JP4453595B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

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、熱変形を抑制することにより、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４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５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、側ディスクのような片側に入熱されるブレーキディスクでは、制動中の摺動面側と裏面側に温度差、つまり、厚さ方向に温度勾配が生じる。

ブレーキディスクに温度勾配が生じると、摺動面側と裏面側で制動中の熱膨張に差が生じ、より高温となる摺動面側の熱膨張が拘束される。このような状態からブレーキディスクが冷却されると、熱膨張が拘束された摺動面側は、圧縮の塑性変形により収縮が生じる。その結果、ブレーキディスクの外周部が軸方向に変形する、いわゆる反り変形が生じることになる。

図６は従来型のブレーキディスク１が反り変形した状態を模式的に示した半径方向−軸方向断面図である。このような反り変形が大きくなると、制動中にブレーキライニングとブレーキディスクとの接触が不均一となるために摩擦力が不安定となり、所定の制動特性が得られなくなる可能性がある。また、ブレーキライニングとブレーキディスクとの接触が不均一になると、局所的に入熱量が大きくなるため、ブレーキディスクへの熱負荷が大きくなって、ブレーキディスクやボルトの疲労寿命を短くする原因ともなり得る。このため、使用中は定期的に反りを監視し、反り量がある値以上になればブレーキディスクを新しいものと交換している。

このようなブレーキディスクの反り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、特許文献１で開示されている。
特開２００１−３１１４４１号公報

図７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反り変形を低減することが可能となる。

特許文献１の技術によれば、反りの絶対量を抑えることは可能である。しかしながら、ブレーキディスクの周方向に注目した場合、ボルトによる締結部と非締結部とで、反りの大きさに差が生じることがある。このような周方向にみた反りの差をうねりと呼ぶ。このうねりの発生は、ボルトによる締結部と非締結部とにおける変形に対する拘束の差、あるいは剛性の差に起因している。

うねりが大きくなると、制動中におけるブレーキライニングとブレーキディスクとの接触が周方向に不均一となるため、反りの場合と同様、摩擦力が不安定となって、所定の制動特性が得られなくなる可能性がある。

また、この接触の不均一が局所的な入熱量を大きくし、ブレーキディスクへの熱負荷が大きくなって、ブレーキディスクやボルトの疲労寿命を短くする原因ともなり得る。また近年、車両の高速化に伴いブレーキディスクへの熱負荷が増大する傾向にあるなか、単に摺動部で車輪と締結するだけでは、反りを十分に抑えられなくなる可能性がある。

反りを低減するために、ブレーキディスクの熱膨張をできるだけ拘束しないようにするには、周方向、板厚方向、半径方向の剛性を共に適正なものとし、さらには板厚方向の拘束を緩和するために車輪との接触位置を適正なものとして、可能な限り反りを抑制するための適正なブレーキディスク形状となすことが必要不可欠である。

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、うねりの発生を抑えることができないという点である。また、車両の高速化に伴いブレーキディスクへの熱負荷が増大する傾向にあるなか、ただ単に摺動部で車輪と締結するだけでは、反りを十分に抑えられなくなる可能性があるという点である。

本発明の課題はブレーキディスクの反りとうねりを抑制することである。ブレーキディスクの反りとうねりを抑制するためには、制動中の熱膨張を可能な限り拘束せず、ブレーキディスクのひずみ集中を緩和する必要がある。

そのための手段として、ブレーキディスクの形状をひずみ集中の小さい剛性のバランスのとれたものとすることが挙げられる。特に締結部はボルトによる拘束が大きく、ひずみが集中する傾向にあるため、その周りとの剛性のバランスが重要となる。

そこで、発明者らは有限要素解析によって、ひずみ集中を緩和できるブレーキディスク形状を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、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形状を適正化することにより、反りとうねりを低減し、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、
摺動部をｎ本のボルトで締結する鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記摺動部を構成する全周にわたってほぼ一様な板厚のディスク部と、
このディスク部の車輪との当接面側に設けられた突起状部とで形成されており、
前記摺動部に設けた締結孔を中心として円周方向に３６０／（２ｎ）度の領域を締結部となして、この締結部の合計体積を、締結部以外の領域である非締結部の合計体積の１．１倍以下とすると共に、
前記ブレーキディスクの内周端から外周端に亘って半径方向に連続的に形成した、前記突起状部の合計体積が、前記ディスク部の合計体積の０．１５倍以上となるように形成されていることを最も主要な特徴としている。

前記の本発明では、締結部の合計体積を締結部以外の領域である非締結部の合計体積に対して１．１倍以下とすることで、締結部の剛性が必要以上に高くならずにひずみ集中を緩和でき、反りとうねりを低減できるようになる。

本発明において、締結部の合計体積を、締結部以外の領域である非締結部の合計体積の１．１倍以下とするのは、発明者らが、有限要素解析でひずみ集中を緩和できるブレーキディスク形状を検討した結果に基づくもので、後述の実施結果からもその有効性は明らかである。

前記の本発明では、
前記ブレーキディスクを、
前記摺動部を構成する全周にわたってほぼ一様な板厚のディスク部と、
このディスク部の車輪との当接面側に設けられた突起状部とで形成し、
前記突起状部の合計体積が、前記ディスク部の合計体積の０．１５倍以上となるように形成しているので、ブレーキディスク全体の剛性が十分にとれて反りを効果的に抑制できるようになる。

また、前記の本発明では、
前記突起状部を、前記ブレーキディスクの内周から外周に亘って半径方向に連続的に形成しているので、内外周の剛性が不足することによる反りの発生、あるいは応力集中による反りの発生を効果的に防止できるようになる。

さらに、前記本発明において、
前記突起状部の形状を、ブレーキディスクの半径方向に一様でなく、前記摺動部の半径方向中央部に比べて内周側と外周側の体積が小さくなるように形成した場合には、摺動部の半径方向中央と内周側及び外周側のひずみ差を小さくすることができ、さらに反りを低減できるようになる。

またさらに、前記の本発明において、
前記ブレーキディスクを、
前記非締結部の内外周端近傍で車輪と接触するように形成した場合には、締結部における板厚方向の拘束を緩和しつつ、ブレーキディスクが内周側或いは外周側に傾いて反りが大きくなるのをより効果的に防ぐことができる。

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における制動時の熱膨張を可能な限り拘束しないような適正形状にすることで、一部にひずみが集中するのを防いで、反りやうねり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（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は外周側から見たブレーキディスクの１／１２の周方向−軸方向平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。

この締結孔１２ａを中心線として、周方向に３６０度／（２×１２本）=１５度の領域を締結部１３とし、この締結部１３の合計体積が締結部以外の領域である非締結部１４の合計体積の例えば０．９７倍となるようにしている。このような構成によって、締結部１３の剛性が必要以上に高くならず、締結部１３にひずみが集中するのを抑制し、反りやうねりを低減することが可能となる。

本発明では、反りやうねりを低減するための適正な締結部１３の合計体積は、非締結部１４の合計体積に対して１．１倍以下とするのであるが、さらに反りとうねりを低減するためには、締結部１３の合計体積を非締結部１４の合計体積に比べて１．０倍以下とするのが好ましい。

また、締結部１３の体積が小さ過ぎると、非締結部１４の剛性の方が高くなってひずみが集中する可能性があるので、締結部１３の合計体積は非締結部１４の合計体積に比べて０．８倍以上とするのが好ましい。

本発明では、締結部１３の合計体積が非締結部１４の合計体積の１．１倍以下となれば、締結部１３と非締結部１４の形状は特に限定されず、それぞれ自由に形成すれば良いが、剛性のバランスをとるためには周期的に同じ形状となすことが好ましい。ここで、周期的に同じ形状とは、周期的に全く同じ形状であるものに加え、１つの締結部１３の体積がそれと隣り合う非締結部１４の体積の０．８倍以上、１．１倍以下であれば、必要な剛性のバランスをとることができるため、この範囲も含むものとする。また、個々の形状は応力集中が生じないように切欠き状の部位や極端に薄肉の部位は設けないようにすることが好ましい。

ブレーキディスク１１を締結するためのボルト５の本数ｎは、ブレーキディスク１１を車輪４に締結するための締結力を十分に確保するためには６本以上とするのが好ましい。一方、ボルト５の本数ｎが多すぎると、締結孔１２ａの数も多くなりすぎて摺動面１２ｂにおけるブレーキライニングとの接触面積が十分確保できないため、１８本以下とするのが好ましい。

また、締結孔１２ａはできるだけ周方向の均等角度位置に配置するのが好ましいが、少なくとも６０度に１つは存在するようにするのが好ましい。
さらに、車両の高速化の観点から、ブレーキディスク１１はできるだけ軽量な方が望ましいため、締結部１３と非締結部１４の体積の絶対値は小さいほど良い。そのためには、形状を図１に示したように、摺動面１２ｂを含み全周にわたってほぼ一様な板厚となるディスク部１５に突起状部１６を設けるように形成する。

図１及び図２に示した例では、突起状部１６は半径方向に連続的に形成されているものの、その形状は一様ではなく、摺動部１２の中央１２ｃの体積に比べて、内周側１２ｄと外周側１２ｅの体積を小さくしたものを示している。このように形成することよって、摺動部１２の中央１２ｃと内周側１２ｄ及び外周側１２ｅのひずみ差を小さくすることができ、反りを低減することができる。

ここで、摺動部１２の中央１２ｃとは、突起状部１６を半径方向に３分割したときの中央部を、内周側１２ｄとは、突起状部１６を半径方向に３分割したときの内周側を、外周側１２ｅとは、突起状部１６を半径方向に３分割したときの外周側の領域をいう。この半径方向における突起状部１６の形状は、内外周の剛性不足、あるいは応力集中による反りの発生を防止するため、ブレーキディスク１１の内周端から外周端に亘って半径方向に連続的に形成する。

この突起状部１６の合計体積は、必ずしも限定されるものではないが、突起状部１６の合計体積を小さくしすぎると、ディスク部１５全体の剛性が十分にとれず、ブレーキディスク１１全体の反り変形が大きくなる可能性がある。また、熱容量が十分に確保できないので、制動中にブレーキディスク１１の温度が上昇してしまい、結果的に反り変形が大きくなる可能性がある。

そこで、図１及び図２に示した例では、突起状部１６の合計体積がディスク部１５の合計体積の０．３２倍となるようにしている。こうすることにより、ブレーキディスク全体の剛性が十分にとれて反り変形を抑制することが可能となる。

突起状部１６の合計体積はディスク部１５の合計体積の０．１５倍以上、好ましくは０．３倍以上とする。但し、突起状部１６の合計体積が大きすぎると、逆に剛性のバランスがとれなくなる、重量が増加する等の理由から、ディスク部１５の合計体積の０．５倍以下であることが好ましい。

またさらに、図１及び図２に示した例では、非締結部１４の内外周端近傍にて車輪４と接触させ、締結部１３では締結孔１２ａの近傍でのみ車輪４と接触させている。このように形成すれば、締結部１３の板厚方向の拘束を緩和して応力集中を防止しつつ、ブレーキディスク１１が内周側１２ｄあるいは外周側１２ｅに傾いて反りが大きくなるのを防止できるので好ましい。

なお、非締結部１４の内外周端近傍にて車輪４と接触するようにしておけば、内外周端に傾くことによる反りを防止することができ、締結部１３の内外周端近傍においては車輪４と接触してもしなくてもよい。この際、図１及び図２に示した例のように、締結孔１２ａの近傍でのみ車輪１４と接触するようにした方が、締結部１３の板厚方向の拘束を緩和しつつ反りを防止することができ、より好ましい。

ここで、内外周端近傍とは、例えば外径が７２０ｍｍ、内径が４４４ｍｍのブレーキディスク１１では、ブレーキディスク１１の内外周端から半径方向に２５ｍｍの範囲内をいい、また、締結孔１２ａ近傍とは、締結孔１２ａの中心から半径方向に±３０ｍｍの範囲内をいう。

なお、本発明のブレーキディスクでは、鋳鉄、鋳鋼、鍛鋼、Ａｌ基複合材料、カーボンなど、どのような材質を使用しても同じ効果が得られることから、どのような材質を使用しても良い。

以下、摺動部で締結するブレーキディスクについて、反りとうねりを抑制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３６０ｋｍ／ｈから非常ブレーキを３回かけた場合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４４４ｍｍ、外径が７２０ｍｍ、摺動面から車輪接触部までの長さは４７．５ｍｍである。

また、いずれのブレーキディスクも締結孔は１２個であり、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、その締結孔の半径方向の位置は、中心が直径５８０ｍｍの円上になるように配置されている。

下記表１に検討したブレーキディスクをまとめて示す。
表１中のＶ1は締結部の合計体積を、Ｖ2は非締結部の合計体積を、Ｖ3は突起状部の合計体積を、Ｖ4はディスク部の合計体積をそれぞれ示している。また、突起状部の体積については、摺動部の中央より内外周側の方が小さいものを小、大きいものを大と表示し、非締結部で内外周端において車輪と接触するものを接触有り、接触しないものを接触無しと表している。

実施例１〜５は何れもＶ1／Ｖ2が１．１以下で、Ｖ3／Ｖ4が０．１５倍以上であり、実施例１〜３は非締結部でのみ車輪と内外周端で接触している。一方、比較例１，２はＶ1／Ｖ2が１．１より大きく、非締結部では車輪と内外周端で接触していない。また、比較例３はＶ1／Ｖ2は１．１以下であるが、Ｖ3／Ｖ4が０．１５倍未満である。

下記表２に、検討したブレーキディスクに非常ブレーキを３回かけた後のブレーキディスク冷却後における反りとうねりを示す。ここで、反りとは初期状態に対するブレーキディスク冷却後の軸方向変位の最大値、うねりとはブレーキディスク冷却後における締結部と非締結部の軸方向変位差の最大値である。

図３に表２に示した反り、うねりとＶ1／Ｖ2の関係をグラフ化して示す。同図（ａ）は反りについて、同図（ｂ）はうねりについて表したものである。同図に示すように、実施例１〜５は、比較例１〜３に比べて反り、うねりとも大幅に低減できており、本発明の効果が確認できていることが分かる。

本発明は上記の例に限らず、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。 （ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は１／１２を示す外周側からみた周方向−軸方向平面図である。 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）は反りと締結部と非締結部の体積比Ｖ1／Ｖ2との関係を表す図、（ｂ）はうねりと締結部と非締結部の体積比Ｖ1／Ｖ2との関係を表す図である。 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。 従来型の鉄道車両用ブレーキディスクのブレーキ後の反り変形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。

符号の説明

４ 車輪
５ ボルト
６ ブレーキライニング
１１ ブレーキディスク
１２ 摺動部
１２ａ 締結孔
１２ｃ 中央
１２ｄ 内周側
１２ｅ 外周側
１３ 締結部
１４ 非締結部
１５ ディスク部
１６ 突起状部

Claims (3)

1. 摺動部をｎ本のボルトで締結する鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   前記摺動部を構成する全周にわたってほぼ一様な板厚のディスク部と、
   このディスク部の車輪との当接面側に設けられた突起状部とで形成されており、
   前記摺動部に設けた締結孔を中心として円周方向に３６０／（２ｎ）度の領域を締結部となして、この締結部の合計体積を、締結部以外の領域である非締結部の合計体積の１．１倍以下とすると共に、
   前記ブレーキディスクの内周端から外周端に亘って半径方向に連続的に形成した、前記突起状部の合計体積が、前記ディスク部の合計体積の０．１５倍以上となるように形成されていることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 前記突起状部の形状は、ブレーキディスクの半径方向に一様でなく、前記摺動部の半径方向中央部に比べて内周側と外周側の体積が小さくなるように形成されてい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. 前記ブレーキディスクは、
   前記非締結部の内外周端近傍で車輪と接触するように形成されてい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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