JP2016070292A - ブレーキディスク付き鉄道車輪 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な形状で生産性に優れたブレーキディスクを備え、高速走行中の空力音を有効に低減することが可能なブレーキディスク付き鉄道車輪を提供する。【解決手段】鉄道車輪は、リム部１２、及び板部１３を含む車輪１０と、表面２ａ側を摺動面２ａ２とする円板部２を含むブレーキディスク１と、を備える。リム部１２の内周面１２ｂは、リム部１２の側面１２ａにつながるテーパー面１２ｂａ、及びテーパー面１２ｂａと板部１３の側面１３ａとにつながるフィレット面１２ｂｂから成る。円板部２の外周面２ｃは、外側領域面２ｃ１と内側領域面２ｃ２とに区分される。車輪１０の軸方向に沿った断面において、内側領域面２ｃ２とフィレット面１２ｂｂのテーパー面１２ｂａ近傍の部分１２ｂｂ１とのなす角度αは、０°≦α≦６°を満たし、外側領域面２ｃ１とテーパー面１２ｂａとのなす角度βは、０°≦β≦３５°を満たす。【選択図】図６Ｂ

Description

本発明は、鉄道車両用の車輪にブレーキディスクが締結されて成るブレーキディスク付き鉄道車輪（以下、「ＢＤ付き鉄道車輪」ともいう）に関する。

鉄道車両の制動装置としては、車両の高速化や大型化に伴い、制動性に優れたディスクブレーキが多用される。ディスクブレーキでは、車輪に取り付けられたブレーキディスクの摺動面にブレーキライニングを押し付ける。これにより、回転する車輪に制動力が発生し、車両の速度が制御される。

図１Ａ及び図１Ｂは、鉄道車両のディスクブレーキを構成するブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、図１Ａに１／４円部分の平面図を、図１Ｂに半円部分の軸方向に沿った断面図をそれぞれ示す。図２Ａ〜図２Ｃは、従来のＢＤ付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、図２Ａにブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を、図２Ｂにブレーキディスクを裏面側から見た平面図を、図２Ｃに軸方向に沿った断面図をそれぞれ示す。

図１Ａ、図１Ｂ及び図２Ａ〜図２Ｃに示すように、ブレーキディスク１は、表面２ａ側を摺動面とするドーナツ形の円板部２を備える。この円板部２の裏面２ｂには、放射状に複数のフィン部３が突設されている。複数のフィン部３のうちの幾つかには、半径方向のほぼ中央の位置に、円板部２まで貫通するボルト孔４が形成されている。

車輪１０は、車軸が圧入されるボス部１１、レールと接触する踏面を含むリム部１２、及びこれらを結合する板部１３から成る。ブレーキディスク１は、２枚を一組として個々の表面２ａを外向きにした状態で車輪１０の板部１３を挟み込むように配置される。各ボルト孔４にボルト５が挿通され、各ボルト５にナット６が螺合し締め付けられる。これにより、ブレーキディスク１は、フィン部３の先端面（軸方向の端面）が半径方向の全域にわたって車輪１０の板部１３の側面１３ａに圧接した状態で、車輪１０に締結される。このような構成の従来のＢＤ付き鉄道車輪は、例えば特許文献１に開示されている。

鉄道車両の走行時、ブレーキディスク１は車輪１０と一体で高速回転する。これに伴い、ブレーキディスク１の周辺の空気が、ブレーキディスク１と車輪１０との間に形成された空間内に、具体的には、ブレーキディスク１の円板部２及びフィン部３、並びに車輪１０の板部１３で囲まれた空間内に、内周側から流入し、外周側から流出する（図２Ａ〜図２Ｃ中の実線矢印参照）。要するに、鉄道車両の走行中、ブレーキディスク１と車輪１０との間の空間には空気のガス流れが生じる。このガス流れは、新幹線（Ｒ）等の高速鉄道車両のように時速３００ｋｍを超える高速で走行する際に著しくなり、空力音と称される騒音を誘発する。このため、環境への配慮から空力音の低減が必要とされる。

この要求に対応する従来技術として、下記のものがある。

例えば特許文献２には、ブレーキディスクについて、隣り合うフィン部同士の間に円周方向に沿ってリブを追加し、このリブによってガス流れを抑制したＢＤ付き鉄道車輪が開示されている。同文献に開示されたＢＤ付き鉄道車輪によれば、空力音を所望のレベルまで低減することができる。

しかし、前記特許文献２に開示された技術では、リブによるガス流れの抑制に伴い、制動時にブレーキディスクへの冷却性能が低下する。このため、リブの追加によってブレーキディスク自体の剛性が増すことと相まって、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形、及びそれによる締結用ボルトへの応力負荷が増大し、ブレーキディスク及びボルトの耐久性が低下するおそれがある。

この問題の解決を図る従来技術が、特許文献３に開示されている。

図３Ａ及び図３Ｂは、特許文献３に開示された従来のＢＤ付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、図３Ａにブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を、図３Ｂに軸方向に沿った断面図をそれぞれ示す。これらの図に示すように、特許文献３に開示されたＢＤ付き鉄道車輪では、ブレーキディスク１について、隣り合うフィン部３同士の間に円周方向に沿ってリブ７を追加し、更に、このリブ７の円周方向の中央部に径方向に沿ってスリット７ａが形成されている。

このＢＤ付き鉄道車輪によれば、スリット７ａによってガス流れが確保される。このため、制動時にブレーキディスク１への冷却性能が維持されるとともに、リブの追加による剛性の増加が緩和されることから、ブレーキディスク１の熱膨張に伴う変形及び締結用ボルトへの応力負荷が軽減され、ブレーキディスク１及びボルトの耐久性の低下が抑えられる。

非特許文献１には、特許文献３のリブの代わりに、フィン部の径方向内側端部に、空気の流れを抑制するエアダムが設けられたＢＤ付き鉄道車輪が開示されている。エアダムは、ブレーキディスクの周方向に沿う板状部分である。隣接するフィン部のエアダム同士の間には、間隙が形成されており、この間隙によってガス流れが確保されて、制動時にブレーキディスクへの冷却性能が維持されるとともに、エアダムの追加による剛性の増加が緩和される。すなわち、この間隙は、特許文献３のスリットと同様の機能を有する。

特開２００６−９８６２号公報 特開２００７−２０５４２８号公報 国際公開ＷＯ２０１０／０７１１６９号パンフレット

堀内 雅彦、「クノールブレムゼにおける新幹線向け基礎ブレーキ装置の開発」、鉄道車両と技術、No. 202，p13−17

上述のとおり、空力音の低減を図る従来のＢＤ付き鉄道車輪は、ブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間内のガス流れを抑制することに主眼を置いている。このようなガス流れを抑制するため、これらの鉄道車輪は、ディスクブレーキの円板部にリブを追加し、若しくは更にそのリブにスリットを形成したもの、又はディスクブレーキのフィン部にエアダムを追加し、エアダム同士の間に間隙を形成したものとなっている。このため、ブレーキディスクの形状が複雑になることから、ブレーキディスクの生産性が低下せざるを得ない。

具体的には、フィン部のみならず、リブ又はエアダムの高さを調整する追加工（機械加工等）が必要となり、更には、リブを設ける場合は、リブにスリットを形成する追加工が必要となるため、ブレーキディスクの製造工程が煩雑化する。とりわけ、ブレーキディスクを鍛造によって製造する場合には、金型への負荷が増大し、金型寿命が短くなることは否めない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、下記の特性を有するブレーキディスク付き鉄道車輪を提供することである：
・ブレーキディスクが簡素な形状で生産性に優れたものであること；
・放熱性を十分に確保しつつ、高速走行中の空力音を有効に低減すること。

本発明の一実施形態であるブレーキディスク付き鉄道車輪は、
ボス部、リム部、及びこれらを結合する板部から成る鉄道車両用の車輪と、
表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部、及び前記円板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部から成るブレーキディスクと、を備え、
２枚の前記ブレーキディスクが個々の前記摺動面を外向きにした状態で前記車輪の前記板部を挟み込み、締結されたブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
前記リム部の内周面は、前記リム部の側面につながるテーパー面、及び前記テーパー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面から成り、
前記ブレーキディスクと前記車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面の面積について、この断面積が最小となる最小断面部が、前記円板部の外周面と前記リム部の内周面とで形成される領域のうち、前記リム部の前記テーパー面と前記フィレット面との境界に存在し、
前記円板部の前記外周面は、前記最小断面部を境界にして外側領域面と内側領域面とに区分され、
前記車輪の軸方向に沿った断面において、前記内側領域面と前記フィレット面の前記最小断面部近傍の部分とのなす角度αが、０°≦α≦６°を満たし、前記外側領域面と前記テーパー面とのなす角度βが、０°≦β≦３５°を満たし、前記摺動面と前記テーパー面とのなす角度γが、３０°≦γ≦４５°を満たす。

本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪は、下記の顕著な効果を有する：
・ブレーキディスクが簡素な形状で生産性に優れたものであること；
・放熱性を十分に確保しつつ、高速走行中の空力音を有効に低減できること。

図１Ａは、ブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、１／４円部分の平面図である。 図１Ｂは、ブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、半円部分の軸方向に沿った断面図である。 図２Ａは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図である。 図２Ｂは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクを裏面側から見た平面図である。 図２Ｃは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、軸方向に沿った断面図である。 図３Ａは、特許文献３に開示された従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図である。 図３Ｂは、特許文献３に開示された従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、軸方向に沿った断面図である。 図４は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における開口面積の総和と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。 図５は、非定常ガス流れ解析で得られた固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）におけるガス圧力変動の分布を示す図である。 図６Ａは、本発明の一実施形態であるブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図６Ｂは、図６Ａに矩形枠で示す部分を拡大して示す断面図である。 図７Ａは、本発明例１のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図７Ｂは、本発明例２のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図７Ｃは、本発明例３のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図７Ｄは、比較例１のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図７Ｅは、比較例２のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図７Ｆは、比較例３のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図である。 図８は、本発明例１〜３及び比較例１〜３のブレーキディスク付き鉄道車輪について、放熱指標と空力音レベルとの関係を示す図である。

前記特許文献３に記載されているとおり、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間、その中でもブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間を流れる空気の通気量と、空力音のレベルとの間には、強い相関がある。

図４は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における開口面積の総和と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。ここでいう開口面積の総和とは、ブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間について、ブレーキディスクの内周側から見たときの開口面積の円周方向全域にわたる総和のことである。言い換えると、開口面積の総和は、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面（以下、「空間横断面」）について、この空間横断面の面積が最小となる最小断面部の面積のことである。例えば、前記図３Ａ及び図３Ｂに示すＢＤ付き鉄道車輪のように、ブレーキディスクのフィン部同士の間にリブが追加され、このリブにスリットが形成されている場合、最小断面部はリブの位置にあるので、このリブの位置での空間横断面の面積が図４に示す開口面積の総和となる。なお、通気量は熱流体解析（ブレーキディスク１枚あたり）によって得られ、空力音のレベルは実験により得られたものである。

図４に示すように、空力音レベルは最小断面部の面積（開口面積の総和）の増加に伴って大きくなり、通気量も同様の傾向となることがわかる。

しかし、実際には、空力音は、ガス圧力の非定常変化（粗密波の伝播現象）よって引き起こされる。このため、空力音の発生を数値解析で予測する際には、本質的に非定常的なガス流れの変化及びそれに伴う音圧の変化を直接的に評価することが好ましい。

そこで、前記図３Ａ及び図３Ｂに示す従来のＢＤ付き鉄道車輪、すなわちフィン部同士の間にスリット付きのリブを追加したＢＤ付き鉄道車輪を対象とし、非定常ガス流れ解析に基づく空力音レベルの直接予測を実施した。この解析では、走行速度は３６０ｋｍ／ｈと一定にした。

非定常ガス流れ解析に用いたＢＤ付き鉄道車輪のモデルの代表的な条件は、次のとおりである。
＜ブレーキディスク＞
・新幹線（Ｒ）用の鍛鋼ディスク
・円板部の内径：４１７ｍｍ、円板部の外径：７１５ｍｍ
・円板部の摺動面からフィン部の先端面（車輪板部との接触面）までの長さ：４５ｍｍ
・直径が５６０ｍｍの同一円上に中心が位置する１２個のボルト孔を等間隔に形成し、各ボルト孔にボルトを挿通してブレーキディスクと車輪とを締結。
＜車輪＞
・新幹線（Ｒ）用の圧延車輪
・内径：１９６ｍｍ、外径：８６０ｍｍ

まず、前記特許文献２に記載された方法によって空力音レベルの測定を行い、非定常ガス流れ解析の計算手法の妥当性を検証した。具体的には、実験により、精密騒音計で音圧データを計測後、周波数分析を行い、Ａ特性補正を加えた後、１／３オクターブバンド処理を実施し、周波数特性データ及びオーバーオール値を算出した。そして、オーバーオール値について、実験値（１１４．５［ｄＢ（Ａ）］）と計算値（１１４．８［ｄＢ（Ａ）］）を対比し、両者の整合性を確認した。

図５は、非定常ガス流れ解析で得られた固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）におけるガス圧力変動の分布を示す図である。同図（ａ）は、ブレーキディスク及び車輪の表面のいずれも表示したものであり、同図（ｂ）は、そのうちのブレーキディスクを透過して表示したものである。

図５に示す固体表面におけるガス圧力変動は、圧力の時間微分値の二乗平均量を示し、これは固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）における音源分布に相当する。図５中の濃淡表示の濃い部分の分布から明らかなように、走行中の主要音源は、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間の中でも、ガス流出領域及びこの近傍、すなわちブレーキディスクの円板部の外周領域及びこの近傍に現れる。

このことから、本発明では、空力音の低減を図るため、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間のうち、従来技術で着目していたブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間ではなく、ガス流出領域となるブレーキディスクの円板部の外周領域、すなわちブレーキディスクの円板部の外周面と車輪のリム部の内周面とで形成される領域に限定して着目した。

そして、上記の非定常ガス流れ解析による数値計算を用い、ブレーキディスクの円板部の外周領域の形態が空力音レベル及び冷却性能に及ぼす影響について調査した。その結果、ブレーキディスクの外周面の形状を適切に規定すれば、冷却性能を従来技術相当又はそれ以上に維持しながらも、空力音レベルを一層抑制できるとの知見を得て、本発明を完成させた。

一般に、ガス流れは、方向変化が急激であればある程、粘性応力による運動エネルギーの散逸が大きくなり、その分、音を生成するエネルギーへと転換しやすくなる。この点、本発明は、ガス流出領域のガス流れに着目し、ブレーキディスクと車輪との間からのガス流れが、車輪のリム部の表面（側面）に沿うように調整し、ブレーキディスクの回転に伴って発生する摺動面に沿った半径方向外向きのガス流れと小さい角度で合流するようにする。これにより、音源となりやすい合流点近傍でのガス流れの方向変化が極小化し、空力音の低減が実現される。

以下に、本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪の実施形態について詳述する。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態に係るブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す、軸方向に沿った断面図（以下、「軸方向断面」という。）である。図６Ｂは、図６Ａに矩形枠Ｆで示す範囲を拡大して示す断面図である。以下では、前記図１Ａ、図１Ｂ及び図２Ａ〜図２Ｃに示す従来のＢＤ付き鉄道車輪と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、この実施形態におけるブレーキディスク１は、円板部２と、フィン部３とを備える。このブレーキディスク１は、前記図３Ａ及び図３Ｂに示すようなリブ７、及び上記非特許文献１に開示されたエアダムを有しない。要するに、円板部２の裏面２ｂには、放射状に複数のフィン部３が突設されているのみである。円板部２は、円錐台状、円柱状等の形状を有する。

ブレーキディスク１の材質としては、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、アルミニウム、カーボン等を採用することができる。

図６Ｂに示すように、ブレーキディスク１の表面２ａのうち、外周領域面２ａ１を除く領域が摺動面２ａ２となっている。摺動面２ａ２は、外周領域面２ａ１に比して一段高くなっており、外周領域面２ａ１と摺動面２ａ２との間には、段差が形成されている。摺動面２ａ２は、繰り返しの制動に伴って摩耗し、摺動面２ａ２の摩耗が円板部２の外周領域面２ａ１の高さ（図６Ｂに破線で示す。）まで進行すると、ブレーキディスク１は、交換される。

車輪１０は、ボス部１１と、リム部１２と、板部１３とを備える。リム部１２の内周面１２ｂ（図６Ｂ中の点ｂ１から点ｂ４の範囲）は、リム部１２の側面１２ａにつながるテーパー面１２ｂａ（図６Ｂ中の点ｂ１から点ｂ２の範囲）、及びテーパー面１２ｂａと板部１３の側面１３ａとにつながるフィレット面１２ｂｂ（図６Ｂ中の点ｂ２から点ｂ４の範囲）を含む。

図６Ｂに示すように、軸方向断面において、テーパー面１２ｂａは、ほぼ直線状である。フィレット面１２ｂｂは、軸方向断面において、ほぼ直線状の直線部１２ｂｂ１（図６Ｂ中の点ｂ２から点ｂ３の範囲）と、車輪１０側に凸形状である曲線状の曲線部１２ｂｂ２（図６Ｂ中の点ｂ３から点ｂ４の範囲）とを含む。直線部１２ｂｂ１は、テーパー面１２ｂａにつながっており、曲線部１２ｂｂ２は、板部１３の側面１３ａにつながっている。曲線部１２ｂｂ２は、曲率半径が一定のＲ面であってもよく、曲率半径が変化する自由曲面であってもよい。

ここで、この実施形態のＢＤ付き鉄道車輪では、ブレーキディスク１と車輪１０との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する空間横断面について、この空間横断面の面積が最小となる最小断面部が、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃと車輪１０のリム部１２の内周面１２ｂとで形成される領域に存在する。具体的には、最小断面部は、リム部１２の内周面１２ｂでは、テーパー面１２ｂａとフィレット面１２ｂｂとの境界（点ｂ２）に存在する。

また、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃ（図６Ｂ中の点ａ１から点ａ３の範囲）は、最小断面部（点ａ２の位置）を境界にして、ここから厚み方向に沿って、外側（表面２ａ側）の外側領域面２ｃ１（図６Ｂ中の点ａ１から点ａ２の範囲）と、内側の内側領域面２ｃ２（図６Ｂ中の点ａ２から点ａ３の範囲）とを含む。軸方向断面では、外側領域面２ｃ１、及び内側領域面２ｃ２の形状は、いずれも、ほぼ直線状である。

軸方向断面において、面と面とがなす角度は、以下のように規定される。内側領域面２ｃ２（点ａ２及びａ３を通る直線）と直線部１２ｂｂ１（点ｂ２及びｂ３を通る直線）とのなす角度αは、０°≦α≦６°を満たす。外側領域面２ｃ１（点ａ１及びａ２を通る直線）とテーパー面１２ｂａ（点ｂ１及びｂ２を通る直線）とのなす角度βは、０°≦β≦３５°を満たす。

０°≦β≦３５°であるので、βが０ではない場合、すなわち、外側領域面２ｃ１の形状が、テーパー面１２ｂａに完全に沿ったものではない場合がある。この場合でも、内側領域面２ｃ２と直線部１２ｂｂ１とのなす角度αが０°≦α≦６°を満たすことにより、この２つの面間に形成される縮流部での整流化によりガス流れの変動が抑えられつつ、音源となりやすい合流点近傍でのガス流れの方向変化が緩和され、空力音が有効に低減する。

このような構成のＢＤ付き鉄道車輪において、ブレーキディスク１は、リブ７及びエアダムを有さず、円板部２の裏面にフィン部３を備えるのみであり、簡素な形状である。このため、ブレーキディスク１の製造工程が煩雑化することはなく、ブレーキディスク１の生産性は優れる。ブレーキディスク１を鍛造によって製造する場合であっても、金型への負荷が増大することはなく、金型寿命が短くなることもない。もっとも、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃは、角度α及びβが上記の要件を満たす形状に機械加工を施す必要はあるが、この機械加工は、従来のリブ及びエアダム並びにスリットの追加工とは異なり、ブレーキディスク１の一連の機械加工の中で簡単に行える。

また、このＢＤ付き鉄道車輪によれば、高速走行中、ブレーキディスク１と車輪１０との間を流れる空気は、最終的にリム部１２のテーパー面１２ｂａと、円板部２の外側領域面２ｃ１とによって規定される方向に沿うように流出する。このため、ブレーキディスク１と車輪１０との間から流出した空気は、ブレーキディスク１の回転に伴って発生する摺動面２ａ２に沿った半径方向外向きのガス流れと小さい角度で合流するようになる。

摺動面２ａ２とテーパー面１２ｂａとのなす角度γが、３０°≦γ≦４５°を満たすようにすることにより、このような合流の効果を得つつ、軸方向断面におけるテーパー面１２ｂａの長さＬが過剰に長くならないようにすることができる。長さＬは、例えば、１０ｍｍ≦Ｌ≦２０ｍｍを満たす。

軸方向断面において、摺動面２ａ２と直線部１２ｂｂ１（点２ｂ及び点ｂ３を通る直線）とのなす角度ζは、例えば、７０°≦ζ≦８５°とされる。

本発明のＢＤ付き鉄道車輪による効果を確認するため、非定常ガス流れ解析及び熱流体解析を実施し、空力音レベル、冷却性能及び通気量を評価した。図７Ａ〜図７Ｆは、解析の対象としたＢＤ付き鉄道車輪の軸方向断面図である。図７Ａ〜図７Ｆにおいて、図６Ａ及び図６Ｂに示すＢＤ付き鉄道車輪と共通する部分には、同一の符号を付している。図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の要件を満たすＢＤ付き鉄道車輪（それぞれ、本発明例１〜３）の断面図であり、図７Ｄ〜図７Ｆは、本発明の要件を満たさないＢＤ付き鉄道車輪（それぞれ、比較例１〜３）の断面図である。図７Ａ〜図７Ｅにおいて、線分で結ばれた２つの黒丸で示した部分が、最小断面部である。

表１に、各ＢＤ付き鉄道車輪について、内側領域面２ｃ２と直線部１２ｂｂ１とのなす角度α、外側領域面２ｃ１とテーパー面１２ｂａとのなす角度β、及び、最小断面部の面積を示す。

軸方向断面において、摺動面２ａ２とテーパー面１２ｂａとのなす角度γ、テーパー面１２ｂａの長さＬ、及び摺動面２ａ２と直線部１２ｂｂ１とのなす角度ζは、本発明例１〜３及び比較例１〜３で共通とし、下記の値をとるものとした。
・γ：３８．５°
・Ｌ：１１ｍｍ
・ζ：７７°

比較例３として、隣接するフィン部３同士の間にスリット７ａ付きのリブ７（図３Ａ及び図３Ｂ参照）を追加したＢＤ付き鉄道車輪を採用した。

各ＢＤ付き鉄道車輪について、車両走行時の空気及び熱の流れを数値解析した。解析に用いたＢＤ付き鉄道車輪のモデルの代表的な条件は、上述した非定常ガス流れ解析のときと同じである。また、非定常ガス流れ解析の手法も同様である。非定常ガス流れ解析及び熱流体解析のいずれも、走行速度が３６０ｋｍ／ｈと一定にした。

冷却性能の評価指標としては、ブレーキディスク１枚あたりの表面の平均熱伝達率と表面積との積算値で定義した放熱指標を導入した。この放熱指標が大きいほど、冷却性能が優れることを意味する。
図８に、各ＢＤ付き鉄道車輪の空力音レベル及び放熱指標を示す。

通気量は、ブレーキディスクと車輪との間の空間横断面の最小断面部での通気量の時間平均、及びその変動幅で評価した。表１に、各ＢＤ付き鉄道車輪の平均通気量及び通気量変動幅を併せて示す。

図８に示すように、本発明例１〜３は、リブを付与した従来技術である比較例３に比して、冷却性能を向上させながら、空力音レベルを低減できる。一方、本発明例と類似の形状であるが発明の範囲外である比較例１及び２では、円板部外周面の内側領域面２ｃ２とリム部内周面のフィレット面直線部１２ｂｂ１の間に形成される縮流部での整流化の効果が不足し、冷却能を向上できるものの空力音レベルも増大する。

また、表１に示すように、本発明例１〜３は、比較例３よりも最小断面部の面積が大きいため、平均通気量が増加し、冷却性能が高い。しかも、本発明例１〜３は、比較例３よりも通気量の変動幅が小さく、静音性が向上する。このことから、設計因子である最小断面部の面積を適宜変更することにより、ＢＤ付き鉄道車輪の静音性、及び制動時におけるブレーキディスクの冷却性能を適切に制御することが可能といえる。ブレーキディスク１の材質が、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、アルミニウム、カーボン等、いずれの場合であっても、同様の効果を奏することができる。

本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪は、ディスクブレーキを有するあらゆる鉄道車両に有効に利用することができ、中でも、高速鉄道車両に有用である。

１：ブレーキディスク、
２：円板部、 ２ａ：表面、 ２ａ２：摺動面、 ２ｂ：裏面、
２ｃ：外周面、 外側領域面：２ｃ１、 内側領域面：２ｃ２、
３：フィン部、 ４：ボルト孔、 ５：ボルト、 ６：ナット、
７：リブ、 ７ａ：スリット、 １０：車輪、 １１：ボス部、
１２：リム部、 １２ａ：側面、 １２ｂ：内周面、
１２ｂａ：テーパー面、 １２ｂｂ：フィレット面、
１２ｂｂ１：直線部、 １３：板部、 １３ａ：側面

Claims (3)

1. ボス部、リム部、及びこれらを結合する板部から成る鉄道車両用の車輪と、
   表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部、及び前記円板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部から成るブレーキディスクと、を備え、
   ２枚の前記ブレーキディスクが個々の前記摺動面を外向きにした状態で前記車輪の前記板部を挟み込み、締結されたブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
   前記リム部の内周面は、前記リム部の側面につながるテーパー面、及び前記テーパー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面から成り、
   前記ブレーキディスクと前記車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面の面積について、この断面積が最小となる最小断面部が、前記円板部の外周面と前記リム部の内周面とで形成される領域のうち、前記リム部の前記テーパー面と前記フィレット面との境界に存在し、
   前記円板部の前記外周面は、前記最小断面部を境界にして外側領域面と内側領域面とに区分され、
   前記車輪の軸方向に沿った断面において、前記内側領域面と前記フィレット面の前記最小断面部近傍の部分とのなす角度αが、０°≦α≦６°を満たし、前記外側領域面と前記テーパー面とのなす角度βが、０°≦β≦３５°を満たし、前記摺動面と前記テーパー面とのなす角度γが、３０°≦γ≦４５°を満たす、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
2. 請求項１に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
   前記車輪の軸方向に沿った断面において、前記摺動面と前記フィレット面の前記最小断面部近傍の部分とのなす角度ζが、７０°≦ζ≦８５°を満たす、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
3. 請求項１又は２に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
   前記車輪の軸方向に沿った断面において、前記テーパー面の長さＬが、１０ｍｍ≦Ｌ≦２０ｍｍを満たす、ブレーキディスク付き鉄道車輪。