JPH10166803A - 鉄道車両用車輪 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レールの種類及び摩耗状態にかかわらず走行
安定性と輪軸自己操舵性が両立できる鉄道車両用車輪を
提供する。 【解決手段】 車軸の左右に車輪を嵌着した輪軸におけ
る車輪の踏面形状において、スロートと中立位置との間
を、スロート側が小さな曲率半径で中立位置側を大きな
曲率半径とし、かつ隣接する曲率の半径差の小さい複数
の曲率半径で滑らかに接続した複合円弧部分で形成し、
該複合円弧部分に続いて曲率半径の大きな逆円弧部分と
それに接する勾配を付けた直線部分からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車軸の左右に車輪
を嵌着した輪軸における車輪の踏面形状に特徴のある鉄
道車両用車輪に関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両用車輪は、図１の在来線に使用
されている、車軸２の左右に車輪１を嵌着した輪軸９に
示すように、車輪１のリム部３はフランジ４、スロート
５及び踏面６よりなる。そして、踏面形状は曲線路通過
時の性能向上や蛇行動の防止、あるいは路面の摩耗防止
などの条件から最適な寸法が規定されている。通常図２
に示すように、フランジ４部分から外側に向かって、ス
ロート５に接する踏面６には１／２０の勾配と１／１０
の勾配が付けられた基本踏面が使用されている。また、
在来線用車輪としては、前記基本踏面のほかに図３の円
弧踏面及び図４の修正円弧踏面がある。

【０００３】前記のごとく車輪の踏面に円弧踏面形状が
採用されるのは、台車が曲線区間の走行時に外軌側と内
軌側の行路差を吸収するための左右車輪径差を発生させ
るため、円弧の組み合せ形状すなわち円弧踏面とするの
である。

【０００４】一方、鉄道軌道用のレール１０は、通常図
５に示すように頭部７に頭頂面８を有するものが使用さ
れている。この頭頂面８の形状は、レールの種類により
異なっており、一例として図６に５０ｋｇＮレールを、
また図７に６０ｋｇレールの寸法形状を示す。

【０００５】輪軸９とレール１０の幾何学的接触状態を
図８に示す。左側車輪１ａと左側レール１０ａの接触点
１１ａを含み車軸２に対し垂直な円断面の車輪半径１２
ａと、右側車輪１ｂと右側レール１０ｂの接触点１１ｂ
を含み車軸２に対し垂直な円断面の車輪半径１２ｂとの
差の絶対値＝｜１２ａ−１２ｂ｜を車輪回転半径差１３
という。

【０００６】ところで、図９に実線で示す車輪１が鎖線
で示すように左右いずれかに移動した場合には、車輪回
転半径差１３が零でなくなり、その値が車両の走行性
能、すなわち直線走行時における走行安定性と曲線通過
時における輪軸自己操舵性に大きく影響することが知ら
れている。

【０００７】車両の走行安定性は、等価踏面勾配すなわ
ち、図９において中立位置１４近傍での輪軸左右移動量
１５に対する車輪回転半径差１３の変化率が小さい方が
良い。一方、輪軸自己操舵性は、輪軸左右移動量１５に
対する車輪回転半径差１３が大きい方が良い。前記車輪
の各踏面形状に対する等価踏面勾配を表１に、輪軸９が
中立位置１４からスロート５の曲率半径の始点１６まで
左右移動する間で得られる車輪回転半径差（単位：ｍ
ｍ）を表２に示す。なお、表中に記載した新製時とは、
新規に製造されたレールの頭頂面状態で、摩耗時とは、
図１０に示す５０ｋｇＮレールまたは図１１に示す６０
ｋｇレールのように、車両の走行によりレールの頭頂面
が直線区間（１点鎖線で示す）または曲線区間（破線で
示す）で摩耗した状態であり、表１中では直線区間での
摩耗、表２中では曲線区間での摩耗を示す。

【０００８】

【表１】

【０００９】

【表２】

【００１０】図２に示す基本踏面における踏面形状は、
スロート５の曲率半径１４ｍｍに接する勾配１／２０の
直線と、これに連続した勾配１／１０の直線から形成さ
れている。この場合には、得られる等価踏面勾配は、５
０ｋｇＮレールにおける輪軸左右移動量と車輪回転半径
差の関係を示す図１２（新製時）、図１３（直線部での
摩耗）と６０ｋｇレールにおける輪軸左右移動量と車輪
回転半径差の関係を示す図１５（新製時）、図１６（直
線部での摩耗）及び表１に示すようにレールの種類及び
レールの摩耗状態にかかわらず１／２０で一定であり、
走行安定性は容易に得られる。一方、輪軸９が中立位置
１４からスロート５の曲率の始点１６（図１を参照）ま
で左右移動する間で得られる車輪回転半径差１３は、５
０ｋｇＮレールにおける輪軸左右移動量と車輪回転半径
差の関係を示す図１２（新製時）、図１４（曲線部での
摩耗）と６０ｋｇレールにおける輪軸左右移動量と車輪
回転半径差の関係を示す図１５（新製時）、図１７（曲
線部での摩耗）及び表２に示すように、レールの種類に
かかわらず新製時には約０．６ｍｍ、摩耗時には約１．
３〜１．７ｍｍ程度と小さく、曲線半径の小さい曲線区
間ではスムーズに旋回することが困難であり、スロート
５部分及びフランジ４部分の直立摩耗が発生しやすくな
る。

【００１１】図３に示す円弧踏面における踏面形状は、
スロート５の曲率半径１４ｍｍに接する曲率半径１００
ｍｍと曲率半径３５０ｍｍの複合円弧とし、それに続く
曲率半径５００ｍｍの逆円弧とそれに接する勾配１／２
０の直線から形成されている。この場合には、等価踏面
勾配は、表１に示すように、基本踏面に比べレール新製
時には、５０ｋｇＮレールでは１／８、６０ｋｇレール
では１／５であり、走行安定性は比較的容易に得られる
が、レールが摩耗している場合には等価踏面勾配が１／
３と著しく大きくなり走行安定性の維持は極めて困難で
ある。

【００１２】しかしながら、輪軸９が中立位置１４から
スロート５の曲率半径の始点１６まで左右移動する間で
得られる車輪回転半径差１３は、表２に示すように、レ
ールの種類及び摩耗状態にかかわらず約２．６ｍｍ以上
と大きく採れることから、曲線半径の小さい曲線区間を
も容易に走行することができる。

【００１３】図４に示す修正円弧踏面における踏面形状
は、スロート５の曲率半径１４ｍｍに接する曲率半径８
０ｍｍと曲率半径３２０ｍｍ及び曲率半径９００ｍｍの
複合円弧とし、それに接する勾配１／１００の直線と、
これに続く曲率半径４００ｍｍの逆円弧から形成されて
いる。この場合には、表１に示すように５０ｋｇＮレー
ル新製時には等価踏面勾配は１／１８で基本踏面とほぼ
同等である。また、６０ｋｇレール新製時には等価踏面
勾配は１／７で円弧踏面とほぼ同等であり、走行安定性
は比較的容易に得ることができる。レールが摩耗してい
る場合には等価踏面勾配は円弧踏面では大きくなるのに
対し、逆に小さくなるため走行安定性に対しては更に有
利である。

【００１４】しかしながら、中立位置１４からスロート
５の曲率半径の始点１６まで輪軸９が左右移動する間で
得られる車輪回転半径差１３は、表２に示すように６０
ｋｇレールの新製状態に対しては約２．４ｍｍであり、
かつスムーズに得られるが、５０ｋｇＮレールが敷設さ
れている曲線半径の小さい曲線区間においては、曲率半
径３５０ｍｍと１００ｍｍの広い領域で車輪回転半径差
１３を有効に確保し得る円弧踏面に対して、修正円弧踏
面は車輪回転半径差１３をスロート５に隣接した曲率半
径８０ｍｍの領域で約０．９ｍｍから約２．５ｍｍに急
激に大きな車輪回転半径差１３に変化する欠点があっ
た。また、摩耗レールの種類に係わらず車輪回転半径差
１３は約１．５〜２．０ｍｍとなり、新製レールに比べ
て曲率半径の小さい曲線では旋回性が低下する。

【００１５】前記のように、レールの頭頂面が摩耗し、
頭頂面形状が崩れている場合には、円弧踏面では走行安
定性の低下、修正円弧踏面では輪軸自己操舵性が低下す
る欠点があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】車軸の左右に車輪を嵌
着した輪軸における車輪については、従来より踏面形状
を変えることにより、走行安定性と輪軸自己操舵性が両
立するように工夫されてきた。しかし前記のように、踏
面の限られた空間内で走行安定性と輪軸自己操舵性を満
足できる状態で両立させることは困難で、殊にレールの
種類や摩耗状態によっては走行安定性または輪軸自己操
舵性が低下する欠点があった。

【００１７】本発明は、前記従来の車輪に見られる欠点
を除き、レールの種類や摩耗状態にかかわらず、相反す
る２つの運動特性すなわち走行安定性と輪軸自己操舵性
が両立できる踏面形状を有する鉄道車両用車輪を提供す
るものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の鉄道車両用車輪は、車軸の左右に車輪を嵌
着した輪軸における車輪の踏面形状において、スロート
と中立位置との間を、スロート側が小さな曲率半径で中
立位置側を大きな曲率半径とし、かつスロートの円弧に
隣接して８０ｍｍと１００ｍｍ〜１１０ｍｍの半径を有
する２つの曲率に引き続き、隣接する曲率の半径差の小
さい２つの曲率半径で滑らかに接続した複合円弧部分で
形成し、該複合円弧部分に続いて曲率半径の大きな逆円
弧部分とそれに接する勾配を付けた直線部分からなり、
レールの種類及び摩耗状態にかかわらず走行安定性と輪
軸自己操舵性が両立できることを特徴とする。

【００１９】また、前記鉄道車両用車輪において、レー
ルの種類、摩耗状態にかかわらず、輪軸の左右移動によ
って生じる左右の車輪の車輪回転半径差が中立位置から
離れるに従い滑らかに変化し、スロートの円弧の始点に
接するまでに車輪回転半径差が１．５ｍｍ以上確保でき
ることを特徴とする。

【００２０】更に、前記鉄道車両用車輪において、レー
ルの種類、摩耗状態にかかわらず、中立位置近傍での車
輪とレールの等価踏面勾配が１／１０〜１／１５の範囲
にあることを特徴とする。

【００２１】ここで、スロートの円弧に隣接して８０ｍ
ｍと１００ｍｍ〜１１０ｍｍの半径を有する２つの曲率
を設けたのは、修正円弧踏面のようにスロートに隣接し
た曲率半径８０ｍｍの領域で急激に大きな車輪回転半径
差を得ることを阻止するためであり、５０ｋｇＮレール
における輪軸左右移動量と車輪回転半径差の関係を示す
図１９（新製時）、図２１（曲線部での摩耗）に示すよ
うにレールの摩耗状態にかかわらず車輪回転半径差を滑
らかに得ることが可能となるためである。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施による車軸の左右に
車輪を嵌着した輪軸における車輪は、スロート側が小さ
な曲率半径で中立位置側を大きな曲率半径とした滑らか
な複合円弧部分で形成し、該複合円弧部分に続いて曲率
半径の大きな逆円弧部分とそれに接する勾配を付けた直
線部分からなる踏面形状を有することにより、レールの
種類及び摩耗状態にかかわらず、走行安定性と輪軸自己
操舵性の相反する運動特性を両立させることができる。

【００２３】すなわち、等価踏面勾配は、５０ｋｇＮレ
ールにおける輪軸左右移動量と車輪回転半径差の関係を
示す図１９（新製時）、図２０（直線での摩耗）と６０
ｋｇレールにおける輪軸左右移動量と車輪回転半径差の
関係を示す図２２（新製時）、図２３（直線での摩耗）
及び表１に示すように、レールの種類を問わず新製時に
は１／１３で、摩耗時は５０ｋｇＮレールで１／１１、
６０ｋｇレールで１／１３ある。この値は、５０ｋｇＮ
レールに対する円弧踏面の等価踏面勾配である１／８と
修正円弧踏面の等価踏面勾配である１／１８との中間に
あり、適度の走行安定性を得ることができる。

【００２４】しかも、その等価踏面勾配は、いかなる条
件においても１／１１〜１／１３の範囲内にあり、レー
ルの状態にかかわらず良好な走行安定性を維持すること
ができる。特に、従来の修正円弧踏面に比べて６０ｋｇ
レールの新製時形状に対しても等価踏面勾配を小さくす
ることができ、これにより走行安定性は著しく改善さ
れ、従来の円弧踏面の課題であった摩耗レールに対する
等価踏面勾配の著大化を防止できる。

【００２５】更に、従来の修正円弧踏面、すなわち中立
位置１４からスロート５の曲率半径の始点１６まで輪軸
が左右に移動する間を９００ｍｍ、３２０ｍｍ、８０ｍ
ｍの３つの曲率半径で接続した修正円弧踏面に対し、隣
接する曲率半径の差の小さい４っの曲率半径、すなわち
図１８に示す８００ｍｍ、３５０ｍｍ、１００ｍｍ、８
０ｍｍの曲率半径で滑らかに接続することにより、５０
ｋｇＮレールにおける輪軸左右移動量と車輪回転半径差
の関係を示す図１９（新製時）、図２１（曲線部での摩
耗）と６０ｋｇレールにおける輪軸左右移動量と車輪回
転半径差の関係を示す図２２（新製時）、図２４（曲線
部での摩耗）及び表２に示すように、レールの種類や摩
耗状態にかかわらず車輪回転半径差は滑らかに約２．６
ｍｍ以上が得られるように構成されている。

【００２６】その結果、曲率半径の小さい曲線区間での
走行が容易となる。また、踏面の広い領域を有効に使っ
て車輪回転半径差を得ることができるから、車輪の踏面
の局部的な崩れを防ぎ、踏面の摩耗を均一化できるた
め、走行安定性に対する経年変化が生じないようにでき
る。

【００２７】本発明の車輪の踏面形状において、レール
の種類、摩耗状態にかかわらず、輪軸の左右移動によっ
て生じる左右の車輪の車輪回転半径差が中立位置から離
れるに従い滑らかに変化し、スロートの円弧の始点に接
するまでに車輪回転半径差が１．５ｍｍ以上あることを
条件としたのは、良好な輪軸自己操舵性を得るのに必要
な値であり、それ未満では曲率半径の小さな曲線区間の
円滑な走行が困難となる。

【００２８】また、レールの種類、摩耗状態にかかわら
ず、中立位置近傍での車輪とレールの等価踏面勾配を１
／１０〜１／１５の範囲に限定したのは、従来の円弧踏
面の等価踏面勾配と修正円弧踏面の等価踏面勾配との間
にあって適度の走行安定性を確保するのに必要であり、
この範囲から外れると良好な輪軸自己操舵性と両立させ
ることが困難となるからである。

【００２９】

【実施例】本発明の実施による車輪の踏面形状を図１８
に示す。中立位置とスロートとの間を、中立位置側より
曲率半径８００ｍｍ、３５０ｍｍ、１００ｍｍ、８０ｍ
ｍの曲線で滑らかに接続した複合円弧部分で形成し、該
複合円弧部分に続いて曲率半径が５００ｍｍの逆円弧部
分と、それに接して勾配１／２０を付けた直線部分から
踏面を形成する。

【００３０】前記踏面形状の新製状態と直線部での摩耗
状態におけるレール種類別の等価踏面勾配を表１に示し
た。その等価踏面勾配は、従来の円弧踏面と修正円弧踏
面との間にあり、適度の走行安定性が得られていること
がわかる。

【００３１】前記本発明の踏面及び比較のための従来の
修正円弧踏面とレールの頭頂面の形状から得られる輪軸
左右移動量と車輪回転半径差との関係を、５０ｋｇＮレ
ールに対する場合を図１９（新製時）、図２１（曲線部
での摩耗）に、また６０ｋｇレールに対する場合を図２
２（新製時）、図２４（曲線部での摩耗）に示した。更
に、それらの中立位置１４からスロート５の曲率半径の
始点１６まで輪軸９が左右移動する間で得られる車輪回
転半径差を表２に示した。その結果、本発明の実施によ
る踏面形状のものは、車輪回転半径差が２．６〜２．９
ｍｍの範囲にあり、輪軸自己操舵性の良好なことがわか
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、車輪の踏面を中立位置
からスロートの曲率半径の始点までの間を、スロートの
円弧に隣接して８０ｍｍと１００ｍｍ〜１１０ｍｍの半
径を有する２つの曲率に引き続き、隣接する曲率の半径
差の小さい２つの曲率半径で滑らかに接続した複合円弧
部分で構成し、かつ中立位置での曲率半径を大きくして
いるので、レールの種類や摩耗状態にかかわらず、従来
の円弧踏面の課題であった走行安定性の向上、修正円弧
踏面の課題であった輪軸自己操舵性の向上が同時に可能
となり、従来困難視されていた走行安定性と輪軸自己操
舵性の両立が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】２つの車輪と車軸で構成した輪軸を片方の車輪
は断面して示す説明図である。

【図２】車輪のリム部の基本踏面を示す説明図である。

【図３】車輪のリム部の円弧踏面を示す説明図である。

【図４】車輪のリム部の修正円弧踏面を示す説明図であ
る。

【図５】鉄道車両用レールの一例を示す説明図である。

【図６】５０ｋｇＮレールの頭頂面形状を示す説明図で
ある。

【図７】６０ｋｇレールの頭頂面形状を示す説明図であ
る。

【図８】輪軸とレールの幾何学的接触状態を概念的に示
す説明図である。

【図９】輪軸の左右方向移動に伴う車輪回転半径差を説
明するための説明図である。

【図１０】５０ｋｇＮレールの頭頂面の形状を新製時
（実線）、直線区間での摩耗（１点鎖線）、曲線区間で
の摩耗（破線）に分けて示した説明図である。

【図１１】６０ｋｇレールの頭頂面の形状を新製時（実
線）、直線区間での摩耗（１点鎖線）、曲線区間での摩
耗（破線）に分けて示した説明図である。

【図１２】５０ｋｇＮレールの新製時における基本踏
面、円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有する輪軸の左右
移動量と車輪回転半径差との関係を示すグラフである。

【図１３】５０ｋｇＮレールの直線部で摩耗した場合に
おける基本踏面、円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有す
る輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示すグ
ラフである。

【図１４】５０ｋｇＮレールの曲線部で摩耗した場合に
おける基本踏面、円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有す
る輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示すグ
ラフである。

【図１５】６０ｋｇレールの新製時における基本踏面、
円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有する輪軸の左右移動
量と車輪回転半径差との関係を示すグラフである。

【図１６】６０ｋｇレールの直線部で摩耗した場合にお
ける基本踏面、円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有する
輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示すグラ
フである。

【図１７】６０ｋｇレールの曲線部で摩耗した場合にお
ける基本踏面、円弧踏面、修正円弧踏面の車輪を有する
輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示すグラ
フである。

【図１８】本発明における車輪の踏面形状を示す説明図
である。

【図１９】５０ｋｇＮレールの新製時における本発明の
実施による踏面と比較のための修正円弧踏面の車輪を有
する輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示す
グラフである。

【図２０】５０ｋｇＮレールの直線部で摩耗した場合に
おける本発明の実施による踏面と比較のための修正円弧
踏面の車輪を有する輪軸の左右移動量と車輪回転半径差
との関係を示すグラフである。

【図２１】５０ｋｇＮレールの曲線部で摩耗した場合に
おける本発明の実施による踏面と比較のための修正円弧
踏面の車輪を有する輪軸の左右移動量と車輪回転半径差
との関係を示すグラフである。

【図２２】６０ｋｇレールの新製時における本発明の実
施による踏面と比較のための修正円弧踏面の車輪を有す
る輪軸の左右移動量と車輪回転半径差との関係を示すグ
ラフである。

【図２３】６０ｋｇレールの直線部で摩耗した場合にお
ける本発明の実施による踏面と比較のための修正円弧踏
面の車輪を有する輪軸の左右移動量と車輪回転半径差と
の関係を示すグラフである。

【図２４】６０ｋｇレールの曲線部で摩耗した場合にお
ける本発明の実施による踏面と比較のための修正円弧踏
面の車輪を有する輪軸の左右移動量と車輪回転半径差と
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 車輪 １ａ 左側車輪 １ｂ 右側車輪 ２ 車軸 ３ リム部 ４ フランジ ５ スロート ６ 踏面 ７ レールの頭部 ８ 頭頂面 ９ 輪軸 １０ レール １０ａ 左側レール １０ｂ 右側レール １１ａ 左側車輪１ａと左側レール１０ａの接触点 １１ｂ 右側車輪１ｂと右側レール１０ｂの接触点 １２ａ 左側車輪１ａと左側レール１０ａの接触点を含
み車軸と垂直な円断面の車輪半径 １２ｂ 右側車輪１ｂと右側レール１０ｂの接触点を含
み車軸と垂直な円断面の車輪半径 １３ 車輪回転半径差 １４ 中立位置 １５ 輪軸左右移動量 １６ スロートの曲率半径の始点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 幸一 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 林 哲也 愛知県名古屋市中村区名駅一丁目１番４号 東海旅客鉄道株式会社内 (72)発明者 仲田 摩智 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品 事業所内 (72)発明者 伊佐 学 大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号 住金デザインアンドエンジニアリング株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車軸の左右に車輪を嵌着した輪軸におけ
   る車輪の踏面形状において、スロートと中立位置との間
   を、スロート側が小さな曲率半径で中立位置側を大きな
   曲率半径とし、かつスロートの円弧に隣接して８０ｍｍ
   と１００ｍｍ〜１１０ｍｍの半径を有する２つの曲率に
   引き続き、隣接する曲率の半径差の小さい２つの曲率半
   径で滑らかに接続した複合円弧部分で形成し、該複合円
   弧部分に続いて曲率半径の大きな逆円弧部分とそれに接
   する勾配を付けた直線部分からなり、レールの種類及び
   摩耗状態にかかわらず走行安定性と輪軸自己操舵性が両
   立できることを特徴とする鉄道車両用車輪。
2. 【請求項２】 レールの種類、摩耗状態にかかわらず、
   輪軸の左右移動によって生じる左右の車輪の車輪回転半
   径差が中立位置から離れるに従い滑らかに変化し、スロ
   ートの円弧の始点に接するまでに車輪回転半径差が１．
   ５ｍｍ以上確保できることを特徴とする請求項１記載の
   鉄道車両用車輪。
3. 【請求項３】 レールの種類、摩耗状態にかかわらず、
   中立位置近傍での車輪とレールの等価踏面勾配が１／１
   ０〜１／１５の範囲にあることを特徴とする請求項１記
   載の鉄道車両用車輪。