JPH10115336A - 鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 昇温によって熱膨張が生じても、取り付けボ
ルトが挿通しているボルト挿通穴の周辺に割れや変形が
生じることがないアルミ基複合材製ロータを提供するこ
と。 【解決手段】 略円盤状に一体形成されるアルミ基複合
材製ロータ２０において、その内周寄りに貫通形成する
複数個のボルト挿通穴２１は開口部をロータ２０の中心
に向けた切り欠き穴に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、略円盤状に成形さ
れて鉄道車両の車輪の側面にボルトによって締結される
鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両用のディスクブレーキとして
は、従来より、略円盤状のロータを鉄道車両の車輪の内
外両側面にボルトによって締結することで、車輪の両側
面に制動用の摺動面を形成したタイプのものが知られて
いる。従来のこのタイプのものでは、ロータは、鋳鉄や
鍛鋼等の鉄系材料で製造していた。しかし、近年、鉄道
車両は高速化の指向が強まり、それに伴って、車両を構
成する部品の軽量化が強く求められてきた。特に、車輪
やこの車輪に装備される前述のロータ等は直接レールに
負荷をかけるばね下質量となり、レールに与える振動や
衝撃、更には車両の走行性能にも大きな影響力を持つた
め、軽量化が重要な課題とされてきた。

【０００３】そこで、近年では、軽量材であるアルミ基
複合材製のロータを開発するに至っている。ここでいう
アルミ基複合材は、アルミニウム合金の金属母相にセラ
ミック粒子等（Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ等）の強
化粒子を分散させた複合材料で、比重を約２．８程度に
抑えることができ、従来の鉄系材料と比較すると、大幅
な軽量化が図れる。

【０００４】図４及び図５は、このようなアルミ基複合
材によって製造される従来のロータ１の構造を示したも
のである。このロータ１は、アルミ基複合材により略円
盤状に一体形成されると共に、内周寄りに複数個のボル
ト挿通穴３が貫通形成された構成を成し、前記ボルト挿
通穴３に挿通された取り付けボルト５と該取り付けボル
ト５に螺合するナット６により、図５に示すように、鉄
道車両の車輪８の側面に締結される。

【０００５】前記ロータ１の表面９は、外周側の一定範
囲が制動用の摺動面９ａとなるもので、該摺動面９ａの
範囲は平坦に仕上げられている。また、ロータ１の裏面
１０は、車輪８の側面に当接される面で、放熱効果を高
めるために、冷却用のフィン１０ａをロータ中心から放
射状に突設した構造としている。

【０００６】前記ボルト挿通穴３は、前記取り付けボル
ト５の軸径に適度の余裕を持たせた円形穴で、ナット６
側には、通常、ナット６の弛み止めとして、ばねワッシ
ャ１１が装備される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高速車両で
使用されるロータ１は、制動動作時には、摩擦熱によっ
て２５０〜３００℃程度に昇温し、それに伴う熱膨張に
より、図６に示すように、外周側が表面９側にせり出し
た略椀形に変形する。図６に示す矢印（イ）は、この略
椀形の変形時に発生する径方向の引張応力（熱応力）を
示している。

【０００８】そして、ロータ１がこのような略椀形に熱
変形する際には、図７に示すように、径方向の熱膨張の
よって作用する引張応力Ｆのために、ロータ１のボルト
挿通穴３の一部（正確には、前記ボルト挿通穴３のロー
タ中心側の内壁面）が取り付けボルト５に強く圧接さ
れ、結果的には、ボルト挿通穴３の一部の内壁面に集中
荷重となって働く圧縮荷重のために、ボルト挿通穴３の
周縁に割れや変形が生じ易いという問題があった。

【０００９】そこで、従来では、このような問題の発生
を防止する手段として、図８に示すように、予めボルト
挿通穴３の穴径をより大きめに設定して、取り付けボル
ト５とボルト挿通穴３の内壁面との間の隙間Ｓの増大を
図ったり、ナット６とロータ１との間に皿ばね１３を介
在することが研究されているが、ロータ１の径方向の熱
膨張はかなり大きいため、これらの手段では、未だ十分
な成果が得られていない。また、実公平８−５４００号
公報では、ロータ１の裏面１０と車輪８との接触面積を
増大させることでロータ１から車輪８への伝熱量を高め
て、ロータ１の昇温自体を抑えることで、ボルト挿通穴
３の周縁に割れや変形が生じることを抑制する技術が示
されたが、近年の高速車両における走行条件や制動条件
では、ロータ１の昇温を大幅に低減させることは極めて
難しく、やはり、十分な成果を得ることができないのが
現状である。

【００１０】そこで、本発明の目的は上記課題を解消す
ることにあり、取り付けボルトによって車輪に締結され
る鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロー
タであって、昇温によって熱膨張が生じても、ボルト挿
通穴の周縁に割れや変形が生じることがなく、高速の鉄
道車両における苛酷な制動条件にも長期に渡って耐える
ことのできる鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複
合材製ロータを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータは、アルミ基複合材により略円盤状に一
体形成され、内周寄りに貫通形成された複数個のボルト
挿通穴に挿通された取り付けボルトにより鉄道車両の車
輪の側面に締結される鉄道車両用ディスクブレーキのア
ルミ基複合材製ロータであって、ボルト挿通穴がロータ
の中心に向けて開口する切り欠き穴Ｉ形成されたことを
特徴とするものである。

【００１２】また、本発明に係る鉄道車両用ディスクブ
レーキのアルミ基複合材製ロータは、上記目的を達成す
るために、上記の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ
基複合材製ロータにおいて、前記取り付けボルトには、
稼働時の前記ロータの温度上昇による板厚方向の熱膨張
を弾性変形により許容する皿ばねが装備されることを特
徴とするものである。

【００１３】ところで、昇温による熱膨張によってロー
タのボルト挿通穴の周縁に割れや変形が生じる原因の一
つとしては、熱膨張による前記ボルト挿通穴の周縁のロ
ータ外周側への変位が無理に拘束されてしまうことにあ
る。更に詳述すると、ロータの径方向の熱膨張時に、ボ
ルト挿通穴のロータ中心側の一部の内壁面が取り付けボ
ルトによって変位を拘束されて、熱膨張に応じきれなく
なることが要因の一つである。

【００１４】また、それ以前に、例えば、図７に示した
ようにばねワッシャで直接締め付け固定した取り付け構
造の場合は、ロータの板厚方向の熱膨張による取り付け
状態での経時変化で、ロータの表面のばねワッシャの当
たっている部分に陥没が生じ、この陥没部のロータ軸中
心側の半円弧の範囲全体が、ロータの径方向の熱膨張に
伴う変位を規制する引っ掛かりとなり、熱膨張初期の径
方向の変位を拘束してしまうことも、見逃すことのでき
ない重大な要因である。この陥没部の引っ掛かりによ
り、径方向の熱膨張時に発生する応力は、ボルト挿通穴
のロータ中心側の周縁部で急速に上昇して、ボルト挿通
穴のロータ中心側の周縁部に集中荷重として作用してし
まうからである。

【００１５】しかし、以上に説明した本発明の構成で
は、ボルト挿通穴がロータ中心側に開口部を向けた切り
欠き穴とされているので、ロータの板厚方向の熱膨張に
よってワッシャ等が当たっているボルト挿通穴の周縁部
に陥没が生じても、その陥没が径方向の変位を規制する
引っ掛かりとなる範囲は、円形のボルト挿通穴を使用し
ていた従来の場合と比較して圧倒的に小さくなる。しか
も、引っ掛かり作用の一番大きくなるロータ中心側の円
弧部がなくなるため、陥没部の引っ掛かりとしての影響
力は大幅に軽減され、熱膨張の初期におけるロータの径
方向の変位を許容するロータ表面の滑り作用が得やすく
なる。

【００１６】したがって、熱膨張がそれほど進行しない
内に、徐々にボルト挿通穴の周縁部がロータの外周方向
に変位し、径方向の熱膨張によって発生する応力のアン
バランス状態の拡大が防止される。そして、ロータの昇
温量が大きく、ボルト挿通穴の周縁部がロータ外周側に
大きく変位する場合でも、ボルト挿通穴が切り欠き穴
で、ロータ中心側の部分が切除された形態となっている
ため、該ボルト挿通穴の内壁の一部が取り付けボルトに
当たって圧迫されるという不都合が生じない。

【００１７】従って、昇温によって熱膨張が生じてもそ
の熱膨張によるアンバランス状態を吸収することがで
き、ボルト挿通穴の周縁に割れや変形が生じることがな
く、高速の鉄道車両における苛酷な制動条件にも長期に
渡って耐えることができる。

【００１８】また、請求項２に記載のように、取り付け
ボルトには、稼働時の前記ロータの温度上昇による板厚
方向の熱膨張を弾性変形により許容する皿ばねが装備し
た構成としておけば、ロータ表面に、ロータの板厚方向
の熱膨張によって陥没が形成されることを防止、または
抑制することができ、さらに、熱膨張の許容性能を向上
させることが可能になる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図示実施形態により、本発
明を説明する。図１乃至図３は本発明に係る鉄道車両用
ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータの一実施形
態を示したもので、図１は本発明の一実施形態の鉄道車
両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータの要部
の斜視図、図２は図１におけるＡ矢視図、図３は図２の
Ｂ−Ｂ線に沿う断面図である。

【００２０】この一実施形態のアルミ基複合材製ロータ
２０は、高速走行する鉄道車両のディスクブレーキに使
用されるもので、アルミ基複合材により略円盤状に一体
形成されると共に、内周寄りに複数個のボルト挿通穴２
１が貫通形成された構成を成し、前記ボルト挿通穴２１
に挿通された取り付けボルト５と該取り付けボルト５に
螺合するナット６等により、鉄道車両の車輪８の側面に
締結される。本実施態様おいても、車輪８とロータ２０
との配置関係は、従来例を示した図５と同様であり、車
輪８を挟んで２枚のロータ２０が配置される。

【００２１】ここでいうアルミ基複合材は、アルミニウ
ム合金の金属母相にセラミック粒子等の強化粒子を分散
させた複合材料で、セラミックとしては具体的には、Ａ
ｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＳｉＣ等の材料成分を使用する。

【００２２】前記ロータ２０の表面２２は、外周側の一
定範囲が制動用の摺動面となるもので、該摺動面の範囲
は平坦に仕上げられている。また、ロータ２０の裏面２
３は、車輪８の側面に当接される面では、正確には図示
していないが、放熱効果を高めるために、冷却用のフィ
ンをロータ中心から放射状に突設した構造としている。

【００２３】前記ボルト挿通穴２１は、前記取り付けボ
ルト５がロータ２０の中心に向って抜き出し可能となる
ように、開口部をロータ２０の中心に向けた切り欠き穴
として形成されている。また、前記取り付けボルト５に
は、稼働時の前記ロータ２０の温度上昇によるロータの
板厚方向の熱膨張を弾性変形により許容する皿ばね２５
が装備される。この皿ばね２５は、図３にも示すよう
に、２枚の平ワッシャ２６間に挟まれて、ナット６とロ
ータの表面２２との間に装備されている。

【００２４】上述した構成である一実施形態のアルミ基
複合材製ロータ２０では、ボルト挿通穴２１がロータ中
心側に開口部を向けた切り欠き穴とされているので、ロ
ータ２０の板厚方向の熱膨張によってワッシャ等が当た
っているボルト挿通穴２１の周縁部に陥没が生じても、
その陥没が径方向の変位を規制する引っ掛かりとなる範
囲は極めて狭く、しかも、引っ掛かり作用の一番大きく
なるロータ中心側の円弧部がなくなるため、陥没部の引
っ掛かりとしての影響力は大幅に軽減され、熱膨張の初
期におけるロータ２０の径方向の変位を許容するロータ
２０の表面２２の滑り作用が得やすくなる。

【００２５】したがって、熱膨張がそれほど進行しない
内に、徐々にボルト挿通穴２１の周縁部がロータ２０の
外周方向（図３では、矢印（ロ）方向）に変位し、径方
向の熱膨張によって発生する応力のアンバランス状態の
拡大が防止される。そして、ロータ２０の昇温量が大き
く、ボルト挿通穴２１の周縁部がロータ２０外周側に大
きく変位する場合でも、ボルト挿通穴２１が切り欠き穴
でロータ中心側の部分が切除された形態となっているた
め、該ボルト挿通穴２１の内壁の一部が取り付けボルト
５に当たって圧迫されるという不都合が生じない。

【００２６】従って、昇温によって熱膨張が生じてもそ
のアンバランス状態を吸収することができ、ボルト挿通
穴２１の周縁に割れや変形が生じることがなく、高速の
鉄道車両における苛酷な制動条件にも長期に渡って耐え
ることが可能になる。

【００２７】また、この一実施形態の場合は、ナット６
とロータの表面２２との間に装備した皿ばね２５の弾性
変形が、ロータ２０の板厚方向の熱膨張を許容するた
め、ロータ２０の表面２２に、ロータ２０の板厚方向の
熱膨張によって陥没が形成されることを防止、または抑
制することができ、さらに、熱膨張の許容性能を向上さ
せることが可能になる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の鉄道車両用ディスクブレーキの
アルミ基複合材製ロータによれば、ボルト挿通穴がロー
タ中心側に開口部を向けた切り欠き穴とされているの
で、ワッシャ等が当たって発生するボルト挿通穴の周辺
部の陥没が径方向の変位を規制する引っ掛かりとなる範
囲が極めて狭くなり、しかも、引っ掛かり作用の一番大
きくなるロータ中心側の円弧部がなくなるため、ロータ
の径方向の熱膨張変位を許容するためのロータ表面と固
定ボルトのワッシャとの間での滑り作用が得やすくな
る。したがって、昇温によって熱膨張が生じてもその熱
膨張を十分に吸収することができ、ボルト挿通穴の周辺
に割れや変形が生じることがなく、高速の鉄道車両にお
ける苛酷な制動条件にも長期に渡って耐えることが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る鉄道車両用ディスクブレーキのア
ルミ基複合材製ロータの一実施形態の要部の斜視図。

【図２】図１におけるＡ矢視図。

【図３】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

【図４】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータの斜視図。

【図５】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータの車輪に取り付けた状態の断面図。

【図６】鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材
製ロータの熱膨張による変形を示す斜視図。

【図７】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータにおける熱膨張時に発生する問題を示す
断面図。

【図８】従来の対応策を示す断面図。

【符号の説明】

５ 取り付けボルト ６ ナット ８ 車輪 ２０ アルミ基複合材製ロータ ２１ ボルト挿通穴 ２２ 表面 ２５ 皿ばね ２６ 平ワッシャ

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１０月３１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータは、アルミ基複合材により略円盤状に一
体形成され、内周寄りに貫通形成された複数個のボルト
挿通穴に挿通された取り付けボルトにより鉄道車両の車
輪の側面に締結される鉄道車両用ディスクブレーキのア
ルミ基複合材製ロータであって、ボルト挿通穴がロータ
の中心に向けて開口する切り欠き穴に形成されたことを
特徴とするものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】また、本発明に係る鉄道車両用ディスクブ
レーキのアルミ基複合材製ロータは、上記目的を達成す
るために、上記の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ
基複合材製ロータにおいて、前記取り付けボルトには、
制動時の前記ロータの温度上昇による板厚方向の熱膨張
を弾性変形により許容する皿ばねが装備されることを特
徴とするものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】また、請求項２に記載のように、取り付け
ボルトには、制動時の前記ロータの温度上昇による板厚
方向の熱膨張を弾性変形により許容する皿ばねが装備し
た構成としておけば、ロータ表面に、ロータの板厚方向
の熱膨張によって陥没が形成されることを防止、または
抑制することができ、さらに、熱膨張の許容性能を向上
させることが可能になる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】前記ボルト挿通穴２１は、前記取り付けボ
ルト５がロータ２０の中心に向って抜き出し可能となる
ように、開口部をロータ２０の中心に向けた切り欠き穴
として形成されている。また、前記取り付けボルト５に
は、制動時の前記ロータ２０の温度上昇によるロータの
板厚方向の熱膨張を弾性変形により許容する皿ばね２５
が装備される。この皿ばね２５は、図３にも示すよう
に、２枚の平ワッシャ２６間に挟まれて、ナット６とロ
ータの表面２２との間に装備されている。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミ基複合材により略円盤状に一体形
   成され、内周寄りに貫通形成された複数個のボルト挿通
   穴に挿通された取り付けボルトにより鉄道車両の車輪の
   側面に締結される鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ
   基複合材製ロータであって、 前記ボルト挿通穴がロータの中心に向けて開口する切り
   欠き穴に形成されたことを特徴とする鉄道車両用ディス
   クブレーキのアルミ基複合材製ロータ。
2. 【請求項２】 前記取り付けボルトには、制動時の前記
   ロータの温度上昇による板厚方向の熱膨張を弾性変形に
   より許容する皿ばねが装備されたことを特徴とする請求
   項１に記載の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複
   合材製ロータ。