JP6058024B2 - 鉄道車輪 - Google Patents

Description

本発明は、輸送技術、特に鉄道車輪の設計に関するものである。

さまざまな国で使用される鉄道車輪は、車両の運転条件、車両及び機関車のデザイン、並びに、輪軸（ホイールセット）の製造及び鉄道輸送におけるそれらの運転で開発されたある種の伝統に関連したデザインの違いがある。それと同時に、車輪は、いずれの場合も３つの主要部分、リム、ハブ、及びウェブから構成される。

ホイールウェブの形状の選択は、重量、剛性、及び耐荷重などの車輪基本性能特性を提供するための最も重要な課題である。

異なるデザインのウェブを有する車輪が世界的な実施で知られており、このデザインは、多くの場合、サイズ及びハブに対するリムの相互位置によって決まる。この発明は、ヨーロッパの鉄道システムでの使用を目的とし、ヨーロッパの鉄道システムで最も広く使用されているのは、接線方向のウェブ形状を有する標準的な車輪、いわゆるＯＲＥホイールであり、この車輪は、ホイールセットの車軸あたり２２．５重量トン（ｔｎｆ）までの荷重に使用される。この車輪のデザインは、ブレーキシューに対する車輪の摩擦に起因する熱負荷、及び線路の曲線部を走るときに車輪に作用する機械的負荷の下で、高レベルのストレスを有する。また、ＯＲＥホイールの重大な欠点は、その高重量である。

特許文献１による鉄道車輪のデザインは、中央線がコサイン関数によって決められたベル型ウェブで知られており、このデザインは、ホイールセットの車軸あたり２３．５重量トン（ｔｎｆ）までの最大負荷で、ヨーロッパの鉄道において広く受け入れられた。このデザインは、すべての既知の類似物の中で最小の重量を有する。しかしながら、この車輪のデザインをより大きな車軸荷重に使用するために、ウェブの厚さ及びハブの壁の増大が必要とされ、これにより車輪の軽量の利点が失われる。

この課題の１つの解決策の変形形態が、本発明の原型とみなされる特許文献２に記載されており、その発明では、ホイールウェブの横断方向の形状は、３つの特徴点を通る理論中央線の周りに配置され、一方、ウェブをハブと継ぎ合わせる場所に示された第１の点と、ウェブをリムと継ぎ合わせる場所に示された第２の点とは、ホイール回転軸に垂直であり且つ中央平面からホイールリムの外面に向かってずらされた、同一平面に配置される。前記平面とホイールウェブの理論中央線の示された中心点との間の距離は、ホイールリム幅の最大０．５である。このデザインの利点は、機械的負荷に起因する応力のレベルが高いハブを継ぎ合わせる領域でウェブの厚さを増加することができることであるが、この構造体の重量及び熱負荷による応力のレベルは、特許文献１による車輪と比べると大幅に増大する。このデザインの車輪は広く使用されていない。

独国特許発明第３１１７５７２号明細書 欧州特許第１４７０００６号明細書

本発明の技術的結果は、鉄道車輪の性能特性の改善、すなわち、
運転荷重の作用によるホイールの低ストレス状態と、
すべての既知の類似物の中で最小の構造重量を保証しつつ、車軸あたり２３．５重量トン（ｔｎｆ）より大きい最大荷重での使用が可能性であることと、
ブレーキシュー対する摩擦の過程での加熱及びその後の冷却時のホイールリムの横方向の少ない変形度と
をもたらすことができるホイールウェブの最適な形状を選択することを目的とする。

この技術的結果は、車輪の回転軸に垂直な中央平面を有する鉄道車輪であって、トレッド面及びフランジによって形成されたリムを含み、且つハブと、外面及び内面によって形成されたウェブとを含み、ウェブは横断方向のウェブ形状の理論中央線が、ウェブをリムと継ぎ合わせる場所に位置する第１の点と、中心点と、ウェブをハブと継ぎ合わせる場所に位置する第２の点とを通過し、中心点において理論中央線が中央平面からフランジと反対方向に最大のずれを有するように作られ、ウェブの外面は、リム側が第１外側半径曲線によって、ハブ側が第１外側半径曲線の曲率と方向が一致する曲率を有する第２外側半径曲線によって形成され、前記曲線は、第１及び第２外側半径曲線の曲率の方向と反対の曲率を有するリム側の第３外側半径曲線及びハブ側の第４外側半径曲線によってウェブの中央部で互いに一致し、一方、ウェブの内面は、リム側が第１内側半径曲線によって、ハブ側が第１内側半径曲線の曲率の方向に一致する曲率を有する第１内側半径曲線によって形成され、前記曲線は、第１及び第２内側半径曲線の曲率の方向と反対の曲率を有するリム側の第３内側半径曲線及びハブ側の第４内側半径曲線によってウェブの中央部で互いに一致し、
外側ウェブ面のための第１及び第２外側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０４から０．０５であり、第３外側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０８から０．１であり、第４外側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０７から０．０９であり、内側ウェブ面のための第１内側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０８から０．１であり、第２及び第３内側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０６から０．０８であり、第４内側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０４から０．０６であり、第１の点は中央平面からフランジと反対の方向にリム幅の０．０８以下の距離にずらされ、中心点は中央平面からリム幅の０．３５から０．４の値の範囲内の距離にずらされ、第２の点は中央平面からフランジに向かってリム幅の０．１以下の距離にずらされ、一方、第２の点でのウェブ厚さに対する第１の点でのウェブ厚さの比は０．７から１．１であり、第２の点でのウェブ厚さに対する中心点でのウェブ厚さの比は０．７から０．９である鉄道車輪によって達成される。

シューブレーキの動作中、車輪は、リムを加熱して次いで冷却したときのリムの変形度に対する悪影響なしに、４５分間５５キロワットの熱負荷の繰り返しサイクルを吸収することができる。また、上記のウェブの構成と共に、０．７から１．１の範囲内にある第２の点でのウェブ厚さに対する第１の点でのウェブ厚さの比、及び、０．７から０．９の範囲内にある第２の点でのウェブ厚さに対する中心点でのウェブ厚さの比は、ウェブがリム及びハブと一致する場所にあるホイールの最も応力を受ける部分を強化することを可能にし、これにより、構造体の重量がすべての既知の類似物よりも５〜１０％低い状態で車軸あたり２３．５ｔｎｆを超える最大荷重で車輪を使用する可能性を提供する。

前記構成を有する車輪のウェブの外面及び内面を形成する曲線の半径、ウェブの理論中央線の特徴点の中央平面からのずれの間隔及び方向、並びに、これらの点での厚さの比に対して他の値を選択すると、各種運転負荷の作用下での車輪デザインの低ストレス状態、最小重量、及び熱負荷の下での満足できる横方向のリム変形度の最適な組み合わせを達成することができない。

本発明の本質は以下の図面により説明される。
鉄道車輪の半径方向断面図である。 鉄道車輪の本発明のデザインと従来技術のデザインの機械的特性の比較評価のための図である。 鉄道車輪の本発明のデザインと従来技術のデザインの熱機械特性の比較評価のための図である。 鉄道車輪の本発明のデザインと従来技術のデザインの熱機械特性の比較評価のための図である。 鉄道車輪の本発明のデザインと従来技術のデザインの熱機械特性の比較評価のための図である。 鉄道車輪の本発明のデザインと従来技術のデザインの熱機械特性の比較評価のための図である。

図１に示される鉄道車輪は、車輪の回転軸Ｚに垂直な中央平面Ｐを有し、トレッド面２及びフランジ３によって形成されたリム１を含み、ハブ４と、外面６及び内面７によって形成されたウェブ５とを含み、ウェブ５は、ウェブの横断面形状の理論中央線８が、ウェブをリム１と継ぎ合わせる場所に位置する第１の点Ａと、中心点Ｃと、ウェブ５をハブ４と継ぎ合わせる場所に位置する第２の点Ｂとを通るように設計され、中心点Ｃにおいて理論中央線８はフランジ３と反対方向に中央平面Ｐからの最大のずれを有する。ホイールウェブ５の特定の中央平面Ｐは、トレッド直径Ｄが測定される場所でホイールリム１を通過する。

ウェブ５の外面６は、リム１側が第１外側半径曲線Ｒ１によって、ハブ４側が第１外側半径曲線Ｒ１の曲率と方向が一致する曲率を有する第２外側半径曲線Ｒ２によって形成され、前記曲線は、第１外側半径曲線Ｒ１と第２外側半径曲線Ｒ２の曲率の方向とは反対の曲率を有するリム１側の第３外側半径曲線Ｒ３及びハブ４側の第４外側半径曲線Ｒ４によってウェブの中央部で互いに一致し、ウェブ５の内面７は、リム１側が第１内側半径曲線Ｒ５によって、ハブ４側が第１内側半径曲線Ｒ５の曲率の方向に一致する曲率を有する第２内側半径曲線Ｒ６によって形成され、前記曲線は、第１内側半径曲線Ｒ５及び第２内側半径曲線Ｒ６の曲率の方向とは反対の曲率を有するリム１側の第３内側半径曲線Ｒ７及びハブ４側の第４内側半径曲線Ｒ８によってウェブ５の中央部で互いに一致する。

第１の点Ａは、中央平面Ｐからフランジ３と反対方向にリム幅Ｈの０．０８以下の距離Ｈ１にずらされ、中心点Ｃは、中央平面Ｐからリム幅Ｈの０．３５から０．４の距離Ｈ２にずらされ、第２の点Ｂは、中央平面Ｐからフランジ３に向かってリム幅Ｈの０．１以下の距離Ｈ３にずらされる。

第２の点Ｂにおけるウェブ５の厚さＴ２に対する第１の点Ａにおけるウェブ５の厚さＴ１の比は、０．７から１．１であり、第２の点Ｂにおける厚さＴ２に対する中心点Ｃにおけるウェブ５の厚さＴ３の比は、０．７から０．９である。

本発明によれば、車輪ウェブの最適な形状の選択は、主に運転において重大な機械的及び熱的負荷の作用からホイールの応力歪み状態を決定することを可能にする、ＵＩＣ ５１０−５規格及びＵＩＣ Ｂ １６９／ＲＰ １７レポートに記載された技術に従って、デザインの異なる変形形態の有限要素解析を使用して行われる。

ＥＮ １３９７９−１の要件に従って行われた計算の結果、本発明のデザインは、図２に示されるように、同様の目的の車輪ＶＡＺ１４／３２４及びＶＡＺ１８／３１９のデザインと比べて、それぞれ７ｋｇ及び１９ｋｇだけ少ない構造重量を提供する共に、良好なウェブの疲労強度特性を有する。

特許及び研究技術情報源の検索と本発明の類似物に関するデータを含む情報源の検出とを含めた、出願人によって行われた最新技術の分析は、出願人が本発明のすべての本質的な特徴と同じ特徴によって特徴付けられる類似物を発見しなかったことを示した。

検出された類似物のリストの中から原型を決める過程で、特許請求の範囲に記載される本発明の鉄道車輪の本質的な特徴の組み合わせが、目的とする技術的結果に対して特定された。

図３ａ、３ｂ及び４ａ、４ｂに示すように、ＵＩＣ Ｂ １６９／ＲＰ １７に従って行われた、車輪へのブレーキ作動時のベンチテストのコンピュータシミュレーションの結果は、既存の類似物と同程度のリムの横方向の変形の程度とホイールの応力のレベルとによって本発明のデザインを特徴付ける。

出願人によって行われた特許及び科学研究文献の検索を含む従来技術の分析、及び本発明の類似物に関する情報を含む文献の検出は、本出願人が、本発明のすべての本質的な特徴に適合した（同一の）特徴によって定義される類似物を検出できなかったことを立証することを可能にする。

検出した類似物のリストからの原型の定義は、本発明の「鉄道車輪」において識別される技術的結果に関して不可欠であり且つ特許請求の範囲に記載される特徴の組合せの発見を可能にした。

検索結果は、請求項に係る発明が、出願人により決定された先行技術の専門家には明確に現れないことを示し、技術的結果の達成に対する請求項に係る発明の本質的な特徴によってもたらされる変化の影響は、何も検出されなかった。

提案された発明は、シューブレーキを使用する鉄道輸送設備車両のすべてのモデルに、特に車両及び機関車を先導する鉄道貨車に使用することができる。ホイールウェブのハブとリムへの遷移の場所にある、車輪の重要な領域における疲労強度の良好な不変性により、客車のように、シューブレーキの代わりにディスクブレーキが使用される鉄道輸送に本デザインを使用することも可能である。本発明によれば、車輪は、鉄道産業において使用される任意の品質の鋼から製造することができ、且つ、圧延、鍛造又は鋳造により周知の技術要件及び規格に従って製造することができる。

特許請求の範囲に従うウェブの構成を有する鉄道車輪の理論的研究及び検査は、ヨーロッパの鉄道システム用の貨車に関して、すべての安全要件に準拠していること、及びホイールの性能の最適なレベルを提供できることを示した。このことは、出願人によって示された技術的結果の達成を証明する。

Claims (1)

1. 鉄道車輪であって、前記鉄道車輪の回転軸に垂直な中央平面を有し、トレッド面及びフランジによって形成されたリムを含み、且つハブと、外面及び内面によって形成されたウェブとを含み、前記ウェブは横断方向のウェブ形状の理論中央線が、前記ウェブを前記リムと継ぎ合わせる場所に位置する第１の点と、中心点と、前記ウェブを前記ハブと継ぎ合わせる場所に位置する第２の点とを通過し、前記中心点において前記理論中央線が前記中央平面から前記フランジと反対方向に最大のずれを有するように作られ、
   前記ウェブの外面は、リム側が第１外側半径曲線によって、ハブ側が前記第１外側半径曲線の曲率と方向が一致する曲率を有する第２外側半径曲線によって形成され、前記第１及び第２外側半径曲線は、前記第１及び第２外側半径曲線の曲率に対して方向が反対の曲率を有するリム側の第３外側半径曲線及びハブ側の第４外側半径曲線によって前記ウェブの中央部で互いに一致し、
   一方、前記ウェブの内面は、リム側が第１内側半径曲線によって、ハブ側が前記第１内側半径曲線の曲率と方向が一致する曲率を有する第２内側半径曲線によって形成され、前記第１及び第２内側半径曲線は、前記第１及び第２内側半径曲線の曲率に対して方向が反対の曲率を有するリム側の第３内側半径曲線及びハブ側の第４内側半径曲線によって前記ウェブの中央部で互いに一致し、
   前記第１及び第２外側半径曲線の半径はトレッド直径の０．０４から０．０５であり、前記第３外側半径曲線の半径は前記トレッド直径の０．０８から０．１であり、前記第４外側半径曲線の半径は前記トレッド直径の０．０７から０．０９であり、
   前記第１内側半径曲線の半径は前記トレッド直径の０．０８から０．１であり、前記第２及び第３内側半径曲線の半径は前記トレッド直径の０．０６から０．０８であり、前記第４内側半径曲線の半径は前記トレッド直径の０．０４から０．０６であり、
   前記第１の点は前記中央平面から前記フランジと反対の方向にリム幅の０．０８以下の距離にずらされ、前記中心点は前記中央平面から前記リム幅の０．３５から０．４の値の範囲内の距離にずらされ、前記第２の点は前記中央平面から前記フランジに向かって前記リム幅の０．１以下の距離にずらされ、
   一方、前記第２の点でのウェブ厚さに対する前記第１の点でのウェブ厚さの比は０．７から１．１であり、前記第２の点でのウェブ厚さに対する前記中心点でのウェブ厚さの比は０．７から０．９であることを特徴とする鉄道車輪。

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