JP2005256858A - Brake disc for vehicle - Google Patents
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Description
本発明は、車両用ブレーキディスクに係り、特に、鉄道用車輪の側面に装着される車両用ブレーキディスクに関するものである。 The present invention relates to a vehicle brake disc, and more particularly to a vehicle brake disc mounted on a side surface of a railway wheel.
鉄道車両の機械的ブレーキ装置は、車輪の踏面に直接制輪子を作用させる踏面ブレーキ方式と、専らブレーキ用に装備されたブレーキディスクにブレーキパッド(ブレーキライニングともいう)を作用させるディスクブレーキ方式に分別される。 Railway vehicle mechanical brake devices are divided into a tread brake system that directly applies a brake to the tread surface of a wheel and a disc brake system that applies a brake pad (also called brake lining) to a brake disc that is exclusively equipped for braking. Is done.
新幹線電車をはじめとする高速車両ではブレーキ時の熱負荷が大きいことから主に後者が用いられる。 The latter is mainly used in high-speed vehicles such as Shinkansen trains because the heat load during braking is large.
ディスクブレーキ方式には、車軸上に車輪と独立したブレーキディスクを設置するものと、車輪側面にブレーキディスクを装着し車輪に締結するものとの2種類がある。車軸上に駆動装置等が装備されて空間的余裕の少ない電動車等では後者が用いられる。
現用ブレーキディスクは円周方向に分割されておらず、一体構造であるため、取付け時の位置決めが容易で、回転体としてのバランスに優れ、摺動面が連続平面であるため相手材との摩擦摩耗特性が良好である。また、ブレーキディスクの構造と締結方式が簡明であり、ブレーキディスク内部に接触摺動部分が存在しないことから、構造的信頼性に優れている。 The current brake disc is not divided in the circumferential direction and is an integral structure, so positioning at the time of mounting is easy, the balance as a rotating body is excellent, and the sliding surface is a continuous flat surface, so friction with the mating material Good wear characteristics. Also, the structure and fastening method of the brake disk are simple, and there is no contact sliding portion inside the brake disk, so that the structural reliability is excellent.
その一方で以下のような問題点がある。 On the other hand, there are the following problems.
ブレーキディスクは相応の厚みを有し、また背面への傾斜変形が車輪により物理的に拘束されている。このため、ブレーキ時の摩擦面側からの熱入力により著大な熱応力が発生し、この熱応力によりディスク摺動面側が圧縮塑性変形し、この変形分が冷却後に引張残留応力として内部に残留する。残留応力は繰り返しブレーキにより順次蓄積し、材質の引張強度を超えた場合にはブレーキディスクには熱亀裂が発生する。 The brake disc has a corresponding thickness, and the inclined deformation to the back is physically constrained by the wheels. For this reason, a significant thermal stress is generated by the heat input from the friction surface during braking, and this thermal stress causes compression plastic deformation of the disk sliding surface. To do. Residual stress accumulates sequentially due to repeated braking, and if the tensile strength of the material is exceeded, the brake disc will thermally crack.
また、残留応力の蓄積に伴いディスクの反り変形が生じブレーキライニングとの摺動摩擦状態を悪化させる他、締結ボルトへの負荷が増大しボルト損傷の原因となる。 In addition, the warp deformation of the disk is caused by the accumulation of residual stress, and the sliding friction state with the brake lining is deteriorated. In addition, the load on the fastening bolt is increased, which causes bolt damage.
このように、現用のブレーキディスクは、残留応力の蓄積に伴い相応の使用期間が経過した後には亀裂が発生する場合があり、また締結ボルトへの負荷増大が避けられない。 Thus, the current brake disc may crack after a corresponding period of use with the accumulation of residual stress, and an increase in load on the fastening bolt is inevitable.
ところで、現用のブレーキディスクでは、材質の強度および靱性を高く設定することで、繰り返し発生する熱応力に対して使用初期に熱亀裂やディスク変形が発生しないことを主眼としている。 By the way, the current brake disc is mainly intended to prevent thermal cracks and disc deformation at the initial stage of use against repeated thermal stress by setting the material strength and toughness high.
これに対して、本発明では、使用材質についての発想を転換し、使用時に発生する熱応力自体を低減し、熱亀裂・ディスク変形・締結ボルト損傷等の熱応力に起因する変状の発生を未然に抑止することができる、車両用ブレーキディスクを提供することを目的とする。 On the other hand, in the present invention, the concept of the material used is changed, the thermal stress itself generated during use is reduced, and the occurrence of deformation due to thermal stress such as thermal cracking, disk deformation, fastening bolt damage, etc. An object of the present invention is to provide a brake disc for a vehicle that can be restrained in advance.
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕車両用ブレーキディスクにおいて、低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材としたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] The vehicle brake disc is characterized in that a special alloy having a low thermal expansion coefficient is formed as an integral member.
〔2〕上記〔1〕記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記一体部材が鉄道用車輪の側面に装着されることを特徴とする。 [2] The vehicle brake disc according to [1], wherein the integrated member is mounted on a side surface of a railway wheel.
〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記特殊合金が、平均線膨張係数が、室温〜400℃の温度範囲で、9×10-6/℃以下であり、400℃〜800℃の任意の温度において、温度をT℃として(0.01T+5)/℃以下であることを特徴とする。 [3] In the vehicle brake disc according to the above [1] or [2], the special alloy has an average linear expansion coefficient of 9 × 10 −6 / ° C. or less in a temperature range of room temperature to 400 ° C. At an arbitrary temperature of 400 ° C. to 800 ° C., the temperature is set to T ° C. and is (0.01T + 5) / ° C. or less.
〔4〕上記〔3〕記載の車両用ブレーキディスクであって、前記特殊合金が、Feを母材とし25−40重量%のNi、もしくは25−40重量%のNiと3−20重量%のCoを配合したことを特徴とする。 [4] The vehicle brake disk according to [3], wherein the special alloy includes 25-40% by weight of Ni based on Fe, or 25-40% by weight of Ni and 3-20% by weight of Ni. It is characterized by containing Co.
〔5〕上記〔4〕記載の車両用ブレーキディスクであって、更に、Cr1−5重量%、Mn0.1−1重量%、Si0.05−1重量%、Al0.1−2重量%、Ti0.2−2重量%、Nb0.1−6重量%、Cu0.1−1重量%、C0.01−0.2重量%の一部または全部を配合したことを特徴とする。 [5] The vehicle brake disk according to [4], further comprising Cr 1-5 wt%, Mn 0.1-1 wt%, Si 0.05-1 wt%, Al 0.1-2 wt%, Ti0 .. 2-2% by weight, Nb 0.1-6% by weight, Cu 0.1-1% by weight, C 0.01-0.2% by weight, or a part or all of C0.01-0.2% by weight.
本発明によれば、主として鉄道用車輪の側面に装着して使用されるブレーキディスクにおいて、低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材として適用する。これにより、現用の合金鋼鍛造材一体構造ブレーキディスクと同等の作業性、摩擦摩耗特性、構造的信頼性を確保しつつ、発生熱応力の大幅な低減と亀裂発生の抑制および締結ボルト損傷の防止が可能となる。 According to the present invention, a special alloy having a low coefficient of thermal expansion is applied as an integral member in a brake disc that is mainly used by being mounted on a side surface of a railway wheel. As a result, while maintaining the same workability, friction and wear characteristics, and structural reliability as the brake steel integrated structure brake disc currently used, the generated thermal stress is greatly reduced, cracking is suppressed, and fastening bolt damage is prevented. Is possible.
ブレーキディスクの材質と設計について、従来と抜本的に異なる思想を導入した。現用材が、発生する熱応力に対抗できる材料強度を与える設計および材質としているのに対し、本発明では、現用材の長所を何ら失うことなく、発生する熱応力自体を低減させる材質および設計とする。熱応力解析の結果、材料定数としての熱膨張係数が通常の構造用金属材料と比較して極めて低い低熱膨張合金を使用することで発生熱応力、残留応力、ディスクの反り変形が著しく低減することが確認できた。本発明ではブレーキディスク材の材質に低熱膨張合金を適用することにより、発生熱応力自体が低減され、亀裂発生を抑制できる。また、円周方向に分割されておらず、一体構造の長所を発揮可能である。低熱膨張合金には多数の材質が存在するが、本発明の構造用低熱膨張合金は、強度・硬度・靱性・耐摩耗性に優れており、特に、耐熱性に極めて優れていることから、ブレーキディスク材質として好適である。以上より、本発明によれば、現用材と同等の作業性、摩擦摩耗特性、構造的信頼性を確保しつつ、抜本的な亀裂発生の抑制および締結ボルト損傷の防止が可能となる。 Introducing a fundamentally different philosophy of brake disc material and design. Whereas the current material has a design and material that gives material strength that can resist the generated thermal stress, the present invention has a material and design that reduces the generated thermal stress itself without losing any of the advantages of the current material. To do. As a result of thermal stress analysis, generated thermal stress, residual stress, and warpage deformation of the disk are remarkably reduced by using a low thermal expansion alloy whose coefficient of thermal expansion as material constant is extremely low compared with ordinary structural metal materials. Was confirmed. In the present invention, by applying a low thermal expansion alloy to the material of the brake disc material, the generated thermal stress itself is reduced, and the generation of cracks can be suppressed. Moreover, it is not divided | segmented into the circumferential direction, and can demonstrate the advantage of an integral structure. There are many materials for low thermal expansion alloys, but the structural low thermal expansion alloys of the present invention are excellent in strength, hardness, toughness, and wear resistance, and are particularly excellent in heat resistance. It is suitable as a disk material. As described above, according to the present invention, it is possible to suppress drastic cracking and prevent fastening bolt damage while ensuring workability, friction and wear characteristics, and structural reliability equivalent to those of current materials.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
図1は本発明にかかる鉄道用車輪の側面に装着されるブレーキディスクの斜視図、図2はブレーキディスクが装着・締結された車輪の断面図、図3はブレーキディスクに作用するブレーキキャリパの模式図である。 1 is a perspective view of a brake disc mounted on a side surface of a railway wheel according to the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a wheel on which a brake disc is mounted and fastened, and FIG. 3 is a schematic diagram of a brake caliper acting on the brake disc. FIG.
これらの図において、1は車輪、2はその車輪1の車輪板部、3,4はその車輪板部2に装着されるブレーキディスク、5はボルト締結用の貫通穴部、6は締結ボルト、7はブレーキキャリパ、8はそのブレーキキャリパ7に設けられるブレーキパッド(ブレーキライニングとも言う)である。
In these drawings, 1 is a wheel, 2 is a wheel plate portion of the
本発明にかかる鉄道車両の機械ブレーキ装置は、専らブレーキ用に装備されたブレーキディスク3,4にブレーキパッド8を押し付けることにより、摩擦制動力を作用させる。
The railroad vehicle mechanical brake device according to the present invention applies a friction braking force by pressing the
ブレーキディスク3,4は車輪1と同軸に車輪1の両側に各1枚ずつ設けられ、反車輪側がブレーキパッド8との摩擦面(表面)である。ブレーキディスク3,4の車輪側は車輪板部2への設置に適合した形状であり、冷却用フィン等の形状が設けられる場合がある。ブレーキディスク3,4の背面は車輪板部2と接触する場合と、車輪板部2との間に空隙を有する場合とがある。
The
図2に示すように、ブレーキディスク3,4に摩擦制動力を作用させるため、車輪1の全体を両側から挟む形でブレーキディスク3,4が装備される。この車輪1の両側に設置されたブレーキディスク3,4は、車輪1およびブレーキディスク3,4に設けられた複数の貫通穴5を通して締結ボルト6により車輪1に締結される。そして、図3に示すブレーキキャリパ7に取付けられたブレーキパッド8が、図2に示すブレーキディスク3,4の摩擦面に押し付けられ制動力を作用させる。ブレーキパッド8はブレーキディスク3,4の摩擦面のみを摩擦する。
As shown in FIG. 2, in order to apply a frictional braking force to the
次に、本発明に適用可能な低熱膨張合金の公称合金組成(単位:重量%)を表1に示す。 Next, the nominal alloy composition (unit: wt%) of the low thermal expansion alloy applicable to the present invention is shown in Table 1.
これらの低熱膨張合金のほかに、本発明では、以下の組成からなる特殊合金が適用できる。 In addition to these low thermal expansion alloys, special alloys having the following compositions can be applied in the present invention.
(1)Feを母材とし25−40重量%のNi、もしくは25−40重量%のNiと3−20重量%のCoを配合した特殊合金。 (1) Special alloy in which Fe is used as a base material and 25-40 wt% Ni or 25-40 wt% Ni and 3-20 wt% Co are blended.
(2)また、上記(1)の合金組成に、更に、Cr1−5重量%、Mn0.1−1重量%、Si0.05−1重量%、Al0.1−2重量%、Ti0.2−2重量%、Nb0.1−6重量%、Cu0.1−1重量%、C0.01−0.2重量%の一部または全部を配合した特殊合金。 (2) Further, in addition to the alloy composition of (1) above, Cr 1-5 wt%, Mn 0.1-1 wt%, Si 0.05-1 wt%, Al 0.1-2 wt%, Ti 0.2- A special alloy containing a part or all of 2% by weight, Nb 0.1-6% by weight, Cu 0.1-1% by weight, and C0.01-0.2% by weight.
次に、ブレーキディスク材の平均線膨張係数の温度特性について説明する。 Next, the temperature characteristics of the average linear expansion coefficient of the brake disc material will be described.
図4はブレーキディスク材の平均線膨張係数の温度特性図であり、横軸は温度(℃)、縦軸は平均線膨張係数(10-6/℃)を示している。 FIG. 4 is a temperature characteristic diagram of the average linear expansion coefficient of the brake disc material, in which the horizontal axis indicates temperature (° C.) and the vertical axis indicates the average linear expansion coefficient (10 −6 / ° C.).
現用のブレーキディスクにはSNCM鋼が用いられており、そのSNCM鋼(図中c)では平均線膨張係数が室温で12×10-6/℃程度であるのに対し、本発明にかかる低熱膨張合金〔例えばIncoloy(登録商標)909(図中a)、HRA929(図中b)等〕では8×10-6/℃以下である。このように、室温〜800℃の温度範囲全域で平均線膨張係数が大きく異なっており、本発明の低熱膨張合金の場合は現用技術のSNCM鋼に比べて平均線膨張係数が2/3と小さいことがわかる。 SNCM steel is used for the current brake disc. The SNCM steel (c in the figure) has an average linear expansion coefficient of about 12 × 10 −6 / ° C. at room temperature, whereas the low thermal expansion according to the present invention. In alloys (for example, Incoloy (registered trademark) 909 (a in the figure), HRA929 (b in the figure), etc.), the temperature is 8 × 10 −6 / ° C. or less. Thus, the average linear expansion coefficient is greatly different in the entire temperature range from room temperature to 800 ° C., and in the case of the low thermal expansion alloy of the present invention, the average linear expansion coefficient is as small as 2/3 as compared with SNCM steel of the current technology. I understand that.
本発明では、この低熱膨張係数を有する特殊合金をブレーキディスク材として用いる。 In the present invention, this special alloy having a low thermal expansion coefficient is used as a brake disc material.
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.
本発明の車両用ブレーキディスクは、鉄道用車輪の側面に装着される車両用ブレーキディスクとして好適である。 The vehicle brake disc of the present invention is suitable as a vehicle brake disc mounted on a side surface of a railway wheel.
1 車輪
2 車輪板部
3,4 ブレーキディスク
5 貫通穴部
6 締結ボルト
7 ブレーキキャリパ
8 ブレーキパッド(ブレーキライニング)
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