JP4325013B2 - 鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具 - Google Patents

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車輪に締結する場合に用いる締結金具に関する。
【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、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挙げられる。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。以下の説明では、ブレーキディスク（ディスク）とは側ディスクのことをいう。
【０００４】
図１はブレーキディスクを装着した鉄道用車輪の部分断面図である。同図において、符号１は車輪、２は車軸、３はディスクブレーキのディスク、４は摺動面、５はリム、６は車輪ディスク、７は車輪のボルト孔、８はディスクのボルト孔、９はディスクを車輪に締結するボルト、１０はナットである。
【０００５】
ディスク３の摺動面４は片面にあり、ここが発熱するので摺動面４側が伸びる方向、すなわち、摺動面４の反摺動面側に湾曲する方向にひずみが加わる。しかし、反摺動面側は車輪ディスク６で拘束されているため、圧縮熱応力が摺動面４側、特にブレーキパッドの当たる部分に蓄積され、応力が材料の降伏応力を超えると塑性ひずみを生じる。ブレーキが解放されるとディスク３の温度は下がり、発熱による膨張はなくなるが、圧縮側に降伏しているため、摺動面４が収縮して、図１の点線で示すように摺動面４側にすり鉢状に変形する（そりが生じる）。
【０００６】
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自動車及び自動二輪車用ブレーキ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。この熱ひずみによりディスクは膨張するが、この膨張をボルトおよび車輪により拘束しているため、ディスクは反車輪側への変形（そり）し、ボルト孔部では局所的なひずみが発生する。また、ディスクと車輪を締結しているボルトには、締付けにより発生する応力の他に、ブレーキ負荷時に発生するトルクを拘束することによる曲げ応力、ディスクの板厚方向の熱膨張を拘束することによる引張応力およびディスクのそりによる曲げ応力が負荷される。これらの繰返し応力によりボルトが疲労破壊する恐れがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の熱応力による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、従来は一体としていたディスクを摺動面を有する外リングとボルト取付け部を有する内リングとに分割し、外リングと内リングを嵌合し、さらにボルトにより内リングと車輪を締結する技術が提案されている。ディスクを２分割することによって摺動面の熱ひずみを内リングのボルト締結部から遮断し、内リングに高強度材を使用することによりボルト孔より発生するき裂を抑制できるとしている。しかし、同公報に開示された方法は、ボルトに負荷される応力を低減することはできず、また、ディスクが内リングと外リングに分割されているため、摩擦特性で不具合（摩擦係数が安定しない）が発生するおそれがある。
【０００８】
また、特開平１０−１２９４８１号公報には、締結ボルトとディスク間にリング状のスペーサを設け、このスペーサによりディスクとボルトの接触面積を増大させる技術が提案されている。接触面積が増大することで接触部での応力を小さくし、その結果ボルト孔縁部に発生する応力を小さくし、ディスクが長寿命化できるとしている。しかし、同公報に開示された方法ではボルトに発生する応力を低減する効果はなく、ボルトを長寿命化することはできない。
【０００９】
上記のように、鉄道車両用側ディスクにはブレーキ負荷時に様々な応力が負荷される。それにともないボルトにも様々な応力が発生し、その結果、ディスク・ボルトともき裂が発生し、破損に至る可能性がある。
【００１０】
一方近年、車両のばね下荷重を軽減して、乗り心地改善と車体の軽量化がすすめられており、ディスク材料にＡｌ複合材が使用されるようになってきた。Ａｌ複合材ディスクの材料強度は鉄系ディスクに比べて劣るため、ボルト締結部の応力集中を緩和するという新たな課題がある。
【００１１】
さらに、所定の交換期間前にディスク締結ボルトが破損するおそれもあり、その原因の一つとしてディスクを車輪に組み付ける際の締結ボルトの取付けミスの可能性が考えられる。すなわち、ボルトの締結作業は単純であるが極めて高い信頼性を要求される。
【００１２】
本発明の課題は、（１）ディスクのボルト孔縁部に発生する応力を緩和することによりボルト孔縁部を長寿命化すること、（２）ボルトに負荷される応力を低減し、ボルトの長寿命化、ボルト本数の低減、ボルト径の低減をはかること、（３）ボルト締結作業の信頼性を高めること、にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者らは前記課題を解決する方法を種々検討し、試験を積み重ねた結果、下記のような知見を得た。
【００１４】
(a) 従来形式ディスクを締結する際、ボルトのヘッド部分の径、ナットまたは座金径を大きくすると、ディスクのボルト孔まわりの応力集中を緩和することができる。ただし、ボルトヘッド、ナットまたは座金の径が大きすぎると他と干渉するため、これらを長方形またはブレーキディスクの形状に沿った扇形等にして面積を大きくするとよい。
【００１５】
(b) 特定のボルトまたはディスクの特定ボルト孔に荷重または応力が集中しないようにするには、ボルト同士が連結されていればよい。前記(a) と合わせて考えれば、環状体を基体としてその上に複数のボルトを一体化した構成にするとよい。
【００１６】
(c) 複数のボルトが一体化することによって、ボルトの取付けミスが減少する効果もあり、締結作業の信頼性が高まる。
【００１７】
本発明は上記の知見に基づいて完成したものであり、その要旨は下記の(1) および(2) にある。
【００１８】
（１）一対の第１の締結金具および第２の締結金具から構成される鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具であって、この第１の締結金具は環状のフランジを有するとともに、このフランジには、このフランジに固定されて起立する複数のボルトと、第２の締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔とが設けられ、第２の締結金具は環状のフランジを有するとともに、このフランジには、このフランジに固定されて起立する複数のボルトと、第１の締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔とが設けられることを特徴とする鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具。
【００１９】
（２）一対の雄型締結金具および雌型締結金具から構成される鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具であって、雄型締結金具は環状のフランジを有するとともに、このフランジには、このフランジに固定されて起立する複数のボルトが設けられ、雌型締結金具は環状のフランジを有するとともに、このフランジには、雄型締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔が設けられることを特徴とする鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の締結金具の外観を示す斜視図である。
図３は本発明の締結金具を用いてディスクを車輪に締結した状態を示す縦断面図である。図２、図３において、図１と同一要素は同一符号で示す。
【００２１】
図２において、左方の締結金具１１ａと右方の締結金具１１ｂは同形状で、２つが一対となって締結に供する。同図に示すように、締結金具１１ａまたは１１ｂのフランジ１４上には、ボルト孔１６とボルト部１５が交互に配置されている。
【００２２】
ディスクを締結した状態では図３に示すように、両方の締結金具１１ａ、１１ｂ間にディスク３を２枚と車輪ディスク６を挟み、フランジ１４に取付けられたボルト部１５が他方の締結金具１１ｂのボルト孔１６に貫通し、ナット１０で締め付けられる。
【００２３】
図４は本発明の締結金具の他の例の外観を示す斜視図である。同図において、符号１２は雄型締結金具、符号１３は雌型締結金具である。図２と同一部品は同一符号で示す。図４において、ボルト部１５のすべてが雄型締結金具１２のフランジ１４上に設けられている。
【００２４】
本発明においては図２のように、締結金具１１ａ、１１ｂを２つ一組としてディスクを締結してもよいし、図４のような雄型金具１２と雌型金具１３を一組として締結してもよい。図２の形式の締結金具は、締結金具１１ａ、１１ｂを同一形状とすることによって部品種類が少なくなる利点がある。一方、図４に示すように、雄型と雌型を一組として用いる形式は、ボルト締め付けが片側から作業になるので、既存の自動締結装置をそのまま利用できる利点がある。
【００２５】
本発明では、ディスクと車輪の締結部をフランジにより一体化することにより以下の効果がある。
【００２６】
(1) 従来、ディスクと締結用のボルトはボルトヘッド部または座金部のみで接触していたが、ボルトヘッドもしくは座金部に相当する部分をフランジにすることによって接触面積が大きくなり、面圧が低減する効果がある。すなわちディスクのボルト孔周辺の摩擦力に起因した応力が軽減される。
【００２７】
従来法によるボルト締結では、個々のボルトがディスク面に対して、傾いた状態で取り付けられる恐れがあって、ボルトヘッド面または座金面が片当たりし、ボルトまたはディスクに局部的な応力集中の恐れがある。本発明の締結金具のようにフランジを介してボルト部が一体化され、あるいは座金部が一体化されると、ボルトが斜めに取り付けられることはなくなり、ディスクの局部的な応力集中を抑制できる。
【００２８】
(2) 剛性が大きいフランジによりボルト部および座金部が一体化されると、ディスクの締結部の面圧が平準化され、変形を低減できる。この効果によりボルト部に生じる曲げ応力が軽減される。また、従来法のボルトによる締結では、締付力不足により締結部の剛性が低下するおそれがあるが、フランジとボルト部を一体化することにより上記の剛性低下のおそれは低い。
【００２９】
(3) 従来法でも本発明に係る締結方法でもディスクのボルト孔とボルト間にはある程度の隙間（クリアランス）がある。従来法では複数のボルトとボルト孔とが接触しているものや接触していないものがある。接触しているものにおいても両者の接触の方向・方位は任意である。この状態でブレーキ力が負荷されると、負荷を大きく受けるボルトや、負荷の小さいボルトがある。ブレーキ方向（上り・下りの別））によっても、状況が変化する。従って、特定のボルトに過大な負荷が発生するおそれがある。
【００３０】
本発明のように、フランジを介して締結部を一体化することで、取り付け時にボルト部のボルト孔に対する取り付け位置のばらつきが抑制できるので、ボルト・ボルト孔への負荷が平準化され、特定のボルトへの過大な応力負荷を軽減できる。その結果、ディスクおよびボルトの長寿命化が可能になる。
【００３１】
図２に示す本発明のフランジ１４の板厚ｔが薄すぎると、ブレーキ負荷に伴うディスクの変形によりフランジが変形したり、ボルト部１５が折れる可能性がある。板厚ｔが厚すぎると、フランジ重量が増加しその結果輪軸の重量が増加することから、７〜２５mmにするのが良い。強度と軽量性の両立させるには１０mm〜１５mmにするのが特に良い。
【００３２】
また、図２に示すフランジ１４の幅Ｗが小さすぎると、厚いディスクを用いた場合に車輪との拘束力が低下したり、ボルト部が折れたりする可能性がある。幅Ｗが大きすぎるとフランジが重くなることから５０〜１５０mm以下にするのが良い。
【００３３】
図２の形式の締結金具や、図４の雌雄一対の締結金具にかかわらず、ボルト部１５の合計本数は、少なすぎると厚さ方向の拘束力、ブレーキ負荷時の回転方向の拘束力が低くなり、ボルト部に負荷される応力が大きくなって、ボルト部が破断するおそれがある。ボルト部１５の合計本数多すぎるとフランジおよびディスクの強度が低下することから、４〜１８本にするのが良い。また、締結力を均等にするため、ボルト部およびボルト孔部は円周上の均等な位置に配置するのが良い。
【００３４】
【実施例】
表１にブレーキ試験を実施したディスク締結法の一覧を示す。試作したディスクには現在新幹線車両で使用されている鍛鋼ディスク材を用いた。なお、試作したディスクはすべて外形７８０mm、摺動面幅１２５mmとした。
【００３５】
【表１】

【００３６】
試験体Ｎｏ．１およびＮｏ．２は本発明による締結金具を用いたディスクである。試作した締結金具のフランジは、すべて板厚１２mm、板幅８０mmとした。
【００３７】
本発明例の試験体Ｎｏ．１のディスクには図２に示す形式の締結金具を用いたが、ボルト部は一対の金具で合計１２本設けた。
【００３８】
本発明例の試験体Ｎｏ．２のディスクは図４に示す雄型と雌型を一組とした形式の締結金具を用いたが、雄型のボルト部本数は１２本である。
【００３９】
試験体Ｎｏ．３は従来の締結方法によるディスクである。試験体Ｎｏ．４は特開平１０−３１８３０４号公報に開示された技術によるディスクである。試験体Ｎｏ．５は特開平１０−１２９４８１号公報に開示された技術によるディスクであり、リング状の座金を介してディスクを締結している。
【００４０】
試験体Ｎｏ．３〜５のディスクではボルト本数・ボルト孔数を１２とした。
【００４１】
上記５種類のディスク試験体を用いて実体ブレーキ試験を実施した。試験条件は速度３００km/hからのブレーキ負荷相当とした。この時ディスク温度は約６００℃まで上昇する。その後ディスク温度が５０℃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。
【００４２】
表２にブレーキ試験結果を示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
摩擦係数に関して、試験体Ｎｏ．１およびＮｏ．２（本発明例）の摩擦係数の平均値、変動幅とも試験体Ｎｏ．３（従来例）とほぼ同じ値になっており、本発明例の摩擦特性には問題がないことがわかった。
【００４５】
一方、従来例のボルトに負荷される応力を比較すると、試験体Ｎｏ．４およびＮｏ．５は試験体Ｎｏ．３とほとんど差がなく、ボルトへの負荷はあまり改善されていない。これに対して、本発明に係る試験体Ｎｏ．１よびＮｏ．２では、全てのディスクでボルト部の応力が試験体Ｎｏ．３より小さくなっており、フランジによる締結によって、ボルト部の応力が軽減されていることがわかった。この効果により、ボルト部が長寿命化されることが予想できる。
【００４６】
次に、Ａｌ複合材ディスクでの試験を行なった。この試験では、表１の鍛鋼ディスク試験体Ｎｏ．１および試験体Ｎｏ．３〜５の締結方法を用いた。それぞれの試験体Ｎｏ．を１ａ、３ａ〜５ａとする。
【００４７】
Ａｌ複合材ディスクは、鍛鋼ディスクと同様に、外形７８０mm、摺動面幅１２５mmとし、すべて鋳造法により製造した。ただし、試験体Ｎｏ．４ａの内リングは鍛鋼製とした。
【００４８】
Ａｌ複合材ディスクを用いたブレーキ試験でも鍛鋼ディスクと同様に３００km/hからの非常ブレーキ負荷相当とした。
【００４９】
表３に試験結果を示す。
【００５０】
【表３】

【００５１】
表３に示すように、ブレーキ試験を行ったところ、従来例の試験体Ｎｏ．３ａおよびＮｏ．５ａでは、ブレーキ負荷の数回でディスクのボルト孔周辺にき裂が発生し、試験を中断したが、本発明例の試験体Ｎｏ．１ａおよび従来例の試験体Ｎｏ．４ａではき裂は発生しなかった。
【００５２】
従来例の試験体Ｎｏ．３ａ、Ｎｏ．５ａのボルト締結ではボルト孔部に集中していた応力が、本発明例の試験体Ｎｏ．１ａではフランジとディスクの接触部に一様に負荷され、ボルト孔部の応力が分散したためと考えられる。一方、試験体Ｎｏ．４ａでき裂が発生しなかったのはボルト部を有する内リングに高強度材料を使用したためである。
【００５３】
試験体Ｎｏ．１ａおよびＮｏ．４ａは引き続きブレーキ試験を行ってボルト部応力またはボルト応力を測定した。
【００５４】
表３に示すように、試験体Ｎｏ．４ａでは、摩擦特性が安定せず、使用できないことがわかった。一方試験体Ｎｏ．１ａでは、摩擦特性は安定しており、ブレーキディスクとして適用できることがわかった。また、ボルト部の応力も小さくなっていた。
【００５５】
以上のブレーキ試験結果より本発明の締結金具をディスクに適用することでボルト部およびボルトを長寿命化できることがわかった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の締結金具を用いることにより、ディスクと車輪の締結部および締結ボルトに負荷される応力を小さくすることが可能となり、締結部を長寿命化できる。また、ボルト孔部に発生する応力集中を小さくすることが可能となり、ディスクを長寿命化できる。さらに、締結作業のばらつき要因が減少するため、車輪全体の信頼性が向上する。本発明をＡｌ複合材ディスクに適用すると効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブレーキディスクを装着した鉄道用車輪の部分断面図である。
【図２】本発明の締結金具の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の締結金具を用いてディスクを車輪に締結した状態を示す縦断面図である。
【図４】本発明の他の締結金具の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：車輪 ２：車軸
３：ディスク ４：摺動面
５：リム ６：車輪ディスク
７：車輪のボルト孔 ８：ディスクのボルト孔
９：ボルト １０：ナット
１１、１１ａ、１１ｂ：締結金具
１２：雄型締結金具 １３：雌型締結金具
１４：フランジ １５：ボルト部
１６：ボルト孔

Claims (2)

1. 一対の第１の締結金具および第２の締結金具から構成される鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具であって、
   該第１の締結金具は環状のフランジを有するとともに、該フランジには、該フランジに固定されて起立する複数のボルトと、前記第２の締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔とが設けられ、
   前記第２の締結金具は環状のフランジを有するとともに、該フランジには、該フランジに固定されて起立する複数のボルトと、前記第１の締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔とが設けられること
   を特徴とする鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具。
2. 一対の雄型締結金具および雌型締結金具から構成される鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具であって、
   前記雄型締結金具は環状のフランジを有するとともに、該フランジには、該フランジに固定されて起立する複数のボルトが設けられ、
   前記雌型締結金具は環状のフランジを有するとともに、該フランジには、前記雄型締結金具から延びた複数のボルトを貫通させる複数のボルト孔が設けられること
   を特徴とする鉄道用車両用ブレーキディスクの締結金具。

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