【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]
産業上の利用分野
この発明は耐熱亀裂性に優れた高速鉄道車両用
ブレーキデイスクに関する。
従来の技術
一般の鉄道車両用ブレーキデイスクには第４図
ａに示すごとく車輪６の板部７の両面に配設され
たブレーキデイスク８をブレーキ用ライニング９
が車輪をはさむ形で押付ける構造の車輪側面形ブ
レーキと、第４図ｂに示すごとく車輪とは別に車
軸１０に配設されたブレーキデイスク８′をブレ
ーキ用ライニング９′がはさむ形で押付ける車軸
マウント形ブレーキがある。車軸マウント形ブレ
ーキには第４図ｂに示すようにブレーキデイスク
が車輪の内側にあるものと、車輪の外側にあるも
のがある。これらのブレーキは、金属板製ブレー
キデイスクが金属板製ライニングに走行中に押付
けられて、摩擦力により車軸の回転を減速または
停止せしめるものであるから、ブレーキデイスク
は摩擦熱により部分的に急速に昇温し、また冷却
することを繰返すことによる高い熱応力の繰返し
による熱疲労または熱衝撃環境下にある。また、
冷却が十分ではない状態で次のブレーキが作用す
る場合があり、材料は次第に高温になる場合もあ
る。
このような環境下にあつて、ブレーキデイスク
には、しばしば熱亀裂が発生し、進展することに
より、思わぬ事故につながる場合が想定されるか
ら、ブレーキの冷却の促進、亀裂の発生防止、進
展防止の改善がなされてきた。
冷却方法の改善策としては、ブレーキデイスク
に放熱面積を増大させるためのフインを設ける方
法や通風口を設ける方法（例えば、実開昭56−
59470に記載の従来方法）や、液体冷却室を設け
る方法（実開昭54−74869）がある。
熱応力の低減策としては、ブレーキデイスクの
温度上昇、降下による熱膨張の拘束をゆるめるた
めブレーキデイスクの形状の一部に変形の緩衝部
を設ける方法（実開昭56−59470）が提案されて
いる。
発明が解決しようとする課題
冷却方法としてのフインを付ける方法として
は、ブレーキデイスクの摺動面の裏面に断面が片
持ち形のフインを設ける方法や２枚の板でフイン
を支持する方法があるが、片持ち形の場合は冷却
能をよくするためフイン厚さを薄く、かつフイン
高さを高くする必要があり、２枚の板でフインを
支持する方法は原理的に一体化成形は不可能であ
る。
そして、鋳鉄よりも耐熱亀裂性のよい材料とし
ては、鋳鋼が知られているが、鋳鋼とするには鋳
造が必要である。しかし、鋳造では薄肉のフイン
付きのような複雑な形状に成形することは不可能
である。そのため、鍛鋼を使用するとすれば、フ
インなし形状で使用することしか考えられなかつ
た。
しかし鉄道車両が高速化するに伴い、従来の方
法では熱亀裂の発生を抑制することができず、し
たがつて車両の高速化を妨げる重要な一因となつ
ていた。
そこで、260Km／Ｈ以上の高速での使用に耐え
るブレーキデイスクすなわち耐熱亀裂性、冷却性
能を兼ね備えたブレーキデイスクが求められた。
課題を解決するための手段
従来のブレーキデイスクには、上記のように冷
却能力付与のためフインが付いている。これは従
来８〜10mmの薄い形状で、厚み変化のないストレ
ートな形状であつた。このため、片側にフインの
付いている新幹線車両を代表とする車輪側面形ブ
レーキデイスクも鋳造で製造することは極めて困
難であり、フインの付いた鋳鋼デイスクの発想は
出されていなかつた。
新幹線開業後、210Km／Ｈ以上の高速新幹線車
両用ブレーキデイスクの開発においても、フイン
を付ける鋳鋼デイスクの案は出されておらず、帽
子型をしたフインのないハツト型ブレーキデイス
クが試作され、実車試験に供試された。このハツ
ト型ブレーキデイスクは、ブレーキ装置を台車の
外側にセツトせざるを得ず、台車重量が重くなる
ため不採用となつた。
一方、ブレーキデイスクの冷却性能に関して
は、十分な研究がされていなかつたため、今回そ
の評価式を確定した。すなわち、何回かブレーキ
が作用したときにブレーキデイスクに熱が蓄熱さ
れ、飽和する温度は次式で評価される。
Tsat＝Ｅ／CdＭ／１−e-〓t1＋To
α＝hA／CdＭ
Tsat：飽和温度
Ｅ：１回のブレーキエネルギ
Cd：ブレーキデイスク材料の比熱
Ｍ：ブレーキデイスク材料の重量
ｈ：ブレーキデイスクの熱伝達係数
t1：ブレーキ間隔
Tp：室温
Ａ：ブレーキデイスク表面積
この式によりフインの薄さが重要でなく、表面
積が重要な因子であることを明らかにした。
このことから、フインの形状を厚み変化のない
ストレート形状から山形に変えて鋳造する発想が
出て、今回のブレーキデイスクが検討されること
となつた。
このように、ブレーキデイスクの冷却と亀裂発
生の防止について種々検討した結果、車両側面形
ブレーキデイスクの冷却のためのフインの形状
は、フイン高さを低くし、山形形状にして少々冷
却能を低下させても、鋳鋼を使用すれば、十分な
耐熱亀裂性と冷却性能が得られること、および山
形形状のフイン付きデイスクであれば鋳造で一体
成形できることを初めて見出し、本発明を完成し
た。
そこで、本発明の要旨とするところは、空冷式
車輪側面鉄道車両用ブレーキデイスクにおいて、
断面が山形の片持式フインが車輪中心から放射状
に多数配設されている炭素量が0.3〜0.5重量％の
炭素鋼または低合金鋼である鍛鋼からなる高速鉄
道車両用ブレーキデイスクである。
作 用
以下、本発明を詳細に説明する。
第１図ａは本発明に係わるブレーキデイスクの
正面図の１例であり、左右対称の半割り部分が上
下で合わせ面１で合わされている。第１図ｂは車
輪へのボルト取付孔２を有するフイン３のＸ−Ｘ
断面であり、第１図ｃはボルト取付孔のないフイ
ン４′近傍のＹ−Ｙ断面であり、第１図ｄはフイ
ンのＺ−Ｚ断面である。
上述のフインはブレーキデイスクの片面に放射
状に多数配設されており、このブレーキデイスク
のもう一方の面は摺動面５である。従来、この形
式のブレーキデイスクのフインの形状は第１図ｄ
に示す断面部が、矩形断面でかつフイン厚さに比
較して高さが高く、フインの根元厚さと高さの比
が３〜５であつたが、フイン形状を山形にした本
発明では1.2〜1.5とする。この結果、熱間鍛造時
の金属流がなめらかとなり熱間型鋳造が可能とな
つた。
材質として0.3〜0.5重量％の炭素を含む鋳鋼と
する理由は、鋳鉄または高炭素の鋳鋼とした場合
は靭性が低く、割損の危険があり、かつ、亀裂が
発生した場合の進展速度が速いためであり、低炭
素の鍛鋼とした場合は硬度が低く、摩耗が激しい
ためであつて、靭性と亀裂の進展を改善し、耐摩
耗性が優れている範囲を選定した。
フインの方向を放射状とするのはブレーキ荷重
を出来るだけブレーキデイスク全面に分布させる
ためと車輪が回転時の高速空気流を出来るだけ多
量にフインに吹き付け、冷却効果を上げるためで
ある。
実施例
第１図に示す形式でフイン数の合計が24本であ
るS45CとAISI4330製ブレーキデイスクを熱間型
鋳造により試作し、比較例としてフイン数が44本
である従来形状のNCM鋳鉄製ブレーキデイスク
と比較した。
S45C製には850℃焼入れ−500℃焼戻し処理を
施し、AISI4330製には880℃焼入れ−630℃焼戻
し処理を施し、鋳鉄製には従来処理を施して試験
に供した。化学成分と硬度を第１表に示す。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD This invention relates to a brake disc for high-speed railway vehicles that has excellent heat crack resistance. BACKGROUND TECHNOLOGY As shown in FIG. 4a, a brake disk for a general railway vehicle has a brake disk 8 disposed on both sides of a plate portion 7 of a wheel 6 and a brake lining 9.
The wheel-side brake is structured such that the wheel is sandwiched between the brake discs 8' and the brake lining 9' is sandwiched between the brake discs 8', which are disposed on the axle 10 separately from the wheels, as shown in Fig. 4b. There is an axle-mounted brake. Axle-mounted brakes include those in which the brake disc is located on the inside of the wheel, as shown in Figure 4b, and those in which the brake disc is located on the outside of the wheel. In these brakes, a metal plate brake disk is pressed against a metal plate lining while the vehicle is running, and the rotation of the axle is slowed down or stopped by frictional force. It is under thermal fatigue or thermal shock environment due to repeated high thermal stress due to repeated heating and cooling. Also,
The next brake may be applied without sufficient cooling, and the material may gradually become hotter. In such an environment, thermal cracks often occur in brake discs, and as they progress, it is assumed that this could lead to an unexpected accident. Improvements in prevention have been made. Improvements to the cooling method include providing fins on the brake disc to increase the heat dissipation area and providing ventilation holes (for example,
59470) and a method of providing a liquid cooling chamber (Utility Model Application No. 54-74869). As a measure to reduce thermal stress, a method has been proposed (Utility Model Application Publication No. 56-59470) in which a deformation buffer is provided in a part of the shape of the brake disk in order to loosen the restraint on thermal expansion due to temperature rise and fall of the brake disk. There is. Problems to be Solved by the Invention Methods of attaching fins as a cooling method include a method of providing a fin with a cantilevered cross section on the back side of the sliding surface of the brake disc, and a method of supporting the fin with two plates. However, in the case of a cantilever type, the fin thickness must be thinner and the fin height must be increased to improve cooling performance, and the method of supporting the fins with two plates does not, in principle, require integral molding. It is possible. Cast steel is known as a material with better heat cracking resistance than cast iron, but casting is required to make cast steel. However, by casting, it is impossible to mold into a complex shape such as a thin-walled fin. Therefore, if forged steel were to be used, it was only possible to use it in a shape without fins. However, as the speed of railway vehicles increases, conventional methods have been unable to suppress the occurrence of thermal cracks, which has become an important factor hindering the speeding up of railway vehicles. Therefore, there was a need for a brake disc that could withstand use at high speeds of 260 km/h or more, that is, a brake disc that had both heat cracking resistance and cooling performance. Means for Solving the Problems Conventional brake discs are equipped with fins to provide cooling capacity, as described above. This conventionally had a thin shape of 8 to 10 mm, and a straight shape with no change in thickness. For this reason, it is extremely difficult to manufacture wheel-side brake discs, such as those used in Shinkansen trains, which have fins on one side, by casting, and the idea of a cast steel disc with fins had not been proposed. After the opening of the Shinkansen, in the development of brake discs for high-speed Shinkansen trains of 210 km/h or higher, no proposal was made for a cast steel disc with fins, and a hat-shaped brake disc without fins was prototyped, and the actual vehicle was Tested. This hat-shaped brake disc was not adopted because the brake device had to be set on the outside of the bogie, which increased the weight of the bogie. On the other hand, as there has not been sufficient research regarding the cooling performance of brake discs, we have now finalized an evaluation formula. That is, when the brake is applied several times, heat is accumulated in the brake disc, and the temperature at which it becomes saturated is evaluated by the following equation. Tsat=E/C d M/1-e - 〓 t1 +To α=hA/C d M Tsat: Saturation temperature E: One braking energy C d : Specific heat of brake disc material M: Weight of brake disc material h: Brake disk heat transfer coefficient t 1 : Brake interval T p : Room temperature A : Brake disk surface area This equation makes it clear that the thinness of the fins is not important, but the surface area is an important factor. This led to the idea of casting the fins by changing the shape from a straight one with no thickness change to a chevron shape, and this led to consideration of the new brake disc. As a result of various studies on cooling brake discs and preventing cracks, we decided to reduce the height of the fins and create a chevron-shaped fin for cooling the brake disc on the side of the vehicle, resulting in a slight decrease in cooling performance. For the first time, we discovered that sufficient heat crack resistance and cooling performance can be obtained by using cast steel, and that a disk with chevron-shaped fins can be integrally formed by casting, and completed the present invention. Therefore, the gist of the present invention is to provide a brake disc for an air-cooled wheel-side railway vehicle.
This brake disk for high-speed railway vehicles is made of carbon steel or low-alloy steel forged steel with a carbon content of 0.3 to 0.5% by weight, in which a large number of cantilevered fins with a chevron-shaped cross section are arranged radially from the center of the wheel. Function The present invention will be explained in detail below. FIG. 1a is an example of a front view of a brake disc according to the present invention, in which symmetrical halves are joined at the upper and lower mating surfaces 1. Figure 1b shows the X-X of the fin 3 that has the bolt mounting hole 2 to the wheel.
FIG. 1c is a Y-Y cross section near the fin 4' without bolt mounting holes, and FIG. 1D is a Z-Z cross section of the fin. A large number of the above-mentioned fins are arranged radially on one side of the brake disk, and the other side of the brake disk is the sliding surface 5. Conventionally, the shape of the fins of this type of brake disc is shown in Figure 1d.
The cross section shown in is a rectangular cross section and has a high height compared to the fin thickness, and the ratio of the root thickness of the fin to the height was 3 to 5, but in the present invention where the fin shape is chevron-shaped, it is 1.2. ~1.5. As a result, the metal flow during hot forging became smooth, making hot die casting possible. The reason why cast steel containing 0.3 to 0.5% by weight of carbon is used as the material is that cast iron or high carbon cast steel has low toughness and there is a risk of breakage, and if cracks occur, they will grow quickly. This is because low carbon forged steel has low hardness and is subject to severe wear, so we selected a range that improves toughness and crack growth and has excellent wear resistance. The reason why the direction of the fins is radial is to distribute the brake load as much as possible over the entire surface of the brake disc, and to increase the cooling effect by blowing as much high-speed airflow as possible onto the fins when the wheels rotate. Example A brake disk made of S45C and AISI4330 with a total number of fins of 24 as shown in Fig. 1 was prototyped by hot die casting, and as a comparative example, a conventional NCM cast iron brake with a number of fins of 44 was produced. compared to disk. The S45C product was quenched at 850°C and tempered at 500°C, the AISI4330 product was quenched at 880°C and tempered at 630°C, and the cast iron product was subjected to conventional treatment for testing. The chemical composition and hardness are shown in Table 1.
【表】
まず、耐熱亀裂性について調べたが、これは初
速度130Km／Ｈからブレーキを1000回、続いて、
さらに初速度260Km／Ｈからのブレーキを50回繰
返した。その結果第２図に示すような鋳鉄製ブレ
ーキデイスクには最大で100mm、平均で60mmの熱
亀裂が認められた。これに対し、鍛鋼製ブレーキ
デイスクには最大で３mm、平均で1.5mmの短かく
方向性のない亀甲形で、いわゆるモザイククラツ
クと称される小さな亀裂だけであつた。
次に変形について調べたが、これは50、110、
160、210、260Km／Ｈの各初速度からのブレーキ
を各５回づつ行い比較した。ブレーキデイスクの
変形量の測定結果を第３図に示す。本結果から鍛
鋼製ブレーキデイスクの変形は鋳鉄製とほぼ同等
であり、十分実用に供しうる事がわかつた。
ブレーキデイスクの変形はブレーキライニング
の摩耗に対して影響を与えるものであるため、ブ
レーキライニングの摩耗量を測定した結果を第２
表に示す。第２表において、特性試験とは上述の
ブレーキデイスクの変形試験であり、耐久試験と
は上述の耐熱亀裂試験である。第２表の結果から
鍛鋼製は鋳鉄製より摩耗量が少なく、優れている
ことがわかつた。[Table] First, we investigated the heat cracking resistance, which was determined by applying the brakes 1000 times at an initial speed of 130 km/h, then applying the brakes 1000 times,
Furthermore, braking from the initial speed of 260 km/h was repeated 50 times. As a result, thermal cracks of up to 100 mm and an average of 60 mm were observed in the cast iron brake disc shown in Figure 2. On the other hand, the forged steel brake disc had only small cracks, so-called mosaic cracks, which were short, non-directional, and tortoise-shell-shaped with a maximum length of 3 mm and an average of 1.5 mm. Next, I investigated the deformation, which was 50, 110,
Braking was performed five times each from initial speeds of 160, 210, and 260 Km/H and compared. Figure 3 shows the measurement results of the amount of deformation of the brake disc. The results show that the deformation of forged steel brake discs is almost the same as that of cast iron brake discs, and that they can be put to practical use. Since the deformation of the brake disc affects the wear of the brake lining, the results of measuring the amount of wear of the brake lining are used in the second
Shown in the table. In Table 2, the characteristic test is the above-mentioned brake disk deformation test, and the durability test is the above-mentioned heat cracking test. From the results shown in Table 2, it was found that forged steel is superior to cast iron in that it has less wear.
【表】
発明の効果
以上詳述した如く、本発明によれば従来の思想
に反してフイン形状を低くして、冷却性能を低下
させる構造としても、耐熱亀裂性に優れた鍛鋼を
用いて鍛造法により製作したブレーキデイスクは
両性質の総合的な結果として、完成品としては耐
熱亀裂性に優れたブレーキデイスクとなり、かつ
安価に製造できるようになつて鉄道の高速化と安
全性の向上に寄与する効果が大である。[Table] Effects of the Invention As detailed above, according to the present invention, contrary to conventional thinking, the fin shape is lowered and the cooling performance is reduced, but the structure is forged using forged steel with excellent heat crack resistance. As a comprehensive result of both properties, the brake disc manufactured by this method is a finished product with excellent heat cracking resistance, and can be manufactured at a low cost, contributing to higher speeds and improved safety of railways. It is very effective.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図はこの発明の一実施例におけるフイン付
き鍛鋼製ブレーキデイスクの半部を示す正面図ａ
図及びＸ−Ｘ線上のフイン断面図ｂ図、Ｙ−Ｙ線
上の断面図ｃ図、Ｚ−Ｚ線上の断面図ｄ図、第２
図は鋳鉄製従来型ブレーキデイスクの耐久試験結
果を示すグラフ、第３図はこの発明の実施による
鍛鋼製ブレーキデイスクと鋳鉄製従来型ブレーキ
デイスクの特性試験結果を示すグラフ、第４図は
鉄道車両用ブレーキデイスクの形式を示す説明図
で、ａ図は車輪側面形ブレーキ、ｂは車軸マウン
ト形ブレーキである。
１……合わせ面、２……ボルト取付孔、３，
４′……フイン、５……摺動面。
FIG. 1 is a front view a showing a half part of a forged steel brake disc with fins in an embodiment of the present invention.
Figures and fin cross-sectional view on line X-X, figure b, cross-sectional view on line Y-Y, figure c, cross-sectional view on line Z-Z, figure 2.
The figure is a graph showing the durability test results of a conventional brake disc made of cast iron, Fig. 3 is a graph showing the results of a characteristic test of a forged steel brake disc according to the present invention and a conventional brake disc made of cast iron, and Fig. 4 is a graph showing the results of a characteristic test of a conventional brake disc made of cast iron. Fig. 3 is an explanatory diagram showing the types of brake discs for the vehicle, in which figure a is a wheel side type brake, and figure b is an axle mount type brake. 1...Mating surface, 2...Bolt mounting hole, 3,
4'...fin, 5...sliding surface.