JP4100297B2 - Brake disc for railway vehicles - Google Patents
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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、摺動面のうねりを抑制することを目的とするものである。 The present invention mainly relates to a brake disk for a railway vehicle (also simply referred to as “disk”), and an object thereof is to suppress the warpage of the disk and the undulation of the sliding surface.
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。 Block brakes, drum brakes, disc brakes, and the like are used as mechanical braking devices for railway vehicles, automobiles, and motorcycles. In recent years, disk brakes have been frequently used with increasing speed and size of vehicles.
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。 A disc brake has a structure in which a braking force is obtained by friction between a disc and a brake lining, and is usually fixed to an axle or a wheel by a bolt inserted into a mounting hole provided in an inner peripheral portion or a sliding surface of the disc. Yes. Then, the rotation of the axle or wheel is braked by braking the rotation of the disc, and as a result, the speed of the vehicle is controlled.
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。 By the way, in a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen, the rotational speed and inertial force at the time of a brake load are very large. Therefore, the temperature rise of the disk is remarkably larger than that of a disk for other automobiles and motorcycles. Therefore, the thermal strain accompanying the temperature rise becomes very large.
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。このディスクの反りは円周方向に不均一となり、特に取付孔が外周部に設けられているほどその傾向は強くなる。 The disk tends to expand due to this thermal strain, but the disk is restrained by the mounting hole, and deformation of the disk is restrained by contact with the wheel, so the disk is deformed to the opposite side of the wheel. (Hereinafter referred to as “warping”). This disc warpage becomes uneven in the circumferential direction, and the tendency becomes stronger as the mounting hole is provided in the outer peripheral portion.
図4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1の摺動面1aに押付けるが、ディスク1に破線で示したような反りが発生すると、ディスク1とライニングの接触が不均一になることから、摩擦特性(制動特性)が不安定になる。そして、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。 As shown in FIG. 4, when a brake is applied, the lining is pressed against the sliding surface 1a of the disk 1 as indicated by the white arrow. When the disk 1 warps as indicated by the broken line, the disk 1 Since the contact between the lining and the lining becomes uneven, the friction characteristic (braking characteristic) becomes unstable. When the amount of warpage of the disc exceeds a certain limit value, the disc cannot be used.
従って、実際に使用する場合には、ディスクの反り等を定期的に検査し、そり量やうねり量(ディスクにおける円周方向の最大反り量から最小反り量を減じた値)が規定値以上になった際にはディスクを交換する必要がある。 Therefore, in actual use, the warpage of the disk is regularly inspected, and the amount of warpage or waviness (the value obtained by subtracting the minimum warpage from the maximum warpage in the circumferential direction of the disk) exceeds the specified value. When this happens, you need to replace the disk.
このように、ディスクの変形は、制動特性が不均一になったり、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。 As described above, the deformation of the disk is not preferable from the viewpoint of economy because the braking characteristics become non-uniform or the life of the disk is shortened. Therefore, a technique for suppressing the deformation of the disk and extending the life of the disk is required. It has been.
そこで、ディスクの長寿命化等を図るため、例えば、ディスクを、摺動面を有する外リングとボルト取付部を有する内リングとに分割し、外リングに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のブレーキディスクがある。
しかしながら、外リングと内リングを嵌合させるためには、円周方向にある程度の隙間を設ける必要がある。この隙間が小さいと作業性が悪化する一方、大きいとガタが発生してブレーキの制動特性が不安定となり好ましくない。また、嵌合部にはブレーキの繰返しによる応力が発生するため、嵌合部に十分な耐久性が得られるように設計する必要がある。 However, in order to fit the outer ring and the inner ring, it is necessary to provide a certain gap in the circumferential direction. If this gap is small, the workability deteriorates. On the other hand, if this gap is large, rattling occurs and the braking characteristics of the brake become unstable. Further, since stress is generated in the fitting portion due to repeated braking, it is necessary to design the fitting portion so that sufficient durability is obtained.
本発明が解決しようとする問題点は、ブレーキ負荷により鉄道車両用ディスクに反りやうねりが生じる結果、制動特性が不安定になる等である。 The problem to be solved by the present invention is that the braking characteristic becomes unstable as a result of warping and undulation of the railcar disk due to the brake load.
本発明は、ディスクの形状を適正化することにより、ディスクの重量増加を可及的に抑制しつつディスクの反りやうねりを低減し、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、車軸または車輪に複数のボルトによって締結され、片面入熱される鉄道車両用ブレーキディスクであって、板厚を、ブレーキディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を、少なくとも一部分に備え、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを最も主要な特徴とする。ここで、薄肉部とは、周期的に変化させている板厚の最も厚い部分以外の領域をいい、最も好ましくは、周期的に変化している板厚の最も薄い部分を含んだ場所をいい、この薄肉部でボルトによる締結を行うと良い。 By optimizing the shape of the disk, the present invention reduces the warpage and undulation of the disk while suppressing the increase in the weight of the disk as much as possible, and makes it possible to make the braking characteristics uniform and extend the life of the disk. Therefore, a railroad vehicle brake disc that is fastened to a shaft or a wheel by a plurality of bolts and is heat-input on one side, and a portion whose thickness is periodically changed at equal intervals on the same circumference of the brake disc. The main feature is that the bolt is fastened at the thin portion of the plate thickness that is provided at least in part and periodically changed . Here, the thin-walled portion refers to a region other than the thickest portion of the plate thickness that is periodically changed, and most preferably a place including the thinnest portion of the plate thickness that is periodically changed. It is better to perform fastening with bolts at this thin portion.
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、車軸に締結される軸マウントディスクが挙げられる。
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。
As a brake disk used in a railway vehicle, there are a side disk fastened to a side surface of a wheel and a shaft mount disk fastened to an axle.
The present invention relates to both a side disk and a shaft mount disk. Hereinafter, in this specification, a brake disk (disk) refers to both a side disk and a shaft mount disk.
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、ディスクの板厚を、ディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を有し、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことで、ディスク重量の増加を可及的に抑制しながら、ディスクに発生する反りやうねりを効果的に低減できるという利点がある。 The brake disc for a railway vehicle of the present invention has a portion in which the thickness of the disc is periodically changed at equal intervals on the same circumference of the disc, and the thin thickness of the periodically changed plate thickness By fastening with bolts at the portion, there is an advantage that warpage and undulation generated in the disk can be effectively reduced while suppressing an increase in the disk weight as much as possible.
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やうねりが発生する場合があり、特に走行速度の速い車両ではその傾向が顕著であることは前述の通りである。 As described above, a single-sided heat input brake disk may warp or swell due to long-term use, and this tendency is particularly remarkable in a vehicle having a high traveling speed.
本発明者らはこのような反りやうねりについて、種々条件を変更して各種の実験や解析を行ったところ、前記反りやうねりが発生する場合でも、ディスクの内周部や、摺動面中央部のボルト締結位置の外周部では、締結の影響によって反りが比較的少なく、締結部と締結部の間では反り変形が比較的大きくなる傾向を有することを知見した。 The present inventors conducted various experiments and analyzes on such warpage and waviness while changing various conditions. Even when the warpage and waviness occurred, the inner periphery of the disk and the center of the sliding surface It has been found that the outer periphery of the bolt fastening position of the part has a relatively small warp due to the influence of fastening, and the warp deformation tends to be relatively large between the fastening part and the fastening part.
本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、従来のブレーキディスクに比べて重くなりすぎず、しかも、熱が加わっても従来のブレーキディスクに比べてひずみ難いようにするために、車軸または車輪に複数のボルトによって締結され、片面より入熱されるブレーキディスクであって、図1(a)〜(c)に示すように、その板厚を、ブレーキディスク11の同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を、当該同一円周上の少なくとも一部分に備え、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを特徴とするものである。
The present invention has been made on the basis of the above knowledge, in order not to become too heavy compared to the conventional brake disc, and to make it difficult to distort compared to the conventional brake disc even when heat is applied, A brake disc that is fastened to an axle or a wheel by a plurality of bolts and receives heat from one side, and its thickness is set on the same circumference of the
本発明において、締結部11aと締結部11aの間の繋ぎ部11bの板厚t1 は、従来ディスクに比べて厚くしすぎるとディスクの重量が重たくなりすぎる反面、従来ディスクとあまり変化がない場合には反りの抑制効果がない。従って、反りの抑制効果の観点から、前記板厚t1 は、図1(d)(e)に示すように、厚さが均一な従来ディスクと略同じ厚さを有する締結部11aの板厚t2 (すなわち薄肉部)の、1.2倍以上とするのが好ましい。さらに、前記板厚t1 を板厚t2 の1.5倍以上とすると、うねりの抑制効果も得られてより好ましいものとなる。なお、これらt1 /t2 の値の上限値はディスク重量が重くなりすぎない範囲で合理的に選択可能である。
In the present invention, if the plate thickness t1 of the connecting
また、本発明において、締結部11aの板厚t2に比べて締結部間の繋ぎ部11bの板厚t1を厚くすることから、摺動面11cの裏面11d側における締結部11aと繋ぎ部11bの連続部分の形状は、曲線状、直線状、階段状の何れのように変化させても良いが、制動時にディスクに発生する応力を考えると、曲線状若しくは直線状に変化させることが望ましい。図1は前記連続部分を直線状に変化させた例を示している。
Further, in the present invention, since the plate thickness t1 of the connecting
さらに、これらの周期的に厚さの変わる部分が、一つのユニットとして構成され、当該ブレーキディスクの同一円周上において、ユニットが不等間隔に配置されても良い。つまり、少なくとも同一円周上の一部分に、当該周期的厚さ変化部分が備えられていれば良い。但し、回転時のバランスはいかなる場合でも取れていなければならないことは言うまでもない。なお、ディスクの材質は、鋳鉄、鍛鋼、Al基複合材料、カーボン等どのような材質を使用しても良い。 Furthermore, these portions whose thickness changes periodically may be configured as one unit, and the units may be arranged at unequal intervals on the same circumference of the brake disc. That is, it suffices that at least a part on the same circumference is provided with the periodic thickness change part. However, it goes without saying that the balance at the time of rotation must be maintained in any case. The disc material may be any material such as cast iron, forged steel, Al-based composite material, or carbon.
本発明において、一番重要な点は、同一円周上で見たときに、等間隔で交互に存在する前記厚肉部と薄肉部があることである。従って、本発明において、ブレーキディスクを車輪に固定するためのボルトは、薄肉部内で、ボルトの位置が径方向や円周方向にずれて設けられていても良く、また、ボルトが締結されない薄肉部があっても良い。 In the present invention, the most important point is that there are the thick and thin portions alternately present at equal intervals when viewed on the same circumference. Therefore, in the present invention, the bolt for fixing the brake disc to the wheel may be provided in the thin portion with the bolt position shifted in the radial direction or the circumferential direction, and the thin portion where the bolt is not fastened. There may be.
つまり、必ずしもボルトが全ての薄肉部に取り付けられる必要はなく、また、必ずしもボルトが等間隔に取り付けられている必要もないが、ボルトの取り付け位置は、図1に示すように、等間隔に取り付けたり、点又は線対称位置に取り付ける方が、ひずみや応力に対しては有利であり、点対称位置に配置する方がより好ましいことは言うまでもない。さらに、前記の周期的厚さ変化部分が同一円周上全てに亘って等間隔に備えられているものが最も好ましいことは、バランス、応力分布、その他の条件を鑑みても言うまでもない。 In other words, the bolts do not necessarily have to be attached to all the thin-walled portions, and the bolts do not necessarily have to be attached at regular intervals, but the bolts are attached at regular intervals as shown in FIG. It is needless to say that mounting at a point or a line-symmetrical position is advantageous for strain and stress, and it is more preferable to place it at a point-symmetrical position. Furthermore, it is needless to say that it is most preferable that the periodic thickness changing portions are provided at equal intervals over the same circumference in consideration of balance, stress distribution, and other conditions.
特にブレーキディスクの径方向中央部でボルトを締結した場合、好ましくはボルトの軸中心がブレーキディスクの径方向中央位置となるように締結した場合には、ひずみも応力も均等に分散され、耐久性もより向上する。ここで、ブレーキディスクの径方向中央部とは、ブレーキディスクの外径と内径との差の幅に対して、幅を半分にした前記ブレーキディスク外径及び内径と同心円の円周上を中心にして、例えば締結されるボルト直径程度外径よりか、内径よりにあっても良いような、合理的に中央部付近にあると判断できる許容範囲をもつものとする。 In particular, when bolts are fastened at the center of the brake disk in the radial direction, preferably when the bolt is centered at the center of the brake disk in the radial direction, both strain and stress are evenly distributed, resulting in durability. Even better. Here, the central portion of the brake disc in the radial direction is centered on a circumference concentric with the outer diameter and inner diameter of the brake disc, which is half the width of the difference between the outer diameter and the inner diameter of the brake disc. For example, it is assumed that it has a permissible range that can be reasonably determined to be near the center portion, which may be approximately the outer diameter or the inner diameter of the bolt that is fastened.
図2は本発明の鉄道車両用ブレーキディスクを鉄道車輪の側面に締結した状態を示した模式的断面図である。
本発明のブレーキディスク11は、ボルト2で締結する部分(ボルト座)のみ、板厚を例えば従来のブレーキディスクと同じ厚さの18mmとし、その他の部分は、前記ボルト2による締結部分の板厚の例えば2倍の厚さ(36mm)になるように、ブレーキディスク11の同一円周上において等間隔で周期的に変化させている。そして、前記薄肉部における径方向中央部でボルト2によって車輪3に締結している。
Figure 2 is a schematic sectional view showing a state in which the brake disc for rail vehicles entered the side surface of the railway wheel of the present invention.
In the
上記のような本発明のブレーキディスクの効果を確認するために、本発明例のディスクを対象にFEM解析を実施した。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1/12(30°)をモデル化した。モデル化したディスクの摺動面の幅(図3における1の方向の長さ)は134mmである。 In order to confirm the effect of the brake disk of the present invention as described above, FEM analysis was performed on the disk of the present invention. In the FEM analysis, the material constants of forged steel currently used on the Shinkansen were used. In the finite element division, in consideration of symmetry, 1/12 (30 °) of the entire circumference was modeled. The width of the sliding surface of the modeled disk (length in the direction 1 in FIG. 3) is 134 mm.
下記表1及び図3にFEM解析モデルを示す。表1に示すように、板厚が18mmで一定である従来例に対して、本発明例では、締結部間の板厚を、締結部の板厚(18mm)の2倍の36mmとなるように、締結部に設けた取付孔の中心位置から繋ぎ部の中心位置まで直線状に漸増させた。両ブレーキディスクの重量は、本発明例で59.0kg、従来例で45.7kgである。なお、取付孔の位置は両者とも径方向(図3における1の方向)中央部で同じである。 The FEM analysis model is shown in Table 1 and FIG. As shown in Table 1, in contrast to the conventional example in which the plate thickness is constant at 18 mm, in the present invention example, the plate thickness between the fastening portions is set to 36 mm, which is twice the plate thickness (18 mm) of the fastening portions. Then, it was gradually increased linearly from the center position of the attachment hole provided in the fastening portion to the center position of the joint portion. The weights of both brake disks are 59.0 kg in the present invention example and 45.7 kg in the conventional example. Note that the positions of the mounting holes are the same in the central portion in the radial direction (direction 1 in FIG. 3).
FEM解析条件は、現在営業運転している車両速度よりも速い360km/hからの非常ブレーキ負荷相当とした。360km/hから非常ブレーキを負荷すると営業車両は約130秒後に停止することから、FEM解析ではブレーキ時間を130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。 The FEM analysis conditions were equivalent to an emergency brake load from 360 km / h, which is faster than the vehicle speed currently in commercial operation. When an emergency brake is applied from 360 km / h, the business vehicle stops after about 130 seconds, so the brake time was set to 130 seconds in the FEM analysis. Moreover, it was set as the conditions which load a brake repeatedly 3 times.
表2にFEM解析結果を示す。ブレーキディスクの最高温度は、従来例の637.8℃に対して本発明例では562.6℃と、約12%低下した。また、ブレーキディスクの最大反り量は、従来例の0.034mmに対して本発明例では0.025mmと、約26%改善された。また、最大反り量から最小反り量を減じたうねり量は、従来例の0.0039mmに対して本発明例では0.0030mmと、約23%改善された。 Table 2 shows the FEM analysis results. The maximum temperature of the brake disc decreased by about 12% to 562.6 ° C. in the example of the present invention compared to 637.8 ° C. in the conventional example. In addition, the maximum amount of warpage of the brake disk was improved by about 26% to 0.025 mm in the present invention example compared to 0.034 mm in the conventional example. The swell amount obtained by subtracting the minimum warp amount from the maximum warp amount was improved by about 23% to 0.0030 mm in the present invention example compared to 0.0039 mm in the conventional example.
上記の実施例では、ディスクの締結部の厚さを従来ディスクと同じ厚さとしたものについて説明したが、ディスク締結部の厚さは、従来ディスクの厚さよりも薄くしても良いことは言うまでもない。 In the above embodiment, the thickness of the fastening portion of the disk is the same as that of the conventional disk. However, it goes without saying that the thickness of the disk fastening portion may be smaller than the thickness of the conventional disk. .
以上のように、本発明のブレーキディスクは、鉄道車両や自動車及び自動二輪車等のブレーキディスク、特に高速走行する車両のブレーキディスクとして有用であり、特に安全性や長寿命化が求められる車両に適している。 As described above, the brake disc of the present invention is useful as a brake disc for railway vehicles, automobiles, motorcycles, etc., particularly for vehicles that run at high speed, and is particularly suitable for vehicles that require safety and long life. ing.
2 ボルト
3 車輪
11 ブレーキディスク
11a 締結部
11b 繋ぎ部
11c 摺動面
11d 裏面
2
Claims (4)
板厚を、ブレーキディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を有し、
この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。 Is fastened by a plurality of bolts to the axle or wheels, it met brake disc for rail vehicles which is heat input from one side,
It has a part where the plate thickness is periodically changed at equal intervals on the same circumference of the brake disc,
A brake disc for a railway vehicle, wherein fastening is performed by a bolt at a thin portion of the periodically changed plate thickness .
The brake disc for a railway vehicle according to any one of claims 1 to 3, wherein the fastening portion by the bolt is provided at a radial center portion of the brake disc.
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