JP2020159542A - ブレーキディスク - Google Patents

Abstract

【課題】制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を低減できるようにする。【解決手段】表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部１ａと、板部１ａの裏面に互いに間隔を空けて放射状に延びるように突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔２ａに締結用ボルト２１を挿通して車輪２０に締結される複数のボルト締結用フィン部２とを設ける。ボルト締結用フィン部２を、ボルト挿通孔２ａの半径方向内側又は半径方向外側において車輪２０の当接面との間に応力回避用隙間５を形成する。【選択図】図３

Description

本発明は、鉄道車両などの車両に用いるブレーキディスクに関し、特に、制動中の摩擦熱によって、その締結用ボルトに生じる応力を低減する技術に関する。

鉄道車両、自動車などの制動に用いられるディスクブレーキは、車軸や車輪とともに回転するブレーキディスクにブレーキパッドを押し付けて制動力を発生させ、これにより車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御することが知られている。

新幹線などの高速鉄道車両は、高速化が推進されて時速３００ｋｍを超える速度での運転が行われている。

特許文献１のブレーキディスクでは、締結部と非締結部の合計体積の比を規定し、一部にひずみが集中するのを防いで、反りやうねりを抑制するようにしている。

特許文献２では、ブレーキディスクの内外周における車輪との接触位置と締結孔との位置関係を適正化することにより、ボルトへの曲げ負荷を低減し、ボルトの耐久性を確保するようにしている。

また、特許文献３のブレーキディスクでは、その表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部と、この円板部の裏面に放射状に突設された複数の放射状フィン部と、円板部及び放射状フィン部を貫通するボルト孔とを設け、ボルト孔に挿通されたボルトによる締結により、放射状フィン部が車輪の板部に圧接した状態で円板部が車輪に取り付けられるようにしている。この放射状フィン部には、ボルト孔を間に挟む径方向の内周側の領域と外周側の領域に、円周方向に沿って溝を形成することにより、制動時の冷却性能を向上させブレーキディスクの耐久性を向上させるようにしている。

特開２００５−３２１０９１号公報 特開２００６−９８６２号公報 特許第５９２４４１３号公報

例えば、特許文献１〜３のようなブレーキディスクによれば、高速走行状態から非常ブレーキをかける場合においては、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形、及びそれによる締結用ボルトへの応力負荷が増大する傾向にある。

このように、ブレーキディスクでは、発生する熱応力に対処する方法が明記されているが、締結用ボルトに発生する応力を更に低減することでボルトの耐久性を向上させることができる。

本発明は、上記の問題に着目し、制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を更に低減できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明では、摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を抑制するようにした。

具体的には、第１の発明では、
表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部と、
上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に延びるように突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結用ボルトを挿通して車輪に締結される複数のボルト締結用フィン部とを備え、
上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において上記車輪の当接面との間に応力回避用隙間が形成されている。

すなわち、摩擦熱によってブレーキディスクは車輪と反対側へ膨らむように変形しようとするので、車輪の当接面との接触点を起点にして締結用ボルトを引っ張る方向に応力が加わる。しかし、上記の構成によると、ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において車輪の当接面との間に応力回避用隙間を意図的に確保しているので、ブレーキディスクが摩擦熱によって変形しても、この応力回避用隙間のある部分は、ボルト貫通孔に近い部分しか車輪に当接せず、締結用ボルトに対して引っ張り荷重を加える力を発生させにくくなる。このため、締結用ボルトの耐久性が向上する。

第２の発明では、第１の発明において、
上記板部の裏面に上記複数のボルト締結用フィン部の間に間隔を空けて放射状に延びるように突設され、上記車輪の当接面に対して半径方向略全体が当接する複数の放射状フィン部を更に備えている。

上記の構成によると、放射状フィン部によって締結用ボルトに負担をかけずに車輪の当接面との間の面圧等を確保しやすく、放熱効果も向上させやすい。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の中心から半径方向内側に２０ｍｍ以上３５ｍｍ以下に端部が配置され、又は、半径方向外側に１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下に端部が配置されている。

上記の構成によると、最適な範囲に応力回避用隙間を設けることで、従来のように半径方向全体でボルト締結用フィン部が車輪に当接する場合に比べ、適切に締結用ボルトに加わる応力を低減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ボルト締結用フィン部におけるボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において車輪の当接面との間に応力回避用隙間を形成したことにより、制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を低減できる。

図４のＩ部拡大正面図である。 本発明の実施形態に係るブレーキディスクが締結された車輪を示す正面図である。 図２のIII−III線断面図である。 本発明の実施形態に係るブレーキディスクの裏面を示す背面図である。 ボルト締結用フィン部の内周側先端位置を変化させたときの実施例１と比較例１に係る締結用ボルトに加わる応力の解析結果を示す表である。 ボルト締結用フィン部の内周側先端位置が３５ｍｍのときの実施例２と比較例２の締結用ボルトに加わる応力の実測値を示す表である。 ボルト締結用フィン部の外周側先端位置を変化させたときの実施例３と比較例３に係る締結用ボルトに加わる応力の解析結果を示す表である。 本発明の実施例３に係る図１相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図４は、本発明の実施形態に係る鉄道車両用のブレーキディスク１を示し、このブレーキディスク１は、鉄道車両の車輪２０の円板部２０ａの表裏両面に、例えば締結用ボルトとしての締結用ボルト２１と締結用ナット２２とによってそれぞれ着脱可能に取り付けられるものである。ブレーキディスク１は、例えば、鋳鋼よりなる。

ブレーキディスク１は、表面側（外側面側）を摺動面とする、中央に円形開口が設けられたドーナツ形板状の板部１ａを備えている。この板部１ａの裏面（内側面）には、互いに間隔を空けて複数のボルト締結用フィン部２が一体に突設されている。各ボルト締結用フィン部２の長手方向中間に設けたボルト挿通孔２ａに締結用ボルト２１を挿通して締結することで、ブレーキディスク１が車輪２０に締結されるようになっている。本実施形態では、３０°ずつ間隔を空けて合計１２本のボルト締結用フィン部２が設けられている。なお、この本数は、１２本に必ずしも限定されず、多くても少なくてもよい。

本実施形態では、一対のボルト締結用フィン部２の間に例えば１本ずつ、合計１２本の放射状フィン部３が放射状に延びるように円板部２０ａに一体に突設されている。放射状フィン部３の太さは、ボルト締結用フィン部２の太さと同等としているが、ボルト締結用フィン部よりも細くても太くてもよい。また、その本数は本実施形態に必ずしも限定されず、多くても少なくてもよく、放射状フィン部３は無くてもよい。なお、放射状フィン部３があると、締結用ボルト２１に負担をかけずに車輪２０の当接面との間の面圧等を確保しやすく、放熱効果も向上させやすい。

なお、板部１ａの裏面には、ボルト締結用フィン部２の円周方向両側に所定の傾斜角度をもって傾斜フィン部をそれぞれ突設してもよい。

そして、一対のブレーキディスク１は、図３に示すように、車輪２０の円板部２０ａを、その厚さ方向両側から挟み込んだ状態で、ボルト挿通孔２ａに挿通した締結用ボルト２１に締結用ナット２２を締結することで、車輪２０に脱着可能に固定されるようになっている。

本実施形態では、図１に拡大して示すように、この車輪２０に固定した状態で、ボルト締結用フィン部２を、ボルト挿通孔２ａの半径方向内側において車輪２０の当接面との間に応力回避用隙間５を形成するようにしている。

図３に拡大して示すように、内周側先端位置ｘ１よりも内側に設けた応力回避用隙間５においては、ボルト締結用フィン部２は、円板部２０ａに一切当接していない。

すなわち、摩擦熱によってブレーキディスク１は車輪２０と反対側へ膨らむように変形しようとするので、車輪２０の円板部２０ａの当接面との接触点を起点にして締結用ボルト２１を引っ張る方向に応力が加わる。

しかし、本実施形態では、図３に拡大して示したように、ボルト挿通孔２ａの半径方向内側において円板部２０ａの当接面との間に応力回避用隙間５を意図的に確保しているので、ブレーキディスク１が摩擦熱によって変形しても、この応力回避用隙間５のある部分は、ボルト貫通孔２ａに近い部分しか車輪に当接せず、締結用ボルト２１に対して引っ張り荷重を加える力を発生させにくくなる。このため、締結用ボルト２１の耐久性が向上する。

−実施例１−
上記実施形態のブレーキディスク１で、車輪径８６０ｍｍ、ブレーキディスク１の外径７２０ｍｍを実施例１として想定する。実施例１では、内周側先端位置ｘ１をｘ１＝１５ｍｍ〜４０ｍｍとして応力回避用隙間５を設ける場合を想定した。

比較例１として、同じサイズで、ボルト締結用フィン部２も放射状フィン部３と同様に半径方向略全体で車輪２０の円板部２０ａの当接面に当接するブレーキディスク１０１を想定する。締結用ボルト２１は軸部直径１６ｍｍのものを用い、初期締付として３７０ＭＰａを付与した条件で解析を実行した。

これらの実施例１及び比較例１を有する車両が速度３００ｋｍ／ｈから非常ブレーキを１回制動させたときに締結用ボルト２１に発生するときに得られる応力を有限要素法で解析した結果を図５に示す。

図５における「最大」とは、制動時にボルトに発生する最大応力を表し、「変動応力」とは制動時に締結用ボルトに発生した応力振幅を示す。

この解析結果では、内周側先端位置ｘ１が特にｘ１＝２０ｍｍ〜３５ｍｍの場合に比較例１と比べて最大応力及び変動応力が３．５％以上低減されることが判明した。

−実施例２−
実施例２としては、上記実施例１と同じサイズのブレーキディスク１，１０１を用い、解析ではなく、実物大のブレーキディスク１，１０１である実施例２及び比較例２を用いて内周側先端位置ｘ１＝３５ｍｍの場合についてベンチ試験を行った。その結果を図６に示す。

図６を見てわかるように、ベンチ試験においても解析と同様に最大応力及び変動応力について削減効果があることがわかった。

−実施例３−
実施例３としては、上記実施形態とは異なり、図８に示すようにボルト締結用フィン部２’の半径方向外側のｘ３＝１５ｍｍ〜４０ｍｍに端部を設けて応力回避用隙間５’を形成したブレーキディスク１’について解析を行った。

具体的には、車輪径８６０ｍｍ、ブレーキディスク１の外径７２０ｍｍで、外周側先端位置ｘ３を変更したものを実施例３として想定した。比較例１と同様のブレーキディスクを比較例３として比較した結果を図７に示す。

図７に示すように、ｘ３＝１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下で比較例３と比べて最大応力及び変動応力が３．５％以上低減されることが判明した。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

例えば、実施例１及び２では、半径方向内側にのみ応力回避用隙間５を形成し、実施例３では、半径方向外側にのみ応力回避用隙間５’を形成したが、半径方向内側及び外側に応力回避用隙間５，５’を形成してもよい。

１ ブレーキディスク
１ａ 板部
２，２’ ボルト締結用フィン部
２ａ ボルト挿通孔
３ 放射状フィン部
５，５’ 応力回避用隙間
２０ 車輪
２０ａ 円板部
２１ 締結用ボルト
２２ 締結用ナット

Claims (3)

1. 表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部と、
   上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に延びるように突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結用ボルトを挿通して車輪に締結される複数のボルト締結用フィン部とを備え、
   上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において上記車輪の当接面との間に応力回避用隙間が形成されている
   ことを特徴とするブレーキディスク。
2. 請求項１のブレーキディスクにおいて、
   上記板部の裏面に上記複数のボルト締結用フィン部の間に間隔を空けて放射状に延びるように突設され、上記車輪の当接面に対して半径方向略全体が当接する複数の放射状フィン部を更に備えている
   ことを特徴とするブレーキディスク。
3. 請求項１又は２のブレーキディスクにおいて、
   上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の中心から半径方向内側に２０ｍｍ以上３５ｍｍ以下に端部が配置され、又は、半径方向外側に１５ｍｍ以上３５ｍｍ以下に端部が配置されている
   ことを特徴とするブレーキディスク。

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