JP4600194B2 - 鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造及び鉄道車両用車輪 - Google Patents

Description

本発明は、主として鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結に使用されるボルトの強度信頼性に優れ、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の締結構造及びこの締結構造にて車輪の両側にブレーキディスクを締結させた鉄道車両用車輪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る。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１２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１３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５ａとナット５ｂによって締結され、車輪４と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と対向する位置には、摺動面２ａに対して接離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側に接近移動して車輪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ので、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に伴う、以下の様々な問題が生じる。
１）締結ボルトへの著大な曲げ応力の発生
２）ブレーキディスクと車輪とのずれ、および、これに伴うアンバランス
３）ブレーキディスクのボルト孔周縁部の割れ・変形・陥没

このような問題を抑制するブレーキディスクの締結構造が、特許文献１〜特許文献３で開示されている。
特開平９−１００８５２号公報 特開平１０−１１５３３６号公報 特開平１０−１６７０６７号公報

特許文献１で開示された技術は、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するに際し、アルミ複合材のクリープ変形しやすい特性、高熱膨張率という欠点を補い、この欠点に起因するボルト軸力の低下、ブレーキディスクと車輪とのずれといった問題を解決することを目的としている。

具体的には、図１４に示すように、ブレーキディスク１の締結孔３ａと車輪４のボルト孔４ａにスプリングピン７を圧入して、ブレーキディスク１と車輪４を一体化させ、当初、ボルト５ａに作用していたせん断応力をこのスプリングピン７によって負担している。さらに、ボルト５ａおよびナット５ｂとブレーキディスク１との間に皿ばね８ａ，８ｂを挿入し、ボルト５ａの軸力を一定に保っている。

また、特許文献２で開示された技術も、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するに際し、特許文献１と同様の欠点を補うものであり、この欠点に起因するブレーキディスクと車輪とのずれ、ブレーキディスクボルト孔周縁部の割れ・変形・陥没といった問題を解決することを目的としている。

具体的には、図１５に示すように、ブレーキディスク１の締結孔３ａを、内周側に開放した切欠形状とし、ボルト５ａおよびナット５ｂとブレーキディスク１との間に皿ばね８ｃを挿入した構成とすることで、ブレーキディスク１の熱膨張に起因した、ブレーキディスク１の締結孔３ａ周縁部の割れ・変形・陥没を抑止させている。

また、特許文献３で開示された技術も、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するに際し、特許文献２と同様の欠点を補うものであり、同様の問題を解決することを目的としている。

具体的には、図１６に示すように、ブレーキディスク１の締結孔３ａと車輪４のボルト孔４ａに、筒状部材９を挿入し、ボルト５ａおよびナット５ｂとブレーキディスク１との間に皿ばね８ｄを挿入した構成とすることで、ブレーキディスク１の熱膨張に起因した、ブレーキディスク１の締結孔３ａ周縁部の割れ・変形・陥没を抑止させている。

ところで、近年、車両の高速化にともなって制動負荷が増大し、ブレーキディスクと車輪との締結に用いられるボルトの疲労損傷が問題となっている。このことから、ボルトを含むブレーキディスク締結部の疲労信頼性を向上させることが課題となっている。

ブレーキディスク締結ボルトの疲労信頼性を向上させるには、ボルト５ａのねじ部５ａｄ、幹部５ａａ、首下部５ａｅといった各部位（図１３参照）について疲労強度を総合的に検討しなければならない。これらのうち、ねじ部５ａｄおよび首下部５ａｅでは、その形状を変更することで応力集中を低減し、疲労強度を向上させることが可能である。一方、幹部５ａａの疲労損傷は、車輪４のボルト孔４ａとの接触にともなうフレッティング疲労損傷であるので、ボルトの形状変更のみではその疲労強度を向上させることができず、締結構造全体について検討する必要がある。

前記特許文献１〜３に開示された技術では、上述したようにボルト幹部のフレッティング疲労損傷を抑止することを目的としていない。前記特許文献１と３では、車輪のボルト孔とボルトとの間に、スプリングピンまたは筒状部材を挿入しているため、ボルトと車輪ボルト孔との直接的な接触は回避されるが、ボルトとスプリングピンまたは筒状部材との接触によりボルト幹部にフレッティング疲労損傷が生じるおそれがある。また、特許文献２では、従来と同様、車輪ボルト孔とボルトが直接接触するため、これによるフレッティング疲労損傷が生じるおそれがある。

本発明が解決しようとする問題点は、最近の車両の高速化にともなう制動負荷の増大に対応するためには、ブレーキディスク締結部の疲労信頼性、特にボルト幹部の強度信頼性のさらなる向上が必要であるという点である。

発明者らは、鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造に関して、ブレーキの繰返しを想定した数値解析、ボルトの疲労試験を行い、研究を重ねた結果、以下の知見を得た。

（１）制動時のボルトの応力変動は、ブレーキディスクおよび車輪の半径方向への曲げが主体であり、応力変動が大きいボルト幹部の内周側および外周側にて車輪ボルト孔との接触が生じると、フレッティング疲労損傷が生じること。
（２）ボルト幹部のフレッティング疲労損傷は、車輪ボルト孔との接触を回避することで抑止できること。

（３）ボルトと車輪ボルト孔との接触を回避するためには、ボルト幹部を細径化すれば良いが、細径化すると、ブレーキの繰返しにより車輪とブレーキディスクとの間に芯ずれが生じ、アンバランスが増大すること。
（４）前記アンバランスと、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷を同時に抑止するためには、車輪のボルト孔の少なくとも３個以上を、当該車輪の半径方向に伸びた長孔とし、応力変動の大きいボルト幹部の内周側および外周側について、車輪ボルト孔との接触を回避すれば良いこと。
（５）ボルト幹部のフレッティング疲労損傷を、前記（４）に加えてさらに抑止するためには、車輪ボルト孔に対応する位置のボルト幹部中央とそれより細径の両側部分との段差を設け、その段差の角部を車輪ボルト穴周縁より内側の位置に配置すれば良いこと。

本発明の第１の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造は、以上の知見に基づいてなされたものであり、
特にボルト幹部の強度信頼性のさらなる向上を図るために、
ボルトとナットで車輪の側面にブレーキディスクを締結する締結構造であって、
前記ブレーキディスクを締結するために車輪に設けられたボルト孔のうち、少なくとも３個以上が、当該車輪の円周方向より半径方向に長さの長い、前記ボルトの幹部中央の直径に対し、短径が０mm〜２mm大きく、長径が２mm〜２０mm大きい長孔であり、
この長孔となした車輪のボルト孔に、
ねじ部と幹部を備え、前記幹部の軸方向中央部分が、この中央部分を挟む前記幹部の軸方向両側部分より直径が大きく、前記幹部中央部分のボルト軸方向の長さが、車輪の前記ボルト孔の前記ボルト軸方向の長さよりも短いボルトが挿入されていることを最も主要な特徴としている。この本発明では、前記長孔とする３個の位置は特に限定しないが、できるだけ円周方向を均等に分割する位置に設けることが望ましく、１２０°ピッチで設けることが最も望ましい。

また、本発明の第２の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造は、
ボルトとナットで車輪の側面にブレーキディスクを締結する締結構造であって、
前記ブレーキディスクを締結するために車輪に設けられたボルト孔のうち、少なくとも３個以上が、当該車輪の円周方向より半径方向に長さが長い長孔であり、
この長孔となした車輪のボルト孔に、
ねじ部と幹部を備え、前記幹部の軸方向中央部分が、この中央部分を挟む前記幹部の軸方向両側部分より直径が大きく、前記幹部中央部分のボルト軸方向の長さが、車輪の前記ボルト孔の前記ボルト軸方向の長さよりも短いボルトが挿入されていることを最も主要な特徴としている。
以上の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造にて車輪の両側にブレーキディスクを締結させた本発明の鉄道車両用車輪は、長期間の使用にもブレーキディスク締結部の疲労損傷による不具合防止が可能となる。

本発明では、ブレーキディスクと車輪との締結に際し、ブレーキディスクの締結部、特にボルト幹部の強度信頼性を向上させることができるので、新幹線等の車両の高速化にともなって制動負荷が増大しても、ブレーキディスク締結部の疲労損傷による不具合を防止することができるという利点がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図１１を用いて説明する。
Ａ）制動時のボルトの発生応力について
発明者らは、研究の初期段階において、制動時のボルトの発生応力を明らかにするため、図２に示すモデルを用いて、有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析を行った。その結果、図３に模式的に示すように、ブレーキによる温度上昇時に、ブレーキディスク１が凸状に変形し、ボルト５ａの幹部５ａａの外周側（図３の紙面右側）が車輪４のボルト孔４ａと接触し、ボルト５ａに著大な曲げ応力が発生することが分った。

さらに、前記接触により、ボルト５ａがブレーキディスク１の締結孔３ａに対して内周側（図３の紙面左側）に位置ずれし、その後の冷却により、ボルト幹部５ａａの内周側（図３の紙面左側）と車輪４のボルト孔４ａとの間で再度接触することが分った。

フレッティング疲労損傷は、他の部材と接触した状態で大きな繰返し応力が発生する部位に生じやすいと言われていることから、車輪のボルト孔と接触するボルト幹部の内周側および外周側にて、フレッティング疲労損傷が生じやすいとの結論を得た。

Ｂ）ボルト幹部のフレッティング疲労損傷について
発明者らは、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷を再現するために、図４に模式的に示す方法でボルト幹部５ａａのフレッティング疲労試験を行った。本試験は、ボルト５ａの幹部中央５ａｂに、車輪４のボルト孔４ａを半割にしたパッド１０を、押付けフレーム１１と押付けボルト１２により押当てた状態で、軸方向に繰返し荷重を負荷するものである。この時、押付け荷重は、押付け力測定用ひずみゲージ１３によって測定した。

図５は、軸方向の繰返し荷重を、平均荷重１８６kN、荷重振幅３６kNとし、パッドの押付け荷重を７kNとしてフレッティング疲労試験した結果、１．２３×１０^６回の繰返し数で破断したボルトの外観写真である。これより、本試験にて、ボルト幹部にてフレッティング疲労損傷により疲労破壊していることが分る。

次に、同じ繰返し荷重の条件で、パッドの押付け荷重を変更してフレッティング疲労試験を行った。図６に各パッド押付け荷重に対する破断寿命を示す。この図６より、パッド押付け荷重が小さくなると破断寿命が長くなり、パッド押付け荷重が０、すなわち接触しない条件では疲労破壊しないことが分る。
以上より、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷は、車輪のボルト孔との接触を回避することで抑止できるとの結論を得た。

Ｃ）ボルト幹部の細径化による接触回避について
発明者らは、前記Ｂ）の検討結果を踏まえ、ボルト幹部と車輪ボルト孔との接触を回避するため、ボルト幹部を細径化することを考えた。そこで、幹部５ａａを細径化したボルト５ａを用いて、ブレーキディスク１と車輪４とを締結した、図７に示す試験体を製作した。

これを、実体ブレーキ試験として、初速３３０km／hからのブレーキを２０回繰返した。試験後、外観調査をしたところ、ボルトの折損は生じていなかったが、図８（ｂ）に示すように、ブレーキディスク１と車輪４との間に芯ずれが生じていた。この試験体のアンバランス量（芯ずれしているものの質量×芯ずれ量）を静バランス測定機にて測定したところ、１４３３Nmmであった。このレベルのアンバランス量が発生すると、特に乗り心地の面で新幹線等の高速走行に耐えられない可能性がある。

Ｄ）アンバランスと、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷を同時に抑止する方策について
発明者らは、前記Ｂ）とＣ）の検討結果を踏まえ、アンバランスと、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷を同時に抑止する方策について検討した。その結果、図１に示すように車輪４のボルト孔４ａを車輪半径方向に伸びた長孔とすれば、車輪４によるボルト４ａの半径方向への拘束がなく、円周方向のみ拘束することで、ブレーキによる温度上昇で、ブレーキディスク１が半径方向に膨張・収縮しても、ブレーキディスク１と車輪４との芯ずれが生じ難いことが期待される。

この時、前記Ａ）の検討で判明したように、応力変動が大きいボルト幹部の内周側および外周側にて、車輪４のボルト孔４ａとの接触が回避されるため、フレッティング疲労損傷の抑止効果が期待される。

車輪４のボルト孔４ａを車輪半径方向に伸びた長孔とした場合に、このボルト孔４ａと、これに対応する位置のボルト５ａの幹部中央５ａｂとの寸法差を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）に示すように、ボルト５ａの幹部中央５ａｂの直径ｄに対し、ボルト孔４ａの長孔の短径（車輪４の円周方向幅）を０mmから２mm大きくし、長孔の長径（車輪４の半径方向幅）を２mmから２０mm大きくすれば良い。

ボルト５ａの幹部中央５ａｂの直径ｄに対し、ボルト孔４ａの長孔の短径を０mmから２mm大きくするのは、０mm未満であるとボルト５ａを挿入することができないからである。また、２mmを超えるとブレーキディスクと車輪との間に芯ずれが生じ、大きなアンバランスが生じるからである。

また、ボルト５ａの幹部中央５ａｂの直径ｄに対し、ボルト孔４ａの長孔の長径を２mmから２０mm大きくするのは、２mm未満であるとブレーキによる温度上昇でブレーキディスクが半径方向に膨張・収縮した場合に、ボルト５ａの幹部中央５ａｂが車輪ボルト孔４ａに接触してフレッティング疲労による損傷が生じるおそれがあるからである。

ちなみに、図２の有限要素モデルを用いて数値解析を行った結果、車輪ボルト孔４ａとボルト５ａの幹部中央５ａｂとの接触を考慮しない、すなわち車輪ボルト孔４ａによるボルト５ａの拘束がない条件では、ボルト５ａの幹部中央５ａｂが車輪４の半径方向に最大０．８mmシフトすることが分った。

このため、若干余裕を見て、ボルト５ａの幹部中央５ａｂに対する長孔長径の拡大量を最小２mm（半径にて１mm）とした。一方、ボルト５ａの幹部中央５ａｂの直径ｄに対する長孔長径の拡大量が２０mmを超えると、長孔の縁が車輪板部の板厚変化部、または、ボス付け根部に近接するため、車輪４の強度上の問題が生じるおそれがある。

なお、前述の特許文献１に、車輪のボルト孔を長孔とする技術が開示されている。しかしながら、長孔とした前記ボルト孔とボルト幹部との間に、摺動部材とスプリングピンを挿入する構成となっているので、ボルト幹部とスプリングピンとの間に接触が生じる可能性が高く、フレッティング疲労損傷を抑止する効果は得られない。

Ｅ）さらなるフレッティング疲労損傷抑止策について
発明者らは、前記Ｄ）の検討で、ブレーキディスクと車輪との芯ずれによるアンバランスを抑止しつつ、ボルト幹部の内周側および外周側にて、車輪ボルト孔との接触が回避できる締結構造を見出した。

しかしながら、この構造では、ボルト幹部の車輪円周方向側面位置にて、車輪ボルト孔と接触する可能性がある。前記Ａ）の検討により、ボルト幹部の車輪円周方向側面位置ではフレッティング疲労損傷が生じる可能性は低いが、その可能性をさらに低くして安全性を高めるため、ボルト幹部の形状を検討した。

図９及び図１０に検討した形状を示す。図９は、車輪４のボルト孔４ａに対応する位置のボルト５ａの幹部中央５ａｂの両側部分に、幹部中央５ａｂより細径の段差を設けた形状、図１０は、さらにその段差の角部５ａｃを車輪４のボルト孔４ａの周縁４ｂより内側（車輪の断面方向の中央部側）の位置に配置した形状である。

これらのボルトを、前記検討Ｂ）で行ったものと同じ繰返し荷重の条件で、押付け荷重を７kNとしたフレッティング疲労試験で評価した。結果として得られた破断寿命を図１１に示す。

この図１１より、図９のように段差を設けた形状では、段差を設けない形状より破断寿命が長くなっていることが分る。これは、段差を設けた形状では、フレッティング疲労損傷が生じるパッドとの接触端付近にて、応力が低減されているためである。また、段差の角部を内側に配置した図１０の形状では、さらに寿命が長くなり、１×１０⁷回でも未破断であった。これは、段差の角部５ａｃを内側に配置することによって、パッドがボルト５ａの幹部中央５ａｂの軸方向の変形を拘束するためである。

以上より、ボルト幹部のフレッティング疲労損傷をさらに抑止するためには、車輪のボルト孔に対応する位置のボルト幹部中央と、それより細径の軸方向両側部分との間に段差を設け、その段差の角部を車輪のボルト孔周縁より内側の位置に配置すれば良いとの結論を得た。

本発明のブレーキディスクの締結構造は以上の検討の結果に基づいてなされたものであり、図１に示したように、ブレーキディスク１を締結するために車輪４に設けられたボルト孔４ａのうち、例えば１２０°ピッチで設けた３個を、当該車輪４の円周方向より半径方向が長い長孔とした構成である。

その際、長孔となした車輪４のボルト孔４ａに、ねじ部５ａｄと幹部５ａａを備え、幹部５ａａの軸方向中央５ａｂが、この幹部中央５ａｂを挟む幹部５ａａの軸方向両側部分より直径が大きく、幹部中央５ａｂのボルト軸方向の長さが、車輪４のボルト孔４ａのボルト軸方向の長さより短いボルト５ａを挿入することが望ましい。

また、以上の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造にて車輪４の両側にブレーキディスク１を締結させたものが本発明の鉄道車両用車輪である。

以下、本発明の実施例について説明する。
下記表１および表２に、製作した車輪、ボルトの明細を示す。表１および表２中のＡ〜Ｆは本発明例、Ｇ〜Ｉは比較例である。ブレーキディスクの形状は全て同じであり、外径は７２５mm、締結孔は、摺動面より内周側にて、３８５mmのピッチ円直径で、３０°ピッチで１２個設け、摺動面の裏側にフィンを設けている。

車輪は、リム部軸方向中央位置の外径が８４０mm、ボルト孔のピッチ円直径が３８５mmであり、本発明例のＡ〜Ｆと比較例Ｉでは、一部または全てのボルト孔を車輪半径方向に長い長孔となしている。

本発明例Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｆでは、車輪に設けた１２個のボルト孔の内、１２０°ピッチの３個を長孔とし、本発明例Ｂでは前記ボルト孔寸法を、本発明例Ａ，Ｅ，Ｆより若干大きめとした。また、本発明例ＣとＤでは、前記ボルト孔の全１２個を長孔とし、本発明例Ｃより本発明例Ｄの方がボルト孔寸法を若干大きめとした。

一方、比較例Ｉでは、１２個の前記ボルト孔の内、１８０°ピッチの２個を長孔とし、ボルト孔寸法は本発明例Ａ，Ｅ，Ｆと同じとした。また、比較例Ｇと比較例Ｈは、ボルト孔を長孔としなかった。

車輪のボルト孔を長孔とした本発明例Ａ〜Ｆと比較例Ｉでは、長孔に挿入したボルトと長孔以外のボルト孔に挿入したボルトで、その幹部の形状を異ならせた。
すなわち、本発明例Ａ〜Ｆと比較例Ｉでは、車輪のボルト孔に対応する位置のボルトの幹部中央の直径を２６．５mmとし、長孔の短径に対して０．５mmまたは２mm小さい寸法とした。

また、本発明例ＥとＦでは、ボルトの幹部中央の両側を、幹部中央より細径とした。さらに、本発明例Ｆでは、ボルト幹部の段差の角部が、車輪のボルト孔周縁より内側の位置に位置するようにした。

この時、本発明例Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｆと比較例Ｉでは、長孔以外のボルト孔には、当該ボルト孔の直径に対して７mm以上小さい直径のボルトを挿入した。
一方、比較例Ｇでは、ボルト孔に挿入したボルトの直径は、ボルト孔の直径よりわずか０．４mm小さいものとした。また、比較例Ｈでは、ボルト孔に挿入したボルトの直径は、ボルト孔の直径より８．５mm小さいものとした。

なお、表１および表２中の本発明例、比較例において、ブレーキディスクは、低合金鋼の鋼塊を熱間鍛造して熱処理した後、機械加工して製作した。また、ボルトは、低合金鋼の圧延材を冷間鍛造して熱処理した後、機械加工し、ねじ部を転造して製作した。また、車輪は、高炭素鋼の鋼塊を熱間鍛造して熱間圧延した後、熱処理し、機械加工して製作した。これらの製作方法は、全て現在使用されているブレーキディスク、ボルト、車輪の製作方法と同じである。

前記したブレーキディスク、車輪、ボルト（ナット・座金を含む）からなる締結構造の試験体について、実際に高速回転させて摺動面にブレーキライニングを押し当てて繰返し制動させるブレーキ耐久試験を行った。この時の条件は、ブレーキ初速を３３０km／hとしたブレーキを２０回繰返すものとした。試験後、静バランス測定機を用いて試験体のアンバランス量を測定し、さらに、試験体を分解してボルト幹部の車輪ボルト孔との接触状況を調査した。その結果を下記表３に示す。

表３から分るように、本発明例の全てと比較例Ｈ，Ｉでは、ボルト幹部において車輪ボルト孔と接触した形跡はなかった。
一方、比較例Ｇでは、ボルト幹部において車輪ボルト孔と接触した形跡があり、ボルト幹部が黒っぽく変色してココアと呼ばれる摩耗粉が付着していた。

また、アンバランス量については、高速走行において許容されるアンバランス量が５００Nmm以下であるのに対し、本発明例の全てと比較例Ｇのアンバランス量はこの許容アンバランス量以下であった。一方、比較例ＨとＩのアンバランス量は、許容アンバランス量を超えるレベルであった。

以下、前記実施例の試験結果が得られた理由について述べる。
ａ） ボルト幹部の車輪ボルト孔との接触状況について
比較例Ｇは、車輪のボルト孔とボルト幹部との直径差が０．４mmしかない。従って、図３に示したように、ブレーキによる温度上昇時に、ブレーキディスクが凸状に変形してボルト幹部の外周側がボルト孔と接触し、この接触により、ボルトがブレーキディスクの締結孔に対して内周側に位置ずれし、その後、ボルト幹部の内周側とボルト孔との間で接触が生じたものと考えられる。このような接触が生じると、いずれフレッティング疲労損傷が生じると推定される。

ｂ）アンバランス量について
比較例Ｈでアンバランス量が著大であったのは、ボルト孔とボルト幹部の直径差が大きいため、ブレーキ試験中のブレーキディスクの熱膨張・収縮の繰返しにより、ブレーキディスクと車輪との間に芯ずれが生じたためである。また、比較例Ｉでアンバランス量が大きかったのは、長孔が１８０°ピッチの２個しかなかったため、車輪に対しブレーキディスクが長孔の長手方向にずれたためである。

これに対し、本発明例Ａ〜Ｆでは、長孔が３個以上あるため、ブレーキディスクの熱膨張・収縮によって、長孔に対しボルト位置が変位しても、ブレーキディスクと車輪との芯ずれが生じ難いと考えられる。なお、本発明例Ｂ，Ｄが、本発明例Ａ，Ｃおよび比較例Ｇより、アンバランス量が若干大きいのは、長孔の短径と長孔に挿入したボルト幹部中央の直径との差が、若干大きいためと推定される。

ｃ）ボルト幹部中央の段差と段差角部位置の影響について
本発明例Ｅと本発明例Ｆでは、ボルトの幹部中央の両側が、ボルトの幹部中央より細径となった段差が設けられており、さらに、本発明例Ｆでは、ボルト幹部の段差の角部が車輪のボルト孔周縁より内側の位置に配置されている。

この段差と段差角部位置の影響については、ここで行ったブレーキ試験では評価できていないが、上述したようにフレッティング疲労試験にてその有効性が確認されている。図９の段差を設けた形状とは、本発明例Ｅに用いたボルトと同形状であり、図１０の段差の角部を内側に配置した形状とは、本発明例Ｆに用いたボルトと同形状である。

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。

（ａ）は本発明を構成するブレーキディスクおよびその締結構造を示した図、（ｂ）は車輪ボルト孔の長孔と車輪ボルト孔に対応する位置のボルト幹部中央との寸法差を示す図である。 数値解析に用いた有限要素分割について説明する図で、（ａ）は上方から見た斜視図、（ｂ）は半径方向−軸方向断面図である。 数値解析の結果として、ブレーキ時のブレーキディスクとボルトの変形を模式的に示す図である。 フレッティング疲労試験を模式的に示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ図である。 フレッティング疲労試験で破断したボルトの外観写真である。 フレッティング疲労試験による各パッド押付け荷重に対する破断寿命を示した図である。 幹部を細径化したボルトを用いたブレーキディスクと車輪との締結構造を示した図である。 幹部を細径化したボルトを用いた場合のブレーキディスクと車輪との間に生じた芯ずれを示した図で、（ａ）は試験前、（ｂ）は試験後を示した図である。 （ａ）は車輪のボルト孔に対応する位置のボルトの幹部中央の両側部分に細径の段差を設けた形状を検討した結果を示した図、（ｂ）は（ａ）図の要部拡大図である。 （ａ）は車輪のボルト孔に対応する位置のボルトの幹部中央の両側部分に細径の段差を設け、さらにその段差の角部を車輪のボルト孔の周縁より内側の位置に配置した形状を検討した結果を示した図、（ｂ）は（ａ）図の要部拡大図である。 フレッティング疲労試験による各幹部形状に対する破断寿命を示した図である。 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。 特許文献１で開示された鉄道車両用ブレーキディスクの締結装置の１／２を示す半径方向−軸方向断面図である。 特許文献２で開示された鉄道車両用ブレーキディスクの要部の斜視図である。 特許文献３で開示された鉄道車両用ブレーキディスクの締結装置の１／２を示す半径方向−軸方向断面図である。

符号の説明

１ ブレーキディスク
２ 摺動部
２ａ 摺動面
３ 締結部
３ａ 締結孔
４ 車輪
４ａ ボルト孔
４ｂ 周縁
５ａ ボルト
５ａａ 幹部
５ａｂ 幹部中央
５ａｃ 角部
５ａｄ ねじ部
５ｂ ナット
６ ブレーキライニング

Claims (5)

1. ボルトとナットで車輪の側面にブレーキディスクを締結する締結構造であって、
   前記ブレーキディスクを締結するために車輪に設けられたボルト孔のうち、少なくとも３個以上が、当該車輪の円周方向より半径方向に長さが長い、前記ボルトの幹部中央の直径に対し、短径が０mm〜２mm大きく、長径が２mm〜２０mm大きい長孔であり、
   この長孔となした車輪のボルト孔に、
   ねじ部と幹部を備え、前記幹部の軸方向中央部分が、この中央部分を挟む前記幹部の軸方向両側部分より直径が大きく、前記幹部中央部分のボルト軸方向の長さが、車輪の前記ボルト孔の前記ボルト軸方向の長さよりも短いボルトが挿入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の締結構造。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造にて車輪の両側にブレーキディスクを締結させた鉄道車両用車輪。
3. 前記鉄道車両用ブレーキディスクが低合金鋼製ブレーキディスクで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の締結構造。
4. ボルトとナットで車輪の側面にブレーキディスクを締結する締結構造であって、
   前記ブレーキディスクを締結するために車輪に設けられたボルト孔のうち、少なくとも３個以上が、当該車輪の円周方向より半径方向に長さが長い長孔であり、
   この長孔となした車輪のボルト孔に、
   ねじ部と幹部を備え、前記幹部の軸方向中央部分が、この中央部分を挟む前記幹部の軸方向両側部分より直径が大きく、前記幹部中央部分のボルト軸方向の長さが、車輪の前記ボルト孔の前記ボルト軸方向の長さよりも短いボルトが挿入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の締結構造。
5. 請求項４に記載の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造にて車輪の両側にブレーキディスクを締結させた鉄道車両用車輪。