フランジ付きホイールとは何ですか?

A フランジ付きホイール フランジと呼ばれる一体の突出リムが組み込まれたホイールで、トレッドまたはハブの一方または両方の端に沿って走っています。フランジは、用途に応じて、密接に関連する 2 つの目的のうちの 1 つを果たします。1 つはレールまたはトラックに沿って車輪を正確に追跡し、荷重による横ずれや脱線を防ぐガイドとして機能するか、または車輪を車軸、シャフト、または隣接するコンポーネントにしっかりと接続できる取り付けおよび耐荷重ショルダーとして機能します。重工業および鍛造コンポーネントの状況では、フランジに相当な構造的および動的荷重がかかる必要があるギアボックス アセンブリ、クレーン システム、および重機の内部で使用される大型の鍛造フランジ付きホイールが精密に設計されたブランクとして製造されるため、この同じ設計原則が大幅にスケールアップされます。

フランジ付きホイールの構造

規模に関係なく、フランジ付き車輪は同じ基本構造要素を共有します。トレッドはレール、トラック、または合わせ面と接触する外面であり、フランジはトレッドの端に位置する隆起したリムであり、ハブまたはボアはホイールを車軸またはシャフトに接続する中央部分です。鉄道やクレーンの用途では、このフランジはトレッドに対して垂直に配置され、レールの内端に沿って動きますが、ギアボックスや機械の組み立てでは、フランジ付きホイールのリムが、より大きなドライブトレイン内で 1 つのコンポーネントを別のコンポーネントに結合するボルトまたはキー接続面として機能することがよくあります。

古典的な用途: 鉄道の車輪

フランジ付き車輪の最もよく知られた役割は鉄道車両であり、フランジは特に脱線防止装置として機能します。鉄道車輪の歴史に関する業界文書の作成では、輸送が馬車から機関車に移行するにつれて、フランジ付き車輪が鉄道旅行の効率性と安全性を高めたと説明しています。これは、車両が加速、減速し、カーブを通過するときでも、隆起したフランジによって各車輪がレールの内側の端に固定されるためです。同じ情報源は、この同じフランジの原理が時間の経過とともに鉄道をはるかに超えて拡張され、現在では自転車、手押し車、遊園地の乗り物、エレベーターを含む幅広い産業機器に、車輪を固定軌道に正確に位置合わせする必要がある場所ならどこでも使用されていると述べています。

クレーンおよび重工業用途

鉄道以外にも、フランジ付きホイールは、天井クレーンやガントリー クレーン システムの中核となる構造コンポーネントであり、大きな垂直方向および横方向の荷重を支えながら、固定レールに沿ってクレーンの橋やトロリーをガイドします。クレーンホイールエンジニアリングガイダンスでは、トレッド直径、フランジ高さ、フランジ厚さ、トレッド幅を含むホイール寸法が次のような仕様に基づいて標準化されていると記載されています。 DIN 15070 そして密接に調和した GB/T 10183 これは、正しい接触を確保し、フランジとレールの足の干渉を防ぐために、レール ヘッドの幅に対してホイール プロファイルのジオメトリを定義します。フランジの高さは通常、次の範囲内になります。 ホイールの直径全体の 20 パーセントと 30 パーセント ホイールシリーズによって異なりますが、高い横荷重下での不十分なフランジ高さが、クレーンホイールが経験する可能性のある最も深刻な故障モードの 1 つであるフランジオーバーライドの主な原因として特定されています。

シングルフランジ設計とダブルフランジ設計

クレーンホイールの構成は一般にシングルフランジ設計とダブルフランジ設計に分類され、用途に必要な横方向の誘導の量に応じて選択します。シングル フランジ ホイールは通常、反対側のレールにある 2 番目のフランジなしホイールまたは異なる構成のホイールと組み合わされます。一方、ダブル フランジ ホイールはレールの両側からの案内を提供し、転がり摩擦の増大を犠牲にしてより厳密なトラッキング制御を提供します。一部のクレーン システムでは、代わりに外部の水平ガイド ローラーに依存して、フランジのないホイールを完全に使用しています。これは、従来のフランジが隣接するコンポーネントと物理的に干渉する可能性がある高負荷用途に適した設計です。

ギアボックスおよび重機アセンブリの鍛造フランジ付きホイール

風力タービンのギアボックス、クレーン、海洋または港湾の荷役機器などの大規模な機械アセンブリでは、フランジ付きホイールは、単純なガイド ホイールではなく、鍛造構造ブランクの形をとることがよくあります。モジュール式風力タービンギアボックス設計に関する特許文献には、フランジが、個別のギアステージモジュールを一緒に結合するリング状の接続コンポーネントとして特に説明されており、締結コンポーネントが各モジュールをフランジの反対側に固定しています。これと同じ原理が、ギアボックス ドライブトレイン内のギア ホイール ベース、ハブ コネクタ、構造ディスクとして使用される鍛造フランジ付きホイール ブランクにも当てはまります。フランジは、正確な取り付けインターフェイスと、回転コンポーネント間で高トルク負荷を確実に伝達するために必要な構造的剛性の両方を提供します。

耐久性の高いフランジ付きホイールの場合、鍛造が鋳造よりも優れている理由

材料と製造プロセスは、持続的な負荷の下でフランジ付きホイールがどのように機能するかに直接的な影響を及ぼします。この点で、鍛造が鋳造に比べて明らかに構造上の利点を示します。鍛造ホイール構造と鋳造ホイール構造の比較工学分析によると、鍛造は鋳造材料に固有の内部多孔性、収縮、緩い結晶粒構造を排除し、その代わりに、特にトレッド領域とフランジ領域を通るホイールの輪郭に沿った連続的な金属流線を生成し、引張強度、衝撃靱性、および耐疲労性を最適化することが説明されています。鍛造材料の粒径は通常、約 20マイクロメートル 鋳造材料の約 80 マイクロメートルと比較して、より緻密な微細構造が得られ、意味のある強度と靭性が得られます。また、鍛造ホイールは熱処理をより容易に受け入れることができるため、メーカーは深い表面硬化を適用することができ、一般的に次のレベルに達します。 HRC38～46 硬化深さは数ミリメートルで、繰り返しの転がり接触や大きな動的荷重下での耐用年数が大幅に延長されます。

鍛造フランジホイールと鋳造フランジホイールの比較

フランジホイールを選択する際に確認すべき主な仕様

機械的または構造的用途に適切なフランジ付きホイールを選択するには、一般的なサイズ カテゴリだけに依存するのではなく、いくつかの寸法および材料パラメータを実際の動作条件に適合させるかどうかが決まります。

• ホイール直径。直径が大きいほど、所定の荷重に対する接触応力が軽減されます。
• フランジの高さと厚さは、予想される最大横荷重下でフランジのオーバーライドを防止するサイズになっています。
• トレッド幅は、一般的に、一般的なクレーン ホイール ガイドごとに相手レール ヘッドよりも 20 ～ 30 mm 広く指定されます。
• 材料グレードと硬度はデューティサイクルに適合し、鍛造合金鋼はハイサイクル、重負荷用途に適しています。
• ボアまたはハブの構成、相手のアクスルまたはシャフトの寸法および公差に対して確認

用途に合わせたフランジ付きホイールのタイプ

1. アプリケーションにレールに沿った横方向のガイドが必要か、またはアセンブリ内の構造的な取り付け接続が必要かどうかを確認します。
2. 必要なトラッキング精度に基づいて、シングル フランジ、ダブル フランジ、またはフランジレス構成を選択します
3. 耐疲労性が最も重要なヘビーデューティー、ハイサイクル、または過酷な環境用途向けに鍛造構造を指定します。
4. クレーンおよびレール用途の DIN 15070 や GB/T 10183 などの関連規格への寸法準拠を確認します。
5. 熱処理仕様がアプリケーションの予想される負荷サイクルおよび摩耗要件と一致していることを確認します。

フランジ付きホイールは、一体化したリムによって定義され、鉄道やクレーン システムに見られるように脱線を防ぐために軌道に沿ってホイールを正確にガイドするか、ギアボックスや重機の用途に見られるように、より大きな機械アセンブリ内で構造的な取り付けインターフェイスとして機能します。フランジの背後にある材料と製造方法は、その寸法と同じくらい重要です。鍛造構造は、鋳造製のものよりもはるかに優れた繰り返しの重い荷重に耐える、より高密度で疲労耐性のある構造を提供するためです。正しく指定された鍛造品 フランジ付きホイール エンジニアは、クレーン、ギアボックス、その他の重工業機械に見られる厳しい負荷、追跡、接続要件に対応できる信頼性の高い構造コンポーネントを提供します。