(57)【要約】【課題】高い摩擦係数を確保しつつ、耐久性をより向上させると共に、車輪の軸方向の滑りをよくして、曲線部での走行をより円滑にすることができる踏面形成部を持つ車輪を提供する。【解決手段】軌道を走行するための車輪２０の車輪本体２１の外周において、軌道と接触する踏面２３０ａを形成する踏面形成部２３０が提供される。車輪本体２１の外周面に設けられた、当該外周に沿って開口する凹部２４１〜２４３と、凹部２４１〜２４３に配置され、摩擦力を増大させるための摩擦増強材２５とを有する。摩擦増強材２５は、車輪本体２１に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、車輪本体２１は、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有する。摩擦増強材２５は、その一部２５１〜２５３が踏面２３０ａに露出する状態で、凹部２４１〜２４３に配置される。【選択図】図２
2004082848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道を走行するための車輪であって、
車輪本体と、その外周部にあって軌道と接触する踏面を構成する踏面形成部とを有し、
前記踏面形成部に配置され、踏面形成部の摩擦力を増大させるための摩擦増強材とを有し、
前記踏面形成部には、軌道と接触する面において開口する凹部が設けられ、
前記摩擦増強材は、前記凹部に、一部が軌道と接触し得る状態で配置され、
前記摩擦増強材は、車輪本体に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、車輪本体は、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有する材料であること
を特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項２】
請求項１に記載の軌道走行用車輪において、
前記摩擦増強材の踏面露出部分は、前記車輪本体と同軸の環状パターンを構成することを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項３】
請求項２に記載の軌道走行用車輪において、
前記環状パターンは、前記車輪本体の軸方向に、間隔を空けて複数配置されることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項４】
請求項３に記載の軌道走行用車輪において、
前記凹部は、前記複数の環状パターンに対応して複数設けられ、かつ、それらは、連通していることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項５】
請求項２、３および４のいずれか一項に記載の軌道走行用車輪において、
前記環状パターンは、当該踏面の周方向に連続するパターンであることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項６】
請求項１、２、３、４および５のいずれか一項に記載の軌道走行用車輪において、
前記摩擦増強材は、アルミニウム合金中にセラミック粒子を含有するセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を含むことを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項７】
請求項６に記載の軌道走行用車輪において、
前記セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料は、６０６１アルミニウム合金からなる母地にセラミック粒子を分散させたものであることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項８】
請求項６および７のいずれか一項に記載の軌道走行用車輪において、
前記摩擦増強材は、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料が、セラミック粒子を５ないし２５ｖｏｌ％含有することを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項９】
請求項１、２、３、４、５、６、７および８のいずれか一項に記載の軌道走行用車輪において、
前記摩擦増強材は、溶湯鍛造により、前記凹部に配置されたものであることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項１０】
請求項１、２、３、４、５、６、７、８および９のいずれか一項に記載の軌道走行用車輪において、
前記車輪本体は、鉄を主成分とする金属で形成されることを特徴とする軌道走行用車輪。
【請求項１１】
複数の車輪と、こられの車輪が各々一対ずつ装着される複数の車軸と、前記複数の車軸のうち、少なくとも１の車軸を駆動する駆動機構とを備え、前記車輪により軌道を走行する移動体において、
前記複数の車輪のうち、駆動機構によって駆動される車軸に装着される車輪は、請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９および１０のいずれか一項に記載の車輪であることを特徴とする移動体。
【請求項１２】
車輪本体の外周に摩擦増強材を設けた車輪の製造方法において、
前記車輪本体の外周面に、当該外周に沿って開口する凹部を形成し、
前記凹部が設けられた車輪本体を、耐圧性を有する型に収容すると共に、該型内に、アルミニウム合金中にセラミック粒子を含有するセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を溶融状態で注入して、前記凹部内に流入させ、
前記型内のセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を加圧しつつ固化させ、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料が凹部に充填された車輪本体を型から取りだし、
前記車輪の外周に沿う面を切削して踏面を形成すること
を特徴とする車輪の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道走行用車輪、それを備えた移動体、および、車輪の製造方法に係り、特に、鋼製レールとの間に高い摩擦係数を有し、かつ、高い強度を備えた軌道走行用車輪、それを備えた移動体、および、車輪の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軌道（レール）上を走行する移動体としては、人、物等を搭載して搬送する車両、位置を変えて作業を行なう作業機等がある。これらの移動体には、レール上を自走するための駆動輪を備えているものがある。通常、この種の自走式の移動体、例えば、機関車は、機関車の重量と車輪の摩擦係数との積が牽引力となる。
【０００３】
ところで、レールと、レール上を走行する移動体、例えば、機関車の車輪とは、双方とも鋼製であることが一般的である。その場合、車輪とレールとの摩擦係数（以下、「μ」と表記することがある。）は、０．２ないし０．３未満である。しかし、この程度の摩擦係数では、十分でない場合がある。例えば、急勾配を走行する機関車等の移動体の場合、登坂能力を大きくするためには、牽引力を高める必要がある。しかし、レールと車輪との間の摩擦係数の大きさに限界があるため、必要以上に機関車の重量を増加させなければならないという問題がある。一方、荷重の大きな移動体の場合、慣性が大きいため、加速に時間がかかると共に、停止する際にも、長い制動距離を必要とする。この場合にも、レールと車輪との間の摩擦係数を高めることが望まれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これに対して、レールと車輪との間の摩擦係数を高めるために、車輪のレールと接触する踏面の摩擦係数を高くすることが考えられる。例えば、μが０．４程度の材料、例えば、ウレタンゴムを、車輪の踏面に装着することが考えられる。しかしながら、ウレタンゴムがその踏面に形成された車輪を使用する場合に、ウレタンゴムが発熱し、その寿命が短いという問題がある。
【０００５】
一方、車輪自体の材質を変えて、摩擦係数を向上することが考えられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金を用いて車輪を形成することが考えられる。これによれば、μを増大することができる。しかし、これらの材料は、耐磨耗性が悪く、寿命も短いという問題がある。
【０００６】
一方、本出願人は、車輪の少なくとも踏面部分に、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を用いることで、上述した問題が解決できることを提案した（ＷＯ９８／２６９４４）。
【０００７】
本発明は、前記提案した車輪をさらに改善するものである。すなわち、高い摩擦係数を確保しつつ、耐久性をより向上させた車輪、ならびに、当該車輪を用いた移動体を提供しようとするものである。また、その車輪の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明によれば、
軌道を走行するための車輪であって、
車輪本体と、その外周部にあって軌道と接触する踏面を構成する踏面形成部とを有し、
前記踏面形成部に配置され、踏面形成部の摩擦力を増大させるための摩擦増強材とを有し、
前記踏面形成部には、軌道と接触する面において開口する凹部が設けられ、
前記摩擦増強材は、前記凹部に、一部が軌道と接触し得る状態で配置され、
前記摩擦増強材は、車輪本体に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、車輪本体は、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有する材料であること
を特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態につき詳細に説明する。以下の説明では、本発明を、トンネル工事などの工事現場において、資器材等の搬送に用いられるバッテリー式機関車に適用した例について説明する。もちろん、本発明は、これに限定されるものではない。機関車、電車等の各種車両、掘削、荷役等を行う自走式作業車、資器材等を搬送する自走式搬送機等の、レール上を移動する種々の移動体に適用することができる。なお、本発明は、工事現場、工場等において、工事、作業等に用いられる作業用の移動体に限られない。例えば、旅客用の車両にも適用可能である。具体的には、急勾配区間を走行する車両、制動距離を短くする必要のある高速走行車両等に適用され得る。
【００１０】
図５に示すように、本発明が適用される車輪を用いたバッテリー機関車１０は、トンネル掘削工事において、縦坑１００と切羽１２０間の横坑１３０内において、資材Ｍや作業員（図示せず）などを運搬するためのトンネル内工事用のものである。横坑１３０内には、軌道としてレール１５０が敷設されており、機関車１０は、このレール１５０上を走行する。
【００１１】
レール１５０は、いわゆるＴ型レールであり、底部、底部のほぼ中央から起立する腹部、および、腹部の上に設けられ、その頂面で車輪と接触する頭部を備えている。また、このレールは、複数の枕木に載置され、ボルト、イヌ釘などにより枕木に固定されている。
【００１２】
上述したようなバッテリー機関車に使用される、第１の実施形態にかかる車輪について、以下に説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる車輪の部分正面図、図２は、車輪の一部を截断した断面図、図３は、車輪の踏面形成部を示す部分断面図である。
【００１３】
第１の実施形態の車輪２０は、車輪本体２１と、車輪本体２１の外周部に設けられる摩擦増強材２５とを有する。車輪本体２１の外周部は、前記摩擦増強材２５と共に、レールの頭部の頂面と接触する踏面形成部２３０を構成している。
【００１４】
車輪本体２１は、例えば、マンガン鋳鋼ＳＣＭｎ２により形成される。車輪本体２１には、車軸Ｓ（図６参照）の端部を受け入れて、これを装着するための貫通孔２２を備えている。また、車輪本体２１の外周部には、フランジ２６が形成される。フランジ２６の踏面形成部側の表面は、踏面形成部２３０のレール接触面２３０ａ（以下、踏面という）と滑らかに連なっている。
【００１５】
踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部に形成される。外周部には、それに沿って開口する凹部２４１〜２４３が設けられる。凹部２４１〜２４３内には、摩擦増強材２５が充填される。踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部がそのまま残った車輪本体露出部２３１〜２３４と、摩擦増強材２５とにより構成される。摩擦増強材２５は、車輪本体２１に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、摩擦力を増大させる。一方、車輪本体露出部２３１〜２３４は、摩擦増強材２５に比べて相対的に大きい強度を有する。
【００１６】
また、図２に示すように、踏面形成部２３０は、車輪本体２１の外周部において露出する車輪本体露出部２３１〜２３４と、それらの間にあって、交互に露出する摩擦増強材露出部２５１、２５２、２５３（前記凹部２４１〜２４３の開口部分）とにより構成される。この踏面形成部２３０は、全体として、レールの頭部の頂面と接触する踏面２３０ａを構成している。踏面２３０ａは、例えば、１／２０の勾配をなしている。この踏面２３０ａには、図２に示すように、車輪本体露出部２３１〜２３４と、摩擦増強材露出部２５１〜２５３が交互に並ぶ環状パターンが表れる。
【００１７】
凹部２４１〜２４３は、外周に沿って開口する溝状に形成される。この例では、各凹部２４１〜２４３は、外周の全周に渡って連続的に設けられる。凹部の数は、３本に限られない。また、必ずしも連続的であることが要求されるわけではない。矩形状の開口部が一定間隔で外周全周に渡って配置される構造としてもよい。
【００１８】
踏面形成部２３０における凹部２４１から２４３が占める割合は、凹部の開口幅、車輪本体２１の強度と、摩擦力との関係に基づいて予め決められる。本実施形態では、３本の凹部２４１〜２４３が配置されている。これらの凹部２４１〜２４３は、一定の間隔を空けて、車輪本体２１の軸方向に並ぶ。
【００１９】
また、本実施形態では、図２に示すように、凹部２４１〜２４３は、その深さが、その開口幅より大きい深溝構造となっている。さらに、図３に示すように、フランジ２６と逆の面側に、湯口２４５が設けられている。この湯口２４５は、摩擦増強材２５を充填する際に、後述する溶融摩擦増強材２５０が円滑に注入できるようにするためのものである。したがって、この湯口２４５は、複数個設けられている。また、湯口２４５は、前述した凹部２４１から２４３のすべてに連通している。
【００２０】
前記凹部２４１〜２４３、および、それらと湯口２４５との連通部に、摩擦増強材２５が配置される。具体的には、後述するように、溶融摩擦増強材２５０が凹部空間に充填される。その結果、摩擦増強材２５は、凹部２４１〜２４３の開口面において、その一部が踏面２３０ａに露出する状態となる。これにより、この露出した部分である摩擦増強材露出部２５１、２５２および２５３が、図２、図６に示すように、縞状の環状パターンを構成する。
【００２１】
この実施の形態における車輪２０および踏面形成部２３０の大きさの一例を挙げる。フランジ２６の最外周での車輪の外径は、約４７０ｍｍであり、踏面形成部２３０の外径は、約４２０ｍｍである。また、踏面形成部２３０の厚さは、約６７ｍｍである。そして、凹部２４１〜２４３の開口幅は、約９ｍｍ、そして、これらの凹部２４１〜２４３は、踏面形成部２３０の両端から１０ｍｍ、そして、互いに１０ｍｍ間隔を空けて配置される。また、凹部２４１〜２４３の深さ（すなわち、踏面２３０ａから凹部２４１〜２４３の底部２４４までの長さ）は３０ｍｍである。なお、本発明は、車輪の大きさに限定されない。本発明者らは、外径として約３００ｍｍから６６０ｍｍの大きさのものに適用して、車輪を実際に製作し、登坂力、制動距離等の性能を確認している。
【００２２】
次に、この実施の形態にかかる車輪本体２１の構成、および、その製造について説明する。この実施の形態においては、摩擦増強材２５は、セラミック粒子を含有するアルミ複合材、すなわち、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を含む材料により構成される。なお、これに他の材料を混在させることもできる。一方、車輪本体２１は、鉄を主成分とする金属、例えば、マンガン鋳鋼ＳＣＭｎ２により形成される。なお、他の材料、例えば、炭素鋼Ｓ４５Ｃにより形成することもできる。
【００２３】
まず、前述した材料からなる車輪本体２１に、その外周面について、切削加工を行って３本の溝を、間隔を空けて全周に渡って設ける。すなわち、当該外周に沿って開口する凹部２４１〜２４３を設ける。また、図１および図３に示すように、湯口２４５を、凹部２４１〜２４３に連通させて穿孔する。この湯口２４５は、本実施形態では、１６個設ける。
【００２４】
次に、車輪本体２１の凹部２４１〜２４３に、摩擦増強材２５を配置する。ここでは、溶湯鍛造法により行う。
【００２５】
溶湯鍛造法とは、金属製品の形成法の一種であり、金型内の空間に、溶融または半溶融状の金属を流し込み、高圧力を加えて金属を凝固させる方法である。
【００２６】
この実施の形態における溶湯鍛造法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶融し、この状態で、溶融されたアルミニウムまたはアルミニウム合金を同程度の温度に予め加熱された型に入れ、高い圧力（例えば、１０００ｋｇ／ｃｍ２程度）を加えて、ある程度の時間（例えば、８分程度）保持して、溶湯を凝固させる方法である。この方法によると、溶湯を高圧下において、短時間で凝固させるため、金属、合金組織が緻密で、鋳巣の少ない鋳造物を得ることができる。図７にそのための装置を概念的に示す。
【００２７】
図７に示すように、ベース５２０上に、車輪本体２１を配置し、その上にガイド部材５２１が配置される。そして、回りを耐熱性および耐圧性を有するモールド型５１０ａおよび５１０ｂで囲む。この状態で、型５１０ｂ内に、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を溶融状態で注入する。そして、ピストン５３０により、溶融したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料２５０を加圧する。例えば、１０００ｋｇ／ｃｍ２程度の圧力がかけられる。これにより、図８に示すように、溶融したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（溶融摩擦増強材２５０）が車輪本体２１の空間内に充填される。加圧状態を保持し、その後、冷却して、セラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料を凝固させる。
【００２８】
なお、ピストン５３０には、前記ガイド部材５２１との対向面に、当該ガイド部材５２１の上端側を収容できる凹部５３１が設けられている。
【００２９】
この後、ピストン５３０を退避させ、型５１０ａおよび型５１０ｂを外し、車輪本体２１を取り出す。なお、車輪本体を取り出しやすくするため、前述した型５１０ｂ、ガイド部材５２１、ベース５２０、および、ピストン５３０の凹部側の面には、離型材を予め設けるようにしてもよい。
【００３０】
この後、公知の熱処理法であるＴ６の処理を行う。そして、必要に応じて、外面を整形加工処理する。これにより、車輪本体２１の凹部２４１〜２４３に固化したセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（摩擦増強材２５）が配置された踏面形成部２３０が得られる。このとき、摩擦増強材２５は、鋳巣が無く、緻密な構造となる。そのため、強度が大幅に向上する。
【００３１】
ここで、溶湯鍛造により凹部２４１〜２４３に充填する摩擦増強材２５について説明する。
【００３２】
摩擦増強材２５を構成するためのセラミック粒子分散強化アルミニウム基複合材料（以下、アルミ複合材と称する）には、ＡＬＣＡＮ社から入手可能な、ＤＵＲＡＬＣＡＮ（登録商標）がある。ＤＵＲＡＬＣＡＮには、現在のところ、２種の材料がある。すなわち、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金（合金番号６０６１）を母地として、これに、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）の微粒子（例えば、ミクロン単位の大きさ）を混在させて形成される材料と、Ａｌ−Ｃｕ系のアルミニウム合金（合金番号２０２４）を母地として、ＳｉＣの微粒子（例えば、ミクロン単位の大きさ）を混在させて形成される材料とがある。これらの材料は、良く知られているＴ６の熱処理を行って使用する。本発明では、いずれも使用可能であるが、耐食性、脆性破壊等を考慮すると、アルミニウム合金（６０６１）を母地とするものが好ましい。
【００３３】
具体的には、前述のアルミニウム合金（６０６１）に、Ａｌ２Ｏ３を１０ｖｏｌ％含む“Ｗ６Ａ１０Ａ”、同じく１５ｖｏｌ％含む“Ｗ６Ａ１５Ａ”、同じく２０ｖｏｌ％含む“Ｗ６Ａ２０Ａ”が好ましく用いられる。これらは、いずれも前記ＡＬＣＡＮ社から入手可能である。
【００３４】
アルミニウム合金（６０６１）は、摩擦係数が大きく、引っ張り強さが３１０ＭＰａ、伸びが１７％である。しかし、耐摩耗性に問題がある。これに対して、アルミ複合材は、耐摩耗性が非常に優れている。例えば、Ｗ６Ａ１０Ａは、前述したアルミニウム合金（６０６１）と比較して、１／３００倍程度という良好な磨耗体積（Ｖｏｌｕｍｅ　Ｌｏｓｓ）を有し、かつ、１／５０程度という良好な磨耗速度（Ｗｅａｒ　Ｒａｔｅ）を有している。耐摩耗性については、セラミック粒子の含有量が多いほど良くなる傾向にある。しかし、伸びが悪くなる。例えば、前述したアルミナ粒子含有の前述のＷ６Ａ１０Ａは、伸びが１０％程度あり、加工が容易であり、かつ、割れも生じにくい。一方、Ｗ６Ａ１５Ａ、Ｗ６Ａ２０Ａは、伸びがそれぞれ６％、４％程度となり、Ｗ６Ａ１０Ａより伸びの点で劣る。
【００３５】
なお、アルミナ粒子を５ｖｏｌ％含有のアルミ複合材の場合、母地のアルミニウム合金（６０６１）に比べれば、耐摩耗性はよいが、用途によっては必ずしも十分とは言えない。一方、アルミナ粒子を２５ｖｏｌ％含有のアルミ複合材の場合、耐摩耗性は極めてよいが、母地のアルミニウム合金（６０６１）に比べれば、伸びがより悪くなる。したがって、本発明者らの研究によれば、アルミ複合材としては、セラミック粒子を、５ないし２５ｖｏｌ％含有したアルミ複合材を用いることがよいといえる。特に、鋼製の車輪と同等の強度、加工性を実現することを考慮すると、例えば、アルミナの場合、１０ｖｏｌ％が最も好ましく、それについで、１５ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％のものが好ましく用いられる。
【００３６】
このようなセラミック粒子であるアルミナ粒子を、１０ｖｏｌ％含有したアルミ複合材と鋼との間の摩擦係数は、サンプル片を用いた実験では、約０．８〜０．９程度である。また、実際に車輪の形態とした場合の実験でも、０．４〜０．４５であり、従来のものと比較して、極めて大きい。
【００３７】
なお、セラミック粒子として、シリコンカーバイト粒子を５〜１０％用いる５０５２アルミニウム合金としても、同様の効果が期待できる。
【００３８】
このように構成することにより、踏面形成部２３０は、少なくともレールと接触する部分である踏面２３０ａに、相対的に大きい摩擦係数を有する摩擦増強材２５と、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有する車輪本体２１とが露出する構成となる。
【００３９】
ところで、本実施形態では、踏面形成部２３０は、レールとの踏面２３０ａのすべてではなく、部分的に摩擦増強材２５を有する構造となっている。このような構造であっても、大きな摩擦係数を有する車輪が実現できる。その理由は次の通りである。まず、走行時の車輪は、レールとの軸方向の相対位置関係が絶えず変化する揺らいだ状態にあり、踏面形成部２３０におけるレールとの接触位置は、絶えず変化していることが知られている。一方、本発明者らの研究によると、摩擦増強材２５がレールと接触すると表面に分散しているセラミック粒子がレール表面に擦り付けられること、および、車輪をセラミック粒子が擦り付けられた後に走行させると、摩擦増強材２５の車輪と同様に高い摩擦係数が実現されることが見いだされた。このため、踏面形成部２３０の一部分に摩擦増強材２５を有する場合であっても、全部に摩擦増強材２５を有する場合と同様に、高い摩擦係数を確保できることとなる。
【００４０】
また、本実施形態において、踏面形成部２３０は、部分的に車輪本体露出部２３１〜２３４を有する構造となっている。このような構造により、耐久性をより向上した車輪を実現している。その理由は次の通りである。前述したように、踏面形成部２３０は、レールとの軸方向における相対接触位置が、絶えず変化している。そのため、摩擦増強材２５に係る荷重が車輪本体２１に分担されること、および、細いレール、ポイント等において荷重が集中的にかかる場合でも、車輪の軸方向の揺らぎにより摩擦増強材２５に荷重がかかる時間が低減される。そのため、摩擦増強材２５の寿命が長くなり、全体として車輪の耐久性を向上することが可能となる。
【００４１】
また、摩擦増強材２５は摩擦係数が大きい。このため、踏面２３０ａの軸方向への滑りを抑える作用がある。そのため、踏面２３０ａ全体を摩擦増強材２５により構成すると、踏面２３０ａがその軸方向に応力を受ける傾向にある。しかし、前述した実施形態のように、摩擦増強材２５と車輪本体２１とが交互に配置されると、踏面２３０ａの軸方向への滑りが円滑に行われる。従って、踏面２３０ａにおける軸方向に受ける応力を軽減することができる。
【００４２】
さらに、高価なアルミ複合材の使用量が減少するため、車輪のコストを低減することができる。また、磨耗時は、踏面形成部２３０の踏面２３０ａを削ることで、踏面２３０ａの表面を円滑にすることができる。
【００４３】
図６は、前述した構成の車輪を利用したバッテリー機関車の車輪部分を示す部分略断面図である。図６に示すように、車輪２０の踏面形成部２３０は、レール１５０の頭部１５１の頂面と接触している。レール１５０は、枕木１６０に取り付けられるための底部１５２、底部のほぼ中央から起立する腹部１５３および腹部の上に設けられた頭部１５１から構成されている。
【００４４】
図６に示す踏面形成部２３０は、摩擦増強材２５が縞状の摩擦増強材露出部２５１〜２５３として露出している。従って、踏面２３０ａは、摩擦係数μが大きく、耐磨耗性が大きい摩擦増強材２５の摩擦増強材露出部２５１〜２５３、および、相対的に強度の大きい車輪本体２１の車輪本体露出部２３１〜２３４とを有することとなる。
【００４５】
ここで、前述した踏面形成部２３０を有する第１のメリットとして、車輪の駆動力を向上する点が挙げられる。
【００４６】
また、第２のメリットとして、急坂、重負荷等の過酷な動作環境下においても、確実に制動制御が行え、結果的に、制動距離の短縮が期待できる点が挙げられる。例えば、工事用のバッテリー機関車の場合、制御モータであるサーボモータによる多軸制御による回生制動等の電気的制動を用い、一般に用いられるブレーキシューにより車輪を抑えて停止する制動方法ではなく、サーボ制御により制動制御が行われる。この場合には、車輪のμにより、停止距離が決まる。このため、アルミ複合材からなる第１部材を有する踏面形成部２３０を有する車輪を、バッテリー機関車に搭載した場合、車輪のμの増大により、鋼製の車輪の場合に比べて、同じ走行速度からの停止距離の短縮が期待できる。また、サーボモータで制御する場合において、鋼製車輪が用いられる機関車では、車輪がロックして滑走する事態が起こるおそれがあるような、急坂、重負荷の環境下での制動であっても、踏面形成部２３０を有する本実施形態の車輪の場合には、サーボモータで駆動される車輪を制御可能な状態に維持できる。すなわち、過酷な動作環境下においても、制動制御を確実に行い得る。
【００４７】
第３のメリットとして、摩擦増強材２５が車輪本体２１と交互に配置されるため、車輪にかかる加重が強度の高い車輪本体２１により分担されることとなる。これにより、レール幅が狭いレール上を走行する場合、ポイントを走行する場合のように、車輪とレールとの接触幅が小さい場合にも、前述したように、摩擦増強材２５に加重がかかる時間を減少することができる。従って、車輪全体の耐久性を向上することができる。その結果、高い摩擦係数を有し、かつ、より重負荷に対応できる車輪が実現できる。
【００４８】
第４のメリットとして、摩擦増強材２５が車輪本体２１と交互に配置されるため、車輪の軸方向の滑りが、摩擦係数が大きい割に容易となる。そのため、曲線部で車輪２０のレール頂部１５１に対する横ずれが容易に行え、曲線部をより円滑に運行することができる。
【００４９】
第５のメリットとして、摩擦増強材２５が、緻密な構造であるため、その強度が大幅に向上している。また、摩擦増強材２５が車輪本体２１に包まれる状態であるため、摩擦増強材２５の変形が抑えられる。
【００５０】
なお、本実施形態の機関車は、軸Ｓに固定されている円盤１６１と、円盤１６１を両側から挾み込むブレーキパッド１６２，１６２と、これらブレーキパッド１６２，１６２を駆動させる駆動機構（図示されていない。）とを有するディスクブレーキ１６３が備えられ、停車時の駐車ブレーキとして使用される。駆動機構としては、例えば、油圧、空気圧等が用いられる。この場合にも、本発明の車輪は、レール１５０との間の摩擦係数μが大きいので、勾配の途中で静止している場合でも、滑りにくいため、安全性が高くなる。
【００５１】
次に、図４を参照して、本実施形態の車輪を備えた電気車である機関車の使用形態について説明する。図４には、図６に示すような車輪を用いたバッテリー機関車１０、および、それに連結された台車１４０を示す。
【００５２】
図４に示すように、機関車１０は、一方が主駆動輪、他方が従駆動輪である二対の車輪２０，２０と、これらの車輪により指示されるボディ１７０と、各々の駆動輪を回転させるための２個のサーボモータ（図示せず）と、２個のサーボモータを駆動するためのバッテリー１７１と、２個のサーボモータなどを制御して機関車を運転するための、操作パネルを含むドライバユニット１７２とを有している。ここで、機関車１０は、駆動機構として、前記サーボモータの他に、動力伝達機構、制御装置（ドライバ）等を有している。また、機関車１０は、資器材Ｍなどが積載された台車１４０、１４０を連結している。
【００５３】
さて、このようなバッテリー機関車１０において、前述したように機関車の重量とμとの積が牽引力に対応する。μがせいぜい０．２ないし０．３未満の従来の車輪を用いたバッテリー機関車においては、４０／１０００ないし５０／１０００の勾配を登坂することができるのに過ぎなかった。これに対して、この実施の形態においては、実際に、μを０．３５〜０．４５まで大きくすることが可能となる。したがって、従来の勾配の略２倍（すなわち、０．４／０．２倍）である、１００／１０００あまりの勾配を、サーボモータの出力を上げることのみで登坂することが可能となる。
【００５４】
従来、約５０／１０００以上の勾配を登坂する場合には、いわゆるアプト式登坂装置を備えた機関車および軌道が用いられている。本実施の形態によれば、１００／１０００程度の勾配までは、性能上、高価なアプト式登坂装置を設けることなく、急勾配を登坂できる機関車を実現できる。また、アプト式登坂装置を設ける場合においても、小型な装置で足りる。もちろん、本発明は、機関車に限らず、その他の自走式台車、自走式作業台車等の、各種移動体の場合においても、登坂能力を高めることができる。
【００５５】
さらに、前記実施形態によれば、μの増大により、移動体の牽引力を、重量を増やさずに増大させることが可能となる。したがって、小さな移動体で、出力さえ上げれば、従来不可能であった大きな負荷に対応することができる。例えば、機関車の場合には、より大きな荷重の台車を牽引できる。
【００５６】
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【００５７】
本発明にかかる車輪において、踏面形成部は、少なくともレールと接触する踏面に形成されていれば良い。踏面形成部の形状は、限定されるものではない。また、車輪や軸の外径、踏面形成部の厚みは、前記実施の形態のものに限定されない。
【００５８】
また、本発明は、バッテリー機関車に適用することに限定されるものではないことも明らかである。さらに、機関車に使用することのみならず、人や資器材を運搬する自走式台車、作業を行う自走式作業台車に使用できることも明らかである。
【００５９】
このアルミ複合材を装着した車輪は、アルミ複合材の踏面とレールとの摩擦係数μが大きい。発電制動、回生制動等の電気的制動によるブレーキ効果は、踏面とレールとの摩擦係数によって決まるので、μが大きいことは、そのまま制動距離の短縮となり、安全性が増大する。例えば、サーボモータ駆動によるバッテリー機関車および自走台車等のサーボモータ駆動車の場合、その制動は、サーボモータの回生制動によるため、踏面とレールとの摩擦係数μが大きいことが、制動距離の短縮につながる。
【００６０】
本発明の好ましい実施態様においては、車輪の踏面にアルミ複合材を設け、しかも、前記材料は、セラミック粒子を５ないし２５ｖｏｌ％含有している。特に、１０ないし２２ｖｏｌ％含有するものが好ましく用いられる。これにより、レール鋼と車輪（踏面形成部）との間の摩擦係数を、実験で約０．８〜０．９程度、実際の車輪の形態による実験でも０．３５〜０．４５にすることができる。その結果、移動体の重量を増大させることなく、出力を増やすのみで、この車輪を有する移動体の牽引力を増し、あるいは、ブレーキ性能をより向上させることが可能となる。
【００６１】
次に、第２の実施形態について説明する。図９は、第２の実施形態にかかる車輪の一部を截断した側面図である。図９に示すように、踏面２３０ａにおける摩擦増強材露出部２５１〜２５３は、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている。
【００６２】
この実施の形態の車輪２０は、車輪本体２１と、車輪本体２１の外周部に設けられる摩擦増強材２５とを有する。車輪本体２１の外周部は、前記摩擦増強材２５と共に、レールの頭部の頂面と接触する踏面形成部２３０を構成している。前記踏面形成部には、軌道と接触する面において開口する凹部２４１〜２４３が設けられ、凹部２４１〜２４３内には、摩擦増強材２５が充填される。また、車輪本体２１の外周部には、フランジ２６が形成され、フランジ２６の踏面形成部側の表面は、軌道と接触する踏面２３０ａと滑らかに連なっている。
【００６３】
この実施の形態における踏面形成部２３０の大きさの一例を挙げる。踏面形成部２３０の厚さは、約７０ｍｍである。そして、踏面２３０ａにおける凹部２４１および２４２の開口幅は、約１２ｍｍ、そして凹部２４３の開口幅は、約１６ｍｍである。そして、凹部２４１は、フランジ２６と逆の面側から１０ｍｍ、そして、凹部２４１〜２４３は、互いに１０ｍｍ間隔を空けて配置される。
【００６４】
なお、この実施の形態は、少なくとも、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている点において、第１の実施形態と相違する。
【００６５】
また、このように、フランジ２６に近い位置に配置されている摩擦増強材露出部２５３が、他の摩擦増強材露出部２５１、２５２より大きい構造となっている第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果が期待できる。
【００６６】
さらに、走行時の車輪は、レールとの軸方向の相対位置関係が絶えず変化する揺らいだ状態にあり、踏面形成部２３０におけるレールとの接触位置は、絶えず変化しているが、このような揺らいだ状態にあっても、レールとの接触頻度が高い部分（すなわち踏面２３０ａのフランジ２６寄りの部分）に、摩擦増強材露出部２５３が比較的大きく配置される場合は、より高い摩擦係数を有することが期待できる。
【００６７】
また、この実施形態の車輪は、第１の実施形態の製造方法と同様の方法により製造できる。
【００６８】
このように、本発明によれば、高い耐磨耗性を確保しつつ、耐久性を向上させた移動体用車輪および移動体を実現することができる。しかも、車輪の軸方向の滑りをよくして、曲線部での走行をより円滑にすることができる。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、車輪について、高い摩擦係数を確保しつつ、耐久性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にかかる車輪の半周分を示す部分正面図である。
【図２】図２は、図１に示す車輪の一部を截断した側面図である。
【図３】図３は、図１に示す車輪に用いられる踏面形成部を示す部分断面図である。
【図４】図４は、バッテリー機関車の利用形態の一例を示す側面図である。
【図５】図５は、バッテリー機関車の利用形態の一例を示す説明図である。
【図６】図６は、本実施の形態にかかる車輪を利用したバッテリー機関車の車輪部分を示す正面図である。
【図７】図７は、本実施形態における車輪の製造装置および工程の一部を示し、車輪本体に摩擦増強材を注入する状況を示す一部破断斜視図である。
【図８】図８は、本実施形態における車輪の製造装置および工程の一部を示し、車輪本体に摩擦増強材を注入して、加圧する状況を示す部分断面図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施形態に係る車輪の一部を截断した側面図である。
【符号の説明】
１０…機関車、２０…車輪、２１…車輪本体、２３０…踏面形成部、２３０ａ…踏面、２３１、２３２，２３３，２３４…車輪本体露出部、２４１、２４２、２４３…凹部、２４４…凹部底面、２４５…湯口、２５…摩擦増強材、２５０…溶融摩擦増強材、２５１、２５２、２５３…摩擦増強材露出部、２６…フランジ、１５０…レール。
【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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