CN105960543A - 带制动盘的铁道车轮 - Google Patents

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CN105960543A CN201580007106.7A CN201580007106A CN105960543A CN 105960543 A CN105960543 A CN 105960543A CN 201580007106 A CN201580007106 A CN 201580007106A CN 105960543 A CN105960543 A CN 105960543A
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野上裕
藤本隆裕
坂口笃司
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Abstract

铁道车轮包括：车轮(10)，其包括板部(13)；以及制动盘(1)，其包括将表面(2a)侧设为滑动面的圆板部(2)和以放射状突出设于圆板部(2)的背面(2b)的多个翼部(3)，在该铁道车轮中，两个制动盘(1)以使各自的滑动面朝向外侧的状态夹住车轮(10)的板部(13)，并在所述滑动面的区域内紧固。在将形成于制动盘(1)与车轮(10)之间的空间沿圆周方向横切的截面的面积中，该截面积最小的最小截面部位于由圆板部(2)的外周面(2c)和轮缘部(12)的内周面(12b)形成的区域中的、圆板部(2)的外周面(2c)的最靠背面(2b)侧的部分(a1)，该最小截面部的面积为2500mm2以上且7000mm2以下。制动盘(1)能够抑制高速行驶中的空气动力声，并且形状简单且生产率优异。

Description

带制动盘的铁道车轮
技术领域
本发明涉及一种在铁道车辆用的车轮上紧固制动盘而成的带制动盘的铁道车轮(以下还简称为“带BD的铁道车轮”)。
背景技术
随着车辆的高速化、大型化，铁道车辆的制动装置多使用制动性优异的盘式制动装置。盘式制动装置构成为向安装于车轮的制动盘的滑动面按压制动衬片。由此，对旋转的车轮产生制动力，从而控制车辆的速度。
对于盘式制动装置来说，有在滑动面内的区域将制动盘紧固于车轮的中央紧固型(滑动面紧固型)制动盘和在比滑动面靠内周侧的区域将制动盘紧固于车轮的内周紧固型制动盘。内周紧固型制动盘需要用于另外与具有滑动面的部分紧固的部分。另一方面，由于中央紧固型制动盘不需要设置这样的用于紧固的部分，因此，有利于轻量化。
图1A和图1B是表示构成铁道车辆的盘式制动装置的带制动盘的铁道车轮的整体结构的图，图1A表示1/4圆部分的平面图，图1B表示沿半圆部分的径向的剖视图。图2A～图2C是局部表示以往的带BD的铁道车轮的结构的图，图2A是从内周面侧观察制动盘的背面的立体图，图2B是从背面侧观察制动盘的平面图，图2C是沿径向的剖视图。图1A、图1B以及图2A～图2C所示的制动盘均为中央紧固型。
如图1A、图1B以及图2A～图2C所示，制动盘1包括将表面2a侧设为滑动面的环形的圆板部2。在该圆板部2的背面2b以放射状突出设有多个翼部3。在多个翼部3中的若干翼部3上，在半径方向上的大致中央的位置形成有贯通至圆板部2的螺栓孔4。
车轮10包括：毂部11，车轴压入该毂部11；轮缘部12，其包含与轨道相接触的接地面；以及板部13，其将毂部11与轮缘部12相结合。制动盘1配置为以两个为一组且以两个制动盘1的表面2a朝向外侧的状态夹住车轮10的板部13。在各螺栓孔4内贯穿螺栓5，并在各螺栓5上螺纹结合并拧紧螺母6。由此，制动盘1的翼部3的顶端面在半径方向上的整个区域内或者其局部区域内压接于车轮10的板部13的侧面13a，并以该状态紧固于车轮10。
制动盘1在滑动面内的区域内紧固于板部13。在中央紧固型制动盘中，关于制动盘1的径向，优选在制动盘1的内周与外周之间的中央部附近、例如在将内周和外周以1：3进行内分的位置与以3：1进行内分的位置之间，将制动盘1紧固于车轮10。
制动盘1的表面的实质整个表面成为滑动面，如图1B所示，在毂部11与圆板部2之间，在整周范围内形成有较大的间隙(例如70mm～120mm的间隙)。即，制动盘1未延伸到毂部11附近，由此，能够谋求制动盘1的轻量化。例如专利文献1中公开有这样的结构的以往的带BD的铁道车轮。
在铁道车辆行驶时，制动盘1与车轮10一体地高速旋转。相伴于此，制动盘1周围的空气在形成于制动盘1与车轮10之间的空间内、具体而言在由制动盘1的圆板部2和翼部3以及车轮10的板部13包围起来的空间内自内周侧(毂部11与圆板部2之间的间隙)流入，并自外周侧流出(参照图2A～图2C中的实线箭头)。简言之，在铁道车辆的行驶中，在制动盘1与车轮10之间的空间内产生空气的气体流动。该气体流动在像新干线(R)等高速铁道车辆那样以时速超过300km的高速行驶时变得明显，并引发风噪声的噪音。该风噪声被称为空气动力声。从对环境的担忧来看，需要降低空气动力声。
在内周紧固型制动盘中，相比于中央紧固型制动盘，毂部11与圆板部2之间的间隙明显减小。因此，在车辆行驶时，自该间隙流入到由制动盘1的圆板部2和翼部3以及车轮10的板部13包围起来的空间内的空气的量微少，通常不会产生成为问题的程度的空气动力声。因而，空气动力声的产生可以说是中央紧固型制动盘特有的问题。
对应于在中央紧固型制动盘中降低空气动力声的要求的以往技术如以下所述。
例如，在专利文献2中，公开了这样一种带BD的铁道车轮：在制动盘上，在相邻的翼部彼此之间沿圆周方向追加肋，利用该肋抑制气体流动。根据专利文献2所公开的带BD的铁道车轮，能够将空气动力声降低到期望的声级。
但是，在所述专利文献2所公开的技术中，随着利用肋抑制气体流动，制动时对制动盘的冷却性能下降。因此，伴随着通过追加肋从而增加制动盘自身的刚性，可能导致制动盘随着热膨胀而产生变形以及由变形导致作用于紧固用螺栓的应力负荷增大，而使制动盘以及螺栓的耐久性下降。
在专利文献3中公开有谋求解决该问题的以往技术。
图3A和图3B是局部表示专利文献3所示的以往的带BD的铁道车轮的结构的图，图3A是表示从内周面侧观察到的制动盘的背面的立体图，图3B是表示沿径向的剖视图。如图3A和图3B所示，在专利文献3所示的带BD的铁道车轮中，在制动盘1上，在相邻的翼部3彼此之间沿圆周方向追加肋7，另外，在该肋7的圆周方向上的中央部沿径向形成有狭缝7a。
根据该带BD的铁道车轮，能够利用狭缝7a确保气体流动。因此，能够在制动时维持对制动盘1的冷却性能，并且，能够缓和因追加肋而导致的刚性的增加，因此，能够减轻制动盘1随着热膨胀而产生的变形以及作用于紧固用螺栓的应力负荷，而能够抑制制动盘1以及螺栓的耐久性的下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-9862号公报
专利文献2：日本特开2007-205428号公报
专利文献3：国际公开WO2010/071169号小册子
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，谋求降低空气动力声的以往的带BD的铁道车轮主要着眼于抑制由制动盘的圆板部及翼部以及车轮的板部包围起来的空间内的气体流动，从而在盘式制动装置的圆板部追加肋，或者还在该肋上形成狭缝。因此，由于制动盘的形状变得复杂，因而不得不使得制动盘的生产率下降。
具体而言，不仅是翼部，还需要用于调整肋的高度的追加加工(机械加工等)，而且，需要在肋上形成狭缝的追加加工，因此，使制动盘的制造工序复杂化。尤其不可否认的是，在利用锻造制造制动盘的情况下，作用于模具的负荷增大，模具寿命变短。
本发明即是鉴于上述的问题而做成的，其目的在于提供一种具有下述特征的带制动盘的铁道车轮：
抑制高速行驶中的空气动力声，并且制动盘的形状简单且生产率优异。
用于解决问题的方案
本发明的一实施方式的带制动盘的铁道车轮包括：
铁道车辆用的车轮，其包括毂部、轮缘部以及将毂部和轮缘部相结合的板部；以及
制动盘，其包括将表面侧设为滑动面的环形的圆板部和以放射状突出设于所述圆板部的背面的多个翼部，
在该带制动盘的铁道车轮中，两个所述制动盘以使各自的所述滑动面朝向外侧的状态夹住所述车轮的所述板部，并在所述滑动面内的区域被紧固，
在将形成于所述制动盘与所述车轮之间的空间沿圆周方向横切的截面的截面积中，该截面积最小的最小截面部位于由所述圆板部的外周面和所述轮缘部的内周面形成的区域中的、所述圆板部的所述外周面的最靠背面侧的区域，
所述最小截面部的面积为2500mm2以上且7000mm2以下。
所述最小截面部的面积优选在3000mm2以上。
上述的带BD的铁道车轮能够采用所述圆板部的外径恒定的结构。
发明的效果
本发明的带制动盘的铁道车轮具有下述显著的效果：
抑制高速行驶中的空气动力声，并且制动盘的形状简单且生产率优异。
附图说明
图1A是表示带制动盘的铁道车轮的整体结构的图，表示1/4圆部分的平面图。
图1B是表示带制动盘的铁道车轮的整体结构的图，表示沿半圆部分的径向的剖视图。
图2A是局部表示以往的带制动盘的铁道车轮的结构的图，表示从内周面侧观察制动盘的背面的立体图。
图2B是局部表示以往的带制动盘的铁道车轮的结构的图，表示从背面侧观察制动盘的平面图。
图2C是局部表示以往的带制动盘的铁道车轮的结构的图，表示沿径向的剖视图。
图3A是局部表示专利文献3所示的以往的带制动盘的铁道车轮的结构的图，表示从内周面侧观察制动盘的背面的立体图。
图3B是局部表示专利文献3所示的以往的带制动盘的铁道车轮的结构的图，表示沿径向的剖视图。
图4表示带制动盘的铁道车轮中的开口面积的总和与空气动力声声级以及通气量之间的关联的图。
图5A是表示本发明的一实施方式的带制动盘的铁道车轮的结构的、沿径向的剖视图。
图5B是局部表示图5A的带制动盘的铁道车轮的剖视图，表示图5A的矩形区域。
图6A是表示在分析中作为比较方式而使用的带制动盘的铁道车轮的结构的、沿径向的剖视图。
图6B是局部表示图6A的带制动盘的铁道车轮的剖视图，表示图6A的矩形区域。
图7是表示带制动盘的铁道车轮中的最小截面部处的空间横截面的面积与空气动力声声级以及通气量之间的关联的图。
图8是表示专利文献3所示的、进行了1/3倍频带处理的中心频率与噪音声级之间的关系的图。
具体实施方式
如所述专利文献3所述，在形成于制动盘与车轮之间的空间中的、由制动盘的圆板部和翼部以及车轮的板部包围起来的空间内流动的空气的通气量与空气动力声声级之间存在较大的关联。
图4是表示带制动盘的铁道车轮中的开口面积的总和与空气动力声声级以及通气量之间的关联的图。在此所说的开口面积的总和是指在由制动盘的圆板部及翼部以及车轮的板部包围起来的空间内自制动盘的内周侧观察时的开口面积在整个圆周方向范围内的总和。换言之，开口面积的总和是指在将形成于制动盘与车轮之间的空间沿圆周方向横切的截面(以下称为“空间横截面”)中，该空间横截面的面积最小的最小截面部的面积。例如，如所述图3A和图3B所示的带BD的铁道车轮所示，在制动盘的翼部彼此之间追加肋并在该肋上形成有狭缝的情况下，最小截面部位于肋的位置，因此，该肋的位置处的空间横截面的面积成为图4所示的开口面积的总和。另外，通气量能够利用热流体分析(针对每一个制动盘1)获得，空气动力声声级能够利用实验获得。
如图4所示，空气动力声声级随着最小截面部的面积(开口面积的总和)的增加而升高，而通气量也成为同样的趋势。也就是说，通气量与空气动力声声级之间具有较强的关联。因此，空气动力声声级能够以通气量为指标进行评价，而通气量的抑制则关系到空气动力声的抑制。而且，抑制通气量通过适当规定空间横截面的最小截面部的面积即可。
在这方面，在所述专利文献2、3所示的以往的带BD的铁道车轮中，着眼于由制动盘的圆板部和翼部以及车轮的板部包围起来的空间，并为了在该空间内配置空间横截面的最小截面部而限制气体流动，从而在盘式制动装置的圆板部上追加肋，或者还在该肋上形成有狭缝。因此，上述课题明显化。
于是，本发明人为了解决上述课题，关注点并不在于形成于制动盘与车轮之间的空间中的、以往技术所关注的由制动盘的圆板部和翼部以及车轮的板部包围起来的空间，而是限定于制动盘的圆板部的外周区域、即由制动盘的圆板部的外周面和车轮的轮缘部的内周面形成的区域。而且，在该限定的区域中，在圆板部的外周面的最靠背面侧(以下称为“圆板部外周面的背面部”)配置空间横截面的最小截面部，并使用热流体分析的数值计算调查了通气量。其结果得知：只要适当地规定被设为最小截面部的制动盘的圆板部外周面的背面部的空间横截面的面积，就能够与以往技术相当地抑制通气量，而能够抑制空气动力声，由此，完成了本发明。
以下，详细说明本发明的带制动盘的铁道车轮的实施方式。
图5A是表示本发明的一实施方式的带制动盘的铁道车轮的结构的、沿径向的剖视图。图5B是局部表示图5A的带制动盘的铁道车轮的剖视图，表示图5A的矩形区域。以下，对与所述图1A、图1B以及图2A～图2C所示的以往的带BD的铁道车轮共同的部分标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。
如图5A和图5B所示，本实施方式的制动盘1包括圆板部2和翼部3。该制动盘1不具有所述图3A和图3B所示的肋7。总之，在圆板部2的背面2b仅以放射状突出设有多个翼部3。
制动盘1的材质能够采用铸铁、铸钢、锻钢、铝、碳等。
另外，严格来说，制动盘1的表面2a中的成为滑动面的区域比表面2a中的其他区域高出一个台阶。制动盘1的滑动面随着反复的制动而磨损，当滑动面的磨损进行到圆板部2的表面2a的高度时，更换制动盘1。
车轮10包括毂部11、轮缘部12以及板部13。轮缘部12的内周面12b包含与轮缘部12的侧面12a相连的拐角面12ba以及与拐角面12ba和板部13的侧面13a相连的圆角面12bb。
拐角面12ba和圆角面12bb的形状根据车辆的规格进行设计。例如，拐角面12ba为沿车轮10的轴向的截面中的轮廓形状为圆弧状、且曲率半径恒定的单一的R面。圆角面12bb为沿车轮10的轴向的截面中的轮廓形状为将直线和圆弧组合而成的形状、且将圆台状的锥面和曲率半径恒定的R面组合而成的复合面。当然，圆角面12bb也可以是单一的R面，也可以是曲率半径变化的自由曲面。
在此，在本实施方式的带BD的铁道车轮中，在将形成于制动盘1与车轮10之间的空间沿圆周方向横切的空间横截面中，该空间横截面的面积最小的最小截面部位于由制动盘1的圆板部2的外周面2c和车轮10的轮缘部12的内周面12b形成的区域内。具体而言，位于圆板部2的外周面2c中的最靠背面2b侧的区域(参照图5B中标注了附图标记“a1”的圆板部外周面的背面部)。
为了实现该状态，制动盘1的圆板部外周面2c的背面部a1最靠近车轮10的轮缘部12的内周面12b。例如，在圆板部2的外径为715mm的制动盘1的情况下，圆板部外周面2c的背面部a1与轮缘部12的内周面12b之间的最小间隙g为1.3mm～3.1mm左右。该最小间隙g相当于圆板部2的背面2b的延长线和轮缘部12的内周面12b相交叉的部分b1与圆板部外周面2c的背面部a1之间的间隔。优选的是，圆板部2的外径恒定。这是因为能够容易进行机械加工。
特别是，在本实施方式的带BD的铁道车轮中，圆板部外周面2c的背面部a1的空间横截面的面积设为2500mm2以上且7000mm2以下。该截面的面积优选在3000mm2以上。这样的数值范围是根据基于下述的热流体分析及其分析结果的考察而导出的。
热流体分析
在所述图5A和图5B所示的带BD的铁道车轮中，模拟行驶速度恒定为360km/h的高速行驶时并进行热流体分析，并对空间横截面的最小截面部处的通气量进行了评价。此时，通过对圆板部外周面2c的背面部a1与轮缘部12的内周面12b之间的最小间隙g进行各种变更，从而使用了对圆板部外周面2c的背面部a1(最小截面部)处的空间横截面的面积进行了各种变更的模型。
另外，为了进行比较，如图6A和图6B所示，使用了在翼部3彼此之间追加了带狭缝7a的肋7的带BD的铁道车轮的模型和未设有带狭缝7a的肋7的带BD的铁道车轮的模型。图6A和图6B所示的带BD的铁道车轮与所述专利文献3所示的带BD的铁道车轮、即所述图3A和图3B所示的以往的带BD的铁道车轮相同，为圆板部外周面2c的背面部a1与轮缘部12的内周面12b之间的最小间隙g较大的铁道车轮。在比较方式的模型中设有带狭缝7a的肋7的铁道车轮中，翼部7的位置位于空间横截面的最小截面部，通过对狭缝7a的深度d进行各种变更，从而对最小截面部处的空间横截面的面积进行了各种变更。本实施方式和比较方式均为在中央紧固制动盘而成。
下述表1中表示用于分析的带BD的铁道车轮的模型的条件。在形成于制动盘1与车轮10之间的空间整体中，在本实施方式中，最小截面部位于由圆板部2的外周面2c和轮缘部12的内周面12b形成的区域，在比较方式中，最小截面部位于圆板部2的背面2b外周部与板部13之间(设有肋的情况下位于狭缝部)。另外，由于在圆板部2与板部13之间存在翼部3等，因此，最小截面部并不仅由带BD的铁道车轮的一个截面唯一确定。
表1
表1
注:标记“-”表示没有肋和狭缝的情况
标记“*”表示车轮与制动盘之间整个区域中的最小截面部的面积
此外，分析模型的代表性的条件如下所示。
＜制动盘＞
·新干线(R)用的锻钢制动盘
·圆板部的内径：417mm
·自圆板部的滑动面到翼部的顶端面(与车轮板部之间的接触面)的长度：45mm
·以等间隔形成中心位于直径为560mm的同一圆上的12个螺栓孔，在各螺栓孔内贯穿螺栓而将制动盘和车轮紧固。
＜车轮＞
·新干线(R)用的轧制车轮
·内径：196mm，外径：860mm，轮缘部的径向厚度：60mm
分析结果和考察
图7是表示带制动盘的铁道车轮的最小截面部处的空间横截面的面积与空气动力声声级和通气量之间的关联的图。另外，图7所示的空气动力声声级与所述图4所示的空气动力声声级相同。图7中用虚线表示具备内周紧固型制动盘的带BD的铁道车轮的空气动力声声级。
如图7所示，最小截面部处的空间横截面的面积与通气量之间的关系在本实施方式的带BD的铁道车轮和比较方式的以往的带BD的铁道车轮一致。由此，对于空气动力声声级的关系，也可以说本实施方式的带BD的铁道车轮与比较方式的以往的带BD的铁道车轮一致。
如图7所示，空气动力声声级随着最小截面部的面积的减小而降低。因此，为了降低空气动力声声级，减小最小截面部的面积，从而减小通气量即可。但是，即使将最小截面部的面积减小到小于2500mm2，空气动力声声级也不会变化。另外，若过度地减小最小截面部的面积，则通气量变小，因此，产生对制动盘的冷却性能下降这样的问题。由此，最小截面部的面积的下限设为2500mm2。该下限优选设为3000mm2，更优选设为3500mm2。
图8是表示专利文献3所示的、进行了1/3倍频带处理的中心频率与噪音声级之间的关系的图。在此所说的噪音声级是指空气动力声声级。另外，图8中的开口面积的总和是指空间横截面的面积最小的最小截面部的面积。
图8所示的图是利用假定为行驶速度恒定为360km/h的高速行驶时的实验而得到的。在实验中，使用了不具备制动盘的铁道车轮、具备无肋的制动盘的带BD的铁道车轮以及追加有带狭缝的肋的带BD的铁道车轮。追加有带狭缝的肋的带BD的铁道车轮与所述图3A和图3B所示的以往的带BD的铁道车轮、即所述图6A和图6B所示的比较方式的带BD的铁道车轮相同。作为该追加有带狭缝的肋的带BD的铁道车轮，采用与肋的位置相当的最小截面部处的空间横截面的面积为18000mm2的带BD的铁道车轮和与肋的位置相当的最小截面部处的空间横截面的面积为7000mm2的带BD的铁道车轮。
如图8所示，在与肋的位置相当的最小截面部处的空间横截面的面积为7000mm2的带BD的铁道车轮的情况下，相比于该面积为18000mm2的带BD的铁道车轮的情况，能够明显地降低中心频率为800Hz～1250Hz的频带内的空气动力声。另一方面，根据上述的热流体分析的结果得知，最小截面部处的空间横截面的面积与空气动力声声级之间的关系在本实施方式的带BD的铁道车轮和比较方式的以往的带BD的铁道车轮中一致。由此，在本实施方式的带BD的铁道车轮中，最小截面部的面积的上限设为7000mm2。该上限更优选设为6000mm2。
在这样的结构的本实施方式的带BD的铁道车轮中，如所述图5A和图5B所示，制动盘1不具有肋7而仅在圆板部2的背面设有翼部3，为简单的形状。因此，不会使制动盘1的制造工序复杂化，而使制动盘1的生产率优异。即使在利用锻造制造制动盘1的情况下，也不会增大作用于模具的负荷，而模具寿命不会变短。
另外，本实施方式的带BD的铁道车轮在制动盘1的圆板部外周面2c的背面部a1配置空间横截面的最小截面部，并规定了该最小截面部处的空间横截面的面积的范围，因此，能够与以往技术相当地抑制空气动力声。
产业上的可利用性
本发明的带制动盘的铁道车轮能够有效地应用于具有盘式制动装置的所有的铁道车辆，其中，对高速铁道车辆也是有用的。
附图标记说明
1、制动盘；2、圆板部；2a、表面；2b、背面；2c、外周面；3、翼部；4、螺栓孔；5、螺栓；6、螺母；7、肋；7a、狭缝；10、车轮；11、毂部；12、轮缘部；12a、侧面；12b、内周面；12ba、拐角面；12bb、圆角面；13、板部；13a、侧面。

Claims (2)

1.一种带制动盘的铁道车轮，其中，
该带制动盘的铁道车轮包括：
铁道车辆用的车轮，其包括毂部、轮缘部以及将毂部和轮缘部相结合的板部；以及
制动盘，其包括将表面侧设为滑动面的环形的圆板部和以放射状突出设于所述圆板部的背面的多个翼部，
在该带制动盘的铁道车轮中，两个所述制动盘以使各自的所述滑动面朝向外侧的状态夹住所述车轮的所述板部，并在所述滑动面内的区域被紧固，
在将形成于所述制动盘与所述车轮之间的空间沿圆周方向横切的截面的截面积中，该截面积最小的最小截面部位于由所述圆板部的外周面和所述轮缘部的内周面形成的区域中的、所述圆板部的所述外周面的最靠背面侧的区域，
所述最小截面部的面积为2500mm2以上且7000mm2以下。
2.根据权利要求1所述的带制动盘的铁道车轮，其中，
所述圆板部的外径恒定。
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