JP5775756B2 - ブレーキディスク及び制動装置 - Google Patents

Description

本発明は、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面を有するブレーキディスクにおいて、ブレーキ時に発生する熱によって摩擦面に亀裂や変形が生じるのを抑制することが可能なブレーキディスク及び制動装置に関する。

新幹線等の鉄道車両の車輪や車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響により、ブレーキパッドが押し付けられる摩擦面に亀裂や変形が生じる問題がある。そこで、ディスク裏面すなわち摩擦面と逆側の面に放熱用フィンを複数形成したブレーキディスクが従来提唱されている（例えば、特許文献１を参照）。この従来のブレーキディスクによれば、放熱用フィンからの放熱によってブレーキディスク全体としての温度が低下することにより、ブレーキ時に加熱された摩擦面も間接的に冷却される。

特開２０００−１７０８０５号公報

しかし、従来のブレーキディスクは、ディスク裏面に形成された放熱用フィンによって摩擦面が間接的に冷却されるものの、摩擦面を直接的に冷却する手段を備えていない。従って、特に高速走行時に摩擦面が高温まで加熱された場合、放熱用フィンだけでは摩擦面の冷却が不十分となり、摩擦面に亀裂や変形が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、ブレーキディスクの摩擦面に亀裂や変形が生じることを確実に抑制することを可能にする手段を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明に係るブレーキディスクは、回転駆動される車軸と一体的に回転する回転体に取り付けられ、ブレーキパッドが押圧されることにより前記車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記ブレーキパッドが押圧される摩擦面を有し、前記回転体に取り付けられるディスク本体と、前記ディスク本体から前記車軸の側へ突出するとともに、前記車軸の軸線方向に向かって前記摩擦面より突出して設けられた冷却フィンと、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、車軸の回転に伴って車輪が回転すると、ディスク本体の摩擦面上では周方向に沿った空気の流れが発生する。ここで、径方向内側から摩擦面上に流れ込む空気は、摩擦面の径方向内側に突出して設けられた冷却フィンに衝突することにより、その流れが乱流化する。そして、摩擦面上の空気の流れが乱流化すると、冷却フィンの無い場合と比較して空気の対流冷却効果が高まって摩擦面の熱伝達率が高くなることにより、摩擦面の温度が低くなる。これにより、ブレーキパッドとの摺動によって生じる熱の影響で摩擦面に亀裂や変形が生じることを抑制することができる。

また、冷却フィンによって乱流化された空気の流れは、ブレーキディスクの摩擦面だけでなくブレーキパッドも冷却する。これにより、ブレーキパッドについても摩擦面との摺動によって生じる熱の影響で亀裂や変形が生じることを抑制することができる。

また、本発明に係るブレーキディスクは、前記ディスク本体が断面略円環形状を有し、前記冷却フィンが、前記ディスク本体の内周面に周方向に所定間隔で複数設けられていることを特徴とする。

このような構成によれば、周方向に所定間隔で設けられた複数の冷却フィンによって、略円環形状の摩擦面の全体を均一に冷却することができる。

また、本発明に係る制動装置は、回転駆動される車軸と一体的に回転する回転体と、ブレーキパッドが押圧される摩擦面を有し、前記回転体に取り付けられるブレーキディスクと、前記ブレーキディスクと前記車軸との間に、前記車軸の軸線方向に向かって前記摩擦面より突出して設けられた冷却フィンと、を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、車軸の回転に伴って車輪が回転すると、ブレーキディスクの摩擦面上では周方向に沿った空気の流れが発生する。ここで、径方向内側から摩擦面上に流れ込む空気は、摩擦面の径方向内側に突出して設けられた冷却フィンに衝突することにより、その流れが乱流化する。そして、摩擦面上の空気の流れが乱流化すると、冷却フィンの無い場合と比較して空気の対流冷却効果が高まって摩擦面の熱伝達率が高くなることにより、摩擦面の温度が低くなる。これにより、ブレーキパッドとの摺動によって生じる熱の影響で摩擦面に亀裂や変形が生じることを抑制することができる。

また、冷却フィンによって乱流化された空気の流れは、ブレーキディスクの摩擦面だけでなくブレーキパッドも冷却する。これにより、ブレーキパッドについても摩擦面との摺動によって生じる熱の影響で亀裂や変形が生じることを抑制することができる。

本発明に係るブレーキディスクによれば、高速走行時におけるブレーキ環境下においても、摩擦面に亀裂や変形が生じることを確実に抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置を示す概略正面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。 ブレーキディスクの構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は底面図である。 ブレーキディスクの構成を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は背面図である。 ブレーキディスクの構成を示す図であり、（ａ）は左側面図、（ｂ）は右側面図である。 車輪の回転時におけるブレーキディスクの摩擦面上での空気の流れをシュミレーションした結果を示す図であって、（ａ）はブレーキディスクが冷却フィンを有する場合を、（ｂ）はブレーキディスクが冷却フィンを持たない場合をそれぞれ示している。 本発明の第二実施形態に係るブレーキディスクを備えた新幹線用制動装置を示す概略正面図である。 図７におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。

（第一実施形態）

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態の一例について説明する。まず、本発明の第一実施形態に係る新幹線用制動装置の構成について説明する。図１は、第一実施形態に係る新幹線用制動装置１０を示す概略正面図である。また図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。

新幹線用制動装置１０は、図１に示すように、略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク１３と、ブレーキディスク１３に近接して配置されたブレーキパッド１４と、を備えるものである。

車輪１１は、図１及び図２に示すように、軸方向に一定の厚みを有する平板部１１１と、この平板部１１１の径方向外縁部が軸方向に突出してなるリム部１１２と、平板部１１１の径方向中心部が軸方向に突出してなるボス部１１３と、このボス部１１３を貫通して形成された軸挿通孔１１４とを有している。

車軸１２は、図１及び図２に示すように、車輪１１の軸挿通孔１１４に挿通されて固定されている。そして、この車軸１２が不図示のモータ等によって回転駆動されることにより、車軸１２の回転に伴って車輪１１が一体的に回転するようになっている。

ブレーキディスク１３は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を果たすものである。ここで、図３から図５は、ブレーキディスク１３の構成を示す六面図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は底面図、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は背面図、図５（ａ）は左側面図、図５（ｂ）は右側面図である。

ブレーキディスク１３は、図３から図５に示すように、断面略円環形状を有するディスク本体１５と、このディスク本体の内周面に突出して設けられた複数の冷却フィン１６とを有している。

ディスク本体１５は、図２に示すように、その外径が車輪１１のリム部１１２の内径より若干小さく形成されるとともに、その内径は車輪１１のボス部１１３の外径より大きく形成されている。また、ディスク本体１５の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。更に、図２及び図３に示すように、ディスク本体１５には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔１５１が形成されている。また、ディスク本体１５は、その一端面がブレーキパッド１４を押圧するための摩擦面１５２として構成される。

冷却フィン１６は、ブレーキディスク１３の摩擦面１５２とブレーキパッド１４とを冷却する役割を果たすものである。この冷却フィン１６は、図２及び図３に示すように、ディスク本体１５の内周面から径方向に突出する平板状の基部１６１と、この基部の上面における中央部から軸方向に起立して設けられた起立部１６２とを有している。そして、冷却フィン１６の最上部である起立部１６２の先端部は、ディスク本体１５の摩擦面１５２よりも軸方向に突出した状態となっている。このように構成される冷却フィン１６は、ディスク本体１５の周方向に沿って３０°間隔で合計１２個が設けられている。

そして、このように構成されるブレーキディスク１３は、図２に示すように、車輪１１の表裏両側における平板部１１１にそれぞれ配置され、ボルト挿通孔１５１を挿通させた固定ボルト１７Ｂの軸部にナット１７Ｎを螺合させることにより、車輪１１に対してそれぞれ固定される。

ブレーキパッド１４は、図１に示すように、車輪１１の径方向に向かってブレーキディスク１３に対応する位置に設けられている。そしてこのブレーキパッド１４は、図に詳細は示さないが、車輪１１の軸方向に移動可能に設けられ、ブレーキディスク１３の摩擦面１５２に押圧されることによってそれと一体的に回転する車軸１２の回転を制動するとともに、ブレーキパッド１４から離間することによって車軸１２の回転を許容するものとなっている。

次に、本発明の第一実施形態に係る新幹線用制動装置１０の作用効果について説明する。ここで、図６は、車輪１１の回転時におけるブレーキディスク１３の摩擦面１５２上での空気の流れをシュミレーションした結果を示す図であって、（ａ）はブレーキディスク１３が冷却フィン１６を有する場合を、（ｂ）はブレーキディスク１３が冷却フィン１６を持たない場合をそれぞれ示している。尚、（ｂ）については、冷却フィン１６以外の構成は（ａ）と同じであるため、（ａ）と同じ符号を付している。

図６（ｂ）に示すように、車軸１２の回転に伴って車輪１１が回転すると、ブレーキディスク１３の摩擦面１５２上では周方向に沿った空気の流れＦ１が発生する。ここで、図６（ａ）に示すようにブレーキディスク１３が冷却フィン１６を有する場合、径方向内側から摩擦面１５２上に流れ込む空気は、摩擦面１５２の径方向内側に突出して設けられた冷却フィン１６の起立部１６２に衝突することにより、その流れＦ２が乱流化する。

そして、このように摩擦面１５２上の空気の流れＦ２が乱流化すると、冷却フィン１６の無い場合と比較して空気の対流冷却効果が高まって摩擦面１５２の熱伝達率が高くなることにより、摩擦面１５２の温度が低くなる。これにより、高速走行時のブレーキングによって摩擦面１５２が図１に示すブレーキパッド１４と強く摺動しても、それによって生じる熱の影響が冷却フィン１６によって低減されるので、摩擦面１５２に亀裂や変形が生じることを抑制することができる。具体的には、本実施形態における摩擦面１５２の熱伝達率は、冷却フィン１６の無い場合における摩擦面１５２の熱伝達率と比較して、約４０％高くなった。

また、摩擦面１５２上で乱流化した空気の流れＦ２は、摩擦面１５２を冷却するだけでなく、図１に示すブレーキパッド１４の摺動面１４１も冷却する。従って、摺動面１４１の熱伝達率が高くなることにより、摺動面１４１の温度が低くなる。これにより、ブレーキパッド１４の摺動面１４１についても、高速走行時における熱の影響が冷却フィン１６によって低減されるので、摺動面１４１に亀裂や変形が生じることも抑制することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る新幹線用制動装置の構成について説明する。図７は、第二実施形態に係る新幹線用制動装置２０を示す概略正面図である。また図８は、図７におけるＡ−Ａ線断面を示す概略断面図である。

新幹線用制動装置２０は、図７に示すように、略円形の車輪１１（回転体）と、この車輪１１に挿通された車軸１２と、車輪１１の端面に取り付けられたブレーキディスク２１と、ブレーキディスク２１に近接して配置されたブレーキパッド１４と、ブレーキディスク２１の径方向内側に設けられた複数の冷却フィン２２と、を備えるものである。尚、第一実施形態の新幹線用制動装置１０と同じ構成については同じ符号を付し、ここでは説明を省略する。

ブレーキディスク２１は、ブレーキパッド１４が押圧されることで制動力を得る役割を果たすものである。このブレーキディスク２１は、図７に示すように、断面略円環形状を有する板状の部材であって、その外径は車輪１１のリム部１１２の内径より若干小さく形成され、その内径は車輪１１のボス部１１３の外径より大きく形成されている。また、図８に示すように、ブレーキディスク２１の厚みは、車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。更に、図７及び図８に示すように、ブレーキディスク２１には周方向に沿って所定間隔で複数のボルト挿通孔２１１が形成されている。また、ブレーキディスク２１は、その一端面がブレーキパッド１４を押圧するための摩擦面２１２として構成される。

このように構成されるブレーキディスク２１は、図８に示すように、車輪１１の表裏両側における平板部１１１にそれぞれ配置され、ボルト挿通孔２１１を挿通させた固定ボルト２３Ｂの軸部にナット２３Ｎを螺合させることにより、車輪１１に対してそれぞれ固定される。

ここで、ブレーキディスク２１は、前述のようにその外径がリム部１１２の内径より若干小さく形成されるとともに、その内径がボス部１１３の外径より大きく形成されている。従って、図８に示すように、ブレーキディスク２１を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク２１とボス部１１３との間には所定幅の隙間２４が形成されている。

また、ブレーキディスク２１の厚みは、前述のように車輪１１の平板部１１１に対するリム部１１２の突出高さと略等しい大きさに形成されている。従って、図８に示すように、ブレーキディスク２１を車輪１１の平板部１１１に固定した状態で、ブレーキディスク２１の摩擦面２１２がリム部１１２の最上部と略面一となる。

冷却フィン２２は、ブレーキディスク２１の摩擦面２１２とブレーキパッド１４とを冷却する役割を果たすものである。この冷却フィン２２は、図７及び図８に示すように、平面視で略矩形の平板である基部２２１と、この基部２２１の上面における中央部に起立して設けられた側面視で略矩形の平板である起立部２２２と、を有している。

基部２２１は、冷却フィン２２を車輪１１の平板部１１１に取り付けるためのものである。この基部２２１には、図８に示すように、平面視で長手方向一端部にボルト挿通穴２２１ａが形成されるとともに、起立部２２２の下方を貫通して内周面にネジ溝が切られたネジ穴２２１ｂが形成されている。一方、起立部２２２は、車輪１１の回転時に空気の流れを乱流化させるためのものである。この起立部２２２は、平面視で長手方向両端部が略円弧形状にそれぞれ形成されている。

このように構成される冷却フィン２２は、図８に示すように、ブレーキディスク２１の径方向内側、すなわちブレーキディスク２１とボス部１１３との間に形成された隙間２４に配置され、その基部２２１が平板部１１１に固定される。より詳細には、冷却フィン２２の裏側から平板部１１１を挿通された固定ネジ２５の先端部が、基部２２１のネジ穴２２１ｂに螺合されるとともに、冷却フィン２２の表側から基部２２１と平板部１１１とを挿通された固定ボルト２６Ｂの軸部に、ナット２６Ｎが螺合される。このようにして、車輪１１の周方向に沿って３０°間隔で、合計１２個の冷却フィン２２が平板部１１１にそれぞれ取り付けられている。

ここで、図８に示すように、冷却フィン２２の高さは、ブレーキディスク２１の厚みより大きく設定されている。従って、平板部１１１に取り付けられた状態における冷却フィン２２の最上部、すなわち起立部２２２の先端部は、同じく平板部１１１に固定された状態のブレーキディスク２１の最上部、すなわち摩擦面２１２よりも軸方向に突出した状態となっている。

尚、冷却フィン２２は、その最上部がブレーキディスク２１の摩擦面２１２よりも軸方向に突出していれば足り、その形状や個数や設置位置等は、本実施形態に限定されず適宜設計変更が可能である。

尚、本発明の第二実施形態に係る新幹線用制動装置２０は、第一実施形態に係る新幹線用制動装置１０と同様の作用効果を奏する。すなわち、図１に示す車軸１２の回転に伴って車輪１１が回転すると、図に詳細は示さないが、径方向内側から摩擦面２１２上に流れ込む空気は、冷却フィン２２の起立部２２２に衝突することによって乱流化する。そうすると、空気の対流冷却効果が高まり、ブレーキディスク２１の摩擦面２１２やブレーキパッド１４の摺動面１４１の熱伝達率が高くなる。これにより、ブレーキ時に生じる熱の影響が冷却フィン２２によって低減されるため、摩擦面２１２や摺動面１４１に亀裂や変形が生じるのを抑制することができる。

更に、第二実施形態に係る新幹線用制動装置２０では、冷却フィン２２がブレーキディスク２１とは別部材として構成されている。従って、冷却フィン１６がブレーキディスク１３の一部として構成される第一実施形態の新幹線用制動装置１０と比較すると、ブレーキディスク２１の製造用に用いる金型の構成を簡略化することができ、コストダウンを図ることができるという利点がある。

尚、本実施形態では、ブレーキディスク１３,２１を新幹線用制動装置１０,２０にそれぞれ適用する場合を例に説明したが、これに限られず、新幹線以外の他の鉄道車両の制動装置にも適用することができる。また、鉄道車両以外の他の車両の制動装置に適用することも可能である。また、本発明に係る回転体は、車輪１１に限られず、車軸１２に固定された不図示のハブであってもよい。

尚、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ、或いは動作手順等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１０ 新幹線用制動装置
１１ 車輪
１１１ 平板部
１１２ リム部
１１３ ボス部
１１４ 軸挿通孔
１２ 車軸
１３ ブレーキディスク
１４ ブレーキパッド
１５ ディスク本体
１５１ ボルト挿通孔
１５２ 摩擦面
１６ 冷却フィン
１６１ 基部
１６２ 起立部
１７Ｂ 固定ボルト
１７Ｎ ナット
１４１ 摺動面
２０ 新幹線用制動装置
２１ ブレーキディスク
２１１ ボルト挿通孔
２１２ 摩擦面
２２ 冷却フィン
２２１ 基部
２２２ 起立部
２２１ａ ボルト挿通穴
２２１ｂ ネジ穴
２３Ｂ 固定ボルト
２３Ｎ ナット
２４ 隙間
２５ 固定ネジ
２６Ｂ 固定ボルト
２６Ｎ ナット
Ｆ１ 流れ
Ｆ２ 流れ

Claims (2)

1. 回転駆動される車軸と一体的に回転するボス部と、このボス部と同心状に配置されたリム部と、これらリム部、ボス部をこれらより軸線方向内側の位置で一体に連結する平板部とを有する車輪の前記平板部の両面にそれぞれ取り付けられ、ブレーキパッドが押圧されることにより前記車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
   前記ブレーキパッドが押圧される摩擦面を有し、前記平板部に取り付けられるディスク本体と、
   前記ディスク本体から前記車軸の側へ突出するとともに、前記車軸の軸線方向に向かって前記摩擦面より突出して前記ディスク本体と一体に設けられた冷却フィンとを備え、
   前記ディスク本体が断面略円環形状を有し、前記冷却フィンが、前記ディスク本体の内周に周方向に所定間隔をおいて複数設けられ、
   前記冷却フィンと前記平板部との間には前記軸線に沿う方向へ間隔が設けられ、
   前記冷却フィンと前記ボス部との間には半径方向に沿う間隔が設けられていることを特徴とするブレーキディスク。
2. 回転駆動される車軸と一体的に回転するボス部と、このボス部と同心状に配置されたリム部と、これらリム部、ボス部をこれらより軸線方向内側の位置で一体に連結する平板部とを有する車輪の前記平板部の両面にそれぞれ取り付けられ、ブレーキパッドが押圧されることにより前記車軸の回転を制動するブレーキディスクと、
   前記ブレーキディスクと前記車軸との間に、前記車軸側へ突出するとともに前記車軸の軸線方向に向かって前記摩擦面より突出して前記ディスク本体と一体に設けられた冷却フィンと、
   を備え、
   前記ブレーキディスクの前記ブレーキパッドに押圧されるディスク本体が断面略円環形状を有し、
   前記冷却フィンが、前記ディスク本体の内周に周方向に所定間隔をおいて複数設けられ、
   前記冷却フィンと前記平板部との間には前記軸線に沿う方向へ間隔が設けられ、
   前記冷却フィンと前記ボス部との間には半径方向に沿う間隔が設けられていることを特徴とする制動装置。

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