(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール延伸方向に直交し、かつ、鉄道車輪の回転中心軸を含む断面において、円弧の一部である曲線をレール接触面とする鉄道車輪であって、
上記鉄道車輪を両端に備える車輪軸の幅方向の中央を通る垂直線上の何れかの点と、上記レール接触面を結ぶ直線の当該レール接触面に直角に交差する線分を、上記円弧の半径とし、
上記鉄道車輪の外周を成す曲面は、上記鉄道車輪を両端に備える車輪軸の幅方向の中央を通る垂直線上の何れかの点を中心とし、上記円弧の半径を持つ半円を上記回転中心軸周りに回転することにより得られる立体の表面の一部を成すものである鉄道車輪。
【請求項２】
請求項１に記載した鉄道車輪において、
上記車輪軸の太さよりも大きな外径のストッパ突起が、上記車輪軸を中心として車輪の外側に形成されていることを特徴とする鉄道車輪。
【請求項３】
請求項１又は２に記載した鉄道車輪との車輪接触面が、凹面の上記円弧形状であるレール。
【請求項４】
請求項３に記載したレールにおいて、
上記円弧形状は、上記鉄道車輪の接触面断面を構成する円の半径をｒとし、２本のレールと上記鉄道車輪との接点をそれぞれＡ及びＢとしたとき、当該Ａ，Ｂを結ぶ直線よりも車輪軸側で、且つ、そのＡ，Ｂからの距離が共にｒとなる点を中心とする半径ｒの円の円弧よりも半径の大きい円弧形状であることを特徴とするレール。
【請求項５】
請求項３又は４に記載したレールにおいて、
上記円弧形状の車輪接触面の両端の縁が滑らかに面取りされていることを特徴とするレール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は鉄道車輪とレールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に従来の鉄道車輪とレールを示す。図１０（ａ）は鉄道車両の移動方向の正面から鉄道車輪とレールを見た図である。車輪５１Ｒ，５１Ｌは、内側に車輪フランジ５１Ｒａ，５１Ｌａと、車輪の外側に向けて除々に車輪の外径が小さくなる勾配面５１Ｒｂ，５１Ｌｂを備える（非特許文献１）。図１０（ｂ）に、勾配面５１Ｌｂを拡大して示す。勾配面５１Ｒｂ，５１Ｌｂとレール５０Ｒ，５０Ｌとを接触させて鉄道車両が走行する。
【０００３】
勾配面５１Ｒｂ，５１Ｌｂを備えるのは、鉄道車両がカーブを走行できるようにするためである。鉄道車両がカーブを走行する際、車輪５１Ｒ，５１Ｌを横滑りさせることでカーブの外側のレールと接触する勾配面の位置の車輪半径を、内側のレールと接触する勾配面の車輪半径よりも大きくすることで、左右の車輪が同じ回転数でも左右の車輪に適切に行路長の差（内側と外側のレールの長さの差によって生じる左右の行路長の差）を発生させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】谷藤他「鉄道車両軸の転走におけるカオス状振動」日本機械学会論文集（C編） 59巻562号（1993-6） pp.1633-1637.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した車輪の横滑りが、鉄道車両がカーブを通過する際に発生する振動の原因となる。従来からその振動は、鉄道車両がカーブを高速走行する上での障害となっている。
【０００６】
この発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、従来の鉄道車輪よりも、カーブを走行する際の車輪の横滑り量を減少させることで振動の発生を少なくした鉄道車輪とレールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の鉄道車輪は、レール延伸方向に直交し、かつ、鉄道車輪の回転中心軸を含む断面において、円弧の一部である曲線をレール接触面とする鉄道車輪であって、鉄道車輪を両端に備える車輪軸の幅方向の中央を通る垂直線上の何れかの点と、レール接触面を結ぶ直線の当該レール接触面に直角に交差する線分を、円弧の半径とし、鉄道車輪の外周を成す曲面は、鉄道車輪を両端に備える車輪軸の幅方向の中央を通る垂直線上の何れかの点を中心とし、上記円弧の半径を持つ半円を上記回転中心軸周りに回転することにより得られる立体の表面の一部を成すものである。また、この発明のレールは、上記した鉄道車輪との接触面が凹面の上記円弧形状である。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の鉄道車輪のレールとの接触面は円弧形状であり、従来の車輪の勾配面よりもその接触面に大きな傾斜角度を持たせても、鉄道車輪をレールが支持することができる。よって、車輪の少ない横滑り量で左右の車輪に大きな行路長の差を発生させることができ、カーブ走行中の鉄道車両の振動を減らすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】車輪軸の幅の中央を通る垂直線α上の点Ｏを中心として半径ｒの円弧のこの発明の鉄道車輪とレールを示す図。
【図２】半径ｒを固定で車輪軸の幅の中央を通る垂直線α上の点Ｏの位置を変えた場合のこの発明の鉄道車輪とレールを示す図。
【図３】車輪軸の幅の中央を通る垂直線α上の点Ｏを中心として半径ｒを変えた場合のこの発明の鉄道車輪とレールを示す図。
【図４】車輪軸の幅の中央を通る垂直線α上の点Ｏと半径ｒの両方を変えた場合のこの発明の鉄道車輪とレールを示す図。
【図５】カーブ部分におけるこの発明の鉄道車輪とレールを示す図。
【図６】この発明の鉄道車輪の他の例を示す図。
【図７】この発明のレールの形状を決定する方法を説明する図。
【図８】同一の鉄道車両が走行可能な軌道間隔の例を示す図であり、（ａ）は小さな軌道間隔δ、（ｂ）は大きな軌道間隔εを示す図である。
【図９】この発明のレールの他の例を示す図。
【図１０】従来の鉄道車輪とレールを示す図であり、（ａ）は鉄道車両の移動方向の正面から鉄道車輪とレールを見た図であり、（ｂ）はレールの勾配面を拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには
同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００１１】
図１に、この発明の鉄道車輪とレールを示す。図１は、図示するのを省略している鉄道車両の移動方向の正面から見た図である。２本のレール１Ｒと１Ｌとで軌道を構成し、右側の鉄道車輪２Ｒと左側の鉄道車輪２Ｌとは、それぞれの中心が車輪軸３で連結されている。なお、車輪軸３の太さの中心を表す一点鎖線で見て線対称となる車輪軸３と鉄道車輪２Ｒ，２Ｌの、上半分の部分の表記を図１では省略している。
【００１２】
鉄道車輪２Ｒ，２Ｌのレール接触面２Ｒａ，２Ｌａの形状は、円弧の一部である。その円弧の半径ｒは、車輪軸３の幅方向の中央を通る垂直線αの上の何れかの点と、レール接触面２Ｒａ，２Ｌａを結ぶ直線の当該レール接触面２Ｒａ，２Ｌａに直角に交差する線分の長さである。半径ｒの円弧の中心は、この例では車輪軸３よりレール１Ｒ，１Ｌ側に、ある長さ下がったＯ点である。
【００１３】
レール１Ｒ，１Ｌの断面は、四角形の軌道内側上の角が、レール接触面２Ｒａ，２Ｌａと同じ円弧形状で切り欠かれて車輪接触面１Ｒａ，１Ｌａを持つ形状である。この車輪接触面１Ｒａ，１Ｌａで、レール接触面２Ｒａ，２Ｌａを介して、図示を省略している鉄道車両を支持する。レール接触面２Ｒａ，２Ｌａが円弧形状であること以外は、従来の鉄道車輪と車輪軸３の周りの構造に変わるところは無いので、従来の鉄道車両と同様に動力装置や台車などの機構を組み込むことが出来る。
【００１４】
このように鉄道車輪とレールを構成することで、鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度を従来の車輪の勾配面よりも大きくすることが可能である。その結果、少ない横滑り量で左右の車輪に大きな行路長の差を発生させることができ、カーブ走行中の鉄道車両の振動を減らすことが出来る。
【００１５】
この発明の鉄道車輪は、色々な変形が可能であり図１の例に限定されない。次に、その変形例を説明する。図２に、円弧の半径ｒを固定として垂直線α上のＯ点の位置を変えた場合の鉄道車輪２Ｒ，２Ｌを示す。
【００１６】
図２中のＯ点は、図１のＯ点と同じ位置である。また、実線で示す鉄道車輪２Ｒ，２Ｌも図１と同じである。そのＯ点の位置を、任意の長さｍ分レール１Ｒ，１Ｌ側に移動させたのがＯ′点である。そのＯ′点を中心に半径ｒの円弧を描くレール接触面２Ｌａ′を破線で示す。そのレール接触面２Ｌａ′は、長さｍ分下がった位置になる。そのレール接触面２Ｌａ′と対を成すレール接触面は、図が煩雑になるので省略している。
【００１７】
逆に、Ｏ点の位置を車輪軸３側に長さｐ分移動させたのがＯ″点である。Ｏ″点を中心に半径ｒの円弧を描くレール接触面２Ｒａ″を二点鎖線で示す。レール接触面２Ｒａ″の位置は、レール接触面２Ｒａよりも長さｐ分車輪軸３側に移動する。
【００１８】
このように、円弧の中心であるＯ点の位置をレール側に設けるとレール１Ｒ，１Ｌと車輪軸３との間隔は大きくなる。言い換えれば、鉄道車輪２Ｒ，２Ｌの外径が大きくなる。
逆に、Ｏ点を車輪軸３に近づけると鉄道車輪２Ｒ，２Ｌの外径は小さくなる。一方、鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度と軌道間隔は固定である。
【００１９】
図３に、円弧の中心であるＯ点の位置を固定として半径ｒを変えた例を示す。図３中のＯ点と実線で示す鉄道車輪２Ｒ，２Ｌは、図１と同じである。半径をｒより短い長さのｒ′とした場合の鉄道車輪２Ｒ′と２Ｌ′を破線で示す。Ｏ点の位置を変えずに半径の長さを短くすると、鉄道車輪の外径は小さくなり、軌道間隔も狭くなる。しかし、半径ｒとｒ′が重なる場合は、鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度は変わらない。半径ｒ′が半径ｒより下側になる（半径ｒ′と車軸のなす角が大きくなる）と、鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度は小さくなる。図示するのは省略するが、半径ｒの長さを長くすると、鉄道車輪の外径は大きくなる。しかしここでも、半径ｒとｒ′が重なる場合は、鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度は変わらない。
【００２０】
図４に、円弧の中心Ｏ点を車輪軸３よりも車両側に設け、半径も例えば２倍の長さにした例を示す。図４中のＯ点と実線で示す鉄道車輪２Ｒ，２Ｌは、図１と同じである。Ｏ′点は、車輪軸３を挟んでレール１Ｒ，１Ｌの反対側に位置し、半径の長さは図１の２倍の長さ２ｒである。この場合のレール接触面２Ｒａ′と２Ｌａ′を破線で示す。鉄道車輪の外径は大きくなると共に軌道間隔も広がる。そして鉄道車輪とレールの接触面の傾斜角度は小さくなる。
【００２１】
以上、図１〜図４を参照して変形例を説明したように、この発明の鉄道車輪は、要求される仕様、例えば車両の大きさや軌道間隔等に自在に適応させることが可能である。上記した図１〜図４に共通して言えるこの発明の鉄道車輪の特徴は、円弧の一部をレール接触面とする鉄道車輪であって、鉄道車輪を両端に備える車輪軸の幅方向の中央を通る垂直線上の何れかの点と、レール接触面を結ぶ直線の当該レール接触面に直角に交差する線分を、上記円弧の半径とすることである。
【００２２】
この特徴によって、カーブ走行中の鉄道車両の振動を減らすことが出来る。図５に、カーブを走行時のこの発明の鉄道車輪とレールを正面から見た様子を示す。図５は、鉄道車両が右カーブを走行中の様子を示す。カーブ外側のレール１Ｌには、カーブ内側のレール１Ｒよりも位置を高くするカント（Cant）が付けられている。
【００２３】
車輪軸３で連結された鉄道車輪２Ｒと２Ｌは、カーブ走行時も同じ回転数である。しかし、カーブ外側のレール１Ｌの行路長は、カーブ内側のレール１Ｒの行路長よりも長い。その行路長の差を埋め合わせるために、鉄道車両はこの例ではカーブの外側に当たるレール１Ｌ側に横滑りする。
【００２４】
その結果、外側の車輪である鉄道車輪２Ｌとレール１Ｌの接触面は、車輪軸３から遠ざかる外径の大きい方向に移動する。内側の鉄道車輪２Ｒとレール１Ｒの接触面は、車輪軸３寄りの外径の小さい方向に移動する。接触面の軌道内側の外側車輪と内側車輪の行路長を、それぞれ破線の直線βとγで表す。外側車輪の行路長を表す直線βの方が、直線γよりも長く、カーブ走行時の左右車輪の行路長の差が発生していることが分かる。なお、この行路長差は、軌道外側の行路長で比較しても、外側車輪の行路長が内側車輪のそれよりも大きな関係は変わらない。
【００２５】
この発明の鉄道車輪とレールでは、接触面の傾斜角度が従来の勾配角よりも大きいので行路長差を得るために鉄道車両が横滑りする量が少なくて済み、カーブ走行時の振動を減らすことができる。
【実施例２】
【００２６】
図６にこの発明の鉄道車輪の他の例を示す。図６に示す鉄道車輪４Ｒ，４Ｌは、車輪軸３の回転中心軸の中点に円弧の中心であるＯ点を設け、車輪軸３の太さよりも大きな外径のストッパ突起４Ｒａ，４Ｌａが、車輪軸２を中心として車輪の外側に形成されたものである。このように、円弧の中心であるＯ点を車輪軸３の範囲に設けても良い。
【００２７】
ストッパ突起４Ｒａ，４Ｌａは、車両傾斜時にレール１Ｒ，１Ｌに接触することで脱輪するのを防止するためのものである。また、鉄道車輪４Ｒ，４Ｌの外径の最も大きい車輪の内側に、従来の車輪フランジ５１Ｒａ，５１Ｌａに相当するストッパ突起４Ｒｃ，４Ｌｃを設けても良い。
【００２８】
〔レール〕
図７に、この発明のレール１Ｒ，１Ｌの形状を決定する方法を示す。図７は、レール延伸方向に直交する方向の断面図である。レール１Ｒ，１Ｌの鉄道車輪と接触する車輪接触面１Ｒａ，１Ｌａは、凹面の円弧形状である。
【００２９】
その円弧形状は、鉄道車輪のレール接触面を構成する円（円弧）の半径をｒとし、２本のレール１Ｒ，１Ｌとレール接触面との接点をそれぞれＡ及びＢとしたとき、当該ＡとＢを結ぶ直線よりも車輪軸３側で、且つ、そのＡとＢからの距離が共にｒとなる点を中心とする半径ｒの円の円弧よりも半径の大きい円弧形状である。
【００３０】
この発明のレールを用いることで、この発明の一組の鉄道車輪に対して軌道間隔を、所定の範囲内で可変することが出来る。つまり、図８に示すように同一の鉄道車両を、例えば軌道間隔δ（図８（ａ））から軌道間隔ε（図８（ｂ））のレールに、連続して走行させることが可能である。
【００３１】
このようにこの発明の鉄道車輪とレールは、軌道間隔の自由度を広げる効果も奏する。なお、レールの円弧形状の車輪接触面の両端の縁を滑らかに面取りすると良い。図９に、その面取りした例を示す。車輪接触面の両端の縁を滑らかに面取りすることで、車輪接触面の両端で発生する磨耗を防止することができ、騒音の発生も抑制することが可能である。
【００３２】
以上述べたように、この発明の鉄道車輪とレールによれば、レール接触面と車輪接触面に従来の車輪の勾配面よりも大きな傾斜角度を持たせることが可能で、カーブ走行時の左右車輪の行路長差を、少ない車輪の横滑り量で得ることが出来る。その結果、カーブ走行中の鉄道車両の振動を減らすことが可能である。
【図１】
0005475584.tif 000002
【図２】
0005475584.tif 000003
【図３】
0005475584.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005475584.tif 000008
【図８】
0005475584.tif 000009
【図９】
0005475584.tif 000010
【図１０】
0005475584.tif 000011