專利名稱：火車車輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及火車車輪，更明確地講是涉及鋼制車輪，此種車輪具有可提供很小的軸向輪緣變形及較小的殘余張應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。這些應(yīng)力是由于交變熱載荷引起的，而該熱載荷則通常是由制動塊和車輪踏面的摩擦生熱而產(chǎn)生的。
火車車輪具有多種形狀，設(shè)計這些形狀一般是為了某種特殊的用途或解決特定的問題，如車輪的撓曲和殘應(yīng)力。鋼制的火車車輪可以用機(jī)加工，沖壓、鍛造或鑄造生產(chǎn)。材料、形狀和結(jié)構(gòu)的下述每一種變化或配置都是為了補(bǔ)償或解決上面提到的一個問題。在授予Sylvester的美國專利No.2，768，020中公開并說明的就是早期使用的一種用單一車輪結(jié)構(gòu)來解決多種問題的一個例子，該項(xiàng)專利提供了一種鑄鋼車輪，它可以補(bǔ)償或去除不同于冷鐵車輪或鍛造車輪的鑄鋼車輪通常所固有的殘余應(yīng)力。這種車輪結(jié)構(gòu)具有可阻止在鑄造出來的車輪中生成殘余應(yīng)力的輪廓和形狀。該所述的結(jié)構(gòu)在輪轂和輪箍與輻板相連的部分有較大的平面和圓角。另外，這個公開的鑄鋼車輪結(jié)構(gòu)與早期的鑄鋼車輪設(shè)置相比具有增強(qiáng)輪箍處散熱的能力。Sylvester的專利-′020公開了一種火車車輪的形狀和輪廓，它可以在不增加材料量的前提下提高強(qiáng)度，以提供較高的車輪承載能力。這也就等于提出一種在不增加車輪的總體質(zhì)量的同時具有較高承載能力的車輪。在Sylvester的專利-′020所示的結(jié)構(gòu)中，輻板部分的橫截面通常為直的并與輪箍用圓角平滑相連，這樣可以在輪箍圓角接合點(diǎn)處獲得最大的質(zhì)量。該鑄鋼車輪的形狀及輪廓具有較高的工作強(qiáng)度，在重載和制動情況下可防止熱裂紋及裂縫的產(chǎn)生。但是，該項(xiàng)專利卻沒有討論或評價這種公開的車輪結(jié)構(gòu)對車輪撓度的影響，即在制動條件下隨溫度的升高輪緣相對于輪轂所產(chǎn)生的位移。在目前的應(yīng)用中，車輪的撓度是指在車輪的內(nèi)側(cè)或外側(cè)及與車輪縱軸平行的方向上輪緣處的位移。當(dāng)輪箍與輪轂通過輻板或腹板剛性連接時，在撓曲方向上有一軸向分力。車輪的撓度將在下文中進(jìn)一步加以闡述。
美國專利No.3，038，755-Keysor認(rèn)為以往的車輪在不同程度上容易在車輪輻板部分上的與輪箍及輪轂相鄰的區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)力裂紋。另外，它還進(jìn)一步證明在車輪輻板上的應(yīng)力裂紋主要源于反復(fù)的制動，這種反復(fù)制動當(dāng)制動塊和輪箍摩擦?xí)r可產(chǎn)生大量的集中熱。這使得輪箍溫度升高，產(chǎn)生徑向的伸張，由此而使輪輻部分產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力。這個高應(yīng)力區(qū)隨著反復(fù)的制動，經(jīng)過反復(fù)的伸張和收縮，很可能發(fā)展成為裂紋，這可能會導(dǎo)致車輪最終的損壞。在Keysor-′755專利公開文本中的火車車輪可特別地用作重復(fù)工作的車輪。同時也考慮并明確了增加車輪的平均疲勞壽命的需求。這種車輪在工作時本身固有抵抗由反復(fù)制動而產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的能力。該項(xiàng)專利特別提到一種具有弧形橫截面輪廓的輪輻。這種輪輻與一條位于輪轂前后端面中間的一平面上的直線相切并且和車輪的轉(zhuǎn)軸相切，切點(diǎn)位于輪轂內(nèi)。該項(xiàng)發(fā)明特別地將圓角也作成拋物線形，它們位于輪箍或輪緣部分和輪轂之間的交點(diǎn)處。這種用于每個圓角的特殊的拋物線隨鑄鋼車輪特定的尺寸和種類而變化。在Keysor-′755號專利中公開并說明的結(jié)構(gòu)使車輪具有弧形的輻板，該輻板通過曲率半徑逐漸變化的圓角與輪轂和輪箍相連，據(jù)稱這種結(jié)構(gòu)大大降低了沖擊疲勞或由此產(chǎn)生的沖擊以及應(yīng)力裂紋，并且同現(xiàn)有技術(shù)的車輪相比，提高了車輪的強(qiáng)度。除這個改進(jìn)的強(qiáng)度特性之外，這種結(jié)構(gòu)的車輪還可以減輕車輪的重量，同時可提供和現(xiàn)有技術(shù)的車輪一樣的轉(zhuǎn)速或承載力和壽命。
授于Greenfield etal.的美國專利No.4，145，079公開了一種火車車輪的結(jié)構(gòu)，但是人們認(rèn)為當(dāng)輪子受到由使用而產(chǎn)生的應(yīng)力的影響時，在輪輻與輪箍或輪輻與輪轂的連接區(qū)域上的裂紋之間仍存在一問題。人們已經(jīng)知道在正常制動過程中，由制動塊和車輪之間的接觸而產(chǎn)生的熱量可導(dǎo)致裂紋或裂縫的生成。更進(jìn)一步說，由制動帶來的交變熱負(fù)載的張縮引起了殘余應(yīng)力和裂紋的產(chǎn)生。這項(xiàng)專利承認(rèn)以前的在減小機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力影響方面所做的努力，這些努力包括增加散熱面積，增加金屬以增強(qiáng)強(qiáng)度和改變與輪轂和輪箍相連的輻板的結(jié)構(gòu)。
一種如B-28和D-28所述的特殊類型的輻板是一種直輻板車輪。同樣CB-28和CD-28中所述的是兩個曲線輻板的設(shè)計方案，它們除輪箍厚度外與B-28和D-28完全相同。內(nèi)側(cè)和外側(cè)的凹曲面或在每個連接處的圓角限定了輪箍與輪輻或輪轂與輪輻之間的過渡區(qū)。這些曲面形成了從輪輻到輪轂或輪輻到輪箍的平滑過渡區(qū)，并可以最大限度地減小這些區(qū)域中的應(yīng)力集中。同樣已知的具有B-28結(jié)構(gòu)的直輻板鍛造鋼制車輪具有在輪箍與輪輻的內(nèi)側(cè)或后部圓角處以及輪轂與輪輻的前部或外側(cè)圓角處產(chǎn)生裂紋的傾向。因此，將D-28的車輪設(shè)計成在輪轂的輻板連接處具有較大的橫截面并且使過渡曲面具有通常沿徑向從輻板引出的拋物曲線型的母線。這些在車輪結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行變更的唯一意圖就是要減小主要過渡區(qū)內(nèi)或輪箍與輪輻、輪轂與輪輻之間區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力水平。
Greenfield-′079專利考慮了切向的、垂直的和橫向的機(jī)械載荷以及因制動而產(chǎn)生的熱載荷。該車輪在輪箍、輪轂和輻板的結(jié)構(gòu)上作了特殊的設(shè)計，由此它可能會將過渡圓角或過渡半徑減至最小的程度。使輻板的內(nèi)緣與輪轂的邊緣相連，同時，使輻板內(nèi)側(cè)的錐曲面與輪轂的內(nèi)圓表面相貫。將輪箍和輻板之間的連接處設(shè)置成至少可使一個輻板的內(nèi)側(cè)或外側(cè)圓錐形表面與輪箍的對應(yīng)的內(nèi)側(cè)徑向表面或外側(cè)徑向表面直接相連。在該申請中對幾個實(shí)施例進(jìn)行了說明，但是該結(jié)構(gòu)用于輪箍與輪輻的懸臂梁設(shè)置，它允許在向輪箍施加載荷，如制動時，產(chǎn)生扭曲變形。人們認(rèn)為該車輪本身內(nèi)部的自然運(yùn)動將應(yīng)力削減至由垂直和橫向載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力大小，而不是增強(qiáng)這些應(yīng)力的大小。這種運(yùn)動意味著減小了總體應(yīng)力，從而大大改進(jìn)了直輻板設(shè)計并且使工作應(yīng)力在給定的許用極限內(nèi)。但是這是由輪輻限定的至少一個表面與每個輪箍和輪轂的至少一個周面的直接相連，這使得傳統(tǒng)的凹曲面形的過渡圓角的應(yīng)用減為最小，由此可以提高在這些危險區(qū)域內(nèi)抵抗應(yīng)力集中的能力。
美國專利No.4，471，990-Hirakawa提供了軋制成形的火車車輪，這種車輪的每個圓角具有與水平方向大約成20°的傾角。輻板的連接部分與輪軸正交并且盡可能長。輪輻部分和輪轂部分相連于位于輪轂部分寬度中心的沿軌道方向稍向內(nèi)的一點(diǎn)處，即輪轂部分和輻板部分實(shí)際上是在輪箍寬度的中間與輪箍相連的。這種車輪的形狀可以在于輪箍處向車輪施加制動力之后最大限度地減小其內(nèi)部的殘余應(yīng)力。本申請既沒有在車輪運(yùn)行的同時對車輪的工作撓度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也沒有對正常工作時的車輪的徑向伸張進(jìn)行討論。
美國專利No.5，039-Esaulov提供了一種由大量的方程定義和由基本的車輪參數(shù)限定的火車車輪，基本的車輪參數(shù)包括滾動表面的直徑和輪轂的外徑。該裝置及公開的目的是提供一種火車車輪結(jié)構(gòu)以在復(fù)雜的載荷下保證輪內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力的相互補(bǔ)償。在這項(xiàng)專利中，連接輪箍和輪轂的輻板有一中間縱軸及曲線，該曲線形成由一倒角的徑向曲線使輪箍和輪轂的輪廓共軛的線，徑向曲線的半徑由所給的數(shù)學(xué)方程式確定。脊面的橫斷面是等尺寸的，將脊面定義為與輪轂同軸的一圓柱形的正割表面，但脊面中間縱軸線與輪轂的共軛點(diǎn)從中部偏移，并且脊面輪廓的中間縱軸線介于直線和曲線之間。脊面中間縱軸線在輪箍側(cè)面與第一曲線部分共軛的直線部分由第二方程式來描述，并且該中間縱軸線與由另一個表達(dá)式描述的第二曲線部分共軛，接下來的每個曲線部分均由方程式描述?？傊@種車輪的結(jié)構(gòu)具有一個曲線部分，這部分由位于輪輻與輪轂、輪輻與輪箍相連部分上的至少三條曲線段和前、后圓角組成，前、后圓角明顯地具有相同的半徑，該組合體與曲線脊面或輻板部分相連。這種復(fù)雜的車輪結(jié)構(gòu)是具體分析和由大量方程式限定的結(jié)構(gòu)設(shè)置的產(chǎn)物。這種公開的結(jié)構(gòu)給出了中間連接輻板形狀上的各種變化以適應(yīng)由機(jī)械和熱負(fù)載而引起的在輪箍上的拉伸應(yīng)力和切向應(yīng)力間的應(yīng)力變化。
本發(fā)明提供一種火車車輪，它可減小輪緣的軸向撓度并降低由伴隨著制動，特別是在拉緊或拉斷條件下制動而產(chǎn)生的熱交變應(yīng)力所導(dǎo)致的殘余拉伸應(yīng)力。該發(fā)明給出了輪箍、輪轂和連接輻板間的關(guān)系。所存在的關(guān)系提供了用于車輪的輪輻一輪箍和輪輻一輪轂的相對位置。輻板形狀相對于車輪外側(cè)表面或?yàn)榘记€或?yàn)橥骨€，在給定位置處的曲線有一位于給定范圍內(nèi)的曲率半徑。由本發(fā)明定義的參數(shù)所設(shè)計的車輪具有較小的輪緣撓度并且在輪箍內(nèi)具有較低的殘余拉伸應(yīng)力。
在附圖中，相同的參考標(biāo)號代表相同的零件，其中

圖1為一火車車輪外輪面的立體圖;
圖2為圖1中沿A-A線剖開的剖面圖;
圖3為圖2中輻板橫截面的部分放大圖;
圖4為與圖2所示相似的車輪剖面圖，圖中的輻板彎曲方向與圖2所示的相反;
圖5為圖2所示的車輪剖面圖，圖中示出輪緣的軸向撓曲偏向車輪的后輪轂表面;
圖6為圖4所示的車輪剖面圖，圖中示出輪緣的軸向撓度偏向車輪的前輪轂表面;
圖7為目前使用的車輪及其在受到與圖5相同的載荷時撓度發(fā)生變化的剖面圖;
圖8為一設(shè)置在軸上的火車車輪的立面圖。
在圖1中以透視的方式示出了一個帶有前面或外側(cè)面12的火車車輪10。這些火車車輪可用機(jī)加工，鑄造、鍛造或沖壓成形等方法制造。火車車輪10一般成對安裝在火車輪座的軸11的兩端，如圖8所示，用來支撐車箱(圖中未示出)。一列火車(圖中未示出)由多個車輪組成，但是，和其它車輛一樣，火車不但需要能量啟動，而且還需要消耗能量以使車輪和列車停下來。列車在運(yùn)行時車輪要始終跟蹤軌道，其位置有少量變化或無變化。但是，有許多變化因素影響車輪的行駛及沿軌道的直線運(yùn)行。影響車輪與鐵軌間相互作用的因素有軌距，輪間距，車輪的磨損程度，軌道的磨損程度，車輪的形狀，軌道的形狀，輪軸的撓度以及影響車輪磨損和位置的輪式貨車組件的磨損程度(如，輪軸承的磨損)。
在圖8中，車輪10位于軸11上，它們的輪緣36之間的外側(cè)間距23最初小于軌距21。在運(yùn)行期間，此輪緣間距會隨每個車輪10的輪緣36的撓度發(fā)生變化。在持續(xù)時間較長的剎車過程中，車輪10受熱并且輪箍16會沿轂14向外徑向伸長，同時產(chǎn)生軸向偏斜。輪緣36的向外軸向偏斜可導(dǎo)致壓迫，而向內(nèi)的偏斜可能會導(dǎo)致接觸不良。我們希望能夠保持輪緣36之間的間距，以使其避免太寬，因?yàn)檫@可能會加劇車輪對鐵軌的壓迫，使輪10在鐵軌上產(chǎn)生爬行。相反，太窄的輪緣間距又會使車輪與鐵軌的接觸狀態(tài)不良，造成列車傾斜和擺動。
在列車的剎車過程中，制動塊通常與輪箍及踏面接觸，并且在輪箍處產(chǎn)生大量的熱能。在正常運(yùn)行過程中由制動塊(圖中未示出)與車輪10間的摩擦接觸所產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致車輪部件的膨脹和收縮，這在車輪10中會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。這些不同的應(yīng)力源和應(yīng)力因素的大小和作用頻率不同，從而使車輪10的部件沿不同的方向移動，由此可導(dǎo)致車輪的機(jī)械損壞。據(jù)稱，這些熱能可使輪箍的溫度升高至500℃以上。車輪10，特別是輪箍16，對于殘余拉伸應(yīng)力很敏感，這在周圍溫度變化時更應(yīng)引起注意，所述周圍溫度變化是指伴隨剎車時的受熱和冷卻，特別是從輪箍到輪轂間的溫度梯度。輪箍內(nèi)的殘余拉伸應(yīng)力在輪內(nèi)的帶有必要的溫度梯度的交變冷熱狀態(tài)下得到發(fā)展。本發(fā)明中的車輪結(jié)構(gòu)最大限度地減小了輪緣的軸向撓度，并且降低了車輪中，特別是在輪箍中由于交變熱載荷所引起的殘余拉伸應(yīng)力。
圖2表示沿圖1中線A-A剖開的剖面的一半。在圖2中，車輪10具有輪轂14和輪箍16，它們通過型板或輻板18相連。車輪10包括前面或外輪面12和后面或內(nèi)輪面20。更特別的是，輪轂14有外輪轂面22，內(nèi)輪轂面24和帶有縱軸28的軸孔26。同樣地，輪箍16有外輪箍面30，內(nèi)輪箍面32，踏面34和輪緣36。
圖2中的輻板18為具有中心線38且壁厚均勻的弓形或弧形斷面，但其還有一最小壁厚x。輪輻18與輪轂14相接并在第一前輪轂圓角40和第一后輪轂圓角42處與輪轂14相貫。同樣地，輪輻18在第二前輪箍圓角44和第二后輪箍圓角46處與輪箍16相連。輪輻18的形狀一般是弧形，該弧形的形狀不一定是均勻的形狀或曲線。但是，在圖2和圖3所示的實(shí)施例中，輪箍16和輪轂14之間的最小壁厚x在5/8(0.625)英寸(1.59cm)和11/8(1.125)英寸(2.86cm)之間。在上述圖中，輪輻18從前輪面12外看是凹入的，而從后輪面20外看是凸出的。
在車輪10中，輻板18的結(jié)構(gòu)與輪箍16和輪轂14有著特殊的關(guān)系，它可以削弱或最大程度地減小輪箍16的因嚴(yán)重制動所產(chǎn)生的發(fā)熱而造成的殘余拉伸應(yīng)力以及在制動和正常運(yùn)行過程中的輪緣36的軸向撓度。在圖2中的車輪10的剖面圖上用角度和距離描述并表征了上述輪轂一輻板一輪箍的關(guān)系。
在圖2中，輪箍16在圓角44與前端面30的相交處有一圓角45;在后輪箍圓角46與后輪箍端面32的交角處有一第二圓角47。圓角45和前輪箍端面30相切且相交于點(diǎn)54;第二圓角47與后輪箍端面32相交并相切于點(diǎn)56，延伸于兩切點(diǎn)之間的連線52有一中點(diǎn)50。軸向半徑，或第一半徑62從縱軸28延伸穿過輪箍16上的中點(diǎn)50。
第三圓角49位于輪轂前端面22和其前圓角40的交匯處，且第四圓角51位于輪轂后端面24和其后圓角42的交匯處。輪轂的第三圓角49與其前或外端面22相切并相交于點(diǎn)66，而第四圓角51與其后或內(nèi)端面24相切并相交于點(diǎn)68，將兩切點(diǎn)相連得到輪轂線64。輪轂的偏移線或參考線70平行于輪轂線64，并沿徑向向外偏離輪轂線64 2英寸，這個向外的尺寸是以縱軸28作基準(zhǔn)的。偏移線70與輻板的前表面72和后表面74分別交于點(diǎn)76和78，線70位于點(diǎn)76和78之間的線段有中點(diǎn)80。在本說明書中，輪轂的偏移線70用以消除由圓角處的質(zhì)量和車輪的幾何形狀在輪輻18同輪轂14的接合處所造成的有害影響，并且它不是在制造車輪10時的一個特殊裝配點(diǎn)或裝配結(jié)構(gòu)。
在圖2和圖3所示的實(shí)施例中，起始于縱軸28的第二半徑81在切點(diǎn)82處與輪輻后表面74的最凸點(diǎn)相接觸。在圖3中，在切點(diǎn)82處經(jīng)過第二半徑81的法線83與輻板的中心線38相交于第三參考點(diǎn)86。從圖3中可以更清楚地看到，輻板18的幾何形狀及在切點(diǎn)82處的相切關(guān)系。該圖是圖2中車輪10的輻板部分在切線81處與輪輻18在最低點(diǎn)或最凸點(diǎn)處的放大圖。圖中，第一條投影線88通過第二參考點(diǎn)80和第三參考點(diǎn)86延伸，并在第四參考點(diǎn)90處與輪轂線64相交。
第二條投影線94通過中點(diǎn)50和位于輪轂線64上的第四參考點(diǎn)90延伸。通過第三參考點(diǎn)86的結(jié)構(gòu)線84與第二投影線94垂直相交于點(diǎn)92。在輪輻中心線38上的第三參考點(diǎn)86和交點(diǎn)92之間存在的最大輻板曲率半徑y(tǒng)是這種車輪結(jié)構(gòu)的一個特性。此外，弧間距或傾角A為徑向軸線62和投影線94相對于中點(diǎn)50的兩個轉(zhuǎn)動方向上的弧距。在圖2和圖3所示結(jié)構(gòu)中的最大曲率半徑，特別參考了直徑大于30英寸(76.2cm)的火車車輪，應(yīng)大于或等于1.75英寸(4.45cm)并且小于或等于2.5英寸(6.35cm)。在幾幅圖中，當(dāng)輻板的特征不在于曲線的單一半徑時考慮“最大曲率半徑”，但是它也可以在輪轂14和輪箍16之間具有連續(xù)變化的徑向輪廓。
在圖2和圖3所示的優(yōu)選及典型實(shí)施例中，車輪10為-36英寸(大約920mm)的火車車輪，輻板18對于車輪前表面12為凹曲面，對于車輪后表面20則為凸曲面。車輪10從直線94和84的交點(diǎn)92至曲線的曲率半徑至少為1.75英寸(4.45cm)。如上所述，輻板的曲率半徑或最大的曲率半徑y(tǒng)最好不大于2.5英寸(6.35cm)。
直線94上點(diǎn)50和90間的距離為Z，在圖2中用分別從點(diǎn)90和50引出的兩條平行的尺寸線表示，其間距離用Z表示。在這個優(yōu)選實(shí)施例中，交點(diǎn)92位于直線94上的一預(yù)定位置處，該位置在沿朝向中點(diǎn)50的方向上與點(diǎn)90的距離大約在長度Z的58%-67%之間。在圖2所示的實(shí)施例中，將中點(diǎn)50用作焦點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)，直線94與徑向軸線62成一角度，在朝向車輪前表面12的方向上，這個角度小于10°。點(diǎn)50和90的連線為直線94，在圖2中，它延長后與縱軸28相交于點(diǎn)91，交點(diǎn)92到點(diǎn)91的距離大約為點(diǎn)91到中點(diǎn)50的距離的71.5%-77.6%。
在圖4所示的另一實(shí)施例中，車輪10有輪輻18，它在朝向前輪面12的方向上為凸曲面，由此它在朝向后輪面20的方向上為凹曲面。在圖4中，用帶“′”的符號標(biāo)注與圖2和圖3所示實(shí)施例中的標(biāo)號類似的要素。輪輻18′中心線38′上的點(diǎn)86′具有一最大曲率半徑y(tǒng)′，其方向與圖2-4中的輪10的凸形輻板18的曲率半徑y(tǒng)相反。在輪10′的這種結(jié)構(gòu)中，y′大致在1.95英寸(4.95cm)到3.25英寸(8.26cm)之間。但是，在這個實(shí)施例中，直線94仍可繞中點(diǎn)50從徑向軸線62朝車輪前表面12的方向轉(zhuǎn)動大約10°，并朝車輪后表面20的方向從軸線62轉(zhuǎn)動大約5°。交點(diǎn)92′的位置仍然位于直線94上，它距點(diǎn)90的距離為點(diǎn)90到中點(diǎn)50之間距離的58%-67%。交點(diǎn)92或92′也可位于點(diǎn)50及90的連線上，它大約在從縱軸28到中點(diǎn)50的距離的71.5%-77.6%處，在圖4中，上述連線與軸28交于點(diǎn)91。
車輪10提供了控制輪緣36的軸向撓度和減小輪箍16中殘余拉伸應(yīng)力的措施，所述殘余拉伸應(yīng)力是在火車和車輪制動時由發(fā)熱導(dǎo)致輪箍反復(fù)的擴(kuò)張和收縮而產(chǎn)生的。進(jìn)一步參照圖2和圖3中的車輪10，撓度是輪緣36相對于輪轂14在朝向輪轂后端面24的方向上產(chǎn)生的軸向位移，該位移最大可達(dá)約0.050英寸(1.25mm)。在圖2和圖3中，輪緣36的軸向撓度可以認(rèn)為是在輪轂14保持靜止時，輪緣36的軸向向上或向下的位移。這個輪緣撓度一般是火車車輪10上的輪緣36相對于輪轂14的位移特征，在圖5-7中用距離′D′表示。
在圖5和圖7中表示的輪緣36的撓度，更準(zhǔn)確地說是輪緣表面102的撓度用于表示相應(yīng)的正撓度和負(fù)撓度。相應(yīng)地，在圖5和圖6中，輪輻18相對于輪轂的外側(cè)面22或凹或凸，并在輪箍16的輪緣面102上標(biāo)注出中點(diǎn)100。用低倍放大的視圖表示的軸向輪箍的撓曲可以看作是中點(diǎn)100的軸向位移D，為表示清楚起見，將其在圖5-7中放大了10倍。在圖5中，車輪10受熱產(chǎn)生徑向伸長，同時輪箍16在點(diǎn)100處向輪轂后端面24偏斜一距離D。為了便于參考和討論，將點(diǎn)100作為面102上的一個清楚的基準(zhǔn)點(diǎn)。面102是輪箍16與鐵軌13的側(cè)接觸面。如圖6所示，輪箍16也可偏向輪轂的外表面22。
圖7表示目前正在使用的現(xiàn)有技術(shù)的火車車輪，它在整個歐洲大量使用。我們用比較的方法作一下分析，在圖5和圖6中所示的本發(fā)明的車輪10上，將功率為45馬力的負(fù)載施加在直徑為920mm(約36英寸)的車輪踏面上，時間為60分鐘，該輸入載荷使輪箍產(chǎn)生的偏斜如圖5所示。在同樣的條件下，上述圖7所示的歐洲車輪的總的輪緣偏移量明顯增大并且沿朝向輪轂前端面22的方向。研究結(jié)果是在等量的負(fù)載條件下獲得的，因此可以看出，在同樣負(fù)載下，本發(fā)明的車輪的撓度要明顯低于目前所設(shè)計的車輪，并且在圖5和圖7的特殊示例中，輪緣36的撓度方向相反。
在輪箍16或車輪踏面34上進(jìn)行制動時，輪箍16的溫度將會升高，并且車輪10趨于徑向膨脹。但是，固定在輪轂14上的輻板18強(qiáng)迫輪緣36相對于輪轂14和軸28產(chǎn)生一徑向向外的位移和一軸向位移。車輪10在輪箍16和輻板18處的溫度將會升高，當(dāng)車輪溫度降至環(huán)境溫度或達(dá)到平衡溫度時，由于反復(fù)的擴(kuò)張和收縮，可在輪箍16中產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力。本發(fā)明的車輪結(jié)構(gòu)可將軸向輪緣撓度限制在0.05英寸(1.25mm)以下，相比之下，以往設(shè)計的車輪的軸向輪緣撓度則可高達(dá)0.225英寸(約5.72mm)。
圖6所示的車輪10帶有朝輪轂前表面22彎曲的凸形輪輻并有一朝向輪轂前表面22的軸向輪緣撓度D。但是該軸向撓度D明顯地小于圖7所示的現(xiàn)有技術(shù)的車輪的撓度。在一個結(jié)構(gòu)與上述發(fā)明一致并且直徑為30-38英寸(76.2-96.52mm)的車輪中，將軸向輪緣撓度抑制在小于0.05英寸(1.25mm)的范圍內(nèi)，并且使殘余拉伸應(yīng)力明顯低于圖7所示的車輪的殘余拉伸應(yīng)力。根據(jù)本發(fā)明所提供的降低殘余拉伸應(yīng)力、減小輪緣撓度的措施適用于任何用機(jī)加工、鑄造、沖壓或鍛造等制造方法生產(chǎn)出來的車輪。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將注意到，在所述實(shí)施例中可作一定的變化。盡管只對本發(fā)明的特殊實(shí)施例進(jìn)行了描述和表示，但顯而易見，可對它們進(jìn)行各種改動及改進(jìn)。因此，權(quán)利要求書的意圖是覆蓋在本發(fā)明的范圍和實(shí)質(zhì)之內(nèi)的所有改進(jìn)及變動。
權(quán)利要求
1.一種鋼制火車車輪，它可提供較小的軸向輪緣撓度和較低的由受熱而產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力，所述車輪包括一個帶有一軸孔和一縱軸的輪轂；一個通常和所述軸孔同心的輪箍；一個通常從所述輪箍徑向向外延伸至所述輪轂的輻板，所述輻板有一個基本上為圓弧形的橫截面，一個第一前圓角，一個第二前圓角，一個第一后圓角和一個第二后圓角；所述輪轂有一個輪轂前端面，一個輪轂前倒角，一個輪廓后端面和一個輪轂后倒角；所述輪轂的前倒角與所述輪轂的前端面切于輪轂的前切點(diǎn)，并且所述前端面和所述輻板的第一和第二前圓角中的一個相連；所述輪轂的后倒角與所述輪轂的后端面切于輪轂的后切點(diǎn)，并且所述輪轂的后端面和所述輻板的第一和第二后圓角中的一個相連；所述輪箍有一輪箍前端面，一個輪箍前倒角，一個輪箍后端面和一個輪箍后倒角；所述輪箍的前倒角與所述輪箍的前端面切于輪箍的前切點(diǎn)，并且所述輪箍的前端面和所述輻板的第一和第二前圓角中的另一個相連；所述輪箍的后倒角與所述輪箍的后端面切于輪箍的后切點(diǎn)，并且所述輪箍的后端面和所述輪輻的第一和第二后圓角中的另一個相連；所述輪箍前端面上的切點(diǎn)和其后端面上的切點(diǎn)限定了一個位于其中的中點(diǎn)；一個第一半徑，從所述縱軸延伸至所述中點(diǎn)；一條徑向軸線，由所述中點(diǎn)沿朝向所述縱軸的方向延伸并傾斜設(shè)置，所述徑向軸線與所述第一半徑成一傾角，該傾角從所述第一半徑朝向所述輪轂的前端面，其值為10°；所述輻板有一個相對于所述輪轂前端面通常是凹入的板狀輪廓，一壁厚和一中心線，所述中心線通常與所述輻板輪廓的中部相符，并貫穿所述壁厚；所述輻板具有一在輻板中心線上的最大曲率半徑并有一位于所述輻板和所述中點(diǎn)之間，相對于所述徑向軸線的偏移距離，該偏移距離約為1.75英寸(4.45mm)-2.5英寸(6.35cm)。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼制火車車輪，還包括有一條輪轂線，它是輪轂前、后切點(diǎn)的連線;一條輪轂線的偏移線，它平行于所述輪轂線且從所述縱軸徑向向外，它與所述輻板的前、后表面相交并有一第一參考點(diǎn)，該點(diǎn)位于所述輪轂偏移線上且在所述前、后輻板表面之間的中點(diǎn)上;一條從所述縱軸引出的第二半徑，它與所述輻板連接并與所述輻板前、后表面之一的最凸點(diǎn)相切;一個第二參考點(diǎn)，位于所述輻板的前、后表面之間的中點(diǎn)處且位于所述第二半徑的一法線上，該法線位于所述一個輻板表面的所述切線上;一個通過所述第一參考點(diǎn)和第二參考點(diǎn)限定的直線，它與所述輪轂線交于一個第三參考點(diǎn)上;所述徑向軸線通過所述第三參考點(diǎn)從所述中點(diǎn)引出，所述傾角限定在所述第一半徑和所述徑向軸線之間;一個第四參考點(diǎn)，它限定在從所述第二參考點(diǎn)到所述徑向軸線的法線與徑向直線的交點(diǎn)處，并且所述輻板的最大曲率半徑為所述第二參考點(diǎn)和所述第四參考點(diǎn)之間的距離。
3.如權(quán)利要求2所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輪轂的偏移線由所述輪轂線徑向向外偏移2英寸(5.08cm)。
4.如權(quán)利要求3所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述第四參考點(diǎn)位于從所述第三參考點(diǎn)徑向向外的位置上，它到第三參考點(diǎn)的距離約為所述第三參考點(diǎn)到所述中點(diǎn)的距離的58%-67%。
5.如權(quán)利要求3所述的鋼制火車車輪，其特征在于，在所述第三參考點(diǎn)與所述中點(diǎn)之間延伸的所述直線和所述縱軸相交于一個第五參考點(diǎn)，所述第四參考點(diǎn)從所述第五參考點(diǎn)徑向向外，且位于在所述第三參考點(diǎn)和所述中點(diǎn)之間延伸的所述直線上，它與所述第五參考點(diǎn)的距離為所述中點(diǎn)到所述縱軸距離的71.5%-77.6%。
6.如權(quán)利要求1所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輻板有相對于輪轂前端面為單一方向的凹曲面。
7.如權(quán)利要求1所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輻板在所述輪轂和輪箍間有一最小壁厚，其值約在5/8(0.625)英寸(1.59cm)到11/8(1.125)英寸(2.86cm)之間。
8.一種鋼制火車車輪，它可提供較小的軸向輪緣撓度和較低的由受熱而引起的殘余拉伸應(yīng)力，所述車輪包括一個帶有一軸孔和一縱軸的輪轂;一個通常和上述軸孔同心的輪箍;一塊通常從所述輪箍徑向向外延伸至所述輪轂的輻板，所述輻板有一基本上為圓弧形的橫截面，一個第一前圓角，一個第二前圓角，一個第一后圓角和一個第二后圓角;所述輪轂有一輪轂前端面、一輪轂后端面，一輪轂前倒角，一輪轂后倒角;所述輪轂的前倒角與所述輪轂的前端面切于輪轂的前切點(diǎn)，并且所述前端面和所述輻板的第一和第二前圓角之一相連;所述輪轂的后倒角與所述輪轂的后端面切于輪轂的后切點(diǎn)，并且所述輪轂的后端面和所述輻板的第一和第二后圓角之一相連;所述輪箍有一輪箍前端面，一個輪箍前倒角，一個輪箍后端面和一個輪箍后倒角;所述輪箍的前倒角與所述輪箍的前端面切于輪箍的前切點(diǎn)，并且所述輪箍的前端面和所述輻板的第一和第二前圓角中的另一個相連;所述輪箍的后倒角與所述輪箍的后端面切于輪箍的后切點(diǎn)，并且所述輪箍的后端面和所述輻板的第一或第二后圓角中的另一個相連;所述輪箍前端面上的切點(diǎn)和其后端面上的切點(diǎn)限定了一個位于其中的中點(diǎn);一個第一半徑，從所述縱軸延伸至所述中點(diǎn);一條徑向軸線，由所述中點(diǎn)沿朝向所述縱軸的方向引出并使其傾斜設(shè)置，該徑向軸線與所述第一半徑成一傾角，該傾角位于從所述第一半徑朝向所述輪轂前端面的10°角和朝向所述輪轂后端面的5°角之間;所述輻板有一個相對于所述輪轂前端面通常是凹入的板狀輪廓，一壁厚和一中心線，所述中心線通常與所述輻板輪廓的中部相符并貫穿所述壁厚;所述輻板具有一在輻板中心線上的最大曲率半徑，并有一位于所述輻板和所述中點(diǎn)之間且相對于所述徑向軸線的偏移距離，該距離約為1.95英寸(4.95cm)-3.25英寸(8.26cm)。
9.如權(quán)利要求8所述的鋼制火車車輪，還包括一條輪轂線，它是輪轂前、后切點(diǎn)的連線;一條輪轂線的偏移線，它平行于所述輪轂線且由所述縱軸徑向向外，它與所述輻板的前、后表面相交并有一第一參考點(diǎn)，該點(diǎn)位于所述輪轂偏移線上且在所述前、后輻板表面之間的中點(diǎn)上;一個從所述縱軸引出的第二半徑，它與所述輻板連接并與所述輻板前、后表面之一的最凸點(diǎn)相切;一個第二參考點(diǎn)，位于所述輻板的前、后表面之間的中點(diǎn)處且位于所述第二半徑的一法線上，該法線位于所述一個輻板表面的所述切線上;一條通過所述第一參考點(diǎn)和第二參考點(diǎn)而限定的直線，它與所述輪轂交于一第三參考點(diǎn)上;所述徑向軸線通過所述第三參考點(diǎn)，從所述中點(diǎn)引出，所述傾角限定在所述第一半徑和所述徑向軸線之間;一個第四參考點(diǎn)，它限定在從所述第二參考點(diǎn)到所述徑向軸線的法線與徑向直線的交點(diǎn)處，并且所述輻板的最大曲率半徑為所述第二參考點(diǎn)和第四參考點(diǎn)間的距離;
10.如權(quán)利要求9所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輪轂的偏移線由所述輪轂線徑向向外偏移2英寸。
11.如權(quán)利要求8所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述第四參考點(diǎn)位于從所述第三參考點(diǎn)徑向向外的位置上，它到第三參考點(diǎn)的距離約為所述第三參考點(diǎn)到所述中點(diǎn)的距離的58%-67%。
12.如權(quán)利要求8所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輻板有相對于輪轂前端面為單一方向的凸曲面。
13.如權(quán)利要求8所述的鋼制火車車輪，其特征在于，在所述第三參考點(diǎn)與所述中點(diǎn)之間延伸的所述直線和所述縱軸相交于一第五參考點(diǎn)，所述第四參考點(diǎn)從所述第五參考點(diǎn)徑向向外，且位于在所述第三參考點(diǎn)和所述中點(diǎn)之間延伸的所述直線上，它與所述第五參考點(diǎn)的距離為所述中點(diǎn)到所述縱軸距離的71.5%-77.6%。
14.如權(quán)利要求8所述的鋼制火車車輪，其特征在于，所述輻板在所述輪箍和輪轂間有一最小壁厚，其值大約在5/8(0.625)英寸(1.59cm)到11/8(1.125)英寸(2.86cm)之間。
15.一種用諸如鑄造、沖壓、鍛造和機(jī)加工等任何手段生產(chǎn)鋼制火車車輪的方法，所述方法包括以下步驟形成一個具有前、后輪轂表面的輪轂，一個有前、后輪箍表面的輪箍，一個帶有前、后表面的輻板以及一條輻板中心線，該輻板在所述輪轂和輪箍之間延伸，還形成了一根穿過所述輪轂的縱軸，所述輪轂和輪箍在其相應(yīng)的前、后表面上的圓角處與所述輻板相連，所述連接處在相應(yīng)輪箍和輪轂的前、后表面處有一倒角;建立一參考中點(diǎn)，該點(diǎn)在所述輪箍上且位于輪箍前表面與其前倒角的切點(diǎn)和輪箍后表面與輪箍后倒角的切點(diǎn)之間;形成一通過所述輪箍中點(diǎn)且由所述縱軸線引出的第一半徑;形成一條輪轂線，即所述輪轂的前、后表面與其前、后倒角的相應(yīng)切點(diǎn)的連線，還形成一條輪轂偏移線，它與所述輪轂線平行并且從所述輪轂線徑向向外偏移2英寸(5.08cm)，該輪轂偏移線和所述輻板的前、后表面相交;在所述輪轂偏移線上設(shè)置一第二參考點(diǎn)、它位于所述輻板前、后表面之間的中間部位;將一從所述中點(diǎn)引出的徑向軸線從所述第一半徑起移動一角位移，該傾角在移向所述輪轂前表面的方向上不大于10°，將徑向軸線延長從而使其與所述縱軸相交;使所述輻板相對于輪轂前端面具有單一的凹曲面輪廓，并使其有一最大曲率半徑，該曲率半徑從所述徑向軸線到所述輻板中心線上一點(diǎn)的位移大約在1.75英寸(4.45cm)-2.5英寸(6.35cm)之間，這個具有最大曲率半徑的點(diǎn)到縱軸線的距離為中點(diǎn)到縱軸線之距離的71.5%-77.6%。
16.一種用諸如鑄造、沖壓、鍛造和機(jī)加工等任何手段生產(chǎn)鋼制火車車輪的方法，所述方法包括以下步驟形成一個具有前、后輪轂表面的輪轂，一個有前、后輪箍表面的輪箍，一個帶有前、后表面的輻板及其一條輻板中心線，該輻板在所述輪轂和輪箍之間延伸，還形成了一根穿過所述輪轂的縱軸，所述輪轂和輪箍在其相應(yīng)的前、后表面上的圓角處與所述輻板相連，所述連接處有一在相應(yīng)輪箍和輪轂的前、后表面上的倒角;建立一參考中點(diǎn)，該點(diǎn)在所述輪箍上且位于輪箍前表面與其前倒角的切點(diǎn)和輪箍后表面與其后倒角的切點(diǎn)之間;形成一通過所述輪箍中點(diǎn)且由縱軸引出的第一半徑;形成一條輪轂線，即所述輪轂的前、后表面與其前、后倒角的相應(yīng)切點(diǎn)的連線，還形成了一條輪轂偏移線，它與所述輪轂線平行并由所述輪轂線徑向向外偏移2英寸(5.08cm)，該輪轂偏移線和所述輻板的前、后表面相交;在所述輪轂偏移線上設(shè)置一第二參考點(diǎn)，它位于所述輻板的前、后表面之間的中間部位;將一從所述中點(diǎn)引出的徑向軸線從所述徑向軸線起移動一角位移，該傾角處于在移向所述輪轂前表面的方向上為10°和在移向所述輪轂后表面的方向上為5°的范圍之間，將徑向軸線延長以與所述縱軸相交;使所述輻板相對于輪轂前端面具有單一的凸曲面輪廓并使其有一最大曲率半徑，該曲率半徑從所述徑向軸線到所述輻板中心線上一點(diǎn)的位移大約在1.95英寸(4.95cm)-3.25英寸(8.26cm)之間，這個具有最大曲率半徑的點(diǎn)到縱軸線的距離為中點(diǎn)到縱軸線距離的71.5%-77.6%。
全文摘要
一種具有減小輪緣軸向撓度和在輪箍中的因熱載荷而產(chǎn)生的殘余拉伸應(yīng)力的火車車輪在輻板傾角、車輪輻板部分的最大曲率半徑、最大曲率半徑的位置以及輪轂和輪箍之間有一明確限定的關(guān)系，這種關(guān)系適用于相對車輪外表面為凹曲面的輻板部分和凸曲面的輻板部分。
文檔編號B60B3/02GK1098368SQ94103950
公開日1995年2月8日 申請日期1994年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月23日
發(fā)明者C·戴爾·克里斯蒂, 邁克爾·T·加拉格爾, 邁克爾·J·亨德里克森, 約翰·D·奧利佛, 馬克·A·波爾金 申請人:阿姆斯泰德工業(yè)公司