JP4478068B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Description

この発明は、新幹線等の高速鉄道車両及び在来線を含む鉄道車両一般に於いて、制動装置を構成する鉄道車両用ブレーキディスクの改良に関する。

新幹線等の高速鉄道車両には、通常、電気式と機械式との制動装置が使用されており、機械式としてはディスクブレーキが多く使用されている。この様にディスクブレーキを使用する高速鉄道車両で、高速から制動する場合には、通常、先ず、電気式の制動装置が作動し、所定の速度まで減速した後にディスクブレーキが作動して車両を停止させる。又、走行時に地震等、緊急事態が発生した場合には、高速走行中でも（例えば３００km/hの速度からでも）ディスクブレーキが作動する場合がある。

この様なディスクブレーキとして、従来から、鉄道車両用車輪の両側に一対のブレーキディスクを結合して成る一体型のブレーキディスク付車輪を使用する事が考えられている。この様なブレーキディスク付車輪は、鉄道車両用車輪の複数個所に形成した第一の取付孔と、各ブレーキディスクの一部でこれら各第一の取付孔に整合する複数個所に形成した第二の取付孔とに挿通したボルトとナットとを螺合し、更に緊締する事により、上記鉄道車両用車輪とブレーキディスクとを一体に結合している。

この様なブレーキディスク付車輪の場合、制動に伴う各ブレーキディスクと摩擦材との摩擦に伴う発熱により、各ブレーキディスクが大きく温度上昇する。しかも、鉄道車両用の制動装置の作動時間は長く、且つ、作動時の摩擦材とブレーキディスクとの摩擦に基づく、単位時間当たりの発熱量も多い。この為、上記ブレーキディスクには、大きな応力（特に熱応力）が発生する。

即ち、異議２００２−７３１６３号の異議の決定の謄本に記載され、従来から知られている様に、鉄道車両用のディスクブレーキの場合、制動力の上限となる摩擦力（粘着力）は鉄道車両用車輪とレールとの金属同士の摩擦によって決定される為、ゴム製のタイヤを使用する自動車用の場合と異なり、この摩擦の上限は著しく小さくなる。この為、ブレーキディスクの摩擦材への押し付け圧力を特に高くする事は困難である。又、通常２４０km/h以上（場合によっては３００km/h）の高速を制動初速度とする事を前提とする鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、これよりも遥かに低い速度を制動初速度とする自動車用の場合とは異なり、停止までの時間が長く、比較的低い摩擦係数で高速から低速まで制動力が安定している事が必要になる。従って、鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、自動車用の場合とは異なる摩擦性能を有する事が求められる。又、鉄道車両用ブレーキディスクは、自動車用のブレーキディスクの場合に比べて、径方向のサイズが著しく大きい。この様な鉄道車両用ブレーキディスクの場合には、高速からの制動により高負荷が加わる事と相俟って、制動に伴う大きな応力（特に熱応力）が発生する。

特に、鉄道車両用ブレーキディスクの場合、鉄道車両がより高速化し、制動時にブレーキディスクに加わる応力がより大きくなった場合には、制動時に摩擦材と摩擦し合う外径側半部が著しく温度上昇するのに対し、この摩擦材と摩擦せず、しかも低温の鉄道車両用車輪に当接している内径側半部の温度上昇は限られたものとなる。この結果、上記ブレーキディスクの内径側と外径側との間で大きな温度差を生じ、外径側が膨張して内径側を引っ張るので、このブレーキディスクの一部（特に内径側端部近傍）に大きな熱応力が発生する。

一方、近年は、鉄道車両（主に新幹線）の高速化が進んでおり、走行時の騒音や地盤振動等を抑える事に対する要求が高くなっている。この様な要求に応える為の対策として、鉄道車両の軽量化、特にばね下重量の軽減がある。そして、この様なばね下重量の軽減を図る為には、鉄道車両用ブレーキディスクを従来の鉄系材料から軽量なアルミニウム又はアルミニウム合金に変える事が有効である。但し、鉄系材料に比べて硬度が低いアルミニウム又はアルミニウム合金のみにより鉄道車両用ブレーキディスクを構成した場合、摩擦面部の耐摩耗性が低下する為、鉄道車両用制動装置の使用には耐えられない。

この様な事情から近年は、鉄道車両用ブレーキディスクを、アルミニウム合金にセラミックスを加えたアルミニウム合金基複合材料製とする事で、軽量化を図りつつ、摩擦面部の耐摩耗性を向上させる事も考えられている。そして、この様にブレーキディスクをアルミニウム合金基複合材料製としたもので、より高速（例えば３００km/h以上）から安定して制動できる様にする事が求められている。

但し、ブレーキディスクに軽合金であるアルミニウム合金を使用した場合の最大の欠点として、アルミニウム合金の融点の低さに起因する耐熱性の低さがある。これは、ディスクブレーキの様に運動エネルギーを熱エネルギーに変換するシステムでは、重要な問題である。この様なシステムでは、繰り返し高熱に曝される部分にアルミニウム合金を使用する場合に、この部分の熱変形を考慮する必要がある。

即ち、ディスクブレーキでは、制動に伴う摩擦材との摩擦に基づく発熱により、ブレーキディスクが繰り返し高温状態になる。ブレーキディスクは形状に特に精度が要求されるが、この様な高温状態によりブレーキディスクが塑性変形すると、制動時の振動や騒音（ノイズ）が大きくなったり、摩擦材であるライニングの偏摩耗が生じる原因となりかねない。又、ブレーキディスクの塑性変形によりこのブレーキディスク自体に無理な熱応力が加わる事により、ブレーキディスクと鉄道車両用車輪との締結部の耐久性に支障を及ぼす原因ともなる。

しかも、鉄道車両用ブレーキディスクを、アルミニウム合金にセラミックスを加えたアルミニウム合金基複合材料製とする場合には、ブレーキディスクをアルミニウム合金製とする場合よりも脆性的な不安が高くなる。例えば、ブレーキディスクをアルミニウム合金基複合材料製とする場合、アルミニウム合金の溶湯にセラミックスを混合した複合材の鋳造により、ブレーキディスクを造る事が考えられる。但し、この様にしてブレーキディスクを造る場合、熱変形によりブレーキディスクに強度上好ましくない事態が生じる原因となり、繰り返し高温状態になる部分にアルミニウム合金基複合材料を使用する場合には、上記好ましくない事態の発生を有効に防止する為の特別な考慮をする事が望まれている。

これに対して、特許文献１、２には、鉄道車両用ブレーキディスクの熱変形を抑える為の技術手段が記載されている。このうちの特許文献１には、ブレーキディスクの摩擦面に円周方向の溝を形成する事が、特許文献２には、ブレーキディスクの外周側端部の形状に対応する一部の断面積を規制する事が、それぞれ記載されている。但し、これら特許文献１、２に記載された何れの技術手段の場合も、ブレーキディスクの形状を工夫する事のみにより熱膨張の緩和を図る事を狙いとしており、このブレーキディスクの材料に就いては特に工夫していない。本来、熱変形は材料の性質である熱膨張係数に応じて変わるものであり、単にブレーキディスクの形状を規制しただけでは、熱変形の緩和を図る事には限界があり、最良の対策とは言い難いものがある。
尚、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献１、２の他に特許文献３がある。

特開２０００−１５４８３７号公報 特開２００２−３６４６８６号公報 特開２００４−３１６８２９号公報

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、この様な事情に鑑みて発明したものである。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、側面に摩擦材を押し付ける為の摩擦面を有する表層部が、SiＣ、アルミナ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製であり、上記表層部以外の部分がアルミニウム合金製である、鉄道車両用車輪の側面に固定される。
そして、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、上記表層部の厚さを直径方向外側に向かうに従って大きくしている。

上述の様に構成する本発明の鉄道車両用ブレーキディスクによれば、軽量で且つ高靱性を有し、優れた耐摩耗性を有する鉄道車両用ブレーキディスクを得られる。即ち、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、アルミニウム合金製の部分とアルミニウム合金基複合材料製の部分とから成る為、十分な軽量化を図れる。又、この鉄道車両用ブレーキディスクの表層部が、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製である為、摩擦面の耐摩耗性を十分に高くできる。又、上記鉄道車両用ブレーキディスクのうちの上記表層部以外の部分がアルミニウム合金製である為、鉄道車両用ブレーキディスク全体の靱性を高くできる。しかも、本発明の場合には、上記表層部の厚さを直径方向外側に向かうに従って大きくしている為、制動に伴い鉄道車両用ブレーキディスクが繰り返し高温になる場合でも、この鉄道車両用ブレーキディスクの内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れる。この結果、この鉄道車両用ブレーキディスクの熱変形を最小限に抑える事が可能になり、この熱変形に基づく亀裂等の損傷の発生防止を有効に図れる。又、この様に鉄道車両用ブレーキディスクの熱変形を抑える事ができる為、制動時の振動や騒音（ノイズ）の発生を抑える事ができると共に、摩擦材の偏摩耗を抑える事ができ、更に、鉄道車両用ブレーキディスクと鉄道車両用車輪とをボルトにより結合する場合でも、このボルトの折損を有効に防止でき、このボルトの長寿命化を図れる。

又、好ましくは、請求項２に記載した様に、上記セラミックスを炭化珪素又はアルミナとする。
この好ましい構成によれば、上記表層部の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性をより有効に向上させる事ができる。この為、鉄道車両用ブレーキディスクの寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、より好ましくは、請求項３に記載した様に、上記表層部中での、上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％とする。
このより好ましい構成によれば、上記表層部の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性の向上をより有効に図れる。この為、鉄道車両用ブレーキディスクの寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、より好ましくは、請求項４に記載した様に、上記表層部の内周縁を、鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に位置させる。
このより好ましい構成によれば、制動時に熱応力が過大となり易い部分に靱性が低いアルミニウム合金基複合材料製の表層部が存在する事を防止できると共に、この表層部の摩擦面となる部分の面積を十分に確保できる。これに対して、上記表層部を、鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置から外径側に３mm未満の範囲に上記表層部の内周縁が位置する様に配置した場合には、上記鉄道車両用ブレーキディスクの内径側端部に加わる熱応力が過大となり、ブレーキディスクの強度確保上好ましくない。又、上記表層部を、鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも１０mmを越えた大きさ分外径側に外れた位置に上記表層部の内周縁が位置する様に配置した場合には、この表層部の摩擦面となる部分の面積、つまり摺動摩擦部となる部分の面積を十分に確保する事が著しく困難になる。

又、より好ましくは、請求項５に記載した様に、上記表層部の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの最大厚さの６〜２０％とする。即ち、この表層部の厚さが最も小さい部分で最大厚さの６％以上、この表層部の厚さが最も大きい部分で最大厚さの２０％以下とする。
このより好ましい構成によれば、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を固めて焼成して成る予備成形体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する事により上記表層部を構成する場合に、製造時に於ける上記予備成形体の取り扱い（ハンドリング）を容易に行なえると共に、ブレーキディスクの耐摩耗性をより有効に確保できる。又、上記予備成形体の全体にアルミニウム合金の溶湯を行き渡らせる事を、より有効に行なえると共に、この予備成形体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する際のこの予備成形体の潰れを有効に防止でき、しかも、制動時にブレーキディスクが強度低下する事をより有効に防止できる。これに対して、上記表層部の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの最大厚さの６％未満とした場合には、上記予備成形体の使い勝手、鋳型への配置（セッティング）し易さ等、取り扱い性が著しく低下する。又、この場合には、高負荷の制動が繰り返される厳しい条件で使用された場合に、予備成形体が全摩耗して、ブレーキディスクの耐摩耗性を確保する事が著しく困難になる。又、上記表層部の厚さを、鉄道車両用ブレーキディスクの最大厚さの２０％を越える大きさとした場合には、上記予備成形体の全体にアルミニウム合金の溶湯を行き渡らせる事が、著しく困難になる。この為、この予備成形体にアルミニウム合金の溶湯を加圧含浸する際のこの予備成形体の潰れを生じる可能性が著しく高くなり、歩留りが悪化する原因となる。即ち、予備成形体の一部のみにしか上記溶湯が含浸されない状態が生じ易くなり、この場合には、更に加圧含浸した場合に上記予備成形体が潰れ易くなってしまう。又、この場合には、制動時にブレーキディスクの強度上好ましくない事態が生じる原因となる。

図１〜５は、本発明の実施例１を示している。これら各図のうち、図１〜４は、本実施例の鉄道車両用のブレーキディスク１を示しており、図５は、このブレーキディスク１の製造方法を示している。先ず、本実施例のブレーキディスク１に就いて説明する。ブレーキディスク１は、アルミニウム合金製の本体部２と、アルミニウム合金をマトリックス材とし、これにSiＣ、アルミナ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を分散配合したアルミニウム合金基複合材料製の表層部３とを有し、全体を円輪状としている。上記ブレーキディスク１は、上記本体部２の片面に上記表層部３を一体に結合して成る。本実施例の場合、上記ブレーキディスク１は、片面（図１の表側面、図２の裏側面、図３、４の左側面、図５（ニ）の上側面）の外径側半部を、制動時に図示しない摩擦材を押し付ける為の摩擦面４としている。この摩擦面４は、上記表層部３の片面により構成している。これに対して、上記ブレーキディスク１の他面（図１の裏側面、図２の表側面、図３、４の右側面、図５（ニ）の下側面）の内径寄り部分は、鉄道車両用車輪（図示せず）の側面に固定できる様に、この側面にがたつきなく突き当て可能な形状としている。尚、図１では斜格子部分により、上記表層部４を表している。

又、本実施例の場合には、上記ブレーキディスク１の他面外径寄り半部を、それぞれが放射状に形成された凸部と凹部とを円周方向に亙って交互に配置した形状としている。これにより、上記ブレーキディスク１の凸部が上記鉄道車両用車輪の側面に突き当たり、又は近接対向した状態で、上記ブレーキディスク１の他面外径寄り半部とこの鉄道車両用車輪の側面との間（上記凹部と側面との間）に、冷却用の空気が流通自在な通路が形成される様にしている。

又、上記ブレーキディスク１の内径側半部には、それぞれがこのブレーキディスク１の内周縁に開口する複数の切り欠き５、５を、円周方向に亙って等間隔に形成している。これら各切り欠き５、５の断面形状は、複数の円弧を連続させて成る複合円弧である。又、これら各切り欠き５、５は、上記摩擦面４よりも内径側に外れた位置に形成しており、上記ブレーキディスク１の内周縁の一部を構成している。又、本実施例の場合には、上記ブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、上記各切り欠き５、５の奥端よりも３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側にずれた位置に、上記摩擦面４の内周縁が位置する様にしている。言い換えれば、前記表層部３の内周縁は、上記各切り欠き５、５の奥端よりも、３〜１０mm（より好ましくは３〜５mm）外径側にずれた位置に存在する。これに対して、上記摩擦面４の外周縁は、上記ブレーキディスク１の外周縁にまで達している。又、円周方向に隣り合う上記各切り欠き５、５同士の間部分に、前記鉄道車両用車輪にブレーキディスク１を取り付ける為のボルト挿通用の取付孔６、６を設けている。そして、上記各切り欠き５、５の頂点（奥端）を、上記各取付孔６、６のピッチ円よりも外側に存在させている。

特に、本実施例の場合には、図４に詳示する様に、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３の両側面のうち、摩擦面４と反対側の他面を、直径方向外側（図４の下側）に向かうに従って上記摩擦面４から遠ざかる方向に傾斜した、摺鉢状のテーパ面１４としている。そして、上記表層部３の軸方向の厚さｔ₃ （径方向の任意の位置に於ける厚さ）を、直径方向外側に向かうに従って漸次増大させている。即ち、この表層部３の厚さｔ₃ を内径側で薄くし、外径側で厚くしている。更に、この表層部３の厚さｔ₃ を、この表層部３の径方向の全範囲に亙る総ての部分で、上記ブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ の６〜２０％の範囲に納まる様に規制している（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₃ ≦０．２０Ｔ₁ ）。例えば、上記表層部３の内周縁部での厚さｔ_3aを、上記最大厚さＴ₁ の６〜１９％とする（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ_3a≦０．１９Ｔ₁ ）と共に、上記表層部３の外周縁部での厚さｔ_3bを、この最大厚さＴ₁ の７〜２０％とする（０．０７Ｔ₁ ≦ｔ_3b≦０．２０Ｔ₁ ）。又、本実施例の場合、上記表層部３中での前記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合にはその両方）の含有率を、体積換算で２５〜４０％としている。

上述の様に構成する本実施例のブレーキディスク１は、次の様な製造方法により製造する。この製造方法を、図５を用いて説明する。先ず、上記表層部３を構成する予備成形体（プリフォーム）７を造る。この予備成形体７は、ブレーキディスク１の強化層部分である表層部３に於ける、強化材となるべきもので、SiＣ、アルミナ等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を適切な分量で十分に攪拌混合したものを高圧プレスにより所定の形状に形成し(固めて )、乾燥工程に於いて乾燥後、表面研磨工程を経た後、焼成する事により、全体を円輪状に造る。又、上記予備成形体７の摩擦面４（図５（ニ））と反対側となるべき側面は、直径方向内側から外側（図５の左側から右側）に向かうに従って上記摩擦面４となるべき面から遠ざかる方向に傾斜した摺鉢状のテーパ面１５とする。尚、図５では、上記予備成形体７として、SiＣの粒子とアルミナの繊維とを焼成し固める事により造ったものを、模式的に表している。又、上記予備成形体７は、上記粒子又は繊維、若しくはその両方を攪拌混合したものを適宜のバインダを用いて混練した後固めて、焼成する事により、全体を円輪状に造る事もできる。

又、ブレーキディスク１の完成品での表層部３（図５の（ニ））中での、上記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合には、その両方）の含有率を、体積換算で２５〜４０％とする為に、上記予備成形体７での、上記セラミックスの粒子（又は繊維、或は繊維及び粒子の両方を分散配合する場合には、その両方）の含有率（予備成形体７の内部の空隙を除いた割合）を、体積換算で２５〜４０％とする様に、上記予備成形体７の密度を調整する。又、この予備成形体７の厚さを、ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ （図４参照）の６〜２０％に納まる様に規制する。

そして上述の様に構成する予備成形体７を、図５（イ）に示す様に、鋳造用の鋳型８内に設置する。この鋳型８は、上下二分割型で、それぞれが円輪状である、上型９と下型１０とを有する。これら上型９と下型１０とを突き合わせた状態で、鋳型８の内部には、ブレーキディスク１の完成品の外面とほぼ一致する形状を有するキャビティ１１を形成する。又、上記鋳型８の内径側に、このキャビティ１１に後述するアルミニウム合金の溶湯１３を加圧注入する為の湯口（図示せず）を設けている。更に、上記上型９のうち、少なくとも上記予備成形体７と対向する部分に、それぞれが厚さ方向に貫通する複数の小孔（図示せず）を形成している。そして、この様な鋳型８を構成する下型１０内に、その摩擦面４となるべき面が上記下型１０の上端に位置する様に、上記予備成形体７を設置する。

尚、図示は省略するが、上記予備成形体７を上記鋳型８内の所定位置に設置する為に、例えば、上記下型１０の外径側の内周面に段差面を設け、この段差面上に上記予備成形体７を設置する事もできる。但し、この場合には、ブレーキディスク１の完成後に上記表層部３の外周部が他の部分よりも外径側に突出した状態となる為、必要に応じてこの突出した部分を削り落とす。又、上記鋳型８内に上記予備成形体７を設置した状態で、上記上型９の片面（図５の下面）で、ブレーキディスク１の完成品の各切り欠き５、５（図１〜３参照）の奥端となるべき位置（図５の点Ｄ）から、外径側に３〜１０mm（好ましくは３〜５mm）ずれた位置に、上記予備成形体７の内周縁１２を位置させる。この様に各切り欠き５、５の奥端となるべき位置から予備成形体７の内周縁１２を外径側にずらせる量は、図４の寸法Ｌに相当する。

又、上記予備成形体７は、予め予熱炉で３５０〜６００℃（好ましくは４００〜５００℃）の範囲の所定温度に十分に予熱し、この状態で上記鋳型８内の表層部３（図５（ニ）参照）となるベき部分に配置する。そして、図５（ロ）に示す様に、上記鋳型８に上記湯口を通じて、アルミニウム合金の溶湯１３を加圧した状態で送り込む。このアルミニウム合金としては、例えば、Al−Si−Mg合金を使用する。又、この溶湯１３を送り込む際の圧力は、５０ＭPa以上（例えば８０ＭPa）の高圧とする。この様な溶湯１３の送り込みにより、上記キャビティ１１内でブレーキディスク１の本体部２となるべき部分に上記溶湯１３が充填されると共に、上記予備成形体７にこの溶湯１３が加圧含浸される。この予備成形体７に溶湯１３が加圧含浸される際には、先ず予備成形体７中の空隙部分に存在する空気が、前記複数の小孔を通じて外部に排出される。尚、上記キャビティ１１内に溶湯１３を送り込むのに伴って、このキャビティ１１内に存在する空気も上記複数の小孔を通じて外部に排出される。そして、このキャビティ１１内に溶湯１３が充填されると共に、上記予備成形体７中で上記空隙部分に上記溶湯１３が加圧含浸され、温度低下後、上記鋳型８内からブレーキディスク１を取り出し、必要に応じて形状を整える為の仕上加工を施して、ブレーキディスク１（図１〜４）の完成品とする。

上述の様に構成する本実施例の鉄道車両用のブレーキディスク１によれば、軽量で且つ高靱性を有し、しかも、優れた耐摩耗性を有するブレーキディスク１を得られる。即ち、本実施例のブレーキディスク１は、アルミニウム合金製の本体部２とアルミニウム合金基複合材料製の表層部３とから成る為、十分な軽量化を図れる。又、この表層部３が、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製である為、摩擦面４の耐摩耗性を十分に高くできる。又、上記ブレーキディスク１のうちの上記表層部３以外の本体部２がアルミニウム合金製である為、ブレーキディスク１全体の靱性を高くできる。

しかも、本実施例の場合には、上記表層部３の厚さを直径方向外側に向かうに従って大きくしている為、制動に伴いブレーキディスク１が繰り返し高温になる場合でも、ブレーキディスク１の内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れ、このブレーキディスク１の熱変形を最小限に抑える事が可能になる。

この理由に就いて詳しく説明する。即ち、本実施例の場合と異なり、図６に示す様に、ブレーキディスク１の摩擦面４部分を含めて、全体を同じ材料により構成した場合、熱膨張に基づく引っ張り応力並びに歪みが、内径寄り部分で高くなる事が分かっている。即ち、制動時には、ブレーキディスク１の温度が、摩擦面４と摩擦材との摩擦により上昇する。但し、周速が早いこの摩擦面４の外径寄り部分と、周速が遅いこの摩擦面４の内径寄り部分とでは、摩擦により生じる熱量が相違し、即ち、外径寄り部分で熱量が多くなり、温度上昇にも違いが生じる。更に、上記ブレーキディスク１のうちで、上記摩擦面４と、この摩擦面４よりも更に内径寄り部分に存在する各切り欠き５、５同士の間部分１６、１６との間では、更に著しい温度上昇の相違が生じる。これら各間部分１６、１６は、鉄道用車輪の側面に当接する為、温度が上昇しにくい。そして、これら各間部分１６、１６の温度上昇の遅れは、径方向外方に隣接する、上記摩擦面４の内径寄り部分の温度上昇にも影響を与える（この内径寄り部分の温度上昇を遅らせる）。

具体的には、この摩擦面４の外径寄り部分の温度上昇が、内径寄り部分の温度上昇よりも著しくなる。そして、この外径寄り部分が、図６に矢印αで示す様に、径方向外方に膨張する傾向になり、この外径寄り部分に比べて膨張量が少ない内径寄り部分を引っ張る。この様にして上記摩擦面４の内径寄り部分が引っ張られる為、この内径寄り部分に引っ張り応力が、図６に矢印βで示す様に、円周方向に加わる。因に、膨張量が多くなる外径寄り部分には圧縮応力が加わる。圧縮応力は強度上、特に考慮する必要はないが、引っ張り応力の場合には、この応力が加わる部分に強度的に弱い部分が存在する事は設計上好ましくない。

これに対して、本実施例の場合には、靱性が比較的低く、熱膨張量が比較的小さい、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３の厚さｔ₃ を、直径方向外側に向かうに従って漸次大きくしている。即ち、この表層部３の厚さｔ₃ を、内径寄り部分では小さくするのに対し、外径寄り部分では大きくしている。この為、上記表層部３の厚さｔ₃ を直径方向の全範囲に亙る総ての部分で同じにしたと仮定した場合（両側面を互いに平行にした場合）と比較して、本実施例の場合には、上記表層部３以外の部分である本体部２の厚さが、内径寄り部分で大きくなり、外径寄り部分では小さくなる。この本体部２は、アルミニウム合金製で、上記表層部３よりも靱性が高く、熱膨張量が大きい。この様に、本実施例の場合には、ブレーキディスク１の外径寄り部分でアルミニウム合金製の本体部２の容積が小さくなる結果、このブレーキディスク１全体の熱膨張量を、外径寄り部分で小さくできる。この為、制動に伴いブレーキディスク１が繰り返し高温になる場合でも、外径寄り部分の熱膨張量を小さくできる為、内径寄り部分に加わる引っ張り応力を小さくでき、この内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れる。従って、上記ブレーキディスク１の熱変形を最小限に抑える事が可能になり、しかも靭性が低い表層部３の厚さｔ₃ を内径寄り部分で小さくできる為、上記熱変形に基づく亀裂等の損傷の発生防止を有効に図れる。又、この様にブレーキディスク１の熱変形を抑える事ができる為、制動時の振動や騒音（ノイズ）の発生を抑える事ができると共に、摩擦材の偏摩耗を抑える事ができ、更に、ブレーキディスク１と鉄道車両用車輪とをボルトにより結合する場合でも、このボルトの折損を有効に防止でき、このボルトの耐久性向上を図れる。

更に、本実施例の場合には、上記表層部３の内周縁を、上記ブレーキディスク１の内周縁のうちの最も外径側となる位置である、各切り欠き５、５の頂点（奥端）よりも図４の寸法Ｌに相当する、３〜１０mm（好ましくは３〜５mm）外径側に外れた位置に位置させている。この為、制動時に熱応力が過大となり易いブレーキディスク１の内径側端部近傍部分に、靱性が低いアルミニウム合金基複合材料製の表層部３が存在する事を防止できると共に、この表層部３の摩擦面４となる部分の面積を十分に確保できる。即ち、本実施例の様に、ブレーキディスク１の内周縁に切り欠き５、５を設けると共に、これら各切り欠き５、５の頂点（奥端）を、ボルト挿通用の取付孔６、６のピッチ円よりも外側に存在させた場合には、特許文献３に記載されている様に、熱膨張に基づく引っ張り応力並びに歪みが最大となる部分が、上記各切り欠き５、５の頂点部分（奥端部分）となる事が分かっている。又、この様に熱膨張に基づき歪みが最大となる上記頂点部分に靱性が低い部分が存在すると、この部分での熱応力が更に大きくなってしまう。本実施例の場合、この様に歪みが最大となる上記各切り欠き５、５の頂点から外径側に３〜１０mm（好ましくは３〜５mm）外れた位置に靱性が低い表層部３の内周縁を位置させている為、ブレーキディスク１の内径寄り部分に加わる熱応力の更なる緩和を図れる。又、このブレーキディスク１の耐久性向上を図れる。又、上記表層部３の径方向の長さを十分に確保でき、この表層部３の片面の摩擦面４となる部分の面積を十分に確保できる。これに対して、上記表層部３を、上記各切り欠き５、５の頂点から外径側に３mm未満の範囲に上記表層部３の内周縁が位置する様に配置した場合には、上記ブレーキディスク１の内径側端部に加わる熱応力が過大となり、ブレーキディスク１の強度確保上好ましくない。又、上記表層部３を、上記各切り欠き５、５の頂点よりも１０mmを越えた大きさ分外径側に外れた位置に上記表層部３の内周縁が位置する様に配置した場合には、この表層部３の径方向の長さが小さくなり、摩擦面４となる部分の面積、つまり摺動摩擦部となる部分の面積を十分に確保する事が著しく困難になる。本実施例の場合には、この様な不都合を何れもなくす事ができる。

又、本実施例の場合には、上記表層部３を構成するセラミックスを炭化珪素又はアルミナとしている為、この表層部３の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性をより有効に向上させる事ができる。この為、ブレーキディスク１の寿命を、より有効に向上させる事ができる。更に、上記表層部３中での上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を分散配合している場合にその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％としている。この為、上記表層部３の硬度をより有効に高くでき、耐摩耗性の向上をより有効に図れる。この結果、ブレーキディスク１の寿命を、より有効に向上させる事ができる。

又、本実施例の場合には、上記表層部３を構成する予備成形体７を焼成により造った後、この予備成形体７を予熱し、温度を所定値（例えば４００℃）以上にした状態でこの予備成形体７を鋳型８内に、この鋳型８の内側で表層部３となるベき部分に配置し、上記予備成形体７に前記アルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する事により上記ブレーキディスク１を造っている。この為、この溶湯１３が、予備成形体７の極く一部に含浸した後、直ちに温度低下する事を防止できる。この為、上記予備成形体７の極く一部のみにしか上記溶湯１３が含浸されない事を防止でき、この予備成形体７中にアルミニウム合金を、ほぼ均一に含浸させる事ができる。この結果、良好な表層部３を実現し易くできる。

更に、本実施例の場合には、上記予備成形体７の厚さとほぼ同じになる、上記表層部３の厚さｔ₃ を、この予備成形体７の製造品質上の限界、ブレーキディスク１に発生する応力、制動に伴う摩耗等を考慮して適切に規制している。具体的には、上記表層部３の厚さｔ₃ を、上記ブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ の６〜２０％としている（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₃ ≦０．２０Ｔ₁ ）。この為、本実施例の様に、セラミックスの粒子又は繊維若しくはその両方を固めて焼成して成る予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する事により上記表層部３を構成する場合に、製造時に於ける上記予備成形体７の取り扱い（ハンドリング）を容易に行なえると共に、ブレーキディスク１の耐摩耗性をより有効に確保できる。又、上記予備成形体７中にアルミニウム合金の溶湯１３を全体に行き渡らせる事を、より有効に行なえると共に、この予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを有効に防止でき、しかも、制動時にブレーキディスク１が強度低下する事をより有効に防止できる。これに対して、上記表層部３の厚さｔ₃ を、ブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ の６％未満とした（ｔ₃ ＜０．０６Ｔ₁ ）場合には、上記予備成形体７の使い勝手、鋳型への配置（セッティング）し易さ等、取り扱い性が著しく低下する。又、この場合には、高負荷の制動が繰り返される厳しい条件で使用された場合に耐摩耗性を確保する事が著しく困難になる。又、上記表層部３の厚さｔ₃ を、ブレーキディスク１の完成品の最大厚さＴ₁ の２０％を越える大きさとした（ｔ₃ ＞０．２０Ｔ₁ ）場合には、上記予備成形体７の全体にアルミニウム合金の溶湯１３を行き渡らせる事が、著しく困難になる。この為、この予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを生じる可能性が著しく高くなり、歩留りが悪化する原因となる。又、この場合には、制動時にブレーキディスク１の強度上好ましくない事態が生じる原因となる。

次の表１は、本発明の発明者が、本実施例でのブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ に対する表層部３の好ましい厚さｔ₃ の割合を求める為に行なった検討結果を整理したものを示している。この表１に示した検討結果からも、上記割合を適切な範囲に規制した（０．０６Ｔ₁ ≦ｔ₃ ≦０．２０Ｔ₁ ）場合には、製造時の予備成形体７の取り扱いを容易に行なえると共に、ブレーキディスク１の耐摩耗性を有効に確保でき、予備成形体７にアルミニウム合金の溶湯１３を加圧含浸する際のこの予備成形体７の潰れを有効に防止できる。又、この様な検討結果から、ブレーキディスク１の最大厚さＴ₁ を４９mmとした場合には、上記表層部３の厚さ（＝予備成形体７の厚さ）ｔ₃ を、２．９〜９．８mmの範囲に規制する事が好ましい事が分かる。

次に、本発明者が本実施例の効果を確認すべく、ブレーキディスク１の各部に発生する熱応力の分布を求める為に行なったシミュレーションの結果に就いて説明する。シミュレーションは、前述の図１〜４に示した実施例のブレーキディスク１と同様の構造を有する１種類の実施品（表層部３の内周縁を、切り欠き５の頂点（奥端）からの距離Ｌ（図４）で５mm外径側に位置させたもの）と、この実施品と基本構造を同じにし、表層部３の厚さを径方向の全長に亙り同じにする（両側面を互いに平行にする）と共に、この表層部３の内周縁を切り欠き５（図１等参照）の頂点（奥端）に合わせた（Ｌ＝０）位置とした比較品１と、この比較品１の場合よりも表層部３の内周縁を外径側に５mmずらせた（＝表層部３の内周縁を切り欠き５の頂点から外径側に５mm外れた（Ｌ＝５mm）位置とした）比較品２とを使用した。又、上記実施品では、表層部３の内周縁を、切り欠き５、５の頂点（奥端）から外径側に５mm外れた（Ｌ＝５mm）位置としている。そして、上記実施品及び比較品１、２で、台上試験結果で得られた温度分布に基づいて、各部に発生する熱応力の分布を求めるシミュレーションを行なった。

この様にして行なったシミュレーションの結果を、図７に示している。図７では、（ａ）が比較品１を、（ｂ）が比較品２を、（ｃ）が実施品を、それぞれ示している。又、図７で黒地で塗りつぶした部分が、熱応力が最も高い値を示した事を表しており、これよりも熱応力が低いものを、熱応力が高いものから順に斜格子部分、梨地部分、白地部分により表している。図７に示したシミュレーション結果から明らかな様に、表層部３の厚さを直径方向外方（図７の奥側）に向かうに従って大きくすると共に、この表層部３の内周縁を、切り欠き５の頂点から外径側に５mm外れた（Ｌ＝５mm）位置とした実施品（図７（ｃ））の場合には、ブレーキディスク１の内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れ、強度を十分に確保できる。

次に、図８は、本発明に関する参考例のブレーキディスク１ａを示している。本例のブレーキディスク１ａの場合には、表層部３ａのうち、本体部２側となる他面（図８の右側面）の径方向中間部２個所位置に、短円筒状の段差面１７、１８を設けている。そして、上記表層部３ａの他面に、それぞれが摩擦面４と平行な第一〜第三の面１９〜２１を設け、隣り合う第一〜第三の面１９〜２１同士を上記各段差面１７、１８により連続させている。そしてこの構成により、上記表層部３ａの厚さｔ_a 、ｔ_b 、ｔ_C を、径方向内寄り部分（図８の上寄り部分）で小さくし、径方向外寄り部分（図８の下寄り部分）で大きくし、径方向中央部で中間の厚さとしている（ｔ_a ＜ｔ_b ＜ｔ_C ）。

この様な本例の場合には、上述の図１〜５に示した実施例１の場合と異なり、表層部３ａの厚さｔ_a 、ｔ_b 、ｔ_C を、直径方向内側から外側に向かうに従って漸次大きくすると言った構成を採用してはいない。但し、この様な本例の場合も、制動に伴いブレーキディスク１ａが繰り返し高温になる場合でも、このブレーキディスク１ａの内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れる。即ち、本例の場合も、上述の実施例１の場合と同様に、靱性が比較的低く、熱膨張量が比較的小さい、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３ａの厚さｔ_a 、ｔ_b 、ｔ_C を、内径寄り部分で小さく、外径寄り部分で大きくしている。この為、上記表層部３ａよりも靱性が高く、熱膨張量が大きい、アルミニウム合金製の本体部２の厚さは、内径寄り部分で大きく、外径寄り部分で小さくなる。この結果、ブレーキディスク１ａ全体の熱膨張量を、外径寄り部分で小さくでき、このブレーキディスク１ａの内径寄り部分に加わる引っ張り応力を小さくできる為、この内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れる。従って、ブレーキディスク１ａの熱変形を最小限に抑える事が可能になり、しかも靱性が低い表層部３ａの厚さｔ_a 、ｔ_b 、ｔ_C を内径寄り部分で小さくできる為、上記熱変形に基づく亀裂等の損傷の発生防止を有効に図れる。又、制動時の振動や騒音（ノイズ）の発生を抑える事ができると共に、摩擦材の偏摩耗を抑える事ができ、更に、上記ブレーキディスク１ａと鉄道車両用車輪とを結合するボルトの折損を有効に防止でき、このボルトの長寿命化を図れる。
その他の構成及び作用に就いては、上述の図１〜５に示した実施例１の場合と同様である為、重複する説明は省略する。

次に、図９は、本発明の実施例２のブレーキディスク１ｂを示している。本実施例の場合には、表層部３ｂの本体部２側の他面（図９の右側面）の内径寄り部分を、摩擦面４と平行にし、この部分での厚さｔ_a を小さくすると共に、同図の点Ｐと対応する径方向中間部から外径側部分での、上記表層部３ｂの厚さを、直径方向外側に向かうに従って漸次増大させている。この為に、本実施例の場合には、上記点Ｐよりも外径側での上記表層部３ｂの他面を、直径方向外側に向かうに従って摩擦面４から離れる方向に傾斜したテーパ面１４ａとしている。

この様な本実施例の場合も、前述の図１〜５に示した実施例１の場合と同様に、ブレーキディスク１ｂの内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れ、熱変形を最小限に抑える事が可能になる。
その他の構成及び作用に就いては、前述の図１〜５に示した実施例１の場合と同様である為、重複する説明は省略する。

次に、図１０は、本発明の実施例３のブレーキディスク１ｃを示している。本実施例の場合には、表層部３ｃの本体部２側の他面（図１０の右側面）の内径寄り部分を、摩擦面４と平行にし、この部分での厚さｔ_a を小さくすると共に、同図の点Ｑ₁ と対応する径方向中間部から点Ｑ₂ と対応する径方向中間部までの部分での、上記表層部３ｃの他面を、断面形状が曲率半径Ｒ₁ の円弧である、第一の凹曲面２２としている。そして、この第一の凹曲面２２に対応する表層部３ｃの厚さを、直径方向外側に向かうに従って漸次増大させている。又、上記点Ｑ₂ よりも外径側での上記表層部３ｃの他面を、断面形状が上記曲率半径Ｒ₁ よりも小さい曲率半径Ｒ₂ （＜Ｒ₁ ）の円弧である、第二の凹曲面２３としている。そして、この第二の凹曲面２３に対応する表層部３ｃの厚さを、直径方向外側に向かうに従って漸次増大させている。

この様な本実施例の場合も、前述の図１〜５に示した実施例１の場合と同様に、ブレーキディスク１ｃの内径寄り部分に加わる熱応力の緩和を図れ、熱変形を最小限に抑える事が可能になる。
その他の構成及び作用に就いては、前述の図１〜５に示した実施例１の場合と同様である為、重複する説明は省略する。
尚、図示は省略するが、本実施例の場合で、上記表層部３ｃの点Ｑ₁ よりも内径側での他面を、断面形状が上記曲率半径Ｒ₁ よりも大きい曲率半径の円弧である、凹曲面としたり、上記表層部３ｃの他面を、内径側の第一の凹曲面と外径側の第二の凹曲面とを、径方向中間部で連続させる等により構成する事もできる。

本発明の実施例１のブレーキディスクの片半部を示す図。 図１の裏側から見た片半部を示す図。 図１のＡ−Ｏ−Ｂ断面図。 図３のＣ部拡大断面図。 実施例１のブレーキディスクを得る為の製造方法での鋳造工程を、模式的に示す断面図。 制動時に加わる熱応力を説明する為の部分正面図。 実施例１の効果を確認すべく行なった熱応力の分布を求めるシミュレーションの結果を、（ａ）は比較品１で、（ｂ）は比較品２で、（ｃ）は実施品で、それぞれブレーキディスクの内径寄り部分の一部を切り出して示す斜視図。 本発明に関する参考例のブレーキディスクを示す、図４と同様の図。 本発明の実施例２のブレーキディスクを示す、図４と同様の図。 同実施例３のブレーキディスクを示す、図４と同様の図。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ブレーキディスク
２ 本体部
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 表層部
４ 摩擦面
５ 切り欠き
６ 取付孔
７ 予備成形体
８ 鋳型
９ 上型
１０ 下型
１１ キャビティ
１２ 内周縁
１３ 溶湯
１４、１４ａ テーパ面
１５ テーパ面
１６ 間部分
１７ 段差面
１８ 段差面
１９ 第一の面
２０ 第二の面
２１ 第三の面
２２ 第一の凹曲面
２３ 第二の凹曲面

Claims (5)

1. 側面に摩擦材を押し付ける為の摩擦面を有する表層部が、セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方を含むアルミニウム合金基複合材料製であり、上記表層部以外の部分がアルミニウム合金製である、鉄道車両用車輪の側面に固定される鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   上記表層部の厚さを直径方向外側に向かうに従って大きくした鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 上記セラミックスを炭化珪素又はアルミナとした、請求項１に記載した鉄道車両用ブレーキディスク。
3. 上記表層部中での、上記セラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方の含有率を、体積換算で２５〜４０％とした、請求項１又は請求項２に記載した鉄道車両用ブレーキディスク。
4. 上記表層部の内周縁を、鉄道車両用ブレーキディスクの内周縁のうちの最も外径側となる位置よりも３〜１０mm外径側に外れた位置に位置させた、請求項１〜３のうちの何れか１項に記載した鉄道車両用ブレーキディスク。
5. 上記表層部の厚さを鉄道車両用ブレーキディスクの最大厚さの６〜２０％とした、請求項１〜４のうちの何れか１項に記載した鉄道車両用ブレーキディスク。

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