TWI392609B - Railway vehicles with brake discs - Google Patents

Description

鐵路車輛用煞車盤

本發明係關於將作為滑動面之板部與車輪緊固連結之鐵路車輛用煞車盤，特別是關於可減少因制動中的摩擦熱所產生的煞車盤之變形的鐵路車輛用煞車盤。

以鐵路車輛為代表之陸上運輸車輛之煞車裝置，包含塊狀煞車器、鼓式煞車器、盤式煞車器等。近年來，隨著車輛之高速化、大型化，其中之盤式煞車器的使用增多起來。

盤式煞車器，係藉由煞車盤與煞車襯的摩擦來獲得制動力的裝置。一般而言，盤式煞車器，是朝藉由螺栓安裝於車軸或車輪的環形圓盤狀之煞車盤的滑動面，按壓煞車襯而產生制動力，藉此可制動車軸或車輪旋轉來抑制車輛的速度。

然而，新幹線等之高速鐵路車輛，是朝更高速化發展，而要求以時速超過300km的速度進行運轉。為了謀求鐵路車輛的高速化，必須減輕車輛重量，而將作為滑動面之板部直接與車輪緊固連結之煞車盤是適合的。這種滑動面緊固連結型煞車盤，與以往的內周緊固連結型煞車盤相比，由於不存在單純具備緊固連結作用的部分，故可減輕重量。

以往，滑動面緊固連結型煞車盤，基於減少因制動中的摩擦熱所產生的彎曲等變形之目的，用來與設於被緊固連結構件(車輪等))之凸部嵌合的凹部，是設置在煞車盤的緊固連結面(專利文獻1)。此外，習知的滑動面緊固連結型煞車盤，也有規定緊固連結部與非緊固連結部的合計體積比的情況(專利文獻2)。

在該等習知的滑動面緊固連結型煞車盤，於時速超過300km之高速行進狀態下，以往並未考慮之噪音變大的問題就浮現出來。

煞車盤是與車輪一起高速旋轉。藉由該旋轉將煞車盤周邊的空氣由內周側吸入，再朝外周側放出。因此煞車盤的背面側會產生高速的氣流。

該氣流，雖能發揮冷卻煞車盤的重要作用，但在時速超過300km之速度範圍，除了將煞車盤冷卻以外，伴隨高速氣流會產生噪音。伴隨該高速氣流而產生的噪音被稱為「氣流噪音」。

為了減低該氣流噪音，將煞車盤的板部背面以及設於板部背面的翼片部，與車輪的板部之間的氣流予以抑制是有效的。

辭申請人如圖10所示提出一種煞車盤1，是在構成煞車盤1的板部1a的背面以及翼片部1b，與車輪2的板部2a之間所形成的空間，設有於圓周方向連續的肋部1c，來儘量縮小開口面積於圓周方向的總和(專利文獻3)。圖10中符號「1d」表示：藉由設置肋部1c所形成的肋部1c的前端與車輪2的板部2a之間隙；符號「2b」表示車輪2的輪圈部，符號「2c」表示車輪2的輪轂部，符號「3a」表示煞車盤1的緊固連結用螺栓，符號「3b」表示煞車盤1的緊固連結用螺帽。

[專利文獻1]日本特開2001-311441號公報

[專利文獻2]日本特開2005-321091號公報

[專利文獻3]日本特開2007-205428號公報

然而在上述專利文獻3所提出的煞車盤，按照煞車盤的板部背面及翼片部，與車輪的板部之間所形成的空間內設置的肋部形狀，會有因制動中的摩擦熱而產生的煞車盤變形的情況。

本發明的目的為提供一種滑動面緊固連結型之鐵路車輛用煞車盤，在煞車盤的板部背面及翼片部，與車輪的板部之間所形成的空間設置肋部的情況，可減少因制動中的摩擦熱所產生的煞車盤變形。

如上述專利文獻3所揭示，為減低氣流噪音，將煞車盤的背面側所形成的開口面積總和減少是有效的。本發明人等根據上述見解，進一步以裝設有滑動面緊固連結型煞車盤之車輪為對象，想定時速超過300km的高速行走狀態而反覆進行許多實驗與解析。

結果確認出：煞車盤的板部背面及翼片部與車輪的板部之間所形成的空間內設置的肋部形狀，只要開口面積的總和相同，就不會影響氣流噪音的減低效果。而且發現到，藉由適當的規定該肋部形狀，可減低因摩擦熱所產生的煞車盤之變形。

圖3為本發明人等所進行的實驗與解析的結果之一例，其表示：藉由設置肋部而在空間所形成的開口面積之總和，與實驗所獲得的氣流噪音強度之關係，以及解析所獲得的通氣量之關係。

所謂開口面積，意指在煞車盤與車輪緊固連結的狀態下，將煞車盤的板部背面、形成於背面側的翼片部、以及肋部，與車輪的板部所形成的空間，由煞車盤的內周側觀察的情況之開口面積；所謂開口面積之總和，意指在各空間內的開口面積分別於圓周方向相加的總和。

由圖3可知，開口面積之總和越小越能減低氣流噪音，亦即依開口面積之總和10000mm² 以下、7000mm² 以下、5000mm² 以下的順序氣流噪音越來越低，但開口面積之總和為3000mm² 以下時氣流噪音的減低量幾乎不變。再者，開口面積之總和越小，與氣流噪音的減低量相同地，通氣量也會變小。由此結果可知，根據流體解析來計算通氣量即可評價氣流噪音的減低量。

附帶一提的，圖3所示的結果，係使用圖4所示的轉動音試驗機，將裝有後述的圖1所示的煞車盤1的車輪2(車輪直徑：860mm)設置在該轉動音試驗機上進行試驗的結果。

轉動音試驗機如圖4所示，係由軸承4旋轉自如地支承試驗對象的車輪2，而將該車輪2以油壓千斤頂5按壓至軌條輪6後，藉由馬達7使軌條輪6旋轉，藉此使車輪2旋轉。

於該轉動音試驗機，速度係以軌條輪6的周速表現，由馬達7的旋轉數與軌條輪6的直徑(本實施例係910mm)來求得，馬達7的旋轉數大致1750rpm時周速為300km/h。

在測定時，在距離車輪2之300mm的位置設置精密噪音計8，在車輪2的旋轉中測定由車輪2產生的噪音。此外，精密噪音計8的校正設定為FLAT(未施加聽感校正的狀態)，動態特性設定為FAST。此外，從附有煞車盤的車輪之噪音強度，扣除完全將開口塞住時的噪音強度，而將扣除後的數據當作氣流噪音強度。

試驗速度，係將軌條輪6的周速以10km/h間隔設定在200km/h~360km/h之間。藉由精密噪音計8測定後，用頻率分析器9經由高速傅立葉轉換進行頻率分析，施加A特性校正(參照圖5)後，進行1/3倍頻帶處理，評價頻率特性以及總值。

本發明的鐵路車輛用煞車盤，係基於上述見解開發完成的，是滑動面緊固連結型之鐵路車輛用煞車盤，為了抑制因摩擦熱所產生的煞車盤之變形，而具備有：以表面側作為滑動面之環形圓盤狀之板部、於該板部之背面放射狀地突出設置之複數個翼片部，且前述板部是緊固連結於車輪；該鐵路車輛用煞車盤的特徵在於：於相鄰之前述翼片部之間設有肋部，於該肋部之圓周方向的中間部，設有由該肋部之車輪側端部朝向前述板部之背面方向之狹縫。

依據本發明，煞車盤的背面側所形成的肋部之圓周方向的中間部，設有由該肋部之車輪側端部朝向前述板部之背面方向之狹縫，因此即使是在滑動面緊固連結型煞車盤，也能有效地抑制因摩擦熱所產生的變形。

以下利用圖1及圖2來說明本發明的鐵路車輛用煞車盤的實施形態。

圖1及圖2係顯示：利用緊固連結用螺栓3a與緊固連結用螺帽3b安裝在車輪2的板部2a之本發明的鐵路車輛用煞車盤1的主要部位。如圖1及圖2所示，煞車盤1具備有以表面側作為滑動面之環形圓盤狀之板部1a。在該板部1a之背面，放射狀地突出設置有複數個翼片部1b。一對的煞車盤1將車輪2的板部2a挾入，在翼片部1b的前端與車輪2的板部2a接觸的狀態下，利用緊固連結用螺栓3a與緊固連結用螺帽3b將板部1a緊固連結於車輪2上。藉此形成：被煞車盤1的板部1a之背面以及形成於該背面之複數個翼片部1b，與車輪2的板部2a所包圍之梯形的空間。

本發明的煞車盤1，係在相鄰的翼片部1b之間，在由煞車盤1的板部1a之背面與車輪2的板部2a所形成的空間，沿圓周方向突設梯形的肋部1c。圖1及圖2所示之肋部1c係配置於煞車盤1之半徑方向的中間位置。

在該肋部1c之圓周方向的中間部，設有由該肋部1c之車輪2側端部朝向前述板部1a之背面方向之梯形的狹縫1d。藉由設置狹縫1d，能抑制因摩擦熱而在煞車盤1產生的變形。

根據本發明人等的實驗及解析的結果，在煞車盤1與車輪2緊固連結的狀態下，對於煞車盤1的板部1a、翼片部1b以及肋部1c，與車輪2的板部2a之間所形成的空間，由煞車盤1的內周側觀察的情況之開的面積，亦即，如圖1(c)及圖2(c)所示，將肋部1c沿圓周方向縱剖之截面中，形成開口的狹縫1d面積，較佳為使各狹縫1d的面積總和為7000mm² 以下。

其理由為如圖6所示，在以時速360km行走時進行1/3倍頻帶處理的中心頻率與噪音強度的關係，狹縫1d之開口面積總和為7000mm² 的情況，可顯著減低中心頻率為800Hz~1250Hz的頻帶之氣流噪音。

為了確認噪音的減低效果，在下述表1所示的每個實施例，藉由流體解析來評價流過煞車盤1的背面的空氣通氣量，該通氣量，是假想以時速360km行走，以根據車輪2的直徑(860mm)求得的旋轉數2220rpm使車輪2旋轉時的情況。再者，以相當於從行走速度360km/h的狀態緊急煞車3次的條件來實施有限元素分析，藉此評價煞車盤1的變形量。

對象煞車盤是新幹線用的鍛鋼盤，其內徑444mm、外徑720mm、自滑動面至車輪接觸部的長度為47.5mm。此外，煞車盤具有：中心配置於直徑為580mm的圓周上之12個螺栓緊固連結孔，藉由12根螺栓沿周方向等間隔地進行緊固連結。

為進行比較，未設置肋部的煞車盤(比較例1)，以及於肋部的圓周方向中間部未設置狹縫的前述圖10所示形狀的煞車盤(比較例2)，也進行了流體解析及有限元素分析。確認了具有圖1或圖2所示形狀的肋部之本發明的實施例1~7的效果。

圖7係表示：利用前述流體解析手法所導出的設於肋部之狹縫的深度比((在狹縫1d之從肋部1c的車輪側端部朝向板部1a之背面方向之深度L1)/(從肋部1c之車輪側端部至板部1a之背面的高度L2))與通氣量之關係的圖。

由該圖7可知，狹縫之開口面積總和相同之實施例1~5，與設於肋部之狹縫的深度比(L1/L2)無關而具有大致一定的通氣量。如前述圖3所示，通氣量與與氣流噪音的減低量有明確的對應關係，因此根據圖7所示之關係，很明顯地氣流噪音的強度也大致一樣。

圖8係表示利用有限元素分析所導出的煞車盤的變形量的評價結果。由該圖8可知，在設置肋部的情況，即使開口面積總和相同，在肋部之中間部設置由該肋部之車輪側端部朝向板部之背面的方向的狹縫之實施例1~5，比起比較例2具有較小的煞車盤的變形。

此外，開口面積總和相同的情況，設於肋部之狹縫的深度比(L1/L2)為1的實施例5，比前述深度比(L1/L2)為0.5以下的實施例1~4，煞車盤的變形量特別小。如此可知，在本發明之情況，較佳為將狹縫的深度L1設定為肋部整體高度L2的1/2以上。此外，更佳為將狹縫的深度L1設定為肋部整體高度L2的0.8倍以上。

再者，由實施例6與實施例7的結果可知，即使狹縫之開口面積總和相異，藉由在肋部之中間部設置由該肋部之車輪側端部朝向板部之背面的方向之狹縫，仍能縮小煞車盤的變形。

另外，如前述圖3所示，開口面積之總和為3000mm² 以下的話，氣流噪音幾乎不變，因此圖7及圖8的解析，主要是以最小截面積為3000mm² 的方式改變肋部的形狀來進行評價。

煞車盤的變形量，即使如實施例6、7所示增加開口面積總和，仍能與實施例1~5同樣地抑制成比比較例2更低。亦即可知，即使按照目標的氣流噪音的減低量來改變開口面積之總和，仍可同樣地抑制變形量。

但是，在高速鐵路車輛，除了在行走中產生的氣流噪音以外，在制動時因煞車盤與煞車襯的摩擦所產生的煞車叫聲也是一大問題。這種煞車叫聲是起因於：伴隨煞車時的摩擦，而在煞車盤產生之稱為自激振動的不穩定振動。

於是，除了上述解析以外，製作相當於各種改變狹縫深度比(L1/L2)之煞車盤的解析模式，再利用有限元素分析來進行各解析模式的振動模式解析，以對煞器車聲進行評價。在評價時，以相對於未設置肋部的解析模式所產生的自激振動的減衰比之比率，來表示在各解析模式所產生的自激振動的減衰比，將該比率(叫聲指數)作為指標來進行評價，該叫聲指數越小，代表越能抑制煞車叫聲。

圖9係表示煞車盤的煞車叫聲的評價結果。由該圖所示的結果可知，不管有無狹縫，藉由設置肋部即能抑制煞車叫聲。再者得知，在設於肋部的狹縫之深度比(L1/L2)為0.8~1的範圍，比起未在肋部設置狹縫時(L1/L2=0)更能抑制煞車叫聲。

如此可知，為了抑制因摩擦熱所產生的煞車盤的變形並抑制煞車叫聲，較佳為將狹縫的深度L1設定為肋部整體高度L2的0.8倍以上。

本發明不限上述之例，只要是在各請求項所記載的技術思想的範圍內，即可適當變更實施形態，這是無庸贅言的。

例如在圖1及圖2所示的例子，雖是將肋部1c設於煞車盤1之半徑方向的大致中央位置，但如前述專利文獻3所揭示，半徑方向上設置肋部的位置不致影響氣流噪音的減低，且煞車盤之變形量的影響也很小。因此在本發明中，半徑方向上設置肋部的位置，與圖1及圖2所示的位置不同，而設置在比半徑方向的中央更內周側或更外周側的位置亦可。

此外，在圖1及圖2所示的例子，肋部1c之前端，雖在狹縫1d以外部與車輪2接觸，但不一定要使狹縫1d以外的全部都與車輪2接觸。肋部1c之前端未與車輪2接觸而在該部分有縫隙的情況，只要規定開口面積之總和是包含該縫隙即可。

再者，在圖1及圖2所示的例子，設於肋部1c的圓周方向中間部的梯形狹縫1d，非平行的對邊雖是與肋部1c的該對邊平行，但不是平行亦可。此外，狹縫1d不限梯形，例如亦可為矩形。

本發明不限鐵路車輛用之煞車盤，也可適用為汽車、機車等之煞車盤。

1．．．煞車盤

1a．．．板部

1b．．．翼片部

1c．．．肋部

1d．．．狹縫

2．．．車輪

2a．．．板部

2b．．．輪圈部

2c．．．輪轂部

3a．．．緊固連結用螺栓

3b．．．緊固連結用螺帽

圖1係表示設於肋部之狹縫的深度比(L1/L2)為1的情況之本發明的鐵路車輛用煞車盤的主要部位，圖1(a)為1/4圓部分的俯視圖，圖1(b)為半圓部分的截面圖，圖1(c)為圖1(a)的A-A截面圖。

圖2係表示設於肋部之狹縫的深度比(L1/L2)為1以下的情況之本發明的鐵路車輛用煞車盤的主要部位，圖2(a)為1/4圓部分的俯視圖，圖2(b)為半圓部分的截面圖，圖2(c)為圖2(a)的A-A截面圖。

圖3係表示形成於空間的開口面積之總和，與實驗所得之氣流噪音強度的關係，以及與解析所得的通氣量之關係。

圖4係說明轉動音試驗機之概要圖。

圖5係表示A特性校正曲線。

圖6係表示以時速360km走行時的中心頻率與噪音強度的關係。

圖7係表示利用流體解析手法所導出的設於肋部之狹縫的深度比(L1/L2)與通氣量之關係。

圖8係表示利用有限元素分析所導出的煞車盤的變形量的評價結果。

圖9係表示煞車盤的煞車叫聲的評價結果。

圖10係表示專利文獻3所揭示的鐵路車輛用煞車盤，圖10(a)係1/4圓部分的俯視圖，圖10(b)為半圓部分的截面圖，圖10(c)為圖10(a)的A-A截面圖。

L1．．．在狹縫1d之從肋部1c之車輪側端部朝向板部1a之背面方向之深度

L2．．．從肋部1c之車輪側端部至板部1a之背面的高度

1．．．煞車盤

2．．．車輪

1a．．．板部

1b．．．翼片部

1c．．．肋部

1d．．．狹縫

2a．．．板部

2b．．．輪圈部

2c．．．輪轂部

3a．．．緊固連結用螺栓

3b．．．緊固連結用螺帽

Claims (3)

1. 一種鐵路車輛用煞車盤，係具備：以表面側作為滑動面之環形圓盤狀之板部、在該板部之背面放射狀地突出設置之複數個翼片部，且前述板部是緊固連結於車輪；該鐵路車輛用煞車盤之特徵為：在相鄰之前述翼片部之間沿著圓周方向設有肋部，於該肋部之圓周方向的中間部，設有由該肋部之車輪側端部朝向前述板部之背面方向之狹縫。
2. 如申請專利範圍第1項之鐵路車輛用煞車盤，其中，在前述狹縫之從前述肋部之車輪側端部朝向前述板部之背面方向之深度L1，與從前述肋部之車輪側端部至前述板部之背面的高度L2之比(L1/L2)為0.5~1。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之鐵路車輛用煞車盤，其中，在與車輪緊固連結之狀態下，在將前述肋部沿圓周方向縱剖之截面上，前述狹縫所形成的開口面積之總和為7000mm² 以下。