JPH10129481A - 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】 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２１に挿通された取り付けボルト５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２０が、各ボルト挿通穴２１に
対応したボルト挿通穴２３が形成されると共に、ロータ
２０の両面に介在して取り付けボルト５の締付応力を受
けるリング状のスペーサー２５を備える。更に、スペー
サー２５の少なくともロータ２０と接する面に滑剤が設
けられる。

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３及び図４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４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５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５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６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、このような問題に対抗す
る手段として、図７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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【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アルミ基複合材製ロータであっ
て、前記ロータの各ボルト挿通穴に対応したボルト挿通
穴が形成されていると共に、前記ロータの両面に介在し
て前記取り付けボルトの締付応力を受けるリング状のス
ペーサーを備え、前記スペーサーの少なくとも前記ロー
タと接する面に滑剤を設けた構成としている。

【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
ルトに当たって変位を拘束されて、熱膨張に応じきれな
くなることが大きな要因となる。

【００１４】また、それ以前に、例えば、図６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】ここにおいて、以上に説明した本発明の構
成では、アルミ基複合材製のロータ本体は、該ロータ本
体の取り付けボルト用の貫通穴部に重ねられるスペーサ
ーを介して、取り付けボルトとナットによる締め付け力
を受ける構造とされている。取り付けボルト及びナット
による締め付け力がロータ本体に作用する面積がスペー
サーのために大幅に増大され、単位面積当たりの締め付
け力は低くなる。従って、例え、取り付けボルト及びナ
ットによる締め付け力がロータ本体の板厚方向の熱膨張
によって増大しても、スペーサーとロータ本体との接触
面積全体に分散されるため、ロータ本体の径方向の熱膨
張に伴う変位を規制するような取り付けボルト用の貫通
穴回りの陥没が発生しにくく、熱膨張時の取り付けボル
トとの干渉を防止するという、取り付けボルト用の貫通
穴に備えられた遊びに求められる効果を十分に発揮する
ことができる。

【００１６】また、スペーサーとロータ本体との間に滑
剤を与えることによって、滑り性が高められているた
め、径方向の熱膨張によって外周側に向う引張応力がロ
ータ本体の内周部に生じた時に、ロータ本体の内周部は
スペーサーに対して外周方向に相対変位し易い。従っ
て、ロータ本体のボルト挿通穴の周縁部は、熱膨張時に
作用する外周方向の引っ張り応力に応じて比較的容易に
外周側に変位可能で、昇温によってロータ本体に径方向
の熱膨張が生じてもその熱膨張を許容することが可能に
なり、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可能になる。

【００１７】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。

【００１８】

【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及び図２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のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【００１９】この実施形態のアルミ基複合材製ロータ２
０は、高速運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、内周寄りの所定のピッチ円上に複数個
のボルト挿通穴２１が貫通形成された構成を成すアルミ
基複合材製のロータ本体２２と、該ロータ本体２２の内
周部に重ねられるドーナツ円盤状を成すと共にロータ本
体２２上のボルト挿通穴２１に対応してボルト挿通穴２
３が貫通形成された構成をなして少なくとも片面に滑剤
を塗布した状態でロータ本体２２の両面に積層装備され
るスペーサー２５とを具備した構成とされている。

【００２０】ロータ本体２２は、図２に示すように、積
層状態のロータ本体２２及びスペーサー２５のボルト挿
通穴２１に挿通させた取り付けボルト５と該取り付けボ
ルト５に螺合するナット６により、一対のスペーサー２
５で挟持された状態で鉄道車両の車輪８の両側面に締結
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、具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，
ＳｉＣ等の材料成分を所定の比率で均等に混合させた副
材料で、比重が約２．８程度に設定されたものである。

【００２２】ロータ本体２２の表面２７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、ロータ本体２２の裏
面は、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、図示はしていないが、摺動面と対向する部位
には、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】スペーサー２５は、ステンレス等の金属板
によって形成されることが好ましい。そして、このスペ
ーサー２５の表面に塗布される潤滑剤は、耐熱性の高い
潤滑膜を形成できるもので、例えば、二硫化モリブデン
や、シリコン、あるいはテフロン等が利用される。

【００２４】ボルト挿通穴２１は取り付けボルト５の軸
部の径よりも余裕を持たせた円形穴又は周方向の長穴
で、取り付けボルト５に対する余裕分は、温度上昇によ
るロータの熱膨張時の取り付けボルト５に対する変位量
を考慮して設定されている。また、取り付けボルト５に
は、図２に示すように、稼働時のロータ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２８が装備される。この皿ばね２８は、図示
のように、２枚の平ワッシャ２９間に挟まれて、ナット
６とスペーサー２５との間、および取り付けボルト５の
頭部とスペーサー２５との間に装備されている。

【００２５】この実施形態のアルミ基複合材製ロータ２
０では、アルミ基複合材製のロータ本体２２は、該ロー
タ本体２２の内周部に重ねられるスペーサー２５を介し
て、取り付けボルト５とナット６による締め付け力を受
ける構造とされていて、取り付けボルト５及びナット６
による締め付け力は、ロータ本体２２の板厚方向の熱膨
張によって増大するが、締め付けに関与する接触面がス
ペーサー２５のために大幅に増大されていて、スペーサ
ー２５とロータ本体２２との接触面積全体に分散される
ため、ロータ本体２２の径方向の熱膨張に伴う変位を規
制する陥没がロータ本体２２に発生しにくく、取り付け
ボルト５の軸部の径に対してのボルト挿通穴２１に持た
せた余裕を十分に利用することができる。

【００２６】しかも、スペーサー２５とロータ本体２２
との間は、滑剤によって滑り性が高められているため、
径方向の熱膨張によって外周側に向う引張応力がロータ
本体２２の内周部に生じた時に、ロータ本体２２の内周
部はスペーサー２５に対して外周方向に相対変位し易
い。

【００２７】従って、ロータ本体２２のボルト挿通穴２
１の周縁部は、熱膨張時に作用する外周方向の引っ張り
応力に応じて比較的容易に外周側に変位可能で、昇温に
よってロータ本体２２に径方向の熱膨張が生じてもその
熱膨張を許容することが可能になり、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。

【００２８】また、この一実施形態の場合は、ロータ本
体２２の表面に積層されているスペーサー２５とナット
６との間、及びスペーサー２５と取り付けボルト５の頭
部との間には皿ばね２８が装備され、この皿ばね２８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２７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。

【００２９】

【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、締め付けに関与する
接触面がスペーサーのために大幅に増大されていて、ス
ペーサーとロータ本体との接触面積全体に分散されるた
め、ロータ本体の径方向の熱膨張に伴う変位を規制する
陥没がロータ本体に発生しにくい。しかも、スペーサー
とロータ本体との間に滑剤を備えることで滑り性が高め
られているため、径方向の熱膨張によって外周側に向う
引張応力がロータ本体の内周部に生じた時に、ロータ本
体の内周部はスペーサーに対して外周方向に相対変位し
易い。従って、ロータ本体のボルト挿通穴の周縁部は、
熱膨張時に作用する外周方向の引っ張り応力に応じて比
較的容易に外周側に変位可能で、昇温によってロータ本
体に径方向の熱膨張が生じてもその熱膨張を許容するこ
とが可能になり、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−Ａ線に沿う断面図。

【図３】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
複合材製ロータの車輪に取り付けた状態の断面図。

【図５】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６】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７】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 ２１，２３ ボルト挿通穴 ２２ ロータ本体 ２５ スペーサー ２８ 皿ばね ２９ 平ワッシャ

Claims (1)

【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（２１）に挿通された取り付けボルト（５）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（２０）であって、 前記ロータ（２０）の各ボルト挿通穴（２１）に対応し
   たボルト挿通穴（２３）が形成されていると共に、前記
   ロータ（２０）の両面に介在して前記取り付けボルト
   （５）の締付応力を受けるリング状のスペーサー（２
   ５）を備え、 前記スペーサー（２５）の少なくとも前記ロータ（２
   ０）と接する面に滑剤を設けたことを特徴とした鉄道車
   両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ。