JP2005214263A - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレーキ負荷によりディスクに生じる反りを可及的に抑制すること。
【解決手段】 車軸又は車輪に締結され、片面より入熱されるブレーキディスク１である。前記締結される内周部１ａと、摺動面１ｂａを有する外周部１ｂの、つなぎ目部１ｃの剛性を低減させた。この剛性の低減は、内周部１ａと外周部１ｂのつなぎ目部１ｃに溝１ｄを形成することにより行う。
【効果】 ディスクに発生する反りを効果的に低減できる結果、摩擦特性も安定化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として鉄道車両用のブレーキディスク（単に、「ディスク」とも言う）に関し、ディスクの反りを抑制することを目的とするものである。

鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の機械式制動装置として、ブロックブレーキ、ドラムブレーキ、ディスクブレーキなどが使用されている。そして、近年では、車両の高速化、大型化に伴いディスクブレーキが多用されるようになってきている。

ディスクブレーキは、ディスクとブレーキライニングとの摩擦により制動力を得る構造で、通常、ディスクの内周部あるいは摺動面内に設けられた取付け孔に挿入されるボルトにより車軸または車輪に固定されている。そして、ディスクの回転を制動することにより、車軸または車輪の回転を制動し、結果として車両の速度を制御する。

ところで、新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキ負荷時の回転速度や慣性力が非常に大きいため、ディスクの温度上昇は他の自動車及び自動二輪車用のディスクと比較して著しく大きい。そのため、温度上昇に伴う熱ひずみも非常に大きくなる。

この熱ひずみにより、ディスクは膨張しようとするが、ディスクは取付け孔部で拘束されていることや、ディスクの変形が車輪との接触により拘束されることから、ディスクには反車輪側への変形（以下、「反り」と言う。）が生じる。

ディスクに反りが発生すると、ディスクとライニングが不均一に接触することから摩擦特性が不安定になる。また、図６に示すように、ブレーキ負荷時には、白抜き矢印で示したように、ライニングをディスク１１の摺動面１１ａに押付けることから、ディスク１１と車輪を締結しているボルト１２に引張・曲げ応力が負荷される。そして、この現象は、図６に破線で示したように、ディスク１１に反りが発生すると顕著になる。

このような摩擦特性、ボルトへの悪影響の観点から、ディスクの反り量がある限界値以上になるとディスクは使用できなくなる。従って、実際に使用する場合には、ディスクの反りを定期的に検査し、反り量が規定値以上になった際にはディスクを交換している。このように、ディスクの変形は、制動特性が不均一になり、ディスク寿命の短縮に繋がって経済性の観点から好ましくないので、ディスクの変形を抑制し、ディスクを長寿命化する技術が求められている。

そこで、ディスクを、摺動面を有する外リングとボルト締結部を有する内リングとに分割し、外リングに対して直径方向に隙間を存して嵌合させた内リングをボルトにより車輪に固定する構成とすることで、繰返し熱応力に基づく疲労強度の向上を図るブレーキディスクが開示されている。また、外リングは、繰返し熱衝撃による熱亀裂に耐性を具えた材質で、内リングは、繰返し熱応力による金属疲労に耐性を具えた材質で形成することが開示されている。
特開平１０−３１８３０４号公報

しかしながら、この特許文献１で開示された技術は、ボルト締結部に集中していた繰返し熱応力の緩和を主目的としており、ディスクの反り防止に効果を有するかどうかは不明である。また、内リングと外リングの嵌め合い精度が悪いと、ボルトによる取付け部でガタが発生し、或いは、前記嵌め合い部より折損するなど、新たな問題が生じる可能性がある。さらに、内リングと外リングに異なる材質のものを採用した場合、その組立てに工数がかかるなどの問題が生じる。

本発明が解決しようとする問題点は、鉄道車両用のブレーキディスクでは、ブレーキ負荷によりディスクに反りが生じる等の問題が生じる可能性がある点である。

本発明は、ディスクの形状を適正化することにより、ディスクの反りを低減し、制動特性の均一化とディスクの長寿命化を可能とするために、
車軸又は車輪に締結され、片面入熱されるブレーキディスクにおいて、
前記締結される内周部と、摺動面を有する外周部の、つなぎ目部の剛性を低減させたことを最も主要な特徴とする。

鉄道車両に使用されているブレーキディスクとしては、車輪の側面に締結される側ディスクと、車軸に取り付けられたボスに締結される軸マウントディスクが挙げられる。車軸１３に取り付けられたボス１４は、図７に示すように、円盤状の形状をしており、中心にある孔に車軸１３を圧入することで車軸１３に取り付けられる。また、ボス１４には車輪１５と同様のボルト孔が設けられており、そのボルト孔を介してディスク１１を取り付ける構造となっている。

本発明は、側ディスク及び軸マウントディスクの両者に関するものであり、以下、本明細書において、ブレーキディスク（ディスク）と言うときは、側ディスク及び軸マウントディスクの両者を指すものとする。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、車輪又は車軸に取り付けられたボスに締結される内周部と、摺動面を有する外周部の、つなぎ目部の剛性を低減させることで、ディスクに発生する反りを効果的に低減でき、摩擦特性を安定できるという利点がある。

片面入熱のブレーキディスクでは長期間の使用により反りが発生する場合がある。この反りは、ブレーキ時に摺動面が熱膨張し、引張降伏した後、冷却後に圧縮降伏することによる塑性変形である。このような反りは、高速からのブレーキ時により顕著になる。

本発明者らはこのような反りについて、種々条件を変更して各種の実験や解析を行ったところ、ブレーキディスクの内周部と外周部のつなぎ目部の剛性を低減させた場合には、前記ブレーキ時における摺動面の熱膨張による拘束が緩和でき、摺動面の圧縮降伏を低減できることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、図１に示すディスク１では、ボルトによって例えば車輪の側面に取付けられる内周部１ａと、摺動面１ｂａを有する外周部１ｂのつなぎ目部１ｃに溝１ｄを設けることで剛性を低減させたものを示している。この溝１ｄによりブレーキ時の摺動面１ｂａの熱膨張の拘束を緩和し、摺動面１ｂａの圧縮降伏を低減させている。

前記つなぎ目部１ｃに設ける溝１ｄによるリガメント部の厚みＬ（図１参照）は、大きすぎると剛性低減効果が小さくなる一方、小さすぎると溝１ｄの強度が低下して、溝１ｄからディスク１が破損してしまう。

本発明者らの検討によれば、前記リガメント部の厚みＬは、５ｍｍ以上で、外周部１ｂにおける摺動面１ｂａの裏面側に形成したフィン１ｂｂの高さＨの２／３以下に設定するのが好ましいことが判明している。ここで示すフィン１ｂｂの高さＨは、摺動面１ｂａからフィン１ｂｂの先端までの距離をいう（図１参照）。

また、溝１ｄの形状は円弧形状でも楕円形状でも長方形形状でも良いが、応力集中の低減を目的とすることを考慮すると、図１に示したような円弧形状、もしくは、楕円形状とすることが望ましい。

また、本発明者等の調査結果によれば、車輪に対するフィン１ｂｂの接触位置を、ディスク１の内周側にすれば、ブレーキ時の熱膨張の拘束を緩和できることが判明していることから、フィン１ｂｂと車輪の接触位置はできるだけ内周側に、望ましくは摺動面１ｂａの半径方向における中心位置より内周側で接触するようにした方が良い。

さらに、ディスク１の半径方向の剛性を上げれば反りを抑制できることから、フィン１ｂｂの半径方向の断面形状を、例えば長方形などの矩形状にするのが望ましい。
なお、本発明のディスクでは、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、Ａｌ基複合材料、カーボンなど、どのような材質を使用しても同じ効果が得られることから、どのような材質を使用しても良い。

以下、本発明の効果を確認するために、本発明品のディスクを対象にＦＥＭ解析を実施した結果について説明する。
ＦＥＭ解析では現在新幹線で使用されている鍛鋼の材料定数を使用した。また、有限要素分割では対称性を考慮し、全周の１／２４（１５°）をモデル化したものを使用した。モデル化したディスクの摺動面の幅は１２７．５ｍｍである。

下記表１、図２〜４に解析モデルの一覧を示す。解析を実施したモデルはすべて板厚が１８ｍｍのモデルである。図４に示した比較例は、内周部と外周部のつなぎ目部には溝を設けていない形状である。これに対し、図２及び図３に示した本発明品１，２では、つなぎ目部に円周方向に連続する溝を設けた形状としている。

また、溝の形状は半径ｒが１５ｍｍの円弧状、リガメント部の厚みＬは１０ｍｍとしている。さらに、本発明品１では、フィンと車輪の接触位置を半径Ｒが３００．５ｍｍの位置としているが、本発明品２では、前記半径Ｒが２４３．５ｍｍと本発明品１よりも内周側に変更している。さらに、本発明品２ではフィンの半径方向の断面形状を長方形とし、フィンによる剛性を上げている。

ＦＥＭ解析条件は２７０ｋｍ／ｈからの非常ブレーキ負荷相当とした。２７０ｋｍ／ｈより非常ブレーキを負荷すると約９０秒後に停止することからＦＥＭ解析ではブレーキ時間を９０秒とした。また、ブレーキを繰返し３回負荷する条件とした。

図５にＦＥＭ解析の結果を示す。図５はディスク外周部の反り量を比較した結果である。図５から、本発明品１，２では、ディスクの内周部と外周部のつなぎ目部に溝を設けることで反りを低減することができることが明らかである。本発明品１では、反りは比較品と比べて約９％低減した。

また、フィンの形状を階段状として、車輪との接触位置を摺動面の半径方向の中心よりも内周側に位置させると共に、フィンの半径方向の断面形状を長方形となしてフィン剛性を向上させた本発明品２では、さらに反りを低減できることが明らかになった。この本発明品２では、反りは比較品と比べて約４４％低減した。

なお、図３に示した本発明品２は、フィンの形状を階段状とすることで、車輪との接触位置を摺動面の半径方向の中心よりも内周側に位置させたものであるが、フィンと車輪との接触位置から半径方向にかけて連続的に高さＨを減少させることで、車輪との接触位置を摺動面の半径方向の中心よりも内周側に位置させたものでも良い。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範囲内で、適宜実施の形態を変更しても良いことは、言うまでもない。

例えば、本実施例では何れも摺動面の裏面側に溝を設けたものを示しているが、摺動面側に溝を設けたものでも良い。但し、本実施例のように摺動面の裏面側に溝を設けた方が、反りの発生抑制の点からはより好ましい。また、つなぎ目の剛性を低減させるための溝も円周方向に連続するものに限らない。

以上の本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクに限らず、自動車や自動二輪車等のブレーキディスクであっても適用できる。

本発明のブレーキディスクの説明図であって、ＦＥＭ解析に用いた有限要素分割の全周の１／２４モデルを示し、（ａ）は摺動面の裏面側から見た斜視図、（ｂ）は摺動面側から見た斜視図である。 ＦＥＭ解析を実施した本発明品１を示した側面図である。 ＦＥＭ解析を実施した本発明品２を示した図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は裏面側から見た斜視図、（ｃ）は摺動面側から見た斜視図である。 ＦＥＭ解析を実施した比較品を示した図で、（ａ）は摺動面側から見た斜視図、（ｂ）は裏面側から見た斜視図である。 ＦＥＭ解析の結果を示す図である。 制動時、ブレーキディスクを固定するボルトに負荷される軸力の説明図である。 車軸に取り付けられたボスに締結される軸マウントディスクの説明図である。

符号の説明

１ ディスク
１ａ 内周部
１ｂ 外周部
１ｂａ 摺動面
１ｂｂ フィン
１ｃ つなぎ目部
１ｄ 溝

Claims (5)

1. 車軸又は車輪に締結され、片面より入熱されるブレーキディスクにおいて、
   前記締結される内周部と、摺動面を有する外周部の、つなぎ目部の剛性を低減させたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 前記剛性の低減は、内周部と外周部のつなぎ目部に溝を形成することにより行うことを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
3. 摺動面の裏面側にフィンを設けていることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
4. 前記フィンと車輪又は車軸に取り付けられたボスとの接触位置を、前記摺動面における半径方向の中心位置より内周側としたことを特徴とする請求項３記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
5. 前記フィンの半径方向の断面形状を矩形状となしたことを特徴とする請求項３又は４記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
   

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