JP6123916B2 - ブレーキディスク付き鉄道車輪 - Google Patents

Description

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、「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にわたって車輪１０の板部１３の側面１３ａに圧接した状態で、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、空力音と称される騒音を誘発する。このため、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：
・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；
・高速走行中の空力音を有効に低減すること。

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に存在し、
前記円板部の前記外周面が、前記最小断面部を起点にした外側の領域で、前記リム部の前記内周面に沿った形状である。

上記のＢＤ付き鉄道車輪において、前記リム部の前記内周面は、前記リム部の側面につながるコーナー面、及び前記コーナー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面を含み、前記最小断面部は、前記リム部の前記内周面のうちで前記コーナー面と前記フィレット面との境界に存在する構成とすることができる。

上記のＢＤ付き鉄道車輪において、前記リム部の前記内周面は、前記リム部の側面につながるコーナー面、及び前記コーナー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面を含み、前記最小断面部は、前記リム部の前記内周面のうちで前記フィレット面の領域に存在する構成とすることもできる。この構成の場合、前記最小断面部は、前記円板部の前記外周面のうちで最も裏面側に存在することが好ましい。

また、上記のＢＤ付き鉄道車輪において、前記リム部の前記内周面における前記コーナー面は、軸方向に沿った断面での輪郭形状が円弧状である構成を採用することができる。

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：
・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；
・高速走行中の空力音を有効に低減できること。

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、非定常ガス流れ解析で得られた固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）におけるガス圧力変動の分布を示す図である。 図５Ｂは、非定常ガス流れ解析で得られた固体表面（ブレーキディスクを透過して表示）におけるガス圧力変動の分布を示す図である。 図６Ａは、本発明の第１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７Ａは、本発明の第２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７Ｂは、図７Ａ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７Ａの矩形領域を示している。 図８Ａは、本発明の第３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８Ｂは、図８Ａ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８Ａの矩形領域を示している。 図９Ａは、実施例の解析で比較例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９Ｂは、図９Ａ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９Ａの矩形領域を示している。 図１０は、実施例の解析結果である放熱量と空力音レベルの関係を示す図である。 図１１は、実施例の解析結果である通気量の経時変化を示す図である。

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が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。

しかし、実際には、空力音は、ガス圧力の非定常変化（粗密波の伝播現象）よって引き起こされる。このため、空力音の発生を数値解析で予測する際には、本質的に非定常的なガス流れの変化及びそれに伴う音圧の変化を直接的に評価することが好ましい。

そこで、前記図３Ａ及び図３Ｂに示す従来のＢＤ付き鉄道車輪、すなわちフィン部同士の間にスリット付きのリブを追加したＢＤ付き鉄道車輪を対象とし、非定常ガス流れ解析に基づく空力音レベルの直接予測を実施した。この解析では、走行速度は３６０ｋｍ／ｈと一定にした。

非定常ガス流れ解析に用いたＢＤ付き鉄道車輪の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、円板部の外径：７１５ｍｍ
・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

まず、前記特許文献２に記載された方法によって空力音レベルの測定を行い、非定常ガス流れ解析の計算手法の妥当性を検証した。具体的には、実験により、精密騒音計で音圧データを計測後、周波数分析を行い、Ａ特性補正を加えた後、１／３オクターブバンド処理を実施し、周波数特性データとオーバーオール値を算出した。そして、オーバーオール値について、実験値（１１４．５［ｄＢ（Ａ）］）と計算値（１１４．８［ｄＢ（Ａ）］）を対比し、両者の整合性を確認した。

図５Ａ及び図５Ｂは、非定常ガス流れ解析で得られた固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）におけるガス圧力変動の分布を示す図である。図５Ａは、ブレーキディスク及び車輪の表面のいずれも表示したものであり、図５Ｂは、そのうちのブレーキディスクを透過して表示したものである。

図５Ａ及び図５Ｂに示す固体表面におけるガス圧力変動は、圧力の時間微分値の二乗平均量を示し、これは固体表面（ブレーキディスク及び車輪の表面）における音源分布に相当する。図５Ａ及び図５Ｂ中の濃淡表示の濃い部分の分布から明らかなように、走行中の主要音源は、ブレーキディスクと車輪との間に形成された空間の中でも、ガス流出領域及びこの近傍、すなわちブレーキディスクの円板部の外周領域及びこの近傍に現れる。

このことから、本発明では、空力音の低減を図るため、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、ガス流出領域となる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、上記の非定常ガス流れ解析による数値計算を用い、ブレーキディスクの円板部の外周領域の形態が空力音レベル及び冷却性能に及ぼす影響について調査した。その結果、ブレーキディスクの外周面の形状を適切に規定すれば、冷却性能を従来技術相当又はそれ以上に維持しながらも、空力音レベルを一層抑制できるとの知見を得て、本発明を完成させた。

一般に、ガス流れは、方向変化が急激であればある程、粘性応力による運動エネルギーの散逸が大きくなり、その分、音を生成するエネルギーへと転換しやすくなる。この点、本発明は、ガス流出領域のガス流れに着目し、ブレーキディスクと車輪との間からのガス流れ方向が、車輪のリム部の表面（側面）に沿うように調整し、ブレーキディスクの回転に伴って発生する摺動面に沿った半径方向外向きのガス流れと小さい角度で合流するようにする。これにより、音源となりやすい合流点近傍でのガス流れの方向変化が極小化し、空力音の低減が実現される。

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。

＜第１実施形態＞
図６Ａは、本発明の第１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。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６Ａ及び図６Ｂに示すように、第１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（図６Ｂ中の点ｂ１から点ｂ３の範囲）は、リム部１２の側面１２ａにつながるコーナー面１２ｂａ（図６Ｂ中の点ｂ１から点ｂ２の範囲）、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（図６Ｂ中の点ｂ２から点ｂ３の範囲）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、第１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、リム部１２の内周面１２ｂのうちでコーナー面１２ｂａとフィレット面１２ｂｂとの境界ｂ２に存在する。

これに対応し、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃ（図６Ｂ中の点ａ１から点ａ３の範囲）は、リム部１２のコーナー面１２ｂａとフィレット面１２ｂｂとの境界ｂ２に対向する位置ａ２を起点にし、ここから厚み方向に沿って外側（表面２ａ側）の領域（図６Ｂ中の点ａ１から点ａ２の範囲）の形状が、リム部１２の内周面１２ｂのうちのコーナー面１２ｂａに沿った形状となっている。すなわち、その領域の範囲内において、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とが近接して対向している。ここでいう近接するとは、１〜５ｍｍ程度の隙間があいていることをいう。一方、その領域を外れる内側（ブレーキディスク１の裏面２ｂ側）の領域（図６Ｂ中の点ａ２から点ａ３の範囲）において、円板部２の外周面２ｃはリム部１２の内周面１２ｂに沿わずに離れている。

このような構成のＢＤ付き鉄道車輪において、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。もっとも、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃは、車輪１０のリム部１２の内周面１２ｂの形状に応じた形状に機械加工を施す必要はあるが、この機械加工は、従来のリブやスリットの追加工とは異なり、ブレーキディスク１の一連の機械加工の中で簡単に行える。

また、第１実施形態のＢＤ付き鉄道車輪によれば、高速走行中、ブレーキディスク１と車輪１０との間を流れる空気は、最終的にリム部１２の内周面１２ｂ（コーナー面１２ｂａ）に沿いつつリム部１２の側面１２ａに沿うように流出する（図６Ｂ中の実線矢印参照）。このため、ブレーキディスク１と車輪１０との間から流出した空気は、ブレーキディスク１の回転に伴って発生する摺動面に沿った半径方向外向きのガス流れ（図６Ｂ中の点線矢印参照）と小さい角度で合流するようになる。これにより、音源となりやすい合流点近傍でのガス流れの方向変化が極小化するので、空力音が有効に低減する。

＜第２実施形態＞
図７Ａは、本発明の第２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７Ｂは、図７Ａ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７Ａの矩形領域を示している。第２実施形態のＢＤ付き鉄道車輪は、前記第１実施形態の構成を基本とし、前記第１実施形態に対し以下の点を変更したものである。

第２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との間の空間横断面の最小断面部が、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のうち、リム部１２のフィレット面１２ｂｂの領域に存在する（図７Ｂ中の点ｂ４参照）。

これに対応し、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃ（図７Ｂ中の点ａ１から点ａ３の範囲）は、リム部１２のフィレット面１２ｂｂにおける最小断面部（図７Ｂ中の点ｂ４）に対向する位置ａ４を起点にし、ここから厚み方向に沿って外側（表面２ａ側）の領域（図７Ｂ中の点ａ１から点ａ４の範囲）の形状が、リム部１２の内周面１２ｂのうちのコーナー面１２ｂａ及びフィレット面１２ｂｂの一部に沿った形状となっている。すなわち、その領域の範囲内において、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とが近接して対向している。一方、その領域を外れる内側（ブレーキディスク１の裏面２ｂ側）の領域（図７Ｂ中の点ａ４から点ａ３の範囲）において、円板部２の外周面２ｃはリム部１２の内周面１２ｂに沿わずに離れている。

このような構成の第２実施形態のＢＤ付き鉄道車輪でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

＜第３実施形態＞
図８Ａは、本発明の第３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８Ｂは、図８Ａ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８Ａの矩形領域を示している。第３実施形態のＢＤ付き鉄道車輪は、前記第２実施形態の態様を変形したものである。

すなわち、第３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との間の空間横断面の最小断面部が、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のうち、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８Ｂ中の点ａ３参照）。

ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃ（図８Ｂ中の点ａ１から点ａ３の範囲）は、最も裏面２ｂ側の位置ａ３を起点にし、ここから厚み方向に沿って外側（表面２ａ側）の領域の形状が、リム部１２の内周面１２ｂのうちのコーナー面１２ｂａのほぼ全面及びフィレット面１２ｂｂの一部に沿った形状となっている。すなわち、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃは、厚み方向の全域にわたり車輪１０のリム部１２の内周面１２ｂに近接して対向している。

この場合、ブレーキディスク１と車輪１０との間の空間横断面の最小断面部は、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃのうちで最も裏面２ｂ側の位置ａ３に対応して、車輪１０のリム部１２のフィレット面１２ｂｂの領域に存在する（図８Ｂ中の点ｂ５参照）。

このような構成の第３実施形態のＢＤ付き鉄道車輪でも、前記第１実施形態と同様の効果を奏する。

本発明のＢＤ付き鉄道車輪による効果を確認するため、非定常ガス流れ解析及び熱流体解析を実施し、空力音レベル、冷却性能及び通気量を評価した。解析の対象は、本発明例１として、前記図６Ａ及び図６Ｂに示す第１実施形態のＢＤ付き鉄道車輪を採用し、本発明例２として、前記図８Ａ及び図８Ｂに示す第３実施形態のＢＤ付き鉄道車輪を採用した。

また、比較例として、図９Ａ及び図９Ｂ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付き鉄道車輪を採用した。図９Ａ及び図９Ｂに示すＢＤ付き鉄道車輪は、前記図３Ａ及び図３Ｂに示す従来のＢＤ付き鉄道車輪と同じである。比較例のＢＤ付き鉄道車輪では、ブレーキディスク１の円板部２の外周面２ｃは、リム部１２の内周面１２ｂに沿わずに離れている。

本発明例１及び２並びに比較例のＢＤ付き鉄道車輪は、いずれも、ブレーキディスクを中央締結したものである。

解析に用いたＢＤ付き鉄道車輪のモデルの代表的な条件は、上述した非定常ガス流れ解析のときと同じである。また、非定常ガス流れ解析の手法も同様である。非定常ガス流れ解析及び熱流体解析のいずれも、走行速度が３６０ｋｍ／ｈと一定にした。

冷却性能の評価指標としては、ブレーキディスク１枚あたりの表面の平均熱伝達率と表面積の積算値で定義した放熱量を導入した。この放熱量が大きいほど、冷却性能が優れることを意味する。

通気量の評価は、ブレーキディスクと車輪との間の空間横断面の最小断面部での通気量の時間平均、及びその変動幅で行った。
下記の表１、図１０及び図１１に結果を示す。

図１０は、実施例の解析結果である放熱量と空力音レベルの関係を示す図である。図１１は、実施例の解析結果である通気量の経時変化を示す図である。表１及び図１０に示すように、本発明例１、２は、比較例と同等以上の冷却性能としながら、空力音レベルをより低減できることを確認できる。また、本発明例１、２は、比較例よりも最小断面部の面積が大きいため、平均通気量が増加し、冷却性能が高い。しかも、表１及び図１１に示すように、本発明例１、２は、比較例よりも通気量の変動幅が小さく、静音性が向上する。このことから、設計因子である最小断面部の面積を適宜変更することにより、ＢＤ付き鉄道車輪の静音性、及び制動時におけるブレーキディスクの冷却性能を適切に制御することが可能といえる。

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 (5)

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に存在し、
   前記円板部の前記外周面が、前記最小断面部を起点にした外側の領域で、前記リム部の前記内周面に沿った形状である、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において、
   前記リム部の前記内周面は、前記リム部の側面につながるコーナー面、及び前記コーナー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面を含み、
   前記最小断面部は、前記リム部の前記内周面のうちで前記コーナー面と前記フィレット面との境界に存在する、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
3. 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、
   前記リム部の前記内周面は、前記リム部の側面につながるコーナー面、及び前記コーナー面と前記板部の側面とにつながるフィレット面を含み、
   前記最小断面部は、前記リム部の前記内周面のうちで前記フィレット面の領域に存在する、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
4. 請求項３に記載のブレーキディスク付き鉄道車輪であって、
   前記最小断面部は、前記円板部の前記外周面のうちで最も裏面側に存在する、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載のブレーキディスク付き鉄道車輪において、
   前記リム部の前記内周面における前記コーナー面は、軸方向に沿った断面での輪郭形状が円弧状である、ブレーキディスク付き鉄道車輪。

Images