JP4168512B2

JP4168512B2 - Wheels with brake discs for railway vehicles

Info

Publication number: JP4168512B2
Application number: JP04486099A
Authority: JP
Inventors: 篤司坂口; 泰三牧野; 三幸山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: JP2000240696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクを備えた車輪に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。近年、車両の高速化、大型化にともないディスクブレーキが多用されるようになってきた。ディスクブレーキは、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構造をもっており、通常、ブレーキディスクはボルトにより車軸または車輪に取り付けられている。
【０００３】
鉄道車両に使用されているブレーキディスクとしては、側ディスク、軸マウントディスクがあげられる。側ディスクとは、車輪の側面に締結されるブレーキディスクのことであり、軸マウントディスクとは車軸に締結されるブレーキディスクのことである。本発明は、側ディスクに関するものである。
【０００４】
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、他の自動車用または自動二輪車用と比較してディスクの温度上昇は著しく大きい。そのため、温度上昇に伴う熱ひずみも非常に大きくなる。この熱ひずみが拘束されていると、熱応力が増大してブレーキディスクは塑性変形し、これが繰返されるとき裂が発生し、破断に至るおそれもある。また、ブレーキディスクと車輪を締結しているボルトには、車輪体と締結することによる引張応力の他に、ブレーキ負荷時のトルクを拘束することにより繰返し発生する曲げ・せん断応力が負荷される。これらの繰返し応力によりボルトが疲労破壊する可能性もある。
【０００５】
上記の繰返しの熱応力・引張応力、曲げ・せん断応力によるボルトやディスクの破損を抑制するため、例えば、特開平１０−３１８３０４号公報には、ブレーキディスクをブレーキパッドとの摺動面を有する外リングと、車輪体とのボルト取付け部を有する内リングとで構成し、両者を嵌合一体化して車輪体に締結する構造のブレーキディスクが開示されている。内リングに高強度材を使用し、内外リングを分離して、両者の間に生じる熱応力や熱ひずみを緩衝することにより、ボルトおよびボルト穴近傍に集中的に発生する応力を緩和できるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３１８３０４号公報に記載のブレーキディスクでは、キー溝により内リングと外リングとを嵌合させている。このキー溝部にはブレーキ負荷時の制動トルクおよびディスクと車輪とを締結するための引っ張り応力が負荷される。そのため、キー溝部よりき裂が発生する恐れがある。
【０００７】
本発明の課題は、鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪のブレーキディスク形状および車輪体との締結方法を改善することにより、ブレーキディスクおよび締結ボルトを長寿命化することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１は鉄道車両用のブレーキディスク付き車輪の部分断面図である。同図において、符号１は車輪体、２は車軸、３はブレーキディスク、４は摺動面、５はリム、６は車輪体ウェブ部、７は車輪のボルト穴、８はブレーキディスクのボルト穴、９はブレーキディスクを車輪に締結するボルト、１０はナット、１１はブレーキディスク付き車輪である。
【０００９】
摺動面の面積を確保するため、通常ボルト９はブレーキディスク３の内周側に配置される。ボルト９が内周側に配置されると、大径のボルトは使用できず、ボルト本数をあまり多くはできない。従って、ボルトには大きな応力が負荷される。前述のようにブレーキ負荷時に繰返し応力が負荷されるのでボルトの寿命は疲労強度に支配される。
【００１０】
発明者らは、ボルトに負荷される応力を低減すれば、寿命を延ばすことができるとの着想のもと、ブレーキディスクの負荷を車輪体ウェブ部に直接伝達する方法として、ブレーキディスクと車輪体ウェブ部とが互いに噛み合う構造を検討した。その結果、ブレーキディスクに凸部、車輪体ウェブ部にはこの凸部と嵌合する溝を設ける構造を想到した。前記凸部の形状は任意であるが、最も効率的に力を伝達できるのは、ブレーキディスク中心から放射状に延びた形状である。
【００１１】
一方、車輪体ウェブ部に溝を設けることによってその強度が低下するが、車輪体ウェブ部の両側面の溝を表裏でずらせることによって、強度低下を最小限にできることに想到した。
【００１２】
上記の知見に基づいて完成した本発明の要旨は以下の（１）〜（２）にある。
（１）車輪体とその車輪体ウェブ部の両側面に締結されたブレーキディスクとを備えた鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪であって、ブレーキディスクは、ブレーキパッドが当接する摺動面の内周側に環状に設けられる複数の締結ボルトにより車輪体に締結され、かつ車輪体ウェブ部の面と接する面であって複数の締結ボルトの環状の配置位置の外周にブレーキディスクの中心から放射状に伸びて設けられる複数の凸部を有し、車輪体ウェブ部の両面には前記複数の凸部と嵌合する複数の溝部を有することを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪。
【００１３】
（２）車輪体ウェブ部の両側面に設けられた複数の溝部が車輪体ウェブ部の表裏で交互に配置されていることを特徴とする前記（１）項に記載の鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は本発明のブレーキディスク付き車輪の一例を示す概要図であり、同図(a) は部分正面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図(c) は同図(a) のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。同図において、図１と同一要素は同一符号で示し、符号１２（１２ａおよび１２ｂを含む）はブレーキディスクに設けられた凸部、１３（１３ａおよび１３ｂを含む）は車輪体ウェブ部に設けられた溝部である。同図において、ブレーキディスクの凸部は車軸を中心に放射状に延びている。車輪体ウェブ部６の内側（同図において右側）には溝部１３ａが設けられ、外側（同左側）には溝部１３ｂが設けられている。一方、内側のブレーキディスクの、摺動面４の反対側（背面）には凸部１２ａ、外側ブレーキディスクの背面には凸部１２ｂが設けられている。これらの凸部と溝部は互いに嵌合している。
【００１５】
図２の例では車輪体ウェブ部６の両面の溝部１３ａおよび１３ｂは同じ位置に設けられている。この構造の場合、溝部１３ａと１３ｂとは貫通した穴として機械加工を簡略化してもよい。
【００１６】
図３は本発明のブレーキディスク付き車輪の他の一例を示す概要図であり、同図(a) は部分正面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ｂ矢視部分断面図、同図(c) は同図(a) のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。同図において、図１、図２と同一要素は同一符号で示す。
【００１７】
同図の車輪体ウェブ部６の両面の溝部１３ａおよび１３ｂは両面に交互に配置されている。
【００１８】
図２のように、車輪体ウェブ部の両側の同じ位置に溝部１３ａ、１３ｂが設けられている場合、この部分の車輪体ウェブ部の厚さが薄くなるため、強度は図３の例にくらべて若干劣るおそれがある。
【００１９】
図４は本発明に係るブレーキディスクの凸部の形状を示す概要図である。図２、図３と同一要素は同一符号で示す。同図は図２または図３の凸部１２ａ、または１２ｂの一つを拡大したものである。
【００２０】
図５は本発明のブレーキディスクつき車輪の他の例を示す部分正面図である。図２、図３と同一要素は同一符号で示す。図２〜４において、凸部の形状は扇形としているが、図５のように長方形としてもよく、機械加工等が容易な形状を選ぶことができる。
【００２１】
図４において、凸部の高さＨ_pが低いと回転方向の拘束力が小さく、またディスクが変形した場合に拘束力がなくなること、高すぎるとこれと対応する溝部の深さが深くなり、車輪体ウェブ部の厚さが小さくなる。新幹線等に用いられる車輪体の径９００〜１２００ｍｍ程度ものでは、この凸部高さは、５ｍｍ〜１０ｍｍ（車輪体の径に対して０．５〜１．５％）の範囲にするのが良い。
【００２２】
凸部の幅Ｗ_Pについては、図４のような扇面形状凸部の場合、最小幅Ｗ_Pminを基準に考えるが、凸部の最小幅Ｗ_Pminは小さすぎると凸部の強度が小さく、ブレーキ負荷時に凸部が変形・破損する可能性がある。Ｗ_Pminが大きすぎると車輪体ウェブ部の溝部幅が大きくなり、車輪体ウェブ部の強度が低下することから、Ｗ_Pminは３０〜１００ｍｍ（車輪体の径に対して２．５〜１２％程度）の範囲にするのがよい。さらには４０〜８０ｍｍ（同３．３〜７％程度）にするのが望ましい。図５のように、凸部が長方形であれば、上記の検討はＷ_Pmin＝Ｗ_Pmaxとして扱うことができる。
【００２３】
図４の凸部の長さＬ_pは、短かすぎると回転方向の拘束力が低下することから、５０ｍｍ以上（車輪径に対して４％以上）とするのが良い。さらには８０ｍｍ以上（同８％以上）とするのが望ましい。また、応力集中を避けるため図４の凸部１２周囲のエッジ部１４、コーナー部１５には０．３〜２．０ｍｍの面取りを施すのが望ましい。
【００２４】
前記凸部に対応する車輪体ウェブ部の溝部の深さＨ_V（図示せず。以下、図４には溝部寸法を図示していない）は、ブレーキディスクの凸部の高さに対応するため、Ｈ_V＞Ｈ_Pとする必要があるが、車輪体ウェブ部の厚さを確保するため、Ｈ_VとＨ_Pとはできるだけ近いことが望ましい。加工精度を考慮すると、Ｈ_V−Ｈ_Pは０．３〜１．０程度とするのが好ましい。溝部の幅Ｗ_Vは凸部の形状に合わせ、かつ溝部と凸部が嵌合するためには、例えば図４の扇形の直線部のそれぞれ対応する部分でＷ_V＞Ｗ_Pとする必要があるが、このときの溝部の最大幅Ｗ_Vmxnは隣接する溝部との間隔が５０ｍｍ以上（車輪体径に対して４％以上）、さらには８０ｍｍ以上（同６．５％以上）になるように設定するのが望ましい。
【００２５】
ブレーキ負荷時には凸部の片側の側面と溝部の側面とが接触し、その面圧によって、ブレーキ制動力を分担することになるため、幅Ｗ_Pと溝部の幅Ｗ_Vはできるだけ近いことが望ましい。即ち、凸部と溝部のギャップ（（Ｗ_V−Ｗ_P／２）ができるだけ小さいことが望ましい。しかし、加工精度の問題およびブレーキディスクと車輪体ウェブ部を組み立てるときの嵌合の容易さ、および焼き付き等を考慮するとこのギャップは大きい方がよい。従って、これらを考慮して凸部と溝部のギャップは、０．１〜０．７ｍｍ程度とするのが望ましく、さらには０．２〜０．５ｍｍとするのが望ましい。
【００２６】
溝部の長さＬ_Vは、凸部と溝部が嵌合するため、凸部の長さＬ_Pに対して、Ｌ_V＞Ｌ_Pとしなければならない。図４において、ブレーキディスクの中心から凸部の外周側端部までの距離をｒ_Po、凸部の内周側端部までの距離をｒ_Piとし、これに対応した車輪体の中心から車輪体ウェブ部の溝の外周端部までの距離（図示せず）をｒ_Vo、内周端部までの距離をｒ_Viとするとき、Ｌ_V＞Ｌ_Pの関係は（ｒ_Vo−ｒ_Vi）＞（ｒ_Po−ｒ_Pi）になる。さらに、ブレーキディスクがブレーキ負荷時の摩擦により高温になって膨張するため、（ｒ_Vo−ｒ_Po）、すなわち、外周側の半径方向のギャップを、０．５〜２．０ｍｍとするのが望ましい。内周側の半径方向のギャップ（ｒ_Pi−ｒ_Vi）は、ブレーキディスクの熱膨張によって拡大するため、特に限定しないが、０．１〜０．５ｍｍ程度とするのが望ましい。なお、図２または図３から明らかなように、ｒ_Voは車輪体ウェブ部の外径より大きくはできず、ｒ_Viは車輪体ウェブ部の内径より小さくはできない。
【００２７】
ブレーキディスクの凸部の数は、４〜１６が望ましい。
ブレーキディスクは一体型のものでもよいし、周方向に２〜４分割した構造のものでもよい。
【００２８】
【実施例】
表１に、ブレーキ試験を実施したブレーキディスク付き車輪の一覧を示す。試作した車輪体およびブレーキディスクは図５に示す形状のように、ブレーキディスクの凸部の形状は長方形であり、車輪体ウェブ部の溝部は表裏で同じ位置に配置されたものである。ブレーキディスクの材料には新幹線車両で使用されている鍛鋼材を使用した。なお、ブレーキディスクの外径は７８０ｍｍ、摺動面の幅は１２５ｍｍである。
【００２９】
【表１】

【００３０】
車輪Ｎｏ．１〜３は本発明に係るものである。表１に示すように、凸部の寸法のみを変化させた。また、凸部にはそれぞれＣ１（ｍｍ）の面取り加工を施した。
【００３１】
比較例の車輪Ｎｏ．４として、図１に示す現状の鉄道車両に使用されている形状のブレーキディスク付き車輪を試作した。車輪Ｎｏ．４のブレーキディスクの外径と摺動面の幅は、本発明例と同様である。
【００３２】
比較例の車輪Ｎｏ．５として、特開平１０−３１８３０４号公報に記載されたブレーキディスクを、車輪Ｎｏ．１〜４と同一の外径および摺動面幅としたものを車輪体に装備してブレーキディスク付き車輪を試作した。
【００３３】
上記５種類の車輪を用いて実体ブレーキ試験を実施した。試験条件は１００ｋｍ／ｈからのブレーキ負荷相当とした。この時ブレーキディスク温度は約１００℃まで上昇する。その後ブレーキディスク温度が５０度以下になるまで冷却した後、再度ブレーキを負荷した。このブレーキ負荷を繰返し１００回行った。
表２に試験結果を示す。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表２に示すように、摩擦係数に関しては、本発明例の車輪Ｎｏ．１〜３では、平均値、変動幅とも比較例の車輪Ｎｏ．４とほぼ同じレベルであり、適用可能であることがわかった。一方比較例の車輪Ｎｏ．５では、他の車輪と比較して、摩擦係数の平均値は低く、変動幅は大きくなっている。これは、車輪Ｎｏ．５のブレーキディスクでは摺動部とフランジ部が分離しており、ブレーキ負荷時に内リングと外リングとの間でのすべりあるいはガタツキがあるものと思われる。ボルトに発生する応力を比較すると、車輪Ｎｏ．１〜３では比較例の車輪Ｎｏ．４〜５より応力の変動幅が小さくなっており、ブレーキディスクと車輪のはめ合わせにより回転方向へ拘束していることによりボルトへの負荷が低減されている。
【００３６】
上記の試験結果より、比較例の車輪Ｎｏ．４〜５より本発明例の車輪１〜３の方が優れていることがわかった。
【００３７】
（実施例２）
次に、本発明例の車輪Ｎｏ．１〜３を用いて、３００ｋｍ／ｈからの試験を行った。３００ｋｍ／ｈからブレーキを負荷するとブレーキディスク温度は最高で約６００℃まで上昇する。ブレーキ負荷後ブレーキディスク温度が５０℃以下になるまで冷却し、再度ブレーキを負荷した。このブレーキ試験を繰返し１００回行った。
【００３８】
試験後のブレーキディスクを観察するとすべての車輪のブレーキディスクが変形（摺動面側へのそり）していた。また、車輪Ｎｏ．２では凸部の基部に微細なき裂が発生し、凸部が回転方向に変形していた。表３にブレーキ負荷時の摩擦係数、ボルトに発生する応力を示す。
【００３９】
【表３】

【００４０】
３種車輪の摩擦係数を比較すると、摩擦係数の平均値、変動幅とも大きな差はなかった。ボルトに発生する応力を比較すると、車輪Ｎｏ．１ではボルトに発生する応力の変動幅が小さくなっており、ボルトはより長寿命になると考えられる。これは、ブレーキディスク凸部と車輪体溝部のはめ合い部で制動力の大部分を分担し、ボルトは車輪体ウェブ部の厚さ方向の拘束のみを負担しているため、従来の締結方法と比較してボルトへの負荷が低減したためと思われる。また、車輪Ｎｏ．２および３では、車輪Ｎｏ．１と比較して、ボルトに発生する応力は高くなった。これは、ブレーキ負荷回数の増加にともないブレーキディスクと車輪のはめ合い部の形状が変化し、回転方向の拘束効果が低下したことが原因と思われる。
【００４１】
上記のブレーキ試験の結果より、車輪Ｎｏ．１の形状が最も優れていることが判明した。
【００４２】
（実施例３）
次にブレーキディスクの材質を鍛鋼よりＡｌ複合材に変更して上記と同様のブレーキ試験を実施した。なお、使用したＡｌ複合材ブレーキディスクは、鋳造により製造されたものであり、試作した形状は車輪Ｎｏ．１、車輪Ｎｏ．４および車輪Ｎｏ．５と同じである。それぞれを車輪Ｎｏ．６（本発明例）および車輪Ｎｏ．７〜８（比較例）とする。試験条件は前記鍛鋼ブレーキディスクの場合と同様に３００ｋｍ／ｈからの非常ブレーキ相当である。試験結果を表４に示す。
【００４３】
【表４】

【００４４】
車輪Ｎｏ．７では、ブレーキ負荷を１０回繰返したところボルト穴よりき裂が発生し破断した。また、車輪Ｎｏ．８では、ボルト穴のき裂は発生しなかったが、ボルトに負荷される応力を低減することはできなかった。また、摩擦係数が安定しておらず、実用化するには難しいことがわかった。一方、本発明に係る車輪Ｎｏ．６では、ボルト穴のき裂は発生しなかった。また、摩擦特性も比較的安定しており、本発明はＡｌ複合材のブレーキディスクにも十分適用可能であることがわかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のブレーキディスク付き車輪により、ブレーキディスクに発生する応力集中を低減し、かつ締結ボルトへの負荷も低減することが可能で、ブレーキディスクおよびボルトを長寿命化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄道車両用のブレーキディスク付き車輪の部分断面図である。
【図２】本発明のブレーキディスク付き車輪の一例を示す概要図であり、同図（ａ）は部分正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。
【図３】本発明のブレーキディスク付き車輪の他の一例を示す概要図であり、同図（ａ）は部分正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ｂ矢視部分断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。
【図４】本発明に係るブレーキディスクの凸部の形状を示す概要図である。
【図５】本発明のブレーキディスクつき車輪の他の例を示す部分正面図である。
【符号の説明】
１：車輪体
２：車軸
３：ブレーキディスク
４：摺動面
５：リム
６：車輪体ウェブ部
７：車輪のボルト穴
８：ブレーキディスクのボルト穴
９：ボルト
１０：ナット
１１：ブレーキディスク付き車輪
１２、１２ａ、１２ｂ：凸部
１３、１３ａ、１３ｂ：溝部
１４：エッジ部
１５：コーナー部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wheel provided with a brake disk for a railway vehicle.
[0002]
[Prior art]
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 as the speed and size of vehicles increase. A disc brake has a structure that obtains a braking force by friction between a brake disc and a brake lining, and the brake disc is usually attached to an axle or a wheel by bolts.
[0003]
Brake discs used in railway vehicles include side discs and shaft mount discs. The side disc is a brake disc fastened to the side surface of the wheel, and the shaft mount disc is a brake disc fastened to the axle. The present invention relates to a side disk.
[0004]
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 significantly larger than that for other automobiles or motorcycles. Therefore, the thermal strain accompanying the temperature rise becomes very large. When this thermal strain is constrained, the thermal stress increases and the brake disk is plastically deformed. When this is repeated, a crack is generated, which may lead to a break. In addition to the tensile stress caused by fastening with the wheel body, the bolt that fastens the brake disc and the wheel is loaded with bending / shear stress that is repeatedly generated by restraining the torque during braking. These repeated stresses may cause the bolts to fatigue.
[0005]
In order to suppress damage to bolts and disks due to the above-mentioned repeated thermal stress / tensile stress and bending / shear stress, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-318304 discloses an external brake disk having a sliding surface with a brake pad. There is disclosed a brake disk having a structure in which a ring and an inner ring having a bolt attachment portion with a wheel body are fitted and integrated together and fastened to the wheel body. By using a high-strength material for the inner ring, separating the inner and outer rings and buffering the thermal stress and thermal strain generated between them, it is said that stress generated in the vicinity of bolts and bolt holes can be alleviated. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the brake disc described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-318304, the inner ring and the outer ring are fitted by a key groove. The key groove portion is loaded with a braking torque at the time of a brake load and a tensile stress for fastening the disc and the wheel. Therefore, a crack may occur from the key groove.
[0007]
An object of the present invention is to extend the life of a brake disc and a fastening bolt by improving the brake disc shape of a wheel with a brake disc for a railway vehicle and a fastening method with a wheel body.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a wheel with a brake disk for a railway vehicle . In the figure, reference numeral 1 is a wheel body, 2 is an axle, 3 is a brake disk, 4 is a sliding surface, 5 is a rim, 6 is a wheel body web part, 7 is a wheel bolt hole, and 8 is a brake disk bolt hole. , 9 is a bolt for fastening the brake disc to the wheel, 10 is a nut, and 11 is a wheel with a brake disc.
[0009]
In order to ensure the area of the sliding surface, the bolt 9 is usually arranged on the inner peripheral side of the brake disk 3. When the bolt 9 is arranged on the inner peripheral side, a large-diameter bolt cannot be used, and the number of bolts cannot be increased too much. Therefore, a large stress is applied to the bolt. As described above, since the repeated stress is applied when the brake is applied, the life of the bolt is governed by the fatigue strength.
[0010]
Based on the idea that the life can be extended if the stress applied to the bolts is reduced, the inventors have developed a brake disk and a wheel body as a method of directly transmitting the load of the brake disk to the wheel body web portion. The structure in which the web part meshes with each other was examined. As a result, a structure has been conceived in which the brake disk is provided with a convex portion and the wheel body web portion is provided with a groove fitted to the convex portion. The shape of the convex portion is arbitrary, but the shape that can transmit force most efficiently is a shape extending radially from the center of the brake disc.
[0011]
On the other hand, the strength of the wheel body web portion is reduced by providing the grooves, but it has been conceived that the strength reduction can be minimized by shifting the grooves on both sides of the wheel body web portion on the front and back sides.
[0012]
The gist of the present invention completed based on the above findings is the following (1) to (2).
(1) A wheel with a brake disc for a railway vehicle comprising a wheel body and brake discs fastened to both side surfaces of the wheel body web portion, the brake disc having an inner periphery of a sliding surface against which a brake pad abuts A surface that is fastened to the wheel body by a plurality of fastening bolts that are annularly provided on the side and that is in contact with the surface of the wheel body web portion , and radially extends from the center of the brake disc to the outer periphery of the annular arrangement position of the plurality of fastening bolts a plurality of protrusions that provided Te, the brake wheel with discs for rail vehicles, characterized in that on both sides with a plurality of grooves for mating with the plurality of convex portions of the wheel assembly web portion.
[0013]
(2) A plurality of groove portions provided on both side surfaces of the wheel body web portion are alternately arranged on the front and back sides of the wheel body web portion. Wheel.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a wheel with a brake disk according to the present invention. FIG. 2 (a) is a partial front view, FIG. 2 (b) is a partial cross-sectional view taken along the line OA in FIG. FIG. 5C is a partial cross-sectional view taken along the line O-C in FIG. 1, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, reference numeral 12 (including 12a and 12b) is a convex portion provided on the brake disc, and 13 (including 13a and 13b) is provided on the wheel body web portion. It is a groove part. In the figure, the convex part of the brake disc extends radially around the axle. A groove portion 13a is provided on the inner side (right side in the figure) of the wheel body web portion 6, and a groove portion 13b is provided on the outer side (the left side). On the other hand, a convex portion 12a is provided on the opposite side (back surface) of the sliding surface 4 of the inner brake disc, and a convex portion 12b is provided on the rear surface of the outer brake disc. These convex portions and groove portions are fitted to each other.
[0015]
In the example of FIG. 2, the

groove portions

13a and 13b on both surfaces of the wheel body web portion 6 are provided at the same position. In the case of this structure, the

grooves

13a and 13b may be machined as a through hole.
[0016]
FIG. 3 is a schematic view showing another example of a wheel with a brake disk according to the present invention. FIG. 3 (a) is a partial front view, and FIG. 3 (b) is a partial cross-sectional view taken along the line OA in FIG. FIG. 2B is a partial cross-sectional view taken along the line OB in FIG. 1A, and FIG. 1C is a partial cross-sectional view taken along the line O-C in FIG. In the figure, the same elements as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.
[0017]
The

groove portions

13a and 13b on both surfaces of the wheel body web portion 6 in the same figure are alternately arranged on both surfaces.
[0018]
As shown in FIG. 2, when the

groove portions

13a and 13b are provided at the same positions on both sides of the wheel body web portion, the thickness of the wheel body web portion in this portion is reduced, so that the strength is compared with the example of FIG. May be slightly inferior.
[0019]
FIG. 4 is a schematic view showing the shape of the convex portion of the brake disc according to the present invention. The same elements as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals. This figure is an enlarged view of one of the

convex portions

12a or 12b shown in FIG.
[0020]
FIG. 5 is a partial front view showing another example of a wheel with a brake disk according to the present invention. The same elements as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals. 2 to 4, the shape of the convex portion is a fan shape, but may be a rectangle as shown in FIG. 5, and a shape that can be easily machined can be selected.
[0021]
In FIG. 4, when the height H _p of the convex portion is low, the restraining force in the rotational direction is small, and when the disk is deformed, the restraining force disappears, and when it is too high, the depth of the corresponding groove becomes deep, The thickness of the wheel body web portion is reduced. In the case of a wheel body having a diameter of about 900 to 1200 mm used for a Shinkansen or the like, the height of the convex portion is preferably in the range of 5 mm to 10 mm (0.5 to 1.5% with respect to the diameter of the wheel body). .
[0022]
The width W _P of the convex portion, when the fan face shaped convex portions as shown in FIG. 4, although considered based on the minimum width W _Pmin, a minimum width W of the convex portion _Pmin strength of too small protrusions is small, the brake The convex part may be deformed or damaged during loading. If W _Pmin is too large, the width of the groove of the wheel body web portion increases and the strength of the wheel body web portion decreases. Therefore, W _Pmin is 30 to 100 mm (about 2.5 to 12% with respect to the diameter of the wheel body). ). Furthermore, it is desirable to make it 40 to 80 mm (about 3.3 to 7%). If the convex portion is rectangular as shown in FIG. 5, the above examination can be handled as W _Pmin = W _Pmax .
[0023]
The length L _p of the convex portion in FIG. 4 is preferably 50 mm or more (4% or more with respect to the wheel diameter) because the restraining force in the rotational direction decreases if it is too short. Furthermore, it is desirable that it is 80 mm or more (8% or more). In order to avoid stress concentration, it is desirable to chamfer 0.3 to 2.0 mm on the edge portion 14 and the corner portion 15 around the convex portion 12 in FIG.
[0024]
The convex portion to the depth H _V of the groove of the wheel assembly web portion corresponding (not shown. The following does not show the groove dimensions in FIG. 4), in order to correspond to the height of the convex portion of the brake disc , it is necessary to be H _V> H _P, in order to ensure the thickness of the wheel assembly web portion, it is preferable as close as possible to the H _V and H _P. In view of the machining _precision, H V -H _P is preferably about 0.3 to 1.0. In order for the width W _V of the groove portion to match the shape of the convex portion and to fit the groove portion and the convex portion, for example, it is necessary to satisfy W _V > W _P at each corresponding portion of the fan-shaped linear portion of FIG. However, the maximum width W _Vmxn of the groove at this time is set so that the distance between adjacent grooves is 50 mm or more (4% or more with respect to the wheel body diameter), and further 80 mm or more (6.5% or more). It is desirable to do.
[0025]
The braking load contact and one of the side surfaces and the groove side of the convex portion, by the surface pressure, since that would share the braking force, the width W _V width W _P and the groove is preferably as close as possible. That is, it is desirable that the gap between the convex portion and the groove portion ((W _V −W _P / 2) is as small as possible. However, the problem of processing accuracy and the ease of fitting when assembling the brake disc and the wheel body web portion, and This gap is preferably large in consideration of image sticking, etc. Therefore, in consideration of these, the gap between the convex portion and the groove portion is preferably about 0.1 to 0.7 mm, and more preferably 0.2 to 0.00 mm. 5 mm is desirable.
[0026]
The length L _V of the groove portion must satisfy L _V > L _P with respect to the length L _P of the convex portion because the convex portion and the groove portion are fitted. In FIG. 4, the distance from the center of the brake disc to the outer peripheral side end of the convex part is r _Po , and the distance from the inner peripheral side end of the convex part is r _Pi, and the wheel body corresponding to this distance from the center of the wheel body When the distance (not shown) to the outer peripheral end of the groove of the web portion is r _Vo and the distance to the inner peripheral end is r _Vi , the relationship L _V > L _P is (r _Vo −r _Vi )> (R _Po −r _Pi ). Furthermore, since the brake disk becomes hot and expands due to friction at the time of brake load, it is desirable that (r _Vo −r _Po ), that is, the radial gap on the outer peripheral side be 0.5 to 2.0 mm. . The radial gap (r _Pi −r _Vi ) on the inner peripheral side is enlarged by the thermal expansion of the brake disc, but is not particularly limited, but is preferably about 0.1 to 0.5 mm. As is clear from FIG. 2 or FIG. 3, r _Vo cannot be larger than the outer diameter of the wheel body web portion, and r _Vi cannot be smaller than the inner diameter of the wheel body web portion.
[0027]
As for the number of the convex parts of a brake disc, 4-16 are desirable.
The brake disc may be an integral type or may have a structure divided into 2 to 4 in the circumferential direction.
[0028]
【Example】
Table 1 shows a list of wheels with brake discs that have been subjected to a brake test. The prototype wheel body and brake disc have a rectangular shape as shown in FIG. 5, and the groove portions of the wheel body web portion are arranged at the same position on the front and back sides. The brake disc material is forged steel used in Shinkansen vehicles. The outer diameter of the brake disk is 780 mm, and the width of the sliding surface is 125 mm.
[0029]
[Table 1]

[0030]
Wheel No. 1-3 relate to the present invention. As shown in Table 1, only the dimensions of the convex portions were changed. Moreover, each chamfering process of C1 (mm) was given to the convex part.
[0031]
Wheel No. of the comparative example. 4, a wheel with a brake disk having a shape used in the current railway vehicle shown in FIG. Wheel No. The outer diameter of the brake disk 4 and the width of the sliding surface are the same as in the example of the present invention.
[0032]
Wheel No. of the comparative example. 5, the brake disc described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-318304 is referred to as Wheel No. A wheel with a brake disk was made on a trial basis by mounting a wheel body having the same outer diameter and sliding surface width as those of 1-4.
[0033]
A real brake test was conducted using the above five types of wheels. The test conditions were equivalent to a brake load from 100 km / h. At this time, the brake disc temperature rises to about 100 ° C. After that, the brake disc was cooled to 50 ° C. or less, and then the brake was loaded again. This braking load was repeated 100 times.
Table 2 shows the test results.
[0034]
[Table 2]

[0035]
As shown in Table 2, regarding the friction coefficient, the wheel No. of the present invention example. 1 to 3, the average value and the fluctuation range are the wheel numbers of the comparative examples. It was found that the level was almost the same as 4 and applicable. On the other hand, wheel No. of the comparative example. 5, the average value of the friction coefficient is low and the fluctuation range is large compared to other wheels. This is because wheel no. In the brake disk of No. 5, the sliding part and the flange part are separated, and it is considered that there is slippage or rattling between the inner ring and the outer ring when the brake is applied. When the stress generated in the bolt is compared, the wheel No. 1-3, wheel No. 1 of the comparative example. The fluctuation range of the stress is smaller than 4 to 5, and the load on the bolt is reduced by restraining in the rotational direction by fitting the brake disc and the wheel.
[0036]
From the above test results, the wheel No. It turned out that the wheels 1-3 of the example of this invention are superior to 4-5.
[0037]
(Example 2)
Next, the wheel No. of the present invention example. The test from 300 km / h was performed using 1-3. When a brake is applied from 300 km / h, the brake disc temperature rises to a maximum of about 600 ° C. After the brake load, the brake disc was cooled to 50 ° C. or lower and the brake was loaded again. This brake test was repeated 100 times.
[0038]
When the brake disc after the test was observed, the brake discs of all the wheels were deformed (sled to the sliding surface side). Wheel No. In No. 2, a fine crack occurred at the base of the convex portion, and the convex portion was deformed in the rotational direction. Table 3 shows the friction coefficient at the time of brake load and the stress generated in the bolt.
[0039]
[Table 3]

[0040]
When the friction coefficients of the three types of wheels were compared, there was no significant difference between the average value and the fluctuation range of the friction coefficients. When the stress generated in the bolt is compared, the wheel No. In No. 1, the fluctuation range of the stress generated in the bolt is small, and the bolt is considered to have a longer life. This is because most of the braking force is shared by the fitting part of the brake disc convex part and the wheel body groove part, and the bolt bears only the restraint in the thickness direction of the wheel body web part. This is probably because the load on the bolt has been reduced. Wheel No. In Nos. 2 and 3, the wheel No. Compared with 1, the stress generated in the bolt was higher. This is presumably because the shape of the fitting part of the brake disc and the wheel changes with the increase in the number of times of brake load, and the restraining effect in the rotational direction is reduced.
[0041]
From the result of the above brake test, the wheel No. The shape of 1 was found to be the best.
[0042]
(Example 3)
Next, the brake disc material was changed from forged steel to Al composite material, and a brake test similar to the above was performed. The Al composite brake disc used was manufactured by casting. 1. Wheel No. 4 and wheel no. Same as 5. Wheel No. 6 (example of the present invention) and wheel No. 7-8 (comparative example). The test conditions are equivalent to an emergency brake from 300 km / h as in the case of the forged steel brake disc. The test results are shown in Table 4.
[0043]
[Table 4]

[0044]
Wheel No. In No. 7, when the brake load was repeated 10 times, a crack occurred from the bolt hole and broke. Wheel No. In No. 8, no crack was generated in the bolt hole, but the stress applied to the bolt could not be reduced. It was also found that the coefficient of friction was not stable and difficult to put into practical use. On the other hand, the wheel no. In No. 6, no crack in the bolt hole occurred. Further, the friction characteristics are relatively stable, and it has been found that the present invention can be sufficiently applied to an Al composite brake disc.
[0045]
【The invention's effect】
According to the wheel with a brake disk of the present invention, it is possible to reduce stress concentration generated in the brake disk and to reduce the load on the fastening bolt, and to extend the life of the brake disk and the bolt.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a wheel with a brake disk for a railway vehicle .
2A and 2B are schematic views showing an example of a wheel with a brake disk according to the present invention, in which FIG. 2A is a partial front view, and FIG. 2B is a partial cross-sectional view taken along the line OA in FIG. FIG. 10C is a partial cross-sectional view taken along the line O-C of FIG.
FIG. 3 is a schematic view showing another example of a wheel with a brake disk according to the present invention, where FIG. 3 (a) is a partial front view, and FIG. 3 (b) is an OA arrow portion of FIG. The cross-sectional view, (b) is a partial cross-sectional view taken along the line OB of FIG. (A), and (c) is a partial cross-sectional view taken along the line O-C of FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the shape of a convex portion of a brake disc according to the present invention.
FIG. 5 is a partial front view showing another example of a wheel with a brake disk of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Wheel body 2: Axle 3: Brake disk 4: Sliding surface 5: Rim 6: Wheel body web portion 7: Wheel bolt hole 8: Brake disk bolt hole 9: Bolt 10: Nut 11: Wheel with

brake disk

12, 12a, 12b:

convex portions

13, 13a, 13b: groove portion 14: edge portion 15: corner portion

Claims

A brake disk with a wheel for a railway vehicle provided with a brake disc fastened to both sides of the wheel body with its wheel assembly web portion, the brake disc, the inner peripheral side of the sliding surface the brake pad abuts is fastened to the wheel body by a plurality of fastening bolts provided annularly, and the outer periphery of the annular arrangement position of the wheel assembly web portion surface in contact with the surface at a by the plurality of fastening bolts from the center of the brake disc a plurality of protrusions that are provided extending radially on both sides of the wheel assembly web portion wheeled railway vehicle brake disc and having a plurality of grooves for mating with said plurality of protrusions .

It said plurality of grooves the brake wheel with discs for rail vehicles according to claim 1, characterized in that are arranged alternately on the front and back of the wheel assembly web portion.