JP7410389B2 - 防音車輪及び車輪ユニット - Google Patents

Description

本開示は、鉄道車両用の防音車輪、及びこれを用いた車輪ユニットに関する。

鉄道車両の走行時に発生する騒音は、鉄道沿線環境において解決すべき最優先課題の１つである。鉄道車両の走行時には、例えば、車輪の転動騒音が発生する。すなわち、表面に微細な凹凸を有するレール上を、同じく表面に微細な凹凸を有する車輪が転動することにより、車輪及びレールが加振され、車輪及びレールそれぞれが振動することにより、空気の圧力変動が生じた結果、騒音が発生する。

車輪の振動に伴って発生する転動騒音を低減するため、従来、車輪のリム部に防音装置を取り付けた防音車輪が知られている。例えば、特許文献１に開示されているように、防音車輪の防音装置は、車輪本体の固有振動数に一致する共振周波数を有する動吸振器を備える。特許文献１において、防音装置は、異なる共振周波数を有する複数種類の動吸振器を備えている。各動吸振器の共振周波数は、転動騒音に強く影響する複数の固有振動モードのうち、いずれかに対応するように設定される。これにより、複数の固有振動モードに対応する騒音を同時に低減して、車輪の振動に起因する転動騒音を大幅に低減することができる。

鉄道車両の制動装置としてディスクブレーキシステムが用いられる場合、鉄道車両の走行時には、このディスクブレーキシステムに起因する空力騒音も発生する。

ディスクブレーキシステムでは、車軸に固定されたディスク状の被取付体（例えば車輪）に、ブレーキディスクが取り付けられる。このブレーキディスクの摺動面に対してブレーキライニングが押し付けられることにより、ブレーキライニングとブレーキディスクとの間に摩擦が発生して鉄道車両が制動される。一般に、ブレーキディスクの裏面には、複数のフィンが放射状に設けられている。これにより、ブレーキディスクと被取付体との間に放射状の通気路が複数形成される。

放射状の通気路は、ブレーキディスク及び被取付体の回転に伴い、ブレーキディスクの内周側から外周側に向かって空気を通過させる。これにより、鉄道車両の制動時に生じる摩擦熱が放散される。しかしながら、通気路を通過した空気がブレーキディスクと被取付体との隙間から放出されることにより、空力騒音が発生する。特に、ブレーキディスク及び被取付体が高速で回転しているときには、ブレーキディスクと被取付体との隙間から大量の空気が放出されるため、空力騒音が増大する。

このような空力騒音を低減するため、特許文献２では、ブレーキディスクの裏面において、円周方向に隣り合うフィン同士を連結する連結部（横リブ）を設ける技術が提案されている。この横リブにより、隣り合うフィンによって画定される各通気路において、断面積が最小となる部分が形成される。特許文献２によれば、通気路の最小断面積の総和を１８０００ｍｍ^２以下とすることで、高速走行時における空力騒音を低減することができる。

しかしながら、特許文献２で提案されているように、ブレーキディスクに横リブを設けた場合、通気路内における空気の流量が減少してブレーキディスクの冷却性能が低下する。また、ブレーキディスクに横リブを設けることにより、ブレーキディスクの剛性が大きくなる。そのため、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形や、ブレーキディスクを被取付体に締結するために用いられる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可能性がある。さらに、横リブを追加することにより、ブレーキディスクの重量も増加する。

これに対して、特許文献３では、ブレーキディスクの外周面と、被取付体である車輪のリム部との間に形成される隙間の大きさを調整する技術が提案されている。すなわち、特許文献３において、ブレーキディスクの外周面とリム部との隙間の円周方向に沿った断面積の最小値は、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下に設定されている。このようにすることで、ブレーキディスクに横リブを追加することなく、空力騒音を低減することができる。

特許文献４では、ブレーキディスクの断面視で、ブレーキディスクの外周面の少なくとも一部は、摺動面との交点を起点として車輪のリム部に沿う形状に形成されている。これにより、ブレーキディスクの外周面と車輪のリム部との隙間から放出される空気の流れ方向がリム部に沿うように調整され、当該空気がブレーキディスクの摺動面上を半径方向外側に流れる空気と小さな角度で合流する。そのため、ブレーキディスクの外周面とリム部との隙間から放出される空気と、ブレーキディスクの摺動面上を流れる空気との合流点における空気の流れの方向変化が極小化する。よって、ブレーキディスクに横リブを追加することなく、空力騒音を低減することができる。

国際公開第２０１６／０１３１８１号 特開２００７－２０５４２８号公報 国際公開第２０１５／１２２１４６号 国際公開第２０１５／１２２１４８号

特許文献１に開示される防音車輪は、車輪の転動騒音を対象としたものである。当該防音車輪では、車輪の振動に伴って発生する転動騒音を低減することはできるものの、ブレーキディスクと車輪との間を通過する空気によって発生する空力騒音を低減することは難しい。

一方、特許文献３及び４に開示される技術は、空力騒音を対象としたものである。これらの技術では、ブレーキディスクと車輪との間を通過する空気によって発生する空力騒音を低減することはできるものの、車輪の振動に伴って発生する転動騒音を低減することは難しい。

特許文献３の技術によれば、ブレーキディスクに横リブを追加することなく、空力騒音を低減することができる。しかしながら、特許文献３のように、ブレーキディスクの外周面と車輪のリム部との間に形成される隙間を縮小するためには、例えば、ブレーキディスクの半径を拡大する必要がある。すなわち、空力騒音の低減を実現するためにブレーキディスクのサイズが制限されることになり、ブレーキディスクの設計自由度が低下する。

特許文献４の技術によれば、ブレーキディスクに横リブを追加することなく、空力騒音を低減することができる。しかしながら、特許文献４では、ブレーキディスクの外周面と車輪のリム部との隙間から放出される空気の流れを調整するため、ブレーキディスクの外周面を車輪のリム部に沿う形状に形成する必要がある。すなわち、空力騒音の低減を実現するためにブレーキディスクの形状が制限されることになり、ブレーキディスクの設計自由度が低下する。

本開示は、鉄道車両において、車輪の振動に伴って発生する転動騒音、及びブレーキディスクと車輪との間を通過する空気によって発生する空力騒音の双方を低減するとともに、ブレーキディスクの設計自由度を向上させることを課題とする。

本開示に係る防音車輪は、鉄道車両用の防音車輪である。防音車輪は、車輪本体と、防音装置と、を備える。車輪本体は、環状の板部と、板部の外周縁に接続されるリム部と、を有する。リム部の内周面には、防音車輪の円周方向に沿う環状の溝が形成される。防音装置は、動吸振器と、固定リングと、を有する。動吸振器は、リム部の溝内に配置される。動吸振器は、車輪本体が有する固有振動数に一致する共振周波数を有する。固定リングは、防音車輪の半径方向において動吸振器の内側に配置される。固定リングは、リム部に固定される。固定リングは、溝の開口端から半径方向の内側に６．５ｍｍ以上突出する。

本開示によれば、鉄道車両において、車輪の振動に伴って発生する転動騒音、及びブレーキディスクと車輪との間を通過する空気によって発生する空力騒音の双方を低減することができるとともに、ブレーキディスクの設計自由度を向上させることができる。

図１は、第１実施形態に係る防音車輪の縦断面図である。 図２は、図１に示す防音車輪に含まれる防音装置の平面図である。 図３は、図１に示す防音車輪の部分拡大図である。 図４は、図１に示す防音車輪と、ブレーキディスクとを備える車輪ユニットを示す模式図である。 図５は、図４に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図６は、図４に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図７は、図１に示す防音車輪と、ブレーキディスクとを備える他の車輪ユニットを示す模式図である。 図８は、図７に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図９は、図７に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図１０は、図１に示す防音車輪と、ブレーキディスクとを備える他の車輪ユニットを示す模式図である。 図１１は、図１０に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図１２は、図１０に示す車輪ユニットにおいて、防音装置の位置を変更した例を示す模式図である。 図１３は、第２実施形態に係る防音車輪の部分縦断面図である。 図１４は、第２実施形態の変形例に係る防音車輪の部分縦断面図である。 図１５は、第２実施形態の別の変形例に係る防音車輪の部分縦断面図である。 図１６は、転動騒音試験機の概略構成図である。 図１７は、第１実施例に関し、図１６に示す転動騒音試験機で測定された騒音について、１／３オクターブバンドと、騒音レベルとの関係を示すグラフである。 図１８は、第２実施例に関し、図１６に示す転動騒音試験機で測定された騒音について、１／３オクターブバンドと、騒音レベルとの関係を示すグラフである。 図１９は、第２実施例に関し、防音車輪に含まれる固定リングの突出量と、騒音レベル（オーバーオール値）との関係を示すグラフである。

実施形態に係る防音車輪は、鉄道車両用の防音車輪である。防音車輪は、車輪本体と、防音装置と、を備える。車輪本体は、環状の板部と、板部の外周縁に接続されるリム部と、を有する。リム部の内周面には、防音車輪の円周方向に沿う環状の溝が形成される。防音装置は、動吸振器と、固定リングと、を有する。動吸振器は、リム部の溝内に配置される。動吸振器は、車輪本体が有する固有振動数に一致する共振周波数を有する。固定リングは、防音車輪の半径方向において動吸振器の内側に配置される。固定リングは、リム部に固定される。固定リングは、溝の開口端から半径方向の内側に６．５ｍｍ以上突出する（第１の構成）。

第１の構成に係る防音車輪において、防音装置に含まれる動吸振器の共振周波数は、車輪本体が有する固有振動数に一致する。そのため、車輪本体の振動に伴って発生する転動騒音を低減することができる。

一方、第１の構成によれば、防音装置の固定リングが車輪本体のリム部の溝の開口端から半径方向内側に６．５ｍｍ以上突出している。そのため、当該防音車輪にディスクブレーキシステムのブレーキディスクが取り付けられたとき、固定リングの位置で、ブレーキディスクの外周面と車輪本体のリム部との隙間が縮小される。これにより、当該隙間を通る空気の流量を減少させることができる。よって、車輪本体の振動に伴って発生する転動騒音だけでなく、ブレーキディスクと車輪本体との間を通過する空気によって発生する空力騒音を低減することができる。

第１の構成に係る防音車輪では、車輪本体のリム部から固定リングを突出させることのみで空力騒音を低減している。そのため、空力騒音の低減のためにブレーキディスクのサイズや形状を変更する必要はない。よって、ブレーキディスクの設計自由度を向上させることができる。

リム部の溝の開口端からの固定リングの突出量は、９．０ｍｍ以下であることが好ましい（第２の構成）。

第２の構成によれば、防音車輪にブレーキディスクが取り付けられたとき、ブレーキディスクの外周面と車輪本体のリム部との隙間が固定リングによって過剰に縮小されることがない。そのため、当該隙間を通る空気の流量をある程度確保することができる。よって、ブレーキディスクの冷却性能を維持することができ、制動時におけるブレーキディスクの熱変形を抑制することができる。

固定リングの内周面は、防音車輪の軸方向に対して傾斜するテーパ面を含んでいることが好ましい（第３の構成）。

ブレーキディスクと車輪本体との間を流れる空気の方向が急激に変化した場合、流束の乱れが生じ、空気が持つ運動エネルギーが音として発散されやすくなる。空気の方向変化が顕著であるほど、大きな騒音が発生することが一般に知られている。これに対して、第３の構成では、車輪本体のリム部に固定された固定リングの内周面にテーパ面が設けられている。このテーパ面は、ブレーキディスクの外周面とリム部との隙間を通過する空気を円滑に案内し、空気の急激な方向変化を抑制することができる。よって、ブレーキディスクと車輪本体との間を通過する空気によって発生する空力騒音をより低減することができる。

テーパ面は、車輪本体の板部から遠ざかるにつれて縮径することが好ましい（第４の構成）。

第４の構成によれば、固定リングの内周面に設けられたテーパ面は、板部から遠ざかるにつれて縮径するように構成されている。これにより、板部に沿って流れた後、固定リングの内周面とブレーキディスクの外周面との隙間を通過する空気の方向変化の程度をより軽減することができる。よって、空力騒音をさらに効果的に低減することができる。

動吸振器は、第１弾性体と、第２弾性体と、付加質量片と、を含むことが好ましい。第１弾性体は、固定リングの外周面に固定される。第２弾性体は、半径方向において第１弾性体の外側に配置される。付加質量片は、第１弾性体と第２弾性体との間に配置される。付加質量片は、第１弾性体及び第２弾性体に固定される（第５の構成）。

実施形態に係る車輪ユニットは、鉄道車両用の車輪ユニットである。車輪ユニットは、第１から第５の構成のいずれかに係る防音車輪と、ブレーキディスクと、を備える。ブレーキディスクは、ブレーキディスクの外周面が固定リングの内周面と対向するように防音車輪に取り付けられる。固定リングの内周面とブレーキディスクの外周面との間には、隙間が形成される。当該隙間の、防音車輪の円周方向に沿った断面の最小面積は、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下である（第６の構成）。

第６の構成に係る車輪ユニットは、第１から第５の構成のいずれかに係る防音車輪を備えている。よって、上述したように、車輪本体の振動に伴って発生する転動騒音を低減することができる。

第６の構成に係る車輪ユニットでは、車輪本体のリム部から半径方向内側に突出する固定リングにより、ブレーキディスクの外周面と車輪本体のリム部との隙間が縮小される。具体的には、防音車輪に設けられた防音装置の固定リングの内周面と、ブレーキディスクの外周面との隙間は、円周方向断面の最小面積が２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下となるように設定されている。これにより、ブレーキディスクと車輪本体との間を通過する空気によって発生する空力騒音を低減することができる。また、固定リングをリム部から突出させることのみで空力騒音の低減を図っているため、空力騒音の低減のためにブレーキディスクのサイズや形状を変更する必要はない。よって、ブレーキディスクの設計自由度を向上させることができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

＜第１実施形態＞
［防音車輪］
図１は、第１実施形態に係る防音車輪１０の縦断面図である。縦断面とは、防音車輪１０の中心軸Ｘを含む断面をいう。以下、防音車輪１０の中心軸Ｘが延びる方向を軸方向といい、防音車輪１０の半径方向及び円周方向を単に半径方向及び円周方向という。

図１を参照して、防音車輪１０は、鉄道車両に用いられる。防音車輪１０は、例えば、時速３００ｋｍ以上の高速で走行する鉄道車両（高速車両）に使用することができる。防音車輪１０は、車輪本体１と、防音装置２と、を備える。

車輪本体１は、板部１１と、ボス部１２と、リム部１３と、を有する。

板部１１は、中心軸Ｘを軸心として、実質的に環状をなす。板部１１の内周縁には、ボス部１２が接続される。板部１１の外周縁には、リム部１３が接続される。ボス部１２及びリム部１３は、板部１１に対し、軸方向の両側に突出している。すなわち、ボス部１２及びリム部１３の幅（軸方向の長さ）は、板部１１の幅（軸方向の長さ）よりも大きい。

ボス部１２は、車輪本体１の内周部を構成する。ボス部１２は、中心軸Ｘを軸心とする概略円筒状をなす。ボス部１２には、鉄道車両の車軸（図示略）が挿入される。

リム部１３は、車輪本体１の外周部を構成する。リム部１３は、踏面１３１及びフランジ１３２を外周側に有する。踏面１３１は、鉄道車両が走行するレール（図示略）の頂面に接触する面である。フランジ１３２は、軸方向において踏面１３１の一方側に配置される。フランジ１３２は、踏面１３１よりも半径方向の外側に突出する。

リム部１３の内周面には、円周方向に沿って環状の溝１３３が形成されている。リム部１３の内周面は、半径方向において、踏面１３１及びフランジ１３２の反対側に位置する面である。本実施形態の例では、溝１３３は、板部１１に対してフランジ１３２と同じ側に配置されている。ただし、溝１３３は、板部１１を挟んでフランジ１３２の反対側に配置されていてもよい。溝１３３には、環状の防音装置２が嵌められている。

図２は、防音装置２を軸方向に沿って見た図（平面図）である。図２に示すように、防音装置２は、固定リング２１と、複数の動吸振器２２と、を有する。

固定リング２１は、例えば鋼等の金属で構成される。この固定リング２１の外周面に、複数の動吸振器２２が取り付けられている。複数の動吸振器２２は、固定リング２１の円周方向に沿って、間隔を空けて配列されている。

動吸振器２２の各々は、弾性体２２１，２２２と、付加質量片２２３とを含む。

弾性体２２１，２２２は、例えば、ゴムで構成されている。弾性体２２１，２２２の材質は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。弾性体２２１は、固定リング２１の外周面に固定される。弾性体２２２は、半径方向において弾性体２２１の外側に配置されている。

付加質量片２２３は、弾性体２２１と弾性体２２２との間に配置される。付加質量片２２３は、弾性体２２１，２２２にそれぞれ固定されている。付加質量片２２３の材質は、例えば金属であり、好ましくは鋼である。特に限定されるものではないが、付加質量片２２３は、例えば、ＳＵＳ３０４で構成することができる。

動吸振器２２の各々は、車輪本体１（図１）が有する複数の固有振動数のうちのいずれかと一致する共振周波数を有する。より具体的には、各動吸振器２２の共振周波数は、車輪本体１の転動騒音に強く影響する複数の固有振動モードのうち、いずれかに対応するように設定される。例えば、人間が感じやすいとされる１ｋＨｚ～１０ｋＨｚの周波数域において、転動騒音に強い影響を与える固有振動数は、車輪本体１の形状等によって多少は変動するものの、２．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、及び３．０ｋＨｚである。よって、例えば、各動吸振器２２の共振周波数を２．０ｋＨｚ、２．５ｋＨｚ、及び３．０ｋＨｚのいずれかに設定することができる。

防音装置２において、複数の動吸振器２２は、車輪本体１（図１）が有する複数の固有振動数に対応して、複数種類の共振周波数を有するように構成される。共振周波数が異なる複数種類の動吸振器２２は、固定リング２１の円周方向に沿って順に配列することができる。例えば、２．０ｋＨｚの共振周波数を有する動吸振器２２、２．５ｋＨｚの共振周波数を有する動吸振器２２、及び３．０ｋＨｚの共振周波数を有する動吸振器２２を、固定リング２１の外周面上に順番に並べることができる。

各動吸振器２２の共振周波数は、以下の式（１）によって定まる。
ｆ＝（１／２π）×（（ｋ_１＋ｋ_２）／ｍ）^１／２ （１）
ｆ：動吸振器２２の共振周波数
ｋ_１：弾性体２２１のばね定数
ｋ_２：弾性体２２２のばね定数
ｍ：付加質量片２２３の質量

式（１）により、各動吸振器２２の共振周波数ｆは、弾性体２２１のばね定数ｋ_１、弾性体２２２のばね定数ｋ_２、及び付加質量片２２３の質量ｍを選択することで適宜設定することができる。例えば、弾性体２２１，２２２及び付加質量片２２３の厚み（半径方向の長さ）の比率を変更することによってばね定数ｋ_１，ｋ_２及び質量ｍを調整し、動吸振器２２ごとに所望の共振周波数を設定することができる。

図３は、図１に示す防音車輪１０の部分拡大図である。図３では、リム部１３の溝１３３付近を拡大して示す。

図３を参照して、防音装置２を車輪本体１に取り付けた状態で、動吸振器２２はリム部１３の溝１３３内に配置される。動吸振器２２の幅（軸方向の長さ）は、溝１３３の幅（軸方向の長さ）よりも小さい。よって、動吸振器２２は、溝１３３の両側面から離間している。動吸振器２２の幅は、例えば、共振周波数の調整の容易性、又は固定リング２１への取り付けの容易性を考慮して、５ｍｍ～１０ｍｍとすることができる。

動吸振器２２は、溝１３３の底面に接触する。すなわち、動吸振器２２において外周側に位置する弾性体２２２が、溝１３３の底面に接触している。弾性体２２２は、溝１３３の底面に固着されるか、付加質量片２２３と溝１３３の底面との間で押圧されている。そのため、鉄道車両の走行によって付加質量片２２３が振動しても、弾性体２２２と溝１３３の底面との間に隙間は生じない。弾性体２２２と溝１３３の底面との間には、スペーサ（図示略）が介在していてもよい。

固定リング２１の外周部は、溝１３３内に配置されている。固定リング２１の幅（軸方向の長さ）は、溝１３３の幅（軸方向の長さ）とほとんど等しい。本実施形態の例では、溝１３３は一定の幅を有する。しかしながら、溝１３３の幅は、途中で変化してもよい。例えば、溝１３３は、動吸振器２２に対応する部分の幅と比較して、固定リング２１の外周部に対応する部分の幅が大きくなるように構成されていてもよい。溝１３３は、固定リング２１の外周部によって実質的に密閉される。固定リング２１は、例えば、溶接、かしめ、又は接着等の公知の固定方法により、リム部１３に固定される。

固定リング２１は、溝１３３の開口端１３３ａから半径方向の内側に突出している。固定リング２１の突出量Ｌは、６．５ｍｍ以上である。突出量Ｌは、９．０ｍｍ以下であることが好ましい。突出量Ｌは、防音車輪１０の縦断面視で、溝１３３の開口端１３３ａから固定リング２１の内周面までの半径方向の最大長さである。

［車輪ユニット］
図４～図６は、防音車輪１０と、ブレーキディスク２０Ａとを備える車輪ユニット１００Ａの模式図である。

まず、図４を参照して、車輪ユニット１００Ａにおいて、防音車輪１０には、ブレーキディスク２０Ａが取り付けられる。このとき、ブレーキディスク２０Ａの外周面が、防音車輪１０に設けられた防音装置２の固定リング２１の内周面と対向する。

ブレーキディスク２０Ａの外周面と固定リング２１の内周面との間には、環状の隙間Ｇが形成されている。車輪ユニット１００Ａは、この隙間Ｇの横断面の最小面積Ａが２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下となるように構成される。隙間Ｇの横断面とは、隙間Ｇを円周方向に沿って切断したときの環状の断面である。

隙間Ｇの横断面の最小面積Ａは、防音車輪１０の防音装置２を変更することで適宜調整することができる。例えば、図５及び図６に示すように、最小面積Ａを調整するために、防音装置２を軸方向に移動させてもよいし、固定リング２１の厚み（半径方向の長さ）を増減して突出量Ｌを変更してもよい。図４～図６に示す例では、最も一般的な形状及び寸法を有するブレーキディスク２０Ａが防音車輪１０に取り付けられている。この例の場合、最小面積Ａは、典型的には、固定リング２１の突出量Ｌが９．０ｍｍのときに下限値である２５００ｍｍ^２となり、固定リング２１の突出量Ｌが６．５ｍｍのときに上限値である７０００ｍｍ^２となる。

図７～図９に示す車輪ユニット１００Ｂ、及び図１０～図１２に示す車輪ユニット１００Ｃは、ブレーキディスク２０Ｂ，２０Ｃの外周面の形状において、図４～図６に示す車輪ユニット１００Ａと異なる。図４～図６に示す車輪ユニット１００Ａでは、縦断面視で、ブレーキディスク２０Ａの外周面が軸方向に実質平行であったのに対し、図７～図９に示す車輪ユニット１００Ｂ、及び図１０～図１２に示す車輪ユニット１００Ｃでは、縦断面視で、ブレーキディスク２０Ｂ，２０Ｃの外周面が軸方向に対して傾斜する。ブレーキディスク２０Ｂの外周面は、縦断面視で、軸方向の外側に向かうにつれてリム部１３に近づくように傾斜する。ブレーキディスク２０Ｃの外周面は、縦断面視で、軸方向の外側に向かうにつれてリム部１３から遠ざかるように傾斜する。

車輪ユニット１００Ｂ，１００Ｃにおいても、ブレーキディスク２０Ｂ，２０Ｃの外周面と固定リング２１の内周面との隙間Ｇの横断面の最小面積Ａが２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下に設定される。最小面積Ａは、防音装置２の軸方向の位置を変更したり、固定リング２１の厚みの増減によって固定リング２１の突出量Ｌを変更したりすることで、適宜調整することができる。

［効果］
本実施形態に係る防音車輪１０において、鉄道車両の走行中に車輪本体１に生じた振動は、車輪本体１のリム部１３及び固定リング２１を介し、防音装置２の各動吸振器２２に伝達される。これにより、各動吸振器２２が振動して車輪本体１の振動を低減させる。各動吸振器２２は、車輪本体１が有する固有振動数のいずれかに一致する共振周波数を有するため、車輪本体１の振動に伴って発生する転動騒音を効果的に低減することができる。

本実施形態に係る防音車輪１０において、防音装置２には、異なる共振周波数を有する複数種類の動吸振器２２が設けられている。そのため、複数の固有振動数に対応する転動騒音を同時に低減することができる。

本実施形態に係る防音車輪１０では、防音装置２の固定リング２１が車輪本体１のリム部１３の溝１３３の開口端１３３ａから半径方向内側に６．５ｍｍ以上突出している。そのため、防音車輪１０を有する車輪ユニット１００Ａ～１００Ｃでは、固定リング２１の位置において、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃの外周面とリム部１３との隙間Ｇが縮小される。より具体的には、溝１３３の開口端１３３ａから突出する固定リング２１により、隙間Ｇの横断面の最小面積Ａが２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下となっている。これにより、隙間Ｇを通る空気の流量を減少させることができ、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃと車輪本体１との間を通過する空気によって発生する空力騒音を低減することができる。

本実施形態に係る車輪ユニット１００Ａ～１００Ｃにおいて、隙間Ｇの横断面の最小面積Ａの調整は、固定リング２１の位置を軸方向に移動させたり、固定リング２１の厚み（半径方向の長さ）を増減して突出量Ｌを変更したりするだけで行うことができる。すなわち、空力騒音を低減するに当たり、防音車輪１０の構成をわずかに変更するだけでよく、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃのサイズや形状を変更する必要はない。よって、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃの設計自由度を向上させることができる。

本実施形態において、溝１３３の開口端１３３ａからの固定リング２１の突出量Ｌは、９．０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、車輪ユニット１００Ａ～１００Ｃにおいて、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃの外周面と固定リング２１の内周面との隙間Ｇが過剰に縮小されることがなく、隙間Ｇを通る空気の流量をある程度確保することができる。よって、ブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃの冷却性能を維持することができ、制動時におけるブレーキディスク２０Ａ～２０Ｃの熱変形を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
図１３は、第２実施形態に係る防音車輪１０Ａの縦断面図であり、防音装置２Ａ及びその近傍部分を拡大して示す図である。図１３では、ブレーキディスク２０が取り付けられた状態の防音車輪１０Ａを示している。本実施形態に係る防音車輪１０Ａは、防音装置２Ａに含まれる固定リング２１Ａの形状において、第１実施形態に係る防音車輪１０と異なる。

第１実施形態において、固定リング２１の内周面は、全体として、防音車輪１０の軸方向と実質平行となっている。一方、本実施形態では、図１３に示すように、固定リング２１Ａの内周面は、防音車輪１０Ａの軸方向に対して傾斜するテーパ面２１１を含んでいる。

図１３に示す例では、固定リング２１Ａの内周面の全体がテーパ面２１１となっている。テーパ面２１１は、固定リング２１Ａの軸方向の両端面２１２，２１３と接続されている。固定リング２１Ａにおいて、テーパ面２１１と端面２１２，２１３との間に形成される角部には、Ｒ面取り加工が施されていることが好ましい。

テーパ面２１１は、板部１１から遠ざかるにつれて縮径するように構成されている。すなわち、テーパ面２１１は、軸方向において板部１１側の径が大きく、板部１１と反対側の径が小さい環状面である。防音車輪１０Ａの縦断面視で、テーパ面２１１は、固定リング２１Ａの板部１１側の端面２１３と鈍角を形成する。

第１実施形態と同様、固定リング２１Ａの突出量Ｌは、６．５ｍｍ以上であり、好ましくは９．０ｍｍ以下である。固定リング２１Ａの突出量Ｌは、防音車輪１０Ａの縦断面視で、溝１３３の開口端１３３ａから固定リング２１Ａの内周面の頂点までの半径方向の長さである。固定リング２１Ａの内周面の頂点とは、テーパ面２１１において径が最小となる部分をいう。本実施形態の例では、防音車輪１０Ａの縦断面視で、固定リング２１Ａの軸方向外側の端面２１２とテーパ面２１１とが交差する点が頂点となる。ブレーキディスク２０の外周面と固定リング２１Ａの内周面との隙間Ｇの横断面の最小面積Ａは、第１実施形態と同様、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下である。図１３に示す例において、固定リング２１Ａの内周面の頂点の軸方向位置は、リム部１３のフランジ１３２側の表面の軸方向位置と実質的に一致している。

鉄道車両の走行中、防音車輪１０Ａが回転することにより、内周側から外周側に向かい、ブレーキディスク２０と防音車輪１０Ａの板部１１との間を空気が流れる。この空気は、ブレーキディスク２０の外周面と固定リング２１Ａの内周面との隙間Ｇを板部１１側から軸方向外側へと通過する。このとき、固定リング２１Ａの内周面に設けられたテーパ面２１１により、板部１１側から軸方向外側へと向かう空気が円滑に案内される。より具体的には、固定リング２１Ａにおいて、テーパ面２１１が９０°よりも緩やかな角度で板部１１側の端面２１３と接続されているため、固定リング２１Ａの周囲で空気の急激な方向変化が生じにくくなる。よって、ブレーキディスク２０と防音車輪１０Ａとの間を通過する空気によって発生する空力騒音を効果的に低減することができる。

図１４及び図１５は、それぞれ第２実施形態の変形例に係る防音車輪１０Ｂ，１０Ｃの縦断面図であり、防音装置２Ｂ，２Ｃ及びその近傍部分を拡大して示す図である。防音装置２Ｂ，２Ｃの固定リング２１Ｂ，２１Ｃも、図１３に示す固定リング２１Ａと同様、その内周面に少なくとも１つのテーパ面を含んでいる。

まず、図１４を参照して、固定リング２１Ｂの内周面には、テーパ面２１４，２１５が設けられている。テーパ面２１４は、板部１１から遠ざかるにつれて縮径する面である。一方、テーパ面２１５は、板部１１から遠ざかるにつれて拡径する面であり、軸方向においてテーパ面２１４よりも外側に配置されている。

テーパ面２１４は、固定リング２１Ｂの軸方向内側の端面２１３に接続され、防音車輪１０Ｂの縦断面視で端面２１３と鈍角を形成する。テーパ面２１５は、固定リング２１Ｂの軸方向外側の端面２１２に接続され、防音車輪１０Ｂの縦断面視で端面２１２と鈍角を形成する。テーパ面２１４と端面２１３との間に形成される角部、及びテーパ面２１５と端面２１２との間に形成される角部には、Ｒ面取り加工が施されていることが好ましい。同様に、テーパ面２１４とテーパ面２１５との間に形成される角部にも、Ｒ面取り加工が施されていることが好ましい。

テーパ面２１４，２１５の接続部は、固定リング２１Ｂの内周面における頂点となる。防音車輪１０Ｂの縦断面視で、溝１３３の開口端１３３ａから当該頂点までの半径方向の長さが固定リング２１Ｂの突出量Ｌである。固定リング２１Ｂの突出量Ｌは、図１３に示す固定リング２１Ａと同様、６．５ｍｍ以上であり、好ましくは９．０ｍｍ以下である。ブレーキディスク２０の外周面と固定リング２１Ｂの内周面との隙間Ｇの横断面の最小面積Ａは、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下となっている。

図１４に示す例において、固定リング２１Ｂの内周面の頂点は、軸方向において端面２１２，２１３の中央に位置している。しかしながら、固定リング２１Ｂの内周面の頂点は、板部１１側の端面２１３寄りに配置されていてもよいし、これと反対側の端面２１２寄りに配置されていてもよい。固定リング２１Ｂ自体の軸方向の位置や軸方向の長さ等にもよるが、リム部１３のフランジ１３２側の表面から固定リング２１Ｂの内周面の頂点までの軸方向の距離ｄは、例えば、７．５ｍｍ以下であることが好ましい。

図１４に示す固定リング２１Ｂも、図１３に示す固定リング２１Ａと同様、板部１１側の端面２１３と鈍角を形成するテーパ面２１４を内周面に有している。そのため、板部１１側から軸方向外側へと向かう空気を円滑に案内することができ、固定リング２１Ｂの周囲における空気の急激な方向変化を抑制することができる。

次に、図１５を参照して、固定リング２１Ｃの内周面には、板部１１から遠ざかるにつれて拡径するテーパ面２１６が設けられている。すなわち、テーパ面２１６は、軸方向において板部１１側の径が小さく、板部１１と反対側の径が大きい環状面である。防音車輪１０Ｃの縦断面視で、テーパ面２１６は、固定リング２１Ｃの軸方向外側の端面２１２と鈍角を形成する。

図１５に示す例では、固定リング２１Ｃの内周面の全体がテーパ面２１６となっている。固定リング２１Ｃにおいて、テーパ面２１６と端面２１２，２１３との間に形成される角部には、Ｒ面取り加工が施されていることが好ましい。

防音車輪１０Ｃの縦断面視で、テーパ面２１６が板部１１側の端面２１３と交差する点が、固定リング２１Ｃの内周面における頂点となる。防音車輪１０Ｃの縦断面視で、溝１３３の開口端１３３ａから当該頂点までの半径方向の長さが固定リング２１Ｃの突出量Ｌである。固定リング２１Ｃの突出量Ｌは、図１３及び図１４にそれぞれに示す固定リング２１Ａ，２１Ｂと同様、６．５ｍｍ以上であり、好ましくは９．０ｍｍ以下である。ブレーキディスク２０の外周面と固定リング２１Ｃの内周面との隙間Ｇの横断面の最小面積Ａは、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下となっている。図１５に示す例において、リム部１３のフランジ１３２側の表面から固定リング２１Ｃの内周面の頂点までの軸方向の距離ｄは、固定リング２１Ｃの幅（軸方向の長さ）と実質的に等しい。

固定リング２１Ｃでは、軸方向外側の端面２１２が９０°よりも緩やかな角度でテーパ面２１６と接続されている。これにより、ブレーキディスク２０の外周面と固定リング２１Ｃの内周面との隙間Ｇを軸方向外側へと抜ける空気の方向変化を軽減することができる。そのため、空力騒音の低減効果を期待することができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以下、実施例によって本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

［第１実施例］
本開示による効果を確認するため、第１実施形態に係るブレーキディスク付きの防音車輪１０（車輪ユニット）について、固定リング２１の突出量Ｌを変更しながら、騒音試験を実施した。比較のため、ブレーキディスクが取り付けられず、防音装置２を有しない単体の非防音車輪（図示略）についても騒音試験を実施した。騒音試験の条件を表１に示す。

図１６は、騒音試験に用いた転動騒音試験機３０の概略構成図である。図１６を参照して、転動騒音試験機３０は、軌条輪３１と、油圧ジャッキ３２と、モータ３３と、精密騒音計３４と、周波数分析器３５と、を備える。軌条輪３１は、車軸３６を介し、軸受３７によって回転可能に支持される。試験対象の防音車輪１０又は非防音車輪は、軌条輪３１の下手側に配置される。防音車輪１０又は非防音車輪は、車軸３８を介し、軸受３９によって回転可能に支持される。油圧ジャッキ３２は、軌条輪３１の上手側に配置され、軌条輪３１の軸受３７に取り付けられる。モータ３３は、防音車輪１０又は非防音車輪の車軸３８に接続される。精密騒音計３４は、防音車輪１０から発生する騒音を測定し、騒音に対応する電気信号を発生させる。周波数分析器３５には、精密騒音計３４が発生させた電気信号が入力される。周波数分析器３５は、当該電気信号の周波数分析を行う。

騒音試験の実施に当たり、軌条輪３１の車軸３６を防音車輪１０又は非防音車輪の車軸３８と平行に配置し、油圧ジャッキ３２によって軸受３７を押し付けて、軌条輪３１を防音車輪１０又は非防音車輪に当接させた。この状態でモータ３３を駆動し、防音車輪１０又は非防音車輪を周速３００ｋｍ／ｈで回転させた。これに伴い、防音車輪１０又は非防音車輪に当接している軌条輪３１も回転する。このときに発生する騒音を、防音車輪１０又は非防音車輪から３００ｍｍ離れた位置で精密騒音計３４によって測定した。

精密騒音計３４による騒音の測定は、周波数重み付け特性をＦＬＡＴ（聴覚補正を加えない状態）、動特性をＦＡＳＴとして行った。周波数分析器３５により、精密騒音計３４によって測定された騒音の周波数分析を行った。周波数分析では、精密騒音計３４による測定値に対し、Ａ特性による補正を加えた後、１／３オクターブバンド処理を行い、周波数特性を求めた。その結果を図１７に示す。

図１７に示すグラフにおいて、４００Ｈｚ～２０００Ｈｚ付近は、空力騒音に対応する周波数域であり、２５００Ｈｚ～６３００Ｈｚ付近は、転動騒音に対応する周波数域である。

図１７に示すように、ブレーキディスク付きの防音車輪１０である実施例１－１～１－４及び比較例１では、単体の非防音車輪である比較例２と比較し、２５００Ｈｚ～６３００Ｈｚ付近で騒音レベルが低下しており、転動騒音が低減されていることがわかる。一方、実施例１－１～１－４及び比較例１では、比較例２と比較し、４００Ｈｚ～２０００Ｈｚ付近で騒音レベルが高くなっており、ブレーキディスクと車輪本体１のリム部１３との隙間Ｇを通過する空気によって空力騒音が発生していることがわかる。

リム部１３の溝１３３の開口端１３３ａからの固定リング２１の突出量Ｌを６．５ｍｍ以上とした実施例１－１～１－４では、溝１３３の開口端１３３ａから固定リング２１が突出しない比較例１と比較して、４００Ｈｚ～２０００Ｈｚ付近での騒音レベルが小さくなっている。よって、固定リング２１の突出量Ｌを６．５ｍｍ以上とすることにより、空力騒音を低減することができるといえる。固定リング２１の突出量Ｌが大きくなると、空力騒音の低減効果も大きくなる。

固定リング２１の突出量Ｌは、実施例１－１～１－４のように、９．０ｍｍ以下とすることが好ましい。突出量Ｌが９．０ｍｍを超えると、ブレーキディスクとリム部１３との隙間Ｇを通過する空気の量が減少し、ブレーキディスクの冷却性能が低下する可能性があるためである。この場合、制動時においてブレーキディスクが十分に冷却されず、ブレーキディスクが熱変形するおそれがある。

［第２実施例］
空力騒音のさらなる低減効果を確認するため、ブレーキディスク付きの防音車輪（車輪ユニット）について、固定リングの内周面の形状を変更しながら、第１実施例と同様の騒音試験を実施した。騒音試験の条件を表２に示す。

実施例２－１は、第１実施形態に係る防音車輪１０（図４）に対応するものであり、実施例２－２，２－３，２－４は、それぞれ、第２実施形態に係る防音車輪１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ（図１３～図１５）に対応するものである。実施例２－１～２－４の各々について、第１実施例と同様にして周波数特性を求めた。その結果を図１８に示す。

図１８に示すように、実施例２－２～２－４では、固定リング２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの内周面に少なくとも１つのテーパ面が設けられているため、固定リング２１の内周面が軸方向と平行である実施例２－１と比較して、空力騒音に対応する周波数域（４００Ｈｚ～２０００Ｈｚ付近）で騒音レベルが低下している。特に、板部１１から遠ざかるにつれて縮径するテーパ面２１１，２１４を有する実施例２－２及び２－３では、実施例２－１と比較して騒音レベルが有意に低下した。騒音レベルは、テーパ面２１１を有する実施例２－２において最も小さくなった。

図１９は、実施例２－１～２－４において、固定リング２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの突出量Ｌを変更したときの騒音レベル（オーバーオール値）を示すグラフである。図１９に示すように、固定リング２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃの突出量Ｌが大きくなるほど、実施例２－１と実施例２－２～２－４との騒音レベルの差が拡大する。特に、実施例２－２及び２－３の騒音レベルの低下は、突出量Ｌが大きくなるほど顕著となった。なお、図１９に示すグラフの横軸において、突出量Ｌの隣には、突出量Ｌに対応する固定リングの厚み（半径方向の長さ）が括弧書きで付されている。

以上の結果から、突出量Ｌを十分に確保した上で、固定リングの内周面にテーパ面を設けることにより、空力騒音を効果的に低減することができるといえる。また、テーパ面を車輪の板部から遠ざかるにつれて縮径するものとすることで、空力騒音の低減効果をさらに高めることができる。

１０，１０Ａ～１０Ｃ：防音車輪
１：車輪本体
１１：板部
１３：リム部
１３３：溝
１３３ａ：開口端
２，２Ａ～２Ｃ：防音装置
２１，２１Ａ～２１Ｃ：固定リング
２１１，２１４，２１５，２１６：テーパ面
２２：動吸振器
２２１，２２２：弾性体
２２３：付加質量片
２０，２０Ａ～２０Ｃ：ブレーキディスク
１００Ａ～１００Ｃ：車輪ユニット

Claims (5)

1. 鉄道車両用の車輪ユニットであって、
   環状の板部と、前記板部の外周縁に接続されるリム部とを有する車輪本体と、前記車輪本体が有する固有振動数に一致する共振周波数を有する動吸振器と、前記リム部に固定される固定リングとを有する防音装置と、を含む防音車輪であって、前記リム部の内周面に前記防音車輪の円周方向に沿う環状の溝が形成され、前記動吸振器が前記溝内に配置され、前記固定リングが前記防音車輪の半径方向において前記動吸振器の内側に配置される前記防音車輪と、
   外周面が前記固定リングの内周面と対向するように前記防音車輪に取り付けられるブレーキディスクと、
   を備え、
   前記固定リングは、前記溝の開口端から前記半径方向の内側に６．５ｍｍ以上突出し、
   前記固定リングの前記内周面と前記ブレーキディスクの前記外周面との間に形成される隙間の、前記円周方向に沿った断面の最小面積は、２５００ｍｍ^２以上、７０００ｍｍ^２以下である、車輪ユニット。
2. 請求項１に記載の車輪ユニットであって、
   前記開口端からの前記固定リングの突出量は、９．０ｍｍ以下である、車輪ユニット。
3. 請求項１又は２に記載の車輪ユニットであって、
   前記固定リングの前記内周面は、前記防音車輪の軸方向に対して傾斜するテーパ面を含む、車輪ユニット。
4. 請求項３に記載の車輪ユニットであって、
   前記テーパ面は、前記板部から遠ざかるにつれて縮径する、車輪ユニット。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車輪ユニットであって、
   前記動吸振器は、
   前記固定リングの外周面に固定される第１弾性体と、
   前記半径方向において前記第１弾性体の外側に配置される第２弾性体と、
   前記第１弾性体と前記第２弾性体との間に配置され、前記第１弾性体及び前記第２弾性体に固定される付加質量片と、
   を含む、車輪ユニット。
   

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