JP7109422B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の車輪に締結されて、摺接部材が押し当てられることで制動力を発生させる鉄道車両用ブレーキディスクに関する。

以前より、鉄道車両の車輪にブレーキディスクを締結し、ブレーキディスクに摺接部材を押し当てることで車輪に制動力を発生させるブレーキシステムがある。鉄道車両の走行時、ブレーキディスクの周辺において比較的に大きな騒音が発生することが分かっている。
特許文献１には、本発明に関連する技術として、鉄道車両の走行時にブレーキディスクから生じる騒音を低減する技術が示されている。特許文献１の技術は、ブレーキディスクの裏面に設けられた冷却用の空気の流路の開口面積を調整し、この間を流れる空気の量を抑制することで、騒音の低減を図っている。

特開２００７－２０５４２８号公報

特許文献１のブレーキディスクは、裏面に設けられた冷却用の空気の流路における騒音を低減できる。しかしながら、特許文献１のブレーキディスクを採用しても、未だ、ブレーキディスクの周辺から発生する騒音は大きなものであった。このため、現在、ブレーキディスクの周辺から発生する騒音をさらに低減することが望まれている。
本発明者らが試験を行ったところ、ブレーキディスクの表面に設けられた、ボルトを挿入するための貫通孔の開口部が、騒音の発生源の一つになっていることが分かった。貫通孔はブレーキディスクを鉄道車両の車輪に締結するために設けられている。

一方、ボルトを挿入するための貫通孔の開口部は、摺接部材が押し当てられるブレーキディスクの表面にある。従って、開口部の大きさ又は形状を変えると、ブレーキディスクと摺接部材との接触面積が変化し、ブレーキディスクの制動特性に影響が生じるという課題がある。
本発明は、制動能力の低下を抑制しつつ、ボルトを挿入するための貫通孔が原因となる騒音を低減できるブレーキディスクを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、
表面が摺動部であるディスク板部と、
前記ディスク板部の表面から裏面に貫通し、前記ディスク板部と鉄道車両の車輪とを締結するためのボルトが通される貫通孔とを備え、
前記ディスク板部の表面側における前記貫通孔の開口部の縁部には、前記ディスク板部の半径方向よりも前記ディスク板部の周方向に大きく広がる傾斜面が設けら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とした。

この構成によれば、貫通孔の開口部の縁部に設けられた傾斜面により、ブレーキディスクの回転時に貫通孔の開口部で生じる気流の乱れが抑制され、開口部で発生する騒音を低減できる。また、一般に、開口部では、ブレーキディスクの回転方向に対して直交する向きの縁部は気流の乱れが生じ易いため騒音が生じ易く、回転方向と平行な向きの縁部は気流の乱れが生じ難いため騒音が生じ難い。このため、傾斜面をディスク板部の半径方向よりもディスク板部の周方向に大きく広がるように設けることで、ディスク板部と摺接部材との接触面積を無駄に小さくせずに、効率的に騒音を低減できる。

ここで、前記傾斜面のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の周方向の位置にある部位は４ｍｍ以上かつ２４ｍｍ以下のＣ面又はＲ面であるとよい。
このような傾斜面により開口部で生じる騒音を顕著に低減できる。

また、前記傾斜面のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の周方向の位置にある部位は６ｍｍ±１５％のＣ面又はＲ面であるとなおよい。
このような傾斜面により開口部で生じる騒音を顕著に低減できる。

さらに、前記開口部のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の半径方向の位置にある部位には傾斜面が無いか、２ｍｍ以下のＣ面又はＲ面である傾斜面が設けられているとよい。
このような傾斜面により、ディスク板部と摺接部材との接触面積を無駄に小さくせずに、効率的に騒音を低減できる。

本発明によれば、制動能力の低下を抑制しつつ、ボルトを挿入するための貫通孔の開口部で発生する騒音を低減できるブレーキディスクを提供できる。

鉄道車両におけるブレーキシステムの一例を示す斜視図である。 実施形態に係るブレーキディスクの表面側を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第１例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第１例を示す図であり、図３ＡのＡ－Ａ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第１例を示す図であり、図３ＡのＢ－Ｂ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第１例を示す図であり、図３ＡのＣ－Ｃ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第２例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第２例を示す図であり、図４ＡのＡ－Ａ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第２例を示す図であり、図４ＡのＢ－Ｂ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第２例を示す図であり、図４ＡのＣ－Ｃ線断面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第３例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第４例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第５例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第６例を示す平面図である。 ボルトを挿入するための貫通孔の第７例を示す平面図である。 騒音試験の結果を示す周波数特性グラフである。 騒音試験の結果を示す棒グラフである。 傾斜面のサイズとピーク騒音レベルとの関係を表わすグラフである。

以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、鉄道車両におけるブレーキシステムの一例を示す斜視図である。図２は、実施形態に係る鉄道車両用のブレーキディスクの表面側を示す平面図である。
本発明の第１実施の形態のブレーキシステムは、高速鉄道に搭載される。このブレーキシステムは、鉄道車両の車輪１００の側部に締結されたブレーキディスク１０と、ブレーキディスク１０に接触して制動力を発生させる摺接部材２００と、摺接部材２００をブレーキディスク１０に押し付け可能な可動部２１０とを備える。ブレーキディスク１０と摺接部材２００とは、特に制限されないが、１つの車輪１００の両方の側面にそれぞれ設けられ、可動部２１０は２つの摺接部材２００で車輪１００を挟み込むように構成される。

ブレーキディスク１０は、環状のディスクであり、ディスク板部１０ａの表面１０ｆが摺動部である。ディスク板部１０ａの裏面には、図示略の複数の縦フィン及び横フィンが設けられ、これらによって冷却用の空気を通す通路が形成されている。ブレーキディスク１０のうち、縦フィン及び横リブを除いた板状の部分をディスク板部１０ａと称する。

ディスク板部１０ａには、ボルトを通すために表面から裏面に貫通された複数の貫通孔１２が設けられている。複数の貫通孔１２は、ディスク板部１０ａの同一径上に設けられ、且つ、ディスク板部１０ａの周方向に等間隔に並んでいる。

図３Ａは、ボルトを挿入するための貫通孔の第１例を示す平面図であり、図３ＢはそのＡ－Ａ線断面図、図３ＣはそのＢ－Ｂ線断面図、図３ＤはそのＣ－Ｃ線断面図である。
図４Ａは、ボルトを挿入するための貫通孔の第２例を示す平面図であり、図４ＢはそのＡ－Ａ線断面図、図４ＣはそのＢ－Ｂ線断面図、図４ＤはそのＣ－Ｃ線断面図である。

貫通孔１２は、ボルトの軸部を通す径の小さい小径部１２ｔと、ボルトの頭部又はナットが配置される径の大きい大径部１２ｗとを有し、大径部１２ｗがディスク板部１０ａの表面１０ｆと交差する部分を開口部と称する。また、貫通孔１２の中心軸がディスク板部１０ａの表面１０ｆと交差する部分を開口部の中心１２ｃと称する。図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、また図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄにおいて、ボルトの頭頂部の位置を二点鎖線で示す。

ディスク板部１０ａの表面側において、貫通孔１２の開口部の縁部には、ディスク板部１０ａの半径方向よりもディスク板部１０ａの周方向に大きく広がる傾斜面１２ｘが設けられている。より具体的には、傾斜面１２ｘは、貫通孔１２の開口部の縁部に設けられ、ディスク板部１０ａの表面１０ｆに近い位置から裏面側に向かうほど、貫通孔１２の中心軸に近くなる向きに傾斜している。ディスク板部１０ａの半径方向よりもディスク板部１０ａの周方向に大きく広がる傾斜面１２ｘとは、言い換えれば、次の形態を示す。すなわち、ディスク板部１０ａの回転軸方向に見て、貫通孔１２の開口部の中心１２ｃを通りディスク板部１０ａの周方向に延びる直線と傾斜面１２ｘとの重なる範囲が、貫通孔１２の開口部の中心１２ｃを通りディスク板部１０ａの半径方向に延びる直線と傾斜面１２ｘとの重なる範囲よりも大きい形態である。ディスク板部１０ａの回転軸方向に見て、貫通孔１２の開口部の中心１２ｃを通りディスク板部１０ａの半径方向に延びる直線と傾斜面１２ｘとの重なる範囲は、ゼロであってもよい。

傾斜面１２ｘは、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄに示すように、貫通孔１２の開口部の縁部に形成された面取り部であり、Ｒ面である。また、傾斜面１２ｘは、図４Ｂ、図４Ｃ、図４Ｄに示すように、Ｃ面であってもよい。
なお、傾斜面１２ｘは、切削加工などの面取り加工により形成されたものであってもよいし、型成形により形成されたものであってもよい。本明細書では、傾斜面１２ｘが型形成により形成された場合でも、傾斜面１２ｘのことを面取り部、Ｒ面又はＣ面とも呼ぶ。以下、ＸｍｍのＲ面又はＣ面とは、図３Ｂ、図４Ｂに示すように、ディスク板部１０ａの表面１０ｆに沿った方向の長さの最大部Ｌ１と、ディスク板部１０ａの軸方向に沿った長さの最大部Ｌ２とが、ほぼＸｍｍであるＲ面又はＣ面を意味する。

図３Ａ～Ｄの第１例及び図４Ａ～Ｄの第２例において、傾斜面１２ｘは、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの周方向の位置にある部位が最も大きく、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの半径方向の位置にある部位へかけて連続的に小さくなる。開口部の縁部において、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの半径方向の位置にある部位には、傾斜面１２ｘは形成されていない。

図５Ａ～図５Ｅは、ボルトを挿入するための貫通孔の第３例～第７例を示す平面図である。
貫通孔１２の傾斜面１２ｘは、図５Ａ～図５Ｅのように変形してもよい。図５Ａ～図５Ｅの貫通孔１２の大径部１２ｗの直径は３６ｍｍである。
第３例の貫通孔１２は、図５Ａに示すように、第１例又は第２例の貫通孔１２より小さい傾斜面１２ｘを有する。第３例の傾斜面１２ｘの最大の部位は、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの周方向の位置の設けられた、６ｍｍのＲ面又はＣ面である。第３例の貫通孔１２において、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの半径方向の部位には、傾斜面１２ｘは形成されていない。傾斜面１２ｘは、最大の部位から最小の部位にかけて連続的に小さくなるように形成されている。

第４例の貫通孔１２は、図５Ｂに示すように、第１例又は第２例の貫通孔１２より大きい傾斜面１２ｘを有する。第４例の傾斜面１２ｘの最大の部位は、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの周方向の位置に設けられた、２４ｍｍのＲ面又はＣ面である。第４例の貫通孔１２において、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの半径方向の部位には、傾斜面１２ｘは形成されていない。傾斜面１２ｘは、最大の部位から最小の部位にかけて連続的に小さくなるように形成されている。２４ｍｍのＲ面又はＣ面とは、Ｒ面又はＣ面がボルトの頭頂部の位置に到達する大きさである。
第５例の貫通孔１２は、図５Ｃに示すように、傾斜面１２ｘの最大部位及び最小部位の位置を、開口部の中心軸を中心に回転させた例であり、その他の形態は、第１例～第４例の傾斜面１２ｘの形態が採用される。この場合でも、傾斜面１２ｘの最大の部位は、貫通孔１２をディスク板部１０ａの半径方向に等間隔に３分割した範囲ｅ１～ｅ３のうち、中央の範囲ｅ２に位置するとよい。

第６例の貫通孔１２は、図５Ｄに示すように、傾斜面１２ｘの形態を開口部の中心１２ｃを通る周方向の直線に対称な形態から、非対称な形態に変化させたものであり、その他の形態は、第１例～第４例の形態が採用される。この場合でも、傾斜面１２ｘの最大部位は、貫通孔１２をディスク板部１０ａの半径方向に等間隔に３分割した範囲ｅ１～ｅ３のうち、中央の範囲ｅ２に位置するとよい。
第７例の貫通孔１２は、図５Ｅに示すように、傾斜面１２ｘが開口部の全周に設けられた例である。第７例において、傾斜面１２ｘの最大の部位は、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの周方向の位置に設けられる。また、傾斜面１２ｘの最小の部位は、開口部の中心１２ｃからディスク板部１０ａの半径方向の位置に設けられる。傾斜面１２ｘは、最大の部位から最小の部位にかけて連続的に小さくなるように形成され、傾斜面１２ｘの最小の部位は２ｍｍ以下のＲ面又はＣ面にするとよい。なお、第７例の傾斜面１２ｘの形態に、第５例又は第６例に示した変形を適用してもよい。

上述した第１例から第７例の貫通孔１２によれば、その開口部の縁部に、ディスク板部１０ａの半径方向よりもディスク板部１０ａの周方向に大きく広がる傾斜面１２ｘを有する。これにより、貫通孔１２の開口部で生じる気流の乱れが抑制され、開口部で発生する騒音を低減できる。また、一般に、開口部の縁部の全周のうち、ブレーキディスク１０の回転方向に対して直交する方向を向いた部位は気流が乱れ易いため騒音が生じ易く、回転方向と平行な方向を向いた部位は気流が乱れ難いため騒音が生じ難い。このため、上記の傾斜面１２ｘの形態により、ディスク板部１０ａと摺接部材との接触面積を無駄に小さくせずに、効率的に騒音を低減できる。従って、ブレーキディスク１０の制動能力が低下することを抑制しつつ、鉄道車両の走行時においてブレーキディスク１０から生じる騒音を低減することができる。

＜騒音の低減効果＞
図６は、騒音試験の結果を示す周波数特性グラフである。図７は、騒音試験の結果を示す棒グラフである。これらのグラフは、貫通孔１２の開口部の形態が異なる複数種類のブレーキディスク１０を回転させたときの騒音レベルを示す。「Ｒ２４」とは、最大部位が２４ｍｍのＲ面である図５Ｂの傾斜面１２ｘが貫通孔１２の開口部に形成された構成を示す。「Ｃ２４」とは、最大部位が２４ｍｍのＣ面である図５Ｂの傾斜面１２ｘが形成された構成を示す。「Ｒ６」とは、最大部位が６ｍｍのＲ面である図５Ａの傾斜面１２ｘが形成された構成を示す。「Ｃ６」とは、最大部位が６ｍｍのＣ面である図５Ａの傾斜面１２ｘが形成された構成を示す。「面取りなし」は、貫通孔１２の表面側の開口部に傾斜がない構成を示し、「全周Ｃ２」は、貫通孔１２の表面側の開口部の縁部の全域に２ｍｍのＣ面が形成された構成を示す。図６の縦軸は、各周波数バンドの騒音レベルを示し、図６の横軸は１／３オクターブバンドの中心周波数を示す。図７には、ピーク騒音レベルと、貫通孔が原因となる騒音の主要な周波数範囲（１２５０Ｈｚ～５０００Ｈｚ）の騒音レベルのオーバーオールを示す。

図６に示すように、Ｒ２４又はＣ２４の傾斜面１２ｘを有する本実施形態のブレーキディスク１０によれば、面取りなしの構成、あるいは全周Ｃ２の構成を採用したブレーキディスクと比較して、２５００Ｈｚ周辺の騒音レベルが顕著に低減することが確認された。同様に、Ｒ６又はＣ６の傾斜面１２ｘを有する本実施形態のブレーキディスク１０によれば、２５００Ｈｚ周辺の騒音レベルがより顕著に低減することが確認された。

また、図７に示すように、Ｒ２４又はＣ２４の傾斜面１２ｘを有する本実施形態のブレーキディスク１０によれば、面取りなしの構成、あるいは全周Ｃ２の構成を採用したブレーキディスクと比較して、ピーク騒音レベルが顕著に低減することが確認された。また、Ｒ６又はＣ６の傾斜面１２ｘを有する本実施形態のブレーキディスク１０によれば、面取りなしの構成、あるいは全周Ｃ２の構成を採用したブレーキディスクと比較して、ピーク騒音レベルと貫通孔が原因となる騒音の主要な周波数範囲の騒音レベルとが顕著に低減することが確認された。

図８は、傾斜面のサイズとピーク騒音レベルとの関係を表わすグラフである。
貫通孔１２の開口部で発生する騒音は、開口部の全周のうち、ブレーキディスク１０の回転方向に対して直交する縁部で発生する騒音が支配的となると推測される。従って、この部位における傾斜面１２ｘのサイズが騒音レベルに相関すると推測される。この部位の傾斜面のサイズは、「面取りなし」の構成ではゼロ、「全周Ｃ２」の構成では２ｍｍ、「Ｒ６」と「Ｃ６」の構成では６ｍｍ、「Ｒ２４」と「Ｃ２４」の構成では２４ｍｍである。
このような推測に基づいて、傾斜面１２ｘのサイズとピーク騒音レベルとの相関を計算すると、図８に示すような近似曲線が求められる。この近似曲線によれば、傾斜面のサイズを４ｍｍ以上かつ２４ｍｍ以下とすることで、ピーク騒音レベルが顕著に低減すると推測される。また、傾斜面のサイズを５ｍｍ以上かつ２０ｍｍ以下にすることで、ピーク騒音レベルがより顕著に低減すると推測される。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、傾斜面１２ｘとして、図３Ｂ及び図４Ｂに示される長さＬ１と長さＬ２とが等しいＲ面又はＣ面を一例に示した。しかし、この傾斜面１２ｘは、長さＬ１が長さＬ２より大きい傾斜面としてもよいし、長さＬ１が長さＬ２より小さい傾斜面としてもよい。その他、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクに利用できる。

１０ ブレーキディスク
１０ａ ディスク板部
１０ｆ 表面
１２ 貫通孔
１２ｔ 小径部
１２ｗ 大径部
１２ｘ 傾斜面
１２ｃ 開口部の中心

Claims (4)

1. 表面が摺動部であるディスク板部と、
   前記ディスク板部の表面から裏面に貫通し、前記ディスク板部と鉄道車両の車輪とを締結するためのボルトが通される貫通孔とを備え、
   前記ディスク板部の表面側における前記貫通孔の開口部の縁部には、前記ディスク板部の半径方向よりも前記ディスク板部の周方向に大きく広がる傾斜面が設けら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。
2. 前記傾斜面のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の周方向の位置にある部位は４ｍｍ以上かつ２４ｍｍ以下のＣ面又はＲ面であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
3. 前記傾斜面のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の周方向の位置にある部位は６ｍｍ±１５％のＣ面又はＲ面であることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
4. 前記開口部のうち前記開口部の中心から前記ディスク板部の半径方向の位置にある部位には傾斜面が無いか、２ｍｍ以下のＣ面又はＲ面である傾斜面が設けられていることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。

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