JP4305296B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - 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のうちで、摺動部をボルトで締結するものについて、ボルトの負荷を低減することにより、長期間の使用に耐え得ることが可能なブレーキディスクに関するものである。
鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の陸上輸送機械の制動装置として、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、車両の高速化や大型化に伴い、ディスクブレーキが多用されるようになってきている。
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り、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。この摺動面を有する円盤状のディスクをブレーキディスクと称する。
このブレーキディスクの中で、鉄道車両用ブレーキディスクには、側ディスクと軸マウントディスクがある。このうち側ディスクとは、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である。以下、本明細書において、ブレーキディスクと言うときは、側ディスクと軸マウントディスクの両者を指すものとする。
図6は従来型の鉄道車両用側ディスクの形状を示し、(a)はブレーキディスクの1/4を示す半径方向−周方向平面図、(b)は断面を示す半径方向−軸方向断面図である。同図(a)、(b)に示すように、一般にブレーキディスク1は、片側に摺動面2aを備える摺動部2と、車輪に締結するための締結孔3aを備える締結部3とから構成されている。
図7は従来型の鉄道車両用ブレーキディスクが車輪に取り付けられた状態を模式的に示す半径方向−軸方向断面図である。同図に示すように、ブレーキディスク1は、車輪4の両側面に締結部材であるボルト5とナット(図示せず)によって締結され、一体的に回転するように取付けられている。
そして、ブレーキディスク1の摺動面2aに対向する位置には、摺動面方向に移動可能なブレーキライニング6がそれぞれ取り付けられ、制動時には、ブレーキライニング6がブレーキディスク1側に移動して車輪4の両側面から強く狭圧し、この摩擦力によって車輪4を介して車軸の回転を制動して車両を停止させる。
ところで、新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキディスクの回転速度や慣性力が非常に大きいため、制動中のブレーキディスクの温度上昇は著しく大きくなる。そのため、ブレーキディスクの熱変形がしばしば問題となるが、この熱変形を抑制させる技術として、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクが開示されている。
特開2001−311441号公報
図8は前記の特許文献1において開示された、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクの代表的なものについて、車輪との締結状態を表した半径方向−軸方向断面図である。同図に示すように、このブレーキディスク1は摺動部2に設けた締結孔2bにボルト5を挿入することで車輪4と締結される。これによって、ブレーキディスク1が軸方向に変形しようとするのをボルト5によって抑えることができ、従来型のブレーキディスクに比べて熱変形を低減することが可能となる。
しかしながら、この締結方法ではブレーキディスクの熱膨張が直接ボルトに負荷されることになるため、1回のブレーキによって発生するボルトの応力変動は、図6に示したような従来型のブレーキディスクに比べむしろ大きくなる。そのため、ボルトの疲労破壊の危険性が増加することとなる。
上記のように摺動部で車輪と締結するブレーキディスクの場合には、ブレーキディスクの熱膨張にともなうボルトへの負荷が過大となり、疲労破壊を起こす危険性が生じる。
ところで、ブレーキディスクは、制動中、温度勾配を生じるため、一様に熱膨張することはない。このため、ボルトは制動中に軸方向への引張り変形のみならず、曲げ変形も受ける可能性がある。一般的に、引張りと曲げの負荷を同時に受けると、疲労破壊を起こす危険性は増加する傾向にある。
本発明が解決しようとする問題点は、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクでは、ブレーキディスクの熱膨張にともない、ボルトが過大な引張りと曲げの負荷を同時に受け、疲労破壊を起こす危険性が増加するという点である。
本発明の課題は、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクの、制動中におけるボルトへの負荷を低減することにある。ボルトは、制動中、引張りと曲げの負荷を受けるため、引張り、曲げのどちらか、あるいは両方の負荷を低減することでボルトの疲労破壊を抑制することができる。
ボルトが受ける曲げ負荷は、制動中におけるブレーキディスクの不均一な熱膨張によって生じる。図9は制動中におけるブレーキディスク1の変形を、その変形量を拡大して示したものであるが、制動中、ブレーキディスク1は、図9に示すように、車輪4との接触位置pを支点にアーチ型に変形する。このとき、ボルトが曲げ変形を受けないようにするには、締結孔2bの位置をアーチの頂点付近にもってくる必要がある。それはすなわち、ブレーキディスク1の内外周における車輪4との接触位置pと締結孔2bとの位置関係を適正なものとすることにほかならない。
ただし、ブレーキディスクの内外周における車輪接触部において、制動中の接触面圧が過大となると、ブレーキディスクあるいは車輪が塑性変形する可能性がある。また、繰返しのブレーキによってこの塑性変形が大きくなると、制動中のアーチ型の変形における頂点の位置がずれてしまう。その結果、ボルトの曲げ負荷が発生する可能性がある。
また、前記接触面圧が大きくなると、ブレーキディスクと車輪の疲労寿命を低下させることとなる。ブレーキディスクの内周、外周における車輪接触部の接触面圧を低減するためには、この接触部の周方向接触幅を十分に確保する必要がある。
一方、ボルトの引張り負荷は、ブレーキディスクが熱膨張して軸方向に変形することによって発生する。この引張り負荷を低減する方法としては、ナットまたはボルト頭の座面とブレーキディスク間に比較的弾性係数(ここでは、1mm変形するのに必要な荷重のこと)の小さな弾性体を挿入することが考えられる。この弾性体が変形することでボルトの引張り負荷を低減することが可能となるからである。
以上の考え方に基づき、発明者らは有限要素解析によって、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適正な位置関係、ブレーキディスクの内外周における車輪との周方向接触幅、ナットおよびボルト頭の座面とブレーキディスク間に挿入する弾性体の適正な弾性係数をそれぞれ検討した結果に基づき、以下のような本発明を成立させた。
すなわち、第1の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、
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ために、
摺動部をボルトで締結するブレーキディスクの、
前記摺動部に設けた締結孔の中心と、最も内周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離をd1、
前記締結孔の中心と、最も外周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離をd2、
前記摺動部に設けられた摺動面の半径方向長さをLとするとき、
d2/Lが0.25以上で、d1/d2が0.3〜1.5となるようにしたことを最も主要な特徴としている。
この第1の本発明において、前記d2/Lが0.25以上で、d1/d2が0.3〜1.5となるようにするのは、発明者らの有限要素解析を検討した結果に基づくもので、後述の図3(a)(b)に示すように、ボルトに作用する曲げ応力の変動(制動中の最大応力から最小応力を引いた値)が大幅に減少し、曲げ応力による疲労破壊の危険性が減少するからである。発明者らの解析結果では、より曲げ変形を抑制するためには、d2/Lが0.3以上で、d1/d2が0.5〜1.2とするのが好ましいことが判明している。
また、前記第1の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクにおいて、
前記ブレーキディスクの内周部および外周部における車輪との接触部の周方向接触幅について、
連続して接触する前記周方向接触幅をW1、全周にわたる前記周方向接触幅W1の合計をW2とするとき、
前記内周部と前記外周部それぞれで、W1が10mm以上で、W2が240mm以上となるようにした場合には、
ブレーキディスクの内外周における車輪との周方向接触幅が十分に確保でき、制動中の接触面圧が低減できることにより、ボルトへの曲げ負荷がさらに低減し、ボルトの長寿命化が可能となる。
前記W1が10mm以上で、W2が240mm以上となるようにするのは、発明者らの有限要素解析を検討した結果に基づき、制動中の最大面圧がブレーキディスクと車輪の降伏応力のうち低い方の値に対して、1.2倍以下となるようにしたもので、後述の実施結果からもその有効性は明らかである。発明者らの解析結果では、十分に接触面圧を低減するためには、前記W1は連続した部分で15mm以上あるのが好ましく、W2が360mm以上あるのが好ましいことが判明している。このときの制動中の最大面圧はブレーキディスクと車輪の降伏応力のうち低い方の値に対して、1.0倍以下となるようにしている。
本発明において、内周部、外周部とは、制動中の接触面圧が最も高くなる範囲である、最も内周側あるいは外周側で車輪と接触する位置から半径方向に10mmの領域を含んだ部分をいい、周方向接触幅とは、前記領域内の最大値をいう。
また、第2の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、
ナットの座面またはボルト頭の座面とブレーキディスクの間にそれぞれ挿入する弾性体の弾性係数を適正化することにより、ボルトへの曲げ負荷の低減に加えて、ボルトへの引張り負荷を低減し、ボルトの耐久性を確保するために、
摺動部をボルトとナットで締結する第1の本発明のブレーキディスクの、
前記ナットの座面またはボルト頭の座面とブレーキディスクの間にそれぞれ弾性体を配置し、
前記ボルトの軸方向に前記弾性体あるいは前記ボルトを1mm変位させるのに必要な荷重をそれぞれの弾性係数あるいはばね定数とし、
1本のボルトに対して配置されるすべての弾性体の弾性係数を合成した値をk1、前記ボルトのばね定数をk2とするとき、k1/k2が1.0以下であることを主要な特徴としている。
この第2の本発明において、前記k1/k2が1.0以下となるようにするのは、発明者らの有限要素解析を検討した結果に基づくもので、後述の図3(c)に示すように、ボルトに作用する引張り応力の変動が大幅に減少し、引張り応力による疲労破壊の危険性が減少するからである。発明者らの解析結果によれば、よりその効果を発揮するためには、k1/k2を0.4以下とするのが好ましい。
但し、k1が小さすぎると弾性体の負荷が増大し、弾性体の強度が確保できなくなる可能性があるため、弾性体の強度が確保できるようにk1の下限を設定するのが好ましく、具体的には0.1以上とするのが好ましい。k1の下限の設定方法としては、例えば制動中における弾性体の最大応力が材料の降伏応力以下となるように、k1の下限値を決める方法が考えられる。
前記弾性体の種類や形状については特に限定されず、たとえば皿ばね座金、ばね座金、コイルばねなどのほか、ゴムでもよい。また、配置位置はナット側とボルト頭側のどちらか一方でも構わないし、両方に配置しても構わない。
この第2の本発明によれば、ボルトへの曲げ負荷と引張り負荷を共に低減できることになって、ボルトの耐久性がさらに向上する。
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクの制動中における熱膨張に対して、ボルトへの曲げ負荷を低減するような適正なブレーキディスク形状、またはそれに加えてボルトへの引張り負荷を低減するような適正な弾性係数の弾性体を用いることで、ボルトの疲労破壊を抑制することができるという利点がある。そして、その結果、長期間の使用に耐え得るようになる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図1及び図2を用いて説明する。
図1は本発明の一実施形態を示しており、鉄道車両用ブレーキディスクの1/4を示す半径方向−周方向平面図、図2は図1のA−A断面図を示したものである。
図1及び図2に示すように、本発明のブレーキディスク11は、摺動部12に締結孔12aを有し、例えば円周方向に均等な角度位置に配置した12本のボルト5で車輪4と締結するようになっている。
本発明の鉄道車両用ブレーキディスク11では、ボルト5の本数は少なすぎるとボルト5への負荷が過大となるため、6本以上とするのが好ましい。逆に多すぎるとブレーキディスク11の締結孔12aが多くなり、ブレーキディスク11の強度低下や摩擦特性の劣化を招くため、18本以下とするのが好ましい。また、ボルト5には1本1本均等に負荷がかかるようにするのが効率的であるため、周方向に均等に、半径方向に同じ位置に配置するのが好ましい。
そして、この締結孔12aの中心と最も内周側で車輪4と接触する位置との半径方向の距離d1をたとえば50mm、締結孔12aの中心と最も外周側で車輪4と接触する位置との半径方向の距離d2をたとえば45mm、摺動面12bの半径方向長さLをたとえば150mmとなすことで、d2/Lが0.300で、d1/d2が1.111となるようにしている。このような構成によって、ブレーキディスク11の不均一な熱膨張に対して、ボルト5に曲げ変形が生じるのを効果的に抑制することができる。
図1においてハッチングで示した領域は、ブレーキディスク11を車輪4に締結したときに、車輪4と接触する領域を示したものであるが、この図1に示した例では、車輪4との周方向接触幅W1は内周部14、外周部15とも連続して15mmで、全周にわたって15mm×24個で合計360mm(=W2)であり、制動中に接触面圧が過大となるのを抑制することができる。
本発明ではブレーキディスク11と車輪4の接触位置に関して、半径方向の位置、あるいは周方向の幅は前述のように限定するが、周方向の位置は特に限定しない。ただし、ボルト5の締結孔12aの中心と接触位置の周方向における距離があまりに離れすぎると、十分に効果が発揮できない可能性があるため、締結孔12aの中心からブレーキディスクの円周方向に±30°の角度範囲内で接触するようにするのが適当であり、より好ましくは締結孔12aの中心からブレーキディスクの円周方向に±10°の角度範囲内で接触するようにする。
さらに図1、図2に示した例では、ボルト5の引張り負荷を低減するため、ボルト頭(図示しない)の座面とブレーキディスク11の間、および、ナット7の座面7aとブレーキディスク11の間に、それぞれ弾性体としてたとえば単体のばね定数k1が202kN/mmの皿ばね座金13を挿入している。これによってナット側とボルト頭側の皿ばねの合成ばね定数k1はk1/2=101kN/mmとなる。
この図1、図2に示すブレーキディスク11のボルト5は、ばね定数k2が440kN/mmであるため、k1/k2が0.230となって、ブレーキディスク11が熱膨張した場合には、皿ばね座金13が大きく変形して、ボルト5の引張り負荷を低減することが可能となる。
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクでは、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、Al基複合材料など、熱的特性の異なる材質の材料を使用しても同じ効果が得られることを確認している。
以下、摺動部で締結するブレーキディスクについて、ボルトの曲げ、引張り負荷を低減するブレーキディスクの最適な形状を検討するため、鍛造により成型した鋼製(鍛鋼製)鉄道車両用ブレーキディスクを対象に有限要素解析を実施した結果について説明する。
有限要素解析は、走行速度が400km/hから非常ブレーキに相当する条件で実施した。対象としたブレーキディスクは新幹線用のブレーキディスクで、いずれも内径が420mm、外径が720mm、最大板厚が46mmである。
また、いずれのブレーキディスクも12本のボルトで周方向に等間隔に締結するようになっている。そして、締結孔の半径方向の位置は、中心が直径560mmの円上になるように配置されている。ボルトはねじ部外径18mm(呼び:M18)のものを用いた。
下記の表1および表2に検討したブレーキディスクをまとめて示す。
表1は第1、第2の本発明の実施例(No.1〜9及びNo.15,16)と、参考例(No.10〜14 )を、表2は比較例を示したもので、表1および表2中のd1は締結孔の中心と最も内周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離を、d2は締結孔の中心と最も外周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離を、Lは摺動面の半径方向長さをそれぞれ表している。
また、k1は弾性体の弾性係数(ボルト軸方向に1mm変位するのに必要な荷重)の合成値を、k2はボルトのばね定数をそれぞれ表している。さらに、W1は内周部または外周部におけるブレーキディスクと車輪の周方向接触幅の最小値を、W2は内周部または外周部におけるブレーキディスクと車輪の周方向接触幅の全周にわたる合計値をそれぞれ示している。
Figure 0004305296
Figure 0004305296
実施例のNo.1〜9は、ボルトの曲げ負荷を低減することを目的として、d2/L、d1/d2の値を適正化したブレーキディスクであり、参考のNo.10〜14はボルトの引張り負荷を低減することを目的として、弾性係数(本例ではばね定数、以下、ばね定数と言う。)の適正な弾性体(本例では座金、以下、座金と言う。)をボルト頭の座面とブレーキディスクの間、またはナットの座面とブレーキディスクの間にそれぞれ挿入したものである。
また、実施例のNO.15、16は、曲げ負荷と引張り負荷の両方を低減することを目的に、d2/L、d1/d2の値を適正化するとともに、ばね定数の適正な座金をボルト頭の座面とブレーキディスクの間、ナットの座面とブレーキディスクの間にそれぞれ挿入したものである。
さらに、実施例のNO.3、5、6、9、1及び参考例のNo.11、12は、内周部および外周部における周方向接触幅を十分に確保し、接触面圧を低下させて、よりボルト、ブレーキディスク、車輪の長寿命化を可能としたブレーキディスクである。
一方、比較例a〜eはd2/L、d1/d2のいずれかの値が適正でなく、内周部および外周部における周方向接触幅も十分に確保できていないブレーキディスクである。また、比較例d、eはボルト頭の座面とディスクブレーキの間、ナットの座面とディスクブレーキの間にそれぞれ座金を挿入しているが、そのばね定数が適正な値ではない場合の例である。
下記表3に、検討したブレーキディスクに非常ブレーキをかけた時のボルト応力変動(最大応力−最小応力)をねじ部の公称応力(荷重/ねじの有効断面積)で示す。また、内周部および外周部のブレーキディスクと車輪の接触部における最大接触面圧を、車輪の降伏応力450MPaとの比で示す。さらに、表3にはボルトの疲労強度を評価した結果として、400km/hから非常ブレーキを100回負荷したときに、ねじ部にき裂が発生するかどうかを、別途実施したボルト単体の曲げと引張りを重畳させた疲労試験結果から評価したものを示している。表3中では、き裂が発生しないものを○、き裂が発生するものを△、ブレーキ100回未満で破断したものを×としている。
Figure 0004305296
図3に表3に示した結果のうち、ボルトの応力変動をグラフ化して示す。同図(a)は曲げ応力変動とd2/Lの関係を、同図(b)は曲げ応力変動とd1/d2の関係を、同図(c)は引張り応力変動とk1/k2の関係をそれぞれ示す。
同図に示すように、実施例及び参考例の場合はいずれも比較例に比べ曲げ応力変動または引張り応力変動が大幅に低減できており、表3のき裂発生評価に示すように、高負荷の繰返しブレーキに対して、ボルトの耐久性を向上させる効果が確認できていることが分かる。また、表3より、周方向の接触幅を十分に確保した実施例のNo.3、5、6、9、1及び参考例のNo.11、12は、接触面圧が低減されていることが分かる。この結果、ボルトの負荷が軽減され、ボルトをより長寿命化することができる。
また、図4(a)は前記実施例のNo.16における接触領域にハッチングを付して示したものであるが、実施例のNo.16のW2を1/2にした場合(図4(b)参照)に比べて接触領域が拡大し、車輪との接触面圧が低減されていることが分かる。
本発明は上記の例のように締結部間に接触領域を別途介在させたものに限らず、図5に示すように締結部間に接触領域を介在させないものでも良いなど、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。
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの一実施形態を示す図で、1/4を示す半径方向−周方向平面図である。 図1のA−A断面図である。 本発明品の適正なブレーキディスク形状を検討するために実施した有限要素解析結果であり、(a)はボルトの曲げ応力変動と締結孔の中心と最も外周側で車輪と接触する位置の半径方向距離d2と摺動面の半径方向長さLの比d2/Lとの関係を表す図、(b)はボルトの曲げ応力変動と締結孔の中心と最も内周側で車輪と接触する位置の半径方向距離d1と締結孔の中心と最も外周側で車輪と接触する位置の半径方向距離d2の比との関係を表す図、(c)はボルトの引張り応力変動とボルト頭部の座面側とブレーキディスクの間と、ナットの座面側とブレーキディスクの間にそれぞれ挿入した弾性体の合成弾性係数(ボルト軸方向に1mm変位するのに必要な荷重)k1とボルトのばね定数k2の比k1/k2の関係を表す図である。 (a)は本発明の実施例における接触領域の一例を示した図、(b)は比較例における接触領域の一例を示した図である。 本発明に適用するブレーキディスクの他の例を説明する図である。 従来型の鉄道車両用ブレーキディスクの形状を示す図であり、(a)は鉄道車両用ブレーキディスクの1/4を示す半径方向−周方向平面図、(b)は鉄道車両用ブレーキディスクの断面の1/2を示す半径方向−軸方向断面図である。 従来型の鉄道車両用ブレーキディスクが車輪と締結された様子を模式的に表した半径方向−軸方向断面図である。 摺動部で車輪と締結する鉄道車両用ブレーキディスクの代表的な例について、車輪と締結された様子を模式的に示す半径方向−軸方向断面図である。 摺動部で車輪と締結する鉄道車両用ブレーキディスクのブレーキ中の熱膨張による変形を、変形量を拡大して表した半径方向−軸方向断面図である。
符号の説明
4 車輪
5 ボルト
6 ブレーキライニング
7 ナット
11 ブレーキディスク
12 摺動部
12a 締結孔
12b 摺動面
13 皿ばね座金
14 内周部
15 外周部

Claims (3)

  1. 摺動部をボルトで締結するブレーキディスクであって、
    前記摺動部に設けた締結孔の中心と、最も内周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離をd1、
    前記締結孔の中心と、最も外周側で車輪と接触する位置との半径方向の距離をd2、
    前記摺動部に設けられた摺動面の半径方向長さをLとするとき、
    d2/Lが0.25以上で、d1/d2が0.3〜1.5となるようにしたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
  2. 前記ブレーキディスクの内周部および外周部における車輪との接触部の周方向接触幅について、
    連続して接触する前記周方向接触幅をW1、全周にわたる前記周方向接触幅W1の合計をW2とするとき、
    前記内周部と前記外周部それぞれで、W1が10mm以上で、W2が240mm以上あることを特徴とする請求項1に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
  3. 摺動部をボルトとナットで締結するブレーキディスクであって、
    前記ナットの座面またはボルト頭の座面とブレーキディスクの間にそれぞれ弾性体を配置し、
    前記ボルトの軸方向に前記弾性体あるいは前記ボルトを1mm変位させるのに必要な荷重をそれぞれの弾性係数あるいはばね定数とし、
    1本のボルトに対して配置されるすべての弾性体の弾性係数を合成した値をk1、前記ボルトのばね定数をk2とするとき、k1/k2が1.0以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
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