JP2002266911A

JP2002266911A - 車両用ディスクブレーキ

Info

Publication number: JP2002266911A
Application number: JP2001069945A
Authority: JP
Inventors: Koji Kadota; 浩次門田
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレーキディスクのディスクは、その作動の
際、摩擦熱による熱膨張により大きな応力が生じ、永久
変形が生じるなどの問題がある。そこで、ディスクと車
輪の結合部に生じる応力を低減し、しかも熱膨張の影響
を緩和できるディスクブレーキを提供しようとするもの
である。【解決手段】本発明は、車両用ディスクブレーキのディ
スクに削設するボルト穴またはリベット穴を該ディスク
の半径方向に小判型の長円形状にしたものである。ま
た、上記ボルト穴またはリベット穴に、その形状に沿う
座金を挿入したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円盤状に成形さ
れた鉄道車両、単車、自動車などの車両に用いられるデ
ィスクブレーキに関するもので、変形しにくく、熱膨張
の影響を緩和できるディスクブレーキのディスクに係る
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、図１３に示すようにディスク６１が車軸６３に圧入
され一体化されているものと、図９のように円盤状のデ
ィスク３１を車輪３７の両側面にボルト３３等により取
り付けられているものとがある。後者の形式のディスク
ブレーキでは、車輪とディスクの熱膨張の差による熱応
力が生じる。図８に後者の形式のディスクブレーキのデ
ィスクの形状を示す。同図に示すように、ディスク３１
には車輪に取付けるためのボルト穴３８が削設されてお
り、ディスク３１の表面をブレーキの摺動面としてい
る。このディスク３１は、図９に示すように上記ボルト
穴３８にボルト３３挿入し、ワッシャ３５および皿ワッ
シャ３６を介してナット３４により、車輪３７の両側面
に固定されている。

【０００３】上記のように構成されたディスクブレーキ
は、その作動時において摺動面がブレーキパッドで挟持
されて、その摩擦熱によりディスク３１の温度が上昇す
る。この摩擦熱は、ディスク３１が取り付けられた車輪
３７との接触部を通じて伝導するが、接触部の面積が少
ないために車輪３７への熱伝導は少なく、車輪３７の温
度上昇は少ない。そのためディスク３１と車輪３７とで
は、数１００度の温度差が生じる。通常、このディスク
３１の材料としては、鋳鉄や鍛鋼が用いられてきたが、
近年の車両性能向上のために軽量化が要請されている。
その要請に基づいて、比重が７．２〜７．８の重い鉄系
材料に対して、比重が２．７と鉄系材料の約１／３であ
る軽いアルミ系の材料、特にＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｓｉ
Ｃなどのセラミック粒子等の強化粒子を分散させたアル
ミ系複合材料が用いられるようになってきた。このアル
ミ系の材料は、その線膨張係数は２２〜２４×１０-6
（１／度）であり、鉄系材料である車輪の１０〜１２×
１０-6（１／度）の約２倍である。一方、温度上昇によ
る熱膨張は、温度差と線膨張係数の積であるので、ディ
スク３１の温度が車輪３７の温度よりも高くなると、デ
ィスク３１は熱膨張を生じようとし、特にアルミ系材料
製のディスクの場合には従来の鉄系材料のディスクに比
べて大きな熱膨張を生じようとし、外周方向へ拡がろう
とする。

【０００４】しかし、外周方向に熱膨張しようとするデ
ィスク３１は、ボルト３３あるいはリベットにより車輪
３７と結合されているために、車輪３７によってその自
由な膨張変形が拘束されることになる。そのために、デ
ィスク３１および車輪３７のボルト穴３８部に大きな応
力が発生することになる。特に、ディスクとしてアルミ
系の材料を用いている場合には、鉄系の材料に比べて強
度が低いために、永久変形の発生などの不具合につなが
る可能性がある。

【０００５】そこで、これに対して特開平１０−１１５
３３６号公報では、図１０に示すように、ディスク３１
に削設したボルト穴４３を長穴の一方を切り欠いた形状
とすることにより、ボルト３３によってディスクの半径
方向の変形を拘束しない方法が開示されている。しか
し、ディスクブレーキの作動時には、円周方向のブレー
キ力がディスクから車輪に伝達されるが、このとき図１
１（ａ）に示すようにディスクのボルト穴４３の底部に
は大きな応力σ１が生じる。このボルト穴４３部が図１
０のように他方が切り欠かれている形状の場合には、該
ボルト穴４３の穴底への応力の集中度合いが、一般的な
ボルト穴形状の場合よりもさらに高くなるという問題が
ある。

【０００６】また、上記のような切り欠き状としたディ
スクの場合、図１１（ａ）に示すようにブレーキ作動時
にディスク３１から車輪３７に伝達される荷重Ｐ１によ
りディスク３１のボルト穴４３部周辺には局部的な曲げ
が生じる。これを簡略的に模式化すると図１１（ｂ）に
示すように、ボルト穴底部で固定された片持ち梁の先端
に荷重が働いた状態といえる。したがってボルト穴４３
底部に作用する曲げモーメントＭ１は、荷重Ｐ１と梁の
長さＬ１の積により、Ｐ１・Ｌ１と計算される。

【０００７】また、ボルト穴またはリベット穴を、上記
のような切り欠き形状あるいは長円形状とするとボルト
またはリベットとディスクの穴部とが線接触となり、接
触圧が高くなり、この部分で「へたり」と呼ばれる永久
変形が生じるという問題がある。

【０００８】更に、これに対して、特開平１０−１２９
４８０号公報では、図１２に示すように、アルミ系材料
で製作したディスク４９に、鉄系材料製の固定リング５
０をはめ込み、該固定リング５０にボルト穴部を形成す
る考案が提案されている。これらディスク４９と固定リ
ング５０は、回転トルクを確実に伝達するためにセレー
ション部５１と呼ばれる歯車形状の凹凸が設けられてい
る。しかしながら、このセレーション部５１でのはめ合
いの精度が悪く、ガタがある場合には片当たりが生じて
荷重がセレーション部５１の一部に集中し、該セレーシ
ョン部５１に過大な永久変形が生じるという不具合が生
じる。そのために、ディスク４９および固定リング５０
のセレーション部５１の部分を高精度で加工しなければ
ならず、製作費用が上昇するという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のとおり、前者の
先行技術の場合、切り欠き状ボルト穴底部に大きな応力
が生じ、永久変形が生じるなどの問題がある。また後者
の先行技術の場合、ディスクと固定リングとを精密に仕
上げる必要があり、多大の労力を要することになる。本
発明の目的は、上記種々の問題を解消すべくなされたも
ので、ディスクと車輪の結合部に生じる応力を低減し、
しかも熱膨張の影響を緩和できるディスクブレーキを提
供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、車両用ディス
クブレーキのディスクが車輪またはホイルとボルトまた
はリベットにて結合されている車両用ブレーキディスク
において、上記ディスクの結合部のボルト穴またはリベ
ット穴を該ディスクの半径方向に小判型の長円形状にし
たものである。

【００１１】また本発明は、上記ディスクの結合部に削
設した小判型の長円形状のボルト穴またはリベット穴に
長円形状の座金を挿入して、ボルトまたはリベットによ
り結合するようにしたものである。

【００１２】上記の第１の解決手段を用いれば、ブレー
キ作動時の温度上昇によってディスクに外周方向の熱膨
張変形が生じても、ディスクに削設されたボルトまたは
リベット穴が長穴であるために、ディスクは車輪に取り
付けられたボルトあるいはリベットなどの結合部材によ
って拘束されることなく、半径方向に変形可能であり、
ディスクに生じる応力が低減される。また、ボルト穴部
が長円形状である場合には、ボルトの荷重によるボルト
穴底部での応力は両端の穴底部に分散されるために、穴
底部の応力は切り欠き形状の場合よりも低下し、該ボル
ト穴の永久変形などの不具合が発生する可能性は低くな
る。

【００１３】上記ボルト穴を小判型の長円形状にするの
は、ディスク側あるいは車輪側の少なくとも一方で良
く、どちらを長円形状にするかはそれぞれの発生応力、
材料強度などの条件により決定すれば良い。勿論、両方
のボルト穴部を長円形状とする方法も選択可能である。
このボルト穴形状は半径方向放射状にまっすぐ伸びた長
円形状以外にも、傾いた形状、「く」の字型に曲がった
形状などであってもディスクの半径方向の熱膨張を拘束
しない穴形状であれば、本発明の目的を達成することが
できる。

【００１４】また、上記第２の解決手段を用いれば、長
円形状の座金は、結合部のディスクあるいは車輪の長穴
に沿う形状となっているために、ディスクあるいは車輪
と面で接触するために、この部分で生じる接触面圧を低
減することができる。この場合、上記座金を半径方向に
は穴の寸法よりも短く作られているために、ディスクの
熱膨張に伴う半径方向の変位を拘束しないので、ディス
クに生じる熱応力を緩和しつつ、ボルトあるいはリベッ
トとディスクとの間の接触面圧を緩和することが可能と
なる。また、この挿入部材の材質を鉄系の材料としてお
けばディスクのアルミ系材料に比べて永久変形に対する
接触面圧の限界値が高くなり、永久変形をさらに生じに
くくすることが可能である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明による
実施形態を詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明の実施形態の一つとして鉄道
車両用ディスクブレーキのディスクを示す斜視図であ
る。同図において、１はディスクで、該ディスク１には
車輪（図示せず）に取り付けるのためのボルト穴２が多
数あけられている。このボルト穴２は、ディスク１の半
径方向放射状に削設された長円形状である。ディスク１
は、上記ボルト穴２にボルト３が挿通され、ナット４に
よりワッシャー５、皿ワッシャー６を介して車輪と結合
される。

【００１７】図２は、図１のＡ方向からボルト穴部を見
た平面断面図であり、わかりやすくするためにナット
４、ワッシャー５などは省略している。ディスク１のボ
ルト穴２に通されたボルト３は、ボルト穴２がディスク
１の半径方向放射状に長円形状であるために、ディスク
１が熱膨張した際にその半径方向の変形を拘束すること
はない。なお、ボルト穴２にはディスク１の熱膨張量と
車輪の熱膨張量を勘案して、これら熱膨張量の差以上の
初期隙間Ｌ５を設けておく必要がある。

【００１８】図３は本発明によるディスクを車輪への取
り付けた状態を示す断面図である。ディスク１は、ボル
ト穴２にボルト３を挿通し、ワッシャー５、皿ワッシャ
ー６などを介してナット４で締付けることにより車輪７
の両側面に結合される。このボルト３の代わりにリベッ
トなどを用いても良いことは言うまでもない。

【００１９】図４は本発明によるディスクに削設するボ
ルト穴形状の他の実施例を示した平面図である。同図に
示すように、ボルト穴１８は、ディスク１の半径方向に
一定の角度を持って傾斜した長円形状に削設したもので
あり、該ボルト穴１８にボルト３が挿入されて、前記実
施例と同様にして車輪（図示せず）と結合される。

【００２０】上記のように、ボルト穴２、１８は、長円
形状の実施例について説明したが、この形状に限定する
ものでなく、ディスク１中心から外方へ放射状に広がる
形状、あるいはくの字型に形成しても良い。また、これ
らボルト穴２、１８は、３６０度をボルト数で割った値
の一定角度で円周方向に均等に削設することが望まし
い。

【００２１】図５は本発明によるボルト穴部の変形を防
止するための座金形状を示した要部拡大平面図である。
長円形状のディスク１のボルト穴２には、長円形状の座
金２１が挿入されており、この座金２１に削設されたボ
ルト穴２２にボルト３を挿通して、前述と同様にディス
ク１を車輪（図示せず）と締結する。この座金２１をボ
ルト穴２に挿入することにより、該座金２１とディスク
１とは、互いに面で接触するためにその接触圧力を下げ
ることができる。また座金２１のボルト穴径をボルト３
の径と近い値としておけば、ボルト３と座金２１も面で
接触させることが可能である。さらに、座金２１を鉄系
の材料とすることにより座金の変形も抑えることができ
る。なお、座金２１のボルト穴２２には、ディスク１の
熱膨張量と車輪の熱膨張量を勘案して、これら熱膨張量
の差以上の初期隙間Ｌ６を設けておくことが望ましい。

【００２２】上記のようにボルト穴２、１８を長円形状
にした場合の曲げモーメントについて説明する。図６
（ａ）に示す長円形状のボルト穴におけるボルト穴底部
に生じる曲げモーメントは、図６（ｂ）に示すようにボ
ルトの荷重Ｐが両端固定の梁に働く場合と簡略化して考
えることができる。この場合、ボルト穴底に作用する曲
げモーメントＭ２は、荷重Ｐ２、梁の長さＬ２よりＰ・
Ｌ２／７．２となり、Ｌ２がＬ１に等しい場合には図１
１（ｂ）の従来の例での曲げモーメントＭ１の約７分の
１と小さくなる。ここではもう一方の寸法Ｌ３はＬ２の
１／５であるとしている。また曲げモーメントＭ３の絶
対値はＭ２の絶対値よりも小さい。

【００２３】図７は本発明によるディスクを自動二輪車
に適用した実施例を示す側面図である。同図において、
９は自動二輪車の車輪のホイルで、該ホイル９にボルト
１０にてディスク１１が装着されている。自動二輪車で
は軽量化の点からホイル９の多くはアルミ製であり、デ
ィスク１１は錆防止の点からステンレスである場合が多
い。この自動二輪車のディスクブレーキのディスク１１
も、鉄道車両の場合と同様にブレーキ作動時に温度が上
昇し熱膨張しようとするが、本発明を適用することによ
り、この熱膨張の拘束を弱め、発生する熱応力を低減す
ることが可能である。

【００２４】

【発明の効果】上記のとおり構成されるもので、本発明
による車両用ブレーキディスクのディスクを用いれば、
ディスクブレーキ作動時には長円形状のボルト穴により
締結用ボルトとディスクとが互いに摺動することによ
り、ディスクの熱膨張による変形を拘束することがな
く、ディスクに過大な変形が生じることがない。また、
ボルト穴形状を長穴としているためにボルト穴の穴底に
発生する応力が分散され、局部的な応力が集中すること
はない。更に、長円形状のボルト穴に沿う形状の座金を
挿入することにより、接触面積が大きくなり、ディスク
のボルト穴に働く接触圧力を著しく低下させることがで
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による車両用ディスクブレーキのディス
クの一実施例を示す斜視図である。

【図２】図１のＡ方向からボルト穴部を見た平面断面図
である。

【図３】本発明によるディスクを車輪に取り付けた状態
を示す断面図である。

【図４】本発明によるディスクに削設するボルト穴形状
の他の実施例を示した平面図である。

【図５】本発明によるボルト穴部の変形を防止するため
の座金形状を示した要部拡大平面図である。

【図６】本発明による長円形状のボルト穴における応力
のかかる状況を示す概略図で、（ａ）は長円形状のボル
ト穴底部に生じる応力を、（ｂ）はボルトの荷重Ｐに対
する曲げモーメントの簡略化した模式図である。

【図７】本発明によるディスクを自動二輪車に適用した
実施例を示す側面図である。

【図８】従来の一般的なディスクブレーキのディスク形
状を示す斜視図である。

【図９】従来のディスクを車輪に取り付けた状態を示す
断面図である。

【図１０】従来のディスクブレーキのディスク形状を示
す斜視図である。

【図１１】従来のディスクのボルト穴における応力のか
かる状況を示す概略図で、（ａ）はボルト穴底部に生じ
る応力を、（ｂ）はボルトの荷重Ｐに対する曲げモーメ
ントの簡略化した模式図である。

【図１２】従来のディスクブレーキのディスク形状を示
す斜視図である。

【図１３】ディスクが車軸に圧入され一体となっている
従来のディスクブレーキの構造を示す平面図である。

【符号の説明】

１，１１ディスク２，１８ボルト穴３，１０ボルト４ナット７車輪２１座金

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車両用ディスクブレーキのディスクが車輪
またはホイルとボルトまたはリベットにて結合されてい
る車両用ブレーキディスクにおいて、上記ディスクに削
設するボルト穴またはリベット穴を、該ディスクの半径
方向に長円形状に形成したことを特徴とする車両用ディ
スクブレーキ。
【請求項２】上記ボルト穴またはリベット穴に、その形
状に沿う座金を挿入したことを特徴とする請求項１記載
の車両用ディスクブレーキ。
【請求項３】上記ボルト穴またはリベット穴を、半径方
向に対し傾斜させたことを特徴とする請求項１〜２記載
の車両用ディスクブレーキ。
【請求項４】上記ボルト穴またはリベット穴を、くの字
型の曲げた形状にしたことを特徴とする請求項１〜３記
載の車両用ディスクブレーキ。