(57)【要約】【課題】  軸部材の圧入部に発生するフレッティング疲労を低減する。【解決手段】  軸部材１１が、直径ｄの非圧入部１３と、直径ｄよりも大きい直径Ｄの圧入部１２とを備え、圧入部１２の外周面が他部材１４の圧入孔１４ａの内周面に圧入される。圧入部１２の外周面に多数の溝１２ｂに囲まれた多数の突出部１２ｃが形成されるので、フレッティングにより圧入部１２の突出部１２ｃに発生したピッチングが溝１２ｂに阻止されてクラックに伸展することが阻止され、軸部材１１のフレッティング疲労に対する耐久性が向上する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材（１１）が、直径ｄの非圧入部（１３）と、直径ｄよりも大きい直径Ｄの圧入部（１２）とを備え、前記圧入部（１２）の外周面が他部材（１４）の圧入孔（１４ａ）の内周面に圧入される軸部材のフレッティング疲労低減構造であって、
前記圧入部（１２）の外周面に多数の溝（１２ｂ）に囲まれた多数の突出部（１２ｃ）が形成されることを特徴とする軸部材のフレッティング疲労低減構造。
【請求項２】
前記突出部（１２ｃ）の平均接触幅が１６μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の軸部材のフレッティング疲労低減構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の軸部材（１１）であって、
前記圧入部（１２）の外周面の最大許容剪断応力τ１と、前記非圧入部（１３）の外周面の最大許容剪断応力τ２とから算出したＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の値が、１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように前記溝（１２ｂ）および前記突出部（１２ｃ）の形状を設定したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の軸部材。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の軸部材（１１）の設計方法であって、
前記圧入部（１２）の外周面の最大許容剪断応力τ１を測定する工程と、前記非圧入部（１３）の外周面の最大許容剪断応力τ２を測定する工程と、前記圧入部（１２）および前記非圧入部（１３）の直径比Ｄ／ｄを、Ｄ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 により算出する工程と、前記直径比Ｄ／ｄの値が１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように前記溝（１２ｂ）および前記突出部（１２ｃ）の形状を調整する工程とを含むことを特徴とする軸部材の設計方法。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の軸部材（１１）のフレッティング疲労強度を試験するフレッティング疲労強度試験装置であって、
前記軸部材（１１）に相当する試験片（２１）の外周面に接触するように該試験片（２１）に固定される接触片（３２）と、前記試験片（２１）に高周波振動を加える加振装置（３５）と、前記試験片（２１）の変位からクラックの発生を検出する変位検出センサ（３６）とを備えることを特徴とするフレッティング疲労強度試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸部材が、直径ｄの非圧入部と、直径ｄよりも大きい直径Ｄの圧入部とを備え、前記圧入部の外周面が他部材の圧入孔の内周面に圧入される軸部材のフレッティング疲労低減構造と、その疲労低減構造が適用される軸部材と、その軸部材の設計方法と、その軸部材のフレッティング疲労強度を試験するフレッティング疲労強度試験装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
フレッティングとは、面圧が作用している機械の部品どうしの接触面間において、摩擦力を伴った微小な相対滑り（数μｍ〜数十μｍ）が繰り返し生じる現象であり、このフレッティングにより部品の表面が疲労してクラックが発生し、部品の疲労強度を大きく低下させる問題がある。
【０００３】
下記非特許文献１には、鉄道車両の車軸が車輪に圧入される圧入部のフレッティング疲労が開示されている。図１２に示すように、車軸に曲げ荷重が繰り返し入力すると、車軸および車輪の圧入部の軸方向中間部分は相対滑りが発生しない固着領域となるが、圧入部の軸方向両端部分は相対滑りが発生する滑り領域となり、固着領域および滑り領域の境界にフレッティング疲労によるクラックが発生するとされている。
【０００４】
また下記特許文献１には、試験片の表面に接触片を接触させた状態で、試験片に高周波捩じり振動を入力してフレッティング疲労を発生させるフレッティング疲労強度試験装置において、接触片を外部構造物に固定して試験片の表面に接触させるのではなく、接触片を試験片の表面に接触状態で直接支持したものが記載されている。このフレッティング疲労強度試験装置によれば、試験片が接触片を接触する部分に固着領域および滑り領域の両方を発生させ、試験片のフレッティング疲労強度を精度良く測定できるとされている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】新幹線車両用車軸の疲労特性  新日鉄住金技報  第３９５号（２０１３年）  第５６ページ〜第６３ページ
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１９０８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記非特許文献１には、車軸および車輪の圧入部に発生するフレッティング疲労を、車軸の高周波焼入れの改良や、車軸および車輪の圧入部の嵌め合い形状の改良により低減する技術が開示されているが、車輪に圧入される車軸の外周面に簡単な加工を施すだけでフレッティング疲労を低減することができれば、従来の車軸に大きな設計変更を加える必要がなくなってコストダウンに寄与することができる。
【０００８】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、軸部材の圧入部に発生するフレッティング疲労を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、軸部材が、直径ｄの非圧入部と、直径ｄよりも大きい直径Ｄの圧入部とを備え、前記圧入部の外周面が他部材の圧入孔の内周面に圧入される軸部材のフレッティング疲労低減構造であって、前記圧入部の外周面に多数の溝に囲まれた多数の突出部が形成されることを特徴とする軸部材のフレッティング疲労低減構造が提案される。
【００１０】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記突出部の平均接触幅が１６μｍ以下であることを特徴とする軸部材のフレッティング疲労低減構造が提案される。
【００１１】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に記載の軸部材であって、前記圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ１と、前記非圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ２とから算出したＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の値が、１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように前記溝および前記突出部の形状を設定したことを特徴とする軸部材が提案される。
【００１２】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に記載の軸部材の設計方法であって、前記圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ１を測定する工程と、前記非圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ２を測定する工程と、前記圧入部および前記非圧入部の直径比Ｄ／ｄを、Ｄ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 により算出する工程と、前記直径比Ｄ／ｄの値が１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように前記溝および前記突出部の形状を調整する工程とを含むことを特徴とする軸部材の設計方法が提案される。
【００１３】
また請求項５に記載された発明によれば、請求項１または請求項２に記載の軸部材のフレッティング疲労強度を試験するフレッティング疲労強度試験装置であって、前記軸部材に相当する試験片の外周面に接触するように該試験片に固定される接触片と、前記試験片に高周波振動を加える加振装置と、前記試験片の変位からクラックの発生を検出する変位検出センサとを備えることを特徴とするフレッティング疲労強度試験装置が提案される。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の構成によれば、軸部材が、直径ｄの非圧入部と、直径ｄよりも大きい直径Ｄの圧入部とを備え、圧入部の外周面が他部材の圧入孔の内周面に圧入される軸部材のフレッティング疲労低減構造であって、圧入部の外周面に多数の溝に囲まれた多数の突出部が形成されるので、フレッティングにより圧入部の突出部に発生したピッチングが溝に阻止されてクラックに伸展することが阻止され、軸部材のフレッティング疲労に対する耐久性が向上する。
【００１５】
また請求項２の構成によれば、突出部の平均接触幅が１６μｍ以下であるので、突出部に発生したピッチングの伸展を確実に阻止して軸部材の圧入部の耐久性を高めることができる。
【００１６】
また請求項３の構成によれば、圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ１と、非圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ２とから算出したＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の値が、１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように溝および突出部の形状を設定したので、軸部材の圧入部のフレッティング疲労強度を溝および突出部により効果的に高めながら、非圧入部の疲労強度に対して圧入部の疲労強度が過剰になるのを防止し、圧入部および非圧入部の直径比Ｄ／ｄを最小に抑えて軸部材の小型軽量化を図ることができる。
【００１７】
また請求項４の構成によれば、圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ１を測定する工程と、非圧入部の外周面の最大許容剪断応力τ２を測定する工程と、圧入部および非圧入部の直径比Ｄ／ｄを、Ｄ／ｄ＝（τ２／τ１）１1/3 により算出する工程と、直径比Ｄ／ｄの値が１．１以下かつ最大許容剪断応力τ１が最大になる値以上になるように溝および突出部の形状を調整する工程とを含むので、軸部材の圧入部のフレッティング疲労強度を溝および突出部により効果的に高めながら、非圧入部の疲労強度に対して圧入部の疲労強度が過剰になるのを防止し、圧入部および非圧入部の直径比Ｄ／ｄを最小に抑えて軸部材の小型軽量化を図ることができる。
【００１８】
また請求項５の構成によれば、軸部材に相当する試験片の外周面に接触するように該試験片に固定される接触片と、試験片に高周波振動を加える加振装置と、試験片の変位からクラックの発生を検出する変位検出センサとを備えるので、試験片に接触片が接触する部分に固着領域および滑り領域の両方を確実に発生させ、試験片のフレッティング疲労強度を精度良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】圧入により結合された軸部材および他部材の縦断面図および横断面図である。
【図２】圧入部の突出部の幅とクラックの長さとの関係を示すグラフである。
【図３】第１の実施の形態にかかる試験片の形状を示す図である。
【図４】図３の試験片の製造方法を示す図である。
【図５】第２の実施の形態にかかる試験片を示す図である。
【図６】図５の実施の形態の試験片の製造方法を示す図である。
【図７】第３の実施の形態にかかる試験片の製造方法を示す図である。
【図８】フレッティング疲労強度試験装置を示す図である。
【図９】超音波フレッティング試験による最大許容剪断応力の測定結果を示すグラフである。
【図１０】車軸の直径比Ｄ／ｄと最大許容剪断応力との関係を示すグラフである。
【図１１】軸部材の設計方法を示すフローチャートである。
【図１２】車輪に圧入された車軸を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図１〜図１２に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１（Ａ）に模式的に示すように、従来の鉄道車両の車軸のような軸部材１１は、その両端に位置する直径Ｄの圧入部１２，１２と、両圧入部１２，１２に挟まれた直径ｄの非圧入部１３とを備えており、各々の圧入部１２の外周面には例えば車輪のような他部材１４の中心の圧入孔１４ａの内周面が圧入により固定される。他部材１４の圧入孔１４ａに圧入される軸部材１１の圧入部１２の外周面は、繰り返し入力される荷重によりフレッティング疲労し、微細なピッチングが生じ易くなる表面劣化層１２ａが形成される。表面劣化層１２ａのピッチングがクラックに成長すると、軸部材１１の強度が著しく損なわれるため、圧入部１２の外周面には、表面劣化層１２ａのピッチングがクラックに成長するのを抑制するための加工が施される。
【００２２】
フレッティング疲労する圧入部１２は、フレッティング疲労しない非圧入部１３に比べて強度が低下するため、圧入部１２および非圧入部１３の強度が均等になるように、圧入部１２の直径Ｄは非圧入部１３の直径ｄよりも大きく設定される。直径比Ｄ／ｄはフレッティング疲労による圧入部１２の強度低下を表す指標であり、直径比Ｄ／ｄが１のときは、圧入部１２がフレッティング疲労の影響を全く受けない理想的な状態に相当し、直径比Ｄ／ｄが１よりも大きくなるほど、圧入部１２がフレッティング疲労の影響を大きく受けることになる。
【００２３】
図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に模式的示すように、本実施の形態では軸部材１１の圧入部１２の外周面に、周方向および軸方向に延びて相互に交差する多数の溝１２ｂ…が形成されており、これらの溝１２ｂ…に囲まれた多数の突出部１２ｃ…の頂部が他部材１４の圧入孔１４ａの内周面に当接する。溝１２ｂ…の深さは表面劣化層１２ａの厚さよりも大きく、よって溝１２ｂ…の底部は表面劣化層１２ａの底部を超えて圧入部１２の内部に達している。なお、図１では誇張して大きく描かれているが、表面劣化層１２ａの厚さ、溝１２ｂ…の幅、突出部１２ｃ…の幅は数μｍ〜数十μｍ程度の大きさである。
【００２４】
図１（Ａ）に示すように、仮に圧入部１２に溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…が存在しないと、圧入部１２の表面劣化層１２ａに発生したピッチングが表面劣化層１２ａを突き抜けて圧入部１２の内部に伸展し、クラックに成長して圧入部１２の強度を低下させることになる。
【００２５】
一方、図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、圧入部１２に溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…が存在すると、圧入部１２の表面劣化層１２ａに発生したピッチングは突出部１２ｃ…の側面から溝１２ｂ…に達してそれ以上伸展できなくなるため、クラックへの成長が阻止されて圧入部１２の強度低下が抑制される。
【００２６】
図２は、軸部材１１の圧入部１２の突出部１２ｃ…の最大幅とクラックの長さとの関係を示すグラフである。
【００２７】
横軸は初期摩耗後の突出部１２ｃ…の最大幅であり、縦軸は突出部１２ｃ…に発生するクラックの長さである。同図から明らかなように、突出部１２ｃ…の最大幅が１６μｍを超えるとクラックが発生するが、突出部１２ｃ…の最大幅が１６μｍ以下の場合にはクラックが全く発生していないことが分かる。
【００２８】
初期摩耗後の突出部１２ｃ…の最大幅を１６μｍ以下にするとクラックの発生を阻止できる理由は、幅の狭い突出部１２ｃ…の頂部にピッチングが生じても、そのピッチングは突出部１２ｃ…の頂部の幅が狭いために深さ方向に伸展せず、頂部に沿って伸展しても突出部１２ｃ…の端部で止まってそれ以上の伸展が阻止され、頂部のピッチングは他部材１４との接触により削り取られて消失するためである。やがて突出部１２ｃ…の頂部と他部材１４との間になじみがつくと、平均ヘルツ面圧が低下してピッチングが発生し難くなる。また突出部１２ｃ…の頂部が摩耗して面粗度が非常に良くなるため、潤滑性が向上してそれ以上の摩耗の進行が停止する。
【００２９】
次に、図３〜図７に基づいてフレッティング疲労特性を試験するための試験片２１について説明する。
【００３０】
図３に示すように、ダンベル状の試験片２１は、中央部が一定直径を有する丸棒状に形成された軸部２２と、軸部２２の両端から膨出する一対の頭部２３，２３とを備えており、軸部２２の外周面に多数の溝２２ａ…および多数の突出部２２ｂ…が形成される。試験片２１の溝２２ａ…および突出部２２ｂ…は、上述した軸部材１１の溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…に対応するものであり、フレッティングにより発生したピッチングがクラックに成長するのを阻止する機能を有している。
【００３１】
この試験片２１を製造するには、先ず図４（Ａ）に示すように、軸部２２の外周面に複数の環状の逃げ溝２２ｃ…を加工する。続いて、図４（Ｂ）に示すように、軸部２２の外周面に、平坦な外周面を有するバックアップローラ２４と、外周面に多数の突起２５ａ…を有する平歯車状の転造ローラ２５とを押し付けて回転させることで、隣接する逃げ溝２２ｃ…に挟まれた領域に多数の平行な溝２２ａ…と、多数の長方形状の突出部２２ｂ…とを形成する。このとき、転造ローラ２５により溝２２ａ…から押し出された材料は逃げ溝２２ｃ…に逃がされる。
【００３２】
図５は試験片２１の他の実施の形態を示すもので、この試験片２１は多数のメッシュ状の溝２２ａ…と、多数の菱形状の突出部２２ｂ…と備える。この試験片２１を製造するには、先ず図６（Ａ）に示すように、軸部２２の外周面に複数の環状の逃げ溝２２ｃ…を加工する。続いて、図６（Ｂ）に示すように、軸部２２の外周面に、一方向に傾斜する多数の突起２６ａ…を有する斜歯歯車状の外周面を有する転造ローラ２６と、他方向に傾斜する多数の突起２７ａ…を有する斜歯歯車状の転造ローラ２７とを押し付けて回転させることで、隣接する逃げ溝２２ｃ…に挟まれた領域に多数のメッシュ状の溝２２ａ…と、多数の菱形状の突出部２２ｂ…とを形成する。このとき、転造ローラ２６，２７により溝２２ａ…から押し出された材料は逃げ溝２２ｃ…に逃がされる。
【００３３】
試験片２１の製造方法の他の実施の形態として、図７に示すように、軸部２２および一対の頭部２３，２３を別部材で構成し、溝２２ａ…および突出部２２ｂ…を形成した軸部２２の両端に一対の頭部２３，２３を圧入により固定しても良い。
【００３４】
なお、図３〜図７では誇張して大きく描かれているが、溝２２ａ…の幅、突出部２２ｂ…の幅、逃げ溝２２ｃ…の幅は数μｍ〜数十μｍ程度の大きさである。
【００３５】
図８は、試験片２１のフレッティングによる強度低下を測定するためのフレッティング疲労強度試験装置を示すものである。一対の板状のパッド３１，３１の相互に対向する内面中央部に、試験片２１の軸部２２に接触可能な一対の接触片３２，３２が固定される。一対のパッド３１，３１の両端部を貫通する一対のボルト３３，３３にナット３４，３４を螺合して締結することで、接触片３２，３２が試験片２１の軸部２２に所定の荷重で押し付けられる。高周波捩じり振動を発生する加振装置３５が試験片２１の上側の頭部２３に接続されており、捩じり変位を検出する一対の変位検出センサ３６，３６が、試験片２１の一対の頭部２３，２３に対向するように配置される。
【００３６】
試験片２１および接触片３２は、例えば前記軸部材１１および前記他部材１４に対応するもので、それらの材質や、溝２２ａ…および突出部２２ｂ…の形状は、前記軸部材１１および前記他部材１４と同じに設定される。
【００３７】
試験片２１の軸部２２を挟むように一対の接触片３２，３２を固定した状態で、加振装置３５で試験片２１の上側の頭部２３に高周波捩じり振動を入力すると、試験片２１の軸部２２が捩じり振動して接触片３２，３２との間に相対滑りが発生し、試験片２１の軸部２２がフレッティング疲労する。このとき、試験片２１の軸部２２の捩じれ角は一対の変位検出センサ３６，３６の出力から検出されるが、検出された捩じれ角が急激に増加したときに、フレッティングにより発生したピッチングがクラックに成長し、試験片２１が疲労限界に達したと判断される。このときの試験片２１の軸部２２の外周面の剪断応力は、試験片２１に加えられるトルクと、試験片２１の軸部２２の直径とから算出される。
【００３８】
接触片３２，３２がフレームのような固定部に支持されていると仮定すると、試験片２１および接触片３２，３２の接触部の全域が滑り領域となってしまい、固着領域および滑り領域が共存する状態を実現することが困難になってクラックの発生を精度良く検出できなくなる。一方、本実施の形態によれば、接触片３２，３２を試験片２１に直接支持したことにより、試験片２１および接触片３２，３２の接触部に固着領域および滑り領域を共存させ、固着領域および滑り領域の境界部におけるクラックの発生を精度良く検出することができる。
【００３９】
溝２２ａ…および突出部２２ｂ…を有する試験片２１の疲労限界を検証するために、このフレッティング疲労強度試験装置により、溝２２ａ…および突出部２２ｂ…を有しない試験片２１のフレッティング疲労限界を測定可能である。また接触片３２，３２を取り外すことで、溝２２ａ…および突出部２２ｂ…を有しない試験片２１のフレッティングを伴わない単純な捩じり疲労限界を測定可能である。
【００４０】
さて、軸部材１１の圧入部１２の外周面はフレッティング疲労により強度が低下するため、軸部材１１全体の強度を最大限に確保するには、圧入部１２の直径Ｄは非圧入部１３の直径ｄよりも大きく設定する必要がある。しかしながら、圧入部１２の直径Ｄをむやみに大きくすることは、軸部材１１の重量や寸法が増加するために望ましくない。そこで、圧入部１２に溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を形成してフレッティング疲労を低減した上で、圧入部１２の直径Ｄを必要最小限に抑えて、つまり直径比Ｄ／ｄをできるだけ小さくして軸部材１１の重量や寸法を低減することが望ましい。
【００４１】
直径Ｄを有する軸部材１１の圧入部１２にトルクＴを加えたとき、その外周面における剪断応力τ１は、τ１＝１６Ｔ／πＤ3 で与えられる。また直径ｄを有する軸部材１１の非圧入部１３にトルクＴを加えたとき、その外周面における剪断応力τ２は、τ２＝１６Ｔ／πｄ3 で与えられる。軸部材１１の圧入部１２および非圧入部１３は一体に連続していて同じトルクＴが作用するため、直径比Ｄ／ｄは、Ｄ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 で与えられる。すなわち、圧入部１２の外周面の最大許容剪断応力τ１と、非圧入部１３の外周面の最大許容剪断応力τ２とをＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の式に適用すれば、非圧入部１３にクラックが発生するのと同時に圧入部１２にクラックが発生する直径比Ｄ／ｄ、つまり圧入部１２の直径Ｄが無駄に大きくない最小の直径比Ｄ／ｄを得ることができる。
【００４２】
図９のグラフは、上記フレッティング疲労強度試験による試験片の最大許容剪断応力の測定結果を示すもので、横軸は試験片に加える振動のサイクル数であり、縦軸は試験片にクラックが発生したときの剪断応力（最大許容剪断応力）である。■印および●印は、試験片がフレッティング疲労を伴わない単純な捩じり疲労を受けた場合の最大許容剪断応力を示し、■印は試験片に浸炭窒化処理および微粒子ショットピーニング処理（ＷＰＣ）の両方を施したものであり、●印は試験片に浸炭処理だけを施したものである。また□印および○印は、試験片がフレッティング疲労を伴う捩じり疲労を受けた場合の最大許容剪断応力を示し、□印は試験片に浸炭窒化処理および微粒子ショットピーニング処理（ＷＰＣ）の両方を施したものであり、○印は試験片に浸炭処理だけを施したものである。
【００４３】
浸炭窒化処理および微粒子ショットピーニング処理の両方を施した試験片の最大許容剪断応力は、単なる捩じり疲労を受けた場合（■印）は９００ＭＰａであるのに対し、フレッティング疲労を伴う捩じり疲労を受けた場合（□印）は４８０ＭＰａに低下している。また浸炭処理だけを施した試験片の最大許容剪断応力は、単なる捩じり疲労を受けた場合（●印）は７５０ＭＰａであるのに対し、フレッティング疲労を伴う捩じり疲労を受けた場合（○印）は４４０ＭＰａに低下している。
【００４４】
この試験結果をＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の式に適用すると、浸炭窒化処理および微粒子ショットピーニング処理の両方を施した試験片の直径比Ｄ／ｄは１．１９となり、また浸炭処理だけを施した試験片の直径比Ｄ／ｄは１．２０となる。
【００４５】
図１０は、図１２で説明した鉄道車両の軸部材１１を他部材１４に圧入した圧入部１２の最大許容剪断応力を示すグラフであり、横軸は直径比Ｄ／ｄを示し、縦軸は圧入部１２にクラックが発生するときの最大許容剪断応力を示している。
【００４６】
図１０に実線で示すように、圧入部１２の直径Ｄの増加、すなわち直径比Ｄ／ｄの増加に伴って圧入部１２の最大許容剪断応力は増加しており、非圧入部１３の最大許容剪断応力（直径比Ｄ／ｄ＝１のときの圧入部１２の最大許容剪断応力）は７０ＭＰａであり、圧入部１２の最大許容剪断応力は１２４ＭＰａであることが読み取れる。非圧入部１３の最大許容剪断応力＝７０ＭＰａと、圧入部１２の最大許容剪断応力＝１２４ＭＰａとをＤ／ｄ＝（τ２／τ１）1/3 の式に適用すると直径比Ｄ／ｄ＝１．２０となり、グラフから読み取れる直径比Ｄ／ｄ＝１．１５とほぼ一致することがわかる。
【００４７】
次に、直径比Ｄ／ｄを最小にして軸部材１１の小型軽量化を図るための設計方法を、図１１のフローチャートに基づいて説明する。
【００４８】
先ずステップＳ１で、溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有しない軸部材１１の圧入部１２を模した試験片２１をフレッティング疲労強度試験装置にかけ、フレッティング疲労を発生させた状態で最大許容剪断応力τ１´を測定する。続くステップＳ２で、軸部材１１の非圧入部１３を模した試験片２１をフレッティング疲労強度試験装置にかけ、フレッティング疲労を発生させずに単純捩じり疲労だけを発生させた状態で最大許容剪断応力τ２を測定する。前記ステップＳ２ではフレッティング疲労を発生させる必要がないため、試験片２１に接触片３２，３２を接触させる必要はない。続くステップＳ３で、最大許容剪断応力τ１´および最大許容剪断応力τ２から直径比（Ｄ／ｄ）´を算出する。この直径比（Ｄ／ｄ）´は溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有しない比較例の軸部材１１（図１（Ａ）参照）の直径比に相当する。
【００４９】
続くステップＳ４で、溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有する軸部材１１の圧入部１２を模した試験片２１をフレッティング疲労強度試験装置にかけ、フレッティング疲労を発生させた状態で最大許容剪断応力τ１を測定する。続くステップＳ５で、最大許容剪断応力τ１および最大許容剪断応力τ２から直径比（Ｄ／ｄ）を算出する。この直径比（Ｄ／ｄ）は溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有する実施の形態の軸部材１１の直径比に相当する（図１（Ｂ）および図１（Ｃ）参照）。
【００５０】
続くステップＳ６で、比較例の直径比（Ｄ／ｄ）´および実施の形態の直径比（Ｄ／ｄ）を比較し、（Ｄ／ｄ）≦（Ｄ／ｄ）´が成立すればステップＳ７に移行し、成立しなければステップＳ８に移行する。（Ｄ／ｄ）≦（Ｄ／ｄ）´が成立しない場合とは、溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有しない比較例の軸部材１１の疲労強度が、溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…を有する実施の形態の軸部材１１の疲労強度以上となる場合であり、溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…の設計が不適切で効果を発揮しない場合に相当する。
【００５１】
その場合には、ステップＳ８で、試験片２１の溝の形状、深さ、角度、ピッチ等あるいは突出部の形状、面積等を変更し、前記ステップＳ４〜ステップＳ６を繰り返す。その結果、前記ステップＳ６で（Ｄ／ｄ）≦（Ｄ／ｄ）´が成立すれば、比較例に対して実施の形態の疲労強度が向上したと判断し、ステップＳ７に移行する。
【００５２】
そしてステップＳ７で、（Ｄ／ｄ）≦閾値が成立しなければ、溝および突出部による疲労強度の向上が不充分であると判断し、前記ステップＳ８で溝および突出部の性状を更に変更した後に、前記ステップＳ４〜ステップＳ７を更に繰り返す。その結果、（Ｄ／ｄ）≦閾値が成立すれば、疲労強度の向上が充分に達成されたと判断して本ルーチンを終了する。
【００５３】
図１０に実線で示すように、従来の鉄道車両の軸部材１１を他部材１４に圧入した圧入部１２の最大許容剪断応力τは、直径比（Ｄ／ｄ）の増加に応じて増加するが、直径比（Ｄ／ｄ）が１．１に達するとτ＝１２４ＭＰａにサチュレートしてそれ以上増加しなくなる。破線は上記設計方法により溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…の形状を最適化した本実施の形態の特性を示すもので、最大許容剪断応力τは直径比（Ｄ／ｄ）の増加に応じて増加するが、直径比（Ｄ／ｄ）が従来例の１．１よりも小さい（Ｄ／ｄ）min でτ＝１２４ＭＰａにサチュレートしてそれ以上増加しなくなる。よって、直径比（Ｄ／ｄ）が１．１以下、かつ（Ｄ／ｄ）min となるように溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…の形状を最適化することで、従来例に対して直径比（Ｄ／ｄ）を小さくして軸部材１１を小型軽量化することができる。
【００５４】
以上のように、本実施の形態によれば、軸部材１１の圧入部１２のフレッティング疲労強度を溝１２ｂ…および突出部１２ｃ…により効果的に高めながら、非圧入部１３の疲労強度に対して圧入部１２の疲労強度が過剰になるのを防止し、圧入部１２および非圧入部１３の直径比Ｄ／ｄを最小に抑えて軸部材１１の小型軽量化を図ることができる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００５６】
例えば、本発明の軸部材１１および他部材１４は鉄道車両の車軸および車輪に限定されるものではない。
【００５７】
また本発明の軸部材の溝および突出部の寸法、形状、数等は実施の形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１１        軸部材
１２        圧入部
１２ｂ      溝
１２ｃ      突出部
１３        非圧入部
１４        他部材
１４ａ      圧入孔
２１        試験片
３２        接触片
３５        加振装置
３６        変位検出センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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