JP4593171B2 - 鉄道車両用軸受装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉄道車両の車軸を転がり軸受で支持する軸受装置に関する。

鉄道車両の車軸用軸受装置は、車軸に装着される転がり軸受と、車軸に装着されて転がり軸受の内輪の軸方向位置決めをする前後一組のリング部材を備える。リング部材は、内輪の後方幅面に当接する後ろ蓋と前方幅面に当接する油切り、または、内輪の前後両幅面に当接する後ろ蓋と前蓋で、熱処理された炭素鋼材で構成されている。

図５に一般的な鉄道車両用軸受装置を示す。この軸受装置は、車軸１に装着された転がり軸受２の内輪３の両端に後ろ蓋１１と油切り１２の一組のリング部材を当接させている。転がり軸受２は、例えば複列の円錐ころ軸受で、分割型の内輪３と、一体型の外輪４と、内輪３と外輪４の間に配置された複列のころ５と、その保持器６を有する。車軸１に後ろ蓋１１が嵌挿され、転がり軸受２が組み付けられ、油切り１２が嵌挿される。油切り１２を内輪３の前方幅面を圧接し、内輪３の後方幅面を後ろ蓋１１の前方幅面に圧接させて、車軸１に対する内輪３の軸方向位置を規制している。また、後ろ蓋１１と油切り１２の各々の外周にオイルシール１４、１４が摺接可能に装着され、各オイルシール１４、１４は外輪４の前後両端から延在させたシールケース１５、１５の内側に取り付けられる。

このような軸受装置においては、車軸１に鉄道車両特有の過大なラジアル荷重が負荷されると、車軸１に過大な曲げモーメントが掛かり、内輪３と後ろ蓋１１の接触部Ｘに繰り返し応力が発生し、内輪３と油切り１２の接触部Ｙにも繰り返し応力が発生して、各接触部Ｘ，Ｙの接触面がフレッティング（摩耗）して炭素鋼材の微小な摩耗粉が発生する。このようなフレッティング摩耗は、車軸１に過大なラジアル荷重が負荷される鉄道車両にとって不可避なものであり、フレッティング摩耗が継続すると、軸受２の軸方向精度が低下し、発生した摩耗粉が軸受２の内部に侵入して軸受内の潤滑剤を劣化させ、軸受２の寿命を短くする原因となる。

上記のようなフレッティング摩耗粉の発生を抑制する軸受装置として、内輪と後ろ蓋などのリング部材との間に軟質のスペーサ（プレート）を介在させた装置（例えば、特許文献１参照）がある。図６は、内輪３と後ろ蓋１１の接触部Ｘに軟質金属板や樹脂板のスペーサ３２を介在させて、スペーサ３２で内輪３と後ろ蓋１１の直接衝突を回避させ、フレッティング摩耗の発生を抑制するようにしている。スペーサ３２は摩耗すると新品と交換されて、結果的に軸受装置を長寿命なものにする。

また、上記問題を解決するため、内輪とリング部材の直接接触による摩耗で発生したフレッティング摩耗粉が軸受内部に侵入しないようにした軸受装置（例えば、特許文献２の図８参照）が知られている。図７は、内輪３と後ろ蓋１１の接触部Ｘの外周部分にゴムリング等の弾性部材３３を弾圧接触させて、接触部Ｘで発生した摩耗粉が接触部Ｘから外に漏れ出さないようにしたものである。この場合の接触部Ｘの外径側は、内輪３と後ろ蓋１１の同一外径の外周を突き合わせた円周面で、この円周面に弾性部材３３を強固に圧接させることで接触部Ｘを気液密に封止し、摩耗粉が軸受２へと流出しないようにしてある。
特開２００１−０２７２５４公報（図１） 特開２００１−３５４１３６公報（図８）

図６の鉄道車両用軸受装置は、スペーサ３２が内輪３と後ろ蓋１１の摩耗を抑制してフレッティング摩耗粉の発生を少なくする点において有効であるが、発生した微量の摩耗粉が蓄積するとどうしても軸受内部へと流出して、軸受内部の潤滑剤を劣化させる等のトラブルが発生し、このトラブル発生を抑制することが難しい。

図７の軸受装置においては、内輪３と後ろ蓋１１の接触部Ｘから軸受へのフレッティング摩耗粉の流出が弾性部材３３で抑制できるが、接触部Ｘでの摩耗粉の発生と、摩耗粉の蓄積による不具合が依然として残存する。

以上のことから、図６のスペーサと図７の弾性部材の両方を組合わせて１つの軸受装置に使用することが考えられているが、この場合、構成部品点数が多くなり、軸受装置全体の組付工数が多くなって、軸受装置の製造組立が難しくなる。

本発明の目的とするところは、フレッティング摩耗粉の発生を抑制し、かつ、発生した摩耗粉の軸受内部への流出を抑制した、製造組立性の良好な鉄道車両用軸受装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、車軸に装着される転がり軸受の内輪の幅面と、前記車軸に装着されて車軸に対する前記内輪の軸方向位置を規制するリング部材の幅面との間に、両幅面に当接させて環状スペーサを介在させた鉄道車両用軸受装置において、前記環状スペーサの外径側周縁部に、前記内輪とリング部材の対向する両幅面に弾性変形して当接する環状弾性シール材をその弾性変形方向略中央部で一体に固着し、前記両幅面のいずれか一方が平面で他方に段部が形成してあり、前記環状スペーサの外径側周縁部を前記段部側に屈曲させて前記平面から浮かせた状態にして前記環状弾性シール材を一体に固着すると共に、前記環状弾性シール材の片側を前記段部に嵌合し、前記段部の内側に、該段部を形成した前記幅面と前記環状スペーサとの間に形成された、摩耗粉の貯溜スペースを有することを特徴とする（請求項１の発明）。

本願発明における内輪の幅面に当接するリング部材は、図５で説明したような後ろ蓋と油切り、或いは、後ろ蓋と（油切りに代えた）前蓋であり、内輪と後ろ蓋の間に環状スペーサを介在させ、また、内輪と油切り又は前蓋の間にも環状スペーサを介在させている。通常においてフレッティング摩耗粉は、内輪と後ろ蓋の間の方が、内輪と油切り又は前蓋の間よりも発生しやすいことから、内輪と後ろ蓋の間だけに環状スペーサを介在させることも有効である。また、環状スペーサは、内輪とリング部材の直接の接触を回避させてフレッティング摩耗粉の発生を極力抑制するもので、軟質金属である黄銅製薄板が望ましい。この環状スペーサの外径側周縁部に環状のゴムなどの弾性シール材を一体化して固着することで、一部品である弾性シール材付環状スペーサを製作し、この一部品を内輪とリング部材の間に組付ける。内輪とリング部材の対向する幅面に弾性シール材を弾性変形させて当接させることで、環状スペーサの前後両幅面に当接させた内輪とリング部材の幅面の接触部の外周域が環状弾性シール材で気液密に封止される。この際、環状弾性シール材と内輪およびリング部材との締め代を均等にすることで、弾性シール材の変形量を確保し、環状弾性シール材の硬化および永久歪を抑制する。接触部で発生し蓄積した摩耗粉は、環状スペーサの幅面を伝って弾性シール材へと流れるが、弾性シール材に達したところで流出が阻止されて、弾性シール材を越えて軸受内部へと流入する心配が皆無となる。

本発明の軸受装置は、弾性シール材の圧縮に伴う経時硬化（劣化）対策も併せて考慮している。すなわち、図８のように環状スペーサ３２ａと弾性シール材３３ａを単純に組み合わせた場合、例えば内輪３の幅面が平面であると、環状スペーサ３２ａに一体化された弾性シール材３３ａの片側が当該平面で弾性限度を超えて潰されてしまう。この結果、環状スペーサ３２ａの屈曲部に近い弾性シール材３３ａ部分が早期に経時硬化（劣化）する。図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）は、弾性シール材３３ａが新品の状態（Ｂ）から、次第に硬化していく状態を示す（Ｃ，Ｄの黒塗部分ｈ）。図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）はいずれも弾性シール材３３ａを軸受から取り外した状態で示す。このように弾性シール材３３ａが硬化すると、復元性が悪化するため亀裂が発生し、この亀裂に有機物がスラッジとして堆積して次第に亀裂を拡大し、最後は弾性シール材を破壊する。

そこで、本発明は、環状弾性シール材をその弾性変形方向略中央部で環状スペーサの外径側周縁部に一体に固着した。こうしておけば、弾性シール材が内輪（またはリング部材）の平面によって弾性限度を超えて潰されることがない。したがって、弾性シール材の経時硬化を防止して亀裂発生とスラッジ堆積による弾性シール材の破壊を防止することができる。

内輪とリング部材の両幅面の一方を平面に形成すると共に、他方に段部を形成し、環状スペーサの外径側周縁部を屈曲させて前記平面から浮かせた状態にして弾性シール材に一体に着する。そして、内輪又はリング部材の幅面に形成した段部に弾性シール材付スペーサの弾性シール材を嵌合させることで、出荷時や車軸への組込み時に環状スペーサの取付位置がずれず、組付性が良くなり、組付品質を高く設定することができる。

さらに、本発明は、内輪およびリング部材の幅面や環状スペーサの摩耗粉が弾性シール材に到達するのを抑制するため、弾性シール材の内側に摩耗粉の貯溜スペースを形成している。この貯溜スペースは、段部の内径側に、該段部を形成した側の幅面と環状スペーサとの間に形成される。

また、本発明においては、環状スペーサの内径側周縁部にも弾性シール材を一体に固着することができる。この場合の弾性シール材は、環状スペーサの外径側周縁部に一体に固着する弾性スペーサと区別するため第２の弾性シール材と呼ばれる。この第２の弾性シール材は、環状スペーサの外径側周縁部に一体に固着した弾性スペーサ（以下、必要に応じて第１の弾性スペーサと称する。）と同様に内輪とリング部材の両幅面に弾性変形して密着することで、内輪とリング部材の間の接触部を内外径両方から封止して、摩耗粉の内外径両方への流出を阻止する。

第２の弾性シール材を使用する場合、第２の弾性シール材に当接するリング部材及び／又は内輪の幅面に、第２の弾性シール材が挿脱自在に嵌合する第２の段部を形成することが望ましい。第２の弾性シール材と第１の弾性シール材の双方をリング部材や内輪の対応する段部に嵌合させることで、出荷時や車軸への組込み時の環状スペーサの取付位置の安定性が増し、組付性がより良好となる。

本発明においては、環状スペーサが、潤滑剤を含油保持する手段を具えた薄板であることが実用上望ましい。異材プレートの薄板に潤滑剤を含有保持させる手段としては、表面に縦横方向に形成した潤滑剤保持溝、表面に部分的に形成した多数の微少な窪み、表裏面を貫通させた多数の小径の貫通孔が適切である。異材プレートの環状スペーサ自体に潤滑剤を含有保持させることで、内輪とリング部材間の潤滑性が増し、環状スペーサ自体の摩耗も抑制されて、フレッティング摩耗粉の発生抑制効果が増す。

以上の本発明における転がり軸受は、複列の円錐ころ軸受が実用上に望ましいが、鉄道車両の種類によっては円筒軸受であってもよい。

本発明によれば、軸受内輪とこの内輪を車軸に対して位置規制する後ろ蓋などのリング部材との接触部でのフレッティング摩耗粉の発生が環状スペーサの介在で抑制され、かつ、スペーサなどから摩耗粉が発生しても、スペーサの外径側周縁部に一体化された弾性シール材が摩耗粉の軸受内部への流出を阻止して軸受の長寿命化が図れ、これにより鉄道車両用軸受装置の保守・点検のメンテナンス周期の長期化が可能となる。

また、環状スペーサの外径側周縁部に弾性シール材を一体に固着して一部品として製作することで、スペーサとシール材の取扱い、保守管理が容易となり、製作コストの低減が図れる。さらに、本発明では環状弾性シール材をその弾性変形方向略中央部で環状スペーサに一体に固着したので、環状弾性シール材が内輪とリング部材の幅面に当接して弾性変形する場合に過度に圧縮される心配がない。また、弾性シール材付環状スペーサをリング部材又は内輪の幅面に設けた段部に嵌合して組付けることで、弾性シール材付環状スペーサの組付性が良好となり、車軸に対する環状スペーサの位置ずれが生じず、高品質な軸受装置の製造組立が容易となる。

また、環状弾性シール材と内輪およびリング部材との締め代を均等にすることが可能となるから、弾性シール材の変形量を確保し、環状弾性シール材の硬化および永久歪を抑制することができる。

さらに、摩耗粉のための貯留スペースを、弾性シール材を嵌合する段部の内側に形成することで、摩耗粉ないし潤滑油等から発生したスラッジが弾性シール材に直接的に付着して同シール材を内部破壊により早期劣化させるのを防止することができる。

第１の実施の形態を図１〜図３を参照して以下順に説明する。なお、この実施の形態の鉄道車両用軸受装置は、図５の軸受装置と基本構造が同様であることから、図５と同一、または、相当部分には同一符号を付して、説明の重複を避ける。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示される第１の実施の形態は、内輪３と後ろ蓋１１（リング部材）の接触部Ｘに１枚の弾性シール材付環状スペーサ２０を介在させ、環状スペーサ２０の両側幅面に内輪３の後方幅面と後ろ蓋１１の前方幅面を当接させている。弾性シール材付環状スペーサ２０は、円環状の黄銅製薄板であるスペーサ２０の外径側周縁部に、円環状のゴムリングなどの弾性シール材２１を一体に固着した一体形部品である。

環状スペーサ２０は、黄銅製金属薄板をプレス成形したもので、外径側周縁部に後方にほぼ９０°折曲したリブ部２０ａを一体に有する。また環状スペーサ２０はリブ部２０ａの近傍で段違い面２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅを形成するように２つの連続したく字状屈曲部２０ｆが円環状に形成される。環状スペーサ２０のリブ部２０ａの全面を覆うように弾性シール材２１が一体に固着される。この固着する位置は、弾性シール材２１の弾性変形方向、すなわち軸受装置の軸線方向略中央部である。ここで「略中央部」としたのは、環状スペーサ２０の両側で弾性シール材２１の圧縮率が略等しくなるようにするためである。したがって、リブ部２０ａの突出量も考慮して弾性シール材２１の固着位置を決めることになる。例えば、図１（Ｂ）でリブ部２０ａが右側にさらに長く突出する場合は、環状スペーサ２０を相対的に左側に寄せて固着することになる。弾性シール材２１はニトリルゴムなどの耐摩耗性弾性部材で、環状スペーサ２０の円環状リブ部２０ａの表裏面を覆う円環形状で型成形され、リブ部２０ａに固定される。また、リブ部２０ａの開放端部に図３（Ａ）、（Ｂ）に示すような複数の歯部２０ｇを一体に突設して、この歯部２０ｇと隣接する歯部２０ｇ間にシール材２１を食い込ませるようにして、スペーサ２０とシール材２１の固着強度を高く確保することができる。

図１（Ｂ）に後ろ蓋１１の前方幅面Ｍ１と内輪３の後方幅面Ｍ２を示す。内
輪３の幅面Ｍ２は１つの環状平坦面である。後ろ蓋１１の幅面Ｍ１は、環状の内径側平坦面Ｎ１、中間平坦面Ｎ２，Ｎ３、および外径側平坦面Ｎ４の４つに順次段下がりで区分される。そして中間平坦面Ｎ２とＮ３の間に段部２５が形成される。段部２５は、内側の中間平坦面Ｎ２の外周から略９０°で凹段となった部分で、段部２５の後方端から外側の中間平坦面Ｎ３が延在する。図２に示すように、段部２５の外周の半径ｒ１は、弾性シール材付環状スペーサ２０における円環状弾性シール材２１の弾性変形しない平常時の半径ｒ２より少し大きく設定される（ｒ１＞ｒ２）。また、図２に示す平常時の弾性シール材２１の幅Ｗ２は、段部２５の段差Ｗ１とスペーサ２０の板厚ｔの合計より少し大きく設定される（Ｗ２＞Ｗ１＋ｔ）。

環状スペーサ２０の外径側周縁部に弾性シール材２１を一体化した弾性シール材付環状スペーサ２０が後ろ蓋１１の幅面Ｍ１で突出する段部２５の外周に圧入的に嵌合されて、後ろ蓋１１に一体に組み付けられる。環状の弾性シール材２１が弾性変形して段部２５の外周と外径側の中間平坦面Ｎ３に圧接する。弾性シール材２１が段部２５に弾圧的に嵌合することで、後ろ蓋１１と環状スペーサ２０の相対位置関係が一定し、環状スペーサ２０の位置ずれや脱落がなくなる。この後ろ蓋１１を車軸１に嵌挿し、車軸１に軸受２を組付けると、環状スペーサ２０の位置ずれと脱落の心配がなくて、軸受装置の組立性が良好となり、組立精度が安定する。

一方、環状スペーサ２０は組み付け状態でその段違い面２０ｂ，２０ｃが内輪３の前方幅面Ｍ１と後ろ蓋１１の中間平坦面Ｎ２にそれぞれ当接する。段違い面２０ｄの外径側一部と、後ろ蓋１１の中間平坦面Ｎ２との間に摩耗粉のための第１の貯溜スペースＳ１が形成される。また段違い面２０ｅと、内輪３の前方幅面Ｍ１との間に第２の貯溜スペースＳ２が形成される。段違い面２０ｃと後ろ蓋１１の中間平坦面Ｎ２とを当接させることにより、車軸１が撓んだ時の弾性シール材２１にかかる負荷を軽減できる。また摩耗粉が弾性シール材２１に到達するのを遅らせることができる。ただし、段違い面２０ｃと後ろ蓋１１の中間平坦面Ｎ２は必ずしも当接させなくてもよい。必要に応じて、段違い面２０ｃと後ろ蓋１１の中間平坦面Ｎ２との間に、摩耗粉のための第２の貯溜スペースＳ２を拡張形成してもよい。

図１（Ｂ）に示すように、軸受装置の組立完了の時点で環状スペーサ２０が後ろ蓋１１の内径側平坦面Ｎ１と内輪３の幅面Ｍ２に当接して、後ろ蓋１１と内輪３の直接の接触による摩耗を回避して、フレッティング摩耗粉の発生を確実に抑制する。同時に弾性シール材２１が後ろ蓋１１の段部２５外周と中間平坦面Ｎ３に圧接し、かつ、内輪３の幅面Ｍ２にも圧接して、後ろ蓋１１と内輪３の間の接触部Ｘの外周域を気液密に封止する。そのため、接触部Ｘでスペーサ摩耗粉が発生しても、この摩耗粉は弾性シール材２１で接触部外方への流出が阻止されて、フレッティング摩耗粉の軸受２内部への流入が確実に阻止され、軸受２を長寿命にすることができる。

また、図１（Ａ）の軸受装置において、車軸１に掛かる負荷で車軸１が撓むと、この撓みに対して後ろ蓋１１の幅面Ｍ１の外径側に凹んで形成された中間平坦面Ｎ２，Ｎ３での隙間が前記撓みを許容する逃げ部分となり、この逃げ部分で接触部Ｘにおけるフレッティング摩耗粉の発生がより効果的に抑制される。

次に、本発明の変形実施例を図４に示す。この変形実施例は後ろ蓋１１の前面幅面Ｍ１と内輪３の後面幅面Ｍ２にそれぞれ段部Ｐ２，Ｑ２を形成し、環状スペーサ４０は前面幅面Ｍ１と後面幅面Ｍ２の平坦面Ｐ１，Ｑ１に挟み込む。環状スペーサ４０の先端部をいずれか一方の段部Ｐ２（またはＱ２）側に直角に屈曲してリブ部４０ａとし、このリブ部４０ａに弾性シール材２１を一体的に固着する。弾性シール材２１の両側は段部Ｐ２，Ｑ２に嵌合する。

このようにすれば弾性シール材２１が過度に圧縮されることがないから早期劣化の心配がない。弾性シール材２１に近接する位置で平坦面Ｐ１，Ｑ１を削って前述の貯溜スペースＳ１，Ｓ２と同様に、貯溜スペースＳ３，Ｓ４を形成してもよい。貯溜スペースＳ３，Ｓ４があると弾性シール材２１に到達する摩耗粉を低減できるから弾性シール材２１の信頼性が一層向上する。

（Ａ）は第１の実施の形態を示す鉄道車両用軸受装置の断面図、（Ｂ）は要部の拡大断面図である。 図１の軸受装置の要部の分解断面図である。 （Ａ）は図２の弾性シール材付環状スペーサの部分拡大断面図、 （Ｂ）は部分断面を含む部分平面図である。 本発明の変形実施例を示す軸受装置の要部の拡大断面図である。 従来の鉄道車両用軸受装置の基本的構造を説明するための断面図である。 図５の軸受装置の従来構造を説明するための部分拡大断面図である。 図５軸受装置の他の従来構造を説明するための部分断面図である。 （Ａ）は弾性シール材付環状スペーサの部分拡大断面図、（Ｂ）〜（Ｄ）は弾性 シール材の経時硬化の状態を示す断面図。

符号の説明

１ 車軸
２ 軸受
３ 内輪
４ 外輪
５ ころ
６ 保持器
１１ 後ろ蓋
１２ 前蓋
１４ オイルシール
１５ シールカバー
２０ 環状スペーサ
２０ａ リブ部
２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ 段違い面
２０ｆ く字状屈曲部
２０ｇ 歯部
２１ 円環状弾性シール材
２５ 段部
３２ スペーサ
３３ 弾性部材
Ｍ１ 前面幅面
Ｍ２ 後方幅面
Ｎ１ 内径側平坦面
Ｎ２，Ｎ３ 中間平坦面
Ｎ４ 外径側平坦面
Ｓ１ 第１の貯留スペース
Ｓ２ 第２の貯留スペース
ｔ 板厚
Ｗ１ 段部の段差
Ｗ２ 弾性シール材の幅
Ｘ，Ｙ 接触部

Claims (2)

1. 車軸に装着される転がり軸受の内輪の幅面と、前記車軸に装着されて車軸に対する前記内輪の軸方向位置を規制するリング部材の幅面との間に、両幅面に当接させて環状スペーサを介在させた鉄道車両用軸受装置において、
   前記環状スペーサの外径側周縁部に、前記内輪とリング部材の対向する両幅面に弾性変形して当接する環状弾性シール材をその弾性変形方向略中央部で一体に固着し、
   前記両幅面のいずれか一方が平面で他方に段部が形成してあり、前記環状スペーサの外径側周縁部を前記段部側に屈曲させて前記平面から浮かせた状態にして前記環状弾性シール材を一体に固着すると共に、前記環状弾性シール材の片側を前記段部に嵌合し、
   前記段部の内側に、該段部を形成した前記幅面と前記環状スペーサとの間に形成された、摩耗粉の貯溜スペースを有することを特徴とする鉄道車両用軸受装置。
2. 前記転がり軸受が複列の円錐ころ軸受であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用軸受装置。