JP7047917B2 - 鉄道車両用のブレーキディスクの取付構造、及びこれを用いたブレーキディスクユニット - Google Patents

Description

本開示は、ブレーキディスクの取付構造に関し、より詳細には、鉄道車両の車輪に、又は鉄道車両の車軸に固定されるディスク体に、締結孔を含む環状のブレーキディスクを取り付ける構造に関する。また、本開示は、当該取付構造を用いたブレーキディスクユニットに関する。

従来、鉄道車両の制動装置として、ディスクブレーキが使用されている。ディスクブレーキは、環状のブレーキディスクと、ブレーキライニングと、を備える。ブレーキディスクは、鉄道車両の車輪に締結され、あるいは、車軸に固定されたディスク体に締結される。ブレーキディスクの摺動面には、ブレーキライニングが押し付けられる。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、車輪が制動される。

特許文献１は、ボルト及びナットによって車輪の各側面に締結されるブレーキディスクを開示する。当該ブレーキディスクと、ボルトの頭部又はナットとの間には、皿ばね等の弾性体が配置されている。特許文献１によれば、弾性体の弾性係数を適正化することで、ボルトへの曲げ負荷及び引っ張り負荷を低減することができる。

部材間に配置される弾性体として、種々のものが提案されている。例えば、特許文献２は、第１部材及び第２部材をボルトで締結するに際し、第１部材の上下に配置される弾性体を開示する。特許文献２において、上下の弾性体の各々は、皿ばねとして機能する円すい部を有する。上側の弾性体は、ボルトの頭部及び第１部材に固定される。

例えば、特許文献３は、ステアリング装置に採用される皿ばねを開示する。特許文献３の皿ばねは、ステアリング装置のハウジング内において、摺動部材であるリテーナと、固定部材であるアジャストスクリュとの間に配置される。特許文献３の皿ばねは、概略Ｓ字状の縦断面を有する。

特許第４３０５２９６号公報 特許第５１１２２２６号公報 実開昭６３－０２０５３７号公報

特許文献１に開示されるような鉄道車両用のブレーキディスクは、車輪の制動中、ブレーキライニングとの間で発生する摩擦熱によって熱膨張する。ブレーキディスクは、車輪又はディスク体の厚み方向において外向きに凸の形状に変形する。このとき、ブレーキディスクの内周部は、外周部と比較して大きく変形する。これにより、ブレーキディスクを車輪等に締結している締結部材において、ブレーキディスクの径方向で外向きの曲げ変形が発生する。

本開示は、締結部材によって被取付部材に締結される鉄道車両用のブレーキディスクにおいて、締結部材の曲げ変形を低減することを課題とする。

本開示に係る取付構造は、被取付部材に環状のブレーキディスクを取り付ける構造である。被取付部材は、鉄道車両の車輪である。あるいは、被取付部材は、鉄道車両の車軸に固定されるディスク体である。ブレーキディスクは、締結孔を含む。取付構造は、筒部材と、締結部材と、を備える。筒部材は、締結孔に重ねて配置される。締結部材は、頭部と、軸部と、を有する。頭部は、筒部材上に配置される。軸部は、頭部から被取付部材側に延びる。軸部は、筒部材及び締結孔に挿入される。締結部材は、ブレーキディスクを被取付部材に締結する。筒部材の周壁のうち、ブレーキディスクの内周側に位置づけられる部分には、肉抜き部が設けられる。肉抜き部は、筒部材の周方向に延びている。

本開示によれば、締結部材によって被取付部材に締結される鉄道車両用のブレーキディスクにおいて、締結部材の曲げ変形を低減することができる。

図１は、実施形態に係るブレーキディスクユニットの平面図である。 図２は、図１に示すブレーキディスクユニットのＩＩ－ＩＩ断面図である。 図３は、図１に示すブレーキディスクユニットに含まれる筒部材の斜視図である。 図４は、図３に示す筒部材の側面図である。 図５は、図３に示す筒部材をその中心軸に沿って切断した縦断面図である。 図６は、図５に示す筒部材とは異なる筒部材の縦断面図である。 図７は、図５及び図６に示す筒部材とは異なる筒部材の縦断面図である。 図８は、スリット深さ／筒部材の直径と、締結部材に発生する曲げ応力との関係を示すグラフである。 図９は、スリット幅／筒部材の高さと、締結部材に発生する曲げ応力との関係を示すグラフである。 図１０は、切欠き深さ／筒部材の直径と、締結部材に発生する曲げ応力との関係を示すグラフである。 図１１は、最小肉厚／筒部材の直径と、締結部材に発生する曲げ応力との関係を示すグラフである。

実施形態に係る取付構造は、被取付部材に環状のブレーキディスクを取り付ける構造である。被取付部材は、鉄道車両の車輪である。あるいは、被取付部材は、鉄道車両の車軸に固定されるディスク体である。ブレーキディスクは、締結孔を含む。取付構造は、筒部材と、締結部材と、を備える。筒部材は、締結孔に重ねて配置される。締結部材は、頭部と、軸部と、を有する。頭部は、筒部材上に配置される。軸部は、頭部から被取付部材側に延びる。軸部は、筒部材及び締結孔に挿入される。締結部材は、ブレーキディスクを被取付部材に締結する。筒部材の周壁のうち、ブレーキディスクの内周側に位置づけられる部分には、肉抜き部が設けられる。肉抜き部は、筒部材の周方向に延びている（第１の構成）。

第１の構成では、締結部材とブレーキディスクとの間に介在する筒部材に、肉抜き部が設けられている。肉抜き部は、筒部材の周壁のうち、ブレーキディスクの内周側に位置づけられる部分に設けられる。この肉抜き部により、筒部材のうちブレーキディスクの内周側に配置される内側部分の剛性は、ブレーキディスクの外周側に配置される外側部分の剛性よりも低くなる。よって、ブレーキディスクが熱膨張してブレーキディスクの内周部が変形した際、筒部材の内側部分が大きく撓んで、ブレーキディスクからの曲げ荷重がキャンセルされる。これにより、締結部材の曲げ変形を低減することができる。

肉抜き部は、周壁の外周面から内周面に向かって形成されたスリットであってもよい（第２の構成）。

第２の構成において、肉抜き部は、円弧状の両端部を有することが好ましい（第３の構成）。

第３の構成によれば、筒部材の周方向に延びるスリット状の肉抜き部において、各端部で応力集中が生じるのを抑制することができる。

肉抜き部は、周壁の外周面に形成された切欠きであってもよい（第４の構成）。

肉抜き部は、周壁を貫通する貫通孔であってもよい（第５の構成）。

筒部材は、内端部と、外端部と、を有することができる。筒部材の内端部は、筒部材がブレーキディスク上に配置される際、ブレーキディスクの径方向で内側に位置づけられる。筒部材の外端部は、筒部材がブレーキディスク上に配置される際、ブレーキディスクの径方向で外側に位置づけられる。ブレーキディスクが被取付部材に対して非締結である状態で、内端部の高さは、外端部の高さよりも大きいことが好ましい（第６の構成）。

筒部材では、肉抜き部により、内側部分の剛性が外側部分の剛性よりも小さくなっている。このため、ブレーキディスクを被取付部材に締結した際、締結部材に発生する軸力により、筒部材の内側部分が比較的大きく変形して、締結部材と筒部材との接触面が傾く可能性がある。これに対して、第６の構成の筒部材は、予め、その内端部の高さが外端部の高さよりも大きくなるように形成される。よって、締結部材の軸力で筒部材の内側部分が大きく変形したとき、締結部材と筒部材との接触面をブレーキディスクに対して概ね平行にすることができる。これにより、締結状態において、締結部材に曲げ変形が生じるのを抑制することができる。

上記取付構造において、筒部材は、被取付部材側に凸の形状を有する皿ばねであることが好ましい（第７の構成）。

実施形態に係るブレーキディスクユニットは、鉄道車両用のブレーキディスクユニットである。ブレーキディスクユニットは、上記ブレーキディスクと、上記被取付部材と、上記取付構造と、を備える。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。

＜第１実施形態＞
［ブレーキディスクユニットの構成］
図１は、実施形態に係るブレーキディスクユニット１００の平面図である。ブレーキディスクユニット１００は、鉄道車両に使用される。

図１に示すように、ブレーキディスクユニット１００は、ブレーキディスク１０と、被取付部材２０と、複数の取付構造３０と、を備える。

ブレーキディスク１０は、環状をなす。ブレーキディスク１０は、複数の取付構造３０によって被取付部材２０に取り付けられる。取付構造３０は、ブレーキディスク１０の周方向に沿って配置されている。

本実施形態において、被取付部材２０は、鉄道車両の車輪である。被取付部材２０は、鉄道車両の車軸に固定されるディスク体であってもよい。ブレーキディスク１０は、被取付部材２０と実質的に同軸となるように設けられる。ブレーキディスク１０は、被取付部材２０の両面上に配置される。

ブレーキディスク１０及び被取付部材２０の材質は、特に限定されるものではない。ブレーキディスク１０の材質として、例えば、鉄鋼や、アルミ複合材料等、ブレーキディスクに一般に使用されているものを採用することができる。被取付部材２０の材質も、鉄道車両用の車輪又はディスク体に一般に使用されているものを採用することができる。

図２は、図１に示すブレーキディスクユニット１００のＩＩ－ＩＩ断面図である。図２では、被取付部材２０の両面に取り付けられるブレーキディスク１０のうち、一方のみを示し、他方を省略している。

図２を参照して、ブレーキディスク１０は、表面１０１及び裏面１０２を有する。表面１０１は、ブレーキディスクユニット１００の厚み方向で外向きの面である。表面１０１は、ブレーキライニング（図示略）が押し付けられる摺動面である。裏面１０２は、被取付部材２０の側面に対向して接触する。ブレーキディスク１０が径方向に延びる複数の縦フィンを有する場合、裏面１０２は、縦フィンの頂面である。

ブレーキディスクユニット１００の厚み方向は、ブレーキディスク１０及び被取付部材２０の積層方向であり、ブレーキディスク１０及び被取付部材２０の各厚み方向と一致する。以下、ブレーキディスクユニット１００、ブレーキディスク１０、又は被取付部材２０の厚み方向を、単に厚み方向という場合がある。また、ブレーキディスクユニット１００、ブレーキディスク１０、又は被取付部材２０の径方向を、単に径方向という場合がある。

ブレーキディスク１０は、複数の締結孔１０３を含む。複数の締結孔１０３は、ブレーキディスク１０の周方向に沿って、間隔を空けて配置されている。締結孔１０３の各々は、ブレーキディスク１０を厚み方向に貫通する。

各締結孔１０３は、大径部１０３１と、小径部１０３２と、を含む。大径部１０３１の差渡し長さは、小径部１０３２の差渡し長さよりも大きい。大径部１０３１及び小径部１０３２は、ブレーキディスク１０の表面１０１から裏面１０２に向かって、この順で配置されている。大径部１０３１は、表面１０１に開口する。小径部１０３２は、裏面１０２に開口する。

被取付部材２０は、複数の締結孔２０３を有する。複数の締結孔２０３は、ブレーキディスク１０の複数の締結孔１０３に対応して、被取付部材２０に形成される。ブレーキディスク１０は、被取付部材２０の両面に取り付けられる。このため、厚み方向において、一方のブレーキディスク１０の締結孔１０３、被取付部材２０の締結孔２０３、及び他方のブレーキディスクの締結孔（図示略）が順に並ぶことになる。

取付構造３０は、ブレーキディスク１０を被取付部材２０に取り付けるための構造である。取付構造３０は、ブレーキディスク１０の締結孔１０３ごとに設けられる。取付構造３０は、締結部材３０１と、筒部材３０２と、を備える。

締結部材３０１は、ブレーキディスク１０を被取付部材２０に締結する。締結部材３０１は、ブレーキディスク１０の締結孔１０３、及び被取付部材２０の締結孔２０３に挿入される。締結部材３０１は、ボルト及びナットで構成される。

締結部材３０１は、頭部３０１１と、軸部３０１２と、を含む。

頭部３０１１は、ボルトの頭部、又はナットである。頭部３０１１は、ブレーキディスク１０の締結孔１０３内に収容される。より詳細には、頭部３０１１は、締結孔１０３の大径部１０３１内に配置される。

軸部３０１２は、頭部３０１１から被取付部材２０側に延びる。頭部３０１１がボルトの頭部の場合、軸部３０１２は、頭部３０１１と一体に形成される。頭部３０１１がナットの場合、軸部３０１２は、頭部３０１１とは別体である。軸部３０１２は、ブレーキディスクユニット１００の厚み方向に延びている。

軸部３０１２は、ブレーキディスク１０の締結孔１０３、及び被取付部材２０の締結孔２０３に挿入される。より詳細には、軸部３０１２は、当該ブレーキディスク１０の締結孔１０３、被取付部材２０の締結孔２０３、及び他のブレーキディスクの締結孔（図示略）に挿入される。

軸部３０１２は、ねじ部を有する。頭部３０１１がボルトの頭部である場合、軸部３０１２は、少なくとも、頭部３０１１と反対側の端部にねじ部を有する。この場合、軸部３０１２のねじ部は、軸部３０１２と別体のナットのねじ部と嵌まり合う。

頭部３０１１がナットである場合、軸部３０１２は、少なくとも、頭部３０１１側の端部にねじ部を有する。頭部３０１１は、軸部３０１２のねじ部と対応するねじ部を有する。この場合、軸部３０１２のねじ部は、頭部３０１１のねじ部と嵌まり合う。

筒部材３０２は、ブレーキディスクユニット１００の厚み方向を軸方向とする筒状をなす。筒部材３０２は、ブレーキディスク１０と締結部材３０１との間に配置される。筒部材３０２は、ブレーキディスク１０の締結孔１０３に重ねて配置される。本実施形態では、筒部材３０２は、締結孔１０３内に収容される。より具体的には、締結孔１０３の大径部１０３１内に筒部材３０２が収容されている。筒部材３０２上には、締結部材３０１の頭部３０１１が配置される。筒部材３０２には、締結部材３０１の軸部３０１２が挿入される。

筒部材３０２は、周壁３０２１と、肉抜き部３０２２と、を含む。

周壁３０２１は、概略筒状をなす。本実施形態において、周壁３０２１の形状は、概ね円筒状である。周壁３０２１は、天面３０２３と、底面３０２４と、を有する。天面３０２３は、締結部材３０１の頭部３０１１に対向する。底面３０２４は、ブレーキディスク１０に対向する。より詳細には、底面３０２４は、締結孔１０３の大径部１０３１の底面に対向する。

肉抜き部３０２２は、周壁３０２１の外周面から内周面に向かって形成されたスリットである。肉抜き部３０２２は、周壁３０２１のうち、ブレーキディスク１０の内周側に位置づけられる部分に設けられる。すなわち、肉抜き部３０２２は、ブレーキディスク１０の内周側から外周側に向かって、周壁３０２１の一部を切り取って形成される。

肉抜き部３０２２は、実質的に筒部材３０２の周方向に延びている。周方向に延びるとは、筒部材３０２の周方向における長さが筒部材３０２の軸方向における長さよりも長いことを意味する。肉抜き部３０２２は、筒部材３０２のうち、中心軸Ｘよりもブレーキディスク１０の内周側の部分に設けられる。肉抜き部３０２２は、中心軸Ｘを超えてブレーキディスク１０の外周側に延びていてもよい。

［筒部材の構成］
筒部材３０２の詳細な構成について、図３から図５を参照しつつ説明する。図３から図５は、図２に示すブレーキディスクユニット１００に組み込まれていない状態（非締結状態）の筒部材３０２を示す。図３は、筒部材３０２の斜視図である。図４は、筒部材３０２の側面図である。図５は、筒部材３０２をその中心軸Ｘに沿って切断した縦断面図である。図４及び図５の左右方向は、図２に示すブレーキディスク１０の径方向と概ね一致する。図４及び図５において、左側は、ブレーキディスク１０の内周側に相当し、右側は、ブレーキディスク１０の外周側に相当する。

図３を参照して、筒部材３０２において、肉抜き部３０２２は、周壁３０２１に設けられた空隙部分である。肉抜き部３０２２は、周壁３０２１の外周面に開口する。本実施形態において、肉抜き部３０２２は、周壁３０２１の内周面にも開口している。肉抜き部３０２２は、筒部材３０２の周方向に延びる本体部３０２２ａと、周方向の両端部３０２２ｂと、を有する。

本体部３０２２ａは、筒部材３０２の軸方向と交差するように設けられる。本体部３０２２ａは、筒部材３０２の軸方向に直交していてもよいし、筒部材３０２の軸方向に対して傾斜していてもよい。

各端部３０２２ｂは、円弧状をなす。本実施形態では、端部３０２２ｂは、それぞれ、単一の円弧面で形成されている。ただし、円弧面、楕円弧面、及び放物面のいずれか、又はこれらを２種以上組み合わせて、各端部３０２２ｂを形成することもできる。すなわち、端部３０２２ｂは、曲面で構成される。

図４を参照して、本実施形態では、端部３０２２ｂの幅Ｗｂは、本体部３０２２ａの幅Ｗａよりも大きい。ただし、端部３０２２ｂの幅Ｗｂは、本体部３０２２ａの幅Ｗａとほぼ等しくてもよい。幅Ｗａ，Ｗｂは、それぞれ、筒部材３０２の軸方向における本体部３０２２ａ及び端部３０２２ｂの最大寸法である。本実施形態では、筒部材３０２の軸方向における本体部３０２２ａの寸法は、その全体に亘って一律である。

本体部３０２２ａの幅Ｗａは、後述する筒部材３０２の高さＨ１に応じて設定することができる。以下、本体部３０２２ａの幅Ｗａをスリット幅Ｗａという。筒部材３０２の高さＨ１に対するスリット幅Ｗａの割合（Ｗａ／Ｈ１）は、０．０５以上であることが好ましい。Ｗａ／Ｈ１は、好ましくは０．５５以下であり、より好ましくは０．３以下である。

肉抜き部３０２２の深さｄ１は、筒部材３０２の直径Ｄに応じて設定することができる。以下、肉抜き部３０２２の深さｄ１をスリット深さｄ１という。スリット深さｄ１は、図４に示すように、筒部材３０２の側面視での肉抜き部３０２２の横断長さをいう。図４において、筒部材３０２の周方向における肉抜き部３０２２の中心は、筒部材３０２の母線上に位置している。筒部材３０２の直径Ｄは、締結部材３０１の頭部３０１１（図２）の座面の直径又は差渡し長さ以下である。頭部３０１１の座面の差渡し長さとは、頭部３０１１の座面の最大寸法をいう。

筒部材３０２の直径Ｄに対するスリット深さｄ１の割合（ｄ１／Ｄ）は、好ましくは０．１よりも大きく、より好ましくは０．２３以上である。ｄ１／Ｄは、好ましくは０．３７未満であり、より好ましくは０．３３以下である。

筒部材３０２が円筒状でない場合、筒部材３０２の差渡し長さを直径Ｄとして使用して、ｄ１／Ｄを設定してもよい。差渡し長さは、筒部材３０２の中心軸Ｘに直交する方向における筒部材３０２の最大寸法である。

図４及び図５を参照して、筒部材３０２において、周壁３０２１には、天面３０２３及び底面３０２４が設けられている。図２を参照して既に説明した通り、天面３０２３は、締結部材３０１の頭部３０１１側の面であり、底面３０２４は、ブレーキディスク１０側の面である。以下、説明の便宜上、天面３０２３側を上、底面３０２４側を下という場合がある。

天面３０２３は、下側に凹の形状を有する面である。底面３０２４は、下側に凸の形状を有する面である。天面３０２３及び底面３０２４は、それぞれ、下方に向かって先細りになるテーパ状をなす。したがって、筒部材３０２は、全体として、被取付部材２０（図２）側に凸の形状を有する。筒部材３０２は、皿ばねである。天面３０２３の外周部分は、締結部材３０１の頭部３０１１（図２）に接触する。底面３０２４の内周部分は、締結孔１０３の大径部１０３１（図２）の底面に接触する。

図４を参照して、筒部材３０２は、外端部３０２５及び内端部３０２６を有する。外端部３０２５は、筒部材３０２がブレーキディスク１０上に配置されたとき、ブレーキディスク１０の径方向において、外側に位置する端部である。内端部３０２６は、筒部材３０２がブレーキディスク１０上に配置されたとき、ブレーキディスク１０の径方向において、内側に位置する端部である。

内端部３０２６の高さｈ２は、外端部３０２５の高さｈ１よりもわずかに大きい。筒部材３０２の高さｈ１，ｈ２は、非締結状態における寸法である。高さｈ１は、筒部材３０２の軸方向における外端部３０２５の長さである。高さｈ２は、筒部材３０２の軸方向における内端部３０２６の長さである。図４に示す筒部材３０２の両母線のうち、ブレーキディスク１０の外周側に位置する母線の長さが外端部３０２５の高さｈ１、ブレーキディスク１０の内周側に位置する母線の長さが内端部３０２６の高さｈ２となる。

高さｈ１，ｈ２に対して底面３０２４の高さを加えた長さを、それぞれ筒部材３０２の高さＨ１，Ｈ２とする。高さＨ１は、底面３０２４の下端から外端部３０２５の上端までの、筒部材３０２の軸方向長さである。高さＨ２は、底面３０２４の下端から内端部３０２６の上端までの、筒部材３０２の軸方向長さである。筒部材３０２において、ブレーキディスク１０の内周側に配置される部分の高さＨ２は、ブレーキディスク１０の外周側に配置される部分の高さＨ１よりもわずかに大きい。高さＨ１と高さＨ２との差は、ブレーキディスクユニット１００（図１）の使用条件等に応じて適宜決定すればよいが、例えば、０．１ｍｍ～１．０ｍｍとすることができる。筒部材３０２の高さＨ１，Ｈ２は、非締結状態における寸法である。

筒部材３０２の材質としては、特に限定されるものではないが、例えば、ばね鋼等の高強度鋼を挙げることができる。筒部材３０２は、機械加工や、鋳造等で製造することができる。

［実施形態の効果］
本実施形態に係る取付構造３０では、締結部材３０１とブレーキディスク１０との間に筒部材３０２が配置される。筒部材３０２には、周壁３０２１の一部を切り取ることで、スリット状の肉抜き部３０２２が形成されている。筒部材３０２は、ブレーキディスク１０の内周側に肉抜き部３０２２が位置するよう、ブレーキディスクユニット１００に配置される。これにより、筒部材３０２のうち、ブレーキディスク１０の外周側に配置される部分よりも、ブレーキディスク１０の内周側に配置される部分の剛性が低くなる。よって、ブレーキディスク１０が熱膨張してブレーキディスク１０の内周部が大きく変形した際、筒部材３０２のうち、ブレーキディスク１０の内周側に位置する部分が大きく撓むことになる。その結果、ブレーキディスク１０からの曲げ荷重がキャンセルされ、締結部材３０１の曲げ変形を低減することができる。

本実施形態において、肉抜き部３０２２は、円弧状の両端部３０２２ｂを有する。このため、肉抜き部３０２２の両端部において応力集中が発生するのを抑制することができる。

本実施形態において、筒部材３０２は、予め、内端部３０２６の高さｈ２が外端部３０２５の高さｈ１よりも大きくなるように形成されている。このため、ブレーキディスク１０を被取付部材２０に締結したとき、筒部材３０２と締結部材３０１との接触面を、ブレーキディスク１０に対して概ね平行にすることができる。よって、締結軸力によって締結部材３０１に曲げが生じるのを抑制することができる。

新幹線等の高速鉄道車両用のブレーキディスクでは、ブレーキディスクの熱膨張により、締結部材への曲げ負荷が増加する。特に、摺動面の中央に締結部が設けられる中央締結型のブレーキディスクでは、締結部材に対する曲げ負荷の増加が顕著である。本実施形態では、筒部材３０２が、ブレーキディスク１０と締結部材３０１との間で皿ばねとして機能する。筒部材３０２のうち、ブレーキディスク１０の内周側に位置づけられる部分は、肉抜き部３０２２によって、他の部分よりも小さいばね定数を有する。この筒部材３０２により、ブレーキディスク１０が凸状に熱変形したとき、締結部材３０１に作用する曲げ負荷を大きく低減することができる。よって、高速からのブレーキに対する締結部材３０１の耐久性を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図６は、第１実施形態の筒部材３０２（図５）と異なる筒部材４０２の縦断面図である。筒部材４０２は、肉抜き部４０２２の形状においてのみ、第１実施形態の筒部材３０２と異なる。

図６を参照して、肉抜き部４０２２は、筒部材４０２の周方向に沿って延びている。肉抜き部４０２２は、周壁３０２１の外周面に形成された切欠きである。肉抜き部４０２２は、周壁３０２１の外周面に開口するが、周壁３０２１の内周面には開口していない。

肉抜き部４０２２の形状は、適宜決定することができる。肉抜き部４０２２は、例えば、筒部材４０２の縦断面視で円弧状、楕円弧状、トラック形状、又は多角形状等をなす。ただし、応力集中の発生を抑制する観点から、肉抜き部４０２２は、角部を有しない形状に形成されることが好ましい。本実施形態において、肉抜き部４０２２の形状は、筒部材４０２の縦断面視で円弧状である。この肉抜き部４０２２の半径Ｒ２は、例えば内端部３０２６の高さｈ２等に応じ、適宜設定することができる。

筒部材４０２の直径Ｄに対する肉抜き部４０２２の深さｄ２の割合（ｄ２／Ｄ）は、０．１よりも大きいことが好ましく、０．２３以上であることがより好ましい。ｄ２／Ｄは、好ましくは０．３７未満であり、より好ましくは０．３３以下である。

ブレーキディスクユニット１００の取付構造３０（図２）では、第１実施形態の筒部材３０２に代えて、本実施形態の筒部材４０２を使用することができる。筒部材４０２は、ブレーキディスク１０の内周側に肉抜き部４０２２が位置するよう、ブレーキディスクユニット１００に配置される。肉抜き部４０２２は、ブレーキディスク１０の内周側から、筒部材４０２の中心軸Ｘを超えてブレーキディスク１０の外周側まで延びていてもよい。この肉抜き部４０２２により、ブレーキディスク１０が熱膨張してブレーキディスク１０の内周部が大きく変形した際、筒部材４０２の内側部分が撓んでブレーキディスク１０からの曲げ荷重がキャンセルされる。そのため、筒部材４０２を取付構造３０に使用した場合も、第１実施形態と同様、締結部材３０１の曲げ変形を低減することができる。

＜第３実施形態＞
図７は、第１実施形態の筒部材３０２（図５）及び第２実施形態の筒部材４０２（図６）と異なる筒部材５０２の縦断面図である。筒部材５０２は、肉抜き部５０２２の形状においてのみ、筒部材３０２，４０２と異なる。

図７を参照して、肉抜き部５０２２は、筒部材５０２の周壁３０２１を貫通する貫通孔である。肉抜き部５０２２は、概ね、筒部材５０２の周方向に延びている。本実施形態の例では、肉抜き部５０２２は、ブレーキディスク１０の径方向、及び筒部材５０２の軸方向に対して実質的に垂直な方向に延びている。ただし、肉抜き部５０２２は、当該方向に対して傾斜していてもよいし、周壁３０２１に沿って湾曲していてもよい。貫通孔である肉抜き部５０２２の両端は、周壁３０２１の外周面に開口する。

肉抜き部５０２２の形状は、適宜決定することができる。肉抜き部５０２２は、例えば、円形、楕円形、トラック形、又は多角形等の断面を有する。ただし、応力集中の発生を抑制する観点から、肉抜き部４０２２は、角部を有しない断面形状に形成されることが好ましい。本実施形態において、肉抜き部５０２２は、円形の断面を有する。この肉抜き部５０２２の半径Ｒ３は、内端部３０２６の高さｈ２等に応じ、適宜設定することができる。

筒部材５０２において、内端部３０２６側の最小肉厚ｔは、極力小さいことが好ましい。最小肉厚ｔは、内端部３０２６から肉抜き部５０２２までの最短距離である。筒部材５０２の直径Ｄに対する最小肉厚ｔの割合（ｔ／Ｄ）は、０．０３以下であることが好ましい。内端部３０２６近傍での応力集中の発生を抑制し、塑性変形及び疲労破壊を予防する観点から、最小肉厚ｔは、１．０ｍｍ以上であることが好ましい。

ブレーキディスクユニット１００の取付構造３０（図２）では、第１実施形態の筒部材３０２に代えて、本実施形態の筒部材５０２を使用することができる。筒部材５０２は、中心軸Ｘよりもブレーキディスク１０の内周側に肉抜き部５０２２が位置するよう、ブレーキディスクユニット１００に配置される。これにより、ブレーキディスク１０が熱膨張してブレーキディスク１０の内周部が大きく変形した際、筒部材５０２の内側部分が撓んでブレーキディスク１０からの曲げ荷重がキャンセルされる。そのため、筒部材５０２を取付構造３０に使用した場合も、第１実施形態と同様、締結部材３０１の曲げ変形を低減することができる。

以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

上記第１実施形態では、スリット状の肉抜き部３０２２の両端部３０２２ｂが円弧状に形成されている。しかしながら、端部３０２２ｂの形状は特に限定されるものではない。端部３０２２ｂは、曲面で構成されていなくてもよい。

上記実施形態の筒部材３０２，４０２，５０２では、内端部３０２６の高さｈ２が外端部３０２５の高さｈ１よりも大きい。しかしながら、高さｈ１，ｈ２が等しくなるよう、筒部材３０２，４０２，５０２を構成することもできる。

上記実施形態の筒部材３０２，４０２，５０２は、被取付部材２０側に凸の形状を有する皿ばねである。しかしながら、筒部材３０２，４０２，５０２は、皿ばねでなくてもよい。筒部材３０２，４０２，５０２は、例えば、平座金又はカラー等であってもよい。

上記実施形態において、取付構造３０は、いわゆる中央締結型のブレーキディスク１０、すなわち、表面（摺動面）１０１の中央に締結部を有するブレーキディスク１０に適用されている。しかしながら、中央締結型以外のブレーキディスクに取付構造３０を適用することも可能である。

以下、実施例によって本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
新幹線用中央締結型のブレーキディスクと、このブレーキディスクを被取付部材に取り付けるための取付構造とを有するモデルを作製し、有限要素法による解析（ＦＥＭ解析）を行った。当該モデルにおけるブレーキディスクは、図２に示すブレーキディスク１０と同一の構造を有する。当該モデルにおける取付構造３０には、肉抜き部３０２２の両端部３０２２ｂ（図３）が円弧状でない点を除き、第１実施形態の筒部材３０２（図５）と同一の形状を有する筒部材を使用した。

ＦＥＭ解析では、鉄道車両が３６０ｋｍ／ｈで走行しているときに停止ブレーキをかけた場合を想定して、締結部材３０１に発生する曲げ応力の大きさ（絶対値）を算出した。ＦＥＭ解析では、筒部材３０２に対する肉抜き部３０２２の寸法条件を変化させ、寸法条件ごとに曲げ応力を算出した。寸法条件及び曲げ応力を表１及び表２に示す。

表１及び表２において、比較例は、肉抜き部３０２２が設けられていない皿ばねである。実施例１－１～１－９は、肉抜き部３０２２を有する筒部材３０２（皿ばね）である。表１において、実施例１－１～１－５では、スリット深さｄ１／筒部材３０２の直径Ｄが各々異なる。実施例１－１～１－５では、スリット幅Ｗａ／筒部材３０２の高さＨ１を全て０．２３とした。

表２において、実施例１－６～１－９では、スリット幅Ｗａ／筒部材３０２の高さＨ１が各々異なる。実施例１－６～１－９では、スリット深さｄ１／筒部材３０２の直径Ｄを全て０．３とした。

図８に、スリット深さｄ１／筒部材３０２の直径Ｄと、締結部材３０１に発生する曲げ応力との関係を示す。図８は、表１に示すｄ１／Ｄ及び曲げ応力をプロットして作成したグラフである。破線Ｌ１は、比較例の曲げ応力を示す。破線Ｌ２は、締結部材３０１の強度確保の観点から好ましい曲げ応力の上限値を示す。

図８に示すように、ｄ１／Ｄが０．１を超えると、締結部材３０１に生じる曲げ応力は、比較例の曲げ応力Ｌ１よりも小さくなり始める。ｄ１／Ｄが０．３７未満であれば、曲げ応力を比較例の曲げ応力Ｌ１未満とすることができる。ｄ１／Ｄが０．２３以上、且つ０．３３以下である場合、曲げ応力は、締結部材３０１の強度を確保するための曲げ応力Ｌ２以下となる。

よって、ｄ１／Ｄは、０．１よりも大きいことが好ましく、０．２３以上であることがより好ましい。ｄ１／Ｄは、０．３７未満であることが好ましく、０．３３以下であることがより好ましい。

図９に、スリット幅Ｗａ／筒部材３０２の高さＨ１と、締結部材３０１に発生する曲げ応力との関係を示す。図９は、表２に示すＷａ／Ｈ１及び曲げ応力をプロットして作成したグラフである。破線Ｌ１は、比較例の曲げ応力を示す。破線Ｌ２は、締結部材３０１の強度を確保するために好ましい曲げ応力の上限値を示す。

図９に示すように、筒部材３０２に肉抜き部３０２２を設けると、締結部材３０１に生じる曲げ応力は、肉抜き部３０２２がない比較例の曲げ応力Ｌ１よりも小さくなる。図９より、Ｗａ／Ｈ１が０．５５以下であれば、比較例の曲げ応力Ｌ１未満の曲げ応力を確保できることがわかる。Ｗａ／Ｈ１が０．０５以上、０．３以下である場合、締結部材３０１の曲げ応力は、締結部材３０１の強度を確保するための曲げ応力Ｌ２以下となる。

よって、Ｗａ／Ｈ１は、０．５５以下であることが好ましく、０．３以下であることがより好ましい。Ｗａ／Ｈ１は、０．０５以上であることが好ましい。

以上より、筒部材３０２において、ブレーキディスク１０の内周側にスリット状の肉抜き部３０２２を設けることで、ブレーキディスク１０の径方向で外向きの曲げ応力を低減できることが確認された。また、スリット深さｄ１／筒部材３０２の直径Ｄ、及びスリット幅Ｗａ／筒部材３０２の高さＨ１の好ましい範囲を確認することができた。

［実施例２］
第２実施形態の筒部材４０２（図６）と同一の形状を有する筒部材を使用し、実施例１と同様のＦＥＭ解析を実施した。当該ＦＥＭ解析では、肉抜き部４０２２の寸法条件を変化させ、寸法条件ごとに曲げ応力を算出した。寸法条件及び曲げ応力を表３に示す。

表３に示すように、実施例２－１～２－４では、筒部材４０２の直径Ｄに対する肉抜き部４０２２の深さ（切欠き深さ）ｄ２の割合が各々異なる。比較例は、上記実施例１における比較例と同一である。表３に示す曲げ応力は、１回の停止ブレーキによって締結部材３０１に発生する曲げ応力の大きさ（絶対値）である。

切欠き深さｄ２／筒部材４０２の直径Ｄと、締結部材３０１に発生する曲げ応力との関係を図１０に示す。図１０は、表３に示すｄ２／Ｄ及び曲げ応力をプロットして作成したグラフである。表３及び図１０に示すように、実施例２－１～２－４の全てにおいて、締結部材３０１に発生する曲げ応力が比較例の曲げ応力Ｌ１よりも小さくなった。よって、筒部材４０２において、ブレーキディスク１０の内周側に切欠き状の肉抜き部４０２２を設けることにより、締結部材３０１に発生する曲げ応力が低減されることがわかる。

特に、ｄ２／Ｄが０．１よりも大きい場合、締結部材３０１に生じる曲げ応力を比較例の曲げ応力Ｌ１よりも有意に小さくすることができる。ｄ２／Ｄが０．２３以上であれば、締結部材３０１に生じる曲げ応力を、締結部材３０１の強度を確保するための曲げ応力Ｌ２以下とすることができる。よって、筒部材４０２に切欠き状の肉抜き部４０２２を設ける場合も、スリット状の肉抜き部３０２２を設ける場合と同様、ｄ２／Ｄは、０．１よりも大きいことが好ましく、０．２３以上であることがより好ましい。

［実施例３］
第３実施形態の筒部材５０２（図７）と同一の形状を有する筒部材を使用し、実施例１と同様のＦＥＭ解析を実施した。当該ＦＥＭ解析では、肉抜き部５０２２の寸法条件を変化させ、寸法条件ごとに曲げ応力を算出した。寸法条件及び曲げ応力を表４に示す。

表４に示すように、実施例３－１～３－３では、筒部材５０２の直径Ｄに対する肉抜き部５０２２の半径Ｒ３の割合が各々異なる。また、実施例３－１～３－３では、筒部材５０２の直径Ｄに対する内端部３０２６側の最小肉厚ｔの割合も各々異なる。比較例は、上記実施例１における比較例と同一である。表４に示す曲げ応力は、１回の停止ブレーキによって締結部材３０１に発生する曲げ応力の大きさ（絶対値）である。

最小肉厚ｔ／筒部材５０２の直径Ｄと、締結部材３０１に発生する曲げ応力との関係を図１１に示す。図１１は、表４に示すｔ／Ｄ及び曲げ応力をプロットして作成したグラフである。図１１に示すように、実施例３－１～３－３の全てにおいて、締結部材３０１に生じる曲げ応力が比較例の曲げ応力Ｌ１よりも小さくなった。すなわち、筒部材５０２において、ブレーキディスク１０の内周側に貫通孔の肉抜き部５０２２を設けた場合、締結部材３０１に発生する曲げ応力が低減されるといえる。

特に、ｔ／Ｄが０．０３以下の実施例３－３では、締結部材３０１に生じる曲げ応力が最も小さくなった。よって、筒部材５０２に貫通孔の肉抜き部５０２２を設ける場合、ｔ／Ｄは０．０３以下であることが好ましい。

１００：ブレーキディスクユニット
１０：ブレーキディスク
１０３：締結孔
２０：被取付部材
３０：取付構造
３０１：締結部材
３０１１：頭部
３０１２：軸部
３０２，４０２，５０２：筒部材
３０２１：周壁
３０２２，４０２２，５０２２：肉抜き部
３０２２ｂ：端部
３０２５：外端部
３０２６：内端部

Claims (8)

1. 鉄道車両の車輪、又は前記鉄道車両の車軸に固定されるディスク体である被取付部材に、締結孔を含む環状のブレーキディスクを取り付ける構造であって、
   前記締結孔に重ねて配置される筒部材と、
   前記筒部材上に配置される頭部と、前記頭部から前記被取付部材側に延び、前記筒部材及び前記締結孔に挿入される軸部と、を有し、前記ブレーキディスクを前記被取付部材に締結する締結部材と、を備え、
   前記筒部材の周壁のうち、前記ブレーキディスクの内周側に位置づけられる部分には、前記ブレーキディスクの内周側に位置づけられる前記部分の剛性が前記ブレーキディスクの外周側に位置づけられる部分の剛性よりも低くなるように、前記筒部材の周方向に延びる肉抜き部が設けられる、取付構造。
2. 請求項１に記載の取付構造であって、
   前記肉抜き部は、前記周壁の外周面から内周面に向かって形成されたスリットである、取付構造。
3. 請求項２に記載の取付構造であって、
   前記肉抜き部は、円弧状の両端部を有する、取付構造。
4. 請求項１に記載の取付構造であって、
   前記肉抜き部は、前記周壁の外周面に形成された切欠きである、取付構造。
5. 請求項１に記載の取付構造であって、
   前記肉抜き部は、前記周壁を貫通する貫通孔である、取付構造。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の取付構造であって、
   前記筒部材は、前記筒部材が前記ブレーキディスク上に配置される際、前記ブレーキディスクの径方向で内側に位置づけられる内端部と、前記径方向で外側に位置づけられる外端部と、を有し、
   前記ブレーキディスクが前記被取付部材に対して非締結である状態で、前記内端部の高さは、前記外端部の高さよりも大きい、取付構造。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の取付構造であって、
   前記筒部材は、前記被取付部材側に凸の形状を有する皿ばねである、取付構造。
8. 鉄道車両用のブレーキディスクユニットであって、
   締結孔を含む環状のブレーキディスクと、
   前記鉄道車両の車輪、又は前記鉄道車両の車軸に固定されるディスク体である被取付部材と、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の取付構造と、を備える、ブレーキディスクユニット。
   

Images