JP2006258187A

JP2006258187A - 車両用ディスクブレーキ装置

Info

Publication number: JP2006258187A
Application number: JP2005076174A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Handa; 和行半田; Touru Miyauchi; 瞳畄宮内; Takanori Obara; 孝則小原
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2005-03-17
Filing date: 2005-03-17
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】ブレーキディスクの摩擦面における熱応力の発生が抑制され、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる車両用ディスクブレーキ装置を提供する。
【解決手段】車両用ブレーキディスクの片側面が摩擦面である車両用ディスクブレーキ装置において、摩擦面３Ａと締結面３Ｂが連絡部３Ｃを介して車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％〜５０％の距離だけ離れて設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用ディスクブレーキ装置に関するものである。

図９は従来の鉄道用車輪の側面に装着されるディスクブレーキの斜視図、図１０はそのディスクブレーキが装着・締結された車輪の断面図、図１１はその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（下記特許文献参照）。

これらの図において、１０１は車輪、１０２はその車輪１０１の車輪板部、１０３，１０４はその車輪板部１０２に装着されるブレーキディスク、１０５はボルト締結用の貫通穴部、１０６は締結ボルト、１０７はブレーキキャリパ、１０８はそのブレーキキャリパ１０７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。

かかる鉄道車両のディスクブレーキ装置は、専らブレーキ用に装備されたブレーキディスク１０３，１０４にブレーキパッド１０８を押し付けることにより、摩擦制動力を作用させる。

ブレーキディスク１０３，１０４は車輪１０１と同軸に車輪１０１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１０８との摩擦面（表面）である。ブレーキディスク１０３，１０４の車輪側は車輪板部１０２への装着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１０３，１０４の背面は車輪板部１０２と接触する場合と、車輪板部１０２との間に空隙を有する場合とがある。

図９に示すように、ブレーキディスク１０３，１０４に摩擦制動力を作用させるため、車輪１０１の全体を両側から挟む形でブレーキディスク１０３，１０４が装備される。この車輪１０１の両側に設置されたブレーキディスク１０３，１０４は、車輪１０１およびブレーキディスク１０３，１０４に設けられた複数の貫通穴１０５を通して締結ボルト１０６により車輪１０１に締結される。そして、図１１に示すブレーキキャリパ１０７に取付けられたブレーキパッド１０８が、図９に示すブレーキディスク１０３，１０４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１０８はブレーキディスク１０３，１０４の摩擦面を摩擦する。このとき、ブレーキディスク１０３，１０４の摩擦面は、ブレーキパッド１０８との摩擦により温度が上昇し、熱膨張することになる。
特願２００４−６５５３４号

上記したように、従来の車輪側面装着型ブレーキディスクは、摩擦面とほぼ同一平面上に摩擦面と連続して締結面が設けられ、この締結面に設けられた締結穴を用いて車輪に強固にボルト締結されている。そのためブレーキディスクの摩擦面の温度が上昇しても、締結面により熱膨張が物理的に拘束されている。このため、摩擦面に円周方向、半径方向共に大きな熱応力が発生することが避けられない。さらに、発生する熱応力が材質の降伏応力を上回ると、摩擦面において塑性変形が発生し、冷却時の収縮により摩擦面内部に残留応力が発生する。この残留応力はブレーキ負荷の繰り返しにより順次蓄積し、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、および締結ボルト損傷等の変状を生じる原因となる。

本発明は、上記状況に鑑みて、ブレーキディスクの摩擦面における熱応力の発生を抑制し、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる車両用ディスクブレーキ装置を提供することを目的とする。

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の片側面が摩擦面である車両用ディスクブレーキ装置において、摩擦面と締結面が連絡部を介して車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％から５０％の距離だけ離れて設けられていることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記ブレーキディスクが鉄道用車輪の側面に装着されることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記摩擦面が締結面に対して連絡部を介して車軸方向外側に離して配置されることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記締結面と摩擦面裏面が車軸方向ブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されていることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記摩擦面が締結面に対して連絡部を介して車軸方向内側に離して配置されることを特徴とする。

〔６〕上記〔５〕記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記締結面と摩擦面裏面が車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されていることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕から〔６〕記載の何れか一項記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記ブレーキディスクの、前記摩擦面に対して連絡部の中心線の成す角度が５度〜９０度であることを特徴とする。

本発明によれば、ブレーキディスクの摩擦面における熱応力の発生を抑制し、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる。

車両用ブレーキディスクの片側面が摩擦面である車両用ディスクブレーキ装置において、摩擦面と締結面が連絡部を介して車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％から５０％の距離だけ離れて設けられる。よって、ブレーキディスクの摩擦面における熱応力の発生が抑制され、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される車両用ディスクブレーキ装置の断面模式図、図２はその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、図３はその片側のブレーキディスクの断面模式図、図４はその片側のブレーキディスクの部分拡大断面図である。

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は冷却フィン、６はボルト締結用の貫通穴部、７は締結ボルト、８はブレーキキャリパ、９はブレーキパッドであり、ブレーキディスク３，４は摩擦面３Ａ，４Ａ、締結面３Ｂ，４Ｂおよび連絡部３Ｃ，４Ｃからなっている。

そして、ここでは、図２に示すような、ブレーキパッド９を備えるブレーキキャリパ８が設けられ、かかる車両用ディスクブレーキ装置は、専らブレーキ用に車輪１の側面に装備されたブレーキディスク３，４の摩擦面３Ａ，４Ａにブレーキパッド９を押し付けることにより、摩擦制動力を作用させる。

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９との摩擦面３Ａ，４Ａである。

この実施例では、摩擦面３Ａ，４Ａが締結面３Ｂ，４Ｂに対して連絡部３Ｃ，４Ｃを介して車軸方向外側に離れて配置されるようになっている。すなわち、ブレーキディスク３，４は中央が車輪１側に窪んだ形状となっており、車輪１の側面にブレーキディスク３，４を装着した際にできる車輪板部２と摩擦面３Ａ，４Ａの裏側との間の空隙にブレーキディスク３，４に一体化させた冷却用フィン５が設けられる。

このように、本発明では、ブレーキディスク３，４の形状を工夫した。

さらに、本発明の特徴点を図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。

これらの図に示すように、ブレーキディスク３は摩擦面３Ａ、締結面３Ｂおよび連絡部３Ｃからなっており、摩擦面３Ａは締結面３Ｂに対して、摩擦面３Ａと締結面３Ｂとの間の連絡部３Ｃを介して、車軸方向外側に、ブレーキディスク外周半径の３％〜５０％の距離だけ離れて設けられている。例えば、ブレーキディスク外周半径が３６０ｍｍの場合に、摩擦面３Ａの裏面と締結面３Ｂの表面との車輪１の車軸方向の距離（連絡部の車軸方向寸法ｘ）は１０．８〜１８０ｍｍとする。

図５は本発明の効果を示す、連絡部の車軸方向寸法のディスク外周半径比（％）と発生する熱応力（ＭＰａ）の特性図である。

図５は新幹線車両相当の時速３００ｋｍ／ｈで走行中の車両のブレーキ動作時において、摩擦面と締結面を結ぶ連絡部の車軸方向寸法を変化させた場合の、摩擦面内部に生じる熱応力の計算結果を示している。連絡部の車軸方向寸法がディスク外周半径の０％となるのは、摩擦面と締結面が同一平面上にある場合、すなわち、従来技術による場合である。この図５より、連絡部の車軸方向寸法を増大することで、熱応力が大幅に低減していることが明白である。特に、連絡部の車軸方向寸法をディスク外周半径の５％以上にしたときから熱応力は急激に低下し、連絡部の車軸方向寸法がディスク外周半径の２０％以上のときでは、従来技術である連絡部の車軸方向寸法がディスク外周半径の０％である場合と比較して熱応力が半分以下に低減していることが分かる。

このように、本発明によるブレーキディスクの内部熱応力低減の効果は明らかである。

上記の計算結果と、遠心力により連絡部に作用する応力および衝撃振動による繰返し応力に対する安全性を考慮すると、ディスクブレーキ装置において、摩擦面裏面が締結面に対して車軸方向外側にブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されるのが望ましい。

さらに、このディスクブレーキ装置において、成型・加工の容易性とボルト締結時の作業性を考慮すると、図４に示すように、ブレーキディスクの、摩擦面３Ａに対して連絡部３Ｃの中心線の成す角度θが５度〜９０度であるようにすることが望ましい。

図６は本発明の第２実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される車両用ディスクブレーキ装置の断面模式図、図７はその片側のブレーキディスクの断面模式図、図８はその片側のブレーキディスクの部分拡大断面図である。なお、ブレーキディスクに作用するブレーキキャリパは、上記した第１実施例の図１１と同様の構造である。

これらの図において、１１は車輪、１２はその車輪１１の車輪板部、１３，１４はその車輪板部１２に装着されるブレーキディスク、１５は冷却フィン、１６はボルト締結用の貫通穴部、１７は締結ボルトであり、ブレーキディスク１３，１４は摩擦面１３Ａ，１４Ａ、締結面１３Ｂ，１４Ｂおよび連絡部１３Ｃ，１４Ｃからなっている。

この実施例では、摩擦面１３Ａ，１４Ａが締結面１３Ｂ，１４Ｂに対して、連絡部１３Ｃ，１４Ｃを介して車軸方向内側に離れて配置されるようにしている。すなわち、ブレーキディスク１３，１４は、中央が反車輪側に隆起した形状となっており、車輪１１の側面にブレーキディスク１３，１４を装着した際にできる車輪板部１２と摩擦面１３Ａ，１４Ａの裏側との間の空隙にブレーキディスク１３，１４に一体化された冷却用ファン１５が設けられる。

また、締結面１３Ｂ裏面と摩擦面１３Ａ裏面の車軸方向の距離（連絡部の車軸方向寸法ｘ）は、ブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されることが望ましい。

さらに、このディスクブレーキ装置においても、図８に示すように、ブレーキディスクの、車軸を含む任意平面による切断面上で、前記摩擦面に対して連絡部の中心線の成す角度θが５度〜９０度であるようにすることが望ましい。

本発明によれば、車両用ブレーキディスクの片側面が摩擦面である車両用ブレーキディスク装置において、摩擦面と締結面が連絡部を介して車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％〜５０％の距離だけ離れて設けるようにしたので、このブレーキディスクは、摩擦面から車軸方向に適度な距離を空けてボルト締結面が設けられ、この締結面に設けられた締結穴を用いて車輪にボルト締結される。

したがって、本発明の車両用ディスクブレーキ装置では、摩擦面と締結面が同一面上になく適度な距離を有しているため、摩擦面と締結面を結ぶ連絡部において、部材が曲げ方向に弾性変形することが可能になる。この連絡部の曲げ弾性変形により、ブレーキ動作時のブレーキディスクの摩擦面の熱膨張が、締結面に拘束されることなく可能となる。これにより、摩擦面における熱応力の発生が抑制され、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる。

また、車両用ディスクの片側面が摩擦面側である車両用ブレーキディスク装置であるために、形状的に車輸側面に適合しやすい、摩擦面背面に冷却用フィンを設けやすい、車輪板部に設けられた締結用孔部により容易に締結可能である等の利点がある。さらに、ブレーキディスクが締結ボルトにより車輪と強固に接続され、車輪との間で変位や摺動が生じないため、構造的信頼性に優れている。

このように、本発明はブレーキディスクの形状を抜本的に変更することによって、ブレーキ動作時の摩擦面の熱膨張を可能とし、摩擦面の熱膨張が拘束されていることに起因する変状発生の可能性を解消する。

また、本発明のブレーキディスクでは、摩擦面を含む円盤形状部分と、その内周側にあって締結面を含む円盤形状部分とが、車軸方向に適度な寸法を有する連絡部を介して一体化されている。ブレーキ動作時の摩擦熱により摩擦面を含む円盤形状部分は熱膨張により半径方向に拡大し同時に円周方向にも拡大する。一方、締結面を含む円盤形状部分は車輪に対して強固にボルト締結されているため、寸法変化を生じることはない。ここで両者を結ぶ連絡部が車軸方向に適当な寸法を有しているため、連絡部の曲げ弾性変形により摩擦面を含む円盤形状部分の拡大を許容することができる。

これにより、摩擦面を含む円盤形状部分の内部に発生する熱応力は従来技術の場合と比較して大幅に低減することができるため、熱応力の発生と蓄積に起因する変状の発生を未然に防止することができる。

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いて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。

本発明の車両用ブレーキディスク装置は、ブレーキディスクの熱亀裂、熱変形、締結ボルト損傷等の変状の発生を未然に防止することができる車両用ブレーキ装置に利用可能である。

本発明の第１実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される車両用ディスクブレーキ装置の断面模式図である。本発明の第１実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される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。本発明の第１実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される片側のブレーキディスクの断面模式図である。本発明の第１実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される片側のブレーキディスクの部分拡大断面図である。本発明の効果を示す、連絡部の車軸方向寸法のディスク外周半径比（％）と発生する熱応力（ＭＰａ）の特性図である。本発明の第２実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される車両用ディスクブレーキ装置の断面模式図である。本発明の第２実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される片側のブレーキディスクの断面模式図である。本発明の第２実施例を示す鉄道用車輪の側面に装着される片側のブレーキディスクの部分拡大断面図である。従来の鉄道用車輪の側面に装着されるディスクブレーキの斜視図である。従来の鉄道用車輪の側面に装着されるディスクブレーキが装着・締結された車輪の断面図である。従来の鉄道用車輪の側面に装着される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。

符号の説明

１，１１車輪
２，１２車輪の車輪板部
３，４，１３，１４車輪板部に装着されるブレーキディスク
３Ａ，４Ａ，１３Ａ，１４Ａ摩擦面
３Ｂ，４Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ締結面
３Ｃ，４Ｃ，１３Ｃ，１４Ｃ連絡部
５，１５冷却フィン
６，１６ボルト締結用の貫通穴部
７，１７締結ボルト
８ブレーキキャリパ
９ブレーキパッド

Claims

車両用ブレーキディスクの片側面が摩擦面である車両用ディスクブレーキ装置において、
摩擦面と締結面が連絡部を介して車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％から５０％の距離だけ離れて設けられていることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項１記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記ブレーキディスクが鉄道用車輪の側面に装着されることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項１又は２記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記摩擦面が締結面に対して連絡部を介して車軸方向外側に離して配置されることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項３記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記締結面と摩擦面裏面が車軸方向ブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されていることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項１又は２記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記摩擦面が締結面に対して連絡部を介して車軸方向内側に離して配置されることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項５記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記締結面と摩擦面裏面が車軸方向にブレーキディスク外周半径の３％〜４５％の距離だけ離れて配置されていることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。
請求項１から６記載の何れか一項記載の車両用ディスクブレーキ装置において、前記ブレーキディスクの、前記摩擦面に対して連絡部の中心線の成す角度が５度〜９０度であることを特徴とする車両用ディスクブレーキ装置。