JP3812323B2 - 鉄道車両用波打車輪及び鉄道車両用台車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リム側板部がボス側板部より軌道外側に位置する形状の鉄道車両用波打車輪及び前記車輪を備える鉄道車両用台車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両用車輪（以下、単に車輪ともいう）の形状には、ＪＩＳ Ｅ ５４０２に規定されるように、Ａ形、Ｂ形及びＣ形の３形状がある。このなかで、Ａ形の車輪はリム側板部がボス側板部より軌道外側に位置するものであり、板部に発生する応力を他の２形状の車輪よりも小さくすることができることから、現在広く使用されている。
【０００３】
なかでも、板部を円周方向に波打たせた波打車輪は、車両速度の向上と省エネルギーとに資する軽量化車輪として広く使用されている。波打車輪は、板部を円周方向に波打たせて板部の剛性を高めることにより、垂直荷重や横圧などの外荷重に対するレールからの反力に起因して板部に発生する機械的応力（以下、機械的応力という）を低減し、これにより板部が波のない円錐状の面である車輪（以下、波無車輪という）よりも板厚を低減させて軽量化することを可能にする優れた車輪である。
【０００４】
しかし、波打車輪は、機械的応力を波無車輪よりも小さくできるものの、ブレーキが負荷されたときに踏面とブレーキパッドとの摩擦熱に起因して板部に発生する熱応力（以下、単に熱応力という）が、波無車輪よりも大きくなるという課題を有する。
【０００５】
この課題を解決するものとして、特開平６−２７８４０１号公報には、熱応力を効果的に抑制できる波打車輪が開示されている。同公報には、フランジ側から見て、板の波の最低部を通る径方向板断面形状のリムフィレットのフランジ側円弧端近傍の板部板厚中央部及びボスフィレットのフランジ側円弧端近傍の板部板厚中央部から軸心におろした垂線間の寸法を３０〜７０ｍｍとし、さらに、フランジ側から見て、板の波の最頂部を通る径方向板断面形状のボスフィレットの反フランジ側円弧端近傍の板部板厚中央部及びボスフィレットのフランジ側円弧端近傍の板部板厚中央部から軸心におろした垂線間の寸法を１０〜３０ｍｍとする車輪が開示されている。
【０００６】
一方、踏面の形状は、上述したＪＩＳ Ｅ ５４０２に規定されるＡ形、Ｂ形、Ｃ形という形状に拘らず、在来線において使用するものは、踏面勾配が１／２０の一般に円錐踏面と呼ばれる形状となっている。また、Ｃ形車輪の中で新幹線に使用されるものは、踏面勾配が１／４０の円錐踏面となっている。
【０００７】
一般に、踏面勾配が小さいほど、車両が蛇行動を起こし始める限界速度が高くなるために直線走行時の走行安定性に優れる。また、輪軸の中心とレール間の中心とがずれた場合であっても、左右の車輪について車輪とレールとの接触点からなる円の半径差が小さいため、直線走行時における車輪とレールとのすべりが生じ難くなり、すべりに起因した異常摩耗やシェリングと呼ばれる踏面の疲労剥離の発生を抑制できる。すなわち、直線走行性の観点からは踏面勾配が小さいほど好ましいのである。
【０００８】
しかし、曲線走行時には、内輪と外輪の走行距離が異なるのに対し、内輪と外輪の回転速度は同一であるため、外輪とレールとの接触点からなる円の半径を内輪とレールとの接触点からなる円の半径よりも大きくなるようにした方が、車輪とレールとのすべりを抑制できるので好ましいことになる。曲線走行時におけるレールと接する踏面の位置は、直線走行時よりも内輪及び外輪とも内輪側へ変位するので、上記理由により踏面勾配が大きい方が車輪とレールとのすべりを抑制できるので好ましいことになる。すなわち、曲線走行性の観点からは踏面勾配が大きいほど好ましいのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、波打車輪は、車両の高速化と省エネルギーとに資する軽量化車輪として広く使用されている優れた車輪である。また、特開平６−２７８４０１号公報に開示された波打車輪は、波打車輪の課題である熱応力を実用上問題のない程度にまで抑制することができるので、波打車輪の適用可能範囲は極めて広範である。
【００１０】
しかし、ボス側板部に対するリム側板部の変位量が同一である場合には、波打車輪の方が波無車輪よりも熱応力が大きくなるので、車輪形状を適正化した場合の熱応力の最小値については、波無車輪の方が波打車輪よりも小さくできることになる。このため、極めて過酷なブレーキを課せられる路線の車両には、波打車輪よりも重量が大きく車両の高速化及び省エネルギーの面において不利であるが、熱応力抑制効果に優れる波無車輪を適用する場合があり得る。
【００１１】
したがって、車両の高速化と省エネルギーとに資する軽量化車輪である波打車輪の適用範囲をさらに拡大するために、特開平６−２７８４０１号公報に開示された波打車輪よりもさらに熱応力抑制効果に優れる波打車輪が望まれている。
【００１２】
また、上述したように、車両の走行性に大きな影響を及ぼす踏面勾配は車輪の性能に関する重要な要素であるが、各種走行条件下における踏面勾配の挙動を考慮し、夫々の走行条件下における踏面勾配を好適とするように車輪形状の適正化を試みることは従来行なわれていなかった。なお、一般には荷重が作用しない状態における踏面の勾配を踏面勾配というが、ここでは、各種走行条件により荷重等が車輪に作用した際の車軸に対する踏面の勾配のことを踏面勾配ということとする。
【００１３】
しかし、上記検討により車輪形状の適正化を図ることは、鉄道車両のさらなる性能向上を図るために必要である。具体的には、直線走行時に相当する垂直荷重作用時には踏面勾配がより小さく、曲線走行時に相当する横圧作用時には踏面勾配がより大きくなるようにする車輪を適用することにより、鉄道車両のさらなる性能向上を可能にできるのである。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑み、ブレーキにより板部に発生する熱応力を低減するのに好適な鉄道車両用波打車輪及び鉄道車両用台車を提供することを目的とする。また、鉄道車両のさらなる性能向上を可能にするために、直線走行時及び曲線走行時の踏面勾配が好適となる、直進走行性及び曲線走行性に優れる鉄道車両用波打車輪及び鉄道車両用台車を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鉄道車両用波打車輪について、従来よりもさらに熱応力を抑制すべく、熱応力に及ぼす車輪形状の影響についてＦＥＭ解析を用いて調査を行った。また、鉄道車両の総合的走行性を向上させるべく、直線走行性と曲線走行性の双方について、ブレーキをかけない場合（以下、通常走行時という）とブレーキをかけた場合（以下、制動走行時という）とにおける踏面勾配に及ぼす車輪形状の影響についてもＦＥＭ解析を用いて調査した。その結果、以下の知見を得た。
【００１６】
（Ａ）ブレーキにより板部に発生する最大熱応力は、リム側板部の波打ち量γとボス側板部の波打ち量ωとの比γ／ω（以下、単にγ／ωともいう）と相関を有し、γ／ωを１．０以上とすることにより板部に発生する最大熱応力を効果的に低減できる。
【００１７】
ここで、リム側板部の波打ち量γとは、板部の波の最底部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底に接し軸心に垂直な平面と、板部の波の最頂部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底に接し軸心に垂直な平面との距離である。
【００１８】
また、ボス側の板部の波打ち量ωとは、板部の波の最底部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底に接し軸心に垂直な平面と、板部の波の最頂部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底に接し軸心に垂直な平面との距離である。
【００１９】
なお、板部の波の最底部とは、板部の周方向の波について最も反フランジ側に位置している部位であり、板部の波の最頂部とは、板部の周方向の波について最もフランジ側に位置している部位である。
【００２０】
図１は、リム側板部の波打ち量γの説明図であり、図２は、ボス側板部の波打ち量ωの説明図である。
図１において、符号１はリム部、符号２は板部、符号３はボス部、符号４はフランジ、符号５は踏面を示す。また、Ｘ１は板部の波の最頂部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底、Ｘ２は板部の波の最底部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底、Ｌは軸心を示す。板部については、実線にて板部の波の最頂部を通る径方向断面を、破線にて板部の波の最底部を通る径方向断面を示す。
【００２１】
図２において、Ｙ１は板部の波の最頂部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底、Ｙ２は板部の波の最底部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底を示す。同図において、図１と同じ要素は同一の符号を用いて示し、板部についても同様にして示す。
【００２２】
（Ｂ）ボス側板部に対するリム側板部の変位量δ（以下、単にδともいう）を１５ｍｍ以上とすることにより、ブレーキにより板部に発生する最大熱応力を効果的に低減できる。
【００２３】
ここで、ボス側板部に対するリム側板部の変位量δとは、板部の波の最頂部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底に接し軸心に垂直な平面と、板部の波の最頂部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底に接する軸心に垂直な平面との距離である。
【００２４】
図３は、ボス側板部に対するリム側板部の変位量δを示す説明図である。
同図において、図１及び図２と同じ要素は同一の符号を用いて示し、板部についても同様にして示す。
【００２５】
（Ｃ）リム側板部の波打ち量γを大きくすることにより、直線走行における通常走行時及び制動走行時の踏面勾配を小さくすることができ、直線走行性を向上させることができる。
【００２６】
（Ｄ）ボス側板部の波打ち量ωを小さくすることにより、曲線走行における通常走行時の踏面勾配を大きくすることができ、通常走行時の曲線走行性を向上させることができる。
【００２７】
本発明は、上記知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）リム側板部がボス側板部より軌道外側に位置する鉄道車両用波打車輪において、リム側板部の波打ち量γとボス側板部の波打ち量ωとの比γ／ωが２．０以上であり、ボス側板部に対するリム側板部の変位量δが１５ｍｍ以上であることを特徴とする鉄道車両用波打車輪。
【００２８】
（２）リム側板部の波打ち量γが５ｍｍ以上であることを特徴とする（１）項に記載の鉄道車両用波打ち車輪。
【００２９】
（３）（１）項または（２）項に記載の鉄道車両用波打車輪を備えることを特徴とする鉄道車両用台車。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の数値限定理由について、ＦＥＭ解析の結果を示して説明する。図４は、ブレーキにより板部に発生する最大熱応力とγ／ωとの関係を示すグラフである。
【００３１】
同図に示すように、γ／ωを大きくすることにより板部に発生する最大熱応力を低減することができ、δが同一である場合においても波無車輪と同程度にまで低減することができる。ここで、γ／ωは１．０以上とすることが好ましい。γ／ωが１．０未満では、板部に発生する最大熱応力の低減効果が不充分な場合がある。より好ましくはγ／ωを１．５以上とする。
【００３２】
また、同図に示すように、δを大きくすることにより板部に発生する最大熱応力を低減できる。ここで、δは１５ｍｍ以上とするのが好ましい。δを１５ｍｍ未満としたのでは、板部に発生する最大熱応力を低減する効果が不充分となる場合があるからである。さらに好ましくは３０ｍｍ以上である。
【００３３】
δが大きいほど大きな熱応力低減効果が得られるので、δの上限は特に限定しない。しかし、６０ｍｍを超えると車輪のボス端面の寸法制約から板部の形状を構成することが困難となる場合には、６０ｍｍ以下とすればよい。
【００３４】
図５は、直線走行に相当する垂直荷重作用時における通常走行時の踏面勾配とリム側板部の波打ち量γとの関係を示すグラフである。
図６は、直線走行に相当する垂直荷重作用時における制動走行時の踏面勾配とリム側板部の波打ち量γとの関係を示すグラフである。
【００３５】
図５及び図６に示すように、リム側板部の波打ち量γを大きくすることにより、直線走行における通常走行時及び制動走行時の踏面勾配を小さくすることができ、直線走行性の観点から好ましくなる。ここで、リム側板部の波打ち量γによる踏面勾配を小さくする効果は、蛇行動を起こし始める限界速度を高くして走行安定性を顕著に改善する程度ではないとも考えられるが、左右車輪の車軸方向の変位に起因して生じる車輪とレールとの間のすべりを抑制し、異常摩耗やシェリングと呼ばれる踏面の疲労剥離の発生を抑制することは期待できる。
【００３６】
リム側板部の波打ち量γは、５ｍｍ以上とするのが好ましい。リム側板部の波打ち量γを５ｍｍ未満としたのでは、上述した直線走行性を向上させる効果が不充分となる場合があるからである。リム側板部の波打ち量γを１０ｍｍ以上とするとさらに好ましい。
【００３７】
リム側板部の波打ち量γが大きいほど直線走行時の踏面勾配を小さくできるので、リム側板部の波打ち量γの上限は特に限定しない。しかし、リム側板部の波打ち量γが２０ｍｍを超えると踏面勾配を小さくする効果が飽和するので、製造工程または寸法において制約等がある場合には、リム側板部の波打ち量γを２０ｍｍ以下とすればよい。
【００３８】
図７は、曲線走行に相当する横圧作用時における踏面勾配とボス側板部の波打ち量ωとの関係を示すグラフである。
同図に示すように、ボス側板部の波打ち量ωを小さくすることにより、通常走行時の踏面勾配を大きくすることができ、通常走行時の曲線走行性の観点から好ましい形態となる。また、同図に示すように、ボス側板部の波打ち量ωを小さくすることは、制動走行時の踏面勾配を僅かに小さくするので製造走行時の曲線走行性を若干劣化させるものの、これに比べて通常走行時の踏面勾配を著しく大きくできるという顕著な効果が得られるので、総合的に曲線走行性を向上させることができる。
【００３９】
ボス側板部の波打ち量ωは、１０ｍｍ以下とするのが好ましい。ボス側板部の波打ち量ωを１０ｍｍ超としたのでは、通常走行時において踏面勾配を大きくする効果が不充分となる場合があるからである。ボス側板部の波打ち量ωを５ｍｍ以下とするとさらに好ましい。
【００４０】
また、本発明の車輪は一般に使用されているＡ形車輪に替えて使用することが可能であるので、現在Ａ形車輪が使用されている公知の種々の鉄道車両用台車に適用することができる。例えば、国内であれば在来線用ボルスタ付き台車及びボルスタレス台車に適用できる。
【００４１】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、車輪直径８６６ｍｍ、車輪幅１３３ｍｍの車輪に同一条件のブレーキを負荷した場合について、板部に発生する熱応力及び踏面勾配をＦＥＭ解析により求めた。
【００４２】
表１に、試験に供した車輪についての、ボス側板部に対するリム側板部の変位量δ、リム側の板部の波打ち量γ、ボス側の板部の波打ち量ω、γ／ω及び車輪の種別を示す。
【００４３】
【表１】

図８は、各試験材についてブレーキ試験において板部に発生した最大熱応力を示すグラフである。
【００４４】
同図に示すように、試験材４は熱応力の面で一般的に有利となる波無車輪であるが、δが小さいために大きな熱応力が生じた。また、試験材６及び試験材７はγ／ωが１未満となっているため、大きな熱応力が生じた。試験材１〜３は、γ／ωが１以上の好適範囲にあるため、δが同程度であり熱応力の面で優れる波無車輪である試験材５と同程度の小さな熱応力であった。
【００４５】
図９は、直線走行における通常走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフであり、図１０は、直線走行における制動走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフである。
【００４６】
図９及び図１０に示すように、波無車輪である試験材４及び試験材５は、通常走行時の踏面勾配が他の試験材に比べて大きくなっており、試験材６及び試験材７は、制動走行時の踏面勾配が他の試験材よりも大きくなった。試験材１〜３は、通常走行時及び制動走行時の両条件下において踏面勾配が小さく、総合的に直線走行性に優れるという結果になった。
【００４７】
図１１は、曲線走行における通常走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフである。
同図に示すように、試験材６及び試験材７の踏面勾配は他の試験材に比べて小さくなった。試験材１〜３は、波無車輪である試験材４及び試験材５と同程度の大きな踏面勾配であり、通常走行における曲線走行性に優れるという結果になった。
【００４８】
以上より、試験材１〜３は、熱応力の面で優れる波無車輪と同程度にまで熱応力を低減でき、また総合的走行性に優れる車輪であるという結果が得られた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、ブレーキングにより波打車輪板部に発生する熱応力を波無車輪と同程度にまで低減することができる。また、直線走行時及び曲線走行時の踏面勾配を好適とすることにより、総合的走行性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リム側板部の波打ち量γの説明図である。
【図２】ボス側板部の波打ち量ωの説明図である。
【図３】ボス側板部に対するリム側板部の変位量δを示す説明図である。
【図４】ブレーキにより板部に発生する最大熱応力とγ／ωとの関係を示すグラフである。
【図５】垂直荷重作用時における通常走行時の踏面勾配とリム側板部の波打ち量γとの関係を示すグラフである。
【図６】垂直荷重作用時における制動走行時の踏面勾配とリム側板部の波打ち量γとの関係を示すグラフである。
【図７】横圧作用時における踏面勾配とボス側板部の波打ち量ωとの関係を示すグラフである。
【図８】ブレーキ試験において板部に発生した最大熱応力を示すグラフである。
【図９】直線走行における通常走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフである。
【図１０】直線走行における制動走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフである。
【図１１】曲線走行における通常走行時の踏面勾配をＦＥＭ解析によって求めた結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１：ボス部 ２：板部 ３：リム部
４：フランジ ５：踏面 Ｌ：軸心
Ｘ₁ ：板部の波の最頂部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底
Ｘ₂ ：板部の波の最底部を通る径方向断面におけるフランジ側凹部底
Ｙ₁ ：板部の波の最頂部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底
Ｙ₂ ：板部の波の最底部を通る径方向断面における反フランジ側凹部底

Claims (3)

1. リム側板部がボス側板部より軌道外側に位置する鉄道車両用波打車輪において、リム側板部の波打ち量γとボス側板部の波打ち量ωとの比γ／ωが２．０以上であり、ボス側板部に対するリム側板部の変位量δが１５ｍｍ以上であることを特徴とする鉄道車両用波打車輪。
2. リム側板部の波打ち量γが５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用波打ち車輪。
3. 請求項１または請求項２に記載の鉄道車両用波打車輪を備えることを特徴とする鉄道車両用台車。

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