JP7197004B2 - 鉄道車両用車輪 - Google Patents

Description

本開示は、鉄道車両に用いられる車輪に関する。

鉄道車両の車輪は、ボス部と、リム部と、板部とを備える。ボス部には、車軸が挿入される。リム部は、車輪の外周部を構成し、踏面及びフランジを有する。踏面は、レールの頭頂面に接触する面である。フランジは、車輪の半径方向において踏面よりも外側に突出する。板部は、リム部とボス部とを接続する。

従来、様々な形状の鉄道車両用車輪が存在する。例えば、特許文献１は、リム部とボス部とをつなぐ板部が湾曲した車輪を開示する。特許文献１において、板部は、車輪の縦断面視で曲線状の板厚中心線を有する。当該板厚中心線は、その中心を変曲点とし、中心に対して対称である。

特許文献２及び３にも、板部が湾曲した車輪が開示されている。特許文献２及び３において、板部の板厚中心線は、車輪の縦断面視でフランジの反対側に凸の形状を有する。すなわち、当該板厚中心線は、その両端が中心よりもフランジ寄りに配置された曲線である。

特開平１０－２９４０１号公報 特表２００９－５４５４８４号公報 特表２０１５－５００１７７号公報

ところで、鉄道車両用車輪の制動装置の一種として、踏面ブレーキが知られている。踏面ブレーキは、車輪の踏面に制輪子を押し付けて鉄道車両を制動する。鉄道車両の制動中、踏面と制輪子との間で摩擦熱が発生する。そのため、車輪、特に車輪の外周部を構成するリム部の温度が上昇し、リム部の熱変形が発生する。リム部が熱変形して変位すると、鉄道車両の走行安定性に影響を与える。特に、車輪の軸方向にリム部が変位した場合、鉄道車両の蛇行や脱線が誘発される可能性がある。また、鉄道車両の制動中にリム部が熱変形し、板部に熱応力が生じることにより、車輪の疲労破壊が発生する可能性もある。よって、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、車輪の軸方向におけるリム部の変位を低減するとともに、板部に生じる熱応力を低減する必要がある。しかしながら、特許文献１～３に例示されるような従来の車輪では、制動中に発生するリム部の変位及び板部の熱応力の双方を同時に低減することは難しい。

本開示は、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、車輪の軸方向におけるリム部の変位と、板部に生じる熱応力とを同時に低減することができる鉄道車両用車輪を提供することを課題とする。

本開示に係る車輪は、鉄道車両に用いられる。車輪は、ボス部と、リム部と、板部と、を備える。ボス部は、車輪の内周部を構成する。ボス部には、鉄道車両の車軸が挿入される。リム部は、車輪の外周部を構成する。リム部は、踏面と、フランジと、を含む。踏面は、鉄道車両が走行するレールの頭頂面に接触する。フランジは、車輪の半径方向で踏面よりも外側に突出する。板部は、環状をなし、ボス部とリム部とを接続する。車輪の縦断面視で、板部は、半径方向の外側に向かうにつれてフランジ側に近づくように傾倒する直線状の板厚中心線を有する。車輪の縦断面視で、板厚中心線の外端は、車輪の軸方向においてフランジと踏面の中央との間に位置する。板厚中心線の外端は、板厚中心線の両端のうち半径方向で外側に位置する方の端である。

本開示に係る鉄道車両用車輪によれば、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、車輪の軸方向におけるリム部の変位と、板部に生じる熱応力とを同時に低減することができる。

図１は、実施形態に係る鉄道車両用車輪の縦断面図である。 図２は、踏面ブレーキによる制動中に車輪に生じる変形を誇張して例示する図である。 図３は、実施例の解析モデルが有する車輪形状を示す図である。 図４は、比較例の解析モデルが有する車輪形状を示す図である。

実施形態に係る車輪は、鉄道車両に用いられる。車輪は、ボス部と、リム部と、板部と、を備える。ボス部は、車輪の内周部を構成する。ボス部には、鉄道車両の車軸が挿入される。リム部は、車輪の外周部を構成する。リム部は、踏面と、フランジと、を含む。踏面は、鉄道車両が走行するレールの頭頂面に接触する。フランジは、車輪の半径方向で踏面よりも外側に突出する。板部は、環状をなし、ボス部とリム部とを接続する。車輪の縦断面視で、板部は、半径方向の外側に向かうにつれてフランジ側に近づくように傾倒する直線状の板厚中心線を有する。車輪の縦断面視で、板厚中心線の外端は、車輪の軸方向においてフランジと踏面の中央との間に位置する。板厚中心線の外端は、板厚中心線の両端のうち半径方向で外側に位置する方の端である（第１の構成）。

車輪の踏面に踏面ブレーキの制輪子が押し付けられて摩擦熱が発生したとき、リム部が熱変形して車輪の軸方向に変位する。車輪の軸方向において、フランジが配置される側をフランジ方向、その反対側を反フランジ方向とすると、一般に、リム部がフランジ方向に変位しやすい。これに対して、第１の構成の車輪では、板部の板厚中心線が車輪の縦断面視で直線状をなし、車輪の半径方向の外側に向かうにつれてフランジ側に近づくように傾倒する。このような板厚中心線を有する板部は、リム部がフランジ方向に変位しようとしたとき、リム部の変位に抵抗し、当該変位を阻害することができる。よって、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、軸方向におけるリム部の変位を低減することができる。また、板厚中心線が変曲点を有しないため、板部において応力集中が生じにくい。このため、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、板部に生じる熱応力を低減することができる。

第１の構成によれば、軸方向におけるリム部の変位が低減され、リム部が板部に対して振れにくくなる。そのため、板部においてリム部の付け根部分で生じる応力を低減することができる。また、板厚中心線の外端をフランジと踏面中央との間に位置付けることにより、鉄道車両の制動中に板部に生じる熱応力を低減させることができる。

リム部のフランジ側の側面から板厚中心線の外端までの軸方向の距離は、リム部の軸方向の長さの０．３倍以上であることが好ましい（第２の構成）。

板厚中心線が軸方向に対してフランジ側でなす角度は、８７°以下であることが好ましい（第３の構成）。

板部は、半径方向の外側に向かうにつれて小さくなり板厚中心線の外端の手前で最小となる板厚を有することが好ましい（第４の構成）。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

図１は、本実施形態に係る車輪１００の縦断面図である。縦断面とは、中心軸Ｘを含む平面で車輪１００を切断した断面をいう。車輪１００の縦断面は中心軸Ｘに対して対称であるので、図１では、車輪１００のうち中心軸Ｘの片側のみを示す。本実施形態では、車輪１００の中心軸Ｘが延びる方向を軸方向といい、車輪１００の半径方向を単に半径方向という。

図１を参照して、車輪１００は鉄道車両に用いられる。車輪１００は、ボス部１０と、リム部２０と、板部３０と、を備える。

ボス部１０は、車輪１００の内周部を構成する。ボス部１０は、中心軸Ｘを軸心とする概略円筒状をなす。ボス部１０には、鉄道車両の車軸（図示略）が挿入される。

リム部２０は、車輪１００の外周部を構成する。リム部２０は、半径方向においてボス部１０の外側に配置される。また、リム部２０は、ボス部１０に対し、軌道幅方向において外寄りに位置付けられている。すなわち、図１において二点鎖線で示すリム幅中央Ｃ_２０が、同じく二点鎖線で示すボス幅中央Ｃ_１０よりも軌道外側に位置する。

リム部２０は、踏面２１と、フランジ２２とを含む。踏面２１は、半径方向で外向きの面である。踏面２１は、鉄道車両が走行するレールの頭頂面に接触する。踏面２１の直径は、フランジ２２側に向かって徐々に大きくなる。踏面２１の形状は特に限定されるものではない。踏面２１は、例えば、円すい踏面であってもよいし、円弧踏面であってもよい。

フランジ２２は、リム部２０において軸方向の一方端部に設けられる。車輪１００の軸方向において、フランジ２２が配置される側をフランジ方向、これの反対側を反フランジ方向という。フランジ２２は、半径方向で踏面２１よりも外側に突出している。フランジ２２は、鉄道車両がレール上を走行するとき、左右のレールの内側に位置付けられる。フランジ２２は、側面２２１，２２２を含む。側面２２１，２２２の各々は、車輪１００の縦断面視で、一種類以上の円弧を含む曲線である。

側面２２１は、軸方向において踏面２１側に配置されている。側面２２１は、スロート２３を介して踏面２１に接続される。スロート２３は、車輪１００の縦断面視で、一種類以上の円弧を含む曲線であり、側面２２１を踏面２１に滑らかに接続する。リム部２０の表面の曲率は、スロート２３と踏面２１との境界２４で変化する。踏面２１のうち境界２４に隣接する部分の曲率の絶対値は、フランジ２２の側面２２１及びスロート２３の各曲率の絶対値よりも有意に小さい。

側面２２２は、軸方向において側面２２１の反対側に配置される。側面２２２は、リム部２０の両側面２５，２６のうち、一方の側面２５に接続されている。

板部３０は、環状をなす。板部３０は、ボス部１０とリム部２０とを接続する。板部３０の板厚は、全体として、ボス部１０及びリム部２０の各厚みよりも小さい。ボス部１０及びリム部２０の厚みとは、それぞれ、ボス部１０及びリム部２０の軸方向における長さをいう。板部３０の板厚は、板部３０の軸方向における長さである。板部３０の板厚は、ボス部１０側で大きく、リム部２０側で小さくなっている。

板部３０は、側面３１，３２を有する。側面３１は、軸方向においてフランジ２２側に配置された面である。側面３２は、軸方向において側面３１の反対側に位置付けられる。車輪１００の縦断面視で、側面３１，３２は、それぞれ、円弧４１，４２を介してリム部２０に接続される。側面３１，３２は、それぞれ、円弧４３，４４を介してボス部１０に接続される。

本実施形態では、円弧４１の板部３０側の端４１１、及び円弧４２の板部３０側の端４２１のうち、半径方向でより内側に位置するものを板部３０の外周端と定義する。また、円弧４３の板部３０側の端４３１、及び円弧４４の板部３０側の端４４１のうち、半径方向でより外側に位置するものを板部３０の内周端と定義する。板部３０の外周端は、板部３０におけるリム部２０の付け根ともいえる。板部３０の内周端は、板部３０におけるボス部１０の付け根ともいえる。本実施形態では、円弧４２の端４２１及び円弧４４の端４４１が、それぞれ、板部３０の外周端及び内周端である。

板部３０の板厚は、半径方向の外側に向かって小さくなり、外周端４２１の手前で最小となる。つまり、板部３０は、外周端４２１よりも半径方向の内側、且つ外周端４２１の近傍で最小板厚を有する。板部３０の板厚が最小となる位置は、鉄道車両が曲線を通過する際に車輪１００がレールから受ける曲げ負荷によって板部３０内で発生する曲げ応力が最小となる位置と実質的に一致する。例えば、外周端４２１から半径方向内側に５ｍｍ～３０ｍｍの位置で、板部３０の板厚を最小とすることができる。

板部３０は、板厚中心線Ａを有する。板厚中心線Ａは、側面３１，３２の中間を通ってボス部１０側からリム部２０側に延びる線である。板厚中心線Ａは、車輪１００の縦断面視で直線状をなす。ここでの直線状とは、完全な直線だけではなく、例えば曲率半径が１０００ｍｍ以上である非常に緩やかな円弧や、折れ線をも含む概念である。すなわち、板厚中心線Ａは、車輪１００の縦断面視で実質的に直線であると認識し得るものであればよい。車輪１００の縦断面視で板厚中心線Ａが直線状であるため、板部３０は、概略平板形状をなし、軸方向に湾曲しない。

車輪１００の縦断面視で、板厚中心線Ａは、半径方向の外側に向かうにつれてフランジ２２側に近づくように、半径方向に対して傾倒する。板厚中心線Ａの両端Ａａ，Ａｂのうち、半径方向外側に位置する端Ａａを板厚中心線Ａの外端と称し、半径方向内側に位置する端Ａｂを板厚中心線Ａの内端と称する。板厚中心線Ａの外端Ａａは、板部３０の外周端４２１を通り軸方向に延びる直線に対し、板厚中心線Ａが接続される点である。板厚中心線Ａの内端Ａｂは、板部３０の内周端４４１を通り軸方向に延びる直線に対し、板厚中心線Ａが接続される点である。

軸方向において、板厚中心線Ａの外端Ａａは、フランジ２２と踏面２１の中央２１１との間の範囲Ｒに位置する。すなわち、外端Ａａは、フランジ２２の側面２２１に対して反フランジ方向に配置される。また、外端Ａａは、踏面２１の中央２１１に対してフランジ方向に配置される。踏面２１の中央２１１とは、踏面２１とスロート２３との境界２４と、リム部２０の側面２６との軸方向における中間位置をいう。

板厚中心線Ａの外端Ａａをフランジ２２と踏面２１の中央２１１との間に配置することにより、板部３０と、リム部２０のフランジ２２側の側面２５との軸方向の距離が確保される。リム部２０の側面２５から板厚中心線Ａの外端Ａａまでの軸方向の距離を板部位置Ｐｗとする。板部位置Ｐｗは、車輪１００に使用される踏面ブレーキの仕様等に応じて適宜決定される。例えば、板部位置Ｐｗ［ｍｍ］は、リム部２０の幅Ｗｒ［ｍｍ］の０．３倍以上（Ｐｗ／Ｗｒ≧０．３）であることが好ましい。板部位置Ｐｗ［ｍｍ］は、好ましくはリム部２０の幅Ｗｒ［ｍｍ］の０．６倍以下である（Ｐｗ／Ｗｒ≦０．６）。リム部２０の幅Ｗｒは、軸方向におけるリム部２０の長さであり、フランジ２２側の側面２５から反対の側面２６までの軸方向の最大距離である。

車輪１００の縦断面視で、板厚中心線Ａは、軸方向に対してフランジ２２側で角度θをなす。板厚中心線Ａが非常に緩やかな曲線である場合、角度θは、板厚中心線Ａの中心（外端Ａａと内端Ａｂとの中間点）での接線が軸方向に対してなす角度とする。板厚中心線Ａが折れ線の場合、角度θは、板厚中心線Ａを構成する線分のうち最も長い線分が軸方向に対してなす角度とする。

角度θは、９０°未満である。車輪１００に使用される踏面ブレーキの仕様等にもよるが、角度θは、８７°以下であることが好ましい。角度θは、好ましくは７５°以上である。

［実施形態の効果］
図２は、図１における車輪１００の切断面のみを示す図であり、踏面ブレーキによる制動中に車輪１００に生じる変形を誇張して例示する。図２を参照して、車輪１００の踏面２１に踏面ブレーキの制輪子が押し付けられたとき、リム部２０は、摩擦によって熱変形し、軸方向でフランジ２２側（フランジ方向）に変位しようとする。しかしながら、本実施形態に係る車輪１００によれば、このようなリム部２０の変位を低減することができる。すなわち、車輪１００では、板部３０の板厚中心線Ａが車輪１００の縦断面視で直線状をなす。しかも、板厚中心線Ａは、半径方向外側に向かうにつれてフランジ２２側に近づくように傾倒する。このため、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中にリム部２０がフランジ方向に変位しようとしても、リム部２０の変位に板部３０が抵抗し、当該変位を阻害することができる。よって、軸方向におけるリム部２０の変位を低減することができる。

本実施形態に係る車輪１００では、板厚中心線Ａが車輪１００の縦断面視で直線状をなすことにより、板部３０が実質的に変曲点を有しない。そのため、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動中、板部３０において応力集中が発生しにくい。よって、軸方向におけるリム部２０の変位だけでなく、板部３０に生じる熱応力も低減することができる。

本実施形態において、板部位置Ｐｗは、好ましくはリム部２０の幅Ｗｒの０．３倍以上である。これにより、軸方向におけるリム部２０の変位をより低減することができる。

本実施形態において、板厚中心線Ａが軸方向に対してフランジ２２側でなす角度θは、８７°以下に設定されることが好ましい。これにより、軸方向におけるリム部２０の変位、及び板部３０に生じる熱応力をより確実に低減することができる。

本実施形態において、板部３０の板厚は、半径方向の外側に向かって小さくなり、板厚中心線Ａの外端Ａａの手前で最小となる。より詳細には、板部３０において、曲線の通過時にレールから受ける曲げ負荷によって生じる曲げ応力が最小となる位置と、板厚が最小となる位置とを概略一致させている。このようにすることで、板部３０の疲労破壊を防止し、車輪１００の寿命を向上させることができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以下、実施例によって本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

本開示に係る鉄道車両用車輪による効果を評価するため、有限要素法による数値解析（ＦＥＭ解析）を実施した。ＦＥＭ解析では、上記実施形態に係る車輪１００（図１）と同じ形状を有する解析モデルを作成し、板厚中心線Ａの角度（板角度）θ［°］、及び板部位置Ｐｗ［ｍｍ］を変化させて評価を行った。比較のため、欧州及び北米で一般的に使用されている車輪形状の解析モデルについても評価を行った。

図３は、実施例１～４の解析モデルが有する車輪形状（１／２断面におけるアウトライン）を示す図である。実施例１～４の解析モデルの車輪形状は、いずれも、ボス部がリム部に対して軌道中心寄り（輪軸中心寄り）に位置する。図４は、比較例１～５の解析モデルが有する車輪形状（１／２断面におけるアウトライン）を示す図である。図３及び図４を参照して、実施例１～４及び比較例１～３では、板厚中心線Ａが直線状をなす。ただし、実施例１～４では板角度θが９０°未満であるのに対し、比較例１～３では板角度θが９０°以上である。図４に示すように、比較例４及び比較例５では、実施例１～４及び比較例１～３と異なり、板厚中心線Ａが湾曲する。比較例４の解析モデルは、欧州で一般的に使用される車輪形状を有する。比較例５の解析モデルは、北米で一般的に使用される車輪形状を有する。各解析モデルの形状パラメータを表１に示す。

ＦＥＭ解析は、汎用ソフトウェア（ＡＢＡＱＵＳ Ｖｅｒ．６．１２、ダッソー・システムズ社製）を用いて行った。解析では、踏面ブレーキによる鉄道車両の制動を模擬するため、車輪の踏面のうち、踏面ブレーキの制輪子と接触する領域に熱流束を与えた。制動時間は１２００秒とし、車輪の内周部は完全拘束とした。また、鉄道車両がレール上を走行するときに車輪に生じる応力（機械的応力）を評価するため、車輪の踏面のうち、レールと接触する位置に荷重を与えた。このときの荷重は１輪軸当たり４０ｔとした。

ＦＥＭ解析の結果を表２に示す。表２中、リム部変位［ｍｍ］は、制動中におけるリム部の軸方向の最大変位であり、フランジ方向を負、反フランジ方向を正とする。リム部変位は、リム部のフランジ側の側面において、車輪の直径８９０ｍｍの位置で評価した。板部熱応力は、制動中における板部の最大応力である。板部機械的応力は、車輪がレール上を１回転する間に生じる板部の応力振幅（変動範囲の１／２）の最大値である。表２では、各実施例及び各比較例について、板部熱応力を実施例１の板部熱応力との比で表し、板部機械的応力を実施例１の板部機械的応力との比で表している。

比較例５は、板厚中心線Ａを概略Ｓ字状に形成し、板部においてボス部の付け根部分とリム部の付け根部分とを軸方向に離したものである（図４）。このような車輪形状では、板部熱応力の低減を図ることはできるが、リム部変位を低減することはできない。実際、比較例５では、リム部変位が－２．４ｍｍであり、リム部がフランジ方向に大きく変位する結果となった。一方、板厚中心線Ａが直線状である実施例１～４では、リム部変位が－１．５ｍｍ～－０．２ｍｍであり、比較例５と比較してリム部変位が低減されている。

比較例１～３では、実施例１～４と同様、板厚中心線Ａが直線状をなす。ただし、実施例１～４の板角度θが９０°未満であるのに対し、比較例１～３の板角度θは９０°以上である。この比較例１～３のリム部変位は、－２．０ｍｍ～－３．８ｍｍであった。一方、板角度θが９０°未満の実施例１～４では、リム部変位が－１．５ｍｍ～－０．２ｍｍであり、比較例１～３と比較してリム部変位が小さくなった。特に、リム幅Ｗｒ［ｍｍ］に対する板部位置Ｐｗ［ｍｍ］の比が０．３以上である実施例２～４では、そのリム部変位が、欧州規格ＥＮ１３９７９－１で許容される範囲（－１．０ｍｍ～３．０ｍｍ）内に収まる結果となった。

比較例４は、板部に２つの変曲点を設けたものである（図４）。このような車輪形状では、リム部変位の低減を図ることはできるが、板部熱応力を低減することはできない。実際、比較例４では、板部熱応力の比（対実施例１）が１．２９と大きくなった。一方、板厚中心線Ａが直線状である実施例１～４では、板部熱応力の比（対実施例１）が０．７５～１．００に低減されている。板部位置Ｐｗが比較的大きい実施例２～４では、板部熱応力がより小さくなった。

比較例１～３の板部熱応力も、比較例４と比較して低減された。特に、板角度θが９０°である比較例１の板部熱応力は、実施例１～３の板部熱応力よりも小さい。しかしながら、比較例１では、各実施例と比較して板部機械的応力が大きくなった。よって、板部機械的応力を考慮すると、板角度θは９０°未満である必要がある。

このように、鉄道車両用車輪において板厚中心線Ａを直線状とし、且つ板厚中心線Ａを半径方向外側に向かうにつれてフランジ側に近づくように半径方向に対して傾倒させ、板角度θを９０°未満とすれば、リム部変位及び板部熱応力を同時に低減できることを確認することができた。実施例１～４の解析結果によれば、板角度θを８７°以下とすることでリム部変位及び板部熱応力をより確実に低減することができる。また、実施例２～４の解析結果によれば、リム幅Ｗｒに対する板部位置Ｐｗの比が０．３以上である場合、リム部変位をより低減することができる。

１００：車輪
１０：ボス部
２０：リム部
２１：踏面
２２：フランジ
３０：板部
Ａ：板厚中心線

Claims (4)

1. 鉄道車両に用いられる車輪であって、
   前記車輪の内周部を構成し、前記鉄道車両の車軸が挿入されるボス部と、
   前記車輪の外周部を構成し、前記鉄道車両が走行するレールの頭頂面に接触する踏面と、前記車輪の半径方向で前記踏面よりも外側に突出するフランジと、を含み、前記ボス部に対し、軌道幅方向において外寄りに位置付けられたリム部と、
   前記ボス部と前記リム部とを接続する環状の板部と、
   を備え、
   前記車輪の縦断面視で、
   前記板部は、前記半径方向の外側に向かうにつれて前記フランジ側に近づくように傾倒する直線状の板厚中心線を有し、
   前記板厚中心線の両端のうち前記半径方向で外側に位置する方の端である外端は、前記車輪の軸方向において前記フランジと前記踏面の中央との間に位置する、車輪。
2. 請求項１に記載の車輪であって、
   前記リム部の前記フランジ側の側面から前記板厚中心線の前記外端までの前記軸方向の距離は、前記リム部の前記軸方向の長さの０．３倍以上である、車輪。
3. 請求項１又は２に記載の車輪であって、
   前記板厚中心線が前記軸方向に対して前記フランジ側でなす角度は、８７°以下である、車輪。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の車輪であって、
   前記板部は、前記半径方向の外側に向かうにつれて小さくなり前記板厚中心線の前記外端の手前で最小となる板厚を有する、車輪。
   

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