CN102245923B - 铁道车辆用制动盘 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铁道车辆用制动盘。铁道车辆用制动盘包括将表面侧作为滑动面的环形圆盘状的板部、呈放射状突设在该板部的背面的多个翅片部，板部连接在车轮上，通过在相邻的翅片部之间设置肋，并在该肋的圆周方向的中间部沿从该肋的车轮侧端部朝向板部的背面的方向设有沟槽，能够抑制由于摩擦热而产生的变形。

Description

铁道车辆用制动盘
技术领域
本发明涉及一种将作为滑动面的板部与车轮连接起来的铁道车辆用制动盘，特别是涉及一种铁道车辆用制动盘，其能够降低制动盘由于制动中的摩擦热而产生的变形。
背景技术
以铁道车辆为代表的陆上输送车辆的制动装置包括块式制动器、鼓式制动器、盘式制动器等。近年来，随着车辆的高速化和大型化，上述之中的盘式制动器的使用正在增加。
盘式制动器是通过制动盘与制动衬片之间的摩擦而获得制动力的装置。通常，盘式制动器通过将制动衬片按压在制动盘的滑动面上而产生制动力，由此制动车轴或者车轮的旋转而抑制车辆的速度，该制动盘呈环形圆盘状，并利用螺栓安装在车轴或者车轮上。
然而，进一步高速化被推进，新干线等高速铁道车辆需要以超过时速300km的速度进行运转。铁道车辆的高速化需要车辆的重量降低，从而将作为滑动面的板部直接与车轮连接起来的制动盘适合铁道车辆的高速化。该滑动面连接型制动盘与以往的内周连接型制动盘相比，因为没有只发挥用于连接的功能的部分，所以能够降低重量。
以往，在滑动面连接型制动盘中，以降低由于制动中的摩擦热而产生的翘曲等变形为目的，将制动盘形成为在制动盘的连接面上设有凹部的结构，该凹部用于与设在被连接构件(车轮等)上的凸部相配合(专利文献1)。另外，对于以往的滑动面连接型制动盘，也具有对连接部与非连接部的合计体积的比进行规定的制动盘(特许文献2)。
在上述的以往的滑动面连接型制动盘中，在超过时速300km那样的高速行进状态下，以往没有考虑到的噪音变大这样的问题变得明显。
制动盘与车轮一起高速旋转。由于该旋转而使制动盘周边的空气被从制动盘内周侧吸入，并向制动盘外周侧放出。因此，会在制动盘的背面侧产生高速的空气的流动。
该空气的流动对于制动盘的冷却起到重要的作用，但在超过时速300km那样的速度范围，不仅是冷却了制动盘，而且还伴随高速的空气的流动而产生噪音。伴随该空气的流动而产生的噪音被称为“车辆空气动力噪音”。
为了降低该车辆空气动力噪音，对制动盘的板部的背面、设在制动盘的板部的背面的翅片部与车轮的板部之间的空气的流动进行抑制是有效的。
如图10所示，申请人提出了一种制动盘1，其在构成制动盘1的板部1a的背面、翅片部1b与车轮2的板部2a之间形成的空间中，设置沿着圆周方向连续的肋1c，从而尽可能减小开口面积的圆周方向的总和(专利文献3)。另外，在图10中，附图标记“1d”表示由于设置肋1c而形成的肋1c的顶端与车轮2的板部2a之间的间隙、附图标记“2b”表示车轮2的轮圈部、附图标记“2c”表示车轮2的毂部、附图标记“3a”表示制动盘1的连接用螺栓、附图标记“3b”表示制动盘1的连接用螺母。
专利文献1：日本特开2001-311441号公报
专利文献2：日本特开2005-321091号公报
专利文献3：日本特开2007-205428号公报
然而，在上述特许文献3中所提出的制动盘中，由于设在被形成于制动盘的板部背面、翅片部与车轮的板部之间的空间中的肋的形状的不同，有时制动盘由于制动中的摩擦热而产生的变形成为问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种滑动面连接型的铁道车辆用制动盘，其在制动盘的板部背面、翅片部与车轮的板部之间形成的空间中设有肋的情况下，能够降低制动盘由于制动中的摩擦热而产生的变形。
如在上述专利文献3中所公开那样，使形成在制动盘的背面侧的开口面积的总和变小对于车辆空气动力噪音的降低是有效的。本发明者们在上述见解之外，以安装有滑动面连接型制动盘的车轮为对象，假定超过时速300km的高速行进状态而重复进行了多种实验以及解析。
结果，确认了：只要开口面积的总和相同，设在被形成于制动盘的板部背面、翅片部与车轮的板部之间的空间中的肋的形状就不会影响到车辆空气动力噪音的降低效果。于是，发现了通过适当地规定该肋的形状，能够降低制动盘由于摩擦热而产生的变形。
图3是本发明者们所进行的实验以及解析的结果的一个例子，其表示通过设置肋而在空间中形成的开口的面积的总和与在实验中得到的车辆空气动力噪音级别之间的关系、以及该开口面积的总和与在解析中得到的通气量之间的关系。
另外，所谓开口面积，是指在将制动盘与车轮相连接的状态下，对于由制动盘的板部背面、形成在背面侧的翅片部、以及肋与车轮的板部之间形成空间，从制动盘的内周侧观察该空间时开口的部分的面积；所谓开口面积的总和是指将在各空间内开口的部分的各面积在圆周方向上相加的总和。
由图3可知，开口面积的总和越小越能够降低车辆空气动力噪音，即、开口面积的总和越是为10000mm2以下、7000mm2以下、5000mm2以下就越能够进一步降低车辆空气动力噪音，以及在开口面积的总和是300mm2以下时，车辆空气动力噪音的降低量几乎不发生变化。另外，开口面积的总和越小，通气量也与车辆空气动力噪音的降低量同样地变小。由该结果可知，通过利用流体解析来计算通气量，能够评价车辆空气动力噪音的降低量。
另外，图3所示的结果是使用图4所示的滚动音试验机、并将后述的图1所示的安装有制动盘1的车轮2(车轮的直径：860mm)设置在该滚动音试验机上进行试验所获得的结果。
如图4所示，滚动音试验机是如下所述的装置，即、以作为试验对象的车轮2旋转自如的方式利用轴承4支承车轮2，在利用液压千斤顶5将该车轮2按压到钢轨轮6上之后，通过用电动机7使钢轨轮6旋转，从而使车轮2旋转。
在该滚动音试验机中，用钢轨轮6的圆周速度表示速度，并由电动机7的转速与钢轨轮6的直径(在本例中是910mm)求得该速度，在电动机7的转速是大约1750rpm时圆周速度为300km/h。
在测定时，在与车轮2相距300mm的位置设置精密噪音计8，从而测定出在车轮2的旋转中由车轮2产生的噪音。另外，将精密噪音计8的校正设为FLAT(不附加听觉校正的状态)、将动态特性设为FAST。另外，从带制动盘的车轮的噪音级别中减去在完全地堵住开口的情况下的噪音级别，将该减去后的结果设为车辆空气动力噪音级别。
试验速度是以10km/h间隔在用钢轨轮6的圆周速度表示的200km/h～360km/h之间设定。在利用精密噪音计8进行测定之后，用频率分析器9通过快速傅立叶变换进行频率分析，附加A特征校正(参照图5)之后，进行1/3倍频带处理，从而评价了频率特性以及综合值。
本发明的铁道车辆用制动盘是基于上述的见解而做成的，其特征在于，在滑动面连接型的铁道车辆用制动盘中，为了抑制制动盘由于摩擦热而产生的变形，铁道车辆用制动盘具有将表面侧作为滑动面的环形圆盘的板部、呈放射状突设在该板部的背面的多个翅片部，上述板部连接在车轮上；在相邻的上述翅片部之间设有肋；在该肋的圆周方向的中间部，沿从该肋的车轮侧端部朝向上述板部的背面的方向设有沟槽。
在本发明中，因为在形成在制动盘的背面侧的肋的圆周方向的中间部从该肋的车轮侧端部朝向上述板部的背面的方向设有地沟槽，所以即使在滑动面连接型制动盘中，也能够有效地抑制由于摩擦热而产生的变形。
附图说明
图1是表示设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)是1的情况下的本发明的铁道车辆用制动盘的主要部分的图，图1的(a)是1/4圆部分的俯视图、图1的(b)是半圆部分的剖视图、图1的(c)是图1的(a)的A-A剖视图。
图2是表示设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)小于1的情况下的本发明的铁道车辆用制动盘的主要部分的图，图2的(a)是1/4圆部分的俯视图、图2的(b)是半圆部分的剖视图、图2的(c)是图2的(a)的A-A剖视图。
图3是表示被形成在空间中的开口的面积的总和与用实验得到的车辆空气动力噪音级别之间的关系、以及该开口的面积的总和与用解析得到的通气量之间的关系的图。
图4是说明滚动音试验机的概要的图。
图5是表示A特征校正曲线的图。
图6是表示在时速360km的行进时的中心频率与噪音级别的关系的图。
图7是表示使用流体解析方法导出的设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)与通气量之间的关系的图。
图8是表示使用有限元法解析而导出的制动盘的变形量的评价结果的图。
图9是表示制动盘的制动声音的评价结果的图。
图10是表示在专利文献3中公开的铁道车辆用制动盘的图，图10的(a)是1/4圆部分的俯视图、图10的(b)是半圆部分的剖视图、图10的(c)是图10的(a)的A-A剖视图。
具体实施方式
下面，利用图1和图2说明本发明的铁道车辆用制动盘的实施方式。
图1和图2是表示利用连接用螺栓3a和连接用螺母3b安装在车轮2的板部2a上的本发明的铁道车辆用制动盘1的主要部分的图。如图1和图2所示，制动盘1具有将表面侧作为滑动面的环形圆盘状的板部1a。在该板部1a的背面上呈放射状突设有翅片部1b。将一对制动盘1以夹着车轮2的板部2a的方式配置，在翅片部1b的顶端与车轮2的板部2a相接触的状态下，利用连接用螺栓3a和连接用螺母3b将板部1a连接到车轮2上。由此，存在空间，该空间呈梯形状，且其是被制动盘1的板部1a的背面、在该背面上形成的多个翅片部1b、车轮2的板部2a包围而成的。
本发明的制动盘1在相邻的翅片部1b之间的由制动盘1的板部1a的背面与车轮2的板部2a形成的空间中，沿着圆周方向突设有梯形状的肋1c。图1和图2所示的肋1c配置在制动盘1的径向的中间位置。
在该肋1c中的圆周方向的中间部，沿从该肋1c的车轮2侧端部朝向上述板部1a的背面的方向设有梯形状的沟槽1d。通过设置沟槽1d，能够抑制由于摩擦热而在制动盘1上产生的变形。
根据本发明者们的实验以及解析的结果，优选在将制动盘1与车轮2连接起来的状态下，对于在制动盘1的板部1a、翅片部1b、肋1c与车轮2的板部2a之间形成空间，关于从制动盘1的内周侧观察该空间时开口的部分的面积，即、如图1的(c)和图2的(c)所示，关于在圆周方向上纵剖肋1c而成的截面中开口的沟槽1d的面积，使各沟槽1d的面积的总和是7000mm2以下。
其理由在于，如图6所示，以时速360km行进时，在进行1/3倍频带处理的中心频率与噪音级别之间的关系中，沟槽1d的开口面积的总和是7000mm2的情况下，能够显著地降低中心频率是800Hz～1250Hz的频带域的车辆空气动力噪音。
为了确认噪音的降低效果，按下述表1所示的实施例逐一地利用流体解析对假定时速360km的行进并使车轮2以自车轮2的直径求出的转速2220rpm旋转时流过制动盘1的背面的空气的通气量进行了评价。另外，通过以相当于从行进速度是360km/h的状态3次施加紧急制动时的情况的条件实施有限元解析来评价了制动盘1的变形量。
作为对象的制动盘是新干线用的锻钢盘，内径是444mm、外径是720mm、从滑动面到车轮接触部的长度是47.5mm。另外，制动盘具有以中心位于直径是580mm的圆周上的方式配置的12个螺栓连接孔，并利用12个螺栓在周向上等间隔地进行连接。
为了进行比较，对于未设有肋的制动盘(比较例1)、在肋的圆周方向的中间部未设有沟槽的上述图10所示的形状的制动盘(比较例2)，也进行了流体解析以及有限元解析。确认了具有图1或者图2所示的形状的肋的本发明的实施例1～7的效果。
【表1】
表1
图7是表示使用上述流体解析方法而导出的设在肋上的沟槽的深度比((沟槽1d的从肋1c的车轮侧端部朝向板部1a的背面方向的深度L1)/(从肋1c的车轮侧端部到板部1a的背面的高度L2))与通气量之间的关系的图。
由该图7可知，在沟槽的开口面积的总和相同的实施例1～5中，不论设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)如何，通气量都大致固定。如上述图3所示，因为通气量与车辆空气动力噪音的降低量具有明确的对应关系，所以根据图7所示的关系，显然车辆空气动力噪音的级别也大致相同。
图8是表示使用有限元法解析而导出的制动盘的变形例的评价结果的图。由该图8可知，即使在设有肋的情况下开口面积的总和相同，实施例1～5与比较例2相比制动盘的变形变小，该实施例1～5在肋的中间部沿着从该肋的车轮侧端部朝向板部的背面的方向设有沟槽。
另外，在开口面积的总和相同的情况下，在设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)为1的实施例5中，与上述深度比(L1/L2)为0.5以下的实施例1～4相比，制动盘的变形量变得尤其小。由此可知，本发明优选将沟槽的深度L1设为肋的全高L2的1/2以上。另外，可知更优选将沟槽的深度L1设为肋的全高L2的0.8倍以上。
另外，根据实施例6和实施例7的结果可知，即使沟槽的开口面积的总和不同，通过在肋的中间部沿着从该肋的车轮侧端部朝向板部的背面的方向设置沟槽，也能够使制动盘的变形变小。
另外，如上述图3所示，因为车辆空气动力噪音在开口面积的总和为3000mm2以下时几乎不会发生变化，所以在图7和图8的解析中，主要是将最小横截面积设为3000mm2而使肋的形状变化来进行评价的。
如实施例6、实施例7所示，即使增加开口面积的总和，制动盘的变形量也与实施例1～5同样地被抑制为低于比较例2。即、可知即使根据作为目标的车辆空气动力噪音的降低量而变更开口面积的总和，也能够将制动盘的变形量抑制得相同。
然而，对于高速铁道车辆，除了在行进中产生的车辆空气动力噪音之外，由在制动时制动盘与制动衬片之间的摩擦产生的制动声音成为问题。该制动声音的起因在于，伴随制动时的摩擦在制动盘上产生被称为自激振动的不稳定的振动。
因此，除了上述的解析之外还以如下所述的方式对制动声音进行了评价，即、作成相当于将沟槽的深度比(L1/L2)进行多种变更的制动盘的解析模型，并使用有限元法进行各解析模型的振动模式解析，从而对制动声音进行评价。在进行评价时，将在各解析模型中产生的自激振动的衰减比用其相对于在未设有肋的解析模型中产生的自激振动的衰减比得到的比率来表示，并将该比率(声音指数)作为指标进行了评价。该声音指数越小，则表示制动器声音越被抑制。
图9是表示制动盘的制动声音的评价结果的图。由该图所示的结果可知，无论沟槽的有无，都可以通过设置肋来抑制制动声音。另外，可知设在肋上的沟槽的深度比(L1/L2)在0.8～1.0的范围中时与在肋上未设有沟槽时(L1/L2＝0)相比更能抑制制动声音。
由于上述的情况，所以优选在抑制制动器由于摩擦热而产生的变形的同时，为了抑制制动声音而将沟槽的深度L1设为肋的全高L2的0.8倍以上。
本发明不限于上述的例子，当然只要在各权利要求所记载的技术构思的范畴内，也可以适当地变更实施方式。
例如，在图1和图2所示的例子中，将肋1c设在制动盘1的径向的大致中央位置，但如在上述专利文献3中公开的那样，设置肋的径向的位置不影响车辆空气动力噪音的降低，并且对制动盘的变形量的影响也少。因而，在本发明中也可以将设置肋的径向的位置设为与图1和图2所示的位置不同，即、比径向的中央靠内周侧或者外周侧的位置。
另外，在图1和图2所示的例子中，肋1c的顶端在除了沟槽1d之外的部分与车轮2相接触，但也未必在除了沟槽1d之外的全部部分与车轮2接触。在肋1c的顶端不与车轮2接触而在该部分具有间隙的情况下，包含该间隙地规定开口面积的总和即可。
另外，在图1和图2所示的例子中，对于设在肋1c的圆周方向的中间部的梯形状的沟槽1d，其不平行的对边平行于该肋1c的相对应的对边，但不一定必须平行。另外，沟槽1d不限于梯形状，例如也可以是矩形。
产业上的可利用性
本发明不限于铁道车辆用的制动盘，也能够用作汽车和机动两轮车的制动盘。
附图标记的说明
1、制动盘；1a、板部；1b、翅片部；1c、肋；1d、沟槽；2、车轮；2a、板部；2b、轮圈部；2c、毂部；3a、连接用螺栓；3b、连接用螺母。

Claims (2)

1.一种铁道车辆用制动盘，其包括将表面侧作为滑动面的环形圆盘状的板部、呈放射状突设在该板部的背面的多个翅片部，上述板部连接在车轮上，其特征在于，
在相邻的上述翅片部之间沿着圆周方向突设有肋；
在该肋的圆周方向的中间部沿从该肋的车轮侧端部朝向上述板部的背面的方向设有沟槽；
在与车轮连接起来的状态下，在将上述肋沿着圆周方向纵剖而成的截面中的由各上述沟槽形成的开口面积的总和为7000mm2以下。
2.根据权利要求1所述的铁道车辆用制动盘，其特征在于，
上述沟槽的、从上述肋的车轮侧端部朝向上述板部的背面的方向的深度(L1)与从上述肋的车轮侧端部到上述板部的背面的高度(L2)的比(L1/L2)为0.5～1。
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