WO2022239247A1 - 鉄道車両用ディスクブレーキ装置 - Google Patents

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WO2022239247A1
WO2022239247A1 PCT/JP2021/018490 JP2021018490W WO2022239247A1 WO 2022239247 A1 WO2022239247 A1 WO 2022239247A1 JP 2021018490 W JP2021018490 W JP 2021018490W WO 2022239247 A1 WO2022239247 A1 WO 2022239247A1
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WO
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hole
disc
fastening
control member
fins
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PCT/JP2021/018490
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隆裕 藤本
由衣子 塩谷
孝憲 加藤
裕 野上
雄基 市川
成央 宮部
Original Assignee
日本製鉄株式会社
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    • B60BVEHICLE WHEELS; CASTORS; AXLES FOR WHEELS OR CASTORS; INCREASING WHEEL ADHESION
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16D65/0006Noise or vibration control

Definitions

  • the present disclosure relates to a disc brake device for rail vehicles.
  • a disc brake device is widely used as a braking device for railway vehicles.
  • a disc brake device includes an annular brake disc and a brake lining.
  • the brake disc is, for example, fastened to the wheel and rotates with the wheel.
  • a brake lining is pressed against the brake disc. The friction between the brake lining and the brake disc brakes the brake disc and the wheel.
  • the brake discs of disc brake devices used in railway vehicles are required to have sufficient cooling performance from the perspective of ensuring their durability.
  • a plurality of fins are generally radially formed on the rear surface of the brake disc. Each fin contacts the wheel and forms an air passage between the underside of the brake disc and the wheel. The air passage allows air to pass from the inner peripheral side of the brake disc to the outer peripheral side thereof when the brake disc rotates together with the wheel. The air flowing through the air passage cools the brake disc.
  • Patent Literature 1 discloses a disc brake device in which fins adjacent to each other in the circumferential direction are connected by a connecting portion.
  • the connecting portion forms a portion with the smallest cross-sectional area in each of the air passages between the fins. According to Patent Document 1, by setting the sum of the minimum cross-sectional areas of the air passages to 18000 mm 2 or less, aerodynamic noise during high-speed running can be reduced.
  • the connecting portion for reducing aerodynamic noise is integrally formed with the disc body and fins of the brake disc. Therefore, the rigidity of the portion of the brake disc near the connecting portion is greater than that of the other portions. Therefore, when the brake lining slides against the brake disc during braking and frictional heat is generated, the portion near the connecting portion is less likely to be thermally deformed than other portions, and the brake disc is warped. As a result, the load on the fastening member that fastens the brake disc to the wheel increases.
  • Patent Document 2 proposes a technique in which an aerodynamic noise reduction member (control member) separate from the brake disc is provided in the disc brake device. According to Patent Document 2, by blocking a portion of the air passage with a protrusion provided on the control member, air flow in the air passage is suppressed and aerodynamic noise generated during running of the railway vehicle is reduced. be able to. Also, since the brake disc and the control member are separate parts, the protrusion of the control member does not affect the rigidity of the brake disc.
  • the control member is arranged between a rotating member such as a wheel and the brake disc, and is fastened to the rotating member together with the brake disc by a fastening member.
  • a shaft portion of the fastening member extends from the brake disc to the rotating member through a through hole provided in the control member.
  • control member since the control member is away from the sliding portion between the brake disc and the brake lining, it hardly deforms due to heat. Therefore, when the brake disc thermally expands and the fastening member moves accordingly, the shaft portion of the fastening member may interfere with the peripheral edge of the through hole of the control member, and an excessive load may be applied to the control member.
  • An object of the present disclosure is to reduce the load on the control member in a railway vehicle disc brake device provided with a control member for controlling the amount of ventilation in the ventilation path.
  • the disc brake device is a disc brake device for railway vehicles.
  • a disc brake device includes a rotating member, a brake disc, a control member, and a fastening member.
  • the rotating member is attached to the axle of the railway vehicle.
  • the brake disc includes an annular disc body and a plurality of fins.
  • the disk body has a back surface facing the rotating member.
  • the fins are radially arranged on the back surface.
  • the control member includes a base plate and a protrusion.
  • a base plate is sandwiched between the rotating member and the fins.
  • the protrusion protrudes from the base plate toward the disc body and is positioned between adjacent fins of the fins in the circumferential direction of the brake disc.
  • a control member controls the amount of airflow between adjacent fins.
  • a fastening member fastens the brake disc and the control member to the rotating member.
  • At least one of the fins has a first fastening hole.
  • the first fastening hole includes a large diameter portion and a small diameter portion.
  • the head portion of the fastening member is arranged in the large diameter portion.
  • the small diameter portion has a smaller diameter than the diameter of the large diameter portion.
  • the shaft portion of the fastening member is inserted through the small diameter portion.
  • the base plate has through holes.
  • a through hole is provided in the base plate corresponding to the first fastening hole.
  • the shaft portion of the fastening member is inserted through the through hole.
  • the peripheral edge of the through hole is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the small diameter portion of the first fastening hole.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a railroad vehicle disc brake device according to an embodiment.
  • 2 is a rear view of a brake disc and a control member included in the disc brake device shown in FIG. 1.
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view along III-III in FIG. 4 is a partially enlarged view of the disc brake device shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a graph of radial position versus axial displacement during braking for an exemplary control member.
  • FIG. 6 is a graph of radial position versus axial displacement during braking for another embodiment of a control member.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the control member of the analysis model used in each example.
  • the disc brake device is a disc brake device for railway vehicles.
  • a disc brake device includes a rotating member, a brake disc, a control member, and a fastening member.
  • the rotating member is attached to the axle of the railway vehicle.
  • the brake disc includes an annular disc body and a plurality of fins.
  • the disk body has a back surface facing the rotating member.
  • the fins are radially arranged on the back surface.
  • the control member includes a base plate and a protrusion.
  • a base plate is sandwiched between the rotating member and the fins.
  • the protrusion protrudes from the base plate toward the disc body and is positioned between adjacent fins of the fins in the circumferential direction of the brake disc.
  • a control member controls the amount of airflow between adjacent fins.
  • a fastening member fastens the brake disc and the control member to the rotating member.
  • At least one of the fins has a first fastening hole.
  • the first fastening hole includes a large diameter portion and a small diameter portion.
  • the head portion of the fastening member is arranged in the large diameter portion.
  • the small diameter portion has a smaller diameter than the diameter of the large diameter portion.
  • the shaft portion of the fastening member is inserted through the small diameter portion.
  • the base plate has through holes.
  • a through hole is provided in the base plate corresponding to the first fastening hole.
  • the shaft portion of the fastening member is inserted through the through hole.
  • the peripheral edge of the through hole is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the small diameter portion of the first fastening hole (first configuration).
  • the control member can control the amount of ventilation between the fins adjacent in the circumferential direction on the back surface of the disc body of the brake disc. That is, in the disc brake device described above, since the protrusion of the control member is positioned between the adjacent fins, the opening area of the air passage formed by these fins together with the disc body and rotating member is partially reduced. As a result, it is possible to limit the amount of ventilation in the ventilation passage, and to reduce the aerodynamic noise that occurs when the railway vehicle is running.
  • At least one of the fins provided on the brake disc has a first fastening hole.
  • the first fastening hole includes a small diameter portion through which the shaft portion of the fastening member is inserted.
  • the base plate of the control member is formed with a through hole through which the shaft portion of the fastening member is inserted.
  • the peripheral edge of this through hole is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the small diameter portion of the first fastening hole. That is, the peripheral edge of the through hole of the control member is located farther from the shaft portion of the fastening member than the peripheral edge of the small diameter portion of the first fastening hole of the brake disc.
  • the rotating member can have a second fastening hole.
  • the second fastening hole is provided in the rotary member corresponding to the first fastening hole of the brake disc and the through hole of the control member.
  • the shaft portion of the fastening member is inserted through the second fastening hole. It is preferable that the peripheral edge of the through hole is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the second fastening hole (second configuration).
  • the peripheral edge of the through hole formed in the base plate of the control member is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the second fastening hole formed in the rotating member.
  • the portion of the base plate of the control member near the through hole is sandwiched between the rotating member and the fins. Therefore, in the base plate of the control member, it is possible to suppress the portion near the through hole from falling into the second fastening hole of the rotary member due to the axial load from the head portion of the fastening member. That is, the axial displacement of the control member can be reduced.
  • the distance between the peripheral edge of the through hole and the peripheral edge of the second fastening hole is preferably greater than 2.0 mm (third configuration).
  • the peripheral edge of the through hole of the control member is more than 2.0 mm away from the peripheral edge of the second fastening hole of the rotating member.
  • the width of the through-hole in the circumferential direction of the brake disc is preferably smaller than the maximum width of the top surface of the fin having the first fastening hole (fourth configuration).
  • the width of the through-hole formed in the base plate of the control member is smaller than the maximum width of the top surface of the fin. As a result, it is possible to prevent the fins from being deformed into the through holes of the control member.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a railroad vehicle disc brake device 100 according to the present embodiment.
  • a longitudinal section refers to a section obtained by cutting the disc brake device 100 along a plane including the central axis X.
  • the central axis X is the axis of the axle 200 of the railway vehicle.
  • the direction in which the central axis X extends will be referred to as the axial direction.
  • the disc brake device 100 includes a rotating member 10, a brake disc 20, a control member 30, and a fastening member 40.
  • the rotating member 10 is attached to the axle 200 and rotates around the central axis X integrally with the axle 200 .
  • the rotating member 10 is a railroad vehicle wheel and has a plate portion 11 .
  • the rotating member 10 may be a disk body other than a wheel.
  • the rotating member 10 has a fastening hole 12 through which the fastening member 40 is passed.
  • the fastening hole 12 axially penetrates the rotary member 10 .
  • the brake discs 20 are provided on both sides of the disc-shaped rotary member 10 .
  • a control member 30 is arranged between the rotating member 10 and each brake disc 20 .
  • These brake disc 20 and control member 30 are fastened to the plate portion 11 of the rotary member 10 by fastening members 40 .
  • the fastening member 40 is typically composed of bolts and nuts.
  • a brake lining 50 is provided on the outside of each brake disc 20 in the axial direction.
  • FIG. 2 is a view (rear view) of one brake disc 20 and control member 30 of the brake discs 20 and the control member 30 arranged on both surfaces of the rotary member 10 as seen from the rotary member 10 side.
  • FIG. 2 shows the brake disc 20 and the 1/4 circumference portion of the control member 30 .
  • the circumferential direction and the radial direction of the brake disc 20 are simply referred to as the circumferential direction and the radial direction.
  • brake disc 20 includes disc body 21 and a plurality of fins 22 .
  • the disc body 21 is annular.
  • the disk main body 21 substantially has an annular plate shape with the central axis X as the axis.
  • the disc body 21 has a sliding surface 211 and a back surface 212 .
  • the sliding surface 211 is a surface provided on one side of the disk body 21 in the axial direction.
  • a brake lining 50 (FIG. 1) is pressed against the sliding surface 211 to generate a braking force.
  • the back surface 212 is a surface provided on the other side in the axial direction of the disk body 21 and faces the rotating member 10 (FIG. 1).
  • a plurality of fins 22 are radially arranged on the back surface 212 of the disk body 21 . These fins 22 radially extend from the inner side to the outer side of the disk body 21 . Each fin 22 protrudes from the rear surface 212 toward the rotary member 10 (FIG. 1). Therefore, a space is formed between the rotating member 10 , the fins 22 adjacent in the circumferential direction, and the disk body 21 . These spaces serve as air passages through which air passes when the brake disc 20 rotates together with the rotating member 10 .
  • each fastening hole 222 is provided corresponding to the fastening hole 12 ( FIG. 1 ) of the rotating member 10 .
  • Each fastening hole 222 penetrates the disk body 21 and the fins 22 .
  • a recessed key groove 223 is formed on the top surface 221 of the other fins 22 .
  • a key (not shown) for restricting relative rotation between the brake disc 20 and the rotating member 10 (FIG. 1) is fitted in the key groove 223 .
  • the number of fins 22, the number of fastening holes 222, and the number of key grooves 223 can be set as appropriate. In the example of this embodiment, all the fins 22 are formed with the fastening holes 222 or the key grooves 223, but there may be some fins 22 without the fastening holes 222 and the key grooves 223 formed therein.
  • control member 30 is a separate member from the brake disc 20.
  • the control member 30 controls the amount of ventilation between the fins 22 adjacent in the circumferential direction.
  • Control member 30 includes a base plate 31 and a plurality of protrusions 32 .
  • the base plate 31 has a substantially annular plate shape and is arranged substantially coaxially with the disk main body 21 .
  • Base plate 31 is sandwiched between rotating member 10 ( FIG. 1 ) and plurality of fins 22 . That is, the rotating member 10 contacts one surface of the base plate 31 , and the top surface 221 of the fin 22 contacts the other surface of the base plate 31 .
  • the length of the base plate 31 in the radial direction is approximately equal to the length of the top surface 221 of the fin 22 in the radial direction.
  • the length of the base plate 31 in the radial direction may be longer than the length of the top surface 221 of the fin 22 or shorter than the length of the top surface 221 of the fin 22 . If the length of the base plate 31 is shorter than the length of the top surface 221 of the fin 22 , the top surface 221 of the fin 22 may be formed with a recess for accommodating the base plate 31 .
  • a plurality of through holes 311 are formed in the base plate 31 corresponding to the fastening holes 12 (FIG. 1) of the rotary member 10 and the fastening holes 222 of the brake disc 20 for inserting the fastening members 40 (FIG. 1). there is Further, the base plate 31 is formed with a plurality of openings 312 corresponding to the key grooves 223 of the brake disc 20 for inserting the aforementioned keys (not shown).
  • Each through hole 311 has a width W in the circumferential direction.
  • the width W of the through hole 311 is smaller than the maximum width WF of the top surface 221 of the fin 22 having the fastening hole 222 .
  • the width W is the length of a straight line that connects the ends of each through hole 311 in the circumferential direction.
  • the maximum width WF is the maximum value of the length of a straight line connecting both side edges of the top surface 221 of the fin 22 and perpendicular to the radial direction.
  • the top surface 221 of the fin 22 has, for example, a maximum width WF in the area where the fastening holes 222 open.
  • the difference between the maximum width W F of the fin and the width W of the through-hole 311 is preferably greater than 3.0 mm (W F ⁇ W>3.0 mm), more preferably greater than 4.0 mm (W F -W>4.0 mm).
  • the width W of the through hole 311 is, for example, less than 47.0 mm, preferably less than 44.0 mm, and more preferably less than 43.0 mm.
  • the through holes 311 can be formed in various shapes.
  • the through hole 311 has a circular shape when the control member 30 is viewed from above or from the back.
  • the width W of the through-hole 311 is the diameter of the through-hole 311 .
  • the through hole 311 may have an elliptical shape, for example, when the control member 30 is viewed from above or from the rear.
  • the through-hole 311 has an elliptical shape with a major axis in the radial direction
  • the width W of the through-hole 311 is the minor axis of the through-hole 311 .
  • the width W of the through-hole 311 is the major axis of the through-hole 311 .
  • a plurality of projections 32 are formed on the surface of the base plate 31 on the side of the brake disc 20 among both surfaces.
  • the projecting portions 32 are provided at intervals in the circumferential direction.
  • Each protrusion 32 protrudes from the base plate 31 toward the disc body 21 and is positioned between the fins 22 adjacent in the circumferential direction. That is, one protruding portion 32 is arranged between the fins 22 adjacent in the circumferential direction.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
  • each protrusion 32 protrudes from the base plate 31 toward the rear surface 212 of the disc body 21 .
  • the tip of the protrusion 32 does not contact the rear surface 212 of the disk body 21 .
  • both side edges of the projecting portion 32 do not contact the side surfaces 225 of the fins 22 . Therefore, a substantially U-shaped space is formed between the projecting portion 32 and the brake disc 20 when viewed in the radial direction.
  • the sum of the cross-sectional areas of the approximately U-shaped spaces formed between the projecting portions 32 and the brake disc 20 can be, for example, 18000 mm 2 or less.
  • the total sum of the cross-sectional areas can be, for example, 2500 mm 2 or more.
  • the cross-sectional area of the substantially U-shaped space is the minimum cross-sectional area along the circumferential direction of the substantially U-shaped space formed between each protrusion 32 and the brake disc 20 .
  • the total cross-sectional area is a value calculated by adding up all the cross-sectional areas of each space in the circumferential direction.
  • the projecting portion 32 has a substantially triangular vertical cross section (cross section along the radial direction). That is, the radially inner surface of the protruding portion 32 tilts toward the back surface 212 of the disc body 21 toward the outer peripheral side of the disc body 21 .
  • the shape of the projecting portion 32 is not particularly limited.
  • the protrusion 32 may be hollow or solid. From the viewpoint of smoothly guiding the air in the air passage, the surface of the projecting portion 32 preferably has a smooth shape without corners.
  • the control member 30 can be made of a thin metal material having a plate thickness of 1.0 mm to 3.0 mm.
  • the control member 30 is formed, for example, by pressing this thin material.
  • the base plate 31 and the plurality of protrusions 32 are integrally formed.
  • the projecting portion 32 can be fixed to the base plate 31 by welding or the like.
  • FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. 1.
  • the brake disc 20 and the control member 30 are fastened to the rotating member 10 by fastening members 40 .
  • the fastening member 40 is inserted into the fastening hole 222 provided in the brake disc 20 , the through hole 311 provided in the control member 30 , and the fastening hole 12 provided in the rotating member 10 .
  • the fastening hole 222 includes a large diameter portion 222a and a small diameter portion 222b.
  • the small-diameter portion 222 b constitutes the end portion of the fin 22 on the side of the top surface 221 in the fastening hole 222 .
  • the small diameter portion 222b has a diameter DBS that is smaller than the diameter DBL of the large diameter portion 222a.
  • An annular bottom portion 224 is formed around the small diameter portion 222b due to the difference in diameter between the large diameter portion 222a and the small diameter portion 222b.
  • the head portion 41 of the fastening member 40 is arranged in the large diameter portion 222a.
  • Head 41 is a bolt head or nut.
  • the head portion 41 within the large diameter portion 222a is directly or indirectly supported by the bottom portion 224.
  • one or more disc springs 60 are arranged between the head portion 41 and the bottom portion 224 . That is, the head portion 41 is supported by the bottom portion 224 via the disc spring 60 .
  • the thickness (length in the axial direction) of the bottom portion 224 is preferably 1.0 mm or more, and more preferably 2.0 mm or more.
  • the thickness of the bottom portion 224 is, for example, 6.0 mm or less.
  • the shaft portion 42 of the bolt of the fastening member 40 is inserted through the small diameter portion 222b.
  • the shaft portion 42 extends axially from the head portion 41 within the large diameter portion 222 a and is inserted through the small diameter portion 222 b , the through hole 311 of the control member 30 and the fastening hole 12 of the rotating member 10 .
  • each through-hole 311 provided in the base plate 31 has a minimum spanning length L.
  • the length L is the length of the shortest straight line among straight lines connecting two points on the periphery of each through hole 311 and passing through the center of the through hole 311 .
  • the length L is the diameter of the through hole 311 and is equal to the width W (FIG. 2).
  • length L is the minor axis of through hole 311 .
  • the length L of the through hole 311 is greater than the diameter DBS of the small diameter portion 222b of the fastening hole 222 provided in the brake disc 20 .
  • the opening area of the through hole 311 is larger than the opening area of the small diameter portion 222b. Therefore, the peripheral edge of the through hole 311 is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the small diameter portion 222b.
  • the difference between the length L of the through hole 311 and the diameter D BS of the small diameter portion 222b is preferably 6.0 mm or more (L ⁇ D BS ⁇ 6.0 mm).
  • the diameter DBS of the small-diameter portion 222b is smaller than the diameter DW of the fastening hole 12 provided in the rotary member 10 .
  • the length L of the through hole 311 is also greater than the diameter DW of the fastening hole 12 of the rotating member 10 .
  • the opening area of the through hole 311 is larger than the opening area of the fastening hole 12 . Therefore, the peripheral edge of the through hole 311 is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the fastening hole 12 .
  • the difference between the length L of the through hole 311 and the diameter D w of the fastening hole 12 is preferably greater than 4.0 mm (LD w >4.0 mm). That is, the distance d between the peripheral edge of the through hole 311 and the peripheral edge of the fastening hole 12 is preferably greater than 2.0 mm.
  • the length L of the through hole 311 is, for example, greater than 18.5 mm and less than 47.0 mm.
  • the length L is preferably 24.5 mm or more, more preferably greater than 26.0 mm.
  • the length L is preferably less than 44.0 mm, more preferably less than 43.0 mm.
  • the projecting portion 32 of the control member 30 is arranged between the fins 22 adjacent in the circumferential direction.
  • the cross-sectional area of each air passage defined by the rotating member 10, the fins 22, and the disk body 21 is partially reduced. Therefore, it is possible to limit the amount of ventilation in the ventilation path, and to reduce the aerodynamic noise that occurs when the railway vehicle is running.
  • the base plate 31 of the control member 30 is provided with a through hole 311 through which the shaft portion 42 of the fastening member 40 is inserted.
  • the peripheral edge of the through hole 311 is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the small diameter portion 222 b of the fastening hole 222 provided in the brake disc 20 . That is, the peripheral edge of the through-hole 311 is arranged farther from the shaft portion 42 of the fastening member 40 than the peripheral edge of the small-diameter portion 222b.
  • the peripheral edge of the through hole 311 of the control member 30 is arranged on the outer peripheral side of the peripheral edge of the fastening hole 12 provided in the rotary member 10 .
  • the portion of the control member 30 near the through hole 311 is sandwiched between the substantial portion of the rotating member 10 (the portion other than the fastening hole 12 ) and the fins 22 . Therefore, during braking, for example, even if the bottom portion 224 of the fastening hole 222 of the brake disc 20 receives a load from the head portion 41 of the fastening member 40 via the disc spring 60, the portion of the control member 30 near the through hole 311 are supported by the substantial portion of the rotating member 10 and are unlikely to fall into the fastening hole 12 . Therefore, axial displacement of the control member 30 can be reduced.
  • the distance d between the peripheral edge of the through hole 311 of the control member 30 and the peripheral edge of the fastening hole 12 is preferably greater than 2.0 mm.
  • the width W of the through hole 311 of the control member 30 is smaller than the maximum width WF of the top surface 221 of the fin 22 . As a result, it is possible to prevent the fins 22 from being deformed into the through holes 311 of the control member 30 .
  • the projecting portion 32 of the control member 30 is arranged near the center in the radial direction of the disk body 21, but the position of the projecting portion 32 is not limited to this.
  • the projecting portion 32 may be arranged near the outer periphery of the disc main body 21 or may be arranged near the inner periphery of the disc main body 21 .
  • the base plate 31 of the control member 30 has a substantially annular plate shape.
  • the base plate 31 may be divided into a plurality of pieces in the circumferential direction. That is, the base plate 31 may be composed of a plurality of arcuate parts. These arc-shaped parts are circumferentially arranged between the rotating member 10 and the brake disc 20 in contact with each other or at intervals.
  • the arcuate parts each have a plurality of protrusions 32 .
  • the disc brake device 100 including the rotating member (wheel) 10, the brake disc 20, the control member 30, the fastening member 40, and the disc spring 60 was modeled in consideration of the symmetry in the circumferential direction.
  • the brake disk 20 is an elastic plastic body and the others are an elastic body, and data measured in advance by experiments are given as material property values.
  • material properties of general structural steel were used.
  • the main dimensional conditions of the analysis model are as follows. ⁇ Brake disc inner diameter: 466.0mm ⁇ Brake disc outer diameter: 720.0mm ⁇ Total thickness of brake disc: 43.5mm ⁇ Thickness of disc body: 22.0 mm
  • the analysis was performed under the severest seismic detection braking conditions. That is, assuming that the stop brake is applied while the railway vehicle is running at 360 km/h, the contact between the control member 30 and the fastening member 40 is determined for each diameter L of the through hole 311 of the control member 30 and the axial displacement of the control member 30 was evaluated. Table 1 shows the diameter L of the through hole 311 of the control member 30 in each analysis model.
  • the peripheral edge of the through-hole 311 is separated from the peripheral edge of the small-diameter portion 222b by 3.0 mm or more. That is, the difference between the diameter L of the through hole 311 and the diameter D BS of the small diameter portion 222b is preferably 6.0 mm or more (L ⁇ D BS ⁇ 6.0 mm).
  • Figures 5 and 6 are No. in Table 1, respectively. 2 and No. 3 is a graph showing the relationship between the radial position and the axial displacement during braking for the control member 30 according to No. 3.
  • axial displacement of the control member 30 can be suppressed by setting L> DW and arranging the peripheral edge of the through hole 311 on the outer peripheral side of the peripheral edge of the fastening hole 12 .
  • the distance d from the peripheral edge of the fastening hole 12 to the peripheral edge of the through hole 311 is greater than 2.0 mm, the axial displacement of the control member 30 can be suppressed more reliably.
  • the width W of the through-hole 311 is made smaller than the maximum width W F of the top surface 221 of the fin 22 (W F >W), the deformation of the fin 22 falling into the through-hole 311 can be suppressed. .
  • Disc brake device 10 Rotating member 12: Fastening hole 20: Brake disc 21: Disc body 212: Back surface 22: Fin 221: Top surface 222: Fastening hole 222a: Large diameter portion 222b: Small diameter portion 30: Control member 31: Base plate 311: Through hole 32: Protrusion 40: Fastening member 41: Head 42: Shaft

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Abstract

ディスクブレーキ装置(100)は、回転部材(10)と、ブレーキディスク(20)と、制御部材(30)と、締結部材(40)とを備える。ブレーキディスク(20)は、環状のディスク本体(21)と、複数のフィン(22)とを含む。制御部材(30)は、ベースプレート(31)と、突出部(32)とを含み、隣り合うフィン(22)の間の通気量を制御する。フィン(22)の少なくとも1つは、小径部(222b)を含む締結孔(222)を有する。ベースプレート(31)は、貫通孔(311)を有する。小径部(222b)及び貫通孔(311)には、締結部材(40)の軸部(42)が挿通される。貫通孔(311)の周縁は、小径部(222b)の周縁の外周側に配置される。

Description

鉄道車両用ディスクブレーキ装置
 本開示は、鉄道車両用のディスクブレーキ装置に関する。
 鉄道車両の制動装置として、ディスクブレーキ装置が広く使用されている。ディスクブレーキ装置は、環状のブレーキディスクと、ブレーキライニングと、を備える。ブレーキディスクは、例えば、車輪に締結され、車輪とともに回転する。ブレーキディスクには、ブレーキライニングが押し付けられる。ブレーキライニングとブレーキディスクとの摩擦により、ブレーキディスク及び車輪が制動される。
 鉄道車両に用いられるディスクブレーキ装置のブレーキディスクには、その耐久性を確保する観点から、十分な冷却性能が要求される。制動時における冷却性能を確保するため、一般に、ブレーキディスクの裏面には、複数のフィンが放射状に形成されている。各フィンは、車輪に接触し、ブレーキディスクの裏面と車輪との間に通気路を形成する。当該通気路は、ブレーキディスクが車輪とともに回転するとき、ブレーキディスクの内周側から外周側に向かって空気を通過させる。通気路内を流れる空気により、ブレーキディスクが冷却される。
 しかしながら、鉄道車両の走行中、ブレーキディスクと車輪との間の通気路内を空気が流れることにより、空力音が発生する。特に、鉄道車両が高速で走行する場合、通気路内の通気量が増加して大きな空力音が発生する。
 これに対して、特許文献1には、周方向に隣り合うフィン同士を連結部で連結したディスクブレーキ装置が開示されている。このディスクブレーキ装置では、連結部により、フィン間の通気路各々において断面積が最小となる部分が形成される。特許文献1によれば、通気路の最小断面積の総和を18000mm以下とすることで、高速走行時における空力音を低減することができる。
 特許文献1において、空力音を低減するための連結部は、ブレーキディスクのディスク本体及びフィンと一体的に形成されている。そのため、ブレーキディスクのうち、連結部の近傍部分の剛性が他の部分の剛性と比較して大きくなっている。よって、制動時においてブレーキライニングがブレーキディスクに対して摺動し、摩擦熱が発生したとき、連結部の近傍部分が他の部分よりも熱変形しにくく、ブレーキディスクに反りが発生する。その結果、ブレーキディスクを車輪に締結する締結部材への負荷が増大する。
 そこで、特許文献2では、ブレーキディスクとは別体の空力音低減部材(制御部材)をディスクブレーキ装置に設ける技術が提案されている。特許文献2によれば、制御部材に設けられた突出部によって通気路の一部を塞ぐことで、通気路内の空気の流れを抑制し、鉄道車両の走行中に発生する空力音を低減することができる。また、ブレーキディスクと制御部材とが別個の部品であるため、制御部材の突出部がブレーキディスクの剛性に影響しない。
特開2007-205428号公報 国際公開第2019/194203号
 ところで、特許文献2のディスクブレーキ装置において、制御部材は、車輪等の回転部材とブレーキディスクとの間に配置され、締結部材によってブレーキディスクとともに回転部材に締結される。締結部材の軸部は、制御部材に設けられた貫通孔を介し、ブレーキディスクから回転部材へと延びている。このディスクブレーキ装置によって回転部材を制動する際、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摩擦熱により、ブレーキディスクに熱変形が発生する。ブレーキディスクは、まず軸方向の外側(ブレーキライニング側)に熱膨張し、制動開始からある程度時間が経過すると径方向の外側にも熱膨張する。一方、制御部材は、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摺動部から離れているため、ほとんど熱変形しない。そのため、ブレーキディスクが熱膨張し、これに伴って締結部材が移動したとき、制御部材の貫通孔の周縁に締結部材の軸部が干渉し、制御部材に過大な負荷がかかる可能性がある。
 本開示は、通気路内の通気量を制御するための制御部材が設けられた鉄道車両用ディスクブレーキ装置において、制御部材に対する負荷を低減することを課題とする。
 本開示に係るディスクブレーキ装置は、鉄道車両用のディスクブレーキ装置である。ディスクブレーキ装置は、回転部材と、ブレーキディスクと、制御部材と、締結部材と、を備える。回転部材は、鉄道車両の車軸に取り付けられる。ブレーキディスクは、環状のディスク本体と、複数のフィンと、を含む。ディスク本体は、回転部材に対向する裏面を有する。フィンは、当該裏面上に放射状に配置される。制御部材は、ベースプレートと、突出部と、を含む。ベースプレートは、回転部材とフィンとの間に挟まれる。突出部は、ベースプレートからディスク本体に向かって突出して、フィンのうちブレーキディスクの周方向において隣り合うフィンの間に位置付けられる。制御部材は、隣り合うフィンの間の通気量を制御する。締結部材は、ブレーキディスク及び制御部材を回転部材に締結する。フィンの少なくとも1つは、第1締結孔を有する。第1締結孔は、大径部と、小径部と、を含む。大径部には、締結部材の頭部が配置される。小径部は、大径部の直径よりも小さい直径を有する。小径部には、締結部材の軸部が挿通される。ベースプレートは、貫通孔を有する。貫通孔は、第1締結孔に対応してベースプレートに設けられる。貫通孔には、締結部材の軸部が挿通される。貫通孔の周縁は、第1締結孔の小径部の周縁の外周側に配置される。
 本開示によれば、通気路内の通気量を制御するための制御部材が設けられた鉄道車両用ディスクブレーキ装置において、制御部材に対する負荷を低減することができる。
図1は、実施形態に係る鉄道車両用ディスクブレーキ装置の概略構成を示す縦断面図である。 図2は、図1に示すディスクブレーキ装置に含まれるブレーキディスク及び制御部材の裏面図である。 図3は、図2のIII-III断面図である。 図4は、図1に示すディスクブレーキ装置の部分拡大図である。 図5は、一実施例に係る制御部材について、径方向位置と、制動時における軸方向変位との関係を示すグラフである。 図6は、別の実施例に係る制御部材について、径方向位置と、制動時における軸方向変位との関係を示すグラフである。 図7は、各実施例で用いた解析モデルの制御部材を模式的に示す斜視図である。
 実施形態に係るディスクブレーキ装置は、鉄道車両用のディスクブレーキ装置である。ディスクブレーキ装置は、回転部材と、ブレーキディスクと、制御部材と、締結部材と、を備える。回転部材は、鉄道車両の車軸に取り付けられる。ブレーキディスクは、環状のディスク本体と、複数のフィンと、を含む。ディスク本体は、回転部材に対向する裏面を有する。フィンは、当該裏面上に放射状に配置される。制御部材は、ベースプレートと、突出部と、を含む。ベースプレートは、回転部材とフィンとの間に挟まれる。突出部は、ベースプレートからディスク本体に向かって突出して、フィンのうちブレーキディスクの周方向において隣り合うフィンの間に位置付けられる。制御部材は、隣り合うフィンの間の通気量を制御する。締結部材は、ブレーキディスク及び制御部材を回転部材に締結する。フィンの少なくとも1つは、第1締結孔を有する。第1締結孔は、大径部と、小径部と、を含む。大径部には、締結部材の頭部が配置される。小径部は、大径部の直径よりも小さい直径を有する。小径部には、締結部材の軸部が挿通される。ベースプレートは、貫通孔を有する。貫通孔は、第1締結孔に対応してベースプレートに設けられる。貫通孔には、締結部材の軸部が挿通される。貫通孔の周縁は、第1締結孔の小径部の周縁の外周側に配置される(第1の構成)。
 第1の構成に係るディスクブレーキ装置によれば、制御部材により、ブレーキディスクのディスク本体の裏面上で周方向に隣り合うフィンの間の通気量を制御することができる。すなわち、上記ディスクブレーキ装置では、隣り合うフィンの間に制御部材の突出部が位置付けられているため、これらのフィンがディスク本体及び回転部材とともに形成する通気路の開口面積が部分的に小さくなる。これにより、通気路内の通気量を制限することができ、鉄道車両の走行時に発生する空力音を低減することができる。
 第1の構成において、ブレーキディスクに設けられたフィンのうち少なくとも1つは、第1締結孔を有する。第1締結孔は、締結部材の軸部が挿通される小径部を含む。一方、制御部材のベースプレートには、締結部材の軸部を挿通するための貫通孔が形成されている。この貫通孔の周縁は、第1締結孔の小径部の周縁の外周側に配置されている。すなわち、制御部材の貫通孔の周縁は、ブレーキディスクの第1締結孔の小径部の周縁と比較し、締結部材の軸部から離れて配置されている。これにより、制動時におけるブレーキディスクの熱膨張に伴って締結部材が移動したとき、制御部材の貫通孔の周縁に締結部材の軸部が干渉するのを予防することができる。よって、制御部材に対する負荷を低減することができる。
 回転部材は、第2締結孔を有することができる。第2締結孔は、ブレーキディスクの第1締結孔及び制御部材の貫通孔に対応して、回転部材に設けられる。第2締結孔には、締結部材の軸部が挿通される。貫通孔の周縁は、第2締結孔の周縁の外周側に配置されることが好ましい(第2の構成)。
 第2の構成によれば、制御部材のベースプレートに形成された貫通孔の周縁は、回転部材に形成された第2締結孔の周縁の外周側に配置される。これにより、制御部材のベースプレートのうち貫通孔の近傍部分は、回転部材とフィンとによって挟持されることになる。そのため、制御部材のベースプレートにおいて、締結部材の頭部からの軸方向の負荷等により、貫通孔の近傍部分が回転部材の第2締結孔内に落ち込むのを抑制することができる。すなわち、制御部材の軸方向の変位を低減することができる。
 貫通孔の周縁と、第2締結孔の周縁との距離は、2.0mmよりも大きいことが好ましい(第3の構成)。
 第3の構成によれば、制御部材の貫通孔の周縁が回転部材の第2締結孔の周縁から2.0mm超離れている。これにより、制御部材のベースプレートにおいて、貫通孔の近傍部分が回転部材の第2締結孔内に落ち込むのをより確実に抑制することができる。
 ブレーキディスクの周方向における貫通孔の幅は、第1締結孔を有するフィンの頂面の最大幅よりも小さいことが好ましい(第4の構成)。
 第4の構成によれば、制御部材のベースプレートに形成された貫通孔の幅は、フィンの頂面の最大幅よりも小さい。これにより、制御部材の貫通孔内にフィンが落ち込む変形が生じるのを防止することができる。
 以下、本開示の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。各図において同一又は相当の構成については同一符号を付し、同じ説明を繰り返さない。
 [全体構成]
 図1は、本実施形態に係る鉄道車両用ディスクブレーキ装置100の概略構成を示す縦断面図である。縦断面とは、中心軸Xを含む平面でディスクブレーキ装置100を切断した断面をいう。中心軸Xは、鉄道車両の車軸200の軸心である。以下、中心軸Xが延びる方向を軸方向という。
 図1に示すように、ディスクブレーキ装置100は、回転部材10と、ブレーキディスク20と、制御部材30と、締結部材40と、を備える。
 回転部材10は、車軸200に取り付けられ、車軸200と一体で中心軸X周りに回転する。本実施形態の例では、回転部材10は、鉄道車両の車輪であり、板部11を有する。ただし、回転部材10は、車輪以外のディスク体であってもよい。回転部材10は、締結部材40を通すための締結孔12を有する。締結孔12は、回転部材10を軸方向に貫通する。
 ブレーキディスク20は、ディスク状の回転部材10の両面に設けられている。制御部材30は、回転部材10と各ブレーキディスク20との間に配置されている。これらのブレーキディスク20及び制御部材30は、締結部材40によって回転部材10の板部11に締結される。締結部材40は、典型的にはボルト及びナットで構成される。軸方向において各ブレーキディスク20の外側には、ブレーキライニング50が設けられている。
 [細部の構成]
 図2は、回転部材10の両面上に配置されたブレーキディスク20及び制御部材30のうち、一方のブレーキディスク20及び制御部材30を回転部材10側から見た図(裏面図)である。図2では、ブレーキディスク20及び制御部材30の1/4周部分を示している。以下、ブレーキディスク20の周方向及び径方向を単に周方向及び径方向という。
 図2を参照して、ブレーキディスク20は、ディスク本体21と、複数のフィン22と、を含む。
 ディスク本体21は、環状をなす。ディスク本体21は、実質的に、中心軸Xを軸心とする円環板状を有する。ディスク本体21は、摺動面211及び裏面212を有する。摺動面211は、ディスク本体21において軸方向の一方側に設けられた面である。摺動面211には、制動力を発生させるためにブレーキライニング50(図1)が押し付けられる。裏面212は、ディスク本体21において軸方向の他方側に設けられた面であり、回転部材10(図1)に対向する。
 複数のフィン22は、ディスク本体21の裏面212上に放射状に配置されている。これらのフィン22は、径方向においてディスク本体21の内側から外側に延びている。各フィン22は、裏面212から回転部材10(図1)側に突出する。そのため、回転部材10と、周方向において隣り合うフィン22と、ディスク本体21との間に空間が形成される。これらの空間は、ブレーキディスク20が回転部材10とともに回転する際に空気が通過する通気路となる。
 ディスク本体21に設けられた複数のフィン22のうち、一部のフィン22は、締結部材40(図1)を通すための締結孔222を有する。各締結孔222は、回転部材10の締結孔12(図1)に対応して設けられる。各締結孔222は、ディスク本体21及びフィン22を貫通する。その他のフィン22の頂面221には、凹状のキー溝223が形成されている。キー溝223には、ブレーキディスク20と回転部材10(図1)との相対回転を規制するためのキー(図示略)が嵌め込まれる。フィン22の数、締結孔222の数、及びキー溝223の数は、適宜設定することができる。本実施形態の例では、全てのフィン22に締結孔222又はキー溝223が形成されているが、締結孔222及びキー溝223が形成されていないフィン22が存在してもよい。
 図2に示すように、制御部材30は、ブレーキディスク20とは別の部材である。制御部材30は、周方向に隣り合うフィン22の間の通気量を制御する。制御部材30は、ベースプレート31と、複数の突出部32と、を含んでいる。
 ベースプレート31は、概略円環板状をなし、ディスク本体21と実質的に同軸に配置されている。ベースプレート31は、回転部材10(図1)と複数のフィン22との間に挟まれる。すなわち、ベースプレート31の一方面に回転部材10が接触し、ベースプレート31の他方面にフィン22の頂面221が接触する。
 本実施形態の例では、径方向におけるベースプレート31の長さは、径方向におけるフィン22の頂面221の長さと概ね等しい。ただし、径方向におけるベースプレート31の長さは、フィン22の頂面221の長さよりも長くてもよいし、フィン22の頂面221の長さよりも短くてもよい。ベースプレート31の長さがフィン22の頂面221の長さよりも短い場合、フィン22の頂面221には、ベースプレート31を収容するための凹部が形成されていてもよい。
 ベースプレート31には、締結部材40(図1)を挿通させるため、回転部材10の締結孔12(図1)及びブレーキディスク20の締結孔222に対応して、複数の貫通孔311が形成されている。また、ベースプレート31には、上述したキー(図示略)を挿通させるため、ブレーキディスク20のキー溝223に対応して、複数の開口312が形成されている。
 貫通孔311の各々は、周方向における幅Wを有する。貫通孔311の幅Wは、締結孔222を有するフィン22の頂面221の最大幅Wよりも小さい。幅Wは、各貫通孔311において周方向の端同士を結ぶ直線の長さである。最大幅Wは、フィン22の頂面221の両側縁を結び、且つ径方向に直交する直線の長さの最大値である。フィン22の頂面221は、例えば、締結孔222が開口する領域において最大幅Wを有する。
 フィンの最大幅Wと貫通孔311の幅Wとの差は、3.0mmよりも大きいことが好ましく(W-W>3.0mm)、4.0mmよりも大きいことがより好ましい(W-W>4.0mm)。特に限定されるものではないが、貫通孔311の幅Wは、例えば47.0mm未満であり、好ましくは44.0mm未満、より好ましくは43.0mm未満である。
 貫通孔311は、種々の形状に形成することができる。本実施形態の例において、貫通孔311は、制御部材30の平面視又は裏面視で円形状をなす。貫通孔311が円形状の場合、貫通孔311の幅Wは、貫通孔311の直径である。ただし、貫通孔311は、例えば、制御部材30の平面視又は裏面視で楕円形状であってもよい。貫通孔311が径方向に長軸を有する楕円形状である場合、貫通孔311の幅Wは、貫通孔311の短径となる。貫通孔311が径方向に短軸を有する楕円形状である場合、貫通孔311の幅Wは、貫通孔311の長径となる。
 ベースプレート31の両面のうち、ブレーキディスク20側の面には、複数の突出部32が形成されている。突出部32は、周方向に間隔を空けて設けられている。突出部32の各々は、ベースプレート31からディスク本体21に向かって突出して、周方向に隣り合うフィン22の間に位置付けられる。すなわち、周方向において隣り合うフィン22の間に、突出部32が1つずつ配置される。
 図3は、図2のIII-III断面図である。図3に示すように、突出部32の各々は、ベースプレート31からディスク本体21の裏面212に向かって突出する。突出部32の先端は、ディスク本体21の裏面212には接触しない。また、突出部32の両側縁は、フィン22の側面225に接触しない。そのため、突出部32とブレーキディスク20との間には、径方向視で概略U字状の空間が形成されている。
 各突出部32とブレーキディスク20との間に形成される概略U字状の空間の断面積の総和は、例えば、18000mm以下とすることができる。当該断面積の総和は、例えば、2500mm以上とすることができる。概略U字状の空間の断面積とは、各突出部32とブレーキディスク20との間に形成される概略U字状の空間の周方向に沿った断面の最小面積である。断面積の総和とは、各空間の断面積を周方向に全て足し合わせて算出した値である。
 本実施形態において、突出部32は、概略三角形状の縦断面(径方向に沿った断面)を有する。すなわち、突出部32の径方向内側の表面は、ディスク本体21の外周側に向かうにつれてディスク本体21の裏面212に近づくように傾倒する。ただし、突出部32の形状は、特に限定されるものではない。突出部32は、中空に形成されていてもよいし、中実に形成されていてもよい。通気路内の空気を円滑に案内する観点から、突出部32の表面は、角部を有しない滑らかな形状であることが好ましい。
 制御部材30は、1.0mm~3.0mmの板厚を有する金属の薄肉材で構成することができる。制御部材30は、例えば、この薄肉材をプレス加工することによって成形される。この場合、ベースプレート31及び複数の突出部32は、一体的に形成される。ただし、ベースプレート31と、突出部32とを別体で形成した後、突出部32をベースプレート31に対して溶接等で固定することもできる。
 以下、図4を参照して、回転部材10、ブレーキディスク20、制御部材30、及び締結部材40を含むディスクブレーキ装置100についてさらに詳細に説明する。図4は、図1の部分拡大図である。
 図4に示すように、ブレーキディスク20及び制御部材30は、締結部材40によって回転部材10に締結されている。締結部材40は、ブレーキディスク20に設けられた締結孔222、制御部材30に設けられた貫通孔311、及び回転部材10に設けられた締結孔12に挿入される。
 ブレーキディスク20において、締結孔222は、大径部222aと、小径部222bとを含む。小径部222bは、締結孔222において、フィン22の頂面221側の端部を構成する。小径部222bは、大径部222aの直径DBLよりも小さい直径DBSを有する。大径部222aと小径部222bとの径差により、小径部222bの周囲に環状の底部224が形成されている。
 大径部222aには、締結部材40の頭部41が配置される。頭部41は、ボルトの頭部又はナットである。大径部222a内の頭部41は、底部224によって直接又は間接的に支持される。本実施形態の例では、頭部41と底部224との間に、1枚以上の皿ばね60が配置されている。すなわち、頭部41は、皿ばね60を介して底部224に支持されている。底部224の厚み(軸方向の長さ)は、強度確保の観点から、1.0mm以上であることが好ましく、2.0mm以上であることがより好ましい。底部224の厚みは、例えば、6.0mm以下である。
 小径部222bには、締結部材40のうち、ボルトの軸部42が挿通される。軸部42は、大径部222a内の頭部41から軸方向に延び、小径部222b、制御部材30の貫通孔311、及び回転部材10の締結孔12に挿通される。
 制御部材30において、ベースプレート31に設けられた各貫通孔311は、最小差渡し長さLを有する。長さLは、各貫通孔311において周縁上の2点を結び、且つ当該貫通孔311の中心を通る直線のうち、最も短い直線の長さである。本実施形態の例では、貫通孔311が円形状であるため、長さLは、貫通孔311の直径であり、幅W(図2)と等しい。貫通孔311が楕円形状である場合、長さLは、貫通孔311の短径である。
 貫通孔311の長さLは、ブレーキディスク20に設けられた締結孔222の小径部222bの直径DBSよりも大きい。言い換えると、貫通孔311の開口面積は、小径部222bの開口面積よりも大きい。そのため、貫通孔311の周縁は、小径部222bの周縁の外周側に配置される。貫通孔311の長さLと小径部222bの直径DBSとの差は、好ましくは6.0mm以上である(L-DBS≧6.0mm)。小径部222bの直径DBSは、回転部材10に設けられた締結孔12の直径Dよりも小さい。
 貫通孔311の長さLは、さらに、回転部材10の締結孔12の直径Dよりも大きい。言い換えると、貫通孔311の開口面積は、締結孔12の開口面積よりも大きい。そのため、貫通孔311の周縁は、締結孔12の周縁の外周側に配置される。貫通孔311の長さLと締結孔12の直径Dとの差は、4.0mmよりも大きいことが好ましい(L-D>4.0mm)。すなわち、貫通孔311の周縁と締結孔12の周縁との距離dは、2.0mmよりも大きいことが好ましい。
 特に限定されるものではないが、貫通孔311の長さLは、例えば、18.5mmよりも大きく、47.0mm未満である。長さLは、24.5mm以上であることが好ましく、26.0mmよりも大きいことがより好ましい。また、長さLは、好ましくは44.0mm未満であり、より好ましくは43.0mm未満である。
 [効果]
 本実施形態に係るディスクブレーキ装置100では、周方向において隣り合う各フィン22の間に、制御部材30の突出部32が配置されている。これにより、回転部材10と、フィン22と、ディスク本体21とで画定される各通気路の断面積が部分的に小さくなる。よって、通気路内の通気量を制限することができ、鉄道車両の走行時に発生する空力音を低減することができる。
 本実施形態に係るディスクブレーキ装置100において、制御部材30のベースプレート31には、締結部材40の軸部42を挿通するための貫通孔311が設けられている。この貫通孔311の周縁は、ブレーキディスク20に設けられた締結孔222の小径部222bの周縁の外周側に配置されている。すなわち、貫通孔311の周縁は、小径部222bの周縁と比較し、締結部材40の軸部42から離れて配置されている。そのため、制動時におけるブレーキディスク20の熱膨張に伴って締結部材40が移動したとき、貫通孔311の周縁に締結部材40の軸部42が干渉するのを予防することができる。よって、制御部材30に対する負荷を低減することができる。
 本実施形態において、制御部材30の貫通孔311の周縁は、回転部材10に設けられた締結孔12の周縁の外周側に配置されている。これにより、制御部材30のうち貫通孔311の近傍部分が、回転部材10の実体部分(締結孔12以外の部分)とフィン22とによって挟持されることになる。そのため、制動時において、例えば、ブレーキディスク20の締結孔222の底部224が皿ばね60を介して締結部材40の頭部41から負荷を受けたとしても、制御部材30の貫通孔311の近傍部分は、回転部材10の実体部分によって支持され、締結孔12内に落ち込みにくい。よって、制御部材30の軸方向の変位を低減することができる。
 本実施形態において、制御部材30の貫通孔311の周縁と締結孔12の周縁との距離dは、好ましくは2.0mmよりも大きい。これにより、制御部材30において貫通孔311の近傍部分が回転部材10の締結孔12内に落ち込むのをより確実に抑制することができる。
 本実施形態において、制御部材30の貫通孔311の幅Wは、フィン22の頂面221の最大幅Wよりも小さい。これにより、制御部材30の貫通孔311内にフィン22が落ち込む変形が生じるのを抑制することができる。
 以上、本開示に係る実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
 例えば、上記実施形態では、ディスク本体21の径方向の中央付近に制御部材30の突出部32が配置されているが、突出部32の位置はこれに限定されるものではない。突出部32は、ディスク本体21の外周寄りに配置されていてもよいし、ディスク本体21の内周寄りに配置されていてもよい。
 上記実施形態において、制御部材30のベースプレート31は、実質的に円環板状をなす。しかしながら、ベースプレート31は、周方向において複数に分割されていてもよい。すなわち、複数の円弧状部品によってベースプレート31が構成されていてもよい。これらの円弧状部品は、回転部材10とブレーキディスク20との間において、互いに接触して又は間隔を空けて周方向に配列される。円弧状部品は、それぞれ、複数の突出部32を有することが好ましい。
 以下、実施例によって本開示をさらに詳しく説明する。ただし、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。
 制御部材30のベースプレート31に設けられた貫通孔311の適切な大きさを検証するため、汎用の解析ソフトウェア(ABAQUS,Version 6.14-3、ダッソー・システムズ社製)を用い、貫通孔311の最小差渡し長さ(直径)Lを変更しながら、有限要素法による数値解析を実施した。
 解析では、周方向の対称性を考慮し、回転部材(車輪)10、ブレーキディスク20、制御部材30、締結部材40、及び皿ばね60を含むディスクブレーキ装置100の15°領域をモデル化した。材料は、ブレーキディスク20を弾塑性体、その他を弾性体とし、材料物性値として実験で予め測定されたデータを与えた。ただし、制御部材30については、一般構造用鋼の材料物性値を使用した。
 解析モデルの主な寸法条件は、以下の通りである。
 ・ブレーキディスクの内径:466.0mm
 ・ブレーキディスクの外径:720.0mm
 ・ブレーキディスクの全厚み:43.5mm
 ・ディスク本体の厚み:22.0mm
 解析は、最も厳しい地震検知ブレーキ条件で実施した。すなわち、鉄道車両が360km/hで走行しているときに停止ブレーキをかけた場合を想定して、制御部材30の貫通孔311の直径Lごとに、制御部材30と締結部材40との接触、及び制御部材30の軸方向における変位を評価した。表1に、各解析モデルにおける制御部材30の貫通孔311の直径Lを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 制御部材30の貫通孔311の直径Lがブレーキディスク20の締結孔222の小径部222bの直径DBSと等しい場合(表1:No.1)、制動中に締結部材40の軸部42が制御部材30に接触し、制御部材30に過大な応力が発生した。一方、直径Lが直径DBSよりも大きい場合(表1:No.2~4)、制動時において制御部材30と締結部材40の軸部42との接触は発生しなかった。よって、L>DBSとし、貫通孔311の周縁が締結孔222の小径部222bの周縁の外周側に配置されるようにすることで、制御部材30と締結部材40の軸部42との接触を回避でき、制御部材30の負荷を低減できるといえる。
 制御部材30と締結部材40の軸部42との接触をより確実に回避するためには、制動時におけるブレーキディスク20及び締結部材40の径方向の移動量を考慮する必要がある。解析では、ブレーキ開始から73.6秒後において、2.9mmの径方向の移動量が確認された。この結果より、貫通孔311の周縁は、小径部222bの周縁から3.0mm以上離れていることが好ましい。すなわち、貫通孔311の直径Lと小径部222bの直径DBSとの差は、6.0mm以上であることが好ましい(L-DBS≧6.0mm)。
 図5及び図6は、それぞれ、表1のNo.2及びNo.3に係る制御部材30について、径方向位置と、制動時における軸方向変位との関係を示すグラフである。図7に示すように、ここでの径方向位置は、径方向における貫通孔311の内端を原点(x=0)とし、径方向外側を正とした。また、図5及び図6において、軸方向変位は、回転部材10側を負、ブレーキディスク20側を正とし、同一径方向位置における最小値(負の方向に最も変位した点の値)をプロットした。
 図5に示すように、制御部材30の貫通孔311の直径Lが回転部材10の締結孔12の直径Dに等しい場合(表1:No.2)、x=22.0mmの位置では、制御部材30が軸方向に大きく変位している。しかしながら、x=24.0mmを超えると、制御部材30の軸方向変位(絶対値)は、0.1mm以内となる。一方、図6に示すように、直径Lが直径Dよりも大きい場合(表1:No.3)、制御部材30の軸方向変位はほとんど発生しなかった。ただし、貫通孔311の直径L(=幅W)がフィン22の頂面221の最大幅Wと等しい場合(表1:No.4)、フィン22が貫通孔311内に落ち込む変形が発生した。
 この結果より、L>Dとし、貫通孔311の周縁が締結孔12の周縁の外周側に配置されるようにすることで、制御部材30の軸方向変位を抑制できるといえる。特に、締結孔12の周縁から貫通孔311の周縁までの距離dが2.0mmよりも大きい場合、制御部材30の軸方向変位をより確実に抑制することができる。
 また、貫通孔311の幅Wをフィン22の頂面221の最大幅Wよりも小さくしておけば(W>W)、フィン22が貫通孔311内に落ち込む変形を抑制することができる。当該変形をより確実に抑制するためには、制動時におけるブレーキディスク20の径方向の移動量を考慮して、W-W>3.0mmとすることが好ましく、W-W>4.0mmとすることがさらに好ましい。
 100:ディスクブレーキ装置
 10:回転部材
 12:締結孔
 20:ブレーキディスク
 21:ディスク本体
 212:裏面
 22:フィン
 221:頂面
 222:締結孔
 222a:大径部
 222b:小径部
 30:制御部材
 31:ベースプレート
 311:貫通孔
 32:突出部
 40:締結部材
 41:頭部
 42:軸部
 

Claims (4)

  1.  鉄道車両用のディスクブレーキ装置であって、
     前記鉄道車両の車軸に取り付けられる回転部材と、
     前記回転部材に対向する裏面を有する環状のディスク本体と、前記裏面上に放射状に配置される複数のフィンと、を含むブレーキディスクと、
     前記回転部材と前記フィンとの間に挟まれるベースプレートと、前記ベースプレートから前記ディスク本体に向かって突出して前記フィンのうち前記ブレーキディスクの周方向において隣り合うフィンの間に位置付けられる突出部と、を含み、前記隣り合うフィンの間の通気量を制御する制御部材と、
     前記ブレーキディスク及び前記制御部材を前記回転部材に締結する締結部材と、
    を備え、
     前記フィンの少なくとも1つは、前記締結部材の頭部が配置される大径部と、前記大径部の直径よりも小さい直径を有し、前記締結部材の軸部が挿通される小径部と、を含む第1締結孔を有し、
     前記ベースプレートは、前記第1締結孔に対応して設けられ、前記軸部が挿通される貫通孔を有し、
     前記貫通孔の周縁は、前記第1締結孔の前記小径部の周縁の外周側に配置される、ディスクブレーキ装置。
  2.  請求項1に記載のディスクブレーキ装置であって、
     前記回転部材は、前記第1締結孔及び前記貫通孔に対応して設けられ、前記軸部が挿通される第2締結孔を有し、
     前記貫通孔の前記周縁は、前記第2締結孔の周縁の外周側に配置される、ディスクブレーキ装置。
  3.  請求項2に記載のディスクブレーキ装置であって、
     前記貫通孔の前記周縁と、前記第2締結孔の前記周縁との距離は、2.0mmよりも大きい、ディスクブレーキ装置。
  4.  請求項1から3のいずれか1項に記載のディスクブレーキ装置であって、
     前記周方向における前記貫通孔の幅は、前記第1締結孔を有する前記フィンの頂面の最大幅よりも小さい、ディスクブレーキ装置。
     
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WO2019194203A1 (ja) * 2018-04-03 2019-10-10 日本製鉄株式会社 空力音低減部材、鉄道車両用ブレーキディスクユニット、鉄道車両用ディスクブレーキ、鉄道車両用車輪および鉄道車両

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