JP7477768B2 - 鉄道車両用車輪 - Google Patents

Description

本開示は、鉄道車両用の車輪に関する。

近年、鉄道車両の高速化に伴い、鉄道沿線の環境を保護する観点から、鉄道車両に関する騒音が問題となっている。鉄道車両が走行するときに発生する騒音は、鉄道車両のうち車体を騒音源とする車両上部騒音と、鉄道車両のうち車体よりも下方の構成部品を騒音源とする車両下部騒音とに大別される。

車両下部騒音には、台車が風を切るときに発生する空力音と、モータ等の機器が駆動する際に発生する機器音と、車輪及びレールが振動する際に発生する転動音とが含まれる。転動音は、車輪の回転に伴い、車輪の表面及びレールの表面に存在する微小な凹凸によって車輪及びレールが互いに加振し合うことで車輪及びレールそれぞれが振動し、これにより生じた疎密波が鉄道車両の周辺に伝搬することで発生するとされている。鉄道車両の走行速度が増加すると、車輪及びレールの加振力も増加するため、鉄道車両の走行時に発生する転動音は大きなものとなる。

転動音を低減するため、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音を大幅に低減することができる。

国際公開第２０１６／０１３１８１号

特許文献１の防音車輪では、車輪の円周方向に沿って複数の動吸振器が互いに離間して配置されている。さらに、これらの動吸振器の各々は、付加質量体と、複数の弾性体とを含む。すなわち、特許文献１の防音車輪は、多数の部品で構成されていることになる。部品構成数が増加すると、車輪の製造コストが増加する。

また、特許文献１の防音車輪では、複数の動吸振器をグループ分けし、例えば、付加質量体及び複数の弾性体の厚み（車輪本体の半径方向の寸法）をグループ間で変更することにより、対象とする車輪の固有振動モードをグループごとに異ならせている。グループ間における付加質量体及び複数の弾性体の厚みの違いは小さいため、この厚みの違いを一瞥して判別することは難しい。そのため、付加質量体及び弾性体の数、つまり部品構成数が増加するほど、これらの部品を手作業で配置する際に誤りが生じやすくなる。製造後の車輪では、部品の配置の誤りを外見上判断することは難しい。よって、転動音を低減するための部品の構成数は極力少ないことが好ましい。

本開示は、転動音の低減効果を確保しつつ、部品構成数を減少させることができる鉄道車両用の車輪を提供することを課題とする。

本開示に係る鉄道車輪は、車輪本体と、動吸振器と、を備える。車輪本体は、環状の板部と、リム部と、を含む。リム部は、板部の外周縁に接続される。リム部の内周面には、車輪の円周方向に沿う環状の溝が形成される。動吸振器は、溝内に配置される。動吸振器は、環状の第１付加質量体と、環状の第１弾性体と、環状の第２付加質量体と、環状の第２弾性体と、を含む。第１弾性体は、第１付加質量体の外周側に配置される。第２付加質量体は、第１弾性体の外周側に配置される。第２弾性体は、第２付加質量体の外周側に配置される。

本開示に係る鉄道車両用の車輪によれば、転動騒音の低減効果を確保しつつ、部品構成数を減少させることができる。

図１は、実施形態に係る車輪の縦断面図である。 図２は、図１に示す車輪に含まれる動吸振器の平面図である。 図３は、図１に示す車輪の部分拡大図である。 図４は、有限要素法による数値解析における比較例２における動吸振器を説明するための模式図である。 図５は、有限要素法による数値解析における比較例３における動吸振器を説明するための模式図である。 図６は、実施例１及び比較例１～３における等価放射パワー（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ（ＥＲＰ））を示すグラフである。 図７は、実施例２－１～２－６におけるＥＲＰを示すグラフである。 図８は、実施例３－１～３－３におけるＥＲＰを示すグラフである。 図９は、実施例４－１、実施例４－２、及び比較例４におけるＥＲＰの値を示すグラフである。

実施形態に係る鉄道車輪は、車輪本体と、動吸振器と、を備える。車輪本体は、環状の板部と、リム部と、を含む。リム部は、板部の外周縁に接続される。リム部の内周面には、鉄道車輪の円周方向に沿う環状の溝が形成される。動吸振器は、溝内に配置される。動吸振器は、環状の第１付加質量体と、環状の第１弾性体と、環状の第２付加質量体と、環状の第２弾性体と、を含む。第１弾性体は、第１付加質量体の外周側に配置される。第２付加質量体は、第１弾性体の外周側に配置される。第２弾性体は、第２付加質量体の外周側に配置される（第１の構成）。

第１の構成に係る鉄道車輪において、動吸振器は、それぞれ環状の第１付加質量体、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体を含んでいる。このように付加質量体及び弾性体の各々が環状である場合、車輪の円周方向に沿って付加質量体及び弾性体が互いに離間して配置されている場合と比較して、出現可能な動吸振器の固有振動の絶対数は小さくなる。そのため、動吸振器による転動音の低減効果は小さくなるとも考えられる。しかしながら、付加質量体及び弾性体の各々が環状であると、付加質量体に追従して変形する弾性体の変形量が増加する。すなわち、弾性体が車輪の円周方向に離間して配置されている場合、車輪本体の振動に伴って各弾性体が独立して変形するのに対し、第１の構成のように、第１及び第２弾性体がそれぞれ環状である場合、第１及び第２弾性体では隣接する部分同士が影響し合い、第１及び第２弾性体の各々が一体で大きく変形する。この第１及び第２弾性体の大変形により、車輪本体の振動エネルギーが大きく消費される。よって、車輪本体の振動に伴って発生する転動音の低減効果を確保することができる。

第１の構成によれば、第１付加質量体、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体は、動吸振器として作用する。すなわち、第１付加質量体、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体は、それぞれ車輪の半径方向に振動可能なように構成されている。そのため、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体の変形が阻害されにくく、転動音の大きな低減効果が得られる。

第１の構成に係る鉄道車輪では、第１付加質量体、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体がそれぞれ環状である。そのため、複数の付加質量体及び複数の弾性体を車輪の円周方向に沿って配列する場合と比較して、部品構成数を減少させることができる。

車輪の軸方向における第１付加質量体の寸法は、当該軸方向における第２付加質量体の寸法よりも大きくてもよい（第２の構成）。

第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体の各々は、全周にわたり溝の両側面と隙間を空けて溝内に配置されていることが好ましい（第３の構成）。

第３の構成によれば、第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体の各々と、溝の両側面との間に隙間が存在する。この場合、車輪の円周方向及び軸方向における第１弾性体、第２付加質量体、及び第２弾性体の変形がより阻害されにくくなる。そのため、転動音の低減効果の向上を期待することができる。

車輪の半径方向における第１弾性体の寸法と当該半径方向における第２弾性体の寸法との和と、当該半径方向における第２付加質量体の寸法との比は、１：１～１：３であることが好ましい（第４の構成）。

車輪の半径方向における第１付加質量体の寸法と当該半径方向における第２付加質量体の寸法との比は、１：０．５～１：２．０であることが好ましい（第５の構成）。

動吸振器は、溝の底面に接触していてもよい（第６の構成）。

第６の構成によれば、動吸振器は、車輪本体のリム部に設けられた溝の底面と接触している。これにより、車輪本体の振動が直接的に動吸振器に伝達されるため、動吸振器が積極的に振動し、弾性変形しやすくなる。よって、車輪本体の振動に伴って発生する転動音をより低減することができる。また、動吸振器を溝の底面に接触させることにより、車輪の回転に伴う遠心力により各付加質量体及び各弾性体に生じる負荷を低減することができるため、動吸振器の耐久性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。

図１は、本実施形態に係る車輪１０の縦断面図である。縦断面とは、車輪１０の中心軸Ｘを含む断面をいう。以下、車輪１０の中心軸Ｘが延びる方向を軸方向といい、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、車輪１０は、鉄道車両に用いられる。車輪１０は、例えば、時速１０ｋｍ～３６０ｋｍで走行する鉄道車両に使用することができる。車輪１０は、車輪本体１と、動吸振器２と、を備える。

車輪本体１は、概略円環板状をなす。車輪１０の材質は、典型的には中・高炭素鋼である。車輪本体１は、例えば、ＪＩＳ Ｅ５４０２－１で規定される鋼種で構成される車輪である。車輪本体１の直径は、例えば、７７４ｍｍ～８６０ｍｍとすることができる。車輪本体１は、板部１１と、ボス部１２と、リム部１３と、を含む。

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（軸方向の寸法）は、板部１１の幅（軸方向の寸法）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、環状の動吸振器２が嵌められている。

図２は、動吸振器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、動吸振器２は、第１付加質量体２１と、第１弾性体２２と、第２付加質量体２３と、第２弾性体２４と、を含む。第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、それぞれ環状を有している。第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、車輪本体１（図１）と実質的に同軸に配置される。第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、半径方向の内側から外側に向かってこの順で積層されている。

第１付加質量体２１は、全周にわたって途切れることなく連続する円環状を有している。第１付加質量体２１は、通常、金属で構成されている。第１付加質量体２１は、例えば鋼で構成される。特に限定されるものではないが、第１付加質量体２１は、例えば、ＳＵＳ３０４で構成することができる。

第１弾性体２２は、全周にわたって途切れることなく連続する円環状を有している。第１弾性体２２は、第１付加質量体２１の外周側に配置されている。第１弾性体２２の内周面は、第１付加質量体２１の外周面に接触している。第１弾性体２２の内周面は、第１付加質量体２１の外周面に接着されていてもよい。

第１弾性体２２は、例えば、ゴム硬度がＨｓ４０以上のゴム材料で構成することができる。第１弾性体２２は、例えば、ブチルゴムに代表される防振ゴムで構成される。ただし、第１弾性体２２は、ゴム材料以外の材料で構成されていてもよい。

第２付加質量体２３は、全周にわたって途切れることなく連続する円環状を有している。第２付加質量体２３は、第１弾性体２２の外周側に配置されている。第２付加質量体２３の内周面は、第１弾性体２２の外周面に接触している。第２付加質量体２３の内周面は、第１弾性体２２の外周面に接着されていてもよい。

第２付加質量体２３は、第１付加質量体２１と同様、通常、金属で構成されている。第２付加質量体２３は、例えばＳＵＳ３０４等といった鋼で構成される。典型的には、第２付加質量体２３の材質は、第１付加質量体２１の材質と同一である。ただし、第２付加質量体２３の材質が第１付加質量体２１の材質と異なっていてもよい。

第２弾性体２４は、全周にわたって途切れることなく連続する円環状を有している。第２弾性体２４は、第２付加質量体２３の外周側に配置されている。第２弾性体２４の内周面は、第２付加質量体２３の外周面に接触している。第２弾性体２４の内周面は、第２付加質量体２３の外周面に接着されていてもよい。

第２弾性体２４は、第１弾性体２２と同様に、例えば、ゴム硬度がＨｓ４０以上のゴム材料で構成することができる。第２弾性体２４は、例えば、ブチルゴムに代表される防振ゴムで構成される。第２弾性体２４の材質は、通常、第１弾性体２２の材質と同一である。ただし、第２弾性体２４の材質が第１弾性体２２の材質と異なっていてもよい。第２弾性体２４は、ゴム材料以外の材料で構成されていてもよい。

図３は、図１に示す車輪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、動吸振器２は、リム部１３の溝１３３内に配置される。動吸振器２は、溝１３３の底面１３３ａに接触して配置されている。溝１３３内には、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４が収容されている。また、溝１３３内には、第１付加質量体２１の少なくとも一部が配置されている。

本実施形態の例において、溝１３３の両側面は階段状をなす。すなわち、溝１３３は、幅（軸方向の寸法）の異なる外周部１３３ｂ及び内周部１３３ｃを含んでいる。外周部１３３ｂの幅ｗ１は、内周部１３３ｃの幅ｗ２よりも小さい。

溝１３３の外周部１３３ｂ内には、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４が配置される。第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の幅（軸方向の寸法）ｗ３は、外周部１３３ｂの幅ｗ１よりも小さい。これにより、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の各々は、その全周にわたり、溝１３３の両側面との間に隙間を空けて溝１３３に配置されることになる。本実施形態では、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、実質的に同一の幅ｗ３を有する。しかしながら、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の幅が互いに異なっていてもよい。

第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、第１付加質量体２１により、半径方向外側に向かって若干押圧されている。ただし、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の各々は、溝１３３内で振動可能となっている。すなわち、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の各々は、車輪本体１が振動したとき、車輪本体１と一体としてではなく、車輪本体１と独立して半径方向に振動することができる。本実施形態の例では、動吸振器２に車輪本体１の振動が直接的に伝達されるように、最外周の第２弾性体２４が溝１３３の底面１３３ａに接触している。第２弾性体２４の外周面は、溝１３３の底面１３３ａに固着されていてもよい。ただし、第２弾性体２４は、溝１３３の底面１３３ａに直接接触していなくてもよい。例えば、第２弾性体２４と溝１３３の底面１３３ａとの間にスペーサ（図示略）を介在させることもできる。

溝１３３の内周部１３３ｃには、第１付加質量体２１が配置されている。第１付加質量体２１の幅（軸方向の寸法）ｗ４は、外周部１３３ｂ内における第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の幅ｗ３よりも大きい。第１付加質量体２１の幅ｗ４は、内周部１３３ｃの幅ｗ２と実質的に同一である。そのため、第１付加質量体２１は、溝１３３の両側面に接触している。

本実施形態の例において、第１付加質量体２１の内周面は、リム部１３の内周面よりも半径方向内側に突出している。ただし、第１付加質量体２１の内周面は、リム部１３の内周面と実質的に面一になるように配置されていてもよい。第１付加質量体２１の外周面は、溝１３３のうち、内周部１３３ｃと外周部１３３ｂとを接続する接続面１３３ｄに接触している。これにより、溝１３３の外周部１３３ｂが実質的に密閉される。そのため、外周部１３３ｂ内の部品、すなわち第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の滑落を防止することができる。

第１付加質量体２１は、半径方向における寸法である厚みｔ２１を有する。第２付加質量体２３は、半径方向における寸法である厚みｔ２３を有する。第１付加質量体２１の厚みｔ２１は、第２付加質量体２３の厚みｔ２３と実質的に同一であってもよいし、第２付加質量体２３の厚みｔ２３と異なっていてもよい。第１付加質量体２１の厚みｔ２１と、第２付加質量体２３の厚みｔ２３との比（ｔ２１：ｔ２３）は、好ましくは１：０．５～１：２．０であり、より好ましくは１：０．６～１：１．８である。言い換えると、第２付加質量体２３の厚みｔ２３は、第１付加質量体２１の厚みｔ２１の０．５倍以上、２．０倍以下であることが好ましく、第１付加質量体２１の厚みｔ２１の０．６倍以上、１．８倍以下であることがより好ましい。第１付加質量体２１の厚みｔ２１は、例えば、３．２ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下の範囲で設定することができる。同様に、第２付加質量体２３の厚みｔ２３は、３．２ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下の範囲で設定することができる。

特に、第１付加質量体２１の厚みｔ２１は、弾性体２２，２４の特性に合わせて設定されることが好ましい。第１付加質量体２１の厚みｔ２１は、例えば、３．２ｍｍ以上、１０．０ｍｍ以下の範囲で自由に変更することができる。例えば、ゴム硬度が比較的小さいゴム材料で弾性体２２，２４が構成されている場合、第１付加質量体２１の厚みｔ２１は小さい方が好ましい。一方、ゴム硬度が比較的大きいゴム材料で弾性体２２，２４が構成されている場合、第１付加質量体２１の厚みｔ２１は大きい方が好ましい。

第１弾性体２２は、半径方向における寸法である厚みｔ２２を有する。第２弾性体２４は、半径方向における寸法である厚みｔ２４を有する。第１弾性体２２の厚みｔ２２及び第２弾性体２４の厚みｔ２４は、第２付加質量体２３の厚みｔ２３との関係で設定することができる。例えば、第１弾性体２２の厚みｔ２２と第２弾性体２４の厚みｔ２４との和と、第２付加質量体２３の厚みｔ２３との比（（ｔ２２＋ｔ２４）：ｔ２３）は、１：１～１：３であることが好ましい。言い換えると、第２付加質量体２３の厚みｔ２３は、好ましくは、第１弾性体２２の厚みｔ２２と第２弾性体２４の厚みｔ２４の和：ｔ２２＋ｔ２４の１．０倍以上、３．０倍以下である。第１弾性体２２の厚みｔ２２は、第２弾性体２４の厚みｔ２４と同一であることが好ましいが、第２弾性体２４の厚みｔ２４と異なっていてもよい。なお、厚みｔ２２，ｔ２４は、動吸振器２が車輪本体１に取り付けられる前、すなわち弾性体２２，２４が押圧状態にないときの弾性体２２，２４の厚みである。

第１弾性体２２の厚みｔ２２は、例えば、０．９ｍｍ以上、１．７ｍｍ以下の範囲で設定されることが好ましい。同様に、第２弾性体２４の厚みｔ２４は、例えば、０．９ｍｍ以上、１．７ｍｍ以下の範囲で設定されることが好ましい。ただし、第１弾性体２２の厚みｔ２２及び第２弾性体２４の厚みｔ２４は、車輪本体１の直径φとの関係で適宜調整することができる。特に限定されるものではないが、車輪本体１の直径φと、第１弾性体２２の厚みｔ２２及び第２弾性体２４の厚みｔ２４それぞれとの比（φ：ｔ２２及びφ：ｔ２４）は、例えば、１：１×１０^－３～１：２×１０^－３とすることができる。言い換えると、車輪本体１の直径φに対する第１弾性体２２の厚みｔ２２及び第２弾性体２４の厚みｔ２４それぞれの比（ｔ２２／φ及びｔ２４／φ）は、１×１０^－３～２×１０^－３とすることができる。

［効果］
本実施形態に係る車輪１０では、車輪本体１に、車輪本体１の振動を吸収する動吸振器２が取り付けられている。動吸振器２は、第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４を含んでいる。車輪本体１が振動するとき、付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４において半径方向の並進運動が生じることにより、車輪本体１の振動に伴って発生する転動音が低減される。また、車輪本体１が振動するとき、付加質量体２１，２３の弾性変形が生じ、この弾性変形に追従して弾性体２２，２４が変形することで車輪本体１の振動エネルギーが消費されるため、転動音が低減される。本実施形態では、弾性体２２，２４の各々が環状をなすことにより、付加質量体２１，２３に追従して変形する弾性体２２，２４の変形量を増加させることができる。これにより、車輪本体１の振動エネルギーの消費が大きくなるため、車輪本体１の振動に伴って発生する転動音を効果的に低減することができる。よって、動吸振器２の固有振動の絶対数が比較的少ないにもかかわらず、転動音の低減効果を確保することができる。

本実施形態に係る車輪１０において、付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４の各々は、車輪本体１と独立して半径方向に振動することができる。すなわち、車輪１０には、動吸振器２に含まれる付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４を半径方向に実質的に拘束する部品がない。そのため、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の変形が阻害されにくく、転動音の大きな低減効果を得ることができる。

本実施形態に係る車輪１０において、動吸振器２に含まれる付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４は、それぞれ環状である。そのため、複数の付加質量体及び複数の弾性体が円周方向に沿って配列される従来の鉄道用車輪と比較して、部品構成数を減少させることができる。これにより、動吸振器２を含む車輪１０を製造する際、部品の配置の誤りに起因する不良品の発生を抑制することができる。また、車輪１０の製造コストを低減することができる。

本実施形態に係る車輪１０において、動吸振器２を車輪本体１に設置する際には、例えば、棒状の第１付加質量体２１及び第２付加質量体２３をＣ字状に湾曲させた後、環状の溝を設けた金型を用い、付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４を積層する。すなわち、第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４を金型の溝内で積層し、これらを一体化する。例えば、弾性体２２，２４がブチルゴム等のゴム材料で構成されている場合には、金型を加熱処理し、第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４を加硫接着することにより、これらを一体化することができる。その後、一体化された第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４を車輪本体１のリム部１３に設けられた溝１３３に嵌め込みながら、その端部同士を溶接等によって接合することにより、動吸振器２が車輪本体１に設置される。積層前の付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４は、それぞれ、全長にわたって連続しており、途中で分割されていない。そのため、動吸振器２を車輪本体１に設置する際、付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４の配置の誤りが生じにくい。特に、弾性体２２，２４の材質及び厚みを同一とした場合には、弾性体２２，２４を区別する必要がないため、弾性体２２，２４の取り違いが生じなくなる。よって、本実施形態に係る車輪１０によれば、動吸振器２を構成する部品の配置の誤りに起因して、車輪１０の製造不良が発生するのを抑制することができる。

本実施形態に係る車輪１０では、動吸振器２が動吸振器として作用することを主軸とせず、動吸振器としての作用と、弾性体２２，２４の大変形による作用との総合の作用により、転動音を低減させている。すなわち、本実施形態では、環状の弾性体２２，２４を大きく変形させることにより、転動音の低減効果を向上させている。そのため、動吸振器２の固有振動数を必ずしも車輪本体１の固有振動数に一致させる必要がない。よって、動吸振器２の各部の寸法を目的の固有振動数を得るために厳密に設定する必要がなく、動吸振器２を簡易に作製することができる。

一般に、鉄道車両用の車輪を長期にわたって使用すると、車輪本体の質量が摩耗等によって変化し、車輪本体の質量及び剛性で決定される車輪本体の固有振動数も変化する。車輪本体の固有振動数と、車輪本体に取り付けられる動吸振器の固有振動数とを一致させていた場合、車輪本体の固有振動数の変化に伴い、動吸振器による車輪本体の振動低減効果が低下する。これに対して、本実施形態に係る車輪１０では、上述したように、動吸振器２の固有振動数を必ずしも車輪本体１の固有振動数に一致させる必要がない。そのため、車輪本体１の質量が摩耗等によって変化し、車輪本体１の固有振動数が変化したとしても、動吸振器２による振動低減効果への影響が小さい。したがって、長期にわたり、安定した転動音の低減効果を得ることができる。

本実施形態において、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、車輪本体１のリム部１３に設けられた溝１３３内に収容されている。第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の各々は、溝１３３の両側面との間に隙間を空けて配置されている。そのため、溝１３３内において、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４が過剰に拘束されることがない。よって、車輪本体１が振動したとき、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４は、半径方向だけでなく、円周方向及び軸方向にも若干変形することができる。よって、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の変形がより阻害されにくくなるため、転動音の低減効果の向上を期待することができる。

本実施形態において、第１弾性体２２の厚みｔ２２と第２弾性体２４の厚みｔ２４の和と、第２付加質量体２３の厚みｔ２３との比（（ｔ２２＋ｔ２４）：ｔ２３）は、好ましくは１：１～１：３に設定される。これにより、転動音をより効果的に低減することができる。また、車輪１０の製造容易性も確保することができる。

本実施形態において、第１付加質量体２１の厚みｔ２１と、第２付加質量体２３の厚みｔ２１との比（ｔ２１：ｔ２３）は、好ましくは１：０．５～１：２．０に設定される。このように付加質量体２１，２３の厚みｔ２１，ｔ２３を調整することにより、転動音をより効果的に低減することができる。

例えば、第１付加質量体２１の厚みｔ２１を小さくすると、第１付加質量体２１の剛性が低下する。そのため、第１付加質量体２１の変形量を増加させることができる。この場合、第１付加質量体２１の変形に追従する弾性体２２，２４の変形量が増加するため、転動音の低減効果を向上させることができる。特に、ゴム硬度が比較的小さいゴム材料で弾性体２２，２４が構成される場合には、第１付加質量体２１の厚みｔ２１を小さくすることが好ましい。

一方、第１付加質量体２１の厚みｔ２１を大きくすると、第１付加質量体２１の質量が増加し、第１付加質量体２１の剛性が増加する。この場合、第１付加質量体２１から弾性体２２，２４に作用する力が増加し、弾性体２２，２４の変形量を増加させることができる。そのため、転動音の低減効果を向上させることができる。特に、ゴム硬度が比較的大きいゴム材料で弾性体２２，２４が構成される場合には、弾性体２２，２４に作用する力を保持するため、第１付加質量体２１の厚みｔ２１を大きくすることが好ましい。

本実施形態において、動吸振器２は、溝１３３の底面１３３ａに接触している。より詳細には、環状の動吸振器２を構成する部品のうち、最外周に配置される第２弾性体２４の外周面が溝１３３の底面１３３ａに接触している。これにより、車輪本体１の振動が直接的に動吸振器２に伝達されるため、動吸振器２に含まれる付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４がそれぞれ積極的に振動し、弾性変形しやすくなる。よって、車輪本体１の振動に伴って発生する転動音をより低減することができる。また、動吸振器２を溝１３３の底面１３３ａに接触させることにより、車輪１０の回転に伴う遠心力で付加質量体２１，２３及び弾性体２２，２４に生じる負荷を低減することができる。そのため、動吸振器２の耐久性を向上させることができる。

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。

例えば、上記実施形態において、車輪本体１のリム部１３には、異なる幅ｗ１，ｗ２を有する外周部１３３ｂ及び内周部１３３ｃを有する溝１３３が形成されている。しかしながら、溝１３３の形状は、これに限定されるものではない。例えば、溝１３３の幅（軸方向の寸法）は、全体にわたって一定であってもよい。

上記実施形態に係る車輪１０において、動吸振器２は、第１付加質量体２１、第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の４層で構成されている。しかしながら、動吸振器２の層数は、適宜増加させることができる。例えば、環状の付加質量体及び環状の弾性体を交互に６層以上積層して、動吸振器２を形成することもできる。環状の付加質量体及び環状の弾性体の層数は、８以下であることが好ましい。

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］
本開示に係る車輪の効果を確認するため、第１実施例として、市販の汎用構造解析ソフトウェア（ＭＳＣ Ｎａｓｔｒａｎ、ＭＳＣ Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製）を用い、有限要素法による数値解析（ＦＥＭ解析）を実施した。本解析では、上記実施形態に係る車輪１０（図１及び図２）と実質的に同じ形状の解析モデル（実施例１）を作成した。

本解析では、車輪本体１の踏面１３１の中央に半径方向の加振力を与え、１Ｈｚごとに等価放射パワー（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ（ＥＲＰ））を算出した。ＥＲＰは、構造物表面の要素面積ΔＳと、その面の法線方向速度Ｖｎから得られる音響放射パワーであり、以下の式（１）で算出される。このＥＲＰの値が小さいほど、車輪から発生する転動音が小さいといえる。

上記式において、αは、解析手法により変化する係数であり、本解析では１／２を使用した。ＥＲＰ_ＲＬＦは放射損失係数、ＥＲＰ_ＰＨＯは流体密度、ＥＲＰ_Ｃは、流体中の音速を示す。本解析では、１５℃、１気圧条件下を想定した数値とした。

実施例１との比較のため、車輪１０と異なる車輪形状（比較例１～３）について、上記と同様の解析を実施した。

比較例１の車輪形状は、実施例１の車輪形状から動吸振器２を取り除いたものである。すなわち、比較例１の車輪は、動吸振器を有しない車輪（車輪単体）である。

比較例２及び比較例３の車輪形状は、動吸振器の構成において、実施例１の車輪形状と異なる。図４は、比較例２における動吸振器を説明するための模式図である。図４に示すように、比較例２では、固定リング２１Ａの円周方向に沿い、第１動吸振器２ａ、第２動吸振器２ｂ、第３動吸振器２ｃ、及び第４動吸振器２ｄが順番に配置されている。すなわち、比較例２では、実施例１の動吸振器２に代えて、固定リング２１Ａ及び４種類の動吸振器２ａ～２ｄが設けられている。

比較例２において、動吸振器２ａ～２ｄの各々は、付加質量体と、この付加質量体の半径方向両側に設けられた弾性体とを含む。動吸振器２ａ～２ｄの第１弾性体２２ａ～２２ｄは、車輪本体１の複数の固有振動モードに対応して動吸振器２ａ～２ｄごとに異なる固有振動数を出現させるため、それぞれ異なる厚み（半径方向の寸法）を有する。同様に、動吸振器２ａ～２ｄの付加質量体２３ａ～２３ｄは、動吸振器２ａ～２ｄごとに異なる固有振動数を出現させるため、それぞれ異なる厚み（半径方向の寸法）を有する。動吸振器２ａ～２ｄの第２弾性体２４ａ～２４ｄも、動吸振器２ａ～２ｄごとに異なる固有振動数を出現させるため、それぞれ異なる厚み（半径方向の寸法）を有する。

図５は、比較例３における動吸振器を説明するための模式図である。図５に示すように、比較例３の車輪形状は、比較例２と同様の車輪形状を有する。ただし、比較例２では、第１動吸振器２ａ、第２動吸振器２ｂ、第３動吸振器２ｃ、及び第４動吸振器２ｄが順番に円周方向に並べられていたのに対し、比較例３では、第４動吸振器２ｄのみが円周方向に並べられている。なお、実施例１における第１弾性体２２、第２付加質量体２３、及び第２弾性体２４の厚みも、第４動吸振器２ｄにおける第１弾性体２２ｄ、付加質量体２３ｄ、及び第２弾性体２４ｄと同一である。実施例１において、第１付加質量体２１の厚みは６．６ｍｍとした。

図６は、実施例１及び比較例１～３におけるＥＲＰを示すグラフである。図６では、転動音の寄与が大きい周波数帯域（２０００～５０００Ｈｚ）における実施例１及び比較例１～３のＥＲＰを示す。また、比較例１のＥＲＰに対する実施例１及び各比較例のＥＲＰの比（比較例１のＥＲＰを１としたときの実施例１及び各比較例のＥＲＰの相対値）を表１に示す。

図６からわかるように、実施例１、並びに比較例２及び３では、車輪単体である比較例１と比べて、全体的にＥＲＰが小さくなっている。図６に示すように、実施例１のＥＲＰは、比較例２及び３のＥＲＰと同程度小さくなっている。また、表１からわかるように、動吸振器２を環状とした実施例１では、複数の動吸振器２ｄを円周方向に沿って配置した比較例３よりも、全体としてＥＲＰが小さくなっている。実施例１では、例えば２３００Ｈｚ等、円周方向に沿って４種類の動吸振器２ａ～２ｄを並べ、複数の固有振動数を出現させる比較例２よりもＥＲＰが小さくなる周波数帯域も存在する。よって、動吸振器を環状とした場合であっても、複数の動吸振器を円周方向に沿って配置し、動吸振器ごとに固有振動数を出現させる場合と同程度の転動音の低減効果を発揮できるといえる。

［第２実施例］
第２実施例として、実施例１と同様の車輪形状について、第２付加質量体２３の厚みｔ２３、第１弾性体２２の厚みｔ２２、及び第２弾性体２４の厚みｔ２４を変更しながら、上記と同様の解析を実施した。本実施例では、第１弾性体２２の厚みｔ２２と第２弾性体２４の厚みｔ２４とを同一とし、弾性体２２，２４の厚みの和に対する第２付加質量体２３の厚みの比：ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）と、ＥＲＰとの関係を調査した。本実施例（実施例２－１～２－６）における寸法条件を表２に示す。

図７は、実施例２－１～２－６におけるＥＲＰを示すグラフである。図７では、比較のため、第１実施例における比較例１のＥＲＰも併せて表示している。また、比較例１のＥＲＰに対する実施例２－１～２－６のＥＲＰの比（比較例１のＥＲＰを１としたときの実施例２－１～２－６のＥＲＰの相対値）を表３に示す。

図７に示すように、実施例２－１～２－６では、車輪単体である比較例１と比べて、全体的にＥＲＰが小さくなっている。表２及び表３からわかるように、弾性体２２，２４の厚みの和に対する第２付加質量体２３の厚みの比：ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）が大きくなるにつれて、ＥＲＰが小さくなる傾向にある。特に、ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）が１．０以上である実施例２－２では、２３００Ｈｚ及び２４５０ＨｚにおいてＥＲＰが有意に低下しており、ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）がさらに大きい実施例２－３～２－６では、表３に示す全ての周波数においてＥＲＰが顕著に低下している。よって、実施例２－２～２－６では、転動音が効果的に低減されているといえる。一方、ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）が０．８である実施例２－１では、実施例２－２～２－６と比較するとＥＲＰの低下の程度が小さい。このことから、弾性体２２，２４の厚みの和に対する付加質量体２３の厚みの比：ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）は、１．０以上であることが好ましい。また、弾性体２２，２４の厚みｔ２２，ｔ２４は、それぞれ、１．７ｍｍ以下であることが好ましい。実施例２－１及び２－２の結果より、弾性体２２，２４の厚みｔ２２，ｔ２４を１．７ｍｍよりも大きくしたとしても、転動音の低減効果のさらなる向上は期待できず、弾性体２２，２４の厚みｔ２２，ｔ２４を大きくすることで熱による弾性体２２，２４の劣化が懸念されるためである。

表２及び表３からわかるように、ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）が３．０である実施例２－６では、２３００Ｈｚ、２４５０Ｈｚ、及び３０００ＨｚにおいてＥＲＰが最も低く、転動音の低減効果が最も高くなっている。ただし、ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）をこれよりも大きく設定すると、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対して、弾性体２２，２４の厚みｔ２２，ｔ２４を非常に小さくする必要があり、動吸振器２の製造が困難になる。そのため、弾性体２２，２４の厚みの和に対する付加質量体２３の厚みの比：ｔ２３／（ｔ２２＋ｔ２４）は、３．０以下であることが好ましい。また、弾性体２２，２４の厚みｔ２２，ｔ２４は、それぞれ、０．９ｍｍ以上であることが好ましい。

本実施例の結果より、弾性体２２，２４の厚みの和：ｔ２２＋ｔ２４と、付加質量体２３の厚みｔ２３との比は、１：１～１：３の範囲に設定されることが好ましいといえる。

［第３実施例］
第３実施例として、実施例１と同様の車輪形状について、第１付加質量体２１の厚みｔ２１と、第２付加質量体２３の厚みｔ２３との比を変更しながら、上記と同様の解析を実施した。本実施例では、付加質量体２１，２３の材質を同一とし、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の比：ｔ２１／ｔ２３と、ＥＲＰとの関係を調査した。本実施例（実施例３－１～３－３）における厚み条件を表４に示す。表４では、第２付加質量体２３の厚みｔ２３を１とし、この厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の相対値（厚み比）を示している。

図８は、実施例３－１～３－３におけるＥＲＰを示すグラフである。図８では、比較のため、第１実施例における比較例１のＥＲＰも併せて表示している。第３実施例では、第１付加質量体２１及び第２付加質量体２３の厚みｔ２１，ｔ２３において、実施例３－１～３－３のそれぞれと同じ条件を有する実施例３－４～３－６についても同様の解析を行った。実施例３－１～３－３及び実施例３－４～３－６の双方において、弾性体２２，２４はゴム材料で構成されているが、弾性体２２，２４のゴム硬度は、実施例３－１～３－３で小さく、実施例３－４～３－６で大きい。実施例３－１～３－３における弾性体２２，２４のゴム硬度はＨｓ４２であり、実施例３－４～３－６における弾性体２２，２４のゴム硬度はＨｓ６０である。比較例１のＥＲＰに対する実施例３－１～３－６のＥＲＰの比（比較例１のＥＲＰを１としたときの実施例３－１～３－６のＥＲＰの相対値）を表５に示す。

図８及び表５に示すように、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の比：ｔ２１／ｔ２３が０．５以上、２．０以下である実施例３－１～３－３では、車輪単体である比較例１と比較して、全体的にＥＲＰが小さくなっている。実施例３－１～３－３と同様、ｔ２１／ｔ２３が０．５以上、２．０以下である実施例３－４～３－６でも、比較例１と比較して、全体的にＥＲＰが小さくなっている。よって、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の比：ｔ２１／ｔ２３は、０．５以上、２．０以下であることが好ましい。

表４及び表５からわかるように、弾性体２２，２４のゴム硬度が小さい実施例３－１～３－３では、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の比：ｔ２１／ｔ２３が小さいほど、ＥＲＰが小さくなる傾向にある。一方、弾性体２２，２４のゴム硬度が大きい実施例３－４～３－６では、ｔ２１／ｔ２３が大きいほど、ＥＲＰが小さくなる傾向にある。このことから、弾性体２２，２４のゴム硬度が小さい場合には、第２付加質量体２３の厚みｔ２３に対する第１付加質量体２１の厚みｔ２１の比：ｔ２１／ｔ２３が小さいほど転動音の低減効果が向上するといえる。また、弾性体２２，２４のゴム硬度が大きい場合には、ｔ２１／ｔ２３が大きいほど転動音の低減効果が向上するといえる。

［第４実施例］
第４実施例として、実施例１と同様の車輪形状について、動吸振器の層数、すなわち、動吸振器２に含まれる弾性体及び付加質量体の合計の個数を変更しながら、上記と同様の解析を実施した。本実施例では、上記実施形態と同様の４層構成の動吸振器２（実施例４－１）、及び６層構成の動吸振器２（実施例４－２）について、その効果を検証した。比較のため、２層構成の動吸振器２（比較例４）についてもその効果を検証した。

図９は、実施例４－１、実施例４－２、及び比較例４におけるＥＲＰを示すグラフである。図９では、比較のため、第１実施例における比較例１のＥＲＰも併せて表示している。また、比較例１のＥＲＰに対する実施例４－１、実施例４－２、及び比較例４のＥＲＰの比（比較例１のＥＲＰを１としたときの実施例４－１、実施例４－２、及び比較例４のＥＲＰの相対値）を表６に示す。

図９及び表６に示すように、実施例４－１及び実施例４－２では、比較例１及び比較例４に比べてＥＲＰが有意に小さくなっている。このことから、動吸振器２が４層以上で構成されていれば、転動音の低減効果を十分に確保することができるといえる。また、動吸振器２が４層構成の実施例４－１では、付加質量体及び弾性体を１つずつ増加させ、動吸振器２を６層構成とした実施例４－２と比較し、２３００Ｈｚ、３０００Ｈｚ、及び３１５０ＨｚでＥＲＰが小さくなっている。よって、動吸振器２を４層構成とすることにより、より優れた転動音の低減効果を得ることができる。

１０：車輪
１：車輪本体
１１：板部
１３：リム部
１３３：溝
１３３ａ：底面
２：動吸振器
２１，２３：付加質量体
２２，２４：弾性体

Claims (5)

1. 鉄道車両用の車輪であって、
   環状の板部と、前記板部の外周縁に接続され、前記車輪の円周方向に沿う環状の溝が内周面に形成されるリム部と、を含む車輪本体と、
   前記溝内に配置される動吸振器であって、環状の第１付加質量体と、前記第１付加質量体の外周側に配置される環状の第１弾性体と、前記第１弾性体の外周側に配置される環状の第２付加質量体と、前記第２付加質量体の外周側に配置される環状の第２弾性体と、を含む前記動吸振器と、
   を備え、
   前記車輪の半径方向における前記第１弾性体の寸法と前記半径方向における前記第２弾性体の寸法との和と、前記半径方向における前記第２付加質量体の寸法との比は、１：１～１：３である、車輪。
2. 請求項１に記載の車輪であって、
   前記車輪の軸方向における前記第１付加質量体の寸法は、前記軸方向における前記第２付加質量体の寸法よりも大きい、車輪。
3. 請求項１又は２に記載の車輪であって、
   前記第１弾性体、前記第２付加質量体、及び前記第２弾性体の各々は、全周にわたり前記溝の両側面と隙間を空けて前記溝内に配置されている、車輪。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の車輪であって、
   前記半径方向における前記第１付加質量体の寸法と前記半径方向における前記第２付加質量体の寸法との比は、１：０．５～１：２．０である、車輪。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の車輪であって、
   前記動吸振器は、前記溝の底面に接触している、車輪。

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