JP7437716B2 - 鉄道車両用車輪 - Google Patents

Description

本開示は、レール上を走行する鉄道車両用の車輪に関する。

一般に、鉄道車両用の車輪は、ボス部と、リム部と、板部と、を備える。ボス部には、車軸が挿入される。リム部は、車輪の外周部分を構成する。板部は、ボス部とリム部とを接続する。

リム部は、踏面と、フランジと、スロート部と、を含む。踏面は、鉄道車両の走行時、レールの頭頂面に接触する。フランジは、車輪の半径方向において、踏面よりも外側に突出する。スロート部は、踏面とフランジの表面とを接続する曲面である。

特許文献１は、リム部の構造に特徴を有する車輪を開示する。特許文献１によれば、従来の車輪は、通常、レールに対して一点で接触する。しかしながら、鉄道車両が急曲線を走行する場合、あるいはレールの摩耗が進行した場合、従来の車輪は、レールに対して二点で接触する。このとき、上下方向における接触点間の距離×２×円周率のすべりが車輪に発生する。そこで、特許文献１は、スロート部に凹状の溝を設けることを提案する。外軌側の車輪では、当該溝の両端縁がレールとの接触点Ａ，Ｂとなる。接触点Ａは、レールのコーナー部に対する車輪の接触点であり、フランジの基部近傍に位置している。接触点Ｂは、レールの頭頂面に対する車輪の接触点であり、踏面近傍に位置している。これにより、接触点Ａ，Ｂ間の上下方向の距離が小さくなってすべりが低減される。

特開平０５－２７８４０４号公報

鉄道車両が急曲線を通過する際には、車輪がレールから受ける水平方向の力（横圧）をフランジが負担する。そのため、外軌側の車輪においてフランジ及び踏面の二点の接触点間の上下方向の距離が小さくなっても、内軌側と外軌側との車輪半径差に起因したフランジでのすべりを低減することはできない。フランジで発生する前後接線力（縦クリープ力）により、フランジでの摩耗は進行する。フランジでの摩耗を低減するには、縦クリープ力及び接触面圧を下げることが重要である。

しかしながら、特許文献１の車輪では、縦クリープ力及び接触面圧を下げる効果が得られない。詳述すると、特許文献１の車輪は、接触点Ａに加え、接触点Ｂでレールに接触する。接触点Ｂは、踏面近傍に位置しているため、車輪に作用する横圧を負担することができない。よって、特許文献１の車輪では、フランジの基部近傍に位置する接触点Ａのみで、横圧を負担することになる。このため、接触面圧が増大し、それにより縦クリープ力が増大して、フランジの基部が摩耗する。

本開示は、鉄道車両用の車輪の摩耗を低減させることを課題とする。

本開示に係る車輪は、レール上を走行する鉄道車両用の車輪である。車輪は、踏面と、フランジと、スロート部と、を備える。踏面は、車輪の外周部分に設けられる。踏面は、レールの頭頂面に対向する。フランジは、車輪の外周部分に設けられる。フランジは、車輪の半径方向において踏面よりも外側に突出する。スロート部は、フランジの表面と踏面とを接続する。スロート部は、凸部を有する。凸部は、レール側に突出する。凸部は、スロート部の全周にわたって延びている。

本開示によれば、鉄道車両用の車輪の摩耗を低減させることができる。

図１は、実施形態に係る車輪、及びレールの頭部を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す車輪のスロート部の拡大図である。 図３は、図１に示す車輪の縦断面において、車輪の輪郭及びその曲率をそれぞれ表すグラフである。 図４は、従来の車輪の縦断面において、車輪の輪郭及びその曲率をそれぞれ表すグラフである。 図５は、図１に示す車輪とレールとの接触状態を示す図である。 図６は、実施例及び比較例における車輪の最大接触面圧を示すグラフである。 図７は、実施例及び比較例における車輪の摩耗重量を示すグラフである。

実施形態に係る車輪は、レール上を走行する鉄道車両用の車輪である。車輪は、踏面と、フランジと、スロート部と、を備える。踏面は、車輪の外周部分に設けられる。踏面は、レールの頭頂面に対向する。フランジは、車輪の外周部分に設けられる。フランジは、車輪の半径方向において踏面よりも外側に突出する。スロート部は、フランジの表面と踏面とを接続する。スロート部は、凸部を有する。凸部は、レール側に突出する。凸部は、スロート部の全周にわたって延びている。

実施形態に係る車輪では、フランジだけでなく、スロート部の凸部もレールに接触する。スロート部の凸部は、車輪に作用する横圧を負担することができる。よって、横圧は、フランジと、凸部とに分散される。

このように、実施形態に係る車輪によれば、横圧を複数の接触点に分散させることができる。よって、接触面圧及び縦クリープ力が低減され、車輪の摩耗を低減させることができる。

凸部は、スロート部のうち凸部以外の部分と曲面で接続されることが好ましい。

スロート部において凸部とその他の部分とを曲面で接続することにより、車輪をレール上で円滑に移動させることができる。よって、実施形態に係る車輪が採用される鉄道車両において、快適な乗り心地を確保することができる。

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。

［車輪の構成］
図１は、実施形態に係る車輪１００、及びレール２００の頭部の概略構成を示す縦断面図である。車輪１００の縦断面とは、回転軸Ｘを含む面で車輪１００を切断したときの断面をいう。レール２００の縦断面とは、レール２００を鉛直面で切断したときの断面である。

図１を参照して、車輪１００は、図示しない鉄道車両に取り付けられる。鉄道車両は、レール２００上を走行する。鉄道車両がレール２００上を走行するとき、車輪１００は、レール２００に接触した状態で回転軸Ｘ周りに回転する。以下、回転軸Ｘが延びる方向を軸方向、軸方向に垂直な方向を半径方向という。

車輪１００は、概略円板状をなす。車輪１００は、リム部１０と、ボス部２０と、板部３０と、を備える。リム部１０は、車輪１００の外周部分を構成する。ボス部２０には、車軸（図示略）が挿入される。車軸の中心が回転軸Ｘとなる。板部３０は、リム部１０とボス部２０とを接続する。

車輪１００は、踏面１１と、フランジ１２と、スロート部１３と、を備える。踏面１１、フランジ１２、及びスロート部１３は、車輪１００の外周部分に設けられる。踏面１１、フランジ１２、及びスロート部１３は、リム部１０に含まれる。車輪１００の外径は、踏面１１からフランジ１２に向かって大きくなる。

踏面１１は、レール２００の頭頂面２０１に対向する。踏面１１は、回転軸Ｘを中心とする概ね環状の面である。踏面１１の直径は、スロート部１３に向かって徐々に大きくなる。踏面１１の形状は、特に限定されるものではない。踏面１１は、例えば、円すい踏面や円弧踏面であってもよいし、その他の踏面であってもよい。踏面１１のうち、少なくともスロート部１３に隣接する領域は、実質的に一定の勾配を有する。

フランジ１２は、車輪１００の全周にわたって形成される。フランジ１２は、車輪１００の半径方向において、踏面１１よりも外側に突出する。フランジ１２は、レール２００を含む線路の幅方向において、レール２００の内側に配置される。フランジ１２の先端部の表面は、主として、車輪１００の半径方向において外側に凸の曲面で構成される。フランジ１２のうち、スロート部１３に隣接する領域の表面は、実質的に一定の勾配を有する。当該領域が回転軸Ｘに平行な面となす角をフランジ角という。

スロート部１３は、踏面１１とフランジ１２との間に配置される。スロート部１３は、踏面１１とフランジ１２とを接続する。

図２は、スロート部１３の拡大図である。車輪１００の外周面は、踏面１１とスロート部１３との境界Ｂ１、及びスロート部１３とフランジ１２との境界Ｂ２において、勾配の変化点を有する。スロート部１３の勾配は、踏面１１の勾配よりも大きい。スロート部１３の勾配は、フランジ１２のうちスロート部１３に隣接する領域、すなわちフランジ角を構成する領域の勾配よりも小さい。

図２に示すように、スロート部１３は、凸部１３１を有する。本実施形態では、１つの凸部１３１がスロート部１３に形成されている。ただし、複数の凸部１３１をスロート部１３に設けることもできる。

凸部１３１は、レール２００（図１）側に突出する。凸部１３１は、スロート部１３の全周にわたって延びている。すなわち、凸部１３１は、回転軸Ｘ（図１）を中心とする環状をなす。凸部１３１は、スロート部１３の全周にわたって一定の形状を有することが好ましい。

スロート部１３は、１種類以上の曲面で構成されている。凸部１３１、及び凸部１３１に隣接する部分１３２は、それぞれ、１種類以上の曲面を含む。ただし、凸部１３１は、他の部分１３２と逆向きに曲がっている。他の部分１３２を構成する曲面の曲率中心は、車輪１００の半径方向で、当該曲面の外側に位置する。凸部１３１を構成する曲面の曲率中心は、スロート部１３の輪郭線を挟んで、他の部分１３２の曲率中心の反対側に位置する。

従来の車輪では、スロート部を構成する曲面の方向は一致している。従来、スロート部における曲面の曲率中心は、全て車輪１００の外側に位置する。図２において、凸部１３１が存在しない従来のスロート部の形状を破線で示す。

図３は、車輪１００の縦断面において、車輪１００の輪郭（外形）及びその曲率をそれぞれ表すグラフである。図３の上図では、車輪１００の半径方向における位置を縦軸とし、車軸方向の位置を横軸とした座標系において、車輪１００の輪郭座標をプロットしたグラフを示す。当該グラフは、車輪１００の輪郭の車軸方向の中央からフランジ１２側を示すものであり、半径方向（縦軸）では車軸側を正、車軸方向（横軸）ではフランジ１２側を正とする。また、図３の下図では、車輪１００において、車軸方向の各輪郭座標での曲率をプロットしたグラフを示す。当該グラフでは、曲率中心が上図の車輪の輪郭よりも下側にある場合の曲率を正、曲率中心が上図の車輪の輪郭よりも上側にある場合の曲率を負とする。

図３を参照して、踏面１１では、曲率がほぼゼロに維持されている。踏面１１からスロート部１３に入ると、曲率が正側に大きく変化する。フランジ１２では、曲率が概ね負の値で推移している。曲率は、フランジ１２とスロート部１３との境界でほぼゼロになり、スロート部１３に入ると正側に変化する。

すなわち、踏面１１からスロート部１３に向かって車輪１００の外周面の曲率の変化を見たとき、曲率は、車軸方向の輪郭座標Ｃ１において、実質ゼロの値から正の値に変化し始める。フランジ１２からスロート部１３に向かって車輪１００の外周面の曲率の変化を見たとき、曲率は、車軸方向の輪郭座標Ｃ２において、実質ゼロの値から正の値に変化し始める。車輪１００の外周面のうち、輪郭座標Ｃ１から輪郭座標Ｃ２までの部分がスロート部１３である。輪郭座標Ｃ１は、踏面１１とスロート部１３との境界Ｂ１（図２）の車軸方向における位置に相当する。輪郭座標Ｃ２は、スロート部１３とフランジ１２との境界Ｂ２（図２）の車軸方向における位置に相当する。

図３に示すように、スロート部１３では、凸部１３１を除き、曲率が正の値に維持される。凸部１３１は、負の曲率を有する。スロート部１３の曲率は、凸部１３１において、正の値から負の値に一旦変化する。

一方、従来の車輪では、スロート部に凸部１３１が設けられていない。図４は、従来の車輪の輪郭（外形）及びその曲率を、図３と同様の方法で表すグラフである。図４に示すように、従来の車輪でも、その外周面のうち、曲率が実質ゼロから正側に変化し始める輪郭座標Ｃ１，Ｃ２の間の部分がスロート部となる。ただし、従来のスロート部は、全体として正の曲率を有する。すなわち、従来のスロート部は、凸部１３１が形成されていないため、曲率が負の値となる部分を有しない。

図２に戻り、凸部１３１は、好ましくは、他の部分１３２と曲面で接続される。すなわち、凸部１３１は、他の部分１３２と滑らかに接続されることが好ましい。ただし、凸部１３１、及び凸部１３１と他の部分１３２との接続部分の形状は、特に限定されるものではない。

本実施形態において、凸部１３１は、スロート部１３のうち、踏面１１よりもフランジ１２に近い領域に配置される。凸部１３１は、軸方向におけるスロート部１３の中心線Ｙよりもフランジ１２側に設けられている。凸部１３１は、スロート部１３の中心線Ｙ上に設けられてもよいし、中心線Ｙよりも踏面１１側に設けられてもよい。

凸部１３１の大きさは、適宜決定すればよい。詳しくは後述するが、凸部１３１は、フランジ１２又はスロート部１３の他の部分１３２と同時に、レール２００に接触する部分である。例えば、フランジ１２又はスロート部１３の他の部分１３２とレール２００との接触が凸部１３１によって阻害されないよう、接触幾何解析を実施して、凸部１３１の大きさを決定することができる。

［車輪とレールとの接触］
次に、鉄道車両が曲線を走行する際の車輪１００とレール２００との接触について、図５を参照しつつ説明する。本実施形態では、レール２００が外軌である場合について説明する。図５は、鉄道車両が曲線を走行する場合における車輪１００とレール２００との接触状態を示す図である。

図５に示すように、鉄道車両が曲線を走行する場合、外軌側の車輪１００は、フランジ１２においてレール２００と接触する。図５に示す例では、車輪１００は、フランジ１２の点Ｐ１でレール２００に接触する。

車輪１００は、フランジ１２だけでなく、凸部１３１でもレール２００と接触する。フランジ１２の点Ｐ１がレール２００に接触しているとき、凸部１３１の点Ｐ２がレール２００に接触する。車輪１００は、レール２００との接触点として、フランジ１２の点Ｐ１と、凸部１３１の点Ｐ２と、を有する。すなわち、鉄道車両が曲線を走行しているとき、車輪１００は、レール２００と二点で接触する。

［実施形態の効果］
本実施形態に係る車輪１００は、スロート部１３の全周にわたって、凸部１３１が設けられている。鉄道車両が曲線を走行する際、車輪１００は、この凸部１３１の接触点Ｐ２と、フランジ１２の接触点Ｐ１との二点でレール２００に接触する。このため、凸部１３１と、フランジ１２とに横圧を分散させることができる。このように横圧を分散させることにより、接触面圧及び縦クリープ力が低減され、車輪１００の摩耗、より具体的にはフランジ１２の摩耗を低減させることが可能となる。

本実施形態において、凸部１３１は、好ましくは、スロート部１３の他の部分１３２と曲面で接続される。これにより、車輪１００をレール２００上で円滑に移動させることができる。よって、車輪１００が取り付けられる鉄道車両において、快適な乗り心地を確保することができる。

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。

市販の機構解析ソフトウェア（ダッソー・システムズ社製、Ｓｉｍｐａｃｋ）を使用して、鉄道車両用の台車の曲線通過を模擬した運動解析を行った。運動解析では、１台車枠及び２輪軸から成るモデルを構築した。このモデルにおいて、実施例として図１及び図２に示す車輪１００の形状を使用し、比較例として、スロート部１３に凸部１３１がないことを除き、車輪１００と同一の車輪形状を使用した。実施例及び比較例の各々について、以下に示す軌道及び走行条件で運動解析を実施し、最大接触面圧を評価した。
＜軌道及び走行条件＞
・曲線半径：２００ｍ
・曲線区間：２００ｍ
・速度 ：４０ｋｍ／ｈ

図６は、実施例及び比較例の車輪の最大接触面圧を示すグラフである。図６に示すように、実施例に係る車輪の最大接触面圧は、比較例に係る車輪の最大接触面圧よりも小さい。よって、スロート部１３に凸部１３１を設けることにより、最大接触面圧が低減されることがわかる。

実施例及び比較例の各々について、上記運動解析の結果にＴγの摩耗則を適用して、摩耗進展シミュレーションを行った。摩耗進展シミュレーションでは、上述した軌道及び走行条件で実施例及び比較例に係るモデルを繰返し走行させたときの車輪の摩耗重量を推定した。

図７は、実施例及び比較例の各々について、第１軸の外軌側の車輪の摩耗重量を示すグラフである。図７に示すように、実施例に係る車輪の摩耗重量は、比較例に係る車輪の摩耗重量よりも減少している。よって、スロート部１３に凸部１３１を設けることにより、車輪の耐摩耗性が向上することがわかる。

以上より、本開示に係る車輪の構成によれば、車輪とレールとの接触面圧（横圧）を低減でき、車輪の耐摩耗性を向上させられることが確認された。

１００：車輪
１１：踏面
１２：フランジ
１３：スロート部
１３１：凸部

Claims (3)

1. レール上を走行する鉄道車両用の車輪であって、
   前記車輪の外周部分に設けられ、前記レールの頭頂面に対向する踏面と、
   前記車輪の外周部分に設けられ、前記車輪の半径方向において前記踏面よりも外側に突出するフランジと、
   前記フランジの表面と前記踏面とを接続するスロート部であって、前記レール側に突出し前記スロート部の全周にわたって延びる凸部を有する、前記スロート部と、
   を備える、車輪。
2. 請求項１に記載の車輪であって、
   前記凸部は、前記スロート部のうち前記凸部以外の部分と曲面で接続される、車輪。
3. 請求項１又は２に記載の車輪であって、
   前記凸部は、前記スロート部のうち、前記踏面よりも前記フランジに近い領域に配置されている、車輪。

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