JP7181109B2

JP7181109B2 - ブレーキディスク

Info

Publication number: JP7181109B2
Application number: JP2019016092A
Authority: JP
Inventors: 勝啓中野; 幸夫谷田; 尚紀原田
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: JP2020122553A

Description

本発明は、鉄道車両などの車両に用いるブレーキディスクに関し、特に、制動中の摩擦熱によって生じる熱エネルギーを分散させ、熱エネルギーによって生じる応力を低減する技術に関する。

鉄道車両、自動車、航空機などの制動に用いられるディスクブレーキは、車軸や車輪とともに回転するブレーキディスクにブレーキパッドを押し付けて制動力を発生させ、これにより車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御することが知られている。

新幹線などの高速鉄道車両は、高速化が推進されて時速３００ｋｍを超える速度での運転が行われている。鉄道車両の高速化には、車両の重量低減が必須であり、摺動面となる板部を車輪に対して直接締結する摺動面締結型のブレーキディスクが適することが知られている。

高速での走行時には空力音と称される騒音を誘発するため、環境への配慮から空力音の低減が必要とされる。特許文献１では、隣り合う放射状フィン部同士の間に、円周方向に沿ってリブを追加し、このリブによって空気の流れを抑制したブレーキディスクが開示されている。

特許文献２のブレーキディスクは、制動中の摩擦熱によって発生する反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、その締結面に有している。

また、特許文献３のブレーキディスクでは、締結部と非締結部の合計体積の比を規定し、一部にひずみが集中するのを防いで、反りやうねりを抑制するようにしている。

特許文献４では、ブレーキディスクの内外周における車輪との接触位置と締結孔との位置関係を適正化することにより、ボルトへの曲げ負荷を低減し、ボルトの耐久性を確保するようにしている。

また、特許文献５のブレーキディスクでは、その表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部と、この円板部の裏面に放射状に突設された複数の放射状フィン部と、円板部及び放射状フィン部を貫通するボルト孔とを設け、ボルト孔に挿通されたボルトによる締結により、放射状フィン部が車輪の板部に圧接した状態で円板部が車輪に取り付けられるようにしている。この放射状フィン部には、ボルト孔を間に挟む径方向の内周側の領域と外周側の領域に、円周方向に沿って溝を形成することにより、制動時の冷却性能を向上させ、締結用ボルトを含めたブレーキディスクの耐久性を向上させるようにしている。

特許第５１５８２０９号公報特開２００１－３１１４４１号公報特開２００５－３２１０９１号公報特開２００６－９８６２号公報特許第５９２４４１３号公報

例えば、特許文献１のようなブレーキディスクによれば、空力音を所望のレベルまで低減することができるが、リブによるガス流れの抑制に伴い、制動時にブレーキディスクの冷却性能が低下するという問題が顕在化する。また、高速走行状態から非常ブレーキをかける場合においては、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形、及びそれによる締結用ボルトへの応力負荷が増大し、ブレーキディスク及びボルトの耐久性を確保することが難しくなる。

このように、上記特許文献１～５のブレーキディスクでは、発生する熱応力に対処する方法が明記されているが、発生する応力を低減することは十分にできておらず、未だ発生する熱エネルギーを十分に分散させる余地がある。

本発明は、上記の問題に着目し、制動時における熱分散性能を向上させ、かつ制動中の摩擦熱によるブレーキディスクに発生する応力を低減できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明では、摩擦熱によって発生するブレーキディスクに発生する応力を抑制するようにした。

具体的には、第１の発明では、
表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部と、
上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結部材を挿通して車輪に締結される複数の放射状フィン部と、
上記板部の裏面に、上記放射状フィン部の円周方向両側に角度をもってそれぞれ設けられた傾斜フィン部とを備え、
上記傾斜フィン部は、上記放射状フィン部に対して３０°以上５０°以下の角度をもって一体に連結される構成とする。

すなわち、放射状フィンに対して３０°よりも小さい角度で連結すると、傾斜フィン部を放射状フィン部と連結することが困難であり、５０°よりも大きくすると、熱容量及び表面積が応力低減させる領域までにならないが、上記の構成によると、傾斜フィン部が放熱フィン部に対して適度な角度で連結されているので、適切な表面積を確保でき、更なる熱分散を期待できる。

以上説明したように、本発明によれば、ブレーキディスクの板部に突設する傾斜フィン部を締結部材が挿通される放射状フィン部に対して３０°以上５０°以下の角度をもって連結したことにより、制動時における熱分散性能を向上させ、かつ制動中の摩擦熱によるブレーキディスクに発生する応力を低減できる。

図４ＡのＩ部拡大正面図である。本発明の実施形態に係るブレーキディスクが締結された車輪を示す正面図である。図２のIII－III線断面図である。本発明の実施形態に係るブレーキディスクの裏面を示す背面図である。本発明の実施形態に係るブレーキディスクの裏面を示す斜視図である。斜め角度を変化させたときの実施例と比較例に係る温度解析結果を示す図である。斜め角度を変化させたときの実施例と比較例に係る応力解析結果を示す図である。フィン太さを変化させたときの実施例と比較例に係る温度解析結果を示す図である。傾斜フィン部の板部の外周端からの距離を変化させたときの実施例と比較例に係る温度解析結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１～図４Ｂは、本発明の実施形態に係る鉄道車両用のブレーキディスク１を示し、このブレーキディスク１は、鉄道車両の車輪２０の板部２０ａの表裏両面に、例えば締結部材としての締結用ボルト２１と締結用ナット２２とによってそれぞれ着脱可能に取り付けられるものである。ブレーキディスク１は、例えば、鋳鋼よりなる。

ブレーキディスク１は、表面側（外側面側）を摺動面とする、中央に円形開口が設けられたドーナツ形板状の板部１ａを備えている。この板部１ａの裏面（内側面）には、互いに間隔を空けて複数の放射状フィン部２が一体に突設されている。各放射状フィン部２の長手方向中間に設けたボルト挿通孔２ａに締結ボルト２１を挿通して締結することで、ブレーキディスク１が車輪２０に締結されるようになっている。本実施形態では、放射状フィン部２は、板部２０ａの各側面に中心角３０°の間隔を空けて１２本設けられている。なお、この本数は、１２本に必ずしも限定されず、多くても少なくてもよい。

本実施形態では、一対の放射状フィン部２の間に例えば３本の補助フィン部３が放射状に延びるように板部２０ａに一体に突設されている。補助フィン部３の太さは、放射状フィン部２の太さよりも細くなっているが、その本数は必ずしも限定されず、多くても少なくてもよい。

そして、板部２０ａの裏面には、放射状フィン部２の円周方向両側に所定の傾斜角度θをもって傾斜フィン部４がそれぞれ突設されている。詳しくは後述するが、この傾斜角度θは、３０°以上５０°以下となっている（３０°≦θ≦５０°）。本実施形態では、傾斜フィン部４の一端が放射状フィン部２に連結され、中間部が１本の補助フィン部３に連結されると共に、他端が真ん中の補助フィン部３に連結されている。隣り合う放射状フィン部２の傾斜フィン部４は、この真ん中の補助フィン部３の半径方向（長手方向）位置が同じ（外周端からの距離Ｙが同じ）位置において連結されている。

そして、一対のブレーキディスク１は、車輪２０の板部２０ａを、その厚さ方向両側から挟み込んだ状態で、ボルト挿通孔２ａに挿通した締結用ボルト２１に締結用ナット２２を締結することで、車輪２０に脱着可能に固定されるようになっている。

－実施例－
上記のようなブレーキディスク１では、ブレーキディスク１の外周側に適度な熱容量をもたせることで制動時に発生する熱エネルギーを分散させ、発生する熱を分散させてブレーキディスク１に発生する応力を低減可能であることが分かった。

上記のようなブレーキディスク１において、ディスクの熱分散性能効果を確認するために、ＦＥＭ解析の非定常伝熱及び応力解析を行った。

付与した熱流速は車輪径８６０ｍｍで３００ｋｍ／ｈの高速車両を想定した条件とした。図５に、その結果を示す。図５における項目の「表面」とは外側面側の摺動面のことを指し、「裏面」とは摺動面と反対側（内側面側）で放射状フィン部２、補助フィン部３及び傾斜フィン部４が存在しない箇所を示している。表中の数値は、温度（℃）を示す。図５～図８の（）内数字は比較例に対する低下率を示す。

熱分散の効果の確認と共に、ブレーキディスク１の摺動面に発生する応力の変化を確認した。その結果を図６に示す。斜め角度３０°以上５０°以下において、発生する応力が比較例よりも小さい値であることが確認できた。このように、表面に発生する応力が抑制されることから、熱分散によって熱き裂の発生抑制に寄与していることが確認できた。

また、傾斜フィン部４の角度θ以外にも太さＸが影響することが考えられる。そこで、角度θが３０°の場合において、傾斜フィン部４の太さＸを変化させてブレーキディスク１の摺動面に発生する応力を確認した。その結果を図７に示す。ここでは、太さＸは、応力に影響がほとんどないことを確認できた。

さらに、傾斜フィン部４の角度θ以外に傾斜フィン部４の終点又は始点位置が影響することが考えられる。そこで、傾斜フィン部４の角度θが３０°の場合において、傾斜フィン部４の外周端からの距離Ｙを変化させてブレーキディスク１の摺動面に発生する応力を確認した。その結果を図８に示す。これを見ても分かるように、外周端からの距離Ｙは応力にほとんど影響を及ぼさないことを確認できた。

以上説明したように、放射状フィン部２に対して３０°よりも小さい角度で連結すると、傾斜フィン部４は補助フィン部３を一体に放射状フィン部２と連結することが困難である。また、５０°よりも大きくすると、熱容量及び表面積が応力低減させる領域までにならない。しかし、上記実施形態によると、傾斜フィン部４が放熱フィン部２に対して適度な角度で連結されているので、適切な表面積を確保でき、更なる熱分散を期待できる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。

１ブレーキディスク
１ａ板部
２放射状フィン部
２ａボルト挿通孔
３補助フィン部
４傾斜フィン部
２０車輪
２０ａ板部
２１締結用ボルト（締結部材）
２２締結用ナット（締結部材）

Claims

表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部と、
上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結部材を挿通して車輪に締結される複数の放射状フィン部と、
上記板部の裏面に、上記放射状フィン部の円周方向両側に角度をもってそれぞれ突設された傾斜フィン部とを備え、
上記傾斜フィン部は、上記放射状フィン部に対して３０°以上５０°以下の角度をもって一体に連結されている
ことを特徴とするブレーキディスク。