JP4677982B2 - Brake disc for railway vehicle and its fastening structure - Google Patents
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本発明は、主として摺動面でボルト締結されるブレーキディスクであり、締結ボルトの強度信頼性に優れると共に、摺動面で接触するブレーキライニングに生じる衝撃荷重を極力低減でき、長期間の使用に耐え得ることが可能な鉄道車両用ブレーキディスク、及びその締結構造に関するものである。 The present invention is a brake disk that is mainly bolted on a sliding surface, and is excellent in strength reliability of the fastening bolt, and can reduce the impact load generated on a brake lining that contacts the sliding surface as much as possible, and can be used for a long time. The present invention relates to a brake disc for a railway vehicle that can withstand, and a fastening structure thereof.
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。 Block brakes, drum brakes, disk brakes, and the like are used as braking devices for land transportation machines such as railway vehicles, automobiles, and motorcycles. In recent years, disk brakes have been frequently used with the increase in speed and size of vehicles.
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、車輪、またはディスク体を介して車軸に取り付けたドーナツ型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って制動力を得、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。 A disc brake is a device that obtains a braking force by friction between a brake disc and a brake lining. Normally, a vehicle is obtained by applying a braking force by pressing a brake lining against a sliding surface of a donut-shaped disk-shaped disc attached to an axle via a wheel or a disc body with a bolt, and braking the rotation of the axle or the wheel. To control the speed. The disc-shaped disc having this sliding surface is called a brake disc.
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、ディスク体を介して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いうときは、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。 Among these brake discs, railcar brake discs include a side disc and a shaft mount disc. Among these, 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 via a disc body. Hereinafter, in this specification, the term “brake disk” refers to both the side disk and the shaft mount disk.
図10は従来型の鉄道車両用側ディスクを示し、(a)図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)図は(a)図のA−A断面図(半径方向−軸方向断面図)である。 10A and 10B show a conventional rail car side disk, FIG. 10A is a radial-circumferential plan view showing a quarter of a brake disk, and FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. It is (radial direction-axial direction sectional drawing).
図10に示すように、一般に、ブレーキディスク1は、一方(表面)側に摺動面1baを備えた摺動部1bと、車輪に締結するための締結孔1aaを備えた締結部1aとから構成されている。また、ブレーキディスク1の前記摺動面1baの他方(裏面)側にはフィン1cが設けられている。
As shown in FIG. 10, in general, the
図11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。
図11に示すように、ブレーキディスク1は、締結ボルト3とナット4によって、車輪2の板部2a両側面に一体的な回転可能に取り付けられる。また、これらの摺動面1baとの対向位置には、それぞれブレーキライニング5が摺動面方向への移動可能に取り付けられている。
FIG. 11 is a radial-axial cross-sectional view schematically showing a state in which a conventional railway vehicle brake disc is attached to a wheel.
As shown in FIG. 11, the
そして、制動時には、ブレーキライニング5がブレーキディスク1側に移動して車輪2の両側面から強く挟圧し、この摩擦力によって車輪2を介して車軸の回転を制動して車両を停止させる。なお、図11中の2bは車輪2の板部2aに設けたブレーキディスク1の締結孔、6は平座金を示す。
At the time of braking, the
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や、これに伴う締結ボルトへの著大な応力発生等が問題となっている。 By the way, in a high-speed railway vehicle such as the Shinkansen, the rotational speed and inertial force of the brake disk are very large, so that the temperature increase of the brake disk during braking is significantly increased. Therefore, there are problems such as thermal deformation of the brake disk and generation of significant stress on the fastening bolt.
このうち、ブレーキディスクの熱変形を抑制する技術として、特許文献1では、摺動部で車輪と締結するブレーキディスクを開示している。
図12は特許文献1で開示された、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。
図12に示すように、このブレーキディスク1は、摺動部1bに設けた締結孔1bbに締結ボルト3を挿入することで車輪2と締結されるので、この締結ボルト3によってブレーキディスク1の軸方向への変形が抑えられ、従来型のブレーキディスクに比べて熱変形の低減が可能になる。
FIG. 12 is a radial-axial sectional view showing a fastening state with a wheel of a representative brake disc fastened with a wheel at a sliding portion disclosed in
As shown in FIG. 12, the
しかしながら、特許文献1で開示された締結方法では、ブレーキディスクの熱膨張が締結ボルトに直接負荷されるので、1回の制動操作によって発生する締結ボルトの応力変動は、従来型のブレーキディスクに比べてむしろ大きくなる。そのため、締結ボルトの疲労寿命を短く想定しなければならない。
However, in the fastening method disclosed in
摺動部で車輪と締結する上記のブレーキディスクにおいて、締結ボルトの発生応力を低減させ、疲労破壊に対する安全性を確保する技術として、図12に示す締結孔1bbの大径部1bbaの座面と、締結ボルト3の頭部負荷座面の間に皿ばねを介在させることが考えられる。その効果は、被締め付け物が変形した場合に、その変形分を皿ばねが吸収することにより、締結ボルトに作用する動的な荷重が大きくならないことにある。
In the above brake disc that is fastened to the wheel at the sliding portion, as a technique for reducing the stress generated by the fastening bolt and ensuring safety against fatigue failure, the bearing surface of the large diameter portion 1bba of the fastening hole 1bb shown in FIG. It is conceivable that a disc spring is interposed between the head load bearing surfaces of the fastening
しかしながら、皿ばねを介在させる場合は、摺動部に設ける締結孔の大径部の大きさを、締結ボルトの頭部よりも大きい皿ばねの外径以上となるようにしなければならない。このような大きさの締結孔(大径部)を設けた場合、摺動面にて接触するブレーキライニングが締結孔上を通過する際に衝撃的な荷重が発生し、ブレーキライニングに欠けや割れが発生して安定的な摩擦特性が得られないという新たな問題が発生する。 However, when a disc spring is interposed, the size of the large-diameter portion of the fastening hole provided in the sliding portion must be larger than the outer diameter of the disc spring larger than the head of the fastening bolt. When a fastening hole (large diameter part) of such a size is provided, an impact load is generated when the brake lining that contacts the sliding surface passes over the fastening hole, and the brake lining is chipped or cracked. This causes a new problem that stable friction characteristics cannot be obtained.
特に特許文献2に見られるように、ブレーキライニングが多数のライニング部材より形成されている場合は、この問題が重要となる。
この問題を解決するには、締結ボルトの頭部および皿ばねの大きさを小さくしなければならないが、締結ボルト頭部や皿ばねの大きさを小さくすることは、すなわち締結ボルトのねじ径を小さくすることであるため、締結ボルトに生じる負荷が増大して締結ボルトの疲労安全性を確保できなくなる。 To solve this problem, the size of the head of the fastening bolt and the disc spring must be reduced. However, reducing the size of the head of the fastening bolt and the disc spring reduces the screw diameter of the fastening bolt. Since it is made small, the load which arises in a fastening bolt increases and it becomes impossible to ensure the fatigue safety of a fastening bolt.
本発明が解決しようとする問題点は、摺動部でボルト締結する従来のブレーキディスクにおいて、制動時における締結ボルトの応力変動を小さくするために皿ばねを使用した場合に、安定的な摩擦特性を得ようとすると、締結ボルトの疲労安全性を確保できないという点である。 The problem to be solved by the present invention is that, in a conventional brake disc that is bolted at a sliding portion, when a disc spring is used to reduce the stress fluctuation of the fastening bolt during braking, stable friction characteristics are obtained. If it is going to obtain, it is a point which cannot ensure the fatigue safety of a fastening bolt.
発明者らは、鉄道車両用ブレーキディスク、特に摺動部でボルト締結するブレーキディスクに関して、制動負荷を想定した数値解析を行い、研究を重ねた結果、以下の知見を得た。 The inventors have conducted numerical analysis assuming a braking load on a brake disk for railcars, in particular, a brake disk that is bolted at a sliding portion, and obtained the following knowledge as a result of repeated research.
(A) ブレーキライニングが摺動面に開口する締結孔部を通過する際の衝撃荷重によって、ブレーキライニングに生じる応力は、ブレーキライニングの摩擦材ブロックの一部が締結孔内に落ち込むことによって生じる。この落ち込み量は、摺動面に開口する締結孔の径が小さいほど小さくなり、これによってブレーキライニングに生じる応力も低減する。従って、ブレーキライニングの欠けや割れを抑制し、安定した摩擦特性を得るには、摺動面に開口する締結孔の径をできるだけ小さくする必要がある。 (A) The stress generated in the brake lining due to the impact load when the brake lining passes through the fastening hole that opens in the sliding surface is generated when a part of the friction material block of the brake lining falls into the fastening hole. This sagging amount becomes smaller as the diameter of the fastening hole that opens in the sliding surface becomes smaller, thereby reducing the stress generated in the brake lining. Therefore, in order to suppress chipping and cracking of the brake lining and obtain stable friction characteristics, it is necessary to make the diameter of the fastening hole opened in the sliding surface as small as possible.
(B) 摺動面に開口する締結孔の径を小さくするために、締結ボルトの頭部寸法や皿ばねの外径を小さくすると、当然ながら締結ボルトのねじ径が小さくなって締結ボルトに発生する応力が増大し、締結ボルトの疲労安全性を確保することができなくなる。 (B) In order to reduce the diameter of the fastening hole that opens in the sliding surface, if the head dimension of the fastening bolt or the outer diameter of the disc spring is reduced, the screw diameter of the fastening bolt naturally becomes smaller and is generated in the fastening bolt. Stress increases, and it becomes impossible to ensure the fatigue safety of the fastening bolt.
(C) 締結ボルトのねじ径や皿ばねの外径を変えずに、摺動面に開口する締結孔の径を小さくすると、摺動面上から、皿ばね、締結ボルト、ナットを挿入した締結ができなくなる。このため、摺動面上には締結ボルトを締付けるために必要最小限の径の孔を開け、摺動面に対して反対のフィン面側に設けたボルト座に、このフィン面側から、皿ばね、締結ボルト、およびナット等の締結部品を挿入可能な横穴を、ブレーキディスクの円周方向に設ける形状を考えた。このような形状では、締結ボルトのねじ径を小さくすることなく、摺動面に開口する締結孔の径を大幅に小さくすることができる。 (C) If the diameter of the fastening hole that opens on the sliding surface is reduced without changing the screw diameter of the fastening bolt or the outside diameter of the disc spring, the disc spring, fastening bolt, and nut are inserted from the sliding surface. Can not be. For this reason, a hole with a minimum diameter necessary for fastening the fastening bolt is formed on the sliding surface, and the bolt seat provided on the fin surface side opposite to the sliding surface is connected to the plate from the fin surface side. The shape which provided the horizontal hole which can insert fastening components, such as a spring, a fastening bolt, and a nut, in the circumference direction of a brake disc was considered. With such a shape, the diameter of the fastening hole opened in the sliding surface can be greatly reduced without reducing the screw diameter of the fastening bolt.
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、発明者らの数値解析や研究によって得た前記の知見に基づいて成されたもので、特に摺動部でボルト締結する鉄道車両用ブレーキディスクに関して、締結ボルトの強度信頼性を確保しつつ、ブレーキライニングの欠けや割れを抑制し、安定した摩擦特性を得ることを目的としている。 The brake disc for a railway vehicle according to the present invention is made based on the above knowledge obtained by the numerical analysis and research by the inventors. Particularly, the fastening bolt for the rail vehicle brake disc that is bolted at the sliding portion. The purpose is to obtain a stable friction characteristic by suppressing breakage and cracking of the brake lining while ensuring the reliability of the strength.
すなわち、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、
車輪、または車軸に取り付けられるディスク体に、摺動部でボルト締結される鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記摺動部に設ける締結孔は、
1) 締結ボルトの頭部の挿入側では、
前記摺動部の摺動面と反対側から摺動部内に設けられた縦穴と、
この縦穴と前記摺動部内で連通するように設けられた横穴と、
前記摺動面側と前記縦穴を貫通するように設けられた、締結ボルトの締付け孔とで構成され、
前記縦穴は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、頭部の貫通は不可能な大きさの内径を有し、
また、前記横穴は、締結ボルトの頭部が挿入可能な大きさを有すると共に前記摺動面と反対側に開口していることを、
2) ナットの挿入側では、
前記摺動部の摺動面と反対側から摺動部内に設けられた縦穴と、
この縦穴と前記摺動部内で連通するように設けられた横穴とで構成され、
前記縦穴は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、ナットの貫通は不可能な大きさの内径を有し、
また、前記横穴は、ナットが挿入可能な大きさを有すると共に前記摺動面と反対側に開口し、かつナットの回転を阻止する回転阻止部が形成されていることを、
最も主要な特徴としている。
That is, the brake disk for railway vehicles of the present invention is
A brake disc for a railway vehicle that is bolted at a sliding portion to a disc body attached to a wheel or an axle,
The fastening hole provided in the sliding part is
1) On the insertion side of the fastening bolt head,
A vertical hole provided in the sliding portion from the side opposite to the sliding surface of the sliding portion;
A horizontal hole provided to communicate with the vertical hole in the sliding portion;
The sliding surface side and the vertical hole are provided so as to pass through, and a fastening bolt tightening hole is configured.
The vertical hole is capable of penetrating the screw shaft portion of the fastening bolt and has an inner diameter that is impossible to penetrate the head,
Further, the lateral hole has a size that allows the head of the fastening bolt to be inserted and is open on the side opposite to the sliding surface.
2) On the nut insertion side,
A vertical hole provided in the sliding portion from the side opposite to the sliding surface of the sliding portion;
It is composed of this vertical hole and a horizontal hole provided so as to communicate within the sliding portion,
The vertical hole is capable of penetrating the screw shaft of the fastening bolt, and has an inner diameter that is impossible to penetrate the nut;
In addition, the lateral hole has a size into which the nut can be inserted and is open to the side opposite to the sliding surface, and a rotation blocking portion for blocking the rotation of the nut is formed.
The most important feature.
また、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造は、前記1)の構成のブレーキディスクと、2)の構成のブレーキディスクを、車輪、または車軸に取り付けられるディスク体を挟む態様で、締結ボルトとナットを用いて締結することを最も主要な特徴としている。 Further, the fastening structure of the brake disc for a railway vehicle according to the present invention is a fastening bolt in such a manner that the disc disc attached to the wheel or the axle is sandwiched between the brake disc having the configuration 1) and the brake disc having the configuration 2). The main feature is that it is fastened with a nut.
本発明では、締結ボルトのねじ径を小さくしないで摺動面に開口する孔を小さくできるので、締結ボルトの強度信頼性を確保しつつ、ブレーキライニングの欠けや割れを抑制でき、安定した摩擦特性が得られるという利点がある。 In the present invention, since the hole opening in the sliding surface can be made small without reducing the screw diameter of the fastening bolt, it is possible to suppress breakage and cracking of the brake lining while ensuring the strength reliability of the fastening bolt, and stable friction characteristics. There is an advantage that can be obtained.
以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態例について、図1〜図9を用いて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9 along with the progress from the idea of the present invention to the solution of the problem.
a) 摺動面に開口する締結孔部を通過する際にブレーキライニングに生じる応力について
発明者らは、摺動面に開口する締結孔部を、ブレーキライニングが通過する際の衝撃荷重によって、ブレーキライニングに生じる応力を評価するため、図1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。
a) Regarding the stress generated in the brake lining when passing through the fastening hole that opens in the sliding surface The inventors have applied the brake to the fastening hole that opens in the sliding surface by the impact load when the brake lining passes through. In order to evaluate the stress generated in the lining, numerical analysis by a finite element method (FEM) was performed using the model shown in FIG.
使用したモデルは、摺動部相当の板材に直径が36mmの孔10aの周囲に3mmの面取り10bを設けたディスク10と、ブレーキライニングの摩擦材相当の、直径が40mmの円柱形状のブロック11からなっている。
The model used is from a
このブロック11をディスク10に荷重10kNで押し付け、その接触面に対して水平方向にスライドさせた。この場合におけるブロック11の付け根部分11aに作用する応力の変化を図2(a)に示す。
The block 11 was pressed against the
この図2(a)に示す結果より、以下の2点でブロック11の付け根部分11aに高い応力が発生し、その後、滑りが生じると応力が低下することが分かる。 From the results shown in FIG. 2A, it can be seen that a high stress is generated in the base portion 11a of the block 11 at the following two points, and then the stress decreases when slipping occurs.
・ブロック11がディスク10の孔10aに落ち込み(図2(b))、孔10aの面取り10b上を滑り始める直前の点(図2(c)と図2(d)の間)。
・摺動面上に乗り上がる直前の点(図2(e)の直前)。
The point immediately before the block 11 falls into the
A point immediately before riding on the sliding surface (immediately before FIG. 2 (e)).
従って、ブロック11に発生する応力を低減させるためには、面取り10bを含む孔10aの内径をブロック11の外径よりも小さくすれば良いことが分かる。
Therefore, it can be seen that in order to reduce the stress generated in the block 11, the inner diameter of the
しかしながら、面取り10bを含む孔10aの内径がブロック11の外径より小さくても、図3に示すように、ブロック11の弾性変形によって、ブロック11の移動方向前方側の角11bが孔10aの面取り10b内に落ち込み、少なからず応力が発生する可能性がある。
However, even if the inner diameter of the
従って、ブロック11に発生する応力を低減させるためには、孔10aの内径をできるだけ小さくし、ブロック11の弾性変形による孔10a内への落ち込み量を小さくすることが効果的である。
Therefore, in order to reduce the stress generated in the block 11, it is effective to make the inner diameter of the
b) 締結ボルトのねじ径と発生応力の関係について
上記a)の検討結果に基づき、摺動部に設ける締結孔を小さくするために、締結ボルトのねじ径と皿ばねの外径を小さくすることを検討した。
b) Relation between the screw diameter of the fastening bolt and the generated stress Based on the results of the study in a) above, the screw diameter of the fastening bolt and the outer diameter of the disc spring should be reduced in order to reduce the fastening hole provided in the sliding part. It was investigated.
まず、図4に示す基本形状のモデルについて、制動時における熱負荷を想定したFEM解析を行った。このモデルは、摺動部1bに、摺動部1bを貫通する締結孔1bbを設けたブレーキディスク1を、その対称性を考慮して15°分のみモデル化したものと、同じく軸方向1/2で15°分のみをモデル化した車輪2の板部2aと、締結ボルト3とナット4を一体化して軸方向1/2、円周方向1/2のみをモデル化したものと、皿ばね7からなる。この時、締結ボルト3のねじ部の外径は18mmを想定し、皿ばね7の外径は34mmとしている。
First, an FEM analysis assuming a thermal load during braking was performed on the basic shape model shown in FIG. This model is the same as the model in which the
この図4に示したモデルを用いて、360km/hの初速から完全に停止するまでに相当する条件でFEM解析を行った。その結果、締結ボルト3に発生する応力として下記表1の値が得られた。
Using the model shown in FIG. 4, FEM analysis was performed under conditions corresponding to a complete stop from the initial speed of 360 km / h. As a result, the values shown in Table 1 below were obtained as the stress generated in the
表1中、幹部と記載している応力は、締結ボルトの幹部における、車輪の板厚方向中央位置に対応する位置の内周側表面と外周側表面の最大主応力(今回のFEM解析の場合、軸方向応力となる)より求めている。引張応力は、内周側と外周側の平均値とし、制動中の変動幅を示している。一方、曲げ応力は、内周側と外周側の応力差の半分とし、引張応力の場合と同様、制動中の変動幅を示している。 In Table 1, the stress described as the trunk is the maximum principal stress on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface at the position corresponding to the center position in the plate thickness direction of the wheel in the trunk of the fastening bolt (in the case of this FEM analysis) The axial stress). The tensile stress is an average value on the inner peripheral side and the outer peripheral side, and indicates the fluctuation range during braking. On the other hand, the bending stress is half the stress difference between the inner peripheral side and the outer peripheral side, and shows the fluctuation range during braking as in the case of tensile stress.
また、ねじ部と記載している応力は、外径が18mmの細目ねじについて、JIS B 1082で定められた有効断面積と、これより求められる断面係数の比を用いて、引張応力と曲げ応力を、幹部の応力よりそれぞれ求めたものである。 In addition, the stress described as the thread part is the tensile stress and bending stress for fine threads with an outer diameter of 18 mm, using the ratio of the effective cross-sectional area defined in JIS B 1082 and the section modulus obtained from this. Is obtained from the stress of the trunk.
次に、ねじの外径が小さくなった場合の応力を推定した。この推定は、表1の幹部の引張応力と曲げ応力に基づいて、外径が18mmの細目ねじについて求めた、表1の場合と同様の手法で、外径が16mm、14mm、12mmの細目ねじについて応力を算出した。その結果を下記表2に示す。 Next, the stress when the outer diameter of the screw was reduced was estimated. This estimation was made for fine screws with an outer diameter of 18 mm based on the tensile stress and bending stress of the trunk in Table 1, and using the same method as in Table 1, fine screws with an outer diameter of 16 mm, 14 mm, and 12 mm. The stress was calculated for. The results are shown in Table 2 below.
表2より、当然ながらねじの外径が小さくなると、ねじ部に発生する応力が著しく大きくなることが分かる。なお、表2に記載した応力値は、皿ばねの形状が変わらないとの前提で求めたものであり、ねじの外径を小さくし、さらに皿ばねの外径まで小さくして締結孔を小さくしようとすれば、皿ばねのばね剛性が大きくなり、締結ボルトに生じる応力は表2に記載の値よりも大きくなることが予想される。 It can be seen from Table 2 that, as a matter of course, when the outer diameter of the screw is reduced, the stress generated in the screw portion is significantly increased. The stress values listed in Table 2 were obtained on the premise that the shape of the disc spring does not change. The outer diameter of the screw is reduced and further reduced to the outer diameter of the disc spring to reduce the fastening hole. If it tries to do so, the spring rigidity of the disc spring will increase, and the stress generated in the fastening bolt is expected to be larger than the values listed in Table 2.
以上より、締結孔を小さくするために、締結ボルトのねじ外径や皿ばねの外径を単純に小さくすると、締結ボルトに発生する応力が増大し、締結ボルトの疲労安全性を確保することができないことが分かる。 From the above, if the screw outer diameter of the fastening bolt or the outer diameter of the disc spring is simply reduced in order to reduce the fastening hole, the stress generated in the fastening bolt increases and the fatigue safety of the fastening bolt can be ensured. I understand that I can't.
c) 摺動面に開口する締結孔の径を小さくする形状について
図5に示すように、締結ボルト3のねじ外径や皿ばね7の外径を変えずに、摺動面1baに開口する孔の内径d1を小さくすると、摺動面1ba側から、皿ばね7、締結ボルト3やナット4を挿入して締結することができなくなる。
c) Shape for reducing the diameter of the fastening hole opened in the sliding surface As shown in FIG. 5, the
このため、図6に示すように、摺動部1bの摺動面1baと反対側のフィン面1caから摺動部1b内には、締結ボルト3のねじ軸部は貫通が可能であるが、頭部は貫通できない径の縦穴1bbbを設ける。また、摺動面1baとこの縦穴1bbbを貫通するように、締結ボルト3を回転させるために必要な最小限の内径d2、例えば締結ボルト3に六角穴付きボルトを用いる場合、六角穴の最大径を内径とする締付け孔1bbcを設ける。
Therefore, as shown in FIG. 6, the screw shaft portion of the
そして、皿ばね7、締結ボルト3の挿入が可能な横穴1bbdを、摺動部1b内においてブレーキディスク1の円周方向に設けて前記縦穴1bbbと連通させ、前記フィン面1caに開口させる形状を考えた。
A lateral hole 1bbd into which the
なお、横穴1bbdのフィン面1caへの開口部1bbeから縦穴1bbbへは、締結ボルト3のねじ軸部を縦穴1bbbに貫通配置させるべく移動するための繋がり部1bbfが設けられている。
A connecting portion 1bbf for moving the screw shaft portion of the
この図6に示した形状では、前記のように、締結ボルト3として六角穴付きボルトを用いる場合、摺動面1baに開口する、締結ボルト3の締付け孔1bbcの内径d2は、六角穴の最大径まで小さくすることができる。
In the shape shown in FIG. 6, when a hexagon socket head bolt is used as the
従って、上記b)で検討した図4の基本形状に基づき、締結ボルト3のねじ外径を18mm、皿ばね7の外径を36mmとすると、従来は内径が38mmの締結孔1bbを設けていたのに対し、本発明形状では締付け孔1bbcの内径を、JIS B 1176で規定される六角穴の外径(16.3mm)より若干大きい17mm程度まで小さくすることができる。
Therefore, based on the basic shape of FIG. 4 examined in b) above, if the outer diameter of the
また、ナット4側では、図7(d)に示すように、横穴1bbdの寸法Lをナット4の対辺部分の幅とほぼ同じ寸法として、ナット4を挿入した状態で、ナット4の回転を阻止するようにしている。このようにすれば、締結ボルト3を回転させて締付ける時に、ナット4の回転を阻止するための治具を挿入するための孔を、摺動面1baに開口させる必要がなくなる。さらに、本発明形状では、万一、想定外の過大荷重が発生し、締結ボルト3が折損した場合でも、折損部が軸方向に抜けることがないので、落失を抑止する効果もある。
Further, on the
本発明の効果を確認するために、本発明品のボルト発生応力を、先に実施した従来品のボルト発生応力である表2の解析結果と比較するべく、本発明品である図6の形状に基づいて図8に示すモデルを作成した。 In order to confirm the effect of the present invention, in order to compare the bolt generated stress of the present invention product with the analysis result of Table 2 which is the bolt generated stress of the conventional product performed previously, the shape of FIG. Based on this, a model shown in FIG. 8 was created.
この図8に示したモデルは,摺動部1bに上記構成の締結孔を設けたブレーキディスク1を、その対称性を考慮して30°分のみモデル化したものと、同じく軸方向1/2で30°分のみをモデル化した車輪2の板部2aと、締結ボルト3とナット4を一体化して軸方向1/2、円周方向1/2のみをモデル化したものと、皿ばね7とからなっている。
The model shown in FIG. 8 is the same as the model in which the
これは、基本的に、従来品である図4のモデルを円周方向に2倍した形状であるが、ブレーキディスク1の摺動面1baに開口する締付け孔1bbcの径が18.5mmと小さく、摺動部1bの反対側に設けたボルト座1dに、皿ばね7、締結ボルト3、およびナット4を挿入する横穴1bbdをブレーキディスク1の円周方向に設けている点が異なる。
This is basically a shape obtained by doubling the conventional model of FIG. 4 in the circumferential direction, but the diameter of the tightening hole 1bbc opening in the sliding surface 1ba of the
本発明品である図8に示したモデルを用いて、従来品と同様、360km/hの初速から完全に停止するまでに相当する条件で、FEM解析を行った。その結果、締結ボルトに発生する応力として下記表3の値が得られた。表3中の応力は、従来品と同様の手法で求めたものであるが、本発明品では円周方向に非対称であるため、従来品で求めた内周側と外周側の応力より求めた半径方向の曲げ応力に加え、円周方向の曲げ応力も生じている。これは、締結ボルトの円周方向両側の応力差の半分として求めたものである。 Using the model shown in FIG. 8 which is the product of the present invention, FEM analysis was performed under the conditions corresponding to the time from the initial speed of 360 km / h to complete stop, as in the conventional product. As a result, the values shown in Table 3 below were obtained as the stress generated in the fastening bolt. The stress in Table 3 was obtained by the same method as that of the conventional product. However, since the product of the present invention is asymmetrical in the circumferential direction, it was obtained from the stress on the inner peripheral side and the outer peripheral side obtained by the conventional product. In addition to radial bending stress, circumferential bending stress is also generated. This is obtained as a half of the stress difference between both sides of the fastening bolt in the circumferential direction.
次に、表3に示す本発明品の結果と、表2に示す従来品の結果を合わせて、引張応力と曲げ応力を足し合わせた応力値、ねじ外径、締結孔の内径を比較して下記表4に示す。ここで、本発明品の応力値の算出に用いた曲げ応力には、より大きい値であった円周方向曲げ応力を用いた。 Next, the results of the present invention product shown in Table 3 and the results of the conventional product shown in Table 2 are combined, and the stress value obtained by adding the tensile stress and bending stress, the screw outer diameter, and the inner diameter of the fastening hole are compared. It is shown in Table 4 below. Here, the bending stress used for calculation of the stress value of the product of the present invention was the larger bending stress in the circumferential direction.
従来品の締結孔内径は、基本形状である図4の形状のねじ外径18mmと締結孔内径36mmの比が一定であるとして算出した。図9に、下記表4に記載の締結ボルトのねじ部に発生する応力と締結孔内径との関係を示す。これより、本発明品では、従来品と比較して、締結ボルトのねじ部に発生する応力を増大させることなく、締結孔を小さくすることができることが分かる。 The fastening hole inner diameter of the conventional product was calculated on the assumption that the ratio of the screw outer diameter of 18 mm and the fastening hole inner diameter of 36 mm in the shape shown in FIG. FIG. 9 shows the relationship between the stress generated in the threaded portion of the fastening bolt described in Table 4 below and the inside diameter of the fastening hole. From this, it can be seen that the fastening hole can be made smaller in the product of the present invention without increasing the stress generated in the threaded portion of the fastening bolt as compared with the conventional product.
以上より、本発明形状を採用することで、締結ボルト3の強度信頼性を確保しつつ、ブレーキライニングの欠けや割れを抑制し、安定した摩擦特性を得る効果があるとの結論を得た。
From the above, it was concluded that by adopting the shape of the present invention, the strength reliability of the
先に示した図6及び図7のブレーキディスク形状は、以上の検討結果より得られた本発明の技術に基づくものである。図6及び図7に示した形状では、締結ボルト3、皿ばね7、およびナット4を挿入する横穴1bbdをブレーキディスク1の円周方向に設けている。しかしながら、この横穴1bbdの方向は、必ずしも円周方向である必要はなく、円周方向に対し、ブレーキディスク1の内周側ないし外周側に傾斜して設けても良い。
The brake disc shape shown in FIGS. 6 and 7 is based on the technique of the present invention obtained from the above examination results. In the shape shown in FIGS. 6 and 7, a
また、図6に示したブレーキディスクと、図7に示したブレーキディスクを、図7に示したように、例えば車輪2を挟む態様で、締結ボルト3とナット4を用いて締結するのが、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造である。
Further, the brake disc shown in FIG. 6 and the brake disc shown in FIG. 7 are fastened by using the
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疇であれば、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。 The present invention is not limited to the above example, and it goes without saying that the embodiments may be changed as appropriate within the scope of the technical idea described in each claim.
例えば本発明の技術は、ブレーキディスクが鉄鋼材料であるとして、FEM解析によって有効性を確認したが、ブレーキディスクが鉄鋼材料以外のアルミニウム等の他の材料であっても、同様の効果が得られる。 For example, the technology of the present invention has been confirmed to be effective by FEM analysis assuming that the brake disc is a steel material, but the same effect can be obtained even if the brake disc is made of other materials such as aluminum other than the steel material. .
また、締結部品に皿ばねを用いた場合についてFEM解析によって有効性を確認したが、皿ばねがない場合、もしくは皿ばねの代替的な機能を持つ部品を用いた場合でも、本発明の技術を用いることによって、相対的には同様の効果が得られる。 Moreover, the effectiveness was confirmed by FEM analysis when a disc spring was used as a fastening part. However, even when there is no disc spring or when a component having an alternative function of the disc spring is used, the technique of the present invention is used. By using the same, relatively similar effects can be obtained.
さらに、本発明の技術は、図6に示した車輪の板部の両側に2枚のブレーキディスクを取り付ける車輪側ディスクタイプのみならず、車軸に圧入されたディスク体に2枚のブレーキディスクを取り付ける軸マウントタイプのブレーキディスクにも適用可能である。 Furthermore, the technology of the present invention attaches not only the wheel-side disc type in which two brake discs are attached to both sides of the wheel plate portion shown in FIG. 6, but also two discs to the disc body press-fitted into the axle. It can also be applied to shaft mount type brake discs.
またさらに、縦穴の内径が締結ボルトの頭部より小さく、この縦穴と摺動部内で連通する横穴を有するものであれば、六角穴付ボルトに代えて、通常の六角形等の頭部を有するボルトを用いてもよい。この時、摺動面側に開口する締付け孔の径は、締結ボルトの頭部を締め付けることができれば良く、例えば六角穴付きボルトを用いた場合の六角穴径より小さくしても良い。また、複数の穴を設けても良い。 Further, if the inner diameter of the vertical hole is smaller than the head of the fastening bolt and has a horizontal hole communicating with the vertical hole in the sliding portion, the head has a normal hexagonal shape instead of the hexagon socket head bolt. Bolts may be used. At this time, the diameter of the tightening hole that opens to the sliding surface side only needs to be able to fasten the head of the fastening bolt, and may be smaller than the hexagonal hole diameter when a hexagon socket head bolt is used, for example. A plurality of holes may be provided.
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。 The present invention described above is not limited to a brake disk for a railway vehicle, but can be applied to a brake disk for an automobile, a motorcycle, or the like.
1 ブレーキディスク
1b 摺動部
1ba 摺動面
1bb 締結孔
1bbb 縦穴
1bbc 締付け孔
1bbd 横穴
1bbe 開口部
1bbf 繋がり部
2 車輪
3 締結ボルト
4 ナット
5 ブレーキライニング
7 皿ばね
1
Claims (6)
前記摺動部に設ける締結孔は、
前記摺動部の摺動面と反対側から摺動部内に設けられた縦穴と、
この縦穴と前記摺動部内で連通するように設けられた横穴と、
前記摺動面側と前記縦穴を貫通するように設けられた、締結ボルトの締付け孔とで構成され、
前記縦穴は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、頭部の貫通は不可能な大きさの内径を有し、
また、前記横穴は、締結ボルトの頭部が挿入可能な大きさを有すると共に前記摺動面と反対側に開口していることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。 A brake disc for a railway vehicle that is bolted at a sliding portion to a disc body attached to a wheel or an axle,
The fastening hole provided in the sliding part is
A vertical hole provided in the sliding portion from the side opposite to the sliding surface of the sliding portion;
A horizontal hole provided to communicate with the vertical hole in the sliding portion;
The sliding surface side and the vertical hole are provided so as to pass through, and a fastening bolt tightening hole is configured.
The vertical hole is capable of penetrating the screw shaft portion of the fastening bolt and has an inner diameter that is impossible to penetrate the head,
In addition, the lateral hole has a size in which a head of a fastening bolt can be inserted, and is open on the opposite side to the sliding surface.
この繋がり部分は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、頭部の貫通は不可能な幅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。 The opening that opens to the side opposite to the sliding surface of the sliding portion of the horizontal hole has a connecting portion that connects to the vertical hole,
2. The brake disk for a railway vehicle according to claim 1, wherein the connecting portion has a width that allows the threaded shaft portion of the fastening bolt to pass therethrough and cannot penetrate the head portion.
前記摺動部に設ける締結孔は、
前記摺動部の摺動面と反対側から摺動部内に設けられた縦穴と、
この縦穴と前記摺動部内で連通するように設けられた横穴とで構成され、
前記縦穴は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、ナットの貫通は不可能な大きさの内径を有し、
また、前記横穴は、ナットが挿入可能な大きさを有すると共に前記摺動面と反対側に開口し、かつナットの回転を阻止する回転阻止部が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。 A brake disc for a railway vehicle that is bolted at a sliding portion to a disc body attached to a wheel or an axle,
The fastening hole provided in the sliding part is
A vertical hole provided in the sliding portion from the side opposite to the sliding surface of the sliding portion;
It is composed of this vertical hole and a horizontal hole provided so as to communicate within the sliding portion,
The vertical hole is capable of penetrating the screw shaft of the fastening bolt, and has an inner diameter that is impossible to penetrate the nut;
In addition, the lateral hole has a size into which a nut can be inserted, is open on the side opposite to the sliding surface, and is formed with a rotation blocking portion that blocks rotation of the nut. brake disc.
この繋がり部分は、締結ボルトのねじ軸部の貫通は可能で、ナットの貫通は不可能な幅であることを特徴とする請求項3に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。 The opening of the horizontal hole that opens on the opposite side of the sliding surface of the sliding portion has a connecting portion that is connected to the vertical hole,
4. The brake disk for a railway vehicle according to claim 3, wherein the connecting portion has a width that allows the screw shaft portion of the fastening bolt to pass therethrough and cannot allow the nut to pass therethrough.
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