KR20160098443A - 브레이크 디스크가 부착된 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 돌출 설치된 복수의 핀부(3)를 구비한 브레이크 디스크(1)를 구비하고, 2장의 브레이크 디스크(1)가 개개의 슬라이딩면을 바깥쪽을 향하게 한 상태로 차륜(10)의 판부(13)를 사이에 끼워 넣어, 상기 슬라이딩면의 영역 내에서 체결되어 이루어진다. 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간을 원주방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해, 이 단면적이 최소가 되는 최소 단면부가, 원판부(2)의 외주면(2c)과 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역에 존재하고, 원판부(2)의 외주면(2c)은, 최소 단면부를 기점으로 한 외측의 영역에서, 림부(12)의 내주면(12b)을 따른다. 이 철도 차륜은, 간소한 형상으로 생산성이 우수한 브레이크 디스크를 구비하고, 고속 주행 중의 공력음을 유효하게 저감하는 것이 가능하다.

Description

브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜{RAILWAY VEHICLE WHEEL WITH BRAKE DISCS}

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

철도 차량의 제동 장치로서는, 차량의 고속화나 대형화에 따라, 제동성이 우수한 디스크 브레이크가 많이 이용된다. 디스크 브레이크는, 차륜에 부착된 브레이크 디스크의 슬라이딩면에 브레이크 라이닝을 압착하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 회전하는 차륜에 제동력이 발생하여, 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 요한다. 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 부착된 철도 차륜의 전체 구조를 도시하는 도면으로서, 도 1a는 1/4원 부분의 평면도를, 도 1b는 반원 부분의 경방향을 따른 단면도를 각각 나타낸다. 도 2a~도 2c는, 종래의 BD가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 도 2a는 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를, 도 2b는 브레이크 디스크를 이면측에서 본 평면도를, 도 2c는 경방향을 따른 단면도를 각각 나타낸다. 도 1a, 도 1b 및 도 2a~도 2c에 도시된 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 도넛형의 원판부(2)를 구비한다. 이 원판부(2)의 이면(2b)에는, 방사상으로 복수의 핀부(3)가 돌출 설치되어 있다. 복수의 핀부(3) 중 몇 개에는, 반경방향의 거의 중앙의 위치에, 원판부(2)까지 관통하는 볼트구멍(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 1세트로 하여 개개의 표면(2a)을 바깥쪽을 향하게 한 상태로 차륜(10)의 판부(13)를 사이에 끼워 넣도록 배치된다. 각 볼트구멍(4)에 볼트(5)가 삽입 통과되고, 각 볼트(5)에 너트(6)가 나사 결합하여 조여진다. 이에 의해, 브레이크 디스크(1)는, 핀부(3)의 선단면이 반경방향의 전역에 걸쳐 차륜(10)의 판부(13)의 측면(13a)에 압접한 상태로, 차륜(10)에 체결된다.

브레이크 디스크(1)는, 슬라이딩면 내의 영역에서 판부(13)에 체결된다. 중앙 체결형 브레이크 디스크에서는, 브레이크 디스크(1)의 경방향에 관해, 브레이크 디스크(1)의 내주와 외주의 중앙부 근방, 예를 들어, 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) 표면의 실질적으로 전면이 슬라이딩면으로 되어 있고, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 보스부(11)와 원판부(2)의 사이에는, 전체 둘레에 걸쳐 큰 간극(예를 들어, 70~120mm의 간극)이 형성되어 있다. 즉, 브레이크 디스크(1)는, 보스부(11) 근방까지는 연장되어 있지 않으며, 이에 의해, 브레이크 디스크(1)의 경량화가 도모되고 있다. 이러한 구성의 종래의 BD가 부착된 철도 차륜은, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있다.

철도 차량의 주행 시, 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 유입되고, 외주측으로부터 유출된다(도 2a~도 2c 중의 실선 화살표 참조). 요컨대, 철도 차량의 주행 중, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10) 사이의 공간에는 공기의 가스 흐름이 생긴다. 이 가스 흐름은, 신칸센(R) 등의 고속 철도 차량과 같이 시속 300km를 넘는 고속으로 주행할 때에 현저해지며, 공력음이라고 불리는 소음을 유발한다. 이 때문에, 환경에 대한 배려로부터 공력음의 저감이 필요해진다.

내주 체결형 브레이크 디스크에서는, 중앙 체결형 브레이크 디스크에 비해 보스부(11)와 원판부(2)의 간극은 현저하게 작다. 이 때문에, 차량의 주행 시에, 이 간극으로부터, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2) 및 핀부(3), 및 차륜(10)의 판부(13)로 둘러싸인 공간 내에 유입되는 공기의 양은 소량이고, 통상, 문제가 되는 레벨의 공력음은 발생하지 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 특허문헌 2에는, 브레이크 디스크에 대해, 서로 이웃하는 핀부끼리의 사이에 원주방향을 따라 리브를 추가하고, 이 리브에 의해 가스 흐름을 억제한 BD가 부착된 철도 차륜이 개시되어 있다. 동일 문헌에 개시된 BD가 부착된 철도 차륜에 의하면, 공력음을 원하는 레벨까지 저감할 수 있다.

그러나, 상기 특허문헌 2에 개시된 기술에서는, 리브에 의한 가스 흐름의 억제에 따라, 제동 시에 브레이크 디스크에 대한 냉각 성능이 저하한다. 이 때문에, 리브의 추가에 의해 브레이크 디스크 자체의 강성이 증가함과 더불어, 브레이크 디스크의 열팽창에 따른 변형, 및 그에 의한 체결용 볼트에 대한 응력 부하가 증대하여, 브레이크 디스크 및 볼트의 내구성이 저하할 우려가 있다.

이 문제의 해결을 도모하는 종래 기술이 특허문헌 3에 개시되어 있다.

도 3a 및 도 3b는, 특허문헌 3에 개시된 종래의 BD가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 도 3a는 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를, 도 3b는 경방향을 따른 단면도를 각각 나타낸다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 특허문헌 3에 개시된 BD가 부착된 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)에 대해, 서로 이웃하는 핀부(3)끼리의 사이에 원주방향을 따라 리브(7)를 추가하고, 또한, 이 리브(7)의 원주방향의 중앙부에 경방향을 따라 슬릿(7a)이 형성되어 있다.

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

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

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

구체적으로는, 핀부뿐만 아니라, 리브의 높이를 조정하는 추가 가공(기계 가공 등)이 필요해지며, 또한, 리브에 슬릿을 형성하는 추가 가공이 필요해지므로, 브레이크 디스크의 제조 공정이 번잡화한다. 특히, 브레이크 디스크를 단조에 의해 제조하는 경우에는, 금형에 대한 부하가 증대하여, 금형 수명이 짧아지는 것은 부정할 수 없다.

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

·브레이크 디스크가 간소한 형상으로 생산성이 우수한 것인 것 ;

·고속 주행 중의 공력음을 유효하게 저감하는 것.

본 발명의 한 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜은,

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

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

2장의 상기 브레이크 디스크가 개개의 상기 슬라이딩면을 바깥쪽을 향하게 한 상태로 상기 차륜의 상기 판부를 사이에 끼워 넣어, 상기 슬라이딩면 내의 영역에서 체결된 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜으로서,

상기 브레이크 디스크와 상기 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해, 이 단면적이 최소가 되는 최소 단면부가, 상기 원판부의 외주면과 상기 림부의 내주면으로 형성되는 영역에 존재하며,

상기 원판부의 상기 외주면이, 상기 최소 단면부를 기점으로 한 외측의 영역에서, 상기 림부의 상기 내주면을 따른 형상이다.

상기의 BD가 부착된 철도 차륜에 있어서, 상기 림부의 상기 내주면은, 상기 림부의 측면에 연결되는 코너면, 및 상기 코너면과 상기 판부의 측면에 연결되는 필릿면을 포함하고, 상기 최소 단면부는, 상기 림부의 상기 내주면 중에서 상기 코너면과 상기 필릿면의 경계에 존재하는 구성으로 할 수 있다.

상기의 BD가 부착된 철도 차륜에 있어서, 상기 림부의 상기 내주면은, 상기 림부의 측면에 연결되는 코너면, 및 상기 코너면과 상기 판부의 측면에 연결되는 필릿면을 포함하고, 상기 최소 단면부는, 상기 림부의 상기 내주면 중에서 상기 필릿면의 경계에 존재하는 구성으로 할 수도 있다. 이 구성의 경우, 상기 최소 단면부는, 상기 원판부의 상기 외주면 중에서 가장 이면측에 존재하는 것이 바람직하다.

또, 상기의 BD가 부착된 철도 차륜에 있어서, 상기 림부의 상기 내주면에 있어서의 상기 코너면은, 축 방향을 따른 단면에서의 윤곽 형상이 원호형상인 구성을 채용할 수 있다.

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

·브레이크 디스크가 간소한 형상으로 생산성이 우수한 것인 것 ;

·고속 주행 중의 공력음을 유효하게 저감하는 것.

도 1a는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 전체 구조를 도시하는 도면으로서, 1/4원 부분의 평면도를 나타낸다.
도 1b는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 전체 구조를 도시하는 도면으로서, 반원 부분의 경방향을 따른 단면도를 나타낸다.
도 2a는, 종래의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를 나타낸다.
도 2b는, 종래의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 브레이크 디스크를 이면측에서 본 평면도를 나타낸다.
도 2c는, 종래의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 경방향을 따른 단면도를 나타낸다.
도 3a는, 특허문헌 3에 개시된 종래의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 브레이크 디스크의 이면을 내주면측에서 본 사시도를 나타낸다.
도 3b는, 특허문헌 3에 개시된 종래의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 국소적으로 도시하는 도면으로서, 경방향을 따른 단면도를 나타낸다.
도 4는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜에 있어서의 개구 면적의 총합과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 도시하는 도면이다.
도 5a는, 비정상(非定常) 가스 흐름 해석으로 얻어진 고체 표면(브레이크 디스크 및 차륜의 표면)에 있어서의 가스 압력 변동의 분포를 도시하는 도면이다.
도 5b는, 비정상 가스 흐름 해석으로 얻어진 고체 표면(브레이크 디스크를 투과하여 표시)에 있어서의 가스 압력 변동의 분포를 도시하는 도면이다.
도 6a는, 본 발명의 제1 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다.
도 6b는, 도 6a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 6a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 7a는, 본 발명의 제2 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다.
도 7b는, 도 7a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 7a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 8a는, 본 발명의 제3 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다.
도 8b는, 도 8a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 8a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 9a는, 실시예의 해석에서 비교예로서 이용한 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다.
도 9b는, 도 9a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 9a의 직사각형 영역을 나타내고 있다.
도 10은, 실시예의 해석 결과인 방열량과 공력음 레벨의 관계를 도시하는 도면이다.
도 11은, 실시예의 해석 결과인 통기량의 경시 변화를 도시하는 도면이다.

상기 특허문헌 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 부착된 철도 차륜에 있어서의 개구 면적의 총합과 공력음 레벨 및 통기량의 상관을 도시하는 도면이다. 여기에서 말하는 개구 면적의 총합이란, 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간에 대해, 브레이크 디스크의 내주측에서 보았을 때의 개구 면적의 원주방향 전역에 걸친 총합을 말한다. 바꿔 말하면, 개구 면적의 총합은, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주방향을 따라 횡단하는 단면(이하, 「공간 횡단면」)에 대해, 이 공간 횡단면의 면적이 최소가 되는 최소 단면부의 면적을 말한다. 예를 들면, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 BD가 부착된 철도 차륜과 같이, 브레이크 디스크의 핀부끼리의 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 동일한 경향이 되는 것을 알 수 있다.

그러나, 실제로는, 공력음은, 가스 압력의 비정상 변화(조밀파(粗密波)의 전파 현상)에 의해 야기된다. 이 때문에, 공력음의 발생을 수치 해석으로 예측할 때에는, 본질적으로 비정상적인 가스 흐름의 변화 및 그에 따른 음압의 변화를 직접적으로 평가하는 것이 바람직하다.

그래서, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 종래의 BD가 부착된 철도 차륜, 즉 핀부끼리의 사이에 슬릿이 형성된 리브를 추가한 BD가 부착된 철도 차륜을 대상으로 하여, 비정상 가스 흐름 해석에 의거한 공력음 레벨의 직접 예측을 실시하였다. 이 해석에서는, 주행 속도는 360km/h로 일정하게 하였다.

비정상 가스 흐름 해석에 이용한 BD가 부착된 철도 차륜 모델의 대표적인 조건은, 다음과 같다.

＜브레이크 디스크＞

·신칸센(R)용의 단강 디스크

·원판부의 내경 : 417mm, 원판부의 외경 : 715mm

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

·직경이 560mm인 동일 원 상에 중심이 위치하는 12개의 볼트구멍을 등간격으로 형성하고, 각 볼트구멍에 볼트를 삽입 통과시켜 브레이크 디스크와 차륜을 체결.

＜차륜＞

·신칸센(R)용의 압연 차륜

·내경 : 196mm, 외경 : 860mm

우선, 상기 특허문헌 2에 기재된 방법에 의해 공력음 레벨의 측정을 행하고, 비정상 가스 흐름 해석의 계산 수법의 타당성을 검증하였다. 구체적으로는, 실험에 의해, 정밀 소음계로 음압 데이터를 계측 후, 주파수 분석을 행하여, A특성 보정을 가한 후, 1/3 옥타브밴드 처리를 실시하여, 주파수 특성 데이터와 오버올치를 산출하였다. 그리고, 오버올치에 대해, 실험치(114.5[dB(A)])와 계산치(114.8[dB(A)])를 대비하여, 양자의 정합성을 확인하였다.

도 5a 및 도 5b는, 비정상 가스 흐름 해석으로 얻어진 고체 표면(브레이크 디스트 및 차륜의 표면)에 있어서의 가스 압력 변동의 분포를 도시하는 도면이다. 도 5a는, 브레이크 디스크 및 차륜의 표면을 모두 표시한 것이며, 도 5b는, 그 중 브레이크 디스크를 투과하여 표시한 것이다.

도 5a 및 도 5b에 나타내는 고체 표면에 있어서의 가스 압력 변동은, 압력의 시간 미분치의 제곱 평균량을 나타내고, 이것은 고체 표면(브레이크 디스크 및 차륜의 표면)에 있어서의 음원 분포에 상당한다. 도 5a 및 도 5b 중의 농담 표시가 진한 부분의 분포로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 주행 중의 주요 음원은, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간 중에서도, 가스 유출 영역 및 이 근방, 즉 브레이크 디스크의 원판부의 외주 영역 및 이 근방에 나타난다.

이로부터, 본 발명에서는, 공력음의 저감을 도모하기 위해, 브레이크 디스크와 차륜의 사이에 형성된 공간 중, 종래 기술에서 주목하고 있었던 브레이크 디스크의 원판부 및 핀부, 및 차륜의 판부로 둘러싸인 공간이 아니라, 가스 유출 영역이 되는 브레이크 디스크의 원판부의 외주 영역, 즉 브레이크 디스크의 원판부의 외주면과 차륜의 림부의 내주면으로 형성되는 영역에 한정하여 주목하였다.

그리고, 상기의 비정상 가스 흐름 해석에 의한 수치 계산을 이용하여, 브레이크 디스크의 원판부의 외주 영역의 형태가 공력음 레벨 및 냉각 성능에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 그 결과, 브레이크 디스크의 외주면의 형상을 적절히 규정하면, 냉각 성능을 종래 기술 상당 또는 그 이상으로 유지하면서도, 공력음 레벨을 한층 억제할 수 있다는 지견을 얻어, 본 발명을 완성시켰다.

일반적으로, 가스 흐름은, 방향 변화가 급격하면 할수록, 점성 응력에 의한 운동 에너지의 산일이 커지고, 그 만큼, 소리를 생성하는 에너지로 전환하기 쉬워진다. 이와 같은 점에서, 본 발명은, 가스 유출 영역의 가스 흐름에 주목하여, 브레이크 디스크와 차륜의 사이로부터의 가스 흐름 방향이, 차륜의 림부의 표면(측면)을 따르도록 조정하여, 브레이크 디스크의 회전에 따라 발생하는 슬라이딩면을 따른 반경방향 바깥쪽의 가스 흐름과 작은 각도로 합류하도록 한다. 이에 의해, 음원이 되기 쉬운 합류점 근방에서의 가스 흐름의 방향 변화가 극소화하여, 공력음의 저감이 실현된다.

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

＜제1 실시 형태＞

도 6a는, 본 발명의 제1 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다. 도 6b는, 도 6a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 6a의 직사각형 영역을 나타내고 있다. 이하에서는, 상기 도 1a, 도 1b 및 도 2a~도 2c에 나타내는 종래의 BD가 부착된 철도 차륜과 공통되는 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 적절히 생략한다.

도 6a 및 도 6b에 나타내는 바와 같이, 제1 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 바와 같은 리브(7)를 갖지 않는다. 요컨대, 원판부(2)의 이면(2b)에는, 방사상으로 복수의 핀부(3)가 돌출 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, 한층 높아져 있다. 브레이크 디스크(1)는, 반복 제동에 따라 슬라이딩면이 마모되고, 슬라이딩면의 마모가 원판부(2)의 표면(2a)의 높이까지 진행되면 교환된다.

차륜(10)은, 보스부(11)와, 림부(12)와, 판부(13)를 구비한다. 림부(12)의 내주면(12b)(도 6b 중의 점 b1로부터 점 b3의 범위)은, 림부(12)의 측면(12a)에 연결되는 코너면(12ba)(도 6b 중의 점 b1로부터 점 b2의 범위), 및 코너면(12ba)과 판부(13)의 측면(13a)에 연결되는 필릿면(12bb)(도 6b 중의 점 b2로부터 점 b3의 범위)을 포함한다.

코너면(12ba) 및 필릿면(12bb)의 형상은, 차량의 사양에 따라 설계된다. 예를 들면, 코너면(12ba)은, 차륜(10)의 축방향을 따른 단면에서의 윤곽 형상이 원호형상으로서, 곡률 반경이 일정한 단일한 R면이다. 필릿면(12bb)은, 차륜(10)의 축방향을 따른 단면에서의 윤곽 형상이 직선과 원호를 조합한 형상으로서, 원뿔대형상의 테이퍼면과 곡률 반경이 일정한 R면을 조합한 복합면이다. 단, 필릿면(12bb)은, 단일한 R면이어도 되고, 곡률 반경이 변화하는 자유 곡면이어도 된다.

여기에서, 제1 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에 형성된 공간을 원주방향을 따라 횡단하는 공간 횡단면에 대해, 이 공간 횡단면의 면적이 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, 림부(12)의 내주면(12b) 중에서 코너면(12ba)과 필릿면(12bb)의 경계(b2)에 존재한다.

이에 대응하여, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)(도 6b 중의 점 a1로부터 점 a3의 범위)은, 림부(12)의 코너면(12ba)과 필릿면(12bb)의 경계(b2)에 대향하는 위치(a2)를 기점으로 하여, 여기에서부터 두께 방향을 따라 외측(표면(2a)측)의 영역(도 6b 중의 점 a1로부터 점 a2의 범위)의 형상이, 림부(12)의 내주면(12b) 중 코너면(12ba)을 따른 형상으로 되어 있다. 즉, 그 영역의 범위 내에 있어서, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)과 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)이 근접하여 대향하고 있다. 여기에서 말하는 근접한다는 것은, 1~5mm 정도의 간극이 형성되어 있는 것을 말한다. 한편, 그 영역을 벗어난 내측(브레이크 디스크(1)의 이면(2b)측)의 영역(도 6b 중의 점 a2로부터 점 a3의 범위)에 있어서, 원판부(2)의 외주면(2c)은 림부(12)의 내주면(12b)을 따르지 않고 떨어져 있다.

이러한 구성의 BD가 부착된 철도 차륜에 있어서, 브레이크 디스크(1)는, 리브(7)를 갖지 않고, 원판부(2)의 이면에 핀부(3)를 구비할 뿐이며, 간소한 형상이다. 이 때문에, 브레이크 디스크(1)의 제조 공정이 번잡화하는 일은 없으며, 브레이크 디스크(1)의 생산성은 우수하다. 브레이크 디스크(1)를 단조에 의해 제조하는 경우여도, 금형에 대한 부하가 증대하는 일은 없으며, 금형 수명이 짧아지는 경우도 없다. 단, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)은, 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)의 형상에 따른 형상으로 기계 가공을 실시할 필요는 있지만, 이 기계 가공은, 종래의 리브나 슬릿의 추가 가공과는 달리, 브레이크 디스크(1)의 일련의 기계 가공 중에서 간단히 행할 수 있다.

또, 제1 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에 의하면, 고속 주행 중, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이를 흐르는 공기는, 최종적으로 림부(12)의 내주면(12b)(코너면(12ba))을 따르면서 림부(12)의 측면(12a)을 따르도록 유출된다(도 6b 중의 실선 화살표 참조). 이 때문에, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10)의 사이에서 유출된 공기는, 브레이크 디스크(1)의 회전에 따라 발생하는 슬라이딩면을 따른 반경방향 바깥쪽의 가스 흐름(도 6b 중의 점선 화살표 참조)과 작은 각도로 합류하게 된다. 이에 의해, 음원이 되기 쉬운 합류점 근방에서의 가스 흐름의 방향 변화가 극소화하므로, 공력음이 유효하게 저감된다.

＜제2 실시 형태＞

도 7a는, 본 발명의 제2 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다. 도 7b는, 도 7a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도로서, 도 7a의 직사각형 영역을 나타내고 있다. 제2 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜은, 상기 제1 실시 형태의 구성을 기본으로 하여, 상기 제1 실시 형태에 대해 이하의 점을 변경한 것이다.

제2 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10) 사이의 공간 횡단면의 최소 단면부가, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)과 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역 중, 림부(12)의 필릿면(12bb)의 영역에 존재한다(도 7b 중의 점 b4 참조).

이에 대응하여, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)(도 7b 중의 점 a1로부터 점 a3의 범위)은, 림부(12)의 필릿면(12bb)에 있어서의 최소 단면부(도 7b 중의 점 b4)에 대향하는 위치(a4)를 기점으로 하여, 여기에서부터 두께 방향을 따라 외측(표면(2a)측)의 영역(도 7b 중의 점 a1로부터 점 a4의 범위)의 형상이, 림부(12)의 내주면(12b) 중 코너면(12ba) 및 필릿면(12bb)의 일부를 따른 형상으로 되어 있다. 즉, 그 영역의 범위 내에 있어서, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)과 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)이 근접하여 대향하고 있다. 한편, 그 영역을 벗어나는 내측(브레이크 디스크(1)의 이면(2b)측)의 영역(도 7b 중의 점 a4로부터 점 a3의 범위)에 있어서, 원판부(2)의 외주면(2c)은 림부(12)의 내주면(12b)을 따르지 않고 떨어져 있다.

이러한 구성의 제2 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에서도, 상기 제1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘한다.

＜제3 실시 형태＞

도 8a는, 본 발명의 제3 실시 형태인 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜의 구조를 도시하는, 경방향을 따른 단면도이다. 도 8b는, 도 8a의 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜을 국소적으로 도시하는 단면도이며, 도 8a의 직사각형 영역을 나타내고 있다. 제3 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜은, 상기 제2 실시 형태의 양태를 변형한 것이다.

즉, 제3 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10) 사이의 공간 횡단면의 최소 단면부가, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)과 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)으로 형성되는 영역 중, 원판부(2)의 외주면(2c) 중에서 가장 이면(2b)측에 존재한다(도 8b 중의 점 a3 참조).

브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)(도 8b 중의 점 a1로부터 점 a3의 범위)은, 가장 이면(2b)측의 위치(a3)를 기점으로 하여, 여기에서부터 두께 방향을 따라 외측(표면(2a)측)의 영역의 형상이, 림부(12)의 내주면(12b) 중 코너면(12ba)의 거의 전면 및 필릿면(12bb)의 일부를 따른 형상으로 되어 있다. 즉, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)은, 두께 방향의 전역에 걸쳐 차륜(10)의 림부(12)의 내주면(12b)에 근접하여 대향하고 있다.

이 경우, 브레이크 디스크(1)와 차륜(10) 사이의 공간 횡단면의 최소 단면부는, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c) 중에서 가장 이면(2b)측의 위치(a3)에 대응하여, 차륜(10)의 림부(12)의 필릿면(12bb)의 영역에 존재한다(도 8b 중의 점 b5 참조).

이러한 구성의 제3 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜에서도, 상기 제1 실시 형태와 동일한 효과를 발휘한다.

[실시예]

본 발명의 BD가 부착된 철도 차륜에 의한 효과를 확인하기 위해, 비정상 가스 흐름 해석 및 열유체 해석을 실시하여, 공력음 레벨, 냉각 성능 및 통기량을 평가하였다. 해석의 대상은, 본 발명예 1로서, 상기 도 6a 및 도 6b에 나타내는 제1 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜을 채용하고, 본 발명예 2로서, 상기 도 8a 및 도 8b에 나타내는 제3 실시 형태의 BD가 부착된 철도 차륜을 채용하였다.

또, 비교예로서, 도 9a 및 도 9b에 나타내는 바와 같이, 핀부(3)끼리의 사이에 슬릿(7a)이 형성된 리브(7)를 추가한 BD가 부착된 철도 차륜을 채용하였다. 도 9a 및 도 9b에 나타내는 BD가 부착된 철도 차륜은, 상기 도 3a 및 도 3b에 나타내는 종래의 BD가 부착된 철도 차륜과 동일하다. 비교예의 BD가 부착된 철도 차륜에서는, 브레이크 디스크(1)의 원판부(2)의 외주면(2c)은, 림부(12)의 내주면(12b)을 따르지 않고 떨어져 있다.

본 발명예 1 및 2 및 비교예의 BD가 부착된 철도 차륜은, 모두, 브레이크 디스크를 중앙 체결한 것이다.

해석에 이용한 BD가 부착된 철도 차륜 모델의 대표적인 조건은, 상술한 비정상 가스 흐름 해석 시와 동일하다. 또, 비정상 가스 흐름 해석의 수법도 동일하다. 비정상 가스 흐름 해석 및 열유체 해석은 모두, 주행 속도가 360km/h로 일정하게 하였다.

냉각 성능의 평가 지표로서는, 브레이크 디스크 1장당 표면의 평균 열전달율과 표면적의 적산치로 정의한 방열량을 도입하였다. 이 방열량이 클수록, 냉각 성능이 우수한 것을 의미한다.

통기량의 평가는, 브레이크 디스크와 차륜 사이의 공간 횡단면의 최소 단면부에서의 통기량의 시간 평균, 및 그 변동폭으로 행하였다.

하기의 표 1, 도 10 및 도 11에 결과를 나타낸다.

[표 1]

도 10은, 실시예의 해석 결과인 방열량과 공력음 레벨의 관계를 도시하는 도면이다. 도 11은, 실시예의 해석 결과인 통기량의 경시 변화를 도시하는 도면이다. 표 1 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 1, 2는, 비교예와 동등 이상의 냉각 성능으로 하면서, 공력음 레벨을 보다 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 또, 본 발명예 1, 2는, 비교예보다 최소 단면부의 면적이 크기 때문에, 평균 통기량이 증가하여, 냉각 성능이 높다. 또한, 표 1 및 도 11에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 1, 2는, 비교예보다 통기량의 변동폭이 작고, 정음성(靜音性)이 향상된다. 이로부터, 설계 인자인 최소 단면부의 면적을 적절히 변경함으로써, BD가 부착된 철도 차륜의 정음성, 및 제동 시에 있어서의 브레이크 디스크의 냉각 성능을 적절히 제어하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

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

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

Claims (5)

1. 보스부, 림부, 및 이들을 결합하는 판부를 구비한 철도 차량용의 차륜과,
   표면측을 슬라이딩면으로 하는 도넛형의 원판부, 및 상기 원판부의 이면에 방사상으로 돌출 설치된 복수의 핀부를 구비한 브레이크 디스크를 구비하고,
   2장의 상기 브레이크 디스크가 개개의 상기 슬라이딩면을 바깥쪽을 향하게 한 상태로 상기 차륜의 상기 판부를 사이에 끼워 넣어, 상기 슬라이딩면 내의 영역에서 체결된 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜으로서,
   상기 브레이크 디스크와 상기 차륜의 사이에 형성된 공간을 원주방향을 따라 횡단하는 단면의 면적에 대해, 이 단면적이 최소가 되는 최소 단면부가, 상기 원판부의 외주면과 상기 림부의 내주면으로 형성되는 영역에 존재하며,
   상기 원판부의 상기 외주면이, 상기 최소 단면부를 기점으로 한 외측의 영역에서, 상기 림부의 상기 내주면을 따른 형상인, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 림부의 상기 내주면은, 상기 림부의 측면에 연결되는 코너면, 및 상기 코너면과 상기 판부의 측면에 연결되는 필릿면을 포함하고,
   상기 최소 단면부는, 상기 림부의 상기 내주면 중에서 상기 코너면과 상기 필릿면의 경계에 존재하는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 림부의 상기 내주면은, 상기 림부의 측면에 연결되는 코너면, 및 상기 코너면과 상기 판부의 측면에 연결되는 필릿면을 포함하고,
   상기 최소 단면부는, 상기 림부의 상기 내주면 중에서 상기 필릿면의 영역에 존재하는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 최소 단면부는, 상기 원판부의 상기 외주면 중에서 가장 이면측에 존재하는, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜.
5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 림부의 상기 내주면에 있어서의 상기 코너면은, 축 방향을 따른 단면에서의 윤곽 형상이 원호형상인, 브레이크 디스크가 부착된 철도 차륜.

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