(57)【要約】  鉄道車輪は、板部（１３）を備えた車輪（１０）と、表面（２ａ）側を摺動面とする円板部（２）、及び円板部（２）の裏面（２ｂ）に放射状に突設された複数のフィン部（３）を備えたブレーキディスク（１）と、を備え、２枚のブレーキディスク（１）が個々の摺動面を外向きにした状態で車輪（１０）の板部（１３）を挟み込み、前記摺動面の領域内で締結されて成る。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、円板部（２）の外周面（２ｃ）とリム部（１２）の内周面（１２ｂ）とで形成される領域のうちで円板部（２）の外周面（２ｃ）の最も裏面（２ｂ）側の部分（ａ１）に存在し、この最小断面部の面積が２５００ｍｍ２以上、７０００ｍｍ２以下である。ブレーキディスク（１）は、高速走行中の空力音を抑制でき、簡素な形状で生産性に優れている。 
2015122146.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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のうちで前記円板部の前記外周面の最も裏面側に存在し、
前記最小断面部の面積が２５００ｍｍ２以上、７０００ｍｍ２以下である、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
【請求項２】
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、
前記円板部の外径が一定である、ブレーキディスク付き鉄道車輪。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、単に「ＢＤ付き鉄道車輪」ともいう）に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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で又はその一部の領域で車輪１０の板部１３の側面１３ａに圧接し、この状態で車輪１０に締結される。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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、風切音の騒音を誘発する。この風切音は、空力音と称される。環境への配慮から空力音の低減が必要とされる。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−９８６２号公報
【特許文献２】特開２００７−２０５４２８号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１０／０７１１６９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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：
高速走行中の空力音を抑制しつつ、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。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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のうちで前記円板部の前記外周面の最も裏面側に存在し、
前記最小断面部の面積が２５００ｍｍ２以上、７０００ｍｍ２以下である。【００２２】
前記最小断面部の面積は、３０００ｍｍ２以上であることが好ましい。
上記のＢＤ付き鉄道車輪は、前記円板部の外径が一定である構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
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：
高速走行中の空力音を抑制しつつ、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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】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】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】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】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】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】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】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】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】図５Ａは、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の構造を示す、径方向に沿った断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａ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５Ａの矩形領域を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、解析で比較形態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６Ｂ】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７】図７は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。
【図８】図８は、特許文献３に開示された、１／３オクターブバンド処理を行った中心周波数と騒音レベルとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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の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。
【００２７】
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。つまり、通気量と空力音レベルの間には強い相関がある。このため、空力音レベルの評価は通気量を指標として行うことができ、通気量の抑制は空力音の抑制につながる。そして、通気量を抑制するには、空間横断面の最小断面部の面積を適切に規定すればよい。
【００２８】
この点、前記特許文献２、３に示す従来のＢＤ付き鉄道車輪では、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着目し、この空間に空間横断面の最小断面部を配置してガス流れを制限するために、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ている。これに起因し、上記の課題が顕在化する。
【００２９】
そこで、本発明者は、上記課題を解決するために、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、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、その限定した領域のうちで円板部の外周面の最も裏面側（以下、「円板部外周面の裏面部」）に空間横断面の最小断面部を配置し、熱流体解析による数値計算を用いて通気量を調査した。その結果、最小断面部としたブレーキディスクの円板部外周面の裏面部における空間横断面の面積を適切に規定すれば、通気量を従来技術相当に抑制し、空力音を抑制できるとの知見を得て、本発明を完成させた。
【００３０】
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。
図５Ａは、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の構造を示す、径方向に沿った断面図である。図５Ｂは、図５Ａ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５Ａ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。
【００３１】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、本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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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は、リム部１２の側面１２ａにつながるコーナー面１２ｂａ、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を含む。
【００３５】
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。
【００３６】
ここで、本実施形態の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、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５Ｂ中で符号「ａ１」を付した円板部外周面の裏面部を参照）。
【００３７】
この状態を実現するために、ブレーキディスク１の円板部外周面２ｃの裏面部ａ１が、車輪１０のリム部１２の内周面１２ｂに最も接近している。例えば、円板部２の外径が７１５ｍｍのブレーキディスク１の場合、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１とリム部１２の内周面１２ｂとの最小隙間ｇは、１．３〜３．１ｍｍ程度である。この最小隙間ｇは、円板部２の裏面２ｂの延長線がリム部１２の内周面１２ｂと交差する部分ｂ１と、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１との間隔に相当する。円板部２の外径は一定であることが好ましい。機械加工を容易に行えるからである。
【００３８】
特に、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪では、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１における空間横断面の面積は、２５００ｍｍ２以上、７０００ｍｍ２以下とする。この断面の面積は、３０００ｍｍ２以上であることが好ましい。このような数値範囲は、下記の熱流体解析及びその解析結果に基づく考察から導かれたものである。
【００３９】
［熱流体解析］
前記図５Ａ及び図５Ｂに示すＢＤ付き鉄道車輪について、走行速度が３６０ｋｍ／ｈと一定である高速走行時を模擬して熱流体解析を行い、空間横断面の最小断面部での通気量を評価した。その際、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１とリム部１２の内周面１２ｂとの最小隙間ｇを種々変更することにより、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１（最小断面部）における空間横断面の面積を種々変更したモデルを用いた。
【００４０】
また、比較のために、図６Ａ及び図６Ｂ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付き鉄道車輪のモデルと、スリット７ａ付きのリブ７は設けられていないＢＤ付き鉄道車輪のモデルとを用いた。図６Ａ及び図６Ｂに示すＢＤ付き鉄道車輪は、前記特許文献３に開示されたＢＤ付き鉄道車輪、すなわち前記図３Ａ及び図３Ｂに示す従来のＢＤ付き鉄道車輪と同じであり、円板部外周面２ｃの裏面部ａ１とリム部１２の内周面１２ｂとの最小隙間ｇが大きいものである。比較形態のモデルのうちスリット７ａ付きのリブ７が設けられたものでは、フィン部７の位置が空間横断面の最小断面部であり、スリット７ａの深さｄを種々変更することにより、最小断面部での空間横断面の面積を種々変更した。本実施形態及び比較形態は、いずれも、ブレーキディスクを中央締結したものである。
【００４１】
下記の表１に、解析に用いたＢＤ付き鉄道車輪のモデルの条件を示す。ブレーキディスク１と車輪１０との間に形成された空間全体を通して、最小断面部は、本実施形態では、円板部２の外周面２ｃとリム部１２の内周面１２ｂとで形成される領域にあり、比較形態では、円板部２の裏面２ｂ外周部と板部１３との間（リブが設けられたものはスリット部）にある。なお、円板部２と板部１３との間にフィン部３が存在すること等により、最小断面部は、ＢＤ付き鉄道車輪の一断面のみからは一意的には決まらない。
【００４２】
【表１】
2015122146.tif 000003
【００４３】
その他に、解析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。
【００４４】
＜車輪＞
・新幹線（Ｒ）用の圧延車輪
・内径：１９６ｍｍ、外径：８６０ｍｍ、リム部の径方向厚み：６０ｍｍ
【００４５】
［解析結果及び考察］
図７は、ブレーキディスク付き鉄道車輪における最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベル及び通気量との相関を示す図である。なお、同図に示す空力音レベルは、前記図４に示したものと同じである。図７には、内周締結型ブレーキディスクを備えたＢＤ付き鉄道車輪の空力音レベルを、破線で示している。
【００４６】
図７に示すように、最小断面部での空間横断面の面積と通気量との関係は、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪と比較形態の従来のＢＤ付き鉄道車輪とで一致する。このことから、空力音レベルの関係についても、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪と比較形態の従来のＢＤ付き鉄道車輪で一致すると言える。
【００４７】
空力音レベルは、図７に示すように、最小断面部の面積の減少に伴って小さくなる。このため、空力音レベルを小さくするには、最小断面部の面積を小さくし、通気量を小さくすればよい。ただし、最小断面部の面積を２５００ｍｍ２より小さくしても、空力音レベルは変化しない。また、最小断面部の面積を小さくし過ぎると、通気量が小さくなるため、ブレーキディスクへの冷却性能が低下するという問題が生じる。これらのことから、最小断面部の面積の下限は、２５００ｍｍ２とする。その下限は、好ましくは、３０００ｍｍ２とし、より好ましくは３５００ｍｍ２とする。
【００４８】
図８は、特許文献３に開示された、１／３オクターブバンド処理を行った中心周波数と騒音レベルとの関係を示す図である。ここでいう騒音レベルとは、空力音レベルのことである。また、同図中の開口面積の総和とは、空間横断面の面積の最小となる最小断面部の面積のことである。
【００４９】
図８に示す図は、走行速度が３６０ｋｍ／ｈと一定である高速走行時を想定した実験により得られたものである。実験では、ブレーキディスクを備えていない鉄道車輪、リブの無いブレーキディスクを備えたＢＤ付き鉄道車輪、及びスリット付きのリブが追加されたＢＤ付き鉄道車輪が用いられている。スリット付きのリブが追加された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、すなわち前記図６Ａ及び図６Ｂに示す比較形態のＢＤ付き鉄道車輪と同じである。このスリット付きのリブが追加されたＢＤ付き鉄道車輪としては、リブの位置に相当する最小断面部での空間横断面の面積が１８０００ｍｍ２であるものと、７０００ｍｍ２であるものが採用されている。
【００５０】
図８に示すように、リブの位置に相当する最小断面部での空間横断面の面積が７０００ｍｍ２であるＢＤ付き鉄道車輪の場合、その面積が１８０００ｍｍ２であるＢＤ付き鉄道車輪の場合と比較し、中心周波数が８００Ｈｚ〜１２５０Ｈｚの周波数帯域の空力音を顕著に低減することができる。一方、上述した熱流体解析の結果から、最小断面部での空間横断面の面積と空力音レベルとの関係は、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪と比較形態の従来のＢＤ付き鉄道車輪で一致する。これらのことから、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪において、最小断面部の面積の上限は、７０００ｍｍ２とする。その上限は、より好ましくは６０００ｍｍ２とする。
【００５１】
このような構成の本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪において、前記図５Ａ及び図５Ｂに示すように、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。
【００５２】
また、本実施形態のＢＤ付き鉄道車輪は、ブレーキディスク１の円板部外周面２ｃの裏面部ａ１に空間横断面の最小断面部を配置し、この最小断面部での空間横断面の面積の範囲を規定しているので、空力音を従来技術相当に抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
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
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
2015122146.tif 000005
【図２Ａ】
2015122146.tif 000006
【図２Ｂ】
2015122146.tif 000007
【図２Ｃ】
2015122146.tif 000008
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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