JPS6021881B2 - 鉄道車両用車輪 - Google Patents

鉄道車両用車輪

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JPS6021881B2
JPS6021881B2 JP54112111A JP11211179A JPS6021881B2 JP S6021881 B2 JPS6021881 B2 JP S6021881B2 JP 54112111 A JP54112111 A JP 54112111A JP 11211179 A JP11211179 A JP 11211179A JP S6021881 B2 JPS6021881 B2 JP S6021881B2
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JP
Japan
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wheel
rim
boss
residual stress
fillet
Prior art date
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Expired
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JP54112111A
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English (en)
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JPS5634504A (en
Inventor
賢爾 平川
東男 坂本
滋 鈴木
繁夫 菅原
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Expired legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60BVEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
    • B60B17/00Wheels characterised by rail-engaging elements
    • B60B17/0006Construction of wheel bodies, e.g. disc wheels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Braking Arrangements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、坂部が軌道外側に向けて若干の傾きを有して
ボス部からリム部に直線状に形成され(以下コニカルと
云う)、リム部がボス部より軌道外側に変位した形状の
鉄道車両用車輪の改良に関するものであり、その目的と
するところは耐割損性に優れた、換言すれば異常ブレー
キ時に生じるリム内部の残留応力のづ・さし、車輪を提
供することにある。
従釆の輸出用特に米国向けの車輪は、第1図に示すよう
にボス部1とリム部2との闇の坂部3がコニカルで、か
つリム部2がボス部1より軌道中心に対して外側に変位
した形状(国内ではA種車輪と呼ばれている型)であり
、前記コニカルな板部3の偏心量は3仇舷以下で特に大
きくない。
このような形状の車輪は、ブレーキ不綾関などの異常な
ブレーキが作用したとき、リム踏面4の温度が500q
C以上になると、冷却後IJム2内部に円周方向の引張
り残留応力が生じる。第2図イ,口は、J一38車輪(
AAR規格)で一P=300k9fのブレーキが1時間
作用する抑遠ブレーキ(速度は88舷/h)時の温度上
昇(イ図)および鈴却後の残留応力(口図)の計算例を
示したものであり、条件が厳しい程引張残留応力の値は
大きくなることがわかる。車輪の割損現象は、破壊力学
によって十分説明されることがわかっているが、熱き裂
などの欠陥がリム2内部に存在した場合、前述のような
異常ブレーキが作用すると割損が生じる可能性がある。
すなわち破壊力学によれば、 K,。
三.K,ニり。tノmaが割損の条件である。
ここでK,c:破壊靭性値 (k9f/側3/2)
KI:応力拡大係数 (k9f/側3/2)刀 :
応力拡大補正係数。
t:円周方向応力 (k9fノ協)a :熱き裂等の
深さ (柵) 従ってK1c,。
t,aの大きさによって割損の可能性が出てくるが、第
2図の応力分布の例であれば、近似的な応力拡大係数K
,が熱き裂深さaの値に対して計算できる。ところで、
従来の車輪材たとえばAAR米国規格におけるクラスB
(炭素量:0.57〜0.67%)の破壊轍性値は、K
,c=150〜200k9f/側3/2であり、計算結
果から熱き裂深さaが11〜26ゆで割摸する可能性が
ある。現在使用されている車輪径が750〜10000
雌の車輪の材質では、熱き裂の発生および進展は、ブレ
ーキ条件にも依存するが、厳しい条件の時には避けるこ
とができない。したがって、割損を生じるか否かは、異
常ブレーキによって生じる残留応力が大きな因子となる
。すなわち割損をなくすためには、材料の破壊敵性値を
上げることも効果があるが、形状の改良によって異常ブ
レーキによる加熱に対しても引張残留応力を生じさせず
、新製時の圧縮残留応力状態に近い状態である方が最も
効果的である。
あるいは、若干引張残留応力が発生するとしても、その
値が低く、考えられる熱き裂深さに対する応力拡大係数
が材料の破壊籾性値よりかなり4・ごな値であれば、割
損に対しては問題がないと言える。そこで本発明は、車
輪径が750〜10000職の車輪の形状を改良するこ
とによって、異常ブレーキによって生じるリム内部の引
張残留応力を極力小さくするようにしたものであり、そ
の形状を特定するための諸条件等から説明する。まず、
第3図に基づいて、車輪板部3の形状の諸星を定義する
リム部2フィレットのフランジ5側アールじまいをA点
、該A点より板厚の最小である反フランジ側の位置をA
′点、A点とA′点との中点をA″点とする。同様にボ
ス部1フィレットの反フランジ側アールじまいをB点、
該B点より板厚の最小であるフランジ側の位置をB′点
、B点と8点との中点をB″とする。そして、車鞠中心
線0に対し、A″およびB″点から垂直な線をい,Lb
とし、この(La−Lb)間寸法すなわち変位量を6、
A−A′,B−B′間の板厚寸法をそれぞれち,t2と
する。さて前述のように、車輪の耐割損性を向上させる
には、異常ブレーキ熱によって生じる残留応力を極力小
さくすることが必要であり、本発明者は前述の車輪形状
の因子としてt,,t2,6,0等がその残留応力に対
してどの程度影響するかを調査検討した結果、最も顕著
な影響を及ぼすのが変位量8であることを確認し、第4
図に示すような結果が得られた。
この第4図は、変位量6に対する熱応力〇の変化を示し
ているが、熱応力に対する冷却時の残留応力も定性的に
同じ煩向であるため、該残留応力を変位量6が大きい程
小さくすることが可能であることがわかる。従来の車輪
は品種によっても異なるが、コニカル形状のもので変位
量6:3仇収以下であり、これらの値を上げることによ
って残留応力の低下が図られる。しかしながら、変位量
6を大きくすれば、リム部2フィレットのフランジ側お
よびボス部1フィレットの反フランジ側の曲率が小さく
ならざるを得ないようになり、機械的な力(垂直圧、藤
圧)が働いたときの該部の応力は従来より大きくなり、
疲労強度が懸念される。
そこで、板部3形状は第5図イに示すような形状は避け
て、同図口に示す形状が好ましい。すなわち、前述のA
″点およびB″点に対応する仮想上のP点およびQ点を
与え、リム部2内蓬のほぼ中央のP′点、また変位量6
を決めたときに決るポス部1外径のQ′点をとり、それ
ぞれ結んだ線P−P′およびQ−○が、それぞれ車軸中
心線0と直角になるようにし、そのP−P′線およびQ
−Q′線をできるだけ長くとれるように設計するもので
ある。そうすることにより、リム部2フィレットのフラ
ンジ側曲率Rおよび部1フィレットの反フランジ側曲率
R′は、変位量6が小さい従来の設計と同種度に確保さ
れ、それぞれの曲率R,R′のアールじまいの点の疲労
安全率も従来と同程度に確保される。なお、圧延車輪の
場合には、製造技術上、P′点はリム部2内径の鞠方向
ほぼ中央に位置し、リムフイレットの先端部勾配■,,
■2(第3図参照)はほぼ20o前後とすることによっ
て、問題なく圧延することが可能となる。
以上説明した内容に基づいて設計された本発明車輪の実
施例を第6図に示す。
すなわち、ボス部11に対しリム部12が軌道外側に変
位した形状で、この両者11,12間をコニカルな坂部
13で連結してなるものであり、その坂部13はリムフ
ィレットのフランジ側アールじまい近傍の板厚中央C点
までをリム部12より鞠心に対いまぽ垂直として折曲部
14を形成するとともに、ボスフィレットの反フランジ
側アールじまい近傍の坂厚中央D点までをボス部11よ
り軸心に対してほぼ垂直として折曲部15を形成してな
る。この両折曲部14,15によって、リムフィレツト
のフランジ側アールの曲率およびボスフイレツトの反フ
ランジ側アールの曲率を大きくとっている。そして、C
点およびD点より軸心に垂直におろした点C′一〇間の
寸法をボス部11に対するリム部12の変位量6として
、本発明ではこの変位量6を4仇舷ミ6ミ9仇凧となる
ように設定している。すなわち変位量6が4仇凧未満で
は異常ブレーキ時に発生する残留応力に顕著な低下が望
めず、また上限は車輪限界から考慮して設計上9仇舵以
下に制限される。なお、ハブカットを行なった車輪の場
合には当然別に考慮する必要があるのはもち論である。
以上のような形状の本発明車輪について、前述の第2図
における従来例の場合と同一条件で、温度上昇と残留応
力を計算した結果を第7図イ,口にそれぞれ示す。
この図より明らかなように、温度上昇については従来の
場合最高64浮0に対して本発明の場合最高64500
とあまり大差はないが、残留応力については従釆の場合
最大値35k9f/松に対して本発明の場合最大値15
k9f/地と57%の減少が認められる。これらの結果
より、前述した応力拡大係数K,を算出して従来と比較
すると第8図に示すように、従来の特性Aに比べ、本発
明の特性Bは小さな値となる。
したがって、異常なブレーキによつて車論踏面が70び
0程度に加熱されるような場合でも、本発明車輪形状の
場合は残留応力の低下を図ることができ、また車輪材の
破壊靭性値が100k9f/肌3/2以上であることを
考えれば、このような条件でも熱き裂深さがリム厚にな
っても割損が生じないことがわかる。第9図は、実際に
実体車輪についてブレーキ試験を行ない、熱き裂を生じ
させて割損に導く試験を行なった結果であり、従来の車
輪による特性はA、本発明車輪による特性はBである。
結果は、従来形状の車輪は熱き裂の踏面長さが57肌に
なったとき割損したが、−本発明による形状の車輪は熱
き裂の長さが踏面中になっても割損は生じなかった。こ
のように本発卵こよる車輪は、前述したようにボス部と
リム部に介在する坂部の変位量を大きくした形状にする
ことにより、低残留応力で耐割損性が極めて優れたもの
であり、非常に有効な発明である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従釆の車輪形状を示す断面図、第2図イ,口は
従来の車輪のブレーキ熱による温度上昇および冷却後の
残留応力分布図、第3図は本発明検討のための諸畠説明
図、第4図はボス部に対するリム部の変位量の変化に対
応した熱応力の変化特性図、第5図イ,口は本発明車輪
形状特定のための説明図、第6図は本発明車輪の実施例
を示す断面図、第7図イ,口は本発明車輪のブレーキ熱
による温度上昇および冷却後の残留応力分布図、第8図
は応力拡大係数の本発明と従来との比較を示す特性図、
第9図は本発明と従来のブレーキ試験による確認試験特
性図である。 11・・・・・・ボス部、12・・・…リム部、13・
・・・・・板部、6・・・・・・変位量。 第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 第8図 第7図 第9図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 車輪径が750〜1000φmmであつて、板部が
    コニカルでリム部がボス部より軌道外側に変位した形状
    の鉄道車両用車輪において、リムフイレツトのフランジ
    側アールじまい近傍の板部板厚中央およびボスフイレツ
    トの反フランジ側アールじまい近傍の板部板厚中央から
    それぞれ軸心におろした垂線間の寸法をボス部に対する
    リム部の変位量とし、この変位量を40mm以上90m
    m以下としたことを特徴とする鉄道車両用車輪。
JP54112111A 1979-08-31 1979-08-31 鉄道車両用車輪 Expired JPS6021881B2 (ja)

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JPS5634504A JPS5634504A (en) 1981-04-06
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