JPH03504112A - 鉄道車輪 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 鉄道車輪 技術分野 本発明は、車両工学に関し、特に鉄道車輪の構造に関する。

背景技術 平坦な、円錐形のまたは曲線の輪郭の外板を接合するシステムで構成された外板 の形態のデスクを有する鉄道車輪が知られている。接合外板の数を変え、かつデ スクの輪郭の中間縦軸線の傾斜角を変えることにより、車輪の疲労と動的強度を 増加させることができる。それと共に、次のようなものに対する最も重要な応力 とそれらの組合わせが考慮される。すなわち、 −転り円の平面において作用する垂直な力に対し、−リムの***に加わるレール の側圧に対し、−これらの力の組合わせに対し、 一デスクまたはブロックブレーキの作用による車輪の不均一な加熱に対し。

広く適用されている車輪構造は、デスクが間に介在している車輪リムとハブを有 し、デスクの中間縦軸線が傾斜した直線の形状を有し、デスクは、リムおよびハ ブの輪郭と半径曲線により接合する直線母線を有し、リムの外側およびハブの内 側の輪郭が逆の曲率の相互連結される半径曲線により果たされる。

この車輪の欠点のうちには、 一デスクの垂直方向と半径方向の剛性が高いこと、−デスクとハブの間およびデ スクとリムの間の移行領域の残留応力が著しいこと、 一作動中の移行領域の交番応力が高いこと、−ブレーキが長びくうちにハブが初 期位置に対し軸方向に変位する傾向があること、 一スタンピングと曲げ作業中に製造上の困難があることなどがある。

前述した構造の車輪の改良は、次のことにより不可能である。というのは、疲労 と動的強度をより高くするには、デスクとしリムの間およびデスクとハブの間の 移行領域を補強することによってしか達成できず、補強すると、車輪の剛性がよ り高くなって、上記の欠点をより悪化させ、これに伴って車輪製造に必要な金属 がより多くなる。

また、周知の鉄道車輪（ソ連、発明者証、第１．１０９．３２４号参照）として 、間にデスクが介在した状態で接合するリムとハブを有し、デスクの輪郭の中間 縦軸線が、リムの側で垂直な直線部分でかつ／−ブの側で傾斜した直線部分で構 成され、またこれらの直ｉ部分の間に配置されかつ逆の曲率の二つの半径曲線で 構成された曲線部分を有し、デスクの曲線状母線がリムおよびハブの輪郭と半径 曲線により接合しており、一方面積が、等寸法である軸方向円筒面によりデスク を切ることにより区画され、デスクの輪郭の中間縦軸線が、ハブにおいてハブの 輪郭の中間縦軸線に対して車輪の内側に向がってずらされているものがある。

しかしながら、この車輪もいくつかめ固有の欠点と無関係ではない。それらのう ちには、半径方向剛性と残留応力が著しいこと、移行領域の接線方向および半径 方向応力が比較的高いことがあり、最も不利なのは、ブレーキが長びいている間 のデスクの応力状態が非常に高いことである。

発明の開示 本発明は、デスクの輪郭により、複合荷重が与えられたときに車輪に起こる応力 の相互補正が確保されるような鉄道車輪の構造を提供することを目的とする。

本発明の目的は、次のようにして達成される。すなわち、デスクが間に介在する 状態で接合する車輪りムとハブを有し、デスク輪郭の中間縦軸線は、間に曲線部 分が配置された直線部分を有し、デスクは、式％式％（１） から決定される半径の半径曲線によりリムとハブの輪郭を接合する曲線の母線を 有し、ハブと同時の円筒状の正割面により区画されるデスクの横断面積は等寸法 であり、デスクの中間縦軸線とハブの接合点がハブの中間からずらされ、かつデ スクの輪郭の中間縦軸線が、間に曲線部分が介在している直線部分を有する鉄道 車輪において、リムの側にあるデスク輪郭の中間縦軸線の直線部分が、式 ％式％（２） により描かれる第一曲線部分と接合しており、第一曲線部分は、式 ％式％（３） により描かれる第二曲線部分と接合し、第二曲線部分は、式 ％式％（４） により描かれる第三曲線に延びており、第三曲線部分は、ハブの輪郭の中間縦軸 線と平行なかつそれから車輪の外側に向かって ０．１９Ｌ≦Ｈ≦０．２１Ｌ　　　　　　　　　（５）だけずらされたハブの側 の直線部分と接合しており、ここでＸとｙは、ハブの外径に等しい直径を有する 円筒の母線と転り円の投影との交差点で始まる移動座標であり、対応する曲線部 分の諸点の横座標は次の範囲内にあり：第一曲線部分について、 第二曲線部分について、 ｄ　　　　　　　　　　　　　ｄ ０．２８７Ｄ−□≧Ｘ≧０．２４８Ｄ−−（７）第三曲線部分について、 ｄ　　　　　　　　　　　　　ｄ ０．２４８Ｄ−□≧Ｘ≧０．　１５０Ｄ　−−（８）ここでＤは転り面の直径で あり、Ｌはハブの長さであり、Ｈはハブの中点に対するデスクの中間縦軸線のず れの大きさであり、そしてｄはハブの外径であることにより達成される。

提案された鉄道車輪は使用試験され、そしてその試験によれば、大抵の臨界領域 の応力が２のファクタだけ平均的に減少し、ブレーキ中に車輪がハブから変位す る傾図面の簡単な説明 第１図は本発明による鉄道車輪の輪郭を示し、第２図は本発明による車輪輪部の 構造を示し、第３図は車輪デスクの応力の分布を示し、第４図は周知の平坦な円 錐状車輪デスクの応力分布を示し、第５図は周知の曲線の車輪デスクの応力分布 を示す。

発明を実施するための最良の形態 第１図を参照すると、提案された鉄道車輪は、リム１、デスク２およびハブ３と からなる。デスク２の形状は、０．０４Ｄから０．０６ｄの範囲にわたる半径の 半径曲線によりリム１およびハブ３の形状と接合しており、一方デスクの輪郭の 曲線部分は三つの部分で構成されている。すなわち、 次式により描かれる第一部分ＡＢ Ｙ−−０，００７４ｘ３＋０．４１２０ｘ２−７．２５００ｘ＋３８．７００（ １）（２）、次式により描かれる第二部分ＢＣ および次式により描かれる第三部分ＣＥＹ−−０．０１２９ｘ２＋０．０３３５ ｘ−０，９８００（３）（４）それ故、ＡＥは中間の縦軸線４の曲線部分であり 、点Ｅは第三曲線部分ＣＥと直線５との交差で得られ、その直線５はハブ３の中 間縦軸線６と平行に走っていてかつそこから車輪の外側に向かって次の大きさだ けずらされている。

０．１９Ｌ≧Ｈ≧０．２１Ｌ　　　　　　　　　　（５）以下に述べるのは、本 発明による鉄道車輪の形状を設計するための例である。

初めの構造データ：Ｄ−車輪の直径、ｌ、　−ｔ＼ブの長さ、ｄ−ハブの外径、 ｈ−臨界断面（点Ａまたは点Ｅ）におけるデスクの設計厚さ。本発明の請求の範 囲により、座標の出発点は、転り円の投影と、ノ＼ブ３の外径ｄに等しい直径を 有する円筒の母線との交差点に置かれる。直線５から横座標の軸までの距離のよ うなパラメータを決定するために、直線５と次式の拠物線との接合点を作図する 。

Ｙ−−０，０１２９ｘ　　＋ｏ、０３３５ｘ−０，９８（４）点Ｅの座標は、次 式により疑いなく決定される。

例えば、初期データＤ謡７４０＋ｍ、ｄ−２２０ｍｍ、Ｌ＝１３０ｍ＋＊、Ｈ− ２６＋ｕｅ、およびＲ＝４０ｎとすると、点Ｅの座標は次のようになる。

ＸＥ＝０．１５　・７４−１１−０．１　（ＣＩｌｌ＞　＝１．、　Ｏｍ＋ｍＹ −−０，０１２９（０，１）　２＋０．０３３５・ｏ、ｉ、−ｏ、９８−−０． １　（艶）　−−１，０ｍｍ それから、横座標 Ｘｃす、２４８・７４−１１＝７．３５ｃｍ−７３，５＋ｍの点までの中間縦軸 線４はこの式に従って作図される。

描かれたその場合に、横座標ＸＥ−５０，０を有する曲線部分ＣＥの任意の点Ｅ １は縦座標−１１，５を有する。点Ｃから横座標ＸＢ−１０２，４の点Ｂまで、 諸点の縦座標は次の式に従って計算される。

Ｙ−−０，０００９ｘ”　＋０．０６５８ｘ２−１．３１４０ｘ＋５．５５９２ 　（３）例えば、横座標ＸＥ　　−８８，５の点Ｅ２は縦座標ＹＥ　　−’／　 　１５．４を有し、そして最後に部分ＡＢにおいで、諸点の縦座標は次式に従っ て計算される。

Ｙ”−０，００７４ｘ　　＋０．４１２０ｘ２−７．２５ｘ＋３８．７（２）特 に、横座標Ｘ　　−１０９およびＸＢ□−１５４，５の点Ｉ ＣとＢ　は設計縦座標Ｙ−−９，５およびＹＢ□−一１　　　１　　　　　　　 　　　　Ｃ１２２，６を有する。

初期データの異なる値：　Ｄ−８６０關、ｄ−２４４ｍｍ。

Ｌ＝１５５ｍ＋ｓ、Ｈ”３０ｍｍ、およびＲ−４５ｍｍにおいて、点Ｅの座標− ＸＥ−０，１５−８６−１２，２−０，７（１）−７關 Ｙ　−−０，０１２９（０，７）　２＋０．０３３５・０．７−０．９８−−０ ．９６ｃｍ−９，６ｍｍ 点Ｅ１の座標は同じままである。

Ｘ　尊５０、ＹＥｌ−−１１，５、 Ｅ】 点Ｅ　の座標−Ｘ　　−８８，５、ＹＥ２−−１７．０、な２　　　　　　　　 　Ｂ２ ぜなら、 ＹＥ２−−０．０１２９　（８，８５）　　＋０．０３３５・８．８５−０．　 ９８＝−１，７（ｃａ＋）であるから、 点Ｃの座標−Ｘ　　−１０９、Ｙｏｌ−２１，１、およびｌ　　　　　　　Ｃ１ 点Ｂ　の座標−Ｘ　　−１５４，５、ｙＢ、−−２３，５゜Ｉ　　　　　　　Ｂ ｌ しかしながら、Ｄ−１０８０關、ｄ−３１０ｍｍｌ。

Ｌ＝２ｉ＋■、Ｈ−４０■騰、およびＲ−６０ｍｍのときには、点Ｅの座標は同 じ Ｘ　　−７、ＹＥ−−９，６であり、 点Ｅ１の座標は同じ Ｘ　−５０、ＹＥｌ−−１１，５であり、点Ｅ２の座標は同じ Ｘ−８８，５、ＹＢ２−−１７．０であり、点Ｃの座標−Ｘ０１−１０９、Ｙｏ ｌ−−２１，５である。

点Ｂ１の座標は同じ Ｘ　　−１５４，５、ｙＢｌ−−２３，５である。

式（１）、（２）および（３）による計算は、センチメートルである。

第２図は、曲線部分の接合点から離れて、中間点Ｅ１、ＥＣ，Ｂ、Ｂ　　および Ｂ３を表わす。デスクの厚さは、点Ａを通る区分の予め設定された厚さに従って 円筒状表面により切られたデスクの等寸法面積の条件から計算される。点Ａにお けるデスクの厚さの実際値は、車輪指定に依存して１５〜２５關の範囲内にある 。

それ故、初期の面積は次のようになる。

Ｓ−２πＲＡｈＡ（１１） ここで、ＲＡは点Ａから車輪対の回転軸心までの距離であり、ｈＡは点Ａにおけ るデスクの厚さであり、従って、任意の点Ｘにおけるデスクｈｘの厚さは次の関 係から計算される。

びブレーキ過程で起こる熱荷重、ならびに前述した荷重ここで、Ｒｘは点Ｘから 回転軸心までの距離であり、一方 ここで、ｄはハブの外径であり、Ｒはデスクの母線とリムおよびハブとの接合半 径である。しかし、であるから、 例えば、ｈＡ＝１６ｉ＋ｍであれば、そのときｄ−２４４關、ＸＡ−２０４ｍｍ およびＲ−４５ｍｍについてデスクｈ　の最大厚さは３１關になる。点ＥＩＳＥ ２、Ｃ１およびＢ１におけるデスクの厚さは、それぞれ３２＋ｎ。

２４．８ｍｍ、２２．６ｍｍおよび１９．１ｍｍになる。

デスク２の輪郭とリム１およびハブ３の形状との接合は、半径曲線を用いて描く ことによりなされる。

第３図は、転り円の平面において作用する垂直荷重Ｐ−５０ｔ　（トン−力）、 側面荷重Ｓ−７，５ｔｆ、およ内側の１１方向応力σ２４は、デスクの中心で約 ５０の結合作用の結果として曲線状デスクに起こる全体応力σ　　σ　から描い た半径線σ　および接線σθ力方向Ｒゝ　　θ　　　　　　　　　　　　　Ｒお ける曲線状デスクを有する本発明による実際の車輪の応力状態の概略グラフを示 す。荷重σ２とσ、は、作用Ｋ 相中複合荷重が車輪に及ぼされる際に、応力σ２とσ。

Ｋ のグラフにより特定される。σＲとσ。は、応力の成分を代数的に総計してそれ らの補正をデスクの半径方向に例証することにより得られる。

車輪がレールの上を転がる際に、荷重がリム１を介して、転り円の平面に作用す る垂直力からデスク２およびハブ３（第１図）に伝達され、一方特に彎曲した鉄 道部分上を移動中に起こる動的振動は、リムの***に及ぼされるレールの側圧に 起因する荷重を起こし、前記側圧はまたデスクにも及ぼされる。車輪の作動中、 Ｐ−５０ｔｆの垂直荷重のみによって、部分ＡＢでは、内側に５０ＭＰａになる 圧縮特性を基本的に有する半径方向応カ（第３図）σＲを引き起こし、かつ外側 に約１０ＭＰａの圧縮応力を生ずる。部分ＢＣとＣＥでは、内側に大部分引張応 力が５０ＭＰａのオーダで生じ、一方外側には応力が圧縮性であり、デスクの中 心（部分ＢＣの中点）の−１００ＭＰａから、デスクが／％ブに延びている範囲 の一１０ＭＰａまで変化する。

ＭＰａおよび移行領域で５〜１０ＭＰａの張力である。

外側の接線方向応力は、ｌ０ＭＰａから２０ＭＰａまで変化する交番応力である 。側面荷重Ｓ−７，５ｔｆの作用のみを受けて車輪の作動中、デスクの内側の半 径方向応力は、デスクがリムへ延びている領域を除いて大部分圧縮応力であるが 、デスクが／Ｘブヘ延びている領域で１、５０　Ｍ　Ｐ　ａになり、一方デスク の中心は実質的に応力がない。デスクの内側の接線方向応力σ。は同じ特性を有 する。デスクの外側では、上半分が１００ＭＰａのオーダの圧縮半径方向応力を 受け、一方下半分は約１００ＭＰａの引張応力を受ける。外側の接線方向応力の 変化範囲は、２０〜５０ＭＰａである。前述のことを考慮して、デスクに与えら れる応力の予想されるパターンは、垂直と側面の力から代数学的に総計すること により得られ、次のようになる。

一内側、部分ＡＢ、圧縮カー３０　Ｍ　Ｐ　ａ　、部分ＢＣ−張力５０　Ｍ　Ｐ 　ａ　、部分ＣＥ、張カー１００ＭＰａ。

−外側部分ＡＢ、圧縮カー１１０ＭＰａ、部分ＢＣ。

圧縮カー１００ＭＰａ、部分ＣＥ、張力８０ＭＰａ。

垂直荷重と側面荷重Ｐ−５０ｔｆとＳ−７，５ｔｆの結合作用が与えられた車輪 の試験によれば、デスクの内側に、半径方向応力が次のように分配された。

部分ＡＢで一圧縮力、約４０ＭＰａ、部分ＢＣで一張力、−３０Ｍ　Ｐ　ａ　、 部分ＣＥで一圧縮力、−１００ＭＰａ、および外側では、部分ＡＢで一圧縮力、 １２０ＭＰａ、部分ＢＣで一圧縮力、　　１２０ＭＰａ。

および部分ＣＥで、張力５０　Ｍ　Ｐ　ａ　０デスクの上半分にあるデスクの内 側の接線方向応力は２０ＭＰａのオーダの引張応力であるのに対し、デスクの残 りの部分の接線方向応力は約４０ＭＰａの圧縮応力である。外側では、接線方向 応力の特性が反対で、−１０ＭＰａから５０ＭＰａまでの変化範囲をもっている 。車輪リムとデスクがブレーキに起因する熱により加熱されるので、次の応力が 曲線状デスクに起こる。

内側において、部分ＡＢで一約５０ＭＰａの張力、部分ＢＣで圧縮力、　８０Ｍ Ｐａ、および部分ＣＥで一約−１００ＭＰａの張力、 デスクの外側において、部分ＡＢで一約７０　Ｍ　Ｐ　ａであるが部分ＢＣで１ ３０ＭＰａになり、そして部分ＣＥで変化する徴候の後１００ＭＰａに達する。

接線方向応力の特性は、大きさが比較的小さいけれども大体同じである。理論的 には、機械的な力とブレーキ熱によりデスクに起こる応力を総計すると、外側の 応力は従って一４０ＭＰａ、３０ＭＰａおよび一２０ＭＰａになる。

実際には、使用試験により車輪デスクから負荷が軽減されたことが確認され、か つ試験結果が理論的な推論と一致している。

本発明を具体化する鉄道車輪の利点を示すために、第４図と第５図は、同じ荷重 条件の下での周知の車輪のデスクの応力状態を示す。このグラフから分かるよう に、標準車両のデスクにおける応力変化の範囲は２００ＭＰａになり、周知の車 輪ではこの大きさを越えるのに対し、本発明により構成されたデスクでは、二倍 も小さく、特に約１００ＭＰ　ａになる。前述のことから当然の結果として、提 案された車輪構造は、鉄道車輪の品質を最適化すると共に、いっそう高い安全に より車輪の寿命が延び、一方車輪製造のために消費される金属と労働の量を相当 に減少させることができる。

デスクの中間縦軸線を、ハブの中点に対してリムの***から離れる側へずらすこ とは、平坦な円錐形デスクを有する車輪において、車軸における車輪ハブの位置 の長さしの半分が締りばめの大きさだけ較正リングにより変形されるようにデス クにより変形されるのに対し、周知の原型の車輪ではこの長さの半分より多く変 形されることにより指示される。さらに、ここに提案された車輪の外側における ハブの応力σＲは引張応力であり、車軸とこの側のハブの間の隙間を吸収できる 。それ故、車輪と車軸の間の嵌合の緊密さを少なくとも２０％だけ増加して、複 合荷重の作用下で車軸から車輪ハブをスリップしやすくする。

産業上の利用可能性 本発明は、鉄道列車の中実および組立デスク型車輪を作るために適用できる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 デスク（２）が間に介在する状態で接合する車輪リム（１）とハブ（３）を有し 、デスク（２）は、式Ｒ−（０．０４＋０．０６）Ｄ から決定される半径の半径曲線によりリムおよびハブの輪郭と接合する曲線の母 線を有し、ハブ（３）と同軸の円筒状の正割面により区画されるデスク（２）の 横断面積が等寸法であり、一方デスク（２）の中間縦軸線（４）とハブ（３）と の接合点がハブの中央からずらされ、デスク（２）の輪郭の中間縦軸線（４）は 、曲線部分が間に介在した直線部分を有する鉄道車輪において、リムの側にある デスク輪郭の中間縦軸線の直線部分が、式Ｙ−０．００７４ｘ３＋０．４１２０ ｘ２−７．２５００ｘ＋３８．７０００により描かれる第一曲線部分と接合して おりろ、第一曲線部分は、式 Ｙ−０．００９ｘ３＋０．００６５８ｘ２−０．３１４０ｘ＋５．５５９２によ り描かれる第二曲線部分と接合しており、第二曲線部分は、式 Ｙ−０．０１２９ｘ２＋０．０３３５ｘ−０．９８００により描かれる第三曲線 部分へ延びており、第三曲線部分は、ハブの輪郭の中間縦軸線と平行なかつそれ から車輪の外側に向かって ０．１９Ｌ≦Ｈ≦０．２１し だけずらされたハブの側の直線部分と接合しており、ここでＸとＹは、ハブの外 径に等しい直径を有する円筒の母線と、転り円の投影との交差点で始まる移動座 標であり、対応する曲線部分の諸点の横座標は次の範囲内にあり： 第一曲線部分について、 ０．３７９ｄ−（ｄ／２）≧Ｘ≧０．２８７Ｄ−（ｄ／２）第二曲線部分につい て、 ０．２８７ｄ−（ｄ／２）≧Ｘ≧０．２４８Ｄ−（ｄ／２）第三曲線部分につい て、 ０．２４８ｄ−（ｄ／２）≧Ｘ≧０．１５０Ｄ−（ｄ／２）ここでＤは転り面の 直径であり、Ｌはハブの長さであり、Ｈはハブの中点に対するデスクの中間縦軸 線のずれの大きさであり、そしてｄはハブの外径であることを特徴とする鉄道車 輪。