(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軌道を走行するための車輪の本体外周に装着されて、軌道と接触する踏面を形成する踏面形成体であって、
前記車輪本体の外周に装着可能な環状形態を有し、かつ、その外周面に、当該外周に沿って開口する凹部を設けた環状体と、
前記凹部に配置され、摩擦力を増大させるための摩擦増強材とを有し、
摩擦増強材は、環状体に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、環状体は、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有し、
前記摩擦増強材は、その一部が踏面に露出する状態で、前記凹部に配置されていることを特徴とする踏面形成体。
【請求項２】
請求項１に記載の踏面形成体において、
前記摩擦増強材の踏面露出部分は、前記環状体と同軸の環状パターンを構成することを特徴とする踏面形成体。
【請求項３】
請求項２に記載の踏面形成体において、
前記環状パターンは、前記環状体の軸方向に、間隔を空けて複数配置されることを特徴とする踏面形成体。
【請求項４】
請求項３に記載の踏面形成体において、
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、環状体内部で連通していることを特徴とする踏面形成体。
【請求項５】
請求項２、３および４のいずれか一項に記載の踏面形成体において、
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踏面形成体。
【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踏面形成体において、
前記環状パターンのうち、車輪のフランジに最も近い位置に配置される環状パターンは、その軸方向の幅が他の環状パターンより広いことを特徴とする踏面形成体。
【請求項７】
請求項１、２、３、４、５および６のいずれか一項に記載の踏面形成体において、
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であることを特徴とする踏面形成体。
【請求項８】
請求項７に記載の踏面形成体において、
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踏面形成体。
【請求項９】
請求項７および８のいずれか一項に記載の踏面形成体において、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踏面形成体。
【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踏面形成体において、
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踏面形成体。
【請求項１１】
請求項２、３、４、５、６、７、８、９および１０のいずれか一項に記載の踏面形成体において、
前記環状体は、鉄を主成分とする金属で形成されることを特徴とする踏面形成体。
【請求項１２】
車輪本体と、その外周に装着されて、軌道と接触する踏面を形成する踏面形成体とを有する、軌道走行用の車輪であって、
前記踏面形成体は、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の踏面形成体であることを特徴とする車輪。
【請求項１３】
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１２に記載の車輪であることを特徴とする移動体。
【請求項１４】
車輪本体の外周に装着されて、軌道と接触する踏面を形成する踏面形成体の製造方法において、
前記車輪本体の外周に装着可能な形態を有し、かつ、その外周面に、当該外周に沿って開口する凹部を設けた環状体を形成し、
前記凹部が設けられた環状体を、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、
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環状体を型から取りだして、踏面形成体を製造することを特徴とする踏面形成体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軌道走行用の車輪、それを備えた移動体、車輪に用いる踏面形成体、および、その製造方法に係り、特に、鋼製レールとの間に高い摩擦係数を有し、かつ、高い強度を備えた移動体用の車輪、それを備えた移動体、車輪に用いる踏面形成体、および、そ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う作業機等がある。これらの移動体には、自走するため、レール上を走行するための駆動力を受ける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、レールおよびレール上を走行する移動体、例えば、機関車の車輪は、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、場合によっては「μ」と表記する。）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踏面形成体、および、それを用いた車輪、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、踏面形成体の製造方法を提供するものである。
【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の本体外周に装着されて、軌道と接触する踏面を形成する踏面形成体であって、
前記車輪本体の外周に装着可能な環状形態を有し、かつ、その外周面に、当該外周に沿って開口する凹部を設けた環状体と、
前記凹部に配置され、摩擦力を増大させるための摩擦増強材とを有し、
摩擦増強材は、環状体に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、環状体は、摩擦増強材に比べて相対的に大きい強度を有し、
前記摩擦増強材は、その一部が踏面に露出する状態で、前記凹部に配置されてい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台車、資器材等を搬送する自走式搬送機等の種々の、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６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が敷設されている。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、車輪の一部を截断断面図、図３および図４は、車輪の踏面形成体部分を示す部分断面図である。
【００１３】
第１の実施形態の車輪２０は、本体２１と、本体２１の周囲に設けられ、レールの頭部の頂面と接触する踏面形成体２３と、車輪の表側、すなわち、外部から見ることができる側に設けられた、踏面形成体２３を本体２１に対して回り止めするための固定部材として機能するボルト４４とを有している。なお、固定部材は、ボルトに限定されるものではない。同様に機能するものであれば、他の部材を用いてもよい。また、省略してもよい。
【００１４】
本体２１は、例えば、マンガン鋳鋼ＳＣＭｎ２により形成される。本体２１には、車軸Ｓ（図７参照）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、本体２１の外周部には、フランジ２６が形成され、踏面形成体２３の接触面２３０（すなわち、レールとの踏面）と滑らかに連なるようになっている。また、本体２１には、後述するように、踏面形成体２３が装着されたときに、それを受け入れる段部２１ａが切欠状に設けられている。
【００１５】
踏面形成体２３は、車輪の本体２１の外周に装着可能な環状形態を有する。そして、その外周面に、当該外周に沿って開口する凹部２４１〜２４３を設けた環状体２４と、凹部２４１〜２４３内に配置され、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、環状体２４に比べて相対的に大きい摩擦係数を有し、環状体２４は、摩擦増強材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、踏面形成体２３は、全体として、レールの頭部の頂面と接触する踏面２３０を構成している。２３０は、例えば、１／２０の勾配をなしている。
【００１７】
環状体２４は、内径が前述した本体２１の段部２１ａの径と一致している。後述するように、この環状体２４は、焼き填めにより段部２１ａに装着する。したがって、その内径は、段部の外径と一致する。一方、環状体２４の外径は、段部に装着されたとき、車輪の踏面の径となるように決められている。
【００１８】
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。
【００１９】
環状体２４における凹部２４１から２４３が占める割合は、凹部の開口幅、踏面形成体２３の強度と、摩擦力との関係に基づいて予め決める。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、環状体２４の軸方向に並ぶ。
【００２０】
また、本実施形態では、図２に示すように、凹部２４１〜２４３は、開口面からの、それらの底部２４４の位置、すなわち、凹部の深さが、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、フランジがある面と逆の面側に、湯口２４８が設けられている。この湯口２４８は、摩擦増強材を充填する際に、摩擦増強材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２４８は、複数個設けられている。また、湯口２４８は、前述した凹部２４１から２４３のすべてに連通している。
【００２１】
前記凹部２４１〜２４３、および、それらと湯口との連通部に、摩擦増強材２５が配置される。具体的には、後述するように、液状の摩擦増強材２５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２３０に露出する状態となる。これにより、この露出した部分が、図２、図７に示すように、縞状の環状パターン２５ａ、２５ｂおよび２５ｃを構成する。
【００２２】
この縞状の環状パターン２５ａ〜２５ｃと、それを挟む環状体の表面である環状体露出部２３１、２３２、２３３、２３４とで、踏面２３０を構成する。すなわち、踏面形成体２３の外周には、環状体の一部が露出する環状体露出部２３１〜２３４と、それらの間に配置される、交互に露出する摩擦増強材の露出部である環状パターン２５ａ、２５ｂ、２５ｃ（前記凹部２４１〜２４３の開口部分）とが表れる。
【００２３】
踏面形成体２３と本体段部２１ａとの境には、円周方向に一定の角度間隔で、複数の貫通孔３５が設けられ、その奥に、引き続き、ネジ孔３７が設けられている。ボルト４４を、貫通孔３５を通して、ネジ孔３７にネジ込むことにより、踏面形成体２３が円周方向に動かないように、本体２１に回り止めされる。
【００２４】
この実施の形態における車輪２０および踏面形成体２３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、踏面形成体２３の外径は、約４２０ｍｍ、踏面形成体２３の内径は、約３２０ｍｍである。また、踏面形成体の軸方向の厚さは、約６７ｍｍである。そして、図１１に寸法の一例を示すように、凹部２４１〜２４３の開口幅は、約９ｍｍ、そして、これらの凹部２４１〜２４３は、踏面形成体の両端から１０ｍｍ、そして、互いに１０ｍｍの間隔を空けて配置される。従って、１０ｍｍの環状体露出部に挟まれて、９ｍｍの環状パターンが縞状に配置される。
【００２５】
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の範囲の各種の大きさの車輪に適用して、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。
【００２６】
次に、この実施の形態にかかる踏面形成体２３の構成および製造について説明する。この実施の形態においては、踏面形成体２３のうち、摩擦増強材２５については、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、環状体２４については、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。これは、車輪本体２１と同じ材料である。このように、同じ材料を用いることで、熱膨張係数が一致することとなるため、熱膨張係数の不一致に起因する歪みの発生を抑えることができる。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。
【００２７】
まず、前述した材料からなる環状部材に、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２４８を、凹部２４１〜２４３に連通させて穿孔する。この湯口２４８は、本実施形態では、１６個設ける。また、図４に示すように、後述する溶湯鍛造の際に、環状体を昇降するためのフックとして用いるネジを取り付けるための孔２４９を併せて設けておく。
【００２８】
次に、環状体２４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。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と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８および図９にそのための装置を概念的に示す。
【００２９】
図８および図９に示すように、ベース５２０および、その上にガイド部材５２１が配置され、回りを耐熱性および耐圧性を有するモールド型５１０で囲む。そして、ベース５２０上に、環状体２４を配置する。この状態で、型５１０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１０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２５０が環状体２４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。
【００３０】
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。
【００３１】
この後、ピストン５３０を退避させ、型５１０から環状体２４を取り出す。なお、環状体を取り出しやすくするため、前述した型５１０、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。
【００３２】
この後、公知の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、環状体２４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２５が配置された踏面形成体２３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。
【００３３】
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。
【００３４】
摩擦増強材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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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、レールと同等の強度、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。
【００３８】
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、後述するように、実際に車輪の形態とした場合の実験でも、０．３７〜０．４３であり、従来の鋼製車輪の０．２と比較して、極めて大きい。
【００３９】
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。
【００４０】
このようにして得られた環状体２４を、本体２１に装着固定する。装着は、踏面形成体２３を加熱して膨張させる、いわゆる焼き填めにより行う。加熱温度は、例えば、１３０°Ｃで行う。これにより、踏面形成体２３が本体２１に設けられることとなる。
【００４１】
このように構成することにより、踏面形成体２３は、少なくともレールと接触する部分である踏面２３０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環状体２４とが露出する構成となる。
【００４２】
ところで、本実施形態では、踏面形成体２３は、レールとの接触面のすべてではなく、部分的に摩擦増強材を有する構造となっている。このような構造でも、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。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、踏面形成体２３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。従って、踏面に縞状に摩擦増強材を配置されている場合であっても、レールに対して摩擦増強材が頻繁に接触することとなり、走行時の車輪のレールに対する摩擦係数を実質的に大きくすることが可能となる。なお、摩擦増強材のレールに対する接触頻度を高くする配置を工夫することで、より効果的な構造とすることが期待できる。
【００４３】
また、本実施形態において、踏面形成体２３は、レールとの接触面のすべてではなく、部分的に環状体を有する構造となっている。このような構造とすることにより、耐久性をより向上した車輪が実現できる。その理由は次の通りである。前述したように、踏面形成体２３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、摩擦増強材に係る荷重が環状体に分担されること、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に荷重がかかる時間が低減される。そのため、摩擦増強材の寿命が長くなり、全体として車輪の耐久性を向上することが可能となる。
【００４４】
また、摩擦増強材は摩擦係数が大きい。このため、接触面３４の軸方向への滑りを抑える作用がある。そのため、接触面３４全体を摩擦増強材により構成すると、接触面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、摩擦増強材と環状体とが交互に配置されると、接触面３４の軸方向への滑りが円滑に行われる。従って、接触面３４における軸方向に受ける応力を軽減することができる。
【００４５】
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、リング形状の踏面形成体２３を交換することにより、磨耗時の車輪の再生が容易に実現できる。なお、踏面形成体２３を交換する場合において、踏面形成体２３のすべてを交換することの他、摩耗した部材のみを交換するようにしてもよい。
【００４６】
なお、駆動輪が複数軸に配置されている場合、重連等の場合には、さらに、摩擦特性の向上が期待できる。すなわち、本発明者らの研究によると、摩擦増強材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、セラミック粒子が擦り付けられた後に、摩擦増強材を有しない車輪を走行させると、摩擦増強材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、複数軸に駆動輪が存在する場合、後方の駆動輪は、レールの摩擦係数が見かけ上大きくなっているため、より高い摩擦係数を確保できることが期待できる。
【００４７】
図７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７に示すように、車輪２０の踏面形成体２３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。
【００４８】
図７に示す踏面形成体２３は、摩擦増強材２５が縞状の環状パターン２５ａ〜２５ｃとして露出している。従って、車輪２０は、摩擦係数μが大きく、耐磨耗性が大きい摩擦増強材２５の環状パターン２５ａ〜２５ｃ、および、相対的に強度の大きい環状体２４とを有することとなる。
【００４９】
ここで、前述した踏面形成体２３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。
【００５０】
また、第２のメリットとして、急勾配、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る。すなわち、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体２３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、急勾配、重負荷の環境下での制動であっても、踏面形成体２３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。
【００５１】
第３のメリットとして、摩擦増強材が環状体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環状体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。
【００５２】
第４のメリットとして、摩擦増強材が環状体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。
【００５３】
第５のメリットして、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が環状体２４に包まれる状態で環状体２４に保持される。したがって、摩擦増強材２５の変形が抑えられる。
【００５４】
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。）とを有したディスクブレーキ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。
【００５５】
次に、図５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５には、図７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。
【００５６】
図５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。
【００５７】
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を平均的に０．４程度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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図１２に、本発明の他の実施形態に係る踏面形成体およびそれを用いた車輪を示す。図１２に示す実施形態は、前述した実施形態と同じ車輪本体２１に、構造の異なる踏面形成体２３を装着した例である。この踏面形成体が、各種車輪に適用できること、車輪への装着の仕方、また、それが適用された車輪を用いて、機関車、作業者等の各種移動体を構成できることは前述した実施形態の場合と同様である。そこで、ここでは、踏面形成体について説明を行う。
【００６２】
図１２に示す踏面形成体２３は、環状体２４に、凹部２４５、２４６および２４７が環状体の外周に沿って溝状に設けられ、それらに摩擦増強材２５が充填されている。摩擦増強材２５の充填は、前述した実施形態と同様に、溶湯鍛造により行うことができる。また、凹部２４５、２４６および２４７の基本的な構造は、前述した実施形態の凹部２４１、２４２および２４３と同様である。ただし、凹部の配置および大きさにおいて相違がある。すなわち、本実施形態では、凹部２４７が他の凹部２４５および２４６に比べて幅広に形成されると共に、フランジ２６に近接して配置される点に特徴がある。具体的には、図１２に示す踏面形成体２３によれば、摩擦増強材２５が外周部において露出して形成される縞状の環状パターン２５ｄ、２５ｅおよび２５ｆが、踏面２３０において、フランジ２６側に摩擦増強材２５がより多く分布する状態を実現している。
【００６３】
これらの環状パターン２５ｄ〜２５ｆと、それを挟む環状体の表面である環状体露出部２３５、２３６、２３７とで、踏面２３０を構成する。すなわち、踏面形成体２３の外周には、環状体の一部が露出する環状体露出部２３５〜２３７と、それらの間に配置される、交互に露出する摩擦増強材の露出部である環状パターン２５ｄ、２５ｅ、２５ｆとが表れる。
【００６４】
ところで、機関車等の移動体の走行時において、車輪がレールに接する状態を考えると、通常は、踏面における、フランジに近い位置にレールとの接触点が位置することが多い。従って、図１２に示すように、環状パターン２５ｆが幅広で、フランジに近接することにより、レールとの摩擦係数の増大が期待できる。
【００６５】
次に、本発明に係る踏面形成体およびそれを用いた車輪についての摩擦係数の測定について説明する。図１３に、測定の状態を模式的に示す。
【００６６】
図１３に示すように、測定に際しては、測定の対象となる踏面形成体を有する車輪を装着した機関車１０と、当該機関車１０に対して負荷となるように、荷重Ｌを搭載した台車１４０と、測定装置として油圧引張荷重計５００を用意する。油圧引張荷重計５００は、引張荷重を検出する検出器５１０と、検出された荷重を示す信号を処理して値を表示する表示装置５２０とを有する。なお、表示装置５２０をコンピュータシステムに置き換えて、検出器５１０により検出された荷重の値を処理して摩擦係数を求めて、得られた摩擦係数を表示する構成としてもよい。
【００６７】
摩擦係数の測定は、次のように行う。すなわち、機関車の車輪１個当たりの荷重をＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４とし、摩擦係数をμ、荷重計５００の読みをＰとすると、摩擦係数は次式により求めることができる。
【００６８】
Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４
Ｐ＝μＷ１＋μＷ２＋μＷ３＋μＷ４
＝μ（Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４）
＝μＷ
【００６９】
従って、摩擦係数は、
μ＝Ｐ／Ｗ
により求まる。
【００７０】
測定は次のようにして行う。まず、台車１４０をアンカー用とするため、荷重Ｌを搭載する。一方、実験すべき踏面形成体を装着した車輪を取り付けた、既知の重量（３５００ｋｇ）の機関車１０と台車１４０とを荷重計の検出器５１０を介して連結する。もちろん、台車１４０と機関車１０とは、レール１５０上に置かれる。
【００７１】
このようにしておいて、機関車１０を駆動する。そして、車輪の空転が始まった瞬間における、荷重計５００の表示装置５２０の値を読む。これは、自動的に読み取って、記録するようにしてもよい。得られた加重計の出力Ｐと、機関車の重量Ｗ（＝３５００ｋｇ）とを用いて、摩擦係数μを求める。
【００７２】
この測定においては、アルミニウム合金（6061）に、Ａｌ2Ｏ3を１０vol％含む“Ｗ６Ａ１０Ａ”を摩擦増強材として用い、これを溶湯鍛造により、凹部２４１から２４３に充填した踏面形成体を用いた。また、踏面形成体として、外形が４２０ｍｍ、内径が３２０ｍｍ、環状パターン２５ａ、２５ｂ、２５ｃを含む外周面でのパターン寸法が、図１１に示す通りのものを用いた。
【００７３】
図１４に、このようにして得られた摩擦係数の代表的な値を示す。図１４に示すように、０．３７〜０．４３の範囲のものが得られた。すなわち、平均で０．４０のものが得られた。これは、鋼製車輪の０．２と比較すると２倍の大きさである。
【００７４】
以上のように、本発明に係る車輪において、踏面形成体は、少なくともレールとの接触面に形成されていれば良い。踏面形成体の形状は、限定されるものではない。また、車輪や軸の外径、踏面形成体の厚みは、前記実施の形態のものに限定されない。
【００７５】
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。
【００７６】
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。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。
【００７７】
本発明の好ましい実施態様においては、車輪の接触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（踏面形成体）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０．４〜０．４５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。
【００７８】
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。
【００７９】
なお、本明細書において、一つの部材の機能が、二つ以上の物理的部材により実現されても、若しくは、二つ以上の部材の機能が、一つの部材により実現されてもよい。例えば、前述した踏面形成体と本体とは、別個の部材を組み合わせたものであるが、踏面形成体を本体と一体に設けることも可能である。
【００８０】
【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体部分を示す部分断面図である。
【図４】  図４は、図１に示す車輪に用いられる踏面形成体部分の他の部分を示す部分断面図である。
【図５】  図５は、バッテリー機関車の利用形態の一例を示す側面図である。
【図６】  図６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７】  図７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８】  図８は、本実施形態における踏面形成体の製造装置および工程の一部を示す部分断面図である。
【図９】  図９は、本実施形態における踏面形成体の製造装置および工程の一部を示す部分断面図である。
【図１０】  図１０は、本実施形態における踏面形成体の製造工程の一部であって、環状体に摩擦増強材を注入する状況を示す部分断面図である。
【図１１】  図１１は、本実施形態の踏面形成体における環状パターンの寸法を示す説明図である。
【図１２】  図１２は、本発明の他の実施形態に係る踏面形成体および車輪の構造を示す一部を截断した側面図である。
【図１３】  図１３は、摩擦係数を測定するための装置構成を示す説明図である。
【図１４】  図１４は、摩擦係数の測定結果の一例を示す図表である。
【符号の説明】
１０…機関車、２０…車輪、２１…本体２１…踏面形成体、２３０…踏面、２３１〜２３７…環状体露出部、２４…環状体、２４１、２４２、２４３…凹部、２４４…凹部底面、２４５〜２４７…凹部、２４８…湯口、２５…摩擦増強材、２５a〜２５ｆ…環状パターン、２６…フランジ、３５…貫通孔、３７…ネジ孔、４４…ボルト、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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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