WO2015122146A1 - ブレーキディスク付き鉄道車輪 - Google Patents

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WO2015122146A1
WO2015122146A1 PCT/JP2015/000454 JP2015000454W WO2015122146A1 WO 2015122146 A1 WO2015122146 A1 WO 2015122146A1 JP 2015000454 W JP2015000454 W JP 2015000454W WO 2015122146 A1 WO2015122146 A1 WO 2015122146A1
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wheel
brake
disc
section
brake disc
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PCT/JP2015/000454
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由衣子 阪山
裕 野上
隆裕 藤本
坂口 篤司
阿佐部 和孝
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新日鐵住金株式会社
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Priority to CN201580007106.7A priority patent/CN105960543A/zh
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    • B61F13/00Rail vehicles characterised by wheel arrangements, not otherwise provided for
    • 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
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    • B61H5/00Applications or arrangements of brakes with substantially radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes
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    • F16D2065/138Connection to wheel
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    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D2069/005Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces having a layered structure

Definitions

  • the present invention relates to a railway wheel with a brake disk in which a brake disk is fastened to a wheel for a railway vehicle (hereinafter also simply referred to as “railway wheel with BD”).
  • a disc brake having excellent braking performance is often used as the speed and size of the vehicle increase.
  • the disc brake is configured to press a brake lining against a sliding surface of a brake disc attached to a wheel. As a result, braking force is generated on the rotating wheels, and the speed of the vehicle is controlled.
  • a central fastening type (sliding surface fastening type) brake disc that fastens the brake disc to the wheel in an area within the sliding surface, and a break disc that is fastened to the wheel in an area on the inner peripheral side from the sliding surface.
  • an inner periphery fastening type brake disc There is an inner periphery fastening type brake disc.
  • the inner periphery fastening type brake disc requires a part used for fastening separately from the part having the sliding surface.
  • the center fastening type brake disc is advantageous in reducing the weight because it is not necessary to provide a part used for such fastening.
  • FIGS. 1A and 1B are views showing the overall structure of a railway wheel with a brake disc that constitutes a disc brake of a railway vehicle.
  • FIG. 1A is a plan view of a quarter circle portion
  • FIG. 1B is a semicircle portion.
  • Cross-sectional views along the radial direction are shown.
  • 2A to 2C are views locally showing the structure of a conventional BD-equipped railway wheel.
  • FIG. 2A is a perspective view of the rear surface of the brake disk as viewed from the inner peripheral surface side
  • FIG. FIG. 2C is a cross-sectional view taken along the radial direction, as seen from the back side.
  • the brake discs shown in FIGS. 1A, 1B, and 2A to 2C are all center-fastened types.
  • the brake disc 1 includes a donut-shaped disc portion 2 having a surface 2a side as a sliding surface.
  • a plurality of fin portions 3 are radially provided on the rear surface 2 b of the disk portion 2. Some of the plurality of fin portions 3 are formed with bolt holes 4 penetrating to the disc portion 2 at substantially the center position in the radial direction.
  • the wheel 10 includes a boss portion 11 into which the axle is press-fitted, a rim portion 12 including a tread surface that comes into contact with the rail, and a plate portion 13 that couples them.
  • the brake disc 1 is disposed so as to sandwich the plate portion 13 of the wheel 10 in a state where the two surfaces of the brake disc 1 are set as a set and the individual surfaces 2a face outward.
  • Bolts 5 are inserted into the respective bolt holes 4, and nuts 6 are screwed into the respective bolts 5 and tightened.
  • the brake disc 1 is brought into pressure contact with the side surface 13a of the plate portion 13 of the wheel 10 in the entire radial region or in a partial region thereof, and the brake disc 1 is fastened to the wheel 10 in this state.
  • the brake disc 1 is fastened to the plate portion 13 in an area within the sliding surface.
  • the vicinity of the central portion of the inner periphery and outer periphery of the brake disc for example, the position that divides the inner periphery and outer periphery by 1: 3 and 3: 1. It is preferable that the brake disc 1 is fastened to the wheel 10 between the position to be internally divided.
  • a substantially entire surface of the brake disk 1 is a sliding surface. As shown in FIG. 1B, a large gap (e.g., between the boss portion 11 and the disc portion 2 over the entire circumference) A gap of 70 to 120 mm is formed. That is, the brake disc 1 does not extend to the vicinity of the boss portion 11, thereby reducing the weight of the brake disc 1.
  • the conventional railway wheel with BD of such a structure is disclosed by patent document 1, for example.
  • the brake disc 1 rotates with the wheel 10 at a high speed. Accordingly, the air around the brake disc 1 flows into the space formed between the brake disc 1 and the wheel 10, specifically, the disc portion 2 and the fin portion 3 of the brake disc 1, and the wheel. 10 flows into the space surrounded by the plate portion 13 from the inner peripheral side (the gap between the boss portion 11 and the disc portion 2) and flows out from the outer peripheral side (see solid arrows in FIGS. 2A to 2C). . In short, an air gas flow is generated in the space between the brake disc 1 and the wheel 10 during travel of the railway vehicle.
  • This gas flow becomes significant when traveling at a high speed exceeding 300 km / h like a high-speed railway vehicle such as the Shinkansen (R) and induces wind noise.
  • This wind noise is called aerodynamic sound. It is necessary to reduce aerodynamic sound for environmental considerations.
  • the gap between the boss part 11 and the disc part 2 is remarkably small as compared with the center type brake disk. For this reason, the amount of air flowing into the space surrounded by the disc portion 2 and the fin portion 3 of the brake disc 1 and the plate portion 13 of the wheel 10 from this gap when the vehicle is running is small. Usually, no problematic level of aerodynamic sound is produced. Therefore, it can be said that the generation of aerodynamic noise is a problem peculiar to the center fastening type brake disc.
  • Patent Document 2 discloses a railway wheel with a BD in which a rib is added along the circumferential direction between adjacent fin portions of a brake disc, and the gas flow is suppressed by the rib. According to the railway wheel with BD disclosed in this document, aerodynamic sound can be reduced to a desired level.
  • Patent Document 3 A conventional technique for solving this problem is disclosed in Patent Document 3.
  • FIG. 3A and 3B are views locally showing the structure of a conventional BD-equipped railway wheel disclosed in Patent Document 3, and FIG. 3A is a perspective view of the rear surface of the brake disk as viewed from the inner peripheral surface side.
  • FIG. 3B shows a cross-sectional view along the radial direction.
  • ribs 7 are added along the circumferential direction between the adjacent fin portions 3 for the brake disc 1, and this A slit 7 a is formed along the radial direction at the center of the rib 7 in the circumferential direction.
  • the gas flow is secured by the slit 7a.
  • the cooling performance to the brake disc 1 is maintained during braking, and the increase in rigidity due to the addition of the rib is mitigated, so that deformation due to thermal expansion of the brake disc 1 and stress load on the fastening bolts are caused. This reduces the deterioration of the durability of the brake disc 1 and the bolt.
  • the conventional railway wheel with BD that aims to reduce aerodynamic noise is mainly intended to suppress the gas flow in the space surrounded by the disc part and the fin part of the brake disk and the plate part of the wheel.
  • a rib is added to the disc part of the disc brake, and a slit is formed in the rib. For this reason, since the shape of the brake disc becomes complicated, the productivity of the brake disc must be reduced.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a railway wheel with a brake disk having the following characteristics:
  • the brake disc must have a simple shape and excellent productivity while suppressing aerodynamic noise during high-speed driving.
  • a railway wheel with a brake disk according to an embodiment of the present invention, A wheel for a railway vehicle provided with a boss portion, a rim portion, and a plate portion connecting them, and A donut-shaped disk part having a sliding surface on the front side, and a brake disk provided with a plurality of fin parts projecting radially on the back surface of the disk part, A rail wheel with a brake disk clamped in a region within the sliding surface, with the two brake discs sandwiching the plate portion of the wheel with each sliding surface facing outward, Regarding the area of the cross section that crosses the space formed between the brake disc and the wheel along the circumferential direction, the minimum cross section that has the smallest cross sectional area is the outer peripheral surface of the disk portion and the rim. In the region formed by the inner peripheral surface of the part, the outermost surface of the outer peripheral surface of the disk part is present on the back side, Area of the minimum cross section is 2500 mm 2 or more and 7000 mm 2 or less.
  • the area of the minimum cross section is preferably 3000 mm 2 or more.
  • the railway wheel with BD can be configured such that the outer diameter of the disk portion is constant.
  • the railway wheel with brake disc of the present invention has the following remarkable effects:
  • the brake disc must have a simple shape and excellent productivity while suppressing aerodynamic noise during high-speed driving.
  • FIG. 1A is a diagram showing an overall structure of a railway wheel with a brake disk, and shows a plan view of a 1 ⁇ 4 circle portion.
  • FIG. 1B is a diagram showing the overall structure of a railway wheel with a brake disc, and shows a cross-sectional view along the radial direction of a semicircular portion.
  • FIG. 2A is a diagram locally showing the structure of a conventional railway wheel with a brake disc, and shows a perspective view of the rear surface of the brake disc as seen from the inner peripheral surface side.
  • FIG. 2B is a diagram locally showing the structure of a conventional railway wheel with a brake disc, and shows a plan view of the brake disc as seen from the back side.
  • FIG. 1A is a diagram showing an overall structure of a railway wheel with a brake disk, and shows a plan view of a 1 ⁇ 4 circle portion.
  • FIG. 1B is a diagram showing the overall structure of a railway wheel with a brake disc, and shows a cross-sectional view along the
  • FIG. 2C is a diagram locally showing a structure of a conventional railway wheel with a brake disc, and shows a cross-sectional view along the radial direction.
  • FIG. 3A is a diagram locally showing the structure of a conventional railway wheel with a brake disc disclosed in Patent Document 3, and shows a perspective view of the back surface of the brake disc as seen from the inner peripheral surface side.
  • FIG. 3B is a diagram locally showing the structure of a conventional railway wheel with a brake disk disclosed in Patent Document 3, and shows a cross-sectional view along the radial direction.
  • FIG. 4 is a diagram showing a correlation between the sum of the opening areas, the aerodynamic sound level, and the air flow rate in the railway wheel with a brake disk.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view along the radial direction showing the structure of a railway wheel with a brake disk according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view locally showing the railway wheel with a brake disk of FIG. 5A, and shows a rectangular region of FIG. 5A.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view along the radial direction showing the structure of a railway wheel with a brake disk used as a comparative form in the analysis.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view locally showing the railway wheel with a brake disk in FIG. 6A, and shows a rectangular region in FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a diagram showing a correlation between the area of the spatial cross section at the minimum cross section of the railway wheel with a brake disk, the aerodynamic sound level, and the air flow rate.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the center frequency and the noise level that have been subjected to 1/3 octave band processing disclosed in Patent Document 3. In FIG.
  • FIG. 4 is a diagram showing a correlation between the sum of the opening areas, the aerodynamic sound level, and the air flow rate in the railway wheel with a brake disk.
  • the sum of the opening areas here refers to the entire area in the circumferential direction of the opening area when viewed from the inner peripheral side of the brake disc in the space surrounded by the disc disc and fin portions of the brake disc and the plate portion of the wheel. It is the sum total.
  • the sum of the opening areas is the minimum of the area of this spatial cross section for a cross section that crosses the space formed between the brake disc and the wheel along the circumferential direction (hereinafter referred to as “space cross section”). Is the area of the smallest cross-sectional portion. For example, as in the railway wheel with BD shown in FIGS.
  • the minimum cross-sectional portion is the position of the rib. Therefore, the area of the spatial cross section at the position of the rib is the sum of the opening areas shown in FIG.
  • the air flow rate was obtained by thermal fluid analysis (per brake disc), and the aerodynamic sound level was obtained by experiments.
  • the aerodynamic sound level increases with an increase in the area of the minimum cross section (the sum of the opening areas), and the air flow rate has the same tendency. That is, there is a strong correlation between the air flow rate and the aerodynamic sound level. For this reason, the aerodynamic sound level can be evaluated using the airflow rate as an index, and the suppression of the airflow rate leads to the suppression of the aerodynamic sound. And in order to suppress air flow, the area of the minimum cross-sectional part of a space cross section should just be prescribed
  • the present inventor among the space formed between the brake disc and the wheel, the disc portion and the fin portion of the brake disc, which have been focused on in the prior art, and the wheel. Focus not on the space surrounded by the plate part, but on the outer peripheral region of the disc part of the brake disc, that is, the region formed by the outer peripheral surface of the disc part of the brake disc and the inner peripheral surface of the rim part of the wheel did. In the limited area, the smallest cross section of the spatial cross section is arranged on the outermost surface side of the outer peripheral surface of the disk portion (hereinafter referred to as “the rear surface portion of the outer peripheral surface of the disk portion”). Aeration was investigated using calculations.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view along the radial direction showing the structure of a railway wheel with a brake disk according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view locally showing the railway wheel with a brake disk of FIG. 5A, and shows a rectangular region of FIG. 5A.
  • the same reference numerals are given to the parts common to the conventional BD-equipped railway wheels shown in FIG. 1A, FIG. 1B and FIGS. 2A to 2C, and overlapping description will be omitted as appropriate.
  • the brake disc 1 in this embodiment includes a disc portion 2 and a fin portion 3.
  • the brake disc 1 does not have the rib 7 as shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the plurality of fin portions 3 are only protruded radially on the back surface 2b of the disc portion 2.
  • the material of the brake disc cast iron, cast steel, forged steel, aluminum, carbon, or the like can be used.
  • the region of the surface 2a of the brake disc 1 that becomes a sliding surface is higher than that.
  • the brake disk 1 is replaced when the sliding surface wears due to repeated braking and the wear of the sliding surface proceeds to the height of the surface 2 a of the disk portion 2.
  • the wheel 10 includes a boss portion 11, a rim portion 12, and a plate portion 13.
  • the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12 includes a corner surface 12ba connected to the side surface 12a of the rim portion 12, and a fillet surface 12bb connected to the corner surface 12ba and the side surface 13a of the plate portion 13.
  • the shapes of the corner surface 12ba and the fillet surface 12bb are designed according to the specifications of the vehicle.
  • the corner surface 12ba is a single R surface having an arc shape in a cross section along the axial direction of the wheel 10 and a constant radius of curvature.
  • the fillet surface 12bb is a composite surface in which the contour shape in a cross section along the axial direction of the wheel 10 is a combination of a straight line and an arc, and a conical tapered surface and an R surface with a constant curvature radius are combined. is there.
  • the fillet surface 12bb may be a single R surface or a free-form surface with a changing radius of curvature.
  • the minimum area of this spatial cross section is present in a region formed by the outer peripheral surface 2 c of the disc portion 2 of the brake disc 1 and the inner peripheral surface 12 b of the rim portion 12 of the wheel 10. Specifically, it exists in the back surface 2b side most among the outer peripheral surfaces 2c of the disc part 2 (refer the back surface part of the disc part outer peripheral surface which attached
  • the back surface portion a1 of the disc portion outer peripheral surface 2c of the brake disc 1 is closest to the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12 of the wheel 10.
  • the minimum gap g between the back surface portion a1 of the disc portion outer peripheral surface 2c and the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12 is 1.3-3. It is about 1 mm.
  • the minimum gap g corresponds to the distance between the portion b1 where the extension line of the back surface 2b of the disc portion 2 intersects the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12 and the back surface portion a1 of the disc portion outer peripheral surface 2c.
  • the outer diameter of the disc part 2 is constant. This is because machining can be easily performed.
  • the BD with the railway wheels of the present embodiment the area of the spatial cross-section of the back surface portion a1 of the disk portion outer peripheral surface 2c, 2500 mm 2 or more and 7000 mm 2 or less.
  • the area of this cross section is preferably 3000 mm 2 or more.
  • thermal fluid analysis For the railway wheel with BD shown in FIGS. 5A and 5B, thermal fluid analysis is performed by simulating high-speed traveling at a constant traveling speed of 360 km / h, and the air flow rate at the smallest cross section of the spatial cross section is evaluated. did. At that time, by variously changing the minimum gap g between the back surface portion a1 of the disc portion outer peripheral surface 2c and the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12, the back surface portion a1 (minimum cross section) of the disc portion outer peripheral surface 2c. A model with various changes in the area of the spatial cross section was used.
  • FIGS. 6A and 6B a model of a railway wheel with BD in which ribs 7 with slits 7a are added between the fin portions 3 and ribs 7 with slits 7a are provided.
  • the model of the railway wheel with BD which was not used was used.
  • the railway wheel with BD shown in FIGS. 6A and 6B is the same as the railway wheel with BD disclosed in Patent Document 3, that is, the conventional railway wheel with BD shown in FIGS. 3A and 3B.
  • the minimum gap g between the back surface portion a1 of the surface 2c and the inner peripheral surface 12b of the rim portion 12 is large.
  • the position of the fin portion 7 is the minimum cross section of the space cross section, and the minimum cross section is obtained by variously changing the depth d of the slit 7a. Various areas of the space cross section at the section were changed.
  • the brake disk is fastened in the center.
  • Table 1 below shows the conditions of the model of the railway wheel with BD used for the analysis.
  • the minimum cross-sectional portion is an area formed by the outer peripheral surface 2 c of the disc portion 2 and the inner peripheral surface 12 b of the rim portion 12 in this embodiment. In the comparative form, it is located between the outer peripheral portion of the back surface 2b of the disc portion 2 and the plate portion 13 (the one provided with ribs is a slit portion).
  • the minimum cross section is not uniquely determined from only one cross section of the BD railway wheel due to the presence of the fin section 3 between the disk section 2 and the plate section 13.
  • typical conditions for the analysis model are as follows. ⁇ Brake disc> -Forged steel disk for Shinkansen (R)-Inner diameter of disc part: 417 mm -Length from the sliding surface of the disc part to the tip surface of the fin part (contact surface with the wheel plate part): 45 mm -Twelve bolt holes centered on the same circle with a diameter of 560 mm are formed at equal intervals, and bolts are inserted into each bolt hole to fasten the brake disc and wheels.
  • FIG. 7 is a diagram showing a correlation between the area of the spatial cross section at the minimum cross section of the railway wheel with a brake disk, the aerodynamic sound level, and the air flow rate.
  • the aerodynamic sound level shown in the figure is the same as that shown in FIG. In FIG. 7, the aerodynamic sound level of the railway wheel with BD provided with the inner periphery fastening type brake disc is indicated by a broken line.
  • the relationship between the area of the spatial cross section at the minimum cross section and the air flow rate is the same between the railway wheel with BD of the present embodiment and the conventional railway wheel with BD of the comparative form. From this, it can be said that the relation between the aerodynamic sound level and the railway wheel with BD of the present embodiment are the same as those of the conventional railway wheel with BD of the comparative form.
  • the aerodynamic sound level decreases as the area of the minimum cross section decreases. For this reason, in order to reduce the aerodynamic sound level, the area of the minimum cross-sectional portion may be reduced and the air flow rate may be reduced. However, even if the area of the minimum cross section is smaller than 2500 mm 2 , the aerodynamic sound level does not change. Further, if the area of the minimum cross-sectional portion is too small, the amount of air flow is reduced, which causes a problem that the cooling performance to the brake disk is lowered. Therefore, the lower limit of the area of the minimum cross section is 2500 mm 2 . The lower limit is preferably 3000 mm 2 , more preferably 3500 mm 2 .
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the center frequency and the noise level that have been subjected to the 1/3 octave band processing disclosed in Patent Document 3.
  • the noise level here is an aerodynamic sound level.
  • the sum of the opening areas in the figure is the area of the smallest cross section that is the smallest of the areas of the spatial cross section.
  • the diagram shown in FIG. 8 is obtained by an experiment that assumes a high-speed traveling at a constant traveling speed of 360 km / h.
  • a railway wheel without a brake disk, a railway wheel with a BD having a brake disk without a rib, and a railway wheel with a BD to which a rib with a slit is added are used.
  • the railway wheel with BD to which the rib with slit is added is the same as the railway wheel with BD shown in FIGS. 3A and 3B, that is, the railway wheel with BD of the comparative form shown in FIGS. 6A and 6B.
  • BD with railway wheels ribs with slits as the area of the space cross-section with a minimum cross section corresponding to the position of the ribs is 18000Mm 2, is employed as a 7000 mm 2 .
  • the area is compared with the case of a railway wheel with a BD whose area is 18000 mm 2.
  • the relationship between the area of the spatial cross section at the minimum cross section and the aerodynamic sound level is the same between the railway wheel with BD of the present embodiment and the conventional railway wheel with BD of the comparative embodiment.
  • the upper limit of the area of the minimum cross section is 7000 mm 2 .
  • the upper limit is more preferably 6000 mm 2 .
  • the brake disc 1 does not have the rib 7 and includes the fin portion 3 on the back surface of the disc portion 2 as shown in FIGS. 5A and 5B. It is only a simple shape. For this reason, the manufacturing process of the brake disc 1 is not complicated, and the productivity of the brake disc 1 is excellent. Even when the brake disk 1 is manufactured by forging, the load on the mold does not increase and the mold life is not shortened.
  • the railway wheel with BD of this embodiment arrange
  • the railway wheel with a brake disc of the present invention can be effectively used for any railway vehicle having a disc brake, and is particularly useful for a high-speed railway vehicle.

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Abstract

 鉄道車輪は、板部(13)を備えた車輪(10)と、表面(2a)側を摺動面とする円板部(2)、及び円板部(2)の裏面(2b)に放射状に突設された複数のフィン部(3)を備えたブレーキディスク(1)と、を備え、2枚のブレーキディスク(1)が個々の摺動面を外向きにした状態で車輪(10)の板部(13)を挟み込み、前記摺動面の領域内で締結されて成る。ブレーキディスク(1)と車輪(10)との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面の面積について、この断面積の最小となる最小断面部が、円板部(2)の外周面(2c)とリム部(12)の内周面(12b)とで形成される領域のうちで円板部(2)の外周面(2c)の最も裏面(2b)側の部分(a1)に存在し、この最小断面部の面積が2500mm以上、7000mm以下である。ブレーキディスク(1)は、高速走行中の空力音を抑制でき、簡素な形状で生産性に優れている。

Description

ブレーキディスク付き鉄道車輪
 本発明は、鉄道車両用の車輪にブレーキディスクが締結されて成るブレーキディスク付き鉄道車輪(以下、単に「BD付き鉄道車輪」ともいう)に関する。
 鉄道車両の制動装置としては、車両の高速化や大型化に伴い、制動性に優れたディスクブレーキが多用される。ディスクブレーキは、車輪に取り付けられたブレーキディスクの摺動面にブレーキライニングを押し付けるように構成されている。これにより、回転する車輪に制動力が発生し、車両の速度が制御される。
 ディスクブレーキには、摺動面内の領域でブレーキディスクを車輪に締結する中央締結型(摺動面締結型)ブレーキディスクと、摺動面より内周側の領域でブレークディスクを車輪に締結する内周締結型ブレーキディスクとがある。内周締結型ブレーキディスクは、摺動面を有する部分とは別に締結に用いる部分を要する。一方、中央締結型ブレーキディスクは、このような締結に用いる部分を設ける必要がないので、軽量化に有利である。
 図1A及び図1Bは、鉄道車両のディスクブレーキを構成するブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、図1Aは1/4円部分の平面図を、図1Bは半円部分の径方向に沿った断面図をそれぞれ示す。図2A~図2Cは、従来のBD付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、図2Aはブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を、図2Bはブレーキディスクを裏面側から見た平面図を、図2Cは径方向に沿った断面図をそれぞれ示す。図1A、図1B及び図2A~図2Cに示されたブレーキディスクは、いずれも、中央締結型である。
 図1A、図1B及び図2A~図2Cに示すように、ブレーキディスク1は、表面2a側を摺動面とするドーナツ形の円板部2を備える。この円板部2の裏面2bには、放射状に複数のフィン部3が突設されている。複数のフィン部3のうちの幾つかには、半径方向のほぼ中央の位置に、円板部2まで貫通するボルト孔4が形成されている。
 車輪10は、車軸が圧入されるボス部11、レールと接触する踏面を含むリム部12、及びこれらを結合する板部13を備えている。ブレーキディスク1は、2枚を一組として個々の表面2aを外向きにした状態で、車輪10の板部13を挟み込むように配置される。各ボルト孔4にボルト5が挿通され、各ボルト5にナット6が螺合し締め付けられる。これにより、ブレーキディスク1は、フィン部3の先端面が半径方向の全域で又はその一部の領域で車輪10の板部13の側面13aに圧接し、この状態で車輪10に締結される。
 ブレーキディスク1は、摺動面内の領域で板部13に締結される。中央締結型ブレーキディスクでは、ブレーキディスク1の径方向に関して、ブレーキディスク1の内周と外周との中央部近傍、たとえば、内周と外周とを1:3で内分する位置と3:1で内分する位置との間で、ブレーキディスク1が車輪10に締結されていることが好ましい。
 ブレーキディスク1の表面の実質的に全面が摺動面となっており、図1Bに示すように、ボス部11と円板部2との間には、全周に渡って大きな間隙(たとえば、70~120mmの間隙)が形成されている。すなわち、ブレーキディスク1は、ボス部11近傍までは延びておらず、これにより、ブレーキディスク1の軽量化が図られている。このような構成の従来のBD付き鉄道車輪は、例えば特許文献1に開示されている。
 鉄道車両の走行時、ブレーキディスク1は車輪10と一体で高速回転する。これに伴い、ブレーキディスク1の周辺の空気が、ブレーキディスク1と車輪10との間に形成された空間内に、具体的には、ブレーキディスク1の円板部2及びフィン部3、並びに車輪10の板部13で囲まれた空間内に、内周側(ボス部11と円板部2との間隙)から流入し、外周側から流出する(図2A~図2C中の実線矢印参照)。要するに、鉄道車両の走行中、ブレーキディスク1と車輪10の間の空間には空気のガス流れが生じる。このガス流れは、新幹線(R)等の高速鉄道車両のように時速300kmを超える高速で走行する際に著しくなり、風切音の騒音を誘発する。この風切音は、空力音と称される。環境への配慮から空力音の低減が必要とされる。
 内周締結型ブレーキディスクでは、中央締結型ブレーキディスクに比してボス部11と円板部2との間隙は著しく小さい。このため、車両の走行時に、この間隙から、ブレーキディスク1の円板部2及びフィン部3、並びに車輪10の板部13で囲まれた空間内に流入する空気の量は、わずかであり、通常、問題となるレベルの空力音は生じない。したがって、空力音の発生は、中央締結型ブレーキディスク特有の問題ということができる。
 中央締結型ブレーキディスクについて空力音を低減するという要求に対応する従来技術は下記のものがある。
 例えば特許文献2には、ブレーキディスクについて、隣り合うフィン部同士の間に円周方向に沿ってリブを追加し、このリブによってガス流れを抑制したBD付き鉄道車輪が開示されている。同文献に開示されたBD付き鉄道車輪によれば、空力音を所望のレベルまで低減することができる。
 しかし、前記特許文献2に開示された技術では、リブによるガス流れの抑制に伴い、制動時にブレーキディスクへの冷却性能が低下する。このため、リブの追加によってブレーキディスク自体の剛性が増すことと相まって、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形、及びそれによる締結用ボルトへの応力負荷が増大し、ブレーキディスク及びボルトの耐久性が低下するおそれがある。
 この問題の解決を図る従来技術が特許文献3に開示されている。
 図3A及び図3Bは、特許文献3に開示された従来のBD付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、図3Aはブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を、図3Bは径方向に沿った断面図をそれぞれ示す。これらの図に示すように、特許文献3に開示されたBD付き鉄道車輪では、ブレーキディスク1について、隣り合うフィン部3同士の間に円周方向に沿ってリブ7を追加し、更に、このリブ7の円周方向の中央部に径方向に沿ってスリット7aが形成されている。
 このBD付き鉄道車輪によれば、スリット7aによってガス流れが確保される。このため、制動時にブレーキディスク1への冷却性能が維持されるとともに、リブの追加による剛性の増加が緩和されることから、ブレーキディスク1の熱膨張に伴う変形及び締結用ボルトへの応力負荷が軽減され、ブレーキディスク1及びボルトの耐久性の低下が抑えられる。
特開2006-9862号公報 特開2007-205428号公報 国際公開WO2010/071169号パンフレット
 上述のとおり、空力音の低減を図る従来のBD付き鉄道車輪は、ブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間内のガス流れを抑制することを主眼にして、ディスクブレーキの円板部にリブを追加したり、更にそのリブにスリットを形成したものである。このため、ブレーキディスクの形状が複雑になることから、ブレーキディスクの生産性が低下せざるを得ない。
 具体的には、フィン部のみならず、リブの高さを調整する追加工(機械加工等)が必要となり、更には、リブにスリットを形成する追加工が必要となるため、ブレーキディスクの製造工程が煩雑化する。とりわけ、ブレーキディスクを鍛造によって製造する場合には、金型への負荷が増大し、金型寿命が短くなることは否めない。
 本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、下記の特性を有するブレーキディスク付き鉄道車輪を提供することである:
 高速走行中の空力音を抑制しつつ、ブレーキディスクが簡素な形状で生産性に優れたものであること。
 本発明の一実施形態であるブレーキディスク付き鉄道車輪は、
 ボス部、リム部、及びこれらを結合する板部を備えた鉄道車両用の車輪と、
 表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部、及び前記円板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部を備えたブレーキディスクと、を備え、
 2枚の前記ブレーキディスクが個々の前記摺動面を外向きにした状態で前記車輪の前記板部を挟み込み、前記摺動面内の領域で締結されたブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
 前記ブレーキディスクと前記車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面の面積について、この断面積の最小となる最小断面部が、前記円板部の外周面と前記リム部の内周面とで形成される領域のうちで前記円板部の前記外周面の最も裏面側に存在し、
 前記最小断面部の面積が2500mm以上、7000mm以下である。
 前記最小断面部の面積は、3000mm以上であることが好ましい。
 上記のBD付き鉄道車輪は、前記円板部の外径が一定である構成とすることができる。
 本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪は、下記の顕著な効果を有する:
 高速走行中の空力音を抑制しつつ、ブレーキディスクが簡素な形状で生産性に優れたものであること。
図1Aは、ブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、1/4円部分の平面図を示す。 図1Bは、ブレーキディスク付き鉄道車輪の全体構造を示す図であって、半円部分の径方向に沿った断面図を示す。 図2Aは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を示す。 図2Bは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクを裏面側から見た平面図を示す。 図2Cは、従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、径方向に沿った断面図を示す。 図3Aは、特許文献3に開示された従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、ブレーキディスクの裏面を内周面側から見た斜視図を示す。 図3Bは、特許文献3に開示された従来のブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を局所的に示す図であって、径方向に沿った断面図を示す。 図4は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における開口面積の総和と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。 図5Aは、本発明の一実施形態であるブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を示す、径方向に沿った断面図である。 図5Bは、図5Aのブレーキディスク付き鉄道車輪を局所的に示す断面図であり、図5Aの矩形領域を示している。 図6Aは、解析で比較形態として用いたブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を示す、径方向に沿った断面図である。 図6Bは、図6Aのブレーキディスク付き鉄道車輪を局所的に示す断面図であり、図6Aの矩形領域を示している。 図7は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。 図8は、特許文献3に開示された、1/3オクターブバンド処理を行った中心周波数と騒音レベルとの関係を示す図である。
 前記特許文献3に記載されているとおり、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間、その中でもブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間を流れる空気の通気量と、空力音のレベルとの間には、強い相関がある。
 図4は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における開口面積の総和と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。ここでいう開口面積の総和とは、ブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間について、ブレーキディスクの内周側から見たときの開口面積の円周方向全域にわたる総和のことである。言い換えると、開口面積の総和は、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面(以下、「空間横断面」)について、この空間横断面の面積の最小となる最小断面部の面積のことである。例えば、前記図3A及び図3Bに示すBD付き鉄道車輪のように、ブレーキディスクのフィン部同士の間にリブが追加され、このリブにスリットが形成されている場合、最小断面部はリブの位置になるので、このリブの位置での空間横断面の面積が図4に示す開口面積の総和となる。なお、通気量は熱流体解析(ブレーキディスク1枚あたり)によって得られ、空力音のレベルは実験により得られたものである。
 図4に示すように、空力音レベルは最小断面部の面積(開口面積の総和)の増加に伴って大きくなり、通気量も同様の傾向となるのがわかる。つまり、通気量と空力音レベルの間には強い相関がある。このため、空力音レベルの評価は通気量を指標として行うことができ、通気量の抑制は空力音の抑制につながる。そして、通気量を抑制するには、空間横断面の最小断面部の面積を適切に規定すればよい。
 この点、前記特許文献2、3に示す従来のBD付き鉄道車輪では、ブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間に着目し、この空間に空間横断面の最小断面部を配置してガス流れを制限するために、ディスクブレーキの円板部にリブを追加したり、更にそのリブにスリットを形成している。これに起因し、上記の課題が顕在化する。
 そこで、本発明者は、上記課題を解決するために、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間のうち、従来技術で着目していたブレーキディスクの円板部及びフィン部、並びに車輪の板部で囲まれた空間ではなく、ブレーキディスクの円板部の外周領域、すなわちブレーキディスクの円板部の外周面と車輪のリム部の内周面とで形成される領域に限定して着目した。そして、その限定した領域のうちで円板部の外周面の最も裏面側(以下、「円板部外周面の裏面部」)に空間横断面の最小断面部を配置し、熱流体解析による数値計算を用いて通気量を調査した。その結果、最小断面部としたブレーキディスクの円板部外周面の裏面部における空間横断面の面積を適切に規定すれば、通気量を従来技術相当に抑制し、空力音を抑制できるとの知見を得て、本発明を完成させた。
 以下に、本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪の実施形態について詳述する。
 図5Aは、本発明の一実施形態であるブレーキディスク付き鉄道車輪の構造を示す、径方向に沿った断面図である。図5Bは、図5Aのブレーキディスク付き鉄道車輪を局所的に示す断面図であり、図5Aの矩形領域を示している。以下では、前記図1A、図1B及び図2A~図2Cに示す従来のBD付き鉄道車輪と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。
 図5A及び図5Bに示すように、本実施形態におけるブレーキディスク1は、円板部2と、フィン部3を備える。このブレーキディスク1は、前記図3A及び図3Bに示すようなリブ7を有しない。要するに、円板部2の裏面2bには、放射状に複数のフィン部3が突設されているのみである。
 ブレーキディスク1の材質としては、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、アルミニウム、カーボン等を採用することができる。
 なお、厳密には、ブレーキディスク1の表面2aのうちの摺動面となる領域は、一段高くなっている。ブレーキディスク1は、繰り返しの制動に伴って摺動面が摩耗し、摺動面の摩耗が円板部2の表面2aの高さまで進行すると、交換される。
 車輪10は、ボス部11と、リム部12と、板部13を備える。リム部12の内周面12bは、リム部12の側面12aにつながるコーナー面12ba、及びコーナー面12baと板部13の側面13aとにつながるフィレット面12bbを含む。
 コーナー面12ba及びフィレット面12bbの形状は、車両の仕様に応じて設計される。例えば、コーナー面12baは、車輪10の軸方向に沿った断面での輪郭形状が円弧状であって、曲率半径が一定の単一のR面である。フィレット面12bbは、車輪10の軸方向に沿った断面での輪郭形状が直線と円弧を組み合わせた形状であって、円錐台状のテーパー面と曲率半径が一定のR面を組み合わせた複合面である。もっとも、フィレット面12bbは、単一のR面であってもよいし、曲率半径が変化する自由曲面であってもよい。
 ここで、本実施形態のBD付き鉄道車輪では、ブレーキディスク1と車輪10との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する空間横断面について、この空間横断面の面積の最小となる最小断面部が、ブレーキディスク1の円板部2の外周面2cと車輪10のリム部12の内周面12bとで形成される領域に存在する。具体的には、円板部2の外周面2cのうちで最も裏面2b側に存在する(図5B中で符号「a1」を付した円板部外周面の裏面部を参照)。
 この状態を実現するために、ブレーキディスク1の円板部外周面2cの裏面部a1が、車輪10のリム部12の内周面12bに最も接近している。例えば、円板部2の外径が715mmのブレーキディスク1の場合、円板部外周面2cの裏面部a1とリム部12の内周面12bとの最小隙間gは、1.3~3.1mm程度である。この最小隙間gは、円板部2の裏面2bの延長線がリム部12の内周面12bと交差する部分b1と、円板部外周面2cの裏面部a1との間隔に相当する。円板部2の外径は一定であることが好ましい。機械加工を容易に行えるからである。
 特に、本実施形態のBD付き鉄道車輪では、円板部外周面2cの裏面部a1における空間横断面の面積は、2500mm以上、7000mm以下とする。この断面の面積は、3000mm以上であることが好ましい。このような数値範囲は、下記の熱流体解析及びその解析結果に基づく考察から導かれたものである。
[熱流体解析]
 前記図5A及び図5Bに示すBD付き鉄道車輪について、走行速度が360km/hと一定である高速走行時を模擬して熱流体解析を行い、空間横断面の最小断面部での通気量を評価した。その際、円板部外周面2cの裏面部a1とリム部12の内周面12bとの最小隙間gを種々変更することにより、円板部外周面2cの裏面部a1(最小断面部)における空間横断面の面積を種々変更したモデルを用いた。
 また、比較のために、図6A及び図6Bに示すように、フィン部3同士の間にスリット7a付きのリブ7を追加したBD付き鉄道車輪のモデルと、スリット7a付きのリブ7は設けられていないBD付き鉄道車輪のモデルとを用いた。図6A及び図6Bに示すBD付き鉄道車輪は、前記特許文献3に開示されたBD付き鉄道車輪、すなわち前記図3A及び図3Bに示す従来のBD付き鉄道車輪と同じであり、円板部外周面2cの裏面部a1とリム部12の内周面12bとの最小隙間gが大きいものである。比較形態のモデルのうちスリット7a付きのリブ7が設けられたものでは、フィン部7の位置が空間横断面の最小断面部であり、スリット7aの深さdを種々変更することにより、最小断面部での空間横断面の面積を種々変更した。本実施形態及び比較形態は、いずれも、ブレーキディスクを中央締結したものである。
 下記の表1に、解析に用いたBD付き鉄道車輪のモデルの条件を示す。ブレーキディスク1と車輪10との間に形成された空間全体を通して、最小断面部は、本実施形態では、円板部2の外周面2cとリム部12の内周面12bとで形成される領域にあり、比較形態では、円板部2の裏面2b外周部と板部13との間(リブが設けられたものはスリット部)にある。なお、円板部2と板部13との間にフィン部3が存在すること等により、最小断面部は、BD付き鉄道車輪の一断面のみからは一意的には決まらない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 その他に、解析モデルの代表的な条件は、次のとおりである。
<ブレーキディスク>
 ・新幹線(R)用の鍛鋼ディスク
 ・円板部の内径:417mm
 ・円板部の摺動面からフィン部の先端面(車輪板部との接触面)までの長さ:45mm
 ・直径が560mmの同一円上に中心が位置する12個のボルト孔を等間隔に形成し、各ボルト孔にボルトを挿通してブレーキディスクと車輪を締結。
<車輪>
 ・新幹線(R)用の圧延車輪
 ・内径:196mm、外径:860mm、リム部の径方向厚み:60mm
[解析結果及び考察]
 図7は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。なお、同図に示す空力音レベルは、前記図4に示したものと同じである。図7には、内周締結型ブレーキディスクを備えたBD付き鉄道車輪の空力音レベルを、破線で示している。
 図7に示すように、最小断面部での空間横断面の面積と通気量との関係は、本実施形態のBD付き鉄道車輪と比較形態の従来のBD付き鉄道車輪とで一致する。このことから、空力音レベルの関係についても、本実施形態のBD付き鉄道車輪と比較形態の従来のBD付き鉄道車輪で一致すると言える。
 空力音レベルは、図7に示すように、最小断面部の面積の減少に伴って小さくなる。このため、空力音レベルを小さくするには、最小断面部の面積を小さくし、通気量を小さくすればよい。ただし、最小断面部の面積を2500mmより小さくしても、空力音レベルは変化しない。また、最小断面部の面積を小さくし過ぎると、通気量が小さくなるため、ブレーキディスクへの冷却性能が低下するという問題が生じる。これらのことから、最小断面部の面積の下限は、2500mmとする。その下限は、好ましくは、3000mmとし、より好ましくは3500mmとする。
 図8は、特許文献3に開示された、1/3オクターブバンド処理を行った中心周波数と騒音レベルとの関係を示す図である。ここでいう騒音レベルとは、空力音レベルのことである。また、同図中の開口面積の総和とは、空間横断面の面積の最小となる最小断面部の面積のことである。
 図8に示す図は、走行速度が360km/hと一定である高速走行時を想定した実験により得られたものである。実験では、ブレーキディスクを備えていない鉄道車輪、リブの無いブレーキディスクを備えたBD付き鉄道車輪、及びスリット付きのリブが追加されたBD付き鉄道車輪が用いられている。スリット付きのリブが追加されたBD付き鉄道車輪は、前記図3A及び図3Bに示す従来のBD付き鉄道車輪、すなわち前記図6A及び図6Bに示す比較形態のBD付き鉄道車輪と同じである。このスリット付きのリブが追加されたBD付き鉄道車輪としては、リブの位置に相当する最小断面部での空間横断面の面積が18000mmであるものと、7000mmであるものが採用されている。
 図8に示すように、リブの位置に相当する最小断面部での空間横断面の面積が7000mmであるBD付き鉄道車輪の場合、その面積が18000mmであるBD付き鉄道車輪の場合と比較し、中心周波数が800Hz~1250Hzの周波数帯域の空力音を顕著に低減することができる。一方、上述した熱流体解析の結果から、最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベルとの関係は、本実施形態のBD付き鉄道車輪と比較形態の従来のBD付き鉄道車輪で一致する。これらのことから、本実施形態のBD付き鉄道車輪において、最小断面部の面積の上限は、7000mmとする。その上限は、より好ましくは6000mmとする。
 このような構成の本実施形態のBD付き鉄道車輪において、前記図5A及び図5Bに示すように、ブレーキディスク1は、リブ7を有さず、円板部2の裏面にフィン部3を備えるのみであり、簡素な形状である。このため、ブレーキディスク1の製造工程が煩雑化することはなく、ブレーキディスク1の生産性は優れる。ブレーキディスク1を鍛造によって製造する場合であっても、金型への負荷が増大することはなく、金型寿命が短くなることもない。
 また、本実施形態のBD付き鉄道車輪は、ブレーキディスク1の円板部外周面2cの裏面部a1に空間横断面の最小断面部を配置し、この最小断面部での空間横断面の面積の範囲を規定しているので、空力音を従来技術相当に抑制することができる。
 本発明のブレーキディスク付き鉄道車輪は、ディスクブレーキを有するあらゆる鉄道車両に有効に利用することができ、中でも、高速鉄道車両に有用である。
  1:ブレーキディスク、
  2:円板部、  2a:表面、  2b:裏面、  2c:外周面、
  3:フィン部、  4:ボルト孔、  5:ボルト、  6:ナット、
  7:リブ、  7a:スリット、
  10:車輪、  11:ボス部、
  12:リム部、  12a:側面、  12b:内周面、
  12ba:コーナー面、  12bb:フィレット面、
  13:板部、  13a:側面

Claims (2)

  1.  ボス部、リム部、及びこれらを結合する板部を備えた鉄道車両用の車輪と、
     表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部、及び前記円板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部を備えたブレーキディスクと、を備え、
     2枚の前記ブレーキディスクが、個々の前記摺動面を外向きにした状態で前記車輪の前記板部を挟み込み、前記摺動面内の領域で締結されたブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
     前記ブレーキディスクと前記車輪との間に形成された空間を円周方向に沿って横断する断面の面積について、この断面積の最小となる最小断面部が、前記円板部の外周面と前記リム部の内周面とで形成される領域のうちで前記円板部の前記外周面の最も裏面側に存在し、
     前記最小断面部の面積が2500mm以上、7000mm以下である、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
  2.  請求項1に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
     前記円板部の外径が一定である、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
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