JPH10167067A - 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締結装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 昇温によって熱膨張が生じても、ボルト貫通
孔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亘って耐えるこ
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
材製ロータの締結装置を提供すること。 【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貫通
孔２３に挿通された取り付けボルト２５により鉄道車両
の車輪２８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２１の締結装置におい
て、ボルト貫通孔２３と取り付けボルト２５との間に嵌
装されて、半径方向で弾性変形するとともに、ボルト貫
通孔２３に対して取り付けボルト２５を芯出する筒状部
材３５、４５を設けた構成。。

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の締結装置に関
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５及び図６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
ト貫通孔３が貫通形成された構成を成し、前記ボルト貫
通孔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６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】前記ボルト貫通孔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７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７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８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
貫通孔３の一部（正確には、前記ボルト貫通孔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、ボルト貫通孔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、ボルト貫通孔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９に示すように、ロータの径
方向の熱膨張の対策として予めボルト貫通孔３の穴径を
より大きめに設定し、取り付けボルト５とボルト貫通孔
３との間に隙間Ｓを画成することが行われている。一
方、ロータの径方向の熱膨張の対策として予めボルト貫
通孔３の穴径をより大きめに設定すると、取り付けボル
ト５をボルト貫通孔３に取り付ける際の芯出し、所謂中
心合わせが困難となる。取り付け時に中心のずれが生じ
ると、熱膨張時に取り付けボルト５の外壁面がボルト貫
通孔３の内壁面と当接もしくは圧接してしまい、結果的
には、ボルト貫通孔３の一部の内壁面に集中荷重となっ
て働く圧縮荷重となり、ボルト貫通孔３の周縁に割れや
変形が生じ易いという恐れがあった。したがって、上記
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、ボルト貫通孔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、ボルト貫
通孔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亘って耐える
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
合材製ロータの締結装置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貫通
孔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
基複合材製ロータの締結装置は、ボルト貫通孔と取り付
けボルトとの間に嵌装されて、半径方向で弾性変形する
とともに、該ボルト貫通孔に対して該取り付けボルトを
芯出する筒状部材を、具備することを特徴とするもので
ある。

【００１３】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の締結装置は、上記目
的を達成するために、前記筒状部材に、該取り付けボル
トを嵌挿する嵌挿部と、該ボルト貫通孔の内壁面と当接
して弾性変形を受ける弾性変形部とが備えられている構
成とすることができる。

【００１４】さらに、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締結装置は、上記
目的を達成するために、前記ボルト貫通孔が、前記アル
ミ複合材製ロータに配設された第１ボルト孔と前記鉄道
車両の車輪に配設された第２ボルト孔とからなり、ま
た、前記筒状部材が、該取り付けボルトを嵌挿する嵌挿
部と、前記第１ボルト孔の内壁面と当接して弾性変形を
受ける第１弾性変形部と、前記第２ボルト孔の内壁面と
当接して弾性変形を受ける第２弾性変形部と、からなる
構成とすることができる。

【００１５】ところで、昇温による熱膨張によってロー
タのボルト貫通孔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貫通孔の周縁の変
位が芯ずれしたボルトの存在によって無理に拘束され
て、熱膨張に応じきれなくなることが大きな要因とな
る。

【００１６】これに対し、上述した本発明の構成では、
ボルト貫通孔と取り付けボルトとの間に嵌装されて、半
径方向で弾性変形するとともに、該ボルト貫通孔に対し
て該取り付けボルトを芯出する筒状部材が備えられてい
るので、組み立て時の正確な芯出しができ、また昇温に
よる径方向の熱膨張の変位が生じても筒状部材の弾性変
形により吸収できるので、該ボルト貫通孔の内壁面の一
部が取り付けボルトにより圧迫されるという不都合が生
じない。さらに、本発明の構成では、筒状部材の嵌装に
より前記ボルト貫通孔と取り付けボルトとの間にガタツ
キがないので、鉄道車両の車輪の側面にアルミ基複合材
製ロータをバランス良く取り付けることができる。

【００１７】また、請求項２に記載のように、前記筒状
部材が、該取り付けボルトを嵌挿する嵌挿部と、該ボル
ト貫通孔の内壁面と当接して弾性変形を受ける弾性変形
部とを具備する構成では、熱膨張によるロータの径方向
の変位と車輪の径方向の変位に対して、フレキシブルに
追随することが可能となり、ロータ本体には熱膨張時に
無理な拘束力が作用しない理想的な取り付け状態が得ら
れる。

【００１８】また、請求項３に記載のように、前記ボル
ト貫通孔が、前記アルミ基複合材製ロータに配設された
第１ボルト孔と前記鉄道車両の車輪に配設された第２ボ
ルト孔とからなり、前記筒状部材が、該取り付けボルト
を嵌挿する嵌挿部と、前記第１ボルト孔の内壁面と当接
して弾性変形を受ける第１弾性変形部と、前記第２ボル
ト孔の内壁面と当接して弾性変形を受ける第２弾性変形
部とを、具備する構成では、熱膨張によるロータの径方
向の変位と車輪の径方向の変位に対して、個々にフレキ
シブルに追随することが可能となり、ロータ本体には熱
膨張時に無理な拘束力が作用しない理想的な取り付け状
態が得られる。

【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締結装置
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
ータの締結装置２０を示す要部の断面図、図２は本発明
の上記一実施形態の筒状部材の斜視図である。

【００２０】図１に示した如く、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
の締結装置２０は、ボルト貫通孔２３に挿通された取り
付けボルト２５と、取り付けボルト２５と螺合してロー
タ２１を車軸２８に固定するナット２６と、ボルト貫通
孔２３と取り付けボルト２５との間に嵌装されて、半径
方向で弾性変形するととともに、ボルト貫通孔２３と該
取り付けボルト２５とを芯出する筒状部材３５と、を備
えた構成となっている。なお、図１において、締結装置
２０は、車軸２８の中心線Ｘに対して対称形状としてい
るので、中心線Ｘより上部を詳細に図示し、下部を省略
する。

【００２１】このロータ２１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
第１ボルト貫通孔２３ａが貫通形成された構成を成し、
また、鉄系材料よりなる鉄道車両の車輪２８は、第１ボ
ルト貫通孔２３ａと対応する位置において複数個の第２
ボルト貫通孔２３ｂが貫通形成された構成を成す。該第
１ボルト貫通孔２３ａと第２ボルト貫通孔２３ｂとでボ
ルト貫通孔２３が画成される。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
の強化粒子を分散させた複合材料で、セラミックとして
具体的には、Ａｌ₂ Ｏ ₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ等の材料成
分を使用する。

【００２２】ロータ２１は、挿通孔２３に挿通された取
り付けボルト２５にナット２６を螺合するにより、図１
に示すように、鉄道車両の車輪２８の側面に締結され
る。

【００２３】ロータ２１の表面２９は、外周側の一定範
囲が制動用の摺動面２９ａとなるもので、該摺動面２９
ａの範囲は平坦に仕上げられている。また、ロータ２１
の裏面３０は、車輪２８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３０ａをロータ中
心から放射状に突設した構造としている。

【００２４】第１ボルト貫通孔２３ａ及び第２ボルト貫
通孔２３ｂは、それぞれ取り付けボルト２５の軸径に適
度の余裕を持たせた円形穴として形成されている。ま
た、取り付けボルト２５には、制動時のロータ２１の温
度上昇によるロータ２１の板厚方向の熱膨張を弾性変形
により許容する皿ばね２６ａが装備される。該皿ばね２
６ａは、２枚の平ワッシャ２６ｂに挟まれた状態で、ナ
ット２６とロータ２１の表面２９との間に配設されてい
る。

【００２５】図２に示すように、本発明の上記一実施形
態の筒状部材３５は、２つの第１弾性変形部３７と、軸
方向で２つの第１弾性変形部３７の間に配設される１つ
の第２弾性変形部３８と、軸方向でそれぞれ第１弾性変
形部３７と第２弾性変形部３８との間に配設される取り
付けボルト２５と嵌合する２つの嵌合部３６とを、備え
る。

【００２６】第１弾性変形部３７は、軸方向端部で開口
し且つ周方向で等間隔に分配配設された複数の略Ｕ字状
のスリット３７ｂと、周方向でそれぞれ隣合うスリット
３７ｂ間に設けられる断面片持ち梁形状の膨出部３７ａ
とから構成されている。該膨出部３７ａの最大外径は、
円筒部材３５がボルト貫通孔２３に挿入装着された時
に、第１ボルト貫通孔２３ａの内壁面と当接し弾性変形
するように、第１ボルト貫通孔２３ａの内径よりも僅か
に大きく設定されている。

【００２７】第２弾性変形部３８は、筒状部材３５の軸
方向略中央に位置しており、円筒部材３５がボルト貫通
孔２３に挿入装着された時に、第２ボルト貫通孔２３ｂ
の内壁面と当接して弾性変形を受ける断面両持梁形状の
膨出部３８ａにより構成されている。該膨出部３８ａの
最大外径は、円筒部材３５がボルト貫通孔２３に挿入装
着された時に、第２ボルト貫通孔２３ｂの内壁面と当接
し弾性変形するように、第２ボルト貫通孔２３ｂの内径
よりも僅かに大きく設定されている。また、軸方向で膨
出部３７ａと膨出部３８ａとの間には、それぞれ、嵌合
部３６が配設されており、その最小内径と取り付けボル
ト２５の軸径とが、取り付けボルト２５を筒状部材３５
に挿入したときに、それらが嵌合できるよう、略同一に
設定されている。

【００２８】したがって、円筒部材３５は、嵌合部３６
と取り付けボルト２５との嵌合により取り付けボルト２
５に対して芯出しされるとともに、膨出部３７ａ、３８
ａとボルト貫通孔２３との弾性的な圧接により、取り付
けボルトとボルト貫通孔２３との芯出しを行う。また、
円筒部材３５は、膨出部３８ａを断面両持梁形状とする
ことによって鉄系材の車輪の第２ボルト貫通孔２３ｂと
強く圧接するとともに、膨出部３７ａを断面片持ち梁形
状とすることによりアルミ基複合材のロータ２１の第１
ボルト貫通孔２３ａを弱く圧接するように構成している
ので、制動時に摺動面の摩擦で高温に昇温するロータ２
１の昇温による熱膨張に伴う変位を膨出部３７ａによっ
て拘束することがない。即ち、ローター２１の熱膨張に
伴う半径方向の変位は、膨出部３７ａの弾性変形として
許容することができる。

【００２９】図３乃至図４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締結装置の
他の実施形態を示したもので、図３は本発明の他の実施
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
ロータの締結装置４０を示す要部の断面図、図４は本発
明の上記他の実施形態の筒状部材の斜視図である。な
お、図３乃至図４において、図１乃至図２に示した本発
明の一実施形態と同一の部材もしくは同一機能の部材に
ついては、同一の参照番号を付すことでその説明を省略
する。

【００３０】図３乃至図４に示すように、本発明の上記
他の実施形態の筒状部材４５は、２つの第１弾性変形部
４７と、軸方向で２つの第１弾性変形部４７の間に配設
される１つの第２弾性変形部４８と、軸方向でそれぞれ
第１弾性変形部４７と第２弾性変形部４８との間に配設
される取り付けボルト２５と嵌合する２つの嵌合部４６
とを、備える。なお、図３において、締結装置４０は、
車軸２８の中心線Ｘに対して対称形状としているので、
中心線Ｘより上部を詳細に図示し、下部を省略する。

【００３１】第１弾性変形部４７は、周方向で等間隔に
分配配設された複数の略Ｕ字状の開口部４７ｂと、開口
部４７ｂにより画成される片持ち梁形状で且つ半径方向
に膨出する膨出部４７ａとから構成されている。該膨出
部４７ａの最大外径は、円筒部材４５がボルト貫通孔２
３に挿入装着された時に、第１ボルト貫通孔２３ａの内
壁面と当接し弾性変形するように、第１ボルト貫通孔２
３ａの内径よりも僅かに大きく設定されている。

【００３２】第２弾性変形部４８は、筒状部材３５の軸
方向略中央に位置しており、円筒部材４５がボルト貫通
孔２３に挿入装着された時に、第２ボルト貫通孔２３ｂ
の内壁面と当接して弾性変形を受ける断面両持梁形状の
膨出部４８ａにより構成されている。該膨出部４８ａの
最大外径は、円筒部材３５がボルト貫通孔２３に挿入装
着された時に、第２ボルト貫通孔２３ｂの内壁面と当接
し弾性変形するように、第２ボルト貫通孔２３ｂの内径
よりも僅かに大きく設定されている。また、軸方向で膨
出部４７ａと膨出部４８ａとの間並びに軸方向両端部に
は、４つの嵌合部４６が配設されており、その最小内径
と取り付けボルト２５の軸径とが、取り付けボルト２５
を筒状部材４５に挿入したときに、それらが嵌合できる
よう、略同一に設定されている。筒状部材４５に４つの
嵌合部４６の配設することによって、図１乃至図２に示
した軸方向両端部に嵌合部を持たない図１乃至図２に示
した実施態様の円筒部材３５に比して、半径方向におけ
るガタツキをより効果的に低減することが可能となる。

【００３３】したがって、円筒部材４５は、嵌合部４６
と取り付けボルト２５との嵌合により取り付けボルト２
５に対して芯出しされるとともに、膨出部４７ａ、４８
ａとボルト貫通孔２３との弾性的な圧接により、取り付
けボルト２５とボルト貫通孔２３との芯出しを行う。ま
た、円筒部材４５は、膨出部４８ａが断面両持梁形状と
されることにより鉄系材の車輪の第２ボルト貫通孔２３
ｂと強く圧接するとともに、膨出部４７ａが断面片持ち
梁形状とされることによりアルミ基複合材のロータ２１
の第１ボルト貫通孔２３ａと弱く圧接するように構成し
ているので、制動時に摺動面の摩擦で高温に昇温するロ
ータ２１の昇温による熱膨張に伴う変位を膨出部４７ａ
によって拘束することがない。即ち、ローター２１の熱
膨張に伴う半径方向の変位は、膨出部４７ａの弾性変形
として許容することができる。

【００３４】なお、上述の実施態様において、円筒部材
３５、４５は、すべてのボルト貫通孔に対応して設ける
ことが好ましいが、周方向で少なくとも３か所以上設け
るようにしてもよい。

【００３５】

【発明の効果】鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータの締結装置によれば、ボルト貫通孔と取
り付けボルトとの間に嵌装されて、半径方向で弾性変形
するとともに、該ボルト貫通孔に対して該取り付けボル
トを芯出する筒状部材が備えられているので、組み立て
時の正確な芯出しができ、また昇温による径方向の熱膨
張の変位が生じても筒状部材の弾性変形により吸収でき
るので、該ボルト貫通孔の内壁面の一部が取り付けボル
トにより圧迫されるという不都合が生じない。したがっ
て、ボルト貫通孔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過酷な制動条件にも長期に
亘って耐えることができる。さらに、本発明の構成で
は、筒状部材の嵌装により前記ボルト貫通孔と取り付け
ボルトとの間にガタツキがないので、鉄道車両の車輪の
側面にアルミ基複合材製ロータをバランス良く取り付け
ることができる。したがって、制動トルクの伝達及び鉄
道用レールからの上下振動負荷に対してもガタツキを低
減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のアルミ基複合材製ロータ
の締結装置を示す要部の断面図である。

【図２】本発明の上記一実施形態の筒状部材の斜視図で
ある。

【図３】本発明の他の実施形態のアルミ基複合材製ロー
タの締結装置を示す要部の断面図である。

【図４】本発明の上記他の実施形態の筒状部材の斜視図
である。

【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
複合材製ロータの車輪に取り付けた状態の断面図。

【図７】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８】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９】従来の対応策を示す断面図。

【符号の説明】

２１ ロータ ２３ ボルト貫通孔 ２５ 取り付けボルト ２６ ナット ２６ａ 皿ばね ２６ｂ 平ワッシャ ２８ 車輪 ２９ 表面 ３０ 裏面 ３５、４５ 筒状部材 ３６、４６ 嵌合部 ３７、４７ 第１弾性変形部 ３８、４８ 第２弾性変形部

Claims (3)

【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貫通
   孔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
   基複合材製ロータの締結装置において、 ボルト貫通孔と取り付けボルトとの間に嵌装されて、半
   径方向で弾性変形するとともに、該ボルト貫通孔に対し
   て該取り付けボルトを芯出する筒状部材を、具備するこ
   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
   複合材製ロータの締結装置。
2. 【請求項２】 前記筒状部材が、該取り付けボルトを嵌
   挿する嵌挿部と、該ボルト貫通孔の内壁面と当接して弾
   性変形を受ける弾性変形部と、を具備することを特徴と
   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の締結装置。
3. 【請求項３】 前記ボルト貫通孔が、前記アルミ基複合
   材製ロータに配設された第１ボルト孔と前記鉄道車両の
   車輪に配設された第２ボルト孔とからなり、 前記筒状部材が、該取り付けボルトを嵌挿する嵌挿部
   と、前記第１ボルト孔の内壁面と当接して弾性変形を受
   ける第１弾性変形部と、前記第２ボルト孔の内壁面と当
   接して弾性変形を受ける第２弾性変形部とを、具備する
   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の締結装置。