(57)【要約】【課題】牽引重量の増加や制動距離の短縮化を実現しつつ、且つその他の利便性の向上にも寄与する車輪を提供する。【解決手段】レールを走行する車輪であって、車軸が取り付けられる基部と、前記基部に取付けて前記レールとの接触周面を形成する、高摩擦材と、前記高摩擦材を前面から押さえて前記基部に固定するための押さえ板と、を少なくとも有し、前記基部及び押さえ板にそれぞれ設けた連結孔を介して高摩擦材を固定することを特徴とする。【選択図】図２
2015107751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レールを走行する車輪であって、
車軸が取り付けられる基部と、
前記基部に取付けて前記レールとの接触周面を形成する、高摩擦材と、
前記高摩擦材を前面から押さえて前記基部に固定するための押さえ板と、
を少なくとも有し、
前記基部及び押さえ板にそれぞれ設けた連結孔を介して高摩擦材を固定することを特徴とする、車輪。
【請求項２】
前記基部が、前記高摩擦材を案内するテーパー状の案内面を有することを特徴とする、請求項１に記載の車輪。
【請求項３】
前記基部に、取付けた高摩擦材を押し出す為の貫通孔を設けたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の車輪。
【請求項４】
前記押さえ板の外縁の位置を、前記高摩擦材の摩耗限界位置に設定することを特徴とする、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の車輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール上を走行する機関車等に取り付ける車輪に関し、より詳しくは牽引重量の増加や制動距離の短縮化が可能な車輪に関する。
【背景技術】
【０００２】
機関車等について、牽引重量の増加や制動距離の短縮化を図るために、車輪の素材を比較的粘着性の高い素材として摩擦係数を増加させる方法がある。
一方で、車輪全体の強度は維持する必要があることから、車輪の基部は従来通り鉄製のままとし、レールとの接触部分のみをゴムやアルミなどの比較的粘着性の高い素材で形成する車輪構造が提案されている。
【０００３】
上記の車輪構造として、下記の特許文献１に記載の発明がある。
特許文献１には、車輪本体の外周に装着可能なマンガン鋳鋼製の環状体ｂと、該環状体ｂに設けた縞状の凹部に、セラミック粒子を含有するアルミ複合材を溶湯鍛造法で形成する摩擦増強材ｃとからなる踏面形成体ａを構成し、該路面形成体ａを車輪本体ｄに焼き填め（焼き嵌め）によって取り付ける発明が開示されている（図５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８８１２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した従来の車輪構造によれば、以下に記載する問題のうち、少なくとも一つの問題が生じうる。
【０００６】
（１）安全性の観点。
図５に示すように、踏面形成体ａそのものに、ボルトｆを取り付けるための取付孔ｅを設けている。この取付孔ｅの存在により、経年摩耗等によって踏面形成体ａにクラックが生じてしまうおそれがあり、車輪の安全性に懸念が生じうる。
【０００７】
（２）コストの観点。
踏面形成体ａに取付孔ｅを設ける都合上、踏面形成体ａの厚みを一定以上にせざるを得ず、部材コストの低廉化に限界がある。
【０００８】
（３）交換容易性の観点。
環状体ｂの凹部に設ける摩擦増強材ｃを溶湯鍛造法で形成することから、摩擦増強材ｃのみの交換は難しく、環状体ｂおよび摩擦増強材ｃを含む、踏面形成体ａ単位での交換が前提となる。
しかし、踏面形成体ａ（環状体ｂ）は、焼き填めによって車輪本体に取り付けるため、現場での脱着交換はできず、結局車輪全体を交換しなければならない。
【０００９】
（４）作用効果の保持性の観点。
摩擦増強材ｃの摩耗進行が環状体より早い場合、環状体ｂが干渉して摩擦増強材ｃがレールに接触しなくなり、当初想定していた作用効果が得られなくなるおそれがある。
【００１０】
（５）交換時期の確認の観点。
摩擦増強材ｃの摩耗進行が環状体より早い場合、摩擦増強材ｃの摩耗度合いを前面（正面）側から目視しようとしても、環状体ｂが障害となって確認が難しい。
【００１１】
したがって、本発明は、牽引重量の増加や制動距離の短縮化を実現しつつ、且つその他の利便性の向上にも寄与する車輪の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、レールを走行する車輪であって、車軸が取り付けられる基部と、前記基部に取付けて前記レールとの接触周面を形成する、高摩擦材と、前記高摩擦材を前面から押さえて前記基部に固定するための押さえ板と、を少なくとも有し、前記基部及び押さえ板にそれぞれ設けた連結孔を介して高摩擦材を固定することを特徴とする、車輪を提供する。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記基部が、前記高摩擦材を案内するテーパー状の案内面を有することを特徴とする。
また、本願の第３発明は、前記第１又は第２発明において、前記基部に、取付けた高摩擦材を押し出す為の貫通孔を設けたことを特徴とする。
また、本願の第４発明は、前記第１乃至第３発明の何れかにおいて、前記押さえ板の外縁の位置を、前記高摩擦材の摩耗限界位置に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下に記載する効果のうち、少なくともいずれか一つの効果を得ることができる。
【００１４】
（１）安全性の観点。
高摩擦材に取付孔を設ける必要が無いため、クラックの要因を未然に排除することができる。また、基部と押さえ板とで高摩擦材を挟みこんで固定するため、間接的でありながらも、高摩擦材を強固に位置決めすることができる。
【００１５】
（２）コストの観点。
高摩擦材に取付孔を設ける必要が無いため、高摩擦材を必要以上に厚く形成する必要が無い。
【００１６】
（３）交換容易性の観点。
従来製品のように焼き填め工程を要しないため、高摩擦材の交換作業が容易である。
また、基部の案内面にテーパーを設けることにより、環状の高摩擦材を嵌め込み易くなり、初期段階の取付作業が簡便となる。
また、基部の当接面に貫通孔を設けることにより、高摩擦材が基部に強固に嵌め込まれた場合であっても、高摩擦材の取り外しが容易となる。
【００１７】
（４）作用効果の保持性の観点。
高摩擦材の素材を単一部材で形成しているため、継続して均一な作用効果を得ることができる。
【００１８】
（５）交換時期の確認の観点。
高摩擦材の素材を単一部材で形成しているため、高摩擦材の摩耗度合いを前面側から確認できる。また、押さえ板が高摩擦材の摩耗度合いを示す目安としても機能するため、交換時期の把握が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る車輪の基本実施例の概略を示す正面図。
【図２】本発明に係る車輪の基本実施例の概略を示す側断面図。
【図３】本発明に係る車輪のレール接触付近の概略を示す一部拡大図。
【図４】本発明に係る高摩擦材の摩耗推移の概略を示す一部拡大図。
【図５】特許文献１に記載の踏面形成体を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、各図面を参照しながら、本発明に係る実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
＜１＞全体構成（図１，２）。
本発明は、工事現場などの資機材の搬送に用いる機関車や、電車その他公知の移動体に適用可能な車輪である。
本発明に係る車輪Ａは、車軸が取り付けられる基部１と、前記基部１に取付け、前記レールＢとの接触周面を形成する環状の高摩擦材２と、前記高摩擦材２を前面（正面）から押さえて前記基部１に固定するための押さえ板３と、を少なくとも有する。
以下、各図面を適宜参照しながら、各構成要素の詳細について説明する。
【００２２】
＜２＞基部１。
基部１は、機関車本体の車軸と連結し、該車軸の回転によってレールＢ上を走行する部材である。
基部１の素材は、Ｓ４５Ｃ（炭素鋼）、ＳＣＡ−２（低マンガン鋼）など、従来の車輪に用いる材料を選択することができる。
基部１の前面には、前記高摩擦材２を収容するための収容空間１１と、前記押さえ板を連結するための連結孔１２を設ける（図３）。
【００２３】
＜２．１＞収容空間１１。
収容空間１１は、高摩擦材２を収容する窪みによって形成される空間である。
収容空間１１を形成する窪みのうち、高摩擦材２の底面と対向する面を案内面１１１とし、高摩擦材２の背面と対向する面を、当接面１１２と定義する（図３）。
【００２４】
＜２．１．１＞案内面１１１。
案内面１１１は、高摩擦材２の底面と接する面である。
高摩擦材２の底面と案内面１１１とは、車輪Ａの車軸方向に対して並行な水平面としてもよいし、高摩擦材２の取付方向（基部１の背面方向）に向かって昇り勾配のテーパーを設けておいてもよい（図３）。
当該テーパーを設けておけば、環状の高摩擦材２を嵌め込む際に、多少の余裕が生まれるため、初期段階の取付作業が簡便となる。
【００２５】
＜２．１．２＞当接面１１２。
当接面１１２は、高摩擦材２の背面と接する面である。
当接面１１２は、後述する押さえ板３と共働して、高摩擦材２を挟みこんで固定するように作用する（図２）。
【００２６】
＜２．２＞連結孔１２。
連結孔１２は、後述する押さえ板３を基部１と連結するための要素である。
連結孔１２は、押さえ板３に併せて、周方向に適宜間隔を設けて複数設けておく（図１）。
【００２７】
＜２．３＞貫通孔１３。
前記した当接面１１２には、基部１の背面まで貫通した貫通孔１３を設けておくこともできる（図３）。
この貫通孔１３に、棒材（例えば、押し出しボルト）を挿入して取付後の高摩擦材を突き出すことにより、高摩擦材が基部に強固に嵌め込まれた場合であっても、取り外しが容易となる（図２）。
【００２８】
＜３＞高摩擦材２。
高摩擦材２は、レールＢとの接触面を提供するための環状の部材である（図１）。
高摩擦材２の「高摩擦」とは、基部１の摩擦係数よりも高い摩擦係数を備えるという意で用いており、例えば、汎用材であるＡ７０７５−Ｔ６５２（Ｔ６熱処理）、Ａ６０６１ＦＨ−Ｔ６（Ｔ６熱処理）等や、上記先行技術の特許文献１に示すアルミナ粒子分散強化基複合材等を用いることができる。
【００２９】
［高摩擦材の表面勾配］
レールＢとの接触面である踏面（高摩擦材２の表面）は、通常１／２０程度の勾配を設けているが、本発明では勾配無し（水平）とするように構成してもよい（図３）。この場合、高摩擦材２とレールＢとの接触面積が増加するため、高摩擦材２の摩擦力がより増大する。
【００３０】
＜４＞押さえ板３。
押さえ板３は、高摩擦材２を、基部１に固定するための部材である。
押さえ板３には、連結孔３１を設け、前記基部１に設けた連結孔１２を介して、ボルト４で固定される（図３）。
【００３１】
［押さえ板の形状］
押さえ板３は、前記高摩擦材２と同様、環状に形成して、高摩擦材２を全周に渡って固定するように構成する。
この押さえ板３と、前記基部１の当接面１１２でもって高摩擦材２を前背面から挟みこむことにより、間接的でありながらも、基部に取り付けた高摩擦材２を、強固に位置決めすることができる。
【００３２】
なお、押さえ板３は、環状の高摩擦材２を周方向に適宜分割して、該分割片を適宜取り付けるように構成してもよいし、或いは周方向に向かって適宜間隔を空けて配置した複数の板片でもって、高摩擦材を間欠状に固定するように構成してもよい。
【００３３】
［押さえ板の外縁位置］
本発明では、取付後の押さえ板３の外縁の位置（上縁）が、前記高摩擦材２の摩耗限界位置、或いは交換時期を示す位置とするように設計しておいてもよい。
このように設計すれば、図４に示すように、高摩擦材２の摩耗度合いを前記押さえ板を基準に視認することができたり、高摩擦材２の交換の要否を容易に確認することができたりする点で有益である。
【００３４】
＜５＞比較試験
以下、本発明を適用した高粘着車輪と、一般的な鉄車輪との比較試験の結果を示す。
【００３５】
＜５．１＞車輪硬度の比較結果。
各車輪の硬度を、反発式ハードマチックＨＨ−４０１測定器にて５回ずつ測定した結果は以下の通りである。
2015107751.tif 000003
表１の通り、本発明の高摩擦材を用いた車輪（高粘着アルミ車輪）は、従来の鉄車輪よりも粘着性に優れることがわかる。
【００３６】
＜５．２＞牽引力の比較結果。
次に、各車輪について、連結器に発生する最大牽引力をスケールにて測定した。
機関車（３屯デジタルサーボ制御式機関車）を微速で走行させ、スケールの定常値（計測値が一定になった時）の数値を読み取り、車輪がスリップする寸前の数値を有効値とする。
このスケール値（Ｔ’（Ｋｇｆ））を用い、牽引力（Ｔ（Ｋｇｆ）（動輪周上））を下記計算式によって求める。
牽引力：Ｔ（Ｋｇｆ）＝Ｔ’（Ｋｇｆ）+（(機関車重量；ＷＬ(Ton)×走行抵抗Ｒ12(Kg/ton)）
【００３７】
（１）従来の構成
従来の鉄車輪で、通常通り踏面に1/20のテーパーを設けた結果を、表２−１に示す。
［表２−１］鉄車輪(踏面1/20テーパー)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000004
【００３８】
（２）踏面をフラットにした構成
従来の鉄車輪のまま、踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表２−２に示す。
［表２−２］鉄車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000005
上記の通り、［表２−１］の結果よりも牽引力が向上する結果となった。
【００３９】
（３）高摩擦材且つ踏面をフラットにした構成
本発明の高摩擦材を用い、且つ踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表２−３に示す。
［表２−３］高粘着アルミ車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000006
上記の通り、［表２−１］および［表２−２］の結果よりも牽引力が向上する結果となった。
【００４０】
（４）バッテリを無積載とした場合の構成
バッテリを無積載とした状態で、高摩擦材の使用の有無の比較結果を、表２−４，５に示す。
［表２−４］鉄車輪車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ無積載時
2015107751.tif 000007
［表２−５］高粘着アルミ車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ無積載時
2015107751.tif 000008
上記の通り、バッテリを積載しない状態であっても、高摩擦材によれば高い粘着係数を得ることができる。
【００４１】
＜５．３＞走行性能の比較結果
次に、各車輪における走行性能を比較した。
所望される牽引可能重量は現場条件に応じて都度異なる。
例えば、通常、５０／１０００勾配で、粘着係数μ＝０．１８の場合、牽引力は、Ｆ＝３．５（ｔｏｎ）×０．１８×１０００＝６３０Ｋｇとなり、牽引可能重量は約６（Ｔｏｎ）となる。また、５０／１０００勾配で、粘着係数μ＝０．２１４の場合、牽引力Ｆ＝３．５（Ｔｏｎ）×０．２１４×１０００＝７５０Ｋｇとなり牽引可能重量は７．８２（Ｔｏｎ）となる。
今回の試験では、牽引可能重量を７．９１（Ｔｏｎ）と、８．２６（Ｔｏｎ）として、各車輪についてそれぞれ確認を行った。
【００４２】
＜５．３．１＞牽引可能重量を７．９１（Ｔｏｎ）としたとき
（１）従来の構成
従来の鉄車輪で、通常通り踏面に1/20のテーパーを設けた結果を、表３−１に示す。
［表３−１］鉄車輪(踏面1/20テーパー)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000009
通常、５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を７．９１（Ｔｏｎ）に増やして走行させると、鉄車輪では少しスリップしたためレール面が悪いと牽引走行は困難と考えられる。
【００４３】
（２）踏面をフラットにした構成
従来の鉄車輪のまま、踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表３−２に示す。
［表３−２］鉄車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000010
【００４４】
（３）高摩擦材且つ踏面をフラットにした構成
本発明の高摩擦材を用い、且つ踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表３−３に示す。
［表３−３］高粘着アルミ車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ850Kg積載時
2015107751.tif 000011
通常、５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を７．９１（Ｔｏｎ）に増やして走行させても、全くスリップせず、安全に牽引走行ができた。また、レール面が多少悪くても走行可能と考えられる。
【００４５】
＜５．３．２＞牽引可能重量を８．２６（Ｔｏｎ）としたとき
【００４６】
（１）従来の構成
従来の鉄車輪で、通常通り踏面に1/20のテーパーを設けた結果を、表３−４に示す。
［表３−４］鉄車輪(踏面1/20テーパー)取付機関車にバッテリ無積載時
2015107751.tif 000012
通常、５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を８．２６（Ｔｏｎ）に増やして走行させると、鉄車輪ではスリップする状態が続くため、レール面が悪いと牽引走行は困難と考えられる。
【００４７】
（２）踏面をフラットにした構成
従来の鉄車輪のまま、踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表３−５に示す。
［表３−５］鉄車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ無積載時
2015107751.tif 000013
通常、５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を８．２６（Ｔｏｎ）に増やして走行させると、全くスリップせずに安全に牽引走行ができた。レール面が多少悪くても走行可能と思われる。
【００４８】
（３）高摩擦材且つ踏面をフラットにした構成
本発明の高摩擦材を用い、且つ踏面をフラット（水平）にした場合の結果を、表３−６に示す。
［表３−６］高粘着アルミ車輪(踏面フラット)取付機関車にバッテリ無積載時
2015107751.tif 000014
通常、５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を８．２６（Ｔｏｎ）に増やして走行させると、全くスリップせず、安全に牽引走行ができた。また、レール面が多少悪くても走行可能と思われる。
【００４９】
＜５．４＞制動性能の比較結果
次に、各車輪における制動性能を、牽引可能重量を７．９１（Ｔｏｎ）、１０．３１（Ｔｏｎ）の場合でそれぞれ比較した。
【００５０】
＜５．４．１＞牽引可能重量を７．９１（Ｔｏｎ）としたとき
車輪の構成と、作動ブレーキをそれぞれ変えた場合の制動距離の比較を、表４−１に示す。
［表４−１］機関車にバッテリ850Kg積載  -50/1000下り勾配走行時の制動距離を測定
2015107751.tif 000015
通常５０／１０００勾配では約６．５Ｔｏｎ牽引可能であったが、牽引重量を７．９１（Ｔｏｎ）に増やして制動テストを行うと高粘着アルミ車輪の方が、制動距離が短くなった。
【００５１】
＜５．４．２＞牽引可能重量を８．２６（Ｔｏｎ）としたとき
車輪の構成と、作動ブレーキをそれぞれ変えた場合の制動距離の比較を、表４−２に示す。
［表４−２］機関車にバッテリ無積載  -50/1000下り勾配走行時の制動距離を測定
2015107751.tif 000016
バッテリ無積載で自重が軽い状態でも本発明を適用した高粘着アルミ車輪の場合は粘着が高い為に、制動距離が短い距離で安全に停止できた。一方、従来の鉄車輪はブレーキを掛けた直後から車輪がロックしたままで滑走して、危険な状態だったので距離測定を行うことはできなかった。
【００５２】
＜５．４．３＞牽引可能重量を１０．３１（Ｔｏｎ）としたとき
車輪の構成と、作動ブレーキをそれぞれ変えた場合の制動距離の比較を、表４−３に示す。
［表４−３］機関車にバッテリ無積載  -50/1000下り勾配走行時の制動距離を測定
2015107751.tif 000017
バッテリ無積載で自重が軽い状態で制動距離の測定を行った結果、アルミ車輪はブレーキを掛けた直後は、車輪はロックしなかったが、停止寸前に車輪（バッテリー側のみ）が１．５ｍ程ロックして停止した。一方、鉄車輪（踏面フラット）は車輪が停止直前でもロックせずに停止した。
【００５３】
以上の通り、牽引試験においては、自重が小さく成る事により粘着係数の２点測定が行え、従来鉄車輪に比べアルミリングの方が係数が大きくなった。
また、走行性能試験では、条件を悪くするため電池箱を下ろし自重を軽くして比較を行ったところ、本発明を適用したアルミ車輪ではスリップが起こることなく牽引できた。
また、制動性能試験では、通常停止と非常停止の制動距離を比較し、本発明に係る車輪において停止距離が短くなる結果となった。
【符号の説明】
【００５４】
Ａ      車輪
Ｂ      レール
１      基部
１１    収容空間
１１１  案内面
１１２  当接面
１２    連結孔
１３    貫通孔
２      高摩擦材
３      押さえ板
３１    連結孔
３２    外縁
４      ボルト
ａ      踏面形成体
ｂ      環状体
ｃ      摩擦増強材
ｄ      車輪本体
ｅ      取付孔
ｆ      ボルト
【図１】
2015107751.tif 000018
【図２】
2015107751.tif 000019
【図３】
2015107751.tif 000020
【図４】
2015107751.tif 000021
【図５】
2015107751.tif 000022