ油滴ｘは、溝４１をガイドとして、図２に示したように、溝４１の両端部へと案内され、やがて狭間隙Ｂを迂回して溝４１の両端部から下方に落下する。したがって、油滴ｘが狭間隙Ｂ内に侵入することは抑えられる。なお落下した油滴ｘは、車軸２の下方に位置する第１の凹部２１ｂの底部に形成された排出孔（図示せず）から、潤滑油貯留部（図示せず）へと流入する。

このように実施の形態によれば、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置１の狭間隙Ａから侵入した潤滑は、狭間隙Ｂに侵入することが抑えられるので、ラビリンスシール本来の機能と相俟って、従来よりも潤滑油の漏出が大幅に抑えられている。

また本実施の形態では、溝４１の内周側にさらに溝４２が設けられているので、油滴の量が多くなって、溝４１を越えて狭間隙Ｂに向かって落ちて行く油滴があっても、溝４２によって受け止められこの溝４２によってガイドされるから、狭間隙Ｂに侵入することが抑えられる。したがって、この点でも潤滑油の漏出が大きく抑えられている。

前記実施の形態では、円弧状の溝４１、４２を狭間隙Ｂの上方に設けていたが、これに限らず、例えば図３〜図５に示したように、種々の構成を採用することができる。

図３に示したものは、図２に示した溝４１、４２よりも長い円弧状の溝４３、４４を示している。

図４に示したものは、図２に示した溝４１、４２の外周側に、さらに溝４１、４２よりも長い半円の円弧状の溝４５、４６を設けた例を示している。

そして図５に示したものは、環状の溝４７、４８、４９、５０を同心円状に形成した例を示している。

このように、本発明では、狭間隙の上方を覆う溝の形状、数を任意に選択することができ、溝の形成場所の広さ、予想される油滴の量などに応じて柔軟かつ適切に対応することが可能である。

また前記した実施の形態では、狭間隙Ｂの上方に溝４１、４２を設けた例を示したが、既述したように、たとえば図１に示した非接触式シール装置１のラビリンスシールにおいては、他に狭間隙Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅが存在している。本発明は、これら他の狭間隙Ａ、Ｃ、Ｄ、Ｅに夫々、ガイド部として、たとえば溝を形成したものであってもよい。

なお、本発明に類似の効果を奏する例として、図６には、ケーシング側スリーブ２１の表面の側端面２１ｍに、凸条部５１ａ、５１ｂによって溝５２を形成した例を示している。かかる場合、側端面２１ｍを伝って落下した油滴は、本発明と同様に、凸条部５１ａ、５１ｂの表面や溝５２でトラップされ、これら凸条部５１ａ、５１ｂの表面や溝５２によってガイドされ、狭間隙Ｃを迂回するようにして下方に落下していく。したがって、油滴が狭間隙Ｃに侵入して外部に漏出することが抑制される。

また狭間隙Ａについては、第１の凹部２１ｂ内でスリンガ１１ｂと対向するケーシング側スリーブ２１の表面にガイド部を形成すればよく、狭間隙Ｄについては、凹部２１ｇに面するケーシング側スリーブ２１の表面にガイド部を形成すればよい。また狭間隙Ｅについては、第３の凸部２１ｈの端面にガイド部を形成すればよい。さらにまた図１に示した例では、狭間隙Ｂの上方を覆うガイド部を形成するため、凹条部４１ａ、４１ｂを形成したが、もちろん図６に示したように、凸条部５１ｃ、５１ｄでガイド部を形成してもよい。

これら狭間隙Ａ〜Ｅの外周上方に設けるガイド部は、すべての狭間隙Ａ〜Ｅの外周上方に設けてもよく、またどれか１つの狭間隙の外周上方に設けてもよい。もちろん任意の狭間隙を選択して複数の箇所に設けてもよい。

図１に示した実施の形態、すなわち狭間隙Ｂの外周上方に溝４１、４２を形成した例と、そのような溝を有していない単なるラビリンスシールのみを採用した従来技術（すなわち、図１に示した構造において、ガイド部を形成する凹条部４１ａ、４１ｂを形成せず、一側端面２１ｋの表面が平坦なもの）に対して、各々潤滑油の漏出実験（ベンチテスト）をした結果、表１の結果が得られた。漏出実験は、従来技術、実施の形態とも回転数を６０００ｒｐｍに設定して車軸２を回転させた。

この結果からわかるように、従来技術では油漏れが発生したが、本実施の形態では、油漏れが発生しなかった。より詳述すれば、従来技術では実験開始後３０分で油漏れが発生したが、実施の形態では、実験開始後２時間経過しても油漏れが発生しなかった。

本発明は、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール構造に有用である。

１ 非接触式シール装置
２ 車軸
３ 車輪
４ 軸受け蓋
１１ 回転軸側スリーブ
１１ａ 第１の周面部
１１ｂ スリンガ
１１ｃ 凹部
１１ｄ 第１の凸部
１１ｅ 第１水平凹部
１１ｆ 斜面部
１１ｇ 第２の凸部
１１ｈ 第２水平凹部
１１ｉ 第２の周面部１１ｉ
１１ｊ 凹部１１
２１ ケーシング側スリーブ
２１ａ 第１の周面部
２１ｂ 第１の凹部
２１ｃ 第１の凸部
２１ｄ 段部
２１ｅ 第２の凹部
２１ｆ 第２の凸部
２１ｇ 凹部
２１ｈ 第３の凸部
２１ｉ 第２の周面部
２１ｊ 凹条部
２１ｋ 一側端面
４１〜５０ 溝
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ 凸条部
５２ 溝
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ 狭間隙
Ｐ 軸心
Ｑ 垂線
ｘ 油滴

Claims (3)

1. 鉄道車両の車軸における車輪と歯車との間の外周に設けられ、前記車軸と一体となって回転する回転壁と、前記歯車を収容する歯車箱を構成するケーシング側の固定壁とでラビリンスシールが構成された、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置において、
   上下方向に対面する回転壁と固定壁とによって環状に形成された狭間隙の入口よりも外周側の固定壁表面に、前記回転壁表面と前記固定壁表面との相対位置関係で、前記回転壁表面より基準面が突出することとなる凹条部または前記回転壁表面より頂面が突出することとなる凸条部によって形成され、かつ前記車軸の軸方向から見て、前記狭間隙の入口の少なくとも上方を覆うように前記回転壁表面から突出したガイド部が形成されていることを特徴とする、鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置。
   
2. 前記ガイド部は、環状であることを特徴とする、請求項１に記載の鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置。
3. 前記ガイド部は、前記車軸の軸方向から見て、同心円上に複数形成されていることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の鉄道車両用歯車箱の非接触式シール装置。

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