JP4562610B2

JP4562610B2 - 鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置

Info

Publication number: JP4562610B2
Application number: JP2005218863A
Authority: JP
Inventors: 秀樹中村
Original assignee: Hitachi Nico Transmission Co Ltd
Current assignee: Hitachi Nico Transmission Co Ltd
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP2007030750A

Description

本発明は、鉄道関係の各種設備の保守、整備等に使用される鉄道作業車、例えば、軌道モータカー、架線交換車、トンネル内点検車、バラスト交換機等において、特に、走行用動力源としてエンジンを備えた鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置に関するものである。

このような鉄道作業車では、高速度で作業現場へ移動するための通常走行運転と、各種作業を行うために低速度で走行する作業走行運転とが行われる。この作業走行運転の手段として、特許文献１に開示されているように、エンジンと車軸との間に配置されたトランスミッションに歯車列を介してＰＴＯ軸を設けて油圧ポンプと油圧モータを取り付け、油圧ポンプの発生油圧によって油圧モータを駆動して低速の車速を得る静油圧駆動方式が既に提案されている。また、特許文献２に開示されているように、トランスミッションの出力軸に湿式多板ブレーキを設けてその押圧力を制御し、湿式多板ブレーキをスリップさせながら必要とする低速の車速を得る方式も行われている。

特開平９−１３２１３６号公報特開２００３−３００４５６号公報

ところで、このような従来の鉄道作業車の駆動装置においては、次のような問題があった。すなわち、静油圧駆動方式の低速走行装置を備えた鉄道作業車では、作業走行運転時にのみ使用する高圧の油圧ポンプ、油圧モータ、フィルタ等から構成される静油圧回路がトランスミッションの油圧回路とは別系統に存在し、油圧系統が複雑な構成になると共に、高圧で使用するために油のコンタミ管理等保守点検を入念に行う必要がある。

また、トランスミッションの出力軸に湿式多板ブレーキを設けた低速走行装置を備えた鉄道作業車では、作業走行運転時にエンジンの回転速度を低回転にセットするものの、トルクコンバータを介したエンジンの駆動力に逆らい、湿式多板ブレーキをスリップさせながら制動力を付与して低速度を得るので、スリップによる湿式多板ブレーキからの発熱量が多く、その熱を冷却するためには大型の冷却油ポンプおよび冷却油回路が必要である。

しかも、これらのいずれの駆動方式においても、作業走行運転はエンジンの駆動状態で行う必要があるので、エンジンからの排気ガスが問題となるトンネル内の作業や騒音が制限される夜間作業等では使用できないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、特別の油圧回路や大型の冷却油ポンプ等を必要とせず、かつ、エンジンを停止した状態で低速の作業走行運転が可能な、鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、トルクコンバータを介してエンジンに連結されたトランスミッションであって、各速度段クラッチ、この各速度段クラッチに連なる歯車列、これらの歯車列を経て車輪に動力を伝達する出力軸とからなるトランスミッションを有する鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置において、トルクコンバータの出力側のタービン軸からトランスミッションの第１クラッチを介してエンジンからの動力を伝達する第１ギヤと、この第１ギヤと同軸上に遊転支持され、第２クラッチを介して第１ギヤと結合する第２ギヤと、この第２ギヤにかみ合う歯車列にギヤ比切換クラッチを介して連結される回転軸に配置された、ジェネレータ／モータと、前記トルクコンバータの入力側のインペラホイールにより駆動される回転軸に配置された発電機と、この発電機が発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、変換された直流電力を蓄電するバッテリと、このバッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータを設け、ジェネレータ／モータがバッテリに蓄電された電力により電動機として作動することを特徴とするものである。

なお、好適には、トランスミッションが、第１クラッチ、第１ギヤ、第２クラッチおよび第２ギヤをタービン軸上に配置されたものであることが望ましく、また、トランスミッションが、タービン軸およびそれと平行に配置した逆転軸に、第１クラッチ、第１ギヤおよび第１クラッチの入力側と一体回転するクラッチギヤをそれぞれ配置し、各軸のクラッチギヤを互いにかみ合わせると共に、上記タービン軸上または逆転軸上のいずれかに第２ギヤおよび第２クラッチを設けたものであることもできる。

本発明によれば、鉄道作業車の通常走行運転はエンジンで駆動し、作業走行運転は電動機で駆動することができるので、トンネル内等の閉鎖された空間での排気ガスの問題が解消されると同時に、エンジンによる駆動に比べて騒音が格段に低下し、夜間作業等も行うことができる。また、電動機による駆動なので別の油圧系統や油圧機器を必要とせず、保守点検を簡素化することができる。また、走行中にバッテリの残容量が少なくなってきても、エンジンにより発電機を回転させて充電できるので、バッテリ交換の必要がなく、作業時間を節約することができる。また、充電のためにエンジンを使用できない場合には、エンジンが使用できる別の現場へ移動し、その走行中や作業中に充電することも可能で、充電後にはエンジンの使用ができない場所での作業を再開することができる。したがって、バッテリの容量を小さくすることが可能であり、鉄道作業車の小型化、軽量化にもつなげることができる。なお、バッテリの充電は、通常、エンジン動力による走行中の発電によってできるので、車庫を出て作業現場に到着するまでの間および作業を終えて車庫に戻るまでの間に行うことが可能で、車両区でのバッテリ充電時間を大幅に短縮することができ、バッテリの残容量管理が容易になる。

以下、図１、図２および図３を参照して本発明の実施形態について述べる。図１は、本発明のハイブリッド型駆動装置を搭載した鉄道作業車の駆動系統を示す概略図である。図１において、トランスミッション２は、エンジン１からの動力をその出力軸から推進軸５、６に変速して伝達する。推進軸５，６の他方端は、車両の前方と後方の車軸に取り付けられた終減速機７、８に接続され、トランスミッションの出力軸の回転速度をさらに減速して車輪９、１０に伝達する。

トランスミッション２には、発電機軸を介して発電機３、ＰＴＯ軸を介して発電機と電動機を兼用するジェネレータ／モータ４が接続されていて、発電機３により発電された交流電力は、コンバータ１１を経て直流電力に変換された後、遮断器１３を経てバッテリ１４に蓄電される。同様に、ジェネレータ／モータ４の発電機により発電された交流電力はインバータ１２を経て直流電力に変換された後、遮断器１３を経てバッテリ１４に蓄電される。

そして、バッテリ１４を動力源として作業走行運転を行う場合には、バッテリ１４に蓄電された電力をインバータ１２により交流電力に変換した後、ジェネレータ／モータ４へ出力してこれを電動機として作動させ、ＰＴＯ軸からトランスミッション２の減速歯車機構を経て通常走行運転より低い回転速度を車輪に伝達する。

なお、遮断器１３は、図示されない制御装置からの動作指令に基づいて、コンバータ１１からインバータ１２およびバッテリ１４への電力の供給および遮断をする機能と、コンバータ１１とインバータ１２間の直流電力をバッテリ１４への供給および遮断をする機能と、コンバータ１１およびバッテリ１４からインバータ１２への電力の供給および遮断をする機能を備えるものである。

図２は、本発明の実施形態である鉄道作業用車のハイブリッド型駆動装置の構成を示す説明図である。この図２において、エンジン１からの動力は、トランスミッション２の入力継手２１に伝達され、この入力継手２１と一体のトルクコンバータ２２のホイールカバー２５を経てそのインペラホイール２６に伝達される。このインペラホイール２６が回転すると、トルクコンバータサーキット内の油の循環によるポンプ作用によってタービンホイール２７が回転し、このタービンホイール２７と一体のタービン軸２３に動力が伝達される。

このタービン軸２３に伝達された動力は、走行方向に応じて結合される、トランスミッションの第１クラッチである正転クラッチ２８または逆転クラッチ２９によって第１ギヤ３２または３３に伝達され、歯車軸３４と一体の駆動ギヤ３５に伝達された後、必要な車速に応じて結合される１速クラッチ３０または２速クラッチ３１、およびそれらのクラッチ３０およびクラッチ３１により選択された各歯車列を経由して出力軸２４に伝達される。（タービン軸２３、逆転軸６１、歯車軸３４および出力軸２４はそれぞれ平行に配置されていて、歯車軸３４の軸心は出力軸２４の垂直上方に位置し、タービン軸２３と逆転軸６１の軸心は歯車軸３４の上方偏心位置に配置されている。そして、第１ギヤ３２および３３は駆動ギヤ３５にそれぞれ直接かみ合っている。）

一方、タービン軸２３上には、第２ギヤ４０が回転自在に支持されていて、同軸２３上に設けられたトランスミッションの第２クラッチ４１である油圧多板式クラッチ（作業用クラッチ）の結合により、第２ギヤ４０と第１ギヤ３２がタービン軸２３上で一体的に回転する。タービン軸２３の上方には、この軸２３と平行に中間軸４２とＰＴＯ軸４３が設けられ、このＰＴＯ軸４３上には、作業走行運転時（電動機走行時）と通常走行運転時（エンジン走行時）で第２ギヤ４０とＰＴＯ軸４３の間の回転速度比を切り換えるギヤ比切り換えクラッチ４５が設けられている。ジェネレータ／モータ４を電動機として作動させる作業走行運転時には、低速で走行するために、このクラッチを高ギヤ比側（図の位置、Ｌ側）に結合し、作業現場への往復などエンジンによる通常走行時に発電機として使用する場合には低ギヤ比側（図と反対位置、Ｈ側）に結合し、エンジン定格回転速度でジェネレータ／モータ４を駆動した際に許容回転速度を越えないように設定されている。

ＰＴＯ軸４３には、軸と一体に固定され、外周にスプラインを備えたクラッチハブ４８と、ＰＴＯ軸４３に回転自在に支持され、外周スプライン４９を備えた高速ギヤ４６および外周スプライン５０を備えたと低速ギヤ４７と、これらのギヤのスプライン４９，５０とクラッチハブ４８の外周スプラインにかみ合うスプラインを内周に備えたスライダ４４を設けて、ギヤ比切り換えクラッチ４５は構成され、このスライダ４４を軸方向にスライドさせて、一方のギヤのスプラインとクラッチハブ４８を連結させることにより高速と低速とを切り換える。（通常走行運転から作業走行運転に移行する際には作業車が一旦停止するので、この例では、構成が簡単な機械式クラッチを採用しているが、油圧多板式クラッチを採用しても良い。また、ギヤ比切り換えクラッチ４５は設置せず、中間軸４２とＰＴＯ軸４３との間の回転速度比を１種類に固定し、エンジンによりジェネレータ／モータ４を駆動する際には、エンジンの回転速度を所定値以下で使用するようにしても良い。）

この実施例では、中間軸４２には、ＰＴＯ軸４３上の高速ギヤ４６とかみ合う中間小ギヤ５１とＰＴＯ軸４３上の低速ギヤ４７とかみ合う中間大ギヤ５２が設けられ、ギヤ比切り換えクラッチ４５をいずれか一方に結合することにより、ＰＴＯ軸４３の回転速度が増速又は減速されて、中間軸４２と一体の中間ギヤ５３に伝達される。

また、トルクコンバータ２２の入力側には、インペラホイール２６と一体に回転する小ギヤ５４が設けられ、アイドルギヤ５５を介して発電機３の軸５７と一体の大ギヤ５６にエンジン１からの動力を伝達する。この発電機軸５７には油圧多板式クラッチ５８が設けられていて、このクラッチ５８の出力側に発電機３が連結される。なお、この例では、発電機軸５７にクラッチを設けているが、公知の手段を用いて、発電機３が回転しても電力負荷を発生させないように制御することにより、このクラッチ５８を省略することもできる。

上記のような構成のトランスミッション２を有する駆動装置において、鉄道作業車の通常走行運転時と作業走行運転時の動力伝達経路は、以下のようになる。先ず、通常走行運転時には、車両の進行方向に応じてタービン軸２３上の正転クラッチ（第１クラッチ）２８、または逆転軸６１上の逆転クラッチ（第１クラッチ）２９のいずれか一方を結合する。クラッチギヤ５９と６０の歯数は同一に設定されているので、タービン軸２３と逆転軸６１上の回転速度は同じ回転速度になる。作業走行運転時には、これらのクラッチ２８、２９をいずれも脱の状態に保持する。また、作業走行運転時には、ジェネレータ／モータ４を電動機として使用し、逆方向への走行はモータの回転方向を反転させて行う。

（１）通常走行運転時（出力軸正転回転）の１速運転
エンジン→トルクコンバータ２２→タービン軸２３→クラッチギヤ５９→正転クラッチ２８→第１ギヤ３２→駆動ギヤ３５→１速クラッチ３０→１速ギヤ３６→出力大ギヤ３８→出力軸２４→車輪
（２）通常走行運転時（出力軸正転回転）の２速運転
エンジン→トルクコンバータ２２→タービン軸２３→クラッチギヤ５９→正転クラッチ２８→第１ギヤ３２→駆動ギヤ３５→２速クラッチ３１→２速ギヤ３７→出力ギヤ３９→出力軸２４→車輪

（３）通常走行運転時（出力軸逆転回転）の１速運転
エンジン→トルクコンバータ２２→タービン軸２３→クラッチギヤ５９→クラッチギヤ６０→逆転クラッチ２９（正転クラッチ２８は脱）→第１ギヤ３３→駆動ギヤ３５→１速クラッチ３０→１速ギヤ３６→出力大ギヤ３８→出力軸２４→車輪
（４）通常走行運転時（出力軸逆転回転）の２速運転
エンジン→トルクコンバータ２２→タービン軸２３→クラッチギヤ５９→クラッチギヤ６０→逆転クラッチ２９（正転クラッチ２８は脱）→第１ギヤ３３→駆動ギヤ３５→２速クラッチ３１→２速ギヤ３７→出力ギヤ３９→出力軸２４→車輪

（５）作業走行運転時（電動機走行）
ジェネレータ／モータ４→ＰＴＯ軸４３→ギヤ比切り換えクラッチ４５→低速ギヤ４７→中間大ギヤ５２→中間軸４２→中間ギヤ５３→第２ギヤ４０→第２クラッチ４１→第１ギヤ３２→駆動ギヤ３５→１速クラッチ３０→１速ギヤ３６→出力大ギヤ３８→出力軸２４→車輪

なお、この実施例では、タービン軸２３上に第２ギヤ４０と第２クラッチ４１を設けたが、これらを逆転軸６１上に設置しても同様の機能が得られ、どちらに設置するかはジェネレータ／モータ４等の配置により決定される。また、この実施例では、通常走行運転時に第１クラッチの結合を切り換えることにより前進方向と後進方向に同じ速度で走行できるよう構成されているが、これは作業車の進行方向を変えるための設備である転車台を使用して向きを変えなくても前進、後進を同一速度で走行できるようにするためである。

本発明のハイブリッド型駆動装置を搭載した鉄道作業車は次のように運転される。
（１）作業現場への往復等、通常走行運転時には、ギヤ比切り換えクラッチ４５を減速比の小さいＨ側に切り換え、第１クラッチである正転クラッチ２８または逆転クラッチ２９を結合し、１速クラッチ３０または２速クラッチ３１を選択的に結合して走行する。この通常走行運転時には、必要に応じてクラッチ５８および／又は第２クラッチ４１を結合し、発電機３および／又はジェネレータ／モータ４をエンジンで駆動し、発電機３やジェネレータ／モータ４によって発電された電力をバッテリ１４に蓄電する。（発電機３はジェネレータ／モータ４に比べて小容量に設定し、基本的にはジェネレータ／モータ４で発電し、必要に応じて両方で発電するのが望ましい。）そして、公知の手段によりバッテリの容量が上限に達したことを検出したら前記クラッチ５８および第２クラッチ４１を遮断し、バッテリの充電を終了させる。

また、停車中に発電機３及びジェネレータ／モータ４を用いて充電する場合には、ギヤ比切り換えクラッチ４５をＨ側に切り換えた後、正転クラッチ２８及び第２クラッチ４１を結合し、エンジンを所定の回転速度で回転させる。この時、１速クラッチ３０及び２速クラッチ３１は脱にする。

（２）低速で走行しながら作業を行う作業走行運転時には、エンジンを停止するか又はエンジンの回転速度を低回転に下げた状態で、ジェネレータ／モータ４をバッテリ１４からの電力によって電動機として作動させることにより走行する。この電動機による走行は、正転クラッチ２８を脱にしてエンジンからの動力を遮断した後、ギヤ比切り換えクラッチ４５を減速比の大きいＬ側に切り換えた状態に保持し、第２クラッチ４１を結合することにより行う。また、作業走行運転において走行方向を変える場合には、電動機の回転方向を反転させて対応する。

図３は、図２におけるタービン軸２３および中間軸４２部分の断面図である。タービン軸２３は、トランスミッション２のケーシング６２に軸受６５、６６を介して支持されており、タービン軸２３と同心に油圧多板式クラッチである正転クラッチ２８および第２クラッチ４１が設けられている。タービン軸２３上には、クラッチギヤ５９が正転クラッチ２８の外筒部材と一体に形成されてタービン軸２３に固定されており、第２ギヤ４０が第２クラッチ４１の外筒部材７７と一体に形成されてタービン軸２３に軸受を介して支持されている。第２クラッチ４１は、外筒部材７７の内周にスプライン係合する複数のアウタープレート７５と、このアウタープレート７５と１枚づつ交互に配置されたインナープレート７４と、このインナープレート７４がスプライン係合している第１ギヤ３２と一体のクラッチハブ７８と、上記アウタープレート７５とインナープレート７４を押圧するためのピストン７３を備えたピストン室７２と、そして、外筒部材７７に固定され、ピストン７３により押圧された各プレートの軸方向の移動を制限するバックプレート７６とからなっている。

なお、第２ギヤ４０の内周部には、タービン軸２３に一体に固定され外周部の溝にシールリングを挿入したシールカラー７１が設けられており、第２クラッチ４１のピストン室７２とタービン軸２３との間の作動油の受け渡しを行い、このシールカラー７１の貫通孔には、軸端カバー６３の供給孔６４から供給された作動油がタービン軸２３に加工された油路６９を通して供給される。

第１ギヤ３２は、軸受を介してタービン軸２３に回転自在に支持され、その両端部には、スプラインを備えたクラッチハブ７８が一体に形成されている。正転クラッチ２８は、第２クラッチ４１と同様に構成され、そのピストン室７９には軸端カバー６３の供給孔から供給された作動油が軸に加工された油路７０を通して供給される。（その他クラッチの詳細構造は第２クラッチ４１と同じなのでその説明を省略する。）中間軸４２は、軸受６７、６８を介してケーシング６２に支持され、軸と一体に中間小ギヤ５１、中間大ギヤ５２および中間ギヤ５３が固定されていて、この中間ギヤ５３が第２ギヤ４０にかみ合っている。

本発明のハイブリッド型駆動装置を備えた鉄道作業車は、作業走行運転時における排気ガスの問題が解消されるのでトンネル内等の閉鎖された空間での作業に適すると同時に、騒音が格段に低下するので、夜間作業等にも適している。また、バッテリの残容量が少なくなっても、エンジンにより発電機を回転させて充電できるので、バッテリ交換や特別な充電設備の必要がなく、必要な場所で必要な時に利用できると共に作業時間やコストを節約することができる。

図１は本発明のハイブリッド型駆動装置を搭載した鉄道作業車の駆動系統を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態である鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置の構成を示す説明図である。図３は図２のタービン軸および中間軸部分の断面図である。

符号の説明

１エンジン
２トランスミッション
３発電機
４ジェネレータ／モータ
５、６推進軸
７、８終減速機
９、１０車輪
１１コンバータ
１２インバータ
１３遮断器
１４バッテリ
２１入力継手
２２トルクコンバータ
２３タービン軸
２４出力軸
２５ホイールカバー
２６インペラホイール
２７タービンホイール
２８正転クラッチ（第１クラッチ）
２９逆転クラッチ（第１クラッチ）
３０１速クラッチ
３１２速クラッチ
３２、３３第１ギヤ
３４歯車軸
３５駆動ギヤ
３６１速ギヤ
３７２速ギヤ
３８出力大ギヤ
３９出力ギヤ
４０第２ギヤ
４１第２クラッチ
４２中間軸
４３ＰＴＯ軸
４４スライダ
４５ギヤ比切換クラッチ
４６高速ギヤ
４７低速ギヤ
４８クラッチハブ
５１中間小ギヤ
５２中間大ギヤ
５３中間ギヤ
５４小ギヤ
５５アイドルギヤ
５６大ギヤ
５７発電機軸
５８発電機クラッチ
５９、６０クラッチギヤ
６２ケーシング
６５、６６、６８軸受

Claims

トルクコンバータを介してエンジンに連結されたトランスミッションであって、各速度段クラッチ、この各速度段クラッチに連なる歯車列、これらの歯車列を経て車輪に動力を伝達する出力軸とからなるトランスミッションを有する鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置において、前記トルクコンバータの出力側のタービン軸からトランスミッションの第１クラッチを介してエンジンからの動力を伝達する第１ギヤと、この第１ギヤと同軸上に遊転支持され、第２クラッチを介して第１ギヤと結合する第２ギヤと、この第２ギヤにかみ合う歯車列にギヤ比切換クラッチを介して連結される回転軸に配置された、ジェネレータ／モータと、前記トルクコンバータの入力側のインペラホイールにより駆動される回転軸に配置された発電機と、この発電機が発電した交流電力を直流電力に変換するコンバータと、変換された直流電力を蓄電するバッテリと、このバッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータを設け、ジェネレータ／モータがバッテリに蓄電された電力により電動機として作動することを特徴とする鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置。
上記トランスミッションが、上記第１クラッチ、第１ギヤ、第２クラッチおよび第２ギヤを上記タービン軸上に配置したものであることを特徴とする請求項１記載の鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置。
上記トランスミッションが、上記タービン軸およびそれと平行に配置した逆転軸に、第１クラッチ、第１ギヤおよび第１クラッチの入力側と一体回転するクラッチギヤをそれぞれ配置し、各軸のクラッチギヤを互いにかみ合わせると共に、上記タービン軸上または逆転軸上のいずれかに第２ギヤおよび第２クラッチを設けたものであることを特徴とする請求項１記載の鉄道作業車のハイブリッド型駆動装置。