JP5131999B2 - 高い制動能力を備えた貨物鉄道車輪 - Google Patents

Description

本発明は貨物鉄道車輪、特に主ブレーキ系に加えてトレッド制動のための車輪を含むトレッド制動輪に関する。本発明は、引き起こされた応力およびたわみを制動動作の間と後に十分に小さく保つ高い能力を備えた、車輪設計を提案する。この車輪は、特に重軸荷重貨物輸送サービスに適しているがまた、旅客列車に関する特別な用途に対しても適している。

鉄道車両の車輪は、今日でさえ主に、別個の円環（タイヤ）を備えたいわゆるタイヤ付き車輪が使われる場合であっても、一括または一体車輪と呼ばれる、単一の部材を鍛造するかまたは鋳造することによって製造される。この場合、一括車輪だけが考慮に入れられる。最新の旅客または貨車輪軸は、通常の鋼車軸に強固に取り付けられる２つの一括鋼車輪から成る。

鍛鋼車輪は、必要な寸法を満たすために圧延加工され、およびしばしば、機械的仕上げ操作を受ける。硬くて耐磨耗性のトレッド面は、踏面焼入れによって達成されることができる。この処理は、横亀裂の形成および伝播を抑制するのを助ける車輪リムの有利な周囲圧縮を引き起こす。車輪は、レールとのその接触による機械的負荷に、および、制動トレッドシステムが走行表面に適用される場合、さらに制動によって生じる熱負荷に、抵抗するように設計されなければならない。

トレッド上の制動は、貨物輸送貨車に対して最も共通して使う制動系である。車輪上の制動動作は、車輪のトレッドまたは走行表面に対して少なくとも一つのブレーキ片を押しつけることによって達成される。ブレーキ片は、鋳鉄または複合材料もしくは焼結鉱材料でできていることができる。制動時には、走行列車の運動エネルギーは熱に変わり、それは、車輪と制動ブロックまたは複数ブロックとの間で分配される。

トレッド制動動作中に、車輪内に温度勾配が車輪のトレッド上により高い温度で生ずる。この勾配によって、車輪リムのトレッド面近くに周囲圧縮応力の増大が生じる。材料の産出応力より大きい圧縮応力に達することができ、車輪が制動動作の後で冷める時、走行表面の近くの、車輪リム内の周囲引張応力の発生が続く。この残留応力は、それによって車輪のリム、ウエブおよびハブ内に半径方向の亀裂の伝播が生じる可能性があるという点で、しばしば安全問題を引き起こす。

温度勾配の生じた後にさらに、車輪のたわみが、特にハブに対する車輪リムの軸のたわみが、続く。車輪のこの軸のたわみは、制動動作中に、かつ、塑性降伏が生じると、さらに車輪が冷めた時も、輪軸内の２つの車輪のリム間の距離である、輪軸軌間を変える。

ブロック制動を使用する利点は、それが走行表面をざらざらにし、したがって、引張りおよび制動両方に対する重要な因子である、車輪とレールの間の密着を促進することである。しかしながら、ブロック制動系によって、いくつかの大きな欠点もまた、ある。過度の加熱は、車輪を傷つけ、かつ制限因子になる可能性がある。円板ブレーキを装備する列車と比較して、ブロック制動輪を装備する列車によって生成されるより大きなレベルのノイズは、環境障害に関しての重要な因子になる。複合材料または焼結鉱材料の使用によって制動される車輪は、制動ブロックが鋳鉄である車輪より小さいノイズを生成することが、しかしながら見いだされた。重要な側面は、ブレーキ片用の新しい材料によって、従来の鋳鉄ブロックブレーキによるより、より高いパーセンテージの熱が一般に車輪に入り、トレッド制動の熱負荷に関しての車輪寸法設計に影響すること、である。

最近導入された欧州規格ＵＩＣ５１０−５およびＥＮ１３９７９−１は、車輪−軌条接触から生じる機械的負荷およびトレッド制動から生じる熱負荷の両方に関しての鉄道車輪の設計を規制する。これらの規格によれば、貨車車輪は４５分間にわたって軸荷重に従い制動熱出力から生じる応力およびたわみ必要条件を満たさなければならない。車輪の性能は、制動試験ベンチを使用して試験されなければならない。

トレッド制動された鉄道車輪の設計において、応力とたわみとの間の妥協がしばしば試みられた。まっすぐなウエブを備えた車輪は、良い安定性を有するがリム内にきわめて高い応力を有する。円錐形状のウエブを備えた車輪は、制動の間と後に低い応力を有するが、しかしきわめて大きな横方向のリムたわみが欠点である。

これらの欠点を回避するために、曲線のウエブを備えた多くの異なる車輪設計が試みられた。しかしながら、これらの設計のいくつかは現在の性能条件を満たさず、かつそれらの幾何学的形状のために、既存のボギーにはめ込まれることができない。

最適化された、部分要因設計を有するいわゆる低応力車輪は、特別な部類の車輪に属する。ＦＥ計算は、（単一の半径を有する）Ｃ形状ウエブを備えた車輪が、リムの大きなたわみ、すなわちリムの大きなチルティングが欠点であることを示し、これは、周囲軸回りのリム断面の回転を意味する。

鉄道車輪用の鋼鉄材料は、鍛造された車輪に対するＥＮ１３６２：２００４（ＣＥＮ）規格によって規定される。この材料は、抗張力、硬度、靭性、延性、疲労強度および耐摩耗性に関して適切な特性を有しなければならない。さらに、この材料は急速冷却が続く車輪摺動によって生じる局部加熱による、もろいマルテンサイトの発生に対する耐性があるべきである。

本発明の目的は、製造するのが容易な、および、それぞれ、他の車輪設計および一部の特許文献内に記載されている車輪において経験される応力およびたわみに関する上述した欠点を回避するために、十分に高い半径方向のたわみ性および軸方向の剛性を有する車輪を提供することである。

本発明の目的は、車輪リムとハブとの間の新型の湾曲したウエブの導入によって達成され、それによって、設計の調整が低応力に関する、および、小さな横方向のたわみとリムチルティングに関する相対的必要条件との間のバランスを達成することができる。

鉄道車輪ウエブを設計する際に、したがって、（１）垂直および水平機械的負荷による疲労応力に関する、および（２）トレッド制動によって生じる熱負荷によるリムの応力およびたわみに関する、必要条件を満たす必要がある。必要条件（１）は、車輪ハブ近くのウエブの厚さが比較的大きい必要性を課すが、しかし一般にこれによってウエブがリムの近くで適度に薄いことが可能である。ウエブのこのエリアの形状および傾斜は、それらが必要条件（２）に従ってリム応力および横方向のたわみの低下に結びつくウエブの半径方向の膨張を許すことが可能である場合に決定的である。さらに、リムチルティングを減少させるために、車輪リムとウエブの接続帯の水平位置が、重要になる。

本発明は、少なくとも請求項１に従って、鉄道車両のための、特に商品貨車のための鉄道車輪を達成することに結びつくこの種の考察に基づいて考案された。

本発明は、しかしながら同封の図面に関してなされる本説明の継続においてより詳細に記載され、そこにおいて、

鉄道車輪の一部分の半径方向断面を示す。

示すように、この車輪はハブ１、走行表面またはトレッド３ならびにその内部側面上にフランジ４を備えたリム２、ハブおよびリムに接続するウエブ中心または中間ディスク５を備える。Ｘ〜Ｘは車輪の幾何学的軸線および回転軸線を示し、および、ＳはＸ〜Ｘ軸に対して垂直な半径方向の車輪中心面を示す。

ウエブ５は、ウエブをリム２の半径方向に内部表面に接続する領域６内の点Ａと、ウエブをハブ１の半径方向に外側の表面に接続する領域７内の点Ｂとの間で、曲線の形を備えた中心線ＡＢに沿って延伸する断面を有する。

より正確に言うと、ウエブ５は湾曲した中間部を有し、それは、中心線Ｓに沿って中間点Ｃの対向する部分から２つの変曲点Ｄ、Ｅの間に延伸し、かつ、それは車輪の片側から湾曲中心（内輪）を有し、同じく、両方とも車輪の反対側からの湾曲中心（内輪）を備えた、点Ｄとリムの接合領域６内の上述した点Ａとの間の第１の末端部分、および、点Ｅとハブの接合領域７内の上述した点Ｂとの間の第２の末端部分、を有する。

さらに、本発明によれば：ウエブ５の中心線ＡＢ上の２つの接合点ＡおよびＢは、半径方向の中央平面Ｓと比較して車輪の同じ側（図面内の内部側）に配置され、中間点Ｃは、半径方向の中央平面Ｓの反対側（図面内の外側）にあり、および前記中間点Ｃにおける中心線ＡＢに対する接線は、前記半径方向の中央平面Ｓと平行であり、変曲点（Ｄ−Ｅ）におけるウエブの中心線ＡＢに対する接線間の角度は、９０度と１２０度の間である。

車輪リム２の内部半径方向の表面直径は、ウエブの点Ｃの直径に対して約１．２ないし１．４倍であり、および点Ｃと半径方向の中央平面Ｓとの間の距離は好ましくは２０ｍｍと３０ｍｍの間の範囲内にある。

点Ｃと変曲点Ｄとの間のウエブ５の中間部内の中心線ＡＢの半径ｒは２９ｍｍないし５０ｍｍの範囲であり、一方、点Ｃと変曲点Ｅとの間のウエブ５の中間部内の、中心線ＡＢの半径Ｒは９０ｍｍないし２００ｍｍの範囲である。および更に、変曲点Ｄと接合点Ａとの間のウエブ５の部分内の中心線ＡＢの半径ｒ１は、２２ｍｍないし６０ｍｍの範囲であり、一方、変曲点Ｅと接合点Ｂとの間のウエブ部分５内の中心線ＡＢの半径ｒ２は、１００ｍｍないし４００ｍｍの範囲である。

リム１の近くのウエブ厚さは、ウエブ自体の他の寸法のパラメータと整合して、できる限り薄い。

１ ハブ
２ リム
３ トレッド
４ フランジ
５ ウエブ
６ 領域
７ 領域
Ａ 接合点
Ｂ 接合点
Ｃ 中間点
Ｄ、Ｅ 変曲点
Ｓ 中央平面
Ｘ〜Ｘ 回転軸線

Claims (8)

1. 車輪の半径方向に平行で、車輪の軸方向の厚さを２等分する中央平面（Ｓ）に垂直な回転軸線（Ｘ〜Ｘ）に対して軸対称形状を備えた鉄道車輪であって、ハブ（１）と、走行表面（３）およびフランジ（４）を備えたリム（２）と、前記リムと前記ハブとの間のウエブまたはディスク（５）と、前記リム（２）に対する前記ウエブの接合領域（６）および前記ハブに対する前記ウエブの接合領域（７）と、を備え、および、前記ウエブ（５）の断面が、前記ウエブ（５）と前記リム（２）との間の前記接合領域（６）に位置する点（Ａ）と、前記ウエブ（５）と前記ハブ（１）との間の前記接合領域（７）に位置する点（Ｂ）との間に、延伸する中心曲線（ＡＢ）に沿って構成され、
   −前記車輪の前記ハブ（１）と前記リム（２）との間の前記ウエブ（５）が、湾曲した中間部を備える曲線の展開部を有し、前記中間部が、前記半径方向の中央平面（Ｓ）に沿って中間点（Ｃ）の対向する側に位置する第１および第２の変曲点（Ｄ、Ｅ）の間に延伸し、かつ前記車輪の片側からの湾曲中心を有し、同じく、両方とも前記車輪に対する前記反対側上の湾曲中心を備えた、前記第１の変曲点（Ｄ）と前記リムの前記接合領域（６）内の前記点（Ａ）との間の第１の末端部分、および、前記第２の変曲点（Ｅ）と前記ハブ（１）の前記接合領域（７）内の前記点（Ｂ）との間の第２の末端部分を有し、
   −前記接合領域（６、７）の前記２点（Ａ、Ｂ）が、前記半径方向の中央平面（Ｓ）の同じ部分に位置し、
   −前記ウエブの前記中間点（Ｃ）が、前記中央平面（Ｓ）に平行で、かつ前記車輪と比較して前記半径方向の中央平面（Ｓ）の前記反対側に位置する前記中心曲線（ＡＢ）に対する、接線を有し、および、
   −前記変曲点（Ｄ−Ｅ）の前記ウエブの前記中心曲線（ＡＢ）に対する接線間の角度が、９０度と１２０度との間であり、
   前記ウエブの前記中間点（Ｃ）が、前記接合領域（６、７）の前記２点（Ａ、Ｂ）の位置する側とは反対の、前記半径方向の中央平面（Ｓ）の側面に位置することを特徴とする鉄道車輪。
2. 請求項１に記載の鉄道車輪であって、前記リムの前記内部側の直径が、前記ウエブの前記中間点（Ｃ）の直径の１．２倍と１．４倍との間である、ことを特徴とする鉄道車輪。
3. 請求項１または２に記載の鉄道車輪であって、前記ウエブの前記中間点（Ｃ）と前記中央平面（Ｓ）との間の距離が、２０ｍｍから３０ｍｍまでの範囲内にある、ことを特徴とする鉄道車輪。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の鉄道車輪であって、前記ウエブの前記中間点（Ｃ）と前記第１の変曲点（Ｄ）との間の前記部分内の前記中心線（ＡＢ）の半径が、２９ｍｍと５０ｍｍとの間の範囲内にある、ことを特徴とする鉄道車輪。
5. 先行する請求項１ないし４のいずれかに記載の鉄道車輪であって、前記ウエブの前記中間点（Ｃ）と前記第２の変曲点（Ｅ）との間の前記部分内の前記中心線（ＡＢ）の半径が、９０ｍｍと２００ｍｍの間の範囲内にある、ことを特徴とする鉄道車輪。
6. 先行する請求項１ないし５のいずれかに記載の鉄道車輪であって、前記第１の変曲点（Ｄ）と前記接合点（Ａ）との間の前記部分内の前記中心線（ＡＢ）の半径が、２２ｍｍと６０ｍｍの間の範囲内にある、ことを特徴とする鉄道車輪。
7. 先行する請求項１ないし６のいずれかに記載の鉄道車輪であって、前記第２の変曲点（Ｅ）と前記接合点（Ｂ）との間の前記部分内の前記中心線（ＡＢ）の半径が、１００ｍｍと４００ｍｍの間の範囲内にある、ことを特徴とする鉄道車輪。
8. 先行する請求項１ないし７のいずれかに記載の鉄道車輪であって、前記ウエブが、前記リムの近くで最小厚さを有する、ことを特徴とする鉄道車輪。

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