KR101874216B1 - 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜 - Google Patents

Abstract

철도 차륜은, 판부(13)를 구비한 차륜(10)과, 표면(2a)측을 슬라이딩면으로 하는 원판부(2), 및 원판부(2)의 이면(2b)에 방사상으로 돌출하여 설치된 복수의 핀부(3)를 구비한 브레이크 디스크(1)를 구비하고, 2장의 브레이크 디스크(1)가 개개의 슬라이딩면을 바깥쪽으로 향하게 한 상태로 차륜(10)의 판부(13)를 사이에 끼고, 상기 슬라이딩면의 영역 내에서 체결되어서 이루어진다. 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간을 원주 방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해서, 이 단면적의 최소가 되는 최소 단면부가, 원판부(2)의 외주면(2c)과 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역 중에서 원판부(2)의 외주면(2c)의 가장 이면(2b)측의 부분(a1)에 존재하고, 이 최소 단면부의 면적이 2500㎟ 이상, 7000㎟ 이하이다. 브레이크 디스크(1)는, 고속 주행 중의 공력음을 억제할 수 있고, 간소한 형상으로 생산성이 뛰어나다.

Description

브레이크 디스크가 달린 철도 차륜{RAILROAD WHEEL WITH BRAKE DISC}

본 발명은, 철도 차량용의 차륜에 브레이크 디스크가 체결되어 이루어지는 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜(이하, 간단히 「BD가 달린 철도 차륜」이라고도 한다)에 관한 것이다.

철도 차량의 제동 장치로서는, 차량의 고속화나 대형화에 따라, 제동성이 뛰어난 디스크 브레이크가 다용된다. 디스크 브레이크는, 차륜에 부착된 브레이크 디스크의 슬라이딩면에 브레이크 라이닝을 가압하도록 구성되어 있다. 이로 인해, 회전하는 차륜에 제동력이 발생하고, 차량의 속도가 제어된다.

디스크 브레이크에는, 슬라이딩면 내의 영역에서 브레이크 디스크를 차륜에 체결하는 중앙 체결형(슬라이딩면 체결형) 브레이크 디스크와, 슬라이딩면보다 내주측의 영역에서 브레이크 디스크를 차륜에 체결하는 내주 체결형 브레이크 디스크가 있다. 내주 체결형 브레이크 디스크는, 슬라이딩면을 갖는 부분과는 별도로 체결에 이용하는 부분을 필요로 한다. 한편, 중앙 체결형 브레이크 디스크는, 이러한 체결에 이용하는 부분을 설치할 필요가 없기 때문에, 경량화에 유리하다.

도 1a 및 도 1b는, 철도 차량의 디스크 브레이크를 구성하는 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 전체 구조를 나타내는 도면으로서, 도 1a는 1/4원 부분의 평면도를, 도 1b는 반원 부분의 직경 방향에 따른 단면도를 각각 나타낸다. 도 2a~도 2c는, 종래의 BD가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 도 2a는 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를, 도 2b는 브레이크 디스크를 이면측에서 본 평면도를, 도 2c는 직경 방향에 따른 단면도를 각각 나타낸다. 도 1a, 도 1b 및 도 2a~도 2c에 표시된 브레이크 디스크는 모두 중앙 체결형이다.

도 1a, 도 1b 및 도 2a~도 2c에 나타내는 바와 같이, 브레이크 디스크(1)는, 표면(2a)측을 슬라이딩면으로 하는 도너츠형의 원판부(2)를 구비한다. 이 원판부(2)의 이면(2b)에는, 방사상으로 복수의 핀부(3)가 돌출하여 설치되어 있다. 복수의 핀부(3) 중 몇개에는, 반경 방향의 거의 중앙의 위치에, 원판부(2)까지 관통하는 볼트 구멍(4)이 형성되어 있다.

차륜(10)은, 차축이 압입되는 보스부(11), 레일과 접촉하는 답면을 포함하는 림부(12), 및 이들을 결합하는 판부(13)를 구비하고 있다. 브레이크 디스크(1)는, 2장을 1조로 하여 개개의 표면(2a)을 바깥쪽으로 향하게 한 상태로, 차륜(10)의 판부(13)를 사이에 끼우도록 배치된다. 각 볼트 구멍(4)에 볼트(5)가 삽입 통과되고, 각 볼트(5)에 너트(6)가 나사식으로 체결된다. 이로 인해, 브레이크 디스크(1)는, 핀부(3)의 선단면이 반경 방향의 전역에서 또는 그 일부의 영역에서 차륜(10)의 판부(13)의 측면(13a)에 압접하고, 이 상태로 차륜(10)에 체결된다.

브레이크 디스크(1)는, 슬라이딩면 내의 영역에서 판부(13)에 체결된다. 중앙 체결형 브레이크 디스크에서는, 브레이크 디스크(1)의 직경 방향에 관해서, 브레이크 디스크(1)의 내주와 외주의 중앙부 근방, 예를 들면, 내주와 외주를 1:3으로 내분하는 위치와 3:1로 내분하는 위치의 사이에서, 브레이크 디스크(1)가 차륜(10)에 체결되어 있는 것이 바람직하다.

브레이크 디스크(1)의 표면의 실질적으로 전체면이 슬라이딩면으로 되어 있고, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 보스부(11)와 원판부(2)의 사이에는, 사방에 걸쳐 큰 간극(예를 들면, 70~120㎜의 간극)이 형성되어 있다. 즉, 브레이크 디스크(1)는, 보스부(11) 근방까지는 연장되어 있지 않고, 이로 인해, 브레이크 디스크(1)의 경량화가 도모되고 있다. 이러한 구성의 종래의 BD가 달린 철도 차륜은, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

철도 차량의 주행시, 브레이크 디스크(1)는 차륜(10)과 일체로 고속 회전한다. 이에 따라, 브레이크 디스크(1)의 주변의 공기가, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간 내에, 구체적으로는, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2) 및 핀부(3), 및 차륜(10)의 판부(13)로 둘러싸인 공간 내에, 내주측(보스부(11)와 원판부(2)의 간극)으로부터 유입하고, 외주측으로부터 유출한다(도 2a~도 2c 중의 실선 화살표 참조). 요컨데, 철도 차량의 주행 중, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10) 사이의 공간에는 공기의 가스 흐름이 생긴다. 이 가스 흐름은, 신간선(R) 등의 고속 철도 차량과 같이 시속 300㎞를 넘는 고속으로 주행할 때에 현저해지고, 풍절음의 소음을 유발한다. 이 풍절음은, 공력음이라고 불린다. 환경에 대한 배려로부터 공력음의 저감이 필요하게 된다.

내주 체결형 브레이크 디스크에서는, 중앙 체결형 브레이크 디스크에 비해 보스부(11)와 원판부(2)의 간극은 현저히 작다. 이 때문에, 차량의 주행시에, 이 간극으로부터, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2) 및 핀부(3), 및 차륜(10)의 판부(13)로 둘러싸인 공간 내에 유입하는 공기의 양은 적고, 통상, 문제가 되는 레벨의 공력음은 생기지 않는다. 따라서, 공력음의 발생은, 중앙 체결형 브레이크 디스크 특유의 문제라고 할 수 있다.

중앙 체결형 브레이크 디스크에 대해 공력음을 저감한다는 요구에 대응하는 종래 기술은 하기의 것이 있다.

예를 들면 특허 문헌 2에는, 브레이크 디스크에 대해서, 서로 이웃하는 핀부들의 사이에 원주 방향을 따라 리브를 추가하고, 이 리브에 의해 가스 흐름을 억제한 BD가 달린 철도 차륜이 개시되어 있다. 동문헌에 개시된 BD가 달린 철도 차륜에 의하면, 공력음을 원하는 레벨까지 저감할 수 있다.

그러나, 상기 특허 문헌 2에 개시된 기술에서는, 리브에 의한 가스 흐름의 억제에 따라, 제동시에 브레이크 디스크에의 냉각 성능이 저하한다. 이 때문에, 리브의 추가에 의해 브레이크 디스크 자체의 강성이 증가함과 함께, 브레이크 디스크의 열팽창에 따른 변형, 및 그에 따른 체결용 볼트에의 응력 부하가 증대하고, 브레이크 디스크 및 볼트의 내구성이 저하할 우려가 있다.

이 문제의 해결을 도모하는 종래 기술이 특허 문헌 3에 개시되어 있다.

도 3a 및 도 3b는, 특허 문헌 3에 개시된 종래의 BD가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 도 3a는 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를, 도 3b는 직경 방향에 따른 단면도를 각각 나타낸다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 특허 문헌 3에 개시된 BD가 달린 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)에 대해서, 서로 이웃하는 핀부(3)들의 사이에 원주 방향을 따라 리브(7)를 추가하고, 또한, 이 리브(7)의 원주 방향의 중앙부에 직경 방향을 따라 슬릿(7a)이 형성되어 있다.

이 BD가 달린 철도 차륜에 의하면, 슬릿(7a)에 의해 가스 흐름이 확보된다. 이 때문에, 제동시에 브레이크 디스크(1)에 대한 냉각 성능이 유지됨과 더불어, 리브의 추가에 의한 강성의 증가가 완화됨으로써, 브레이크 디스크(1)의 열팽창에 따른 변형 및 체결용 볼트에 대한 응력 부하가 경감되고, 브레이크 디스크(1) 및 볼트의 내구성의 저하가 억제된다.

일본국 특허공개 2006-9862호 공보 일본국 특허공개 2007-205428호 공보 국제 공개 WO2010/071169호 팜플렛

상술한 바와 같이, 공력음의 저감을 도모하는 종래의 BD가 달린 철도 차륜은, 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간 내의 가스 흐름을 억제하는 것을 주목적으로 하여, 디스크 브레이크의 원판부에 리브를 추가하거나, 또한 그 리브에 슬릿을 형성한 것이다. 이 때문에, 브레이크 디스크의 형상이 복잡해짐으로써, 브레이크 디스크의 생산성이 저하하지 않을 수 없다.

구체적으로는, 핀부뿐만 아니라, 리브의 높이를 조정하는 추가 가공(기계 가공 등)이 필요하게 되고, 또한, 리브에 슬릿을 형성하는 추가 가공이 필요하게 되기 때문에, 브레이크 디스크의 제조 공정이 번잡해진다. 특히, 브레이크 디스크를 단조에 의해 제조하는 경우에는, 금형에의 부하가 증대하고, 금형 수명이 짧아지는 것은 부정할 수 없다.

본 발명은, 상기의 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 하기의 특성을 갖는 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜를 제공하는 것이다:

고속 주행 중의 공력음을 억제하면서, 브레이크 디스크가 간소한 형상으로 생산성이 뛰어난 것인 것.

본 발명의 일실시 형태인 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜은,

보스부, 림부, 및 이것들을 결합하는 판부를 구비한 철도 차량용의 차륜과,

표면측을 슬라이딩면으로 하는 도너츠형의 원판부, 및 상기 원판부의 이면에 방사상으로 돌출하여 설치된 복수의 핀부를 구비한 브레이크 디스크를 구비하고,

2장의 상기 브레이크 디스크가 개개의 상기 슬라이딩면을 바깥쪽으로 향하게 한 상태로 상기 차륜의 상기 판부를 사이에 끼고, 상기 슬라이딩면 내의 영역에서 체결된 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜으로서,

상기 브레이크 디스크와 상기 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주 방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해서, 이 단면적의 최소가 되는 최소 단면부가, 상기 원판부의 외주면과 상기 림부의 내주면으로 형성되는 영역 중에서 상기 원판부의 상기 외주면의 가장 이면측에 존재하고,

상기 최소 단면부의 면적이 2500㎟ 이상, 7000㎟ 이하이다.

상기 최소 단면부의 면적은, 3000㎟ 이상인 것이 바람직하다.

상기의 BD가 달린 철도 차륜은, 상기 원판부의 외경이 일정한 구성으로 할 수 있다.

본 발명의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜은, 하기의 현저한 효과를 갖는다:

고속 주행 중의 공력음을 억제하면서, 브레이크 디스크가 간소한 형상으로 생산성이 뛰어난 것인 것.

도 1a는, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 전체 구조를 나타내는 도면으로서, 1/4원 부분의 평면도를 나타낸다.
도 1b는, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 전체 구조를 나타내는 도면으로서, 반원 부분의 직경 방향에 따른 단면도를 나타낸다.
도 2a는, 종래의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를 나타낸다.
도 2b는, 종래의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 브레이크 디스크를 이면측에서 본 평면도를 나타낸다.
도 2c는, 종래의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 직경 방향에 따른 단면도를 나타낸다.
도 3a는, 특허 문헌 3에 개시된 종래의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를 나타낸다.
도 3b는, 특허 문헌 3에 개시된 종래의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 국소적으로 나타내는 도면으로서, 직경 방향에 따른 단면도를 나타낸다.
도 4는, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜에 있어서의 개구 면적의 총합과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 나타내는 도면이다.
도 5a는, 본 발명의 일실시 형태인 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 나타내는, 직경 방향에 따른 단면도이다.
도 5b는, 도 5a의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜를 국소적으로 나타내는 단면도이며, 도 5a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 6a는, 해석에서 비교 형태로서 이용한 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 나타내는, 직경 방향에 따른 단면도이다.
도 6b는, 도 6a의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜를 국소적으로 나타내는 단면도이며, 도 6a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 7은, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜에 있어서의 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 나타내는 도면이다.
도 8은, 특허 문헌 3에 개시된, 1/3 옥타브 밴드 처리를 행한 중심 주파수와 소음 레벨의 관계를 나타내는 도면이다.

상기 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같이, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간, 그 중에서도 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간을 흐르는 공기의 통기량과, 공력음의 레벨의 사이에는, 강한 상관이 있다.

도 4는, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜에 있어서의 개구 면적의 총합과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 나타내는 도면이다. 여기서 말하는 개구 면적의 총합이란, 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간에 대해서, 브레이크 디스크의 내주측에서 보았을 때의 개구 면적의 원주 방향 전역에 걸친 총합이다. 바꾸어 말하면, 개구 면적의 총합은, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주 방향에 따라 횡단하는 단면(이하, 「공간 횡단면」)에 대해서, 이 공간 횡단면의 면적이 최소가 되는 최소 단면부의 면적이다. 예를 들면, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 BD가 달린 철도 차륜과 같이, 브레이크 디스크의 핀부들의 사이에 리브가 추가되고, 이 리브에 슬릿이 형성되어 있는 경우, 최소 단면부는 리브의 위치가 되므로, 이 리브의 위치에서의 공간 횡단면의 면적이 도 4에 나타내는 개구 면적의 총합이 된다. 또한, 통기량은 열유체 해석(브레이크 디스크 1장당)에 의해 얻어지고, 공력음의 레벨은 실험에 의해 얻어진 것이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 공력음 레벨은 최소 단면부의 면적(개구 면적의 총합)의 증가에 따라 커지고, 통기량도 같은 경향이 되는 것을 알 수 있다. 즉, 통기량과 공력음 레벨의 사이에는 강한 상관이 있다. 이 때문에, 공력음 레벨의 평가는 통기량을 지표로서 행할 수 있고, 통기량의 억제는 공력음의 억제로 이어진다. 그리고, 통기량을 억제하려면, 공간 횡단면의 최소 단면부의 면적을 적절히 규정하면 된다.

이 점, 상기 특허 문헌 2, 3에 나타내는 종래의 BD가 달린 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간에 주목하고, 이 공간에 공간 횡단면의 최소 단면부를 배치하여 가스 흐름을 제한하기 위해서, 디스크 브레이크의 원판부에 리브를 추가하거나, 또한 그 리브에 슬릿을 형성하고 있다. 이것에 기인하여, 상기의 과제가 표면화된다.

그래서, 본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간 중, 종래 기술에서 주목하고 있던 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간이 아니라, 브레이크 디스크의 원판부의 외주 영역, 즉 브레이크 디스크의 원판부의 외주면과 차륜의 림부의 내주면으로 형성되는 영역으로 한정하여 주목했다. 그리고, 그 한정한 영역 중에서 원판부의 외주면의 가장 이면측(이하, 「원판부 외주면의 이면부」)에 공간 횡단면의 최소 단면부를 배치하고, 열유체 해석에 의한 수치계산을 이용하여 통기량을 조사했다. 그 결과, 최소 단면부로 한 브레이크 디스크의 원판부 외주면의 이면부에 있어서의 공간 횡단면의 면적을 적절히 규정하면, 통기량을 종래 기술 상당으로 억제하고, 공력음을 억제할 수 있다는 지견을 얻어, 본 발명을 완성시켰다.

이하에, 본 발명의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 실시 형태에 대해 상술한다.

도 5a는, 본 발명의 일실시 형태인 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜의 구조를 나타내는, 직경 방향에 따른 단면도이다. 도 5b는, 도 5a의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜를 국소적으로 나타내는 단면도이며, 도 5a의 직사각형 영역을 나타내고 있다. 이하에서는, 상기 도 1a, 도 1b 및 도 2a~도 2c에 나타내는 종래의 BD가 달린 철도 차륜과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적당히 생략한다.

도 5a 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 브레이크 디스크(1)는, 원판부(2)와 핀부(3)를 구비한다. 이 브레이크 디스크(1)는, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 리브(7)를 갖지 않는다. 요컨데, 원판부(2)의 이면(2b)에는, 방사상으로 복수의 핀부(3)가 돌출하여 설치되어 있을 뿐이다.

브레이크 디스크(1)의 재질로서는, 주철, 주강, 단강, 알루미늄, 카본 등을 채용할 수 있다.

또한, 엄밀하게는, 브레이크 디스크(1)의 표면(2a) 중 슬라이딩면이 되는 영역은, 일단 높게 되어 있다. 브레이크 디스크(1)는, 반복의 제동에 따라 슬라이딩면이 마모되고, 슬라이딩면의 마모가 원판부(2)의 표면(2a)의 높이까지 진행하면, 교환된다.

차륜(10)은, 보스부(11)와, 림부(12)와, 판부(13)를 구비한다. 림부(12)의 내주면(12b)은, 림부(12)의 측면(12a)에 이어지는 코너면(12ba), 및 코너면(12ba)과 판부(13)의 측면(13a)에 이어지는 필렛면(12bb)을 포함한다.

코너면(12ba) 및 필렛면(12bb)의 형상은, 차량의 사양에 따라 설계된다. 예를 들면, 코너면(12ba)은, 차륜(10)의 축방향에 따른 단면에서의 윤곽 형상이 원호상이며, 곡율 반경이 일정한 단일의 R면이다. 필렛면(12bb)은, 차륜(10)의 축방향에 따른 단면에서의 윤곽 형상이 직선과 원호를 조합한 형상이며, 원추대 형상의 테이퍼면과 곡율 반경이 일정한 R면을 조합한 복합면이다. 다만, 필렛면(12bb)은, 단일의 R면이어도 되고, 곡율 반경이 변화하는 자유 곡면이어도 된다.

여기서, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간을 원주 방향을 따라 횡단하는 공간 횡단면에 대해서, 이 공간 횡단면의 면적의 최소가 되는 최소 단면부가, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)과 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역에 존재한다. 구체적으로는, 원판부(2)의 외주면(2c) 중에서 가장 이면(2b)측에 존재한다(도 5b 중에서 부호 「a1」을 붙인 원판부 외주면의 이면부를 참조).

이 상태를 실현하기 위해서, 브레이크 디스크(1)의 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)가, 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)에 가장 접근해 있다. 예를 들면, 원판부(2)의 외경이 715㎜의 브레이크 디스크(1)인 경우, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)와 림부(12)의 내주면(12b)의 최소 간극(g)은, 1.3~3.1㎜ 정도이다. 이 최소 간극(g)은, 원판부(2)의 이면(2b)의 연장선이 림부(12)의 내주면(12b)과 교차하는 부분(b1)과, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)의 간격에 상당한다. 원판부(2)의 외경은 일정한 것이 바람직하다. 기계 가공을 용이하게 행할 수 있기 때문이다.

특히, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜에서는, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)에 있어서의 공간 횡단면의 면적은, 2500㎟ 이상, 7000㎟ 이하로 한다. 이 단면의 면적은, 3000㎟ 이상인 것이 바람직하다. 이러한 수치 범위는, 하기의 열유체 해석 및 그 해석 결과에 기초하는 고찰로부터 나온 것이다.

［열유체 해석］

상기 도 5a 및 도 5b에 나타내는 BD가 달린 철도 차륜에 대해서, 주행 속도가 360㎞/h로 일정한 고속 주행시를 모의하여 열유체 해석을 행하고, 공간 횡단면의 최소 단면부에서의 통기량을 평가했다. 그때, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)와 림부(12)의 내주면(12b)의 최소 간극(g)을 여러 가지 변경함으로써, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)(최소 단면부)에 있어서의 공간 횡단면의 면적을 여러 가지 변경한 모델을 이용했다.

또, 비교를 위해서, 도 6a 및 도 6b에 나타내는 바와 같이, 핀부(3)들의 사이에 슬릿(7a)이 달린 리브(7)를 추가한 BD가 달린 철도 차륜의 모델과, 슬릿(7a)이 달린 리브(7)는 설치되어 있지 않은 BD가 달린 철도 차륜의 모델을 이용했다. 도 6a 및 도 6b에 나타내는 BD가 달린 철도 차륜은, 상기 특허 문헌 3에 개시된 BD가 달린 철도 차륜, 즉 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 종래의 BD가 달린 철도 차륜과 같고, 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)와 림부(12)의 내주면(12b)의 최소 간극(g)이 큰 것이다. 비교 형태의 모델 중 슬릿(7a)이 달린 리브(7)가 설치된 것에서는, 핀부(7)의 위치가 공간 횡단면의 최소 단면부이며, 슬릿(7a)의 깊이(d)를 여러 가지로 변경함으로써, 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적을 여러 가지로 변경했다. 본 실시 형태 및 비교 형태는, 모두, 브레이크 디스크를 중앙 체결한 것이다.

하기의 표 1에, 해석에 이용한 BD가 달린 철도 차륜의 모델의 조건을 나타낸다. 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간 전체를 통해, 최소 단면부는, 본 실시 형태에서는, 원판부(2)의 외주면(2c)과 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역에 있고, 비교 형태에서는, 원판부(2)의 이면(2b) 외주부와 판부(13)의 사이(리브가 설치된 것은 슬릿부)에 있다. 또한, 원판부(2)와 판부(13)의 사이에 핀부(3)가 존재하는 것 등에 의해, 최소 단면부는, BD가 달린 철도 차륜의 일단면만으로부터는 일의적으로는 정해지지 않는다.

[표 1]

그 외에, 해석 모델의 대표적인 조건은 다음과 같다.

＜브레이크 디스크＞

·신간선(R)용의 단강 디스크

·원판부의 내경:417㎜

·원판부의 슬라이딩면으로부터 핀부의 선단면(차륜판부와의 접촉면)까지의 길이:45㎜

·직경이 560㎜인 동일 원 상에 중심이 위치하는 12개의 볼트 구멍을 등간격으로 형성하고, 각 볼트 구멍에 볼트를 삽입 통과하여 브레이크 디스크와 차륜를 체결.

＜차륜＞

·신간선(R)용의 압연 차륜

·내경:196㎜, 외경:860㎜, 림부의 직경 방향 두께:60㎜

［해석 결과 및 고찰］

도 7은, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜에 있어서의 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 나타내는 도면이다. 또한, 동도면에 나타내는 공력음 레벨은, 상기 도 4에 나타낸 것 것과 같다. 도 7에는, 내주 체결형 브레이크 디스크를 구비한 BD가 달린 철도 차륜의 공력음 레벨을, 파선으로 나타내고 있다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적과 통기량의 관계는, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜과 비교 형태의 종래의 BD가 달린 철도 차륜에서 일치한다. 이것으로부터, 공력음 레벨의 관계에 대해서도, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜과 비교 형태의 종래의 BD가 달린 철도 차륜에서 일치한다고 할 수 있다.

공력음 레벨은, 도 7에 나타내는 바와 같이, 최소 단면부의 면적의 감소에 따라 작아진다. 이 때문에, 공력음 레벨을 작게 하려면, 최소 단면부의 면적을 작게 하고, 통기량을 작게 하면 된다. 단, 최소 단면부의 면적을 2500㎟보다 작게 해도, 공력음 레벨은 변화하지 않는다. 또, 최소 단면부의 면적을 너무 작게 하면, 통기량이 작아지기 때문에, 브레이크 디스크에 대한 냉각 성능이 저하된다는 문제가 생긴다. 이것들로 부터, 최소 단면부의 면적의 하한은 2500㎟로 한다. 그 하한은, 바람직하게는, 3000㎟로 하고, 보다 바람직하게는 3500㎟로 한다.

도 8은, 특허 문헌 3에 개시된, 1/3 옥타브 밴드 처리를 행한 중심 주파수와 소음 레벨의 관계를 나타내는 도면이다. 여기서 말하는 소음 레벨이란, 공력음 레벨이다. 또, 동도면 중의 개구 면적의 총합이란, 공간 횡단면의 면적이 최소가 되는 최소 단면부의 면적이다.

도 8에 나타내는 도면은, 주행 속도가 360㎞/h로 일정한 고속 주행시를 상정한 실험에 의해 얻어진 것이다. 실험에서는, 브레이크 디스크를 구비하고 있지 않은 철도 차륜, 리브가 없는 브레이크 디스크를 구비한 BD가 달린 철도 차륜, 및 슬릿이 달린 리브가 추가된 BD가 달린 철도 차륜이 이용되고 있다. 슬릿이 달린 리브가 추가된 BD가 달린 철도 차륜은, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 종래의 BD가 달린 철도 차륜, 즉 상기 도 6a 및 도 6b에 나타내는 비교 형태의 BD가 달린 철도 차륜과 같다. 이 슬릿이 달린 리브가 추가된 BD가 달린 철도 차륜으로서는, 리브의 위치에 상당하는 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적이 18000㎟인 것과 7000㎟인 것이 채용되고 있다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 리브의 위치에 상당하는 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적이 7000㎟인 BD가 달린 철도 차륜의 경우, 그 면적이 18000㎟인 BD가 달린 철도 차륜의 경우와 비교하여, 중심 주파수가 800Hz~1250Hz인 주파수대역의 공력음을 현저하게 저감할 수 있다. 한편, 상술한 열유체 해석의 결과로부터, 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적과 공력음 레벨의 관계는, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜과 비교 형태의 종래의 BD가 달린 철도 차륜에서 일치한다. 이것들로부터, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜에 있어서, 최소 단면부의 면적의 상한은 7000㎟로 한다. 그 상한은, 보다 바람직하게는 6000㎟로 한다.

이러한 구성의 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜에 있어서, 상기 도 5a 및 도 5b에 나타내는 바와 같이, 브레이크 디스크(1)는 리브(7)를 갖지 않으며, 원판부(2)의 이면에 핀부(3)를 구비할 뿐이며, 간소한 형상이다. 이 때문에, 브레이크 디스크(1)의 제조 공정이 번잡해지지 않고, 브레이크 디스크(1)의 생산성은 뛰어나다. 브레이크 디스크(1)를 단조에 의해 제조하는 경우라도, 금형에의 부하가 증대하는 일은 없고, 금형 수명이 짧아지는 일도 없다.

또, 본 실시 형태의 BD가 달린 철도 차륜은, 브레이크 디스크(1)의 원판부 외주면(2c)의 이면부(a1)에 공간 횡단면의 최소 단면부를 배치하고, 이 최소 단면부에서의 공간 횡단면의 면적의 범위를 규정하고 있으므로, 공력음을 종래 기술 상당으로 억제할 수 있다.

본 발명의 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜은, 디스크 브레이크를 갖는 모든 철도 차량에 유효하게 이용할 수 있고, 그 중에서도, 고속 철도 차량에 유용하다.

1: 브레이크 디스크 2: 원판부
2a: 표면 2b: 이면
2c: 외주면 3: 핀부
4: 볼트 구멍 5: 볼트
6: 너트 7: 리브
7a: 슬릿 10: 차륜
11: 보스부 12: 림부
12a: 측면 12b: 내주면
12ba: 코너면 12bb: 필렛면
13: 판부 13a: 측면

Claims (3)

1. 보스부, 림부, 및 이들을 결합하는 판부를 구비한 철도 차량용의 차륜과,
   표면측을 슬라이딩면으로 하는 도너츠형의 원판부, 및 상기 원판부의 이면에 방사상으로 돌출하여 설치된 복수의 핀부를 구비한 브레이크 디스크를 구비하고,
   2장의 상기 브레이크 디스크가, 개개의 상기 슬라이딩면을 바깥쪽으로 향하게 한 상태로 상기 차륜의 상기 판부를 사이에 끼고, 상기 슬라이딩면 내의 영역에서 체결된 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜으로서,
   상기 브레이크 디스크와 상기 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주 방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해서, 이 단면적이 최소가 되는 최소 단면부가, 상기 원판부의 외주면과 상기 림부의 내주면으로 형성되는 영역 중에서 상기 원판부의 상기 외주면의 가장 이면측에 존재하고, 상기 원판부의 상기 외주면에 있어서 상기 최소 단면부보다 상기 원판부의 상기 표면측에는 상기 단면적이 상기 최소 단면부의 단면적보다 큰 영역이 존재하고,
   상기 최소 단면부의 면적이 2500㎟ 이상, 7000㎟ 이하인, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 원판부의 외경이 일정한, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 원판부의 상기 외주면의 가장 이면측과 상기 림부의 상기 내주면의 최소 간극은, 1.3~3.1㎜ 인, 브레이크 디스크가 달린 철도 차륜.

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