JP2000309271A - 鉄道用車輌用ブレーキディスクの締結金具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鉄道車両用ブレーキディスクおよび締結ボル
トの長寿命化、ボルト本数の低減およびボルト締結作業
の信頼性を向上可能な締結金具を提供する。 【解決手段】 締結金具を環状のフランジ部にボルト孔
とボルト部を設けた構造とし、他方の同形状の締結金具
のボルト部、ボルト孔と互いに貫通させディスクを車輪
に締結する構造とする。締結金具の一方をボルト孔の
み、他方をボルト部のみの構成としてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉄道車両用のブレ
ーキディスクを車輪に締結する場合に用いる締結金具に
関する。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の機
械式制動装置として、ブロックブレーキ、ドラムブレー
キ、ディスクブレーキなどが使用されている。近年、車
両の高速化、大型化にともないディスクブレーキが多用
されるようになってきた。ディスクブレーキは、ブレー
キディスクとブレーキライニングとの摩擦により制動力
を得る構造をもっており、通常、ボルトにより車軸また
は車輪に取り付けられている。

【０００３】鉄道車両に使用されているブレーキディス
クとしては、側ディスク、軸マウントディスクが挙げら
れる。側ディスクとは、車輪の側面に締結されるブレー
キディスクのことであり、軸マウントディスクとは車軸
に締結されるブレーキディスクのことである。本発明
は、側ディスクに関するものである。以下の説明では、
ブレーキディスク（ディスク）とは側ディスクのことを
いう。

【０００４】図１はブレーキディスクを装着した鉄道用
車輪の部分断面図である。同図において、符号１は車
輪、２は車軸、３はディスクブレーキのディスク、４は
摺動面、５はリム、６は車輪ディスク、７は車輪のボル
ト穴、８はディスクのボルト穴、９はディスクを車輪に
締結するボルト、１０はナットである。

【０００５】ディスク３の摺動面４は片面にあり、ここ
が発熱するので摺動面４側が伸びる方向、すなわち、摺
動面４の反摺動面側に湾曲する方向にひずみが加わる。
しかし、反摺動面側は車輪ディスク６で拘束されている
ため、圧縮熱応力が摺動面４側、特にブレーキパッドの
当たる部分に蓄積され、応力が材料の降伏応力を超える
と塑性ひずみを生じる。ブレーキが解放されるとディス
ク３の温度は下がり、発熱による膨張はなくなるが、圧
縮側に降伏しているため、摺動面４が収縮して、図１の
点線で示すように摺動面４側にすり鉢状に変形する（そ
りが生じる）。

【０００６】新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキ負
荷時の回転速度や慣性力が非常に大きいため、ディスク
の温度上昇は自動車及び自動二輪車用ブレーキディスク
と比較して著しく大きい。そのため、温度上昇に伴う熱
ひずみも非常に大きくなる。この熱ひずみによりディス
クは膨張するが、この膨張をボルトおよび車輪により拘
束しているため、ディスクは反車輪側への変形（そり）
し、ボルト穴部では局所的なひずみが発生する。また、
ディスクと車輪を締結しているボルトには、締付けによ
り発生する応力の他に、ブレーキ負荷時に発生するトル
クを拘束することによる曲げ応力、ディスクの板厚方向
の熱膨張を拘束することによる引張応力およびディスク
のそりによる曲げ応力が負荷される。これらの繰返し応
力によりボルトが疲労破壊する恐れがある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の熱応力によるデ
ィスクの破損を抑制するため、例えば、特開平１０−３
１８３０４号公報には、従来は一体としていたディスク
を摺動面を有する外リングとボルト取付け部を有する内
リングとに分割し、外リングと内リングを嵌合し、さら
にボルトにより内リングと車輪を締結する技術が提案さ
れている。ディスクを２分割することによって摺動面の
熱ひずみを内リングのボルト締結部から遮断し、内リン
グに高強度材を使用することによりボルト穴より発生す
るき裂を抑制できるとしている。しかし、同公報に開示
された方法は、ボルトに負荷される応力を低減すること
はできず、また、ディスクが内リングと外リングに分割
されているため、摩擦特性で不具合（摩擦係数が安定し
ない）が発生するおそれがある。

【０００８】また、特開平１０−１２９４８１号公報に
は、締結ボルトとディスク間にリング状のスペーサを設
け、このスペーサによりディスクとボルトの接触面積を
増大させる技術が提案されている。接触面積が増大する
ことで接触部での応力を小さくし、その結果ボルト穴縁
部に発生する応力を小さくし、ディスクが長寿命化でき
るとしている。しかし、同公報に開示された方法ではボ
ルトに発生する応力を低減する効果はなく、ボルトを長
寿命化することはできない。

【０００９】上記のように、鉄道車両用側ディスクには
ブレーキ負荷時に様々な応力が負荷される。それにとも
ないボルトにも様々な応力が発生し、その結果、ディス
ク・ボルトともき裂が発生し、破損に至る可能性があ
る。

【００１０】一方近年、車輌のばね下荷重を軽減して、
乗り心地改善と車体の軽量化がすすめられており、ディ
スク材料にＡｌ複合材が使用されるようになってきた。
Ａｌ複合材ディスクの材料強度は鉄系ディスクに比べて
劣るため、ボルト締結部の応力集中を緩和するという新
たな課題がある。

【００１１】さらに、所定の交換期間前にディスク締結
ボルトが破損するおそれもあり、その原因の一つとして
ディスクを車輪に組み付ける際の締結ボルトの取付けミ
スの可能性が考えられる。すなわち、ボルトの締結作業
は単純であるが極めて高い信頼性を要求される。

【００１２】本発明の課題は、(1) ディスクのボルト穴
縁部に発生する応力を緩和することによりボルト穴縁部
を長寿命化すること、(2) ボルトに負荷される応力を低
減し、ボルトの長寿命化、ボルト本数の低減、ボルト径
の低減をはかること、(3) ボルト締結作業の信頼性を高
めること、にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】発明者らは前記課題を解
決する方法を種々検討し、試験を積み重ねた結果、下記
のような知見を得た。

【００１４】(a) 従来形式ディスクを締結する際、ボル
トのヘッド部分の径、ナットまたは座金径を大きくする
と、ディスクのボルト孔まわりの応力集中を緩和するこ
とができる。ただし、ボルトヘッド、ナットまたは座金
の径が大きすぎると他と干渉するため、これらを長方形
またはブレーキディスクの形状に沿った扇形等にして面
積を大きくするとよい。

【００１５】(b) 特定のボルトまたはディスクの特定ボ
ルト孔に荷重または応力が集中しないようにするには、
ボルト同士が連結されていればよい。前記(a) と合わせ
て考えれば、環状体を基体としてその上に複数のボルト
を一体化した構成にするとよい。

【００１６】(c) 複数のボルトが一体化することによっ
て、ボルトの取付けミスが減少する効果もあり、締結作
業の信頼性が高まる。

【００１７】本発明は上記の知見に基づいて完成したも
のであり、その要旨は下記の(1) および(2) にある。

【００１８】(1) 環状のフランジ部に他方の締結金具か
ら延びたボルト部を貫通させるボルト孔と、該他方の締
結金具に設けられたボルト孔に貫通させるボルト部とを
有することを特徴とする鉄道用車輌用ブレーキディスク
の締結金具。

【００１９】(2) 環状のフランジ部に他方の締結金具か
ら延びたボルト部を貫通させるボルト孔を有する雌型締
結金具と、該雌型金具のボルト孔に貫通させるボルト部
を有する雄型金具とで一組の締結金具とすることを特徴
とする鉄道用車輌用ブレーキディスクの締結金具。

【００２０】

【発明の実施の形態】図２は本発明の締結金具の外観を
示す斜視図である。図３は本発明の締結金具を用いてデ
ィスクを車輪に締結した状態を示す縦断面図である。図
２、図３において、図１と同一要素は同一符号で示す。

【００２１】図２において、左方の締結金具１１ａと右
方の締結金具１１ｂは同形状で、２つが一対となって締
結に供する。同図に示すように、締結金具１１ａまたは
１１ｂのフランジ１４上には、ボルト孔１６とボルト部
１５が交互に配置されている。

【００２２】ディスクを締結した状態では図３に示すよ
うに、両方の締結金具１１ａ、１１ｂ間にディスク３を
２枚と車輪ディスク６を挟み、フランジ１４に取付けら
れたボルト部１５が他方の締結金具１１ｂのボルト孔１
６に貫通し、ナット１０で締め付けられる。

【００２３】図４は本発明の締結金具の他の例の外観を
示す斜視図である。同図において、符号１２は雄型締結
金具、符号１３は雌型締結金具である。図２と同一部品
は同一符号で示す。図４において、ボルト部１５のすべ
てが雄型締結金具１２のフランジ１４上に設けられてい
る。

【００２４】本発明においては図２のように、締結金具
１１ａ、１１ｂを２つ一組としてディスクを締結しても
よいし、図４のような雄型金具１２と雌型金具１３を一
組として締結してもよい。図２の形式の締結金具は、締
結金具１１ａ、１１ｂを同一形状とすることによって部
品種類が少なくなる利点がある。一方、図４に示すよう
に、雄型と雌型を一組として用いる形式は、ボルト締め
付けが片側から作業になるので、既存の自動締結装置を
そのまま利用できる利点がある。

【００２５】本発明では、ディスクと車輪の締結部をフ
ランジにより一体化することにより以下の効果がある。

【００２６】(1) 従来、ディスクと締結用のボルトはボ
ルトヘッド部または座金部のみで接触していたが、ボル
トヘッドもしくは座金部に相当する部分をフランジにす
ることによって接触面積が大きくなり、面圧が低減する
効果がある。すなわちディスクのボルト孔周辺の摩擦力
に起因した応力が軽減される。

【００２７】従来法によるボルト締結では、個々のボル
トがディスク面に対して、傾いた状態で取り付けられる
恐れがあって、ボルトヘッド面または座金面が片当たり
し、ボルトまたはディスクに局部的な応力集中の恐れが
ある。本発明の締結金具のようにフランジを介してボル
ト部が一体化され、あるいは座金部が一体化されると、
ボルトが斜めに取り付けられることはなくなり、ディス
クの局部的な応力集中を抑制できる。

【００２８】(2) 剛性が大きいフランジによりボルト部
および座金部が一体化されると、ディスクの締結部の面
圧が平準化され、変形を低減できる。この効果によりボ
ルト部に生じる曲げ応力が軽減される。また、従来法の
ボルトによる締結では、締付力不足により締結部の剛性
が低下するおそれがあるが、フランジとボルト部を一体
化することにより上記の剛性低下のおそれは低い。

【００２９】(3) 従来法でも本発明に係る締結方法でも
ディスクのボルト孔とボルト間にはある程度の隙間（ク
リアランス）がある。従来法では複数のボルトとボルト
孔とが接触しているものや接触していないものがある。
接触しているものにおいても両者の接触の方向・方位は
任意である。この状態でブレーキ力が負荷されると、負
荷を大きく受けるボルトや、負荷の小さいボルトがあ
る。ブレーキ方向（上り・下りの別））によっても、状
況が変化する。従って、特定のボルトに過大な負荷が発
生するおそれがある。

【００３０】本発明のように、フランジを介して締結部
を一体化することで、取り付け時にボルト部のボルト穴
に対する取り付け位置のばらつきが抑制できるので、ボ
ルト・ボルト孔への負荷が平準化され、特定のボルトへ
の過大な応力負荷を軽減できる。その結果、ディスクお
よびボルトの長寿命化が可能になる。

【００３１】図２に示す本発明のフランジ１４の板厚ｔ
が薄すぎると、ブレーキ負荷に伴うディスクの変形によ
りフランジが変形したり、ボルト部１５が折れる可能性
がある。板厚ｔが厚すぎると、フランジ重量が増加しそ
の結果輪軸の重量が増加することから、７〜２５mmにす
るのが良い。強度と軽量性の両立させるには１０mm〜１
５mmにするのが特に良い。

【００３２】また、図２に示すフランジ１４の幅Ｗが小
さすぎると、厚いディスクを用いた場合に車輪との拘束
力が低下したり、ボルト部が折れたりする可能性があ
る。幅Ｗが大きすぎるとフランジが重くなることから５
０〜１５０mm以下にするのが良い。

【００３３】図２の形式の締結金具や、図４の雌雄一対
の締結金具にかかわらず、ボルト部１５の合計本数は、
少なすぎると厚さ方向の拘束力、ブレーキ負荷時の回転
方向の拘束力が低くなり、ボルト部に負荷される応力が
大きくなって、ボルト部が破断するおそれがある。ボル
ト部１５の合計本数多すぎるとフランジおよびディスク
の強度が低下することから、４〜１８本にするのが良
い。また、締結力を均等にするため、ボルト部およびボ
ルト穴部は円周上の均等な位置に配置するのが良い。

【００３４】

【実施例】表１にブレーキ試験を実施したディスク締結
法の一覧を示す。試作したディスクには現在新幹線車両
で使用されている鍛鋼ディスク材を用いた。なお、試作
したディスクはすべて外形７８０mm、摺動面幅１２５mm
とした。

【００３５】

【表１】

【００３６】試験体Ｎｏ．１およびＮｏ．２は本発明に
よる締結金具を用いたディスクである。試作した締結金
具のフランジは、すべて板厚１２mm、板幅８０mmとし
た。

【００３７】本発明例の試験体Ｎｏ．１のディスクには
図２に示す形式の締結金具を用いたが、ボルト部は一対
の金具で合計１２本設けた。

【００３８】本発明例の試験体Ｎｏ．２のディスクは図
４に示す雄型と雌型を一組とした形式の締結金具を用い
たが、雄型のボルト部本数は１２本である。

【００３９】試験体Ｎｏ．３は従来の締結方法によるデ
ィスクである。試験体Ｎｏ．４は特開平１０−３１８３
０４号公報に開示された技術によるディスクである。試
験体Ｎｏ．５は特開平１０−１２９４８１号公報に開示
された技術によるディスクであり、リング状の座金を介
してディスクを締結している。

【００４０】試験体Ｎｏ．３〜５のディスクではボルト
本数・ボルト孔数を１２とした。

【００４１】上記５種類のディスク試験体を用いて実体
ブレーキ試験を実施した。試験条件は速度３００km/hか
らのブレーキ負荷相当とした。この時ディスク温度は約
６００℃まで上昇する。その後ディスク温度が５０℃以
下になるまで冷却した後再度ブレーキを負荷した。この
ブレーキ負荷を繰返し１００回行った。

【００４２】表２にブレーキ試験結果を示す。

【００４３】

【表２】

【００４４】摩擦係数に関して、試験体Ｎｏ．１および
Ｎｏ．２（本発明例）の摩擦係数の平均値、変動幅とも
試験体Ｎｏ．３（従来例）とほぼ同じ値になっており、
本発明例の摩擦特性には問題がないことがわかった。

【００４５】一方、従来例のボルトに負荷される応力を
比較すると、試験体Ｎｏ．４およびＮｏ．５は試験体Ｎ
ｏ．３とほとんど差がなく、ボルトへの負荷はあまり改
善されていない。これに対して、本発明に係る試験体Ｎ
ｏ．１よびＮｏ．２では、全てのディスクでボルト部の
応力が試験体Ｎｏ．３より小さくなっており、フランジ
による締結によって、ボルト部の応力が軽減されている
ことがわかった。この効果により、ボルト部が長寿命化
されることが予想できる。

【００４６】次に、Ａｌ複合材ディスクでの試験を行な
った。この試験では、表１の鍛鋼ディスク試験体Ｎｏ．
１および試験体Ｎｏ．３〜５の締結方法を用いた。それ
ぞれの試験体Ｎｏ．を１ａ、３ａ〜５ａとする。

【００４７】Ａｌ複合材ディスクは、鍛鋼ディスクと同
様に、外形７８０mm、摺動面幅１２５mmとし、すべて鋳
造法により製造した。ただし、試験体Ｎｏ．４ａの内リ
ングは鍛鋼製とした。

【００４８】Ａｌ複合材ディスクを用いたブレーキ試験
でも鍛鋼ディスクと同様に３００km/hからの非常ブレー
キ負荷相当とした。

【００４９】表３に試験結果を示す。

【００５０】

【表３】

【００５１】表３に示すように、ブレーキ試験を行った
ところ、従来例の試験体Ｎｏ．３ａおよびＮｏ．５ａで
は、ブレーキ負荷の数回でディスクのボルト孔周辺にき
裂が発生し、試験を中断したが、本発明例の試験体Ｎ
ｏ．１ａおよび従来例の試験体Ｎｏ．４ａではき裂は発
生しなかった。

【００５２】従来例の試験体Ｎｏ．３ａ、Ｎｏ．５ａの
ボルト締結ではボルト孔部に集中していた応力が、本発
明例の試験体Ｎｏ．１ａではフランジとディスクの接触
部に一様に負荷され、ボルト孔部の応力が分散したため
と考えられる。一方、試験体Ｎｏ．４ａでき裂が発生し
なかったのはボルト部を有する内リングに高強度材料を
使用したためである。

【００５３】試験体Ｎｏ．１ａおよびＮｏ．４ａは引き
続きブレーキ試験を行ってボルト部応力またはボルト応
力を測定した。

【００５４】表３に示すように、試験体Ｎｏ．４ａで
は、摩擦特性が安定せず、使用できないことがわかっ
た。一方試験体Ｎｏ．１ａでは、摩擦特性は安定してお
り、ブレーキディスクとして適用できることがわかっ
た。また、ボルト部の応力も小さくなっていた。

【００５５】以上のブレーキ試験結果より本発明の締結
金具をディスクに適用することでボルト部およびボルト
を長寿命化できることがわかった。

【００５６】

【発明の効果】本発明の締結金具を用いることにより、
ディスクと車輪の締結部および締結ボルトに負荷される
応力を小さくすることが可能となり、締結部を長寿命化
できる。また、ボルト穴部に発生する応力集中を小さく
することが可能となり、ディスクを長寿命化できる。さ
らに、締結作業のばらつき要因が減少するため、車輪全
体の信頼性が向上する。本発明をＡｌ複合材ディスクに
適用すると効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】ブレーキディスクを装着した鉄道用車輪の部分
断面図である。

【図２】本発明の締結金具の外観を示す斜視図である。

【図３】本発明の締結金具を用いてディスクを車輪に締
結した状態を示す縦断面図である。

【図４】本発明の他の締結金具の外観を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１：車輪 ２：車軸 ３：ディスク ４：摺動面 ５：リム ６：車輪ディスク ７：車輪のボルト穴 ８：ディスクのボルト穴 ９：ボルト １０：ナット １１、１１ａ、１１ｂ：締結金具 １２：雄型締結金具 １３：雌型締結金具 １４：フランジ １５：ボルト部 １６：ボルト孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 三幸 大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金 属工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3J058 AA44 AA47 AA53 AA62 AA69 AA73 BA31 BA46 BA51 CB12 CB14 DD02 FA21

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１と第２の締結金具から構成される鉄
   道用車輌用ブレーキディスクの締結金具であって、第１
   の締結金具は環状のフランジ上に起立するボルト部と、
   第２の締結金具から延びたボルト部を貫通させるボルト
   孔とを有し、第２の締結金具は環状のフランジ上に起立
   するボルト部と、第１の締結金具から延びたボルト部を
   貫通させるボルト孔とを有することを特徴とする鉄道用
   車輌用ブレーキディスクの締結金具。
2. 【請求項２】 雄型締結金具と雌型締結金具とで構成さ
   れる鉄道用車輌用ブレーキディスクの締結金具であっ
   て、雄型締結金具は環状のフランジ上に起立するボルト
   部を有し、雌型締結金具は雄型締結金具から延びたボル
   ト部を貫通させるボルト孔を有することを特徴とする鉄
   道用車輌用ブレーキディスクの締結金具。