JP2004138189A - ねじ締結方法及び鉄道用車輪、輪軸の製造方法並びに鉄道用車輪、輪軸 - Google Patents

Abstract

【課題】締結部材より熱膨張率の大きな被締結部材を、熱膨張、熱収縮を受けた場合でも、締結軸力が低下することを抑制すること。
【解決手段】締結部材より熱膨張率の大きい被締結部材をねじの締め付けによって締結する方法である。ボルト或いはナットのうちの少なくともどちらか一方の座面側に配置する皿ばね座金として、皿ばね座金が圧縮される際に当該皿ばね座金の内径下部に発生する応力と当該皿ばね座金の板厚との関係において、前記内径下部に発生する応力が許容応力以下であり、かつ、当該皿ばね座金の撓み量と当該皿ばね座金の板厚との関係において、必要な撓み量が得られる厚さの厚肉のものを１〜５枚使用する。
【効果】同じ撓み量を得るのに必要な皿ばね座金の数が少なくて済むのと共に、熱膨張によって発生する内径下部応力が小さくなって、熱膨張、熱収縮による取付け軸力の低下を抑制できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばアルミニウム材製のブレーキディスクを鉄道用の車輪等にボルトとナットで締結する方法、及び、この方法によって例えばアルミニウム材製ブレーキディスクを締結した鉄道用車輪や、その車輪を有する輪軸の製造方法、並びに、それらを用いた鉄道用車輪や車軸に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両用のディスクブレーキは、車輪本体の側面にブレーキディスクを取り付けるタイプと、車軸に取り付けるタイプがある。図５に示したものは、車輪本体の側面にブレーキディスク取り付けるタイプであるが、このようなタイプでは、例えば図６に示したような形状の２枚で対をなすブレーキディスク１ａ，１ｂの取り付けは、これらブレーキディスク１ａ，１ｂと車輪本体２に夫々設けた締結用孔１ａａ，１ｂａ，２ａにボルト３を貫通させてナット４で締付けることにより行なっている。
【０００３】
図５中の６ａ，６ｂはブレーキディスク１ａ，１ｂとボルト３間に設置された鍔付スリーブ、７はナット４の緩みを防止するためにボルト３とナット４の座面側に夫々配置された皿ばね座金であり、実際にはこの皿ばね座金７の他に結束バンドによってもナット４の緩みが防止されている。
【０００４】
ところで、ブレーキディスク１ａ，１ｂが軽量で摺動特性に優れたアルミニウム材製の場合には、鋼製の場合と違って熱膨張率が大きいことから、制動時の入熱によりアルミニウム材が膨張し、ボルト３とナット４の座面間隔Ｌ（図５（ｃ）参照）が大きくなり、この座面間隔Ｌの増大量を皿ばね座金７の撓みによって吸収させている。
【０００５】
そして、この皿ばね座金として、従来は、適用するボルトの呼び径によって各種寸法が決まっている規格品を採用していることから（非特許文献１参照。）、前記座面間隔Ｌの増大量を吸収するために、多数の皿ばね座金を重ね合わせて使用していた。
【０００６】
【非特許文献１】
ＪＩＳ　Ｂ　１２５２−２００２、皿ばね座金
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、規格品の皿ばね座金を多数重ね合わせて使用した場合、ブレーキ時の熱膨張、ブレーキ後の熱収縮により、皿ばね座金に永久変形（以下、この永久変形を「へたり」という。）が生じてその密着までの撓み（図７のｈ参照）がなくなり、それによりブレーキごとにボルトの締結軸力が低下するとともに、増締めしても結局へたりがまた生じ、締結軸力が低下するという問題があった。
【０００８】
また、皿ばね座金を多数重ね合わせて使用した場合、重ね合わせた皿ばね座金全体の高さが高くなるという問題もある。
【０００９】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、例えばアルミニウム材製のブレーキディスクのように、熱膨張率の大きな部材を締結するに際し、熱膨張、熱収縮の繰り返しを受けた場合でも、皿ばね座金のへたりによって締結軸力が低下することを抑制可能なねじ締結方法、及び、このねじ締結方法によってブレーキディスクを締結した鉄道用車輪や輪軸及びその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係るねじ締結方法は、締結部材より熱膨張率の大きい被締結部材をねじの締め付けによって締結するに際し、ボルト或いはナットのうちの少なくともどちらか一方の座面側に配置する皿ばね座金として、厚肉の皿ばね座金を使用することとしている。
【００１１】
上記の本発明に係るねじ締結方法において、厚肉の皿ばね座金とは、ＪＩＳ　Ｂ　１２５２（２００２年版）に規定されている皿ばね座金の板厚よりも厚みの大きい皿ばね座金をいう。
【００１２】
そして、この本発明に係るねじ締結方法を用いて鉄道用の車輪や車軸に例えばアルミニウム又はアルミニウム合金材製のブレーキディスクを締結することで、前記ブレーキディスクに熱膨張、熱収縮の繰り返しを受けた場合でも、皿ばね座金のへたりによる締結軸力の低下を効果的に抑制できるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明者は、鉄及び鉄を主成分として含む合金からなる鉄道用車輪に、この鉄道用車輪よりも熱膨張の大きい材料の一例であるアルミニウム材製のブレーキディスクをねじ締結する際に課題となっている軸力低下原因の内の最も大きな要因と考えられる皿ばね座金のへたりについて種々検討を行った。
【００１４】
本発明者は、ＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている呼び径が２７ｍｍの皿ばね座金７（図７参照：内径ｄ＝２８ｍｍ、外径Ｄ＝５０ｍｍ、板厚ｔ＝４．５ｍｍ、基準高さＨ＝５．９ｍｍ）を、図５（ｃ）に示したように、片側に２枚ずつ設置した状態で、下記表１に示した荷重を負荷した場合に、皿ばね座金７の内径下部に発生する応力（以下、「内径下部応力」という。）σｔ１（ＭＰａ）を下記数式１により計算した。その結果を下記表１に併せて示す。
【００１５】
【数１】

【００１６】
【表１】

【００１７】
上記表１より、ＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている板厚の皿ばね座金７を使用した場合には、最大軸力時はおろか初期締結時においても、内径下部応力σｔ１が、皿ばね座金７の降伏応力（この例では、材質はＳＫＤ４であり、降伏応力は１１７６ＭＰａである。）を超えていることが判明した。これが皿ばね座金のへたりの原因と考えられる。
【００１８】
本発明者は、上記検討結果に基づき、鉄道用車輪にアルミニウム材製のブレーキディスクをねじ締結する際の寸法上の制約（外径は６０ｍｍ以内、内径は２５ｍｍ以上）、熱膨張によって発生した変位を吸収するために必要な初期締結後の撓み量（片側０．１５ｍｍずつ）を考慮しつつ、ブレーキディスク等の被締結物が熱膨張し、皿ばね座金が圧縮される際の内径下部応力σｔ１が、皿ばね座金の許容応力（例えば降伏応力）を超えない皿ばね座金について検討した。
【００１９】
ここで許容応力とは、皿ばね座金がへたらない、つまり降伏しない限界の応力をいう。但し、材質は勿論、皿ばね座金内周面を含む角部の面取りの有無や、その形状、皿ばね主面の表面粗さ等によってもこの値は変化するので、各種ごとに異なるものとなっている。また、必要な撓み量も各種座金によって異なる。必要な撓み量とは、ボルト締付け時に必要な軸力（荷重）を得るために撓まなければならない最低の変形量のことであり、やはり、材質、形状、表面粗さ等によって変化するものである。
【００２０】
本発明者は上記の検討を行うに際し、皿ばね座金の板厚に着目し、前述のＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている呼び径が２７ｍｍの皿ばね座金の板厚を種々変更しつつ、内径下部応力σｔ１と撓み量との関係について、皿ばね座金の重ね枚数を変えて調査した。その結果を図１及び図２に示す。
【００２１】
図１は皿ばね座金が圧縮される際に当該皿ばね座金の内径下部に発生する応力と重ねる枚数毎の当該皿ばね座金の板厚との関係を示す一例である。本例では、材質はＳＫＤ４で、内周面に面取り加工が施してあり、許容応力は約１４００ＭＰａと想定される。
【００２２】
図１より、内径下部応力σｔ１が、皿ばね座金の許容応力を超えないのは、皿ばね座金を１枚使用する場合は、板厚が約１１ｍｍ以上の場合、皿ばね座金を２枚重ねて使用する場合は、板厚が約７．８ｍｍ以上の場合、皿ばね座金を３枚重ねて使用する場合は、板厚が約６．３ｍｍ以上の場合、皿ばね座金を４枚重ねて使用する場合は、板厚が約５．６ｍｍ以上の場合、皿ばね座金を５枚重ねて使用する場合は、板厚が約４．９ｍｍ以上の場合である。
【００２３】
図２は皿ばね座金が圧縮される際に、皿ばね座金の撓み量と重ねる枚数毎の皿ばね座金の板厚との関係を示す一例である。本例で使用したのは、前記図１と同様の座金であり、必要な撓み量は０．１５ｍｍである。図２より、熱膨張を吸収するために必要な撓み量が得られるのは、皿ばね座金を１枚使用する場合は、板厚が約１１ｍｍ以下の場合、皿ばね座金を２枚重ねて使用する場合は、板厚が約８．６ｍｍ以下の場合、皿ばね座金を３枚重ねて使用する場合は、板厚が約７．６ｍｍ以下の場合、皿ばね座金を４枚重ねて使用する場合は、板厚が約７ｍｍ以下の場合、皿ばね座金を５枚重ねて使用する場合は、板厚が約６．３ｍｍ以下の場合である。
【００２４】
以上より、本例において上記両者を共に満足するには、１枚使用する場合は約１１ｍｍの板厚、２枚重ねて使用する場合は約７．８〜８．６ｍｍの板厚、３枚重ねて使用する場合は約６．３〜７．６ｍｍの板厚、４枚重ねて使用する場合は約５．６〜７ｍｍの板厚、５枚重ねて使用する場合は約４．９〜６．３ｍｍの板厚の皿ばね座金を使用すれば良いことが判明した。
【００２５】
但し、重ね合わせる枚数が多くなる程、重ね合わせた皿ばね座金全体の高さが高くなるので、重ね合わせる枚数はできるだけ少ないほうが望ましいことは言うまでもないが、経験的には５枚までであれば本発明の効果が得られると見られる。
【００２６】
また、皿ばね座金を重ね合わせる場合には、皿ばね座金の接触面を研磨加工したり、接触面に潤滑剤を塗布したりして前記摩擦が可及的に少なくなるようにしておくことが望ましい。
【００２７】
本発明に係るねじ締結方法は、本発明者の上記知見に基づいてなされたものであり、熱膨張率の大きい部材をねじの締め付けによって締結するに際し、ボルト或いはナットのうちの少なくともどちらか一方の座面側に配置する皿ばね座金として、厚肉の皿ばね座金を使用するものである。
【００２８】
本発明に係るねじ締結方法によれば、ＪＩＳ　Ｂ　１２５２（２００２年版）に規定されている皿ばね座金よりも厚肉の皿ばね座金を使用するので、同じ撓み量を得るのに必要な皿ばね座金の数が少なくて済むのと共に、熱膨張した場合に発生する内径下部応力σｔ１が小さくなる。
【００２９】
上記の本発明に係るねじ締結方法において、前記使用する皿ばね座金の重ね枚数と厚さは、具体的には、被締結物の熱膨張によって皿ばね座金が圧縮される際に、皿ばね座金の内径下部応力σｔ１と重ねる枚数毎の皿ばね座金の板厚との関係と、被締結物の熱膨張を吸収するための皿ばね座金の必要な撓み量と重ねる枚数毎の皿ばね座金の板厚との関係とから、前記内径下部応力σｔ１が許容応力以下であり、かつ、必要な撓み量が得られるものを求めて使用する。
【００３０】
そして、上記の本発明に係るねじ締結方法においては、前記使用する皿ばね座金として、少なくとも内径下部に湾曲状の面取りを施したものを使用する場合には、本発明の上記作用効果はさらに助長されると考えられる。
【００３１】
また、上記の何れかの本発明に係るねじ締結方法によってアルミニウム又はアルミニウム合金材製のブレーキディスクを締結することで製造した鉄道用車輪や、この鉄道用車輪を備えた輪軸、或いは、上記の何れかの本発明に係るねじ締結方法によってアルミニウム又はアルミニウム合金材製のブレーキディスクを車軸に締結することで製造した輪軸では、ブレーキディスク取付けボルトの軸力低下を抑制でき、安全性が向上する。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明に係るねじ締結方法の効果を図３に示す実施結果に基づいて説明すると共に、このねじ締結方法を使用してアルミニウム材製のブレーキディスクを取付けた本発明に係る製造方法で製造した鉄道用車輪、輪軸を図４、図５を用いて説明する。
【００３３】
図３（ａ）は、前述のＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている呼び径が２７ｍｍの皿ばね座金の板厚を本規格にない８．６ｍｍとしたものを並列に２枚重ねた状態で、１２０ｋＮと８０ｋＮを３回繰返して押付け試験を実施した場合の、荷重と皿ばね座金の変位量の関係を示した図である。
【００３４】
一方、図３（ｂ）は、前述のＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている呼び径が２７ｍｍの皿ばね座金（板厚は４．５ｍｍ）を並列に２枚重ねた状態で、１００ｋＮと５０ｋＮを５回繰返して押付け試験を実施した場合の、荷重と皿ばね座金の変位量の関係を示した図である。
【００３５】
図３の（ａ）（ｂ）を比較すると明らかなように、図３（ａ）の方が図３（ｂ）に比べてヒステリシスが小さくなっていることが判る。このことから、厚肉の皿ばね座金を使用する本発明に係るねじ締結方法によれば、熱収縮があった場合にも、ＪＩＳ　Ｂ　１２５２に規定されている皿ばね座金を使用する従来のねじ締結方法と比べて、皿ばね座金のへたりが小さくなり、軸力の低下が大幅に抑制できるようになることが判る。なお、本実施例は、２枚重ねの場合の一例を示している。経験的には、摩擦の影響から１〜２枚の場合が最もトータル厚みが薄くなり、かつ、適切な応力とすることができると見られる。すなわち、皿ばね座金の肉厚は７．８ｍｍ以上である。
【００３６】
そして、例えば上記の本発明に係るねじ締結方法を使用して、図５に示したように、車輪本体２の締結用孔２ａにその両側から、厚肉の皿ばね座金７を介してボルト３とナット４によりアルミニウム材製のブレーキディスク１ａ，１ｂをその側面に締結したものが、本発明に係る製造方法で製造した本発明に係る鉄道用車輪１１であり、図４（ａ）に示すように、この車輪１１を車軸１２の両側に備えたのが本発明に係る輪軸１３である。
【００３７】
また、本発明に係る輪軸１３は、上記の本発明に係る車輪１１を車軸１２の両側に備えたものだけではなく、図４（ｂ）に示したような、車軸１２に取り付けたディスク取り付け部品１４の締結孔に、ボルトとナットを用いて本発明に係るねじ締結方法でブレーキディスク１ａ，１ｂを取り付けるタイプにも適用できることは言うまでもない。
【００３８】
これらの本発明に係る鉄道用車輪１１或いは輪軸１３では、上記の作用効果を奏する本発明に係るねじ締結方法を使用してアルミニウム材製のブレーキディスクを取付けているので、熱膨張に起因するブレーキディスク取付け軸力の低下を抑制でき、安全性が向上する。
【００３９】
以上、本発明の実施例及び実施の形態について説明したが、本発明の技術思想の一例を示すものであり、本発明はこれらの実施例、実施の形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るねじ締結方法によれば、同じ撓み量を得るのに必要な皿ばね座金の数が少なくて済むのと共に、熱膨張によって発生する内径下部応力が小さくなって、熱膨張、熱収縮の繰り返しによる取付け軸力の低下を抑制できるようになる。従って、この本発明に係るねじ締結方法によって例えばアルミニウム材製のブレーキディスクを取付けた鉄道用車輪や輪軸では、取付け軸力の低下抑制に起因して、安全性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】皿ばね座金の板厚と内径下部応力との関係を、皿ばね座金の重ね枚数を変えて調査した結果の一例を示した図である。
【図２】皿ばね座金の板厚と撓み量との関係を、皿ばね座金の重ね枚数を変えて調査した結果の一例を示した図である。
【図３】（ａ）は本発明に係るねじ締結方法の効果を説明する図、（ｂ）は従来のねじ締結方法の例を説明する図である。
【図４】本発明に係る輪軸の説明図で、（ａ）は車輪にブレーキディスクを取り付けた構成のもの、（ｂ）は車軸にブレーキディスクを取り付けた構成のものである。
【図５】ブレーキディスクを側面に締結した鉄道車輪の説明図で、（ａ）は側面から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は締結部の要部拡大図である。
【図６】ブレーキディスクの一例を示した図で、（ａ）は側面から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図７】皿ばね座金の各部を説明する図である。
【符号の説明】
１ａ　　ブレーキディスク
１ｂ　　ブレーキディスク
２　　　車輪本体
３　　　ボルト
４　　　ナット
７　　　皿ばね座金
１１　　車輪
１２　　車軸
１３　　輪軸

Claims (10)

1. 締結部材より熱膨張率の大きい被締結部材をねじの締め付けによって締結するに際し、ボルト或いはナットのうちの少なくともどちらか一方の座面側に配置する皿ばね座金として、厚肉の皿ばね座金を使用することを特徴とするねじ締結方法。
2. 前記使用する皿ばね座金の重ね枚数と厚さは、皿ばね座金が圧縮される際に当該皿ばね座金の内径下部に発生する応力と重ねる枚数毎の当該皿ばね座金の板厚との関係と、当該皿ばね座金の撓み量と重ねる枚数毎の当該皿ばね座金の板厚との関係とから、前記内径下部に発生する応力が許容応力以下であり、かつ、必要な撓み量が得られるものを求めて使用することを特徴とする請求項１記載のねじ締結方法。
3. 前記使用する皿ばね座金は、少なくとも内径下部に湾曲状の面取りを施したものを使用することを特徴とする請求項１又は２記載のねじ締結方法。
4. 請求項１〜３の何れか記載のねじ締結方法によって車輪より熱膨張が大きい材質でできたブレーキディスクを前記車輪に締結することを特徴とする鉄道用車輪の製造方法。
5. 前記車輪は、鉄又は鉄を主成分として含む合金からなり、前記ブレーキディスクはアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項４記載の鉄道用車輪の製造方法。
6. 鉄道用車輪を有する輪軸であって、請求項１〜３の何れか記載のねじ締結方法によって車輪より熱膨張が大きい材質でできたブレーキディスクを前記鉄道用車輪に締結することを特徴とする輪軸の製造方法。
7. 鉄道用車輪を有する輪軸であって、請求項１〜３の何れか記載のねじ締結方法によって、鉄及び鉄を主成分として含む合金より熱膨張の大きい材料のブレーキディスクを、車軸に取り付けられたディスク取り付け部に締結することを特徴とする輪軸の製造方法。
8. 前記車輪は、鉄又は鉄を主成分として含む合金からなり、前記ブレーキディスクはアルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項６又は７記載の輪軸の製造方法。
9. ４．９ｍｍ以上の厚さの皿ばね座金とボルトによって車輪より熱膨張が大きい材質でできたブレーキディスクが前記車輪に締結されていることを特徴とする鉄道用車輪。
10. 請求項９記載の鉄道用車輪を有することを特徴とする輪軸。

Images