JP2007205428A - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Abstract

【課題】時速３００kmを超える高速走行時に発生する空力音を効果的に低減する。
【解決手段】摺動部となる板部１ａの裏面にフィン部１ｂが形成され、摺動部に車輪２との締結部を備えた鉄道車両用ブレーキディスク１である。車輪２との締結時に、車輪２とブレーキディスク１とで形成される空間Ｓの断面積最小部分Ｓ１を、車輪２の板部２ａとブレーキディスク１の板部１ａ裏面およびフィン部１ｂとの間で、円周方向に形成する。この形成した断面積最小部分の総和が１８０００mm²以下となるように、フィン部１ｂと、フィン部１ｂ同士の連結部１ｃを形成する。
【効果】摺動面締結型の鉄道車両用ブレーキディスクにおいても、時速３００kmを超える高速走行時に発生する空力音を効果的に低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道車両用ブレーキディスク、特に摺動部で車輪と締結する鉄道車両用ブレーキディスクに関するもので、時速３００kmを超える高速走行時にブレーキディスクから発生する騒音を極力低減可能な鉄道車両用ブレーキディスクに関するものである。

鉄道車両に代表される陸上輸送機械の制動装置には、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、車両の高速化や大型化に伴い、ディスクブレーキの使用が増加してきている。

ディスクブレーキとは、ブレーキ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装置である。通常、ボルトにより車軸または車輪に取り付けたドーナツ形の円盤状ディスクの摺動面に、ブレーキライニングを押し付けることにより制動力を得、車軸または車輪の回転を制動して車両の速度を制御する。

ところで、近年、新幹線などの高速鉄道車両では、さらなる高速化が進められており、時速３００kmを超える速度での運転が求められてきている。このような高速化のためには、車両の重量の低減が必要となってきている。このため、従来の内周締結型のブレーキディスクのように締結のためだけの構造部分が無く、重量の軽減が可能な、摺動部で車輪と締結する摺動部締結型のブレーキディスクが求められている。

従来は、このような摺動部で車輪と締結するブレーキディスクは、制動中の摩擦による発熱によるそりなどの変形を低減する目的で、被締結部材に設けた凸部と嵌合する凹部をブレーキディスクの締結面に設けたり（特許文献１）、締結部と非締結部の合計体積の比を規定したり（特許文献２）する方法で設計されていた。
特開２００１−３１１４４１号公報 特開２００５−３２１０９１号公報

ところで、ブレーキディスクは、車輪とともに高速回転している。この回転によりブレーキディスク周辺の空気は内周側から吸い込まれ、外周側に放出される。このため、ブレーキディスクの裏面には高速な空気の流れが生じることになる。

この空気の流れは、ブレーキディスクの冷却のために重要な役割を果たしているが、前述した時速３００kmを超えるような速度域においては、ブレーキディスクの冷却だけでなく、高速な空気の流れに伴う騒音が発生する。

本発明では、以降、この騒音を「空力音」と称するが、時速３００kmを超える高速走行時には、この空力音が大きくなるという問題が生じる。なお、このような問題は、従来は全く考慮されていなかった。

本発明が解決しようとする問題点は、摺動部締結型のブレーキディスクでは、時速３００kmを超える高速走行時には、空力音による騒音が大きくなるという点である。

発明者らは、摺動部締結型のブレーキディスクを装着した車輪を対象として、時速３００kmを超える高速走行状態で種々実験を重ねた。その結果、空気の流路となる、車輪と、ブレーキディスクの板部裏面およびフィン部との間に形成される空間における、円周方向の断面積最小部分の総和（以下、「最小断面積値」と言う。）を極力小さくすることにより、この空力音を低減可能であることを見出した。

図６および図７は、発明者らが行った実験結果の一例を示したものである。
このうち図６は、前記の最小断面積値が０mm²（比較例１）の場合と、最小断面積値が２１６００mm²（比較例２）の場合の１／３オクターブバンド分析結果を比較したものである。なお、実験は、直径が８６０mmの車輪を、周速が時速３００kmとなるように回転させて測定した結果である。

この図６を見ると、中心周波数が５００Hz〜２０００Hz付近で、比較例２は比較例１よりも騒音レベルが大きくなっていることが分かる。この周波数帯域の騒音が空力音である。

また、中心周波数が３１５０Hzの場合には、比較例１、比較例２ともに騒音レベルが大きくなっているが、この周波数帯域の騒音は車輪から放射されている騒音であり、空力音ではない。

また、図７はオーバーオール騒音レベルと速度の関係を示した図である。
この図７を見ると、最小断面積値が小さいほどオーバーオール騒音レベルが小さくなっていることは明らかである。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、発明者らの前記実験による知見に基づいてなされたものであり、
摺動面締結型の鉄道車両用ブレーキディスクにおいて、時速３００kmを超える高速走行時に発生する空力音を効果的に低減するために、
摺動部となる板部の裏面にフィン部が形成され、前記摺動部に車輪との締結部を備えた鉄道車両用ブレーキディスクであって、
車輪との締結時に、
車輪とブレーキディスクとで形成される空間の断面積最小部分が、
車輪の板部とブレーキディスクの板部裏面およびフィン部との間で円周方向に、或いは、車輪のリム部内周側とブレーキディスクの板部外周側との間で、車輪との締結時の縦断面方向に形成され、
この形成された断面積最小部分の総和（最小断面積値）が１８０００mm²以下となるように、
前記フィン部と、フィン部同士の連結部を形成、或いは、ブレーキディスクの板部外周径を決定したことを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクにおいて、円周方向に形成する前記断面積最小部分の断面積は、必ずしも円周方向の各位置において均等である必要はないが、制動中の摩擦による発熱に起因するディスクの変形抑制の点を考えると、均等とすることが望ましい。

また、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクでは、車輪の板部と、ブレーキディスクの板部裏面およびフィン部との間に形成される空間における、円周方向の断面積最小部分の位置は、必ずしも同一円周上に存在しなくても良い。異なる円周上に前記断面積最小部分がある場合は、これら異なる円周上にある断面積最小部分の断面積の総和が最小断面積値となる。

本発明では、空気の流路となるブレーキディスクと車輪とで形成される空間部分の最小断面積値を適正な値に規定するので、摺動部締結型の鉄道車両用ブレーキディスクにおいても、時速３００kmを超える高速走行時に発生する空力音を効果的に低減することができるという利点がある。

以下、本発明を実施するための各種の形態と共に、最良の形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１〜図４は、車輪２の板部２ａにボルトとナット３によって取付けた本発明の鉄道車両用ブレーキディスク１の要部説明図である。これら図１〜図４に示すように、ブレーキディスク１の板部１ａとフィン部１ｂ、さらに車輪２の板部２ａに囲まれた部分には空間Ｓが存在する。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスク１は、板部１ａとフィン部１ｂおよび車輪２の板部２ａとで形成される空間Ｓにおける断面積最小部分Ｓ１の断面積の総和（最小断面積値）を適正な値、すなわち１８０００mm²以下となるように規定することで、摺動部締結型のブレーキディスク１における前記高速走行時の空力音を低減しようとしている。

本発明において、最小断面積値を１８０００mm²以下となるように規定するのは、発明者らの実験結果に基づくもので、１８０００mm²を超えると、中心周波数が５００Hz〜２０００Hzの周波数帯域の空力音が、３５０km／h未満の速度域で発生する車輪２の騒音レベルよりも小さくならないからである。

本発明では、最小断面積値の下限は特に限定されないが、発明者らの実験によれば、５０００mm²以上とすることが望ましい。５０００mm²未満の場合、前記周波数帯域の空力音は低減できるものの、ブレーキディスクの冷却能が劣って、制動による発熱に伴うそりなどの変形が起こり易くなるからである。

板部１ａとフィン部１ｂおよび車輪２の板部２ａとで形成される空間Ｓにおける断面積最小部分Ｓ１の一例として、図１では、円周方向に隣り合うフィン部１ｂにおける半径方向の中間部にフィン部１ｂ同士の連結部１ｃを設けて、円周方向の各位置において同一断面積の断面積最小部分Ｓ１を形成するものを示している。

また、図２では、円周方向に隣り合うフィン部１ｂにおける半径方向の最内周側に連結部１ｃを設けて、円周方向に同一断面積の断面積最小部分Ｓ１を形成するものを、図３では、円周方向に隣り合うフィン部１ｂにおける半径方向の最外周側に連結部１ｃを設けて、円周方向に同一断面積の断面積最小部分Ｓ１を形成するものを示している。

また、図４では、ブレーキディスク１の板部１ａの外周側と、車輪２のリム部２ｂの内周側との間の、車輪２との締結時の縦断面方向（図４（ｃ）に示す方向）に、円周方向の各位置において同一断面積の断面積最小部分Ｓ１を形成するものを示している。
このように、本発明の鉄道車両用ブレーキディスク１では、断面積最小部分Ｓ１の位置は特に限定されない。

また、断面積最小部分Ｓ１の位置は、必ずしも同一円周上に存在しなくても良い。従って、異なる円周上に断面積最小部分Ｓ１がある場合は、これら異なる円周上にある断面積最小部分Ｓ１の断面積の総和が最小断面積値となる。

ちなみに、図１に示したブレーキディスク１を装着した車輪２（車輪の直径は８６０mm）を、図５に示す「転動音試験機」に設置して試験した。この「転動音試験機」は、試験を行う車輪２を軸受４によって回転が自在なように支持させ、油圧ジャッキ５により軌条輪６に押し付けた後、軌条輪６をモータ７で回転させることにより、車輪２を回転させるものである。この転動音試験機では、速度は軌条輪６の周速で表現し、モータ７の回転数と軌条輪６の直径（本実施例では９１０mm）から求められ、モータ７の回転数がおよそ１７５０rpmのときに周速は３００km／hとなる。

測定は、車輪２から３００mm離した位置に精密騒音計８を設置し、車輪２の回転中に車輪２から発生する騒音を測定した。なお、精密騒音計８の補正はＦＬＡＴ（聴感補正を加えない状態）特性で、動特性はＦＡＳＴとした。

試験速度は、軌条輪６の周速が２００km／h〜３６０km／hの間を１０km／h間隔に設定した。精密騒音計８による測定後、周波数分析器９で周波数分析を行い、Ａ特性補正（図９参照）を加えた後、１／３オクターブバンド処理を行い、周波数特性およびオーバーオール値を評価した。

下記表１に試験を実施したブレーキディスクの前記空間部分の最小断面積値と、その位置を比較例と共に示す。実施例１〜実施例３は、裏面に設けたフィン間の前記空間部分の断面積の最小値部分を最内周側に配置したもの（図２参照）、実施例４は最外周側に配置したもの（図３参照）である。

図６は時速３００kmでの１／３オクターブバンド分析結果を示した図である。この図６から、実施例１〜実施例４ともに、空力音の周波数帯域である５００Hz〜２０００Hzの騒音レベルを低減できていることが分かる。さらに前記空間部分の最小断面積値が小さいものほど、この周波数帯域の騒音レベルが小さくなっていることも分かる。

一方、３１５０Hz帯域の騒音は車輪の騒音であるが、その騒音レベルは前記空間部分の最小断面積値と関係なくほぼ一定のレベルになっており、さらに、空力音の周波数帯域の騒音レベルよりも大きくなっている。

また、図７はオーバーオール騒音レベルと速度の関係を示した図である。図７より、速度の増加とともに騒音レベルは大きくなっているが、同一速度で見た場合には、前記空間部分の最小断面積値が小さいほど騒音レベルが小さくなっていることが分かる。

また、時速３００kmの場合はその前後の速度よりも騒音レベルが大きく、前記空間部分の最小断面積値に関係なくほぼ一定のレベルになっていることが分かる。これは、前述した１／３オクターブバンド分析の結果とあわせて考えると、この速度域では、空力音よりも車輪の騒音のほうが大きくなっているためである。

図８は、各実施例のオーバーオール騒音レベルを全速度域で算術平均した値と、比較例２のオーバーオール騒音レベルを全速度域で算術平均した値との差と、前記空間部分の最小断面積値の関係を示した図である。

この図８から、前記空間部分の最小断面積値と騒音レベル差の間には明確な相関があり、前記空間部分の最小断面積値を小さくすればするほど騒音レベルが低くなっていることが分かる。また、前記空間部分の断面積の最小値となる部分を配置する位置にはあまり影響を受けていないことも分かる。

但し、最高速度が３５０km／h以上での走行における空力音を、少なくとも３５０km／h未満の速度域で発生する車輪の騒音レベルよりも小さくすることが望ましい。このため、前記空間部分の最小断面積値は、最大でも実施例４程度となるように確保することが望ましく、従って、本発明では１８０００mm²以下としている。

さらに、空力音は空気を流さなければ発生しないため、前記空間部分の最小断面積値を０にすればよいことになるが、ブレーキディスクとして十分機能するためには、冷却する必要がある。このため、前記空間部分の最小断面積値は、従来の内周締結型ブレーキディスクの最小値である５０００mm²以上は確保することが望ましい。

図８によりブレーキディスクの空力音性能を設計することが可能であるが、低騒音のみがブレーキディスクに求められる性能ではなく、重量や熱容量、反りなどの要求項目をあわせることにより、低騒音の摺動面締結型ブレーキディスクを設計することが可能となる。

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。

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。

フィン間の半径方向中央部に最小断面積部分を有する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの要部説明図で、（ａ）は円周の１／４を側面から見た図、（ｂ）は（ａ）の断面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 フィン間の半径方向最内周側に最小断面積部分を有する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの図１と同様の図である。 フィン間の半径方向最外周側に最小断面積部分を有する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの図１と同様の図である。 ブレーキディスク板部外周側と車輪リム内周側との間に最小断面積部分を有する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの図１と同様の図である。 転動音試験機の要部説明図である。 時速３００kmでの１／３オクターブバンド分析結果を示す図である。 オーバーオール騒音レベルと速度の関係を示した図である。 平均オーバーオール騒音レベル差と最小断面積の関係を示した図である。 Ａ特性補正曲線を示した図である。

符号の説明

１ ブレーキディスク
１ａ 板部
１ｂ フィン部
１ｃ 連結部
２ 車輪
２ａ 板部
２ｂ リム部
Ｓ 空間
Ｓ１ 断面積最小部分

Claims (4)

1. 摺動部となる板部の裏面にフィン部が形成され、前記摺動部に車輪との締結部を備えた鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   車輪との締結時に、
   車輪とブレーキディスクとで形成される空間の断面積最小部分が、車輪の板部とブレーキディスクの板部裏面およびフィン部との間で、円周方向に形成され、
   この形成された断面積最小部分の総和が１８０００mm²以下となるように、
   前記フィン部と、フィン部同士の連結部を形成したことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 摺動部となる板部の裏面にフィン部が形成され、前記摺動部に車輪との締結部を備えた鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   車輪との締結時に、
   車輪とブレーキディスクとで形成される空間の断面積最小部分が、車輪のリム部内周側とブレーキディスクの板部外周側との間で、車輪との締結時の縦断面方向に形成され、
   この形成された断面積最小部分の総和が１８０００mm²以下となるように、
   ブレーキディスクの板部外周径を決定したことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
3. 円周方向に形成する前記断面積最小部分の断面積が、円周方向の各位置において均等であることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
4. 前記断面積最小部分の総和が５０００mm²以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
   

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