JP5158209B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Description

本発明は、摺動面となる板部を車輪と締結する鉄道車両用ブレーキディスクに関し、特に、制動中の摩擦熱によって発生するブレーキディスクの変形を低減することが可能な鉄道車両用ブレーキディスクに関する。

鉄道車両に代表される陸上輸送車両の制動装置には、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ある。近年、車両の高速化や大型化に伴い、そのうちのディスクブレーキの使用が増加してきている。

ディスクブレーキは、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、ディスクブレーキは、ボルトによって車軸または車輪に取り付けたドーナツ形円盤状のブレーキ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で制動力を発生させ、これ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。

ところで、新幹線などの高速鉄道車両は、さらなる高速化が推進されており、時速３００ｋｍを超える速度での運転が求められている。鉄道車両の高速化には、車両の重量低減が必要とされ、摺動面となる板部を直接車輪と締結するブレーキディスクが適合する。この摺動面締結型ブレーキディスクは、従来の内周締結型ブレーキディスクに比べ、締結のためだけに機能する部分がないので、重量の低減が可能になるからである。

従来、摺動面締結型ブレーキディスクでは、制動中の摩擦熱によって発生するそりなどの変形を低減する目的で、被締結部材（車輪など）に設けた凸部と嵌合する凹部をブレーキディスクの締結面に設ける構造としていた（特許文献１）。また、従来の摺動面締結型ブレーキディスクには、締結部と非締結部の合計体積の比を規定するものもあった（特許文献２）。

これらの従来の摺動面締結型ブレーキディスクでは、時速３００ｋｍを超えるような高速走行状態において、従来は考慮されていない、騒音が大きくなるという問題が顕在化してきた。

ブレーキディスクは、車輪とともに高速回転している。この回転によりブレーキディスク周辺の空気は内周側から吸い込まれ、外周側に放出される。このため、ブレーキディスクの裏面側には高速な空気の流れが生じることになる。

この空気の流れは、ブレーキディスクの冷却のために重要な役割を果たしているが、時速３００ｋｍを超えるような速度域では、ブレーキディスクの冷却だけでなく、高速な空気の流れに伴って騒音が発生する。この高速な空気の流れに伴って発生する騒音は、「空力音」と称される。

この空力音を低減するためには、ブレーキディスクの板部の裏面、および板部裏面に設けたフィン部と、車輪の板部との間における空気の流れを抑制することが効果的である。

出願人は、図１０に示すように、ブレーキディスク１を構成する板部１ａの裏面およびフィン部１ｂと車輪２の板部２ａとの間に形成される空間に、円周方向に連続するリブ１ｃを設け、開口面積の円周方向の総和を極力小さくしたブレーキディスク１を提案した（特許文献３）。なお、図１０中、符号「１ｄ」はリブ１ｃを設けることにより形成されるリブ１ｃの先端と車輪２の板部２ａとの隙間、符号「２ｂ」は車輪２のリム部、符号「２ｃ」は車輪２のボス部、符号「３ａ」はブレーキディスク１の締結用ボルト、符号「３ｂ」はブレーキディスク１の締結用ナットを示す。

特開２００１−３１１４４１号公報 特開２００５−３２１０９１号公報 特開２００７−２０５４２８号公報

しかしながら、前記特許文献３に提案されるブレーキディスクでは、ブレーキディスクの板部裏面およびフィン部と、車輪の板部との間に形成される空間に設けるリブの形状によっては、制動中の摩擦熱によって発生するブレーキディスクの変形が問題になる場合がある。

本発明の目的は、ブレーキディスクの板部裏面およびフィン部と、車輪の板部との間に形成される空間にリブを設ける場合に、制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの変形を低減できる摺動面締結型の鉄道車両用ブレーキディスクを提供することである。

前記特許文献３に開示されるように、空力音の低減には、ブレーキディスクの裏面側に形成される開口面積の総和を小さくすることが有効である。本発明者らは、前記知見に加えて、摺動面締結型ブレーキディスクを装着した車輪を対象とし、時速３００ｋｍを超える高速走行状態を想定して種々の実験および解析を重ねた。

その結果、ブレーキディスクの板部裏面およびフィン部と車輪の板部との間に形成される空間に設けるリブの形状は、開口面積の総和が同じであれば空力音の低減効果に影響しないことを確認できた。そして、そのリブの形状を適正に規定することにより、摩擦熱によるブレーキディスクの変形を低減可能であることを見出した。

図３は、本発明者らが行った実験および解析の結果の一例であり、リブを設けることによって空間に形成される開口の面積の総和と、実験で得られた空力音レベルとの関係、および解析で得られた通気量との関係を示している。

なお、開口面積とは、ブレーキディスクを車輪と締結した状態で、ブレーキディスクの板部裏面、裏面側に形成したフィン部、およびリブと、車輪の板部とで形成される空間を、ブレーキディスクの内周側から見た場合に、開口している面積をいい、開口面積の総和とは、各空間内で開口している面積のそれぞれを円周方向に加えた総和をいう。

図３から、開口面積の総和が小さいほど空力音を低減できること、すなわち開口面積の総和が１００００ｍｍ^２以下、７０００ｍｍ^２以下、５０００ｍｍ^２以下となるほど空力音をより低減できこと、および開口面積の総和が３０００ｍｍ^２以下では空力音の低減量はほとんど変化していないことが分かる。さらに、開口面積の総和が小さいほど、空力音の低減量と同様、通気量も小さくなっていることが分かる。この結果より、流体解析によって通気量を計算することにより、空力音の低減量を評価できることが分かる。

ちなみに、図３に示した結果は、図４に示す転動音試験機を用い、後述する図１に示すブレーキディスク１を装着した車輪２（車輪の直径：８６０ｍｍ）をその転動音試験機に設置して試験した結果である。

転動音試験機は、図４に示すように、試験対象の車輪２を軸受４によって回転が自在なように支持し、その車輪２を油圧ジャッキ５により軌条輪６に押し付けた後、軌条輪６をモータ７で回転させることにより、車輪２を回転させるものである。

この転動音試験機において、速度は軌条輪６の周速で表現し、モータ７の回転数と軌条輪６の直径（本実施例では９１０ｍｍ）から求められ、モータ７の回転数がおよそ１７５０ｒｐｍのときに周速は３００ｋｍ／ｈとなる。

測定に際し、車輪２から３００ｍｍ離した位置に精密騒音計８を設置し、車輪２の回転中に車輪２から発生する騒音を測定した。なお、精密騒音計８の補正はＦＬＡＴ（聴感補正を加えない状態）とし、動特性はＦＡＳＴとした。また、ブレーキディスク付き車輪の騒音レベルから、開口を完全に塞いだ場合の騒音レベルを差し引き、差し引いたものを空力音レベルとした。

試験速度は、軌条輪６の周速で２００ｋｍ／ｈ〜３６０ｋｍ／ｈの間を１０ｋｍ／ｈ間隔に設定した。精密騒音計８による測定後、周波数分析器９で高速フーリエ変換により周波数分析を行い、Ａ特性補正（図５参照）を加えた後、１／３オクターブバンド処理を行い、周波数特性およびオーバーオール値を評価した。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、前記の知見に基づいて成されたもので、
摺動面締結型の鉄道車両用ブレーキディスクにおいて、摩擦熱によって発生するブレーキディスクの変形を抑制するために、
表面側を摺動面とするドーナツ形円盤状の板部との、この板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部と、を備え、前記板部が車輪に締結される鉄道車両用ブレーキディスクであって、
隣り合う前記フィン部の間にリブを設け、
当該リブの円周方向の中間部に、当該リブの車輪側端部から前記板部の裏面に向かう方向のスリットを設けたことを特徴としている。

本発明では、ブレーキディスクの裏面側に形成するリブにおける円周方向の中間部に、当該リブの車輪側端部から前記板部の裏面に向かう方向のスリットを設けるので、摺動面締結型ブレーキディスクにおいても、摩擦熱により発生する変形を効果的に抑制することができる。

図１は、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）が１の場合の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの要部を示す図であり、図１（ａ）は１／４円部分の平面図、図１（ｂ）は半円部分の断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図２は、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）が１未満の場合の本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの要部を示す図であり、図２（ａ）は１／４円部分の平面図、図２（ｂ）は半円部分の断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図３は、空間に形成される開口の面積の総和と、実験で得られた空力音レベルとの関係、および解析で得られた通気量との関係を示す図である。 図４は、転動音試験機の概要を説明する図である。 図５は、Ａ特性補正曲線を示す図である。 図６は、時速３６０ｋｍの走行時における中心周波数と騒音レベルの関係を示す図である。 図７は、流体解析手法を用いて導出した、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）と通気量との関係を示す図である。 図８は、有限要素法解析を用いて導出した、ブレーキディスクの変形量の評価結果を示す図である。 図９は、ブレーキディスクのブレーキ鳴きの評価結果を示す図である。 図１０は、特許文献３に開示される鉄道車両用ブレーキディスクを示す図であり、図１０（ａ）は１／４円部分の平面図、図１０（ｂ）は半円部分の断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

以下、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの実施形態について、図１および図２を用いて説明する。

図１および図２は、車輪２の板部２ａに締結用ボルト３ａと締結用ナット３ｂによって取り付けた本発明の鉄道車両用ブレーキディスク１の要部を示す図である。図１および図２に示すように、ブレーキディスク１は、表面側を摺動面とするドーナツ形円盤状の板部１ａを備える。この板部１ａの裏面には、放射状に複数のフィン部１ｂが突設されている。一対のブレーキディスク１は、車輪２の板部２ａを挟み込むように配置され、フィン部１ｂの先端が車輪２の板部２ａと接触した状態で、締結用ボルト３ａと締結用ナット３ｂによって板部１ａが車輪２に締結される。これにより、ブレーキディスク１の板部１ａの裏面、この裏面に形成された複数のフィン部１ｂ、および車輪２の板部２ａで囲まれた台形状の空間が存在するようになる。

本発明のブレーキディスク１は、隣り合うフィン部１ｂの間における、ブレーキディスク１の板部１ａの裏面と車輪２の板部２ａによって形成される空間に、円周方向に沿って台形状のリブ１ｃが突設されている。図１および図２に示すリブ１ｃは、ブレーキディスク１の半径方向の中間位置に配置されている。

このリブ１ｃには、円周方向の中間部に、当該リブ１ｃの車輪２側端部から前記板部１ａの裏面に向かう方向の台形状のスリット１ｄが設けられている。スリット１ｄを設けることで、摩擦熱によってブレーキディスク１に発生する変形を抑制することができる。

本発明者らの実験および解析の結果によれば、ブレーキディスク１を車輪２と締結した状態で、ブレーキディスク１の板部１ａ、フィン部１ｂおよびリブ１ｃと、車輪２の板部２ａとの間に形成される空間をブレーキディスク１の内周側から見た場合に開口している面積、すなわち、図１（ｃ）および図２（ｃ）に示すように、リブ１ｃを円周方向に縦断する断面において開口しているスリット１ｄの面積について、各スリット１ｄの面積の総和が７０００ｍｍ^２以下となるようにすることが望ましい。

その理由は、図６に示すように、時速３６０ｋｍでの走行時における、１／３オクターブバンド処理を行った中心周波数と騒音レベルとの関係において、スリット１ｄによる開口面積の総和が７０００ｍｍ^２の場合に、中心周波数が８００Ｈｚ〜１２５０Ｈｚの周波数帯域の空力音を顕著に低減できることによる。

騒音の低減効果を確認するため、時速３６０ｋｍの走行を想定し、車輪２の直径（８６０ｍｍ）から求めた回転数２２２０ｒｐｍで車輪２を回転させたときにブレーキディスク１の裏面を流れる空気の通気量を、下記表１に示す実施例ごとに流体解析により評価した。さらに、走行速度が３６０ｋｍ／ｈの状態から非常ブレーキを３回かけた場合に相当する条件で有限要素解析を実施し、ブレーキディスク１の変形量を評価した。

対象としたブレーキディスクは新幹線用の鍛鋼ディスクであり、内径が４４４ｍｍ、外径が７２０ｍｍ、摺動面から車輪接触部までの長さが４７．５ｍｍである。また、ブレーキディスクは、直径が５８０ｍｍの円周上に中心が位置するよう配置された１２個のボルト締結孔を有し、１２本のボルトによって周方向に等間隔に締結されるものである。

比較のため、リブを設けていないブレーキディスク（比較例１）、およびリブの円周方向の中間部にスリットを設けていない前記図１０に示す形状のブレーキディスク（比較例２）についても、流体解析および有限要素解析を行った。図１または図２に示す形状のリブを有する本発明の実施例１〜７の効果を確認した。

図７は、前記流体解析手法を用いて導出した、リブに設けたスリットの深さ比（（スリット１ｄにおけるリブ１ｃの車輪側端部から板部１ａの裏面に向かう方向の深さＬ１）／（リブ１ｃの車輪側端部から板部１ａの裏面までの高さＬ２））と通気量との関係を示す図である。

この図７から、スリットによる開口面積の総和が同一の実施例１〜５では、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）に関係なく通気量はほぼ一定になることが分かる。前記図３に示すように、通気量は空力音の低減量と明確な対応関係があるので、図７に示す関係から、空力音のレベルもほぼ同じであることは明らかである。

図８は、有限要素法解析を用いて導出した、ブレーキディスクの変形量の評価結果を示す図である。この図８から、リブを設けた場合に開口面積の総和が同一であっても、リブの中間部に当該リブの車輪側端部から板部の裏面に向かう方向にスリットを設けた実施例１〜５のほうが、比較例２に比べてブレーキディスクの変形が小さくなることが分かる。

また、開口面積の総和が同一の場合は、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）が１の実施例５では、前記深さ比（Ｌ１／Ｌ２）が０．５以下の実施例１〜４に比べて、ブレーキディスクの変形量が特に小さくなっている。このことから、本発明の場合、スリットの深さＬ１をリブの全高さＬ２の１／２以上とすることが望ましいことが分かる。また、スリットの深さＬ１をリブの全高さＬ２の０．８倍以上とすることがより望ましいことが分かる。

さらに、実施例６と実施例７の結果より、スリットによる開口面積の総和が異なっても、リブの中間部に当該リブの車輪側端部から板部の裏面に向かう方向にスリットを設けることにより、ブレーキディスクの変形を小さくできることが分かる。

なお、前記図３に示すように、空力音は開口面積の総和が３０００ｍｍ^２以下ではほとんど変化しないので、図７および図８の解析では、主として最小断面積を３０００ｍｍ^２としてリブの形状を変化させて評価した。

ブレーキディスクの変形量は、実施例６、７に示すように、開口面積の総和を増加させても、実施例１〜５と同様に、比較例２と比べ低く抑えられている。つまり、目標とする空力音の低減量によって、開口面積の総和を変更しても、同様の変形量に抑えることが可能であることが分かる。

ところで、高速鉄道車両においては、走行中に生じる空力音の他に、制動時にブレーキディスクとブレーキライニングとの摩擦によって生じるブレーキ鳴きが問題となる。このブレーキ鳴きは、制動時の摩擦に伴って、自励振動と呼ばれる不安定な振動がブレーキディスクに発生することに起因する。

そこで、上記の解析に加え、スリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）を種々変更したブレーキディスクに相当する解析モデルを作成し、有限要素法を用いて各解析モデルの振動モード解析を行い、ブレーキ鳴きに対しても評価した。評価に際しては、各解析モデルで発生する自励振動の減衰比を、リブを設けていない解析モデルで発生する自励振動の減衰比に対する比率で表し、この比率（鳴き指数）を指標として評価を行った。この鳴き指数が小さいほど、ブレーキ鳴きが抑制されることを意味する。

図９は、ブレーキディスクのブレーキ鳴きの評価結果を示す図である。同図に示す結果から、スリットの有無を問わず、リブを設けることにより、ブレーキ鳴きが抑制されることが分かる。さらに、リブに設けたスリットの深さ比（Ｌ１／Ｌ２）が０．８〜１の範囲では、リブにスリットを設けない場合（Ｌ１／Ｌ２＝０）よりも、ブレーキ鳴きが抑制されることが分かる。

以上のことから、摩擦熱によって発生するブレーキディスクの変形を抑制すると同時に、ブレーキ鳴きを抑制するには、スリットの深さＬ１をリブの全高さＬ２の０．８倍以上とすることが望ましい。

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。

例えば、図１および図２に示す例では、リブ１ｃをブレーキディスク１の半径方向のほぼ中央位置に設けているが、前記特許文献３で開示されるように、リブを設置する半径方向の位置は空力音の低減に影響せず、ブレーキディスクの変形量に与える影響も少ない。従って、本発明においても、リブを設置する半径方向の位置を、図１および図２に示す位置と異なり、半径方向の中央よりも内周側または外周側の位置としても良い。

また、図１および図２に示す例では、リブ１ｃの先端が、スリット１ｄ以外で車輪２と接しているが、必ずしもスリット１ｄ以外の全てで車輪２と接していなくてもよい。リブ１ｃの先端が車輪２と接しておらず、当該部分に隙間を有する場合、開口面積の総和は、その隙間を含めて規定すればよい。

さらに、図１および図２に示す例では、リブ１ｃの円周方向の中間部に設ける台形状のスリット１ｄは、平行でない対辺がリブ１ｃの当該対辺と平行であるが、必ずしも平行でなくて良い。また、スリット１ｄは台形状に限らず、例えば矩形であっても良い。

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としても適用できる。

１：ブレーキディスク、 １ａ：板部、 １ｂ：フィン部、
１ｃ：リブ、 １ｄ：スリット、
２：車輪、 ２ａ：板部、 ２ｂ：リム部、 ２ｃ：ボス部、
３ａ：締結用ボルト、 ３ｂ：締結用ナット

Claims (3)

1. 表面側を摺動面とするドーナツ形円盤状の板部と、この板部の裏面に放射状に突設された複数のフィン部と、を備え、前記板部が車輪に締結される鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   隣り合う前記フィン部の間にリブを設け、
   当該リブの円周方向の中間部に、当該リブの車輪側端部から前記板部の裏面に向かう方向のスリットを設けたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 前記スリットにおける前記リブの車輪側端部から前記板部の裏面に向かう方向の深さＬ１と、前記リブの車輪側端部から前記板部の裏面までの高さＬ２との比（Ｌ１／Ｌ２）が、０．５〜１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。
3. 車輪と締結した状態で、前記リブを円周方向に縦断する断面における前記各スリットによる開口面積の総和が７０００ｍｍ^２以下であ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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