JP4449180B2

JP4449180B2 - Brake disc fastening structure

Info

Publication number: JP4449180B2
Application number: JP2000205163A
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: 2000-07-06
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: JP2002021895A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として鉄道車両用ブレーキディスクに関し、ボルト孔等の締結孔の周縁部（以下、締結孔の周縁部を締結孔部ともいい、ボルト孔の周縁部をボルト孔部ともいう）に作用する応力を低減することにより、ブレーキディスクの締結孔部からの疲労破壊を抑制し、長期間の使用に耐え得るブレーキディスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、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。近年では、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。
【０００３】
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のことであり、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て制動力を得ることにより、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装置である。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。
【０００４】
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とがある。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。以下、側ディスクおよび軸マウントディスクをブレーキディスクと総称し、単にディスクともいう。
【０００５】
図１は、従来型の鉄道車両用ブレーキディスクの形状を示し、同図（ａ）は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。
【０００６】
同図に示すように、ブレーキディスク１は、一般に、摺動面４を含む外周部２と車輪等へ締結するための締結孔部であるボルト孔５の周縁部を有する内周部３とから構成されている。
【０００７】
図２は、従来型の鉄道車両用側ブレーキディスクが車輪へ取付けられた状態を模式的に示す断面図である。
同図に示すように、ブレーキディスク１、１は車輪６の両側面に締結部材であるボルト７とナット８とによって締結され、一体的に共回りするように取付けられている。ボルト７とナット８の座面には平座金９、９が夫々備えられている。ブレーキディスク１、１の摺動面４、４に対向する位置には、摺動面方向に移動可能な図示しないブレーキライニングが夫々取付けられ、車両を停止させるために制動するときには、ブレーキライニングがブレーキディスク側へ移動して車輪の両側面から強く挟圧し、この摩擦力によって車輪を介して車軸の回転を制動して車両を停止させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキ負荷時のディスクの回転速度や車両の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と比較して著しく大きい。そのため、ディスクの摺動面を含む外周部では、温度上昇に伴い非常に大きな熱膨張力が発生する。しかし、ボルト孔部を有し外周部に比して低温である内周部により拘束されるため、ディスク外周部では周方向に圧縮応力が生じ、ディスク内周部では周方向に引張応力が生じる。ディスク内周部のボルト孔部には前記引張応力が集中するため、ボルト孔部がディスク全体の中で最も危険な部位となる場合がある。
【０００９】
また、上述したように、ディスク外周部の膨張を拘束するディスク内周部のボルト孔部には引張応力が集中し、ブレーキ時には回転方向の応力をボルトから繰返し受けるため、ボルト孔部は疲労破壊が発生し易い危険部となる場合がある。したがって、ボルト孔部へ負荷されるこれらの応力を低減することにより、ディスクを長寿命化する技術が求められている。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み、ボルト孔等の締結孔に挿通させたボルト等の締結部材によりディスクを被締結部材に締結させる締結構造において、ブレーキング時、つまりブレーキを作動させるときにディスクのボルト孔部等の締結孔部に作用する応力を低減させ、締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制し、ディスクを長寿命化することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ディスクのボルト孔部等の締結孔部に生じる応力集中を分散させるために、締結孔以外の部位によりディスクを拘束することを検討した。その結果、以下の知見を得た。
【００１２】
ボルト孔等の締結孔に挿通させたボルト等の締結部材によりディスクを被締結部材に締結させる締結構造において、前記締結に用いる座金を前記締結孔の周辺部において前記ディスクと嵌合させることにより、締結孔部への応力集中が分散し、締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、締結孔の周辺部とは、締結部材により車輪等の被締結部材へ締結するためにディスクに設けた締結孔の周縁部よりも締結孔に対して外側に位置する部位のことである。また、被締結部材とは、締結部材によりディスクと締結される部材であり、例えば、車輪に直接締結する側ディスクの場合には車輪であり、軸マウントディスクの場合においてディスク体を介して締結する場合にはディスク体である。
【００１４】
本発明は、上記知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は以下のとおりである。
ブレーキディスクに設けた締結孔に挿通させた締結部材により締結してなるブレーキディスクの締結構造であって、前記締結に用いる座金が、前記締結部材を挿通させる締結孔を備える板部と該板部に略直交する方向へ向けて突出して設けられる嵌合部とからなり、該嵌合部が前記ブレーキディスクの締結孔の周辺部において前記ブレーキディスクと嵌合してなることを特徴とするブレーキディスクの締結構造。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様例について、図面を参照して詳細に説明する。
図３は、鉄道車両用側ブレーキディスクを車輪へ取付ける締結構造を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）は本発明の一実施態様の締結構造であり、同図（ｂ）は従来の締結構造である。同図において、符号１０はディスクに設けた凹部と嵌合する凸部を有する座金であり、図２と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００１６】
同図（ａ）に示すように、本実施態様の締結構造においては、座金１０が締結孔の周辺部においてディスクと嵌合しているのに対し、従来の締結構造においては、平座金９はディスクと嵌合していない。
【００１７】
上述したように、同図（ｂ）に示す従来型のディスクの締結構造を適用した場合には、ボルト孔部においてのみディスクを拘束することとなり、ブレーキングにより発生する熱応力により、ディスク内周部のボルト孔部には著しい応力集中が生じて局所的な塑性変形を生じる場合がある。また、ブレーキ時には、回転方向の変位を拘束するために、ボルト孔部には著しい応力が回転方向に作用する。このため、ディスクの強度・延性が低い場合には、ボルト孔部よりき裂が発生し破断に至る場合がある。
【００１８】
これに対し、同図（ａ）に示す本実施態様のディスクの締結構造を適用した場合には、ボルト孔部のみならず座金との嵌合部においてもディスクを拘束することとなり、ブレーキングにより発生する熱応力により作用するボルト孔部への応力が分散され、局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。これにより、ボルト孔部からのき裂の発生を抑制して、ディスクの長寿命化を図ることができる。
【００１９】
図４は、本発明の締結構造に適用される座金の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
図５は、本発明の締結構造に適用される座金の他の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【００２０】
図４及び図５に示すように、本実施態様例の座金は嵌合部１１と締結孔１２を備える板部１３とから構成させる。
ここで、座金の板厚ｔは、５ｍｍ以上とするのが好ましい。座金の板厚ｔが５ｍｍ未満では、締結時に板部１３が変形する可能性があり、また、嵌合部１１に負荷される応力により板部１３が変形してしまい、所期の応力分散効果が得られない場合がある。一方、板厚ｔを過度に大きくするとディスクの締結部の板厚を小さくせざるを得ない場合が生じるので、この場合にはディスクの強度低下を抑制するために座金の板厚ｔを１５ｍｍ以下とするとよい。
【００２１】
座金の嵌合部深さｄは、５ｍｍ〜２０ｍｍとするのが好ましい。嵌合部深さｄが５ｍｍ未満では、座金によるディスクを拘束する効果が小さくなり、応力分散効果が小さくなるおそれがある。また、嵌合部深さｄが２０ｍｍ超では、嵌合部のディスクの板厚が小さくなりディスクの強度低下を招く可能性がある。
【００２２】
座金の嵌合部幅ｗは、５ｍｍ以上とすることが好ましい。嵌合部幅ｗが５ｍｍ未満では、強度不足により座金の嵌合部１１が容易に変形し、所期の応力分散効果が得られない場合がある。
【００２３】
嵌合部１１の先端部には、応力集中を防ぐために、面取り加工若しくはＲ面加工を施すことが好ましい。
上記応力分散効果を効果的に得るためには、締結部材と締結孔部の位置に変位が生じた場合に、締結部材と締結孔部とが接触して締結部材から締結孔部へ応力が負荷される前に、締結部材と座金とが接触して締結部材から座金とディスクとの嵌合部へ応力が負荷されるようにした方が好ましい。このため、座金の締結孔１２の径は、ディスクの締結孔５の径よりも小さくすることが好ましい。
【００２４】
上記応力分散効果を効果的に得るためには、座金とディスクとの嵌合部の領域を大きくした方が好ましい。このため、図４に示すように、座金形状が円形である場合には、座金の外径Ｄはディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。また、図５に示すように、座金形状が長方形である場合には、座金の長さＸ及び幅Ｙを共にディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。座金形状が正方形である場合にも、１辺の長さをディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。
【００２５】
図６は、図４に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す部分断面図であり、図１と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２６】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する環状の嵌合部１４が設けられている。
図７は、図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す部分断面図であり、図６と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２７】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する２本の平行な線分状の嵌合部１４が、ディスクの半径方向に締結孔５を挟むように設けられている。
【００２８】
図８は、図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す部分断面図であり、図６と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２９】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する２本の平行な線分状の嵌合部１４が、ディスクの円周方向に締結孔５を挟むように設けられている。
【００３０】
図６〜図８において、ディスクの嵌合部１４は、締結作業時の作業性の観点から座金の嵌合部１１に対して大きい方が好ましいが、過度に大きくするとブレーキ負荷時に座金が振動したり、がたついたりするため、０．１〜０．５ｍｍのギャップを生じるようにするのが好ましい。また、嵌合部１４のコーナー部には、応力集中を防ぐために、面取り加工若しくはＲ面加工を施すことが好ましい。
【００３１】
なお、本実施態様においては、ディスクの一の締結孔に対し一の座金を夫々配置するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、座金がディスクの締結孔の周辺部で嵌合するようになしてあればよく、ディスクの締結孔の全てに対応する１つの環状の座金を配置したり、前記環状の座金を分割したような複数の締結孔に対応する座金を複数配置したりしてもよい。
【００３２】
また、本実施態様においては、嵌合部として、座金に凸部を、ディスクに凹部を夫々設けて互いに嵌合させるようにしたが、座金に凹部を、ディスクに凸部を夫々設けて、互いに嵌合させるようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施態様では、鉄道車両用ブレーキディスクを例にとって述べたが、本発明はこれに限定されるものでなく、自動車及び自動二輪車等の機械式制動装置にも適用される。
【００３４】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、Ａｌ基複合材を使用し砂型鋳造法により５種類のディスク（外径：７８０ｍｍ、摺動面幅：１２５ｍｍ）を製造し、これらに対応する座金を用いて締結し、ブレーキ試験を行なった。また、ＦＥＭ解析により締結部における相当塑性歪を求めた。
【００３５】
表１に試験を行った締結様式として座金形状と締結部数を示す。
【００３６】
【表１】

同表において、嵌合部付円形座金とは図４に示す形状の座金であり、嵌合部付長方形座金とは図５に示す形状の座金である。上記嵌合部付座金は、材質をＳＵＳ３０４とし、板厚ｔ：１０ｍｍ、嵌合部幅ｗ：１０ｍｍ、嵌合部深さｄ：１５ｍｍとした。また、嵌合部付円形座金では、座金外径Ｄ：６０ｍｍ、嵌合部付長方形座金では、長さＸ：６０ｍｍ、幅Ｙ：５０ｍｍとした。なお、嵌合部付長方形座金の配置は図８に示すようにした。
【００３７】
また、平座金は、嵌合部付座金と同一の材質を用いて、板厚：５ｍｍ、座金外径：６０ｍｍとした。
ブレーキ試験は、ＪＲ新幹線の台車をモデルにした車輪試験機を用い、ディスクを２枚一組として、摺動面を外側にして車輪の両面に取り付けて行なった。ブレーキライニング材には、銅系焼結合金を用い、初速度３００ｋｍ／ｈから非常ブレーキ相当の条件で行なった。このとき、試験番号１〜５のディスクの温度は約４００℃まで上昇した。その後ディスクを放冷し、ディスク温度が６０℃まで低下したところで、再度車輪を駆動させ、前記条件にてブレーキ試験を再度行なった。この工程を１００回繰り返し行った。
【００３８】
また、ＦＥＭ解析は、上記ブレーキ試験と同様の条件で、繰返し回数を４回として締結部（試験番号３についてはボルト孔部、その他についてはボルト孔部及び嵌合部）における相当塑性歪を求めた。
【００３９】
ブレーキ試験およびＦＥＭ解析結果を表１に併せて示す。
同表のブレーキ試験欄において、「○」は１００回のブレーキ試験後にボルト孔部にき裂が発生していなかったことを示し、「×」はき裂が発生していたことを示す。また、同表のＦＥＭ解析結果欄の数値は、ボルト孔部及び座金との嵌合部において発生する相当塑性歪（％）を示す。
【００４０】
同表に示すように、従来のように平座金を適用した試験番号３では、ブレーキ試験においてボルト孔部よりき裂が発生した。また、ＦＥＭ解析結果においても１．５％以上の相当塑性歪が発生しており、ブレーキ負荷時にき裂が発生する可能性が高いことが確認された。
【００４１】
一方、試験番号１及び２のように嵌合部付座金を適用した場合には、ブレーキ試験においてき裂は発生せず良好であった。また、ＦＥＭ解析結果においても、ボルト孔部と嵌合部の歪が１．０％以下と小さく良好な値となっており、ボルト孔部へ負荷される応力が分散されていることが確認された。
【００４２】
また、試験番号１、４、５に示すように、嵌合部付円形座金を適用した場合であって締結部を変更した場合においては、締結部数を６箇所にまで低減させてもブレーキ試験においてき裂は発生せず、また、ＦＥＭ解析結果からも若干嵌合部の相当塑性歪が増加するものの、その値は１．０％以下と小さく、締結部数を低減できる可能性が示された。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、締結孔の周辺部においてディスクと嵌合する座金を備えた締結構造を適用することにより、ディスクの締結孔部に負荷される応力を分散させることが可能となるので、ディスクの締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制することができ、ディスクを長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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、図１（ａ）は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。
【図２】従来型の鉄道車両用側ブレーキディスクが車輪へ取付けられた状態を模式的に示す断面図である。
【図３】鉄道車両用側ブレーキディスクを車輪へ取付ける締結構造を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）は本発明の一実施態様の締結構造であり、同図（ｂ）は従来の締結構造である。
【図４】本発明の締結構造に適用される座金の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の締結構造に適用される座金の他の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【図６】図４に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す部分断面図である。
【図７】図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す部分断面図である。
【図８】図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：ブレーキディスク２：外周部
３：内周部４：摺動面
５：ボルト孔（締結孔）６：車輪（被締結部材）
７：ボルト（締結部材）８：ナット（締結部材）
９：平座金１０：嵌合部付座金
１１：座金嵌合部１２：座金締結孔
１３：座金板部１４：ディスク嵌合部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to a brake disc for a railway vehicle and acts on a peripheral portion of a fastening hole such as a bolt hole (hereinafter, the peripheral portion of the fastening hole is also referred to as a fastening hole portion, and the peripheral portion of the bolt hole is also referred to as a bolt hole portion). The present invention relates to a brake disc that suppresses fatigue failure from the fastening hole portion of the brake disc by reducing the stress to be applied and can withstand long-term use.
[0002]
[Prior art]
Block brakes, drum brakes, disk 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.
[0003]
A disc brake is a device that obtains braking force by friction between the brake disc and the brake lining, and usually presses the brake lining against the sliding surface of a donut-shaped disc-like disc attached to an axle or a wheel with bolts. In this device, the vehicle speed is controlled by braking the rotation of the axle or wheels by obtaining braking force. The disk-shaped disc having this sliding surface is called a brake disc.
[0004]
Among brake discs, a railcar brake disc includes a side disc and a shaft mount disc. 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. Hereinafter, the side disk and the shaft mount disk are collectively referred to as a brake disk, and are also simply referred to as a disk.
[0005]
FIG. 1 shows the shape of a conventional railway vehicle brake disk, wherein FIG. 1 (a) is a partial plan view showing a quarter of a railway vehicle brake disk, and FIG. It is a fragmentary sectional view which shows the AA cross section of (a).
[0006]
As shown in the figure, the brake disc 1 generally includes an outer peripheral portion 2 including a sliding surface 4 and an inner peripheral portion 3 having a peripheral portion of a bolt hole 5 that is a fastening hole portion for fastening to a wheel or the like. It is configured.
[0007]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a conventional railway vehicle brake disc is attached to a wheel.
As shown in the figure, the

brake discs

1 and 1 are fastened to both side surfaces of the wheel 6 by bolts 7 and nuts 8 as fastening members, and are attached so as to rotate together.

Flat washers

9, 9 are provided on the bearing surfaces of the bolt 7 and the nut 8, respectively. Brake linings (not shown) that are movable in the direction of the sliding surfaces are respectively attached to the positions facing the

sliding surfaces

4 and 4 of the

brake discs

1 and 1, and when braking to stop the vehicle, the brake linings are braked. It moves to the disk side and strongly squeezes from both sides of the wheel, and this friction force brakes the rotation of the axle through the wheel to stop the vehicle.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen, the disk rotation speed and the inertial force of the vehicle when a brake is applied are very large, so the temperature rise of the disk is significantly larger than that for other automobiles and motorcycles. For this reason, a very large thermal expansion force is generated in the outer peripheral portion including the sliding surface of the disk as the temperature rises. However, since it has a bolt hole and is constrained by the inner peripheral portion, which is lower in temperature than the outer peripheral portion, compressive stress is generated in the circumferential direction at the outer peripheral portion of the disk, and tensile stress is generated in the circumferential direction at the inner peripheral portion of the disk. . Since the tensile stress concentrates on the bolt hole at the inner periphery of the disk, the bolt hole may be the most dangerous part of the entire disk.
[0009]
In addition, as described above, tensile stress concentrates on the bolt hole in the inner disk part that restrains the expansion of the outer disk part of the disk, and the bolt hole part is subject to fatigue failure due to repeated stress in the rotational direction during braking. May become a dangerous part. Therefore, there is a need for a technique for extending the life of the disk by reducing these stresses applied to the bolt holes.
[0010]
In view of the above problems, the present invention provides a fastening structure in which a disc is fastened to a fastened member by a fastening member such as a bolt inserted through a fastening hole such as a bolt hole. An object of the present invention is to reduce the stress acting on the fastening hole portion such as the bolt hole portion, suppress the occurrence of fatigue failure from the fastening hole portion, and extend the life of the disk.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to disperse the stress concentration generated in the fastening hole portion such as the bolt hole portion of the disc, the present inventors studied to constrain the disc by a portion other than the fastening hole. As a result, the following knowledge was obtained.
[0012]
In a fastening structure in which a disk is fastened to a fastened member by a fastening member such as a bolt inserted into a fastening hole such as a bolt hole, by fitting a washer used for fastening with the disk at the periphery of the fastening hole, The stress concentration in the fastening hole is dispersed, and the occurrence of fatigue failure from the fastening hole can be suppressed.
[0013]
Here, the peripheral portion of the fastening hole is a portion located on the outer side with respect to the fastening hole than the peripheral portion of the fastening hole provided in the disk in order to fasten the fastening member such as a wheel by the fastening member. . Further, the fastened member is a member fastened to the disc by the fastening member, for example, a wheel in the case of a side disc that is fastened directly to a wheel, and fastened via a disc body in the case of an axial mount disc. In the case of a disc body.
[0014]
The present invention has been completed based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
A brake disc fastening structure that is fastened by a fastening member inserted through a fastening hole provided in the brake disc, wherein the washer used for fastening includes a fastening hole through which the fastening member is inserted, and the plate portion And a fitting portion that protrudes in a direction substantially orthogonal to the brake disc, and the fitting portion is fitted to the brake disc at a peripheral portion of a fastening hole of the brake disc. Fastening structure.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a fastening structure for attaching a railcar brake disc to a wheel. FIG. 3 (a) is a fastening structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a conventional fastening structure. In the figure, reference numeral 10 denotes a washer having a convex part that fits into a concave part provided on the disk, and the same elements as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
[0016]
As shown in FIG. 5A, in the fastening structure of the present embodiment, the washer 10 is fitted to the disk at the periphery of the fastening hole, whereas in the conventional fastening structure, the plain washer 9 is It is not mated with the disc.
[0017]
As described above, when the conventional disc fastening structure shown in FIG. 5B is applied, the disc is restrained only at the bolt hole, and the inner periphery of the disc is caused by the thermal stress generated by braking. In some cases, a significant stress concentration occurs in the bolt hole portion, and local plastic deformation may occur. Further, during braking, a significant stress acts on the bolt hole in the rotational direction in order to restrain displacement in the rotational direction. For this reason, when the strength and ductility of the disk are low, a crack may be generated from the bolt hole portion and the fracture may occur.
[0018]
On the other hand, when the disc fastening structure of the present embodiment shown in FIG. 5A is applied, the disc is restrained not only in the bolt hole portion but also in the fitting portion with the washer. The stress to the bolt hole acting by the generated thermal stress is dispersed, and the occurrence of local plastic deformation can be suppressed. Thereby, generation | occurrence | production of the crack from a bolt hole part can be suppressed, and lifetime improvement of a disk can be aimed at.
[0019]
FIG. 4 is a view showing an embodiment of a washer applied to the fastening structure of the present invention, where FIG. 4 (a) is a side view and FIG. 4 (b) is a plan view.
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the washer applied to the fastening structure of the present invention, where FIG. 5 (a) is a side view and FIG. 5 (b) is a plan view.
[0020]
As shown in FIGS. 4 and 5, the washer according to this embodiment is configured by a fitting portion 11 and a plate portion 13 having a fastening hole 12.
Here, the plate thickness t of the washer is preferably 5 mm or more. If the plate thickness t of the washer is less than 5 mm, the plate portion 13 may be deformed at the time of fastening, and the plate portion 13 is deformed by the stress applied to the fitting portion 11, and the desired stress dispersion effect. May not be obtained. On the other hand, if the plate thickness t is excessively increased, there may be a case where the plate thickness of the fastening portion of the disc has to be reduced. In this case, the plate thickness t of the washer is 15 mm or less in order to suppress a decrease in strength of the disc. It is good to do.
[0021]
The fitting portion depth d of the washer is preferably 5 mm to 20 mm. When the fitting portion depth d is less than 5 mm, the effect of restraining the disk by the washer is reduced, and the stress dispersion effect may be reduced. On the other hand, when the fitting portion depth d exceeds 20 mm, the disc thickness of the fitting portion becomes small, which may cause a reduction in strength of the disc.
[0022]
The fitting part width w of the washer is preferably 5 mm or more. If the fitting portion width w is less than 5 mm, the fitting portion 11 of the washer easily deforms due to insufficient strength, and the desired stress distribution effect may not be obtained.
[0023]
In order to prevent stress concentration at the tip of the fitting portion 11, it is preferable to perform chamfering or R-surface processing.
In order to effectively obtain the stress dispersion effect, when displacement occurs between the fastening member and the fastening hole portion, the fastening member and the fastening hole portion come into contact with each other and stress is applied from the fastening member to the fastening hole portion. Before the fastening member and the washer are brought into contact with each other, it is preferable that stress is applied from the fastening member to the fitting portion between the washer and the disk. For this reason, the diameter of the fastening hole 12 of the washer is preferably smaller than the diameter of the fastening hole 5 of the disk.
[0024]
In order to effectively obtain the stress dispersion effect, it is preferable to increase the area of the fitting portion between the washer and the disk. Therefore, as shown in FIG. 4, when the washer shape is circular, the outer diameter D of the washer is preferably at least twice the diameter of the fastening hole of the disk. Also, as shown in FIG. 5, when the washer shape is rectangular, it is preferable that both the length X and the width Y of the washer are at least twice the fastening hole diameter of the disc. Even when the washer shape is a square, it is preferable that the length of one side is at least twice the fastening hole diameter of the disk.
[0025]
6 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 4 is applied. FIG. 6 (a) is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. 6 (b) shows the same figure (a). ) Is a partial cross-sectional view showing a B-B cross section, and the same elements as those in FIG.
[0026]
As shown in the figure, an annular fitting portion 14 that fits with the fitting portion 11 of the washer shown in FIG.
FIG. 7 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 5 is applied. FIG. 7 (a) is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. ) Is a partial cross-sectional view showing a CC cross section, and the same elements as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
[0027]
As shown in the figure, at the periphery of the fastening hole of the disk, there are two parallel line-shaped fitting parts 14 that fit the fitting part 11 of the washer shown in FIG. Are provided so as to sandwich the fastening hole 5 therebetween.
[0028]
FIG. 8 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 5 is applied. FIG. 8A is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. ) Is a partial cross-sectional view showing a DD cross section, and the same elements as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
[0029]
As shown in the figure, at the periphery of the fastening hole of the disk, there are two parallel line-shaped fitting parts 14 that fit the fitting part 11 of the washer shown in FIG. It is provided so as to sandwich the fastening hole 5 in the direction.
[0030]
6 to 8, the disc fitting portion 14 is preferably larger than the fitting portion 11 of the washer from the viewpoint of workability at the time of fastening work. However, if the disc fitting portion 14 is excessively large, the washer vibrates when a brake is applied. It is preferable to create a gap of 0.1 to 0.5 mm. Further, it is preferable that the corner portion of the fitting portion 14 is subjected to chamfering processing or R-surface processing in order to prevent stress concentration.
[0031]
In this embodiment, one washer is arranged for each fastening hole of the disc. However, the present invention is not limited to this, and the washer is located at the periphery of the fastening hole of the disc. As long as it fits, one annular washer corresponding to all the fastening holes of the disk is arranged, or a plurality of washers corresponding to a plurality of fastening holes such as the annular washer are arranged. You may do it.
[0032]
Further, in the present embodiment, as the fitting portion, a convex portion is provided on the washer and a concave portion is provided on the disc to be fitted to each other. However, a concave portion is provided on the washer and a convex portion is provided on the disc, respectively. You may make it fit.
[0033]
In the present embodiment, the brake disk for railway vehicles has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to mechanical braking devices such as automobiles and motorcycles.
[0034]
【Example】
In order to confirm the effect of the present invention, five kinds of discs (outer diameter: 780 mm, sliding surface width: 125 mm) are manufactured by sand casting using an Al-based composite material, and fastened with corresponding washers. A brake test was conducted. Further, the equivalent plastic strain at the fastening portion was obtained by FEM analysis.
[0035]
Table 1 shows the washer shape and the number of fastening parts as the fastening style tested.
[0036]
[Table 1]

In the table, the circular washer with a fitting portion is a washer having the shape shown in FIG. 4, and the rectangular washer with a fitting portion is a washer having the shape shown in FIG. The fitting washer has a material of SUS304, a plate thickness t: 10 mm, a fitting part width w: 10 mm, and a fitting part depth d: 15 mm. Further, in the circular washer with fitting portion, the washer outer diameter D was 60 mm, and in the rectangular washer with fitting portion, the length X was 60 mm and the width Y was 50 mm. In addition, arrangement | positioning of the rectangular washer with a fitting part was made to show in FIG.
[0037]
The flat washer was made of the same material as the washer with the fitting portion, and the plate thickness was 5 mm and the washer outer diameter was 60 mm.
The brake test was performed using a wheel tester modeled on a JR Shinkansen carriage, and two discs as a set, with the sliding surfaces on the outside and attached to both sides of the wheel. A copper-based sintered alloy was used as the brake lining material, and the initial speed was 300 km / h and the conditions were equivalent to emergency braking. At this time, the temperature of the disks of test numbers 1 to 5 rose to about 400 ° C. Thereafter, the disc was allowed to cool, and when the disc temperature dropped to 60 ° C., the wheel was driven again, and the brake test was performed again under the above conditions. This process was repeated 100 times.
[0038]
The FEM analysis is to obtain the equivalent plastic strain at the fastening part (bolt hole part for test number 3 and bolt hole part and fitting part for others) under the same conditions as the above-mentioned brake test and 4 repetitions. It was.
[0039]
The brake test and FEM analysis results are also shown in Table 1.
In the brake test column of the same table, “◯” indicates that no crack was generated in the bolt hole after 100 brake tests, and “X” indicates that a crack was generated. Moreover, the numerical value of the FEM analysis result column of the same table | surface shows the equivalent plastic strain (%) which generate | occur | produces in a bolt hole part and a fitting part with a washer.
[0040]
As shown in the table, in test number 3 in which a plain washer was applied as in the prior art, a crack occurred from the bolt hole in the brake test. Also, FEM analysis results show that 1.5% or more of equivalent plastic strain has occurred, and it was confirmed that there is a high possibility of cracks occurring when a brake is applied.
[0041]
On the other hand, when a washer with a fitting part was applied as in

test numbers

1 and 2, no crack was generated in the brake test, which was good. Also in the FEM analysis results, it was confirmed that the distortion of the bolt hole portion and the fitting portion was as small as 1.0% or less, and the stress applied to the bolt hole portion was dispersed. It was.
[0042]
In addition, as shown in Test Nos. 1, 4, and 5, when a circular washer with a fitting part is applied and the fastening part is changed, the brake test can be performed even if the number of fastening parts is reduced to six. The crack did not occur, and the FEM analysis result showed that although the equivalent plastic strain of the fitting portion slightly increased, the value was as small as 1.0% or less, indicating that the number of fastening portions could be reduced.
[0043]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to disperse the stress applied to the fastening hole portion of the disk by applying a fastening structure including a washer that fits with the disk in the periphery of the fastening hole. The occurrence of fatigue failure from the fastening hole can be suppressed, and the life of the disk can be extended.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the shape of a conventional railway vehicle brake disk, FIG. 1 (a) is a partial plan view showing a quarter of a railway vehicle brake disk, and FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing an AA cross section of FIG.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a conventional railway vehicle brake disc is attached to a wheel.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a fastening structure for attaching a railway vehicle brake disc to a wheel. FIG. 3 (a) is a fastening structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a conventional fastening structure.
4A and 4B are diagrams showing an embodiment of a washer applied to the fastening structure of the present invention, where FIG. 4A is a side view and FIG. 4B is a plan view.
5A and 5B are views showing another embodiment of the washer applied to the fastening structure of the present invention, where FIG. 5A is a side view and FIG. 5B is a plan view.
6 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 4 is applied. FIG. 6 (a) is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. It is a fragmentary sectional view which shows the BB cross section of).
7 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 5 is applied. FIG. 7 (a) is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. It is a fragmentary sectional view which shows CC cross section of).
8 shows one shape of a disk to which the washer shown in FIG. 5 is applied. FIG. 8 (a) is a partial plan view showing a quarter of the disk, and FIG. 8 (b) shows the same figure (a). It is a fragmentary sectional view which shows the DD cross section of).
[Explanation of symbols]
1: brake disc 2: outer peripheral part 3: inner peripheral part 4: sliding surface 5: bolt hole (fastening hole) 6: wheel (fastened member)
7: Bolt (fastening member) 8: Nut (fastening member)
9: Plain washer 10: Washer with fitting part 11: Washer fitting part 12: Washer fastening hole 13: Washer plate part 14: Disc fitting part

Claims

A brake disc fastening structure that is fastened by a fastening member inserted through a fastening hole provided in the brake disc, wherein the washer used for fastening includes a fastening hole through which the fastening member is inserted, and the plate portion And a fitting portion that protrudes in a direction substantially orthogonal to the brake disc, and the fitting portion is fitted to the brake disc at a peripheral portion of a fastening hole of the brake disc. Fastening structure.