JP2022152986A - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Abstract

【課題】制動時において優れた冷却性能を発揮することができる鉄道車両用ブレーキディスクを提供する。【解決手段】ブレーキディスク（１００）は、環状のディスク本体（１０）と、フィン（２０）と、を備える。フィン（２０）は、ディスク本体（１０）の裏面（１２）上に放射状に配置される。フィン（２０）の少なくとも一部は、ディスク本体（１０）の半径方向において中央部にボルト孔（２２）を有する。ディスク本体（１０）は、内周部（１５）を含む。内周部（１５）は、半径方向においてボルト孔（２２）よりも内側に位置する。内周部（１５）の厚みは、半径方向で内側に向かうにつれて小さくなる。フィン（２０）の各々は、頂面（２１）と、凸部（２５）と、を含む。凸部（２５）は、仮想平面（Ｓ１）よりも半径方向で内側に突出する。仮想平面（Ｓ１）は、頂面（２１）の端部（２１２）と、裏面（１２）の内周縁（１２３）とを通る。【選択図】図３

Description

本開示は、鉄道車両用のブレーキディスクに関する。

鉄道車両の制動装置として、ディスクブレーキが広く使用されている。ディスクブレーキは、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。ブレーキディスクの表面（摺動面）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。

例えば新幹線等、高速で走行する鉄道車両に用いられるブレーキディスクには、その耐久性を確保する観点から、制動時における十分な冷却性能（放熱性能）が求められる。特に、高速鉄道車両が下り勾配区間を走行している間は、ブレーキディスクの制動が間欠的に行われる。このとき、ブレーキディスクの冷却性能が不十分であれば、ブレーキディスクが高温になり、結果としてブレーキディスクの耐久性が損なわれる。さらに、高温によりブレーキディスクが熱膨張することで、ブレーキディスクを車輪と締結するボルトへの負荷が増大する。

特許文献１は、制動時における冷却性能を向上させるための鉄道車両用ブレーキディスクを開示する。このブレーキディスクは、複数のフィンを裏面に有する。各フィンは、車輪に接触し、ブレーキディスク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。この空気により、ブレーキディスクが冷却される。

特許文献１において、フィンの一部はボルト孔を有する。ボルト孔は、ブレーキディスクの半径方向においてフィンの中央部に形成されている。各フィンにおいて、ボルト孔の外周側及び内周側には、ブレーキディスクの円周方向に沿う溝が形成されている。この溝は、ブレーキディスクと車輪との間の通気路を流れる空気に圧力損失を生じさせ、空力音を低減させる。

特許文献２は、自動車用ディスクブレーキへの適用を想定したブレーキディスクを開示する。このブレーキディスクは、車軸に取り付けられる一対の摺動板と、摺動板の間に設けられる複数のフィンと、を有する。各フィンは、ブレーキディスクの半径方向に延び、隣接するフィン及び一対の摺動板とともに通気路を画定する。一対の摺動板のうち、車軸方向で内側に配置される摺動板は、その内周側にテーパ部を有する。テーパ部は、ブレーキディスクの半径方向で内側に向かうにつれて、摺動板同士の間隔が広くなるように形成されている。特許文献２によれば、このテーパ部により、ブレーキディスクの内周側で通気路の開口面積が広くなり、通気路に対する空気の流入抵抗が小さくなるため、通気路内の風量を増大させてブレーキディスクの冷却性能を高めることができる。

国際公開第２０１４／０３８６２１号 特許第３５２１２６６号公報

上述したように、下り勾配区間においてブレーキディスクの制動が間欠的に行われると、ブレーキディスクの温度が上昇して、ブレーキディスク及びボルトの耐久性が損なわれる可能性がある。ブレーキディスクの温度上昇の程度は、ブレーキディスクの冷却性能に依存する。よって、鉄道車両用のブレーキディスクには、制動時において優れた冷却性能を発揮することが求められる。

本開示は、制動時において優れた冷却性能を発揮することができる鉄道車両用ブレーキディスクを提供することを課題とする。

本開示に係る鉄道車両用の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、を備える。ディスク本体は、表面及び裏面を有する。複数のフィンは、裏面上に放射状に配置される。複数のフィンの少なくとも一部は、ディスク本体の半径方向において中央部にボルト孔を有する。ディスク本体は、内周部を含む。内周部は、半径方向においてボルト孔よりも内側に位置する。内周部の厚みは、半径方向で内側に向かうにつれて小さくなる。フィンの各々は、頂面と、凸部と、を含む。頂面は、半径方向に延びる。凸部は、ブレーキディスクを半径方向に沿って切断した断面で見て、仮想平面よりも半径方向で内側に突出する。仮想平面は、上記断面で見て、半径方向における頂面の両端部のうち内側に位置する端部と、裏面の内周縁とを通る。

本開示に係る鉄道車両用ブレーキディスクは、制動時において優れた冷却性能を発揮することができる。

図１は、第１実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスクの裏面図である。 図２は、図１に示すブレーキディスクの１／８円部分斜視図である。 図３は、図１に示すブレーキディスクの半径方向断面図である。 図４は、第１実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスクと比較される他のブレーキディスクを示す図である。 図５は、第１実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスクと比較される他のブレーキディスクであって、図４に示すブレーキディスクとは異なるブレーキディスクを示す図である。 図６は、図３に示すブレーキディスクの熱変形を誇張して示す図である。 図７は、第２実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスクの半径方向断面図である。 図８は、熱流体解析に使用した各モデルの半径方向断面を示す模式図である。 図９は、各モデルについて、熱流体解析で得られた通気量と放熱指数との関係を示すグラフである。

実施形態に係る鉄道車両用の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、を備える。ディスク本体は、表面及び裏面を有する。複数のフィンは、裏面上に放射状に配置される。複数のフィンの少なくとも一部は、ディスク本体の半径方向において中央部にボルト孔を有する。ディスク本体は、内周部を含む。内周部は、半径方向においてボルト孔よりも内側に位置する。内周部の厚みは、半径方向で内側に向かうにつれて小さくなる。フィンの各々は、頂面と、凸部と、を含む。頂面は、半径方向に延びる。凸部は、ブレーキディスクを半径方向に沿って切断した断面で見て、仮想平面よりも半径方向で内側に突出する。仮想平面は、上記断面で見て、半径方向における頂面の両端部のうち内側に位置する端部と、裏面の内周縁とを通る（第１の構成）。

鉄道車両用ブレーキディスクは、使用時において、車軸に固定される円板状の回転部材（例えば車輪）に締結される。ブレーキディスクは、各フィンの頂面が回転部材の側面に接触するように回転部材に取り付けられる。各フィンは、ディスク本体及び回転部材とともに、ブレーキディスクの半径方向に延びる複数の通気路を画定する。第１の構成では、ディスク本体の内周部の厚みが半径方向内側に向かうにつれて小さくなるため、各通気路の断面積がブレーキディスクの内周側で拡大される。これにより、制動時において、ブレーキディスクの内周側から通気路に多量の空気を流入させて通気量を増大させ、ブレーキディスクを速やかに冷却することができる。よって、第１の構成に係るブレーキディスクは、制動時において優れた冷却性能を発揮することができる。

一般に、鉄道車両用ブレーキディスクが使用中に過度に高温化すると、ブレーキディスクの変形の程度、又はボルトへの負荷応力が大きくなるため、ブレーキディスクにおいて強度的な問題（耐久性の問題）が生じる可能性がある。一方、ブレーキディスクの過度な高温化を回避するため、制動力を低減させると、鉄道車両の制動距離が延伸してしまう。よって、鉄道車両用のブレーキディスクでは、適切な熱容量を確保することが必要である。ここで、ディスク本体の内周部を単純に薄肉化した場合、ブレーキディスクの内周側の質量が減少して熱容量が低下する。その結果、制動時において、ブレーキディスクの内周側で局所的な高温化が発生する可能性がある。しかしながら、第１の構成では、半径方向内側に突出する凸部によって各フィンを増量することにより、ブレーキディスクの内周側の熱容量を補填している。このため、ブレーキディスクの内周側における局所的な高温化を回避することができる。すなわち、半径方向内側に突出する凸部をフィンに設けることにより、ブレーキディスクにおいて適切な熱容量を確保することができ、制動力を不必要に低減させることなく、ブレーキディスクの高温化を抑制することができる。よって、鉄道車両用のブレーキディスクとして要求される耐久性を確保することができる。

通気路にはブレーキディスクの内周側から空気が流入するため、ブレーキディスクの内周側でフィンを増量させると、このフィンにより通気路への空気の流入が制限されて冷却性能が低下するとも予想される。しかしながら、本発明者等による検証結果によれば、径方向内側に突出する凸部は、フィンの表面積を拡大するため、ブレーキディスクの冷却性能を却って向上させる。すなわち、第１の構成に係るブレーキディスクは、各フィンの凸部により、制動時においてより一層優れた冷却性能を発揮することができる。そのため、ブレーキディスクの昇温時における到達温度を低くすることができる。その結果、ブレーキディスクの変形の程度、及びボルトへの負荷応力を抑制することができ、鉄道車両用のブレーキディスクとして要求される耐久性を確保することができる。また、昇温後のブレーキディスクが冷却される速度を大きくすることができ、ブレーキディスクの冷却に要する時間を短縮することができる。これにより、例えば鉄道車両を抑速するため、間欠的に制動を繰り返すことが容易となる。

ボルト孔を有するフィンの各々は、自身を横断する溝を含んでいてもよい。各フィンの溝は、半径方向においてボルト孔の外側及び内側に配置される（第２の構成）。

一般に、通気路内の通気量が増大すると、鉄道車両の走行時に発生する空力音が増加する。これに対して、第２の構成によれば、ボルト孔を有するフィンには、自身を横断する溝が形成されている。これらの溝の縁部や壁面は、通気路を流れる空気に圧力損失を生じさせて、通気路内の通気量を低減させる。このため、走行時における空力音の発生を抑制することができる。

第２の構成において、フィンに形成された溝は、通気路内の通気量を若干低減させるものの、フィンの表面積を増大させる。よって、制動時においてブレーキディスクの冷却を促進することができる。このように、第２の構成に係るブレーキディスクによれば、制動時における優れた冷却性能を維持しつつ、空力音の発生を抑制することができる。

ディスク本体の内周部は、テーパ面を有していてもよい。このテーパ面は、ディスク本体の裏面の一部を構成する。テーパ面は、ディスク本体の表面側に向かって縮径する。ブレーキディスクを半径方向に沿って切断した断面で見て、テーパ面がディスク本体の表面となす角度は、２５°以上４５°以下であることが好ましい（第３の構成）。

ディスク本体の表面にブレーキライニングが押し付けられたとき、ディスク本体とブレーキライニングとの摩擦による発熱で、ブレーキディスクは、各フィンの半径方向の両端部を支点としてアーチ状に熱変形する。この場合、ディスク本体の内周部が回転部材に接近して、通気路の入口付近の断面積が縮小するため、通気路に流入する空気の量が減少する。

これに対して、実施形態に係るブレーキディスクでは、ディスク本体の内周部を薄肉化することにより、通気路の入口付近の断面積が拡大されている。このため、ブレーキディスクに熱変形が生じた場合であっても、比較的多くの空気を通気路に流入させることができ、通気路内の通気量を維持することができる。

さらに、第３の構成によれば、ディスク本体の内周部において、裏面から表面に向かって縮径するテーパ面が形成されている。このテーパ面は、ブレーキディスクの内周側に向かうにつれて回転部材から遠ざかるように２５°以上で傾斜し、通気路の開口面積（入口面積）を広く確保する。このようにすることで、ブレーキディスクに熱変形が生じたときにもテーパ面の傾斜を維持することができ、通気路の開口面積を一定程度に維持することができる。よって、ブレーキディスクの熱変形に起因する通気量の減少を抑制することができる。また、ディスク本体において薄肉の内周部の範囲が広くなりすぎず、後述する剛性のバランスを維持することができる。

第３の構成によれば、ディスク本体の内周部において、テーパ面の角度は４５°以下に設定されている。これにより、通気路の断面積は、ディスク本体の内周側から外周側に向かい、急変することなく徐々に縮小される。よって、通気路内を流れる空気の圧力損失を抑制することができ、通気路内の通気量を十分に確保することができる。

ディスク本体の内周部は、曲面を有していてもよい。この曲面は、ディスク本体の裏面の一部を構成する。曲面とディスク本体の表面との距離は、半径方向で内側に向かって小さくなる。ブレーキディスクを半径方向に沿って切断した断面で見て、曲面の接線のうちディスク本体の表面に対する勾配が最大となる接線が当該表面となす角度は、２５°以上４５°以下であることが好ましい（第４の構成）。

第４の構成によれば、ディスク本体の裏面において、半径方向内側に向かってディスク本体を薄肉化する曲面が設けられている。この曲面の接線のうち最大勾配を有する接線と、ディスク本体の表面とがなす角度は、２５°以上に設定されている。これにより、ブレーキディスクの内周側に向かってディスク本体が回転部材から十分に遠ざかり、通気路の開口面積が広く確保される。よって、ブレーキディスクに熱変形が生じたとしても、ブレーキディスクの内周側においてディスク本体と回転部材との距離が過度に小さくなることがなく、通気路の開口面積を一定程度に維持することができる。そのため、ブレーキディスクの熱変形に起因する通気量の減少を抑制することができる。また、ディスク本体において薄肉の内周部の範囲が広くなりすぎず、後述する剛性のバランスを維持することができる。

第４の構成によれば、ディスク本体において、裏面側の曲面に対する接線は、表面と４５°以下の角度をなす。これにより、通気路の断面積は、ディスク本体の内周側から外周側に向かい、急変することなく徐々に縮小される。よって、通気路内を流れる空気の圧力損失を抑制することができ、通気路内の通気量を十分に確保することができる。

Ｌ１／Ｌ０は１／４以下であることが好ましい。Ｌ０は、ボルト孔を有するフィンの半径方向の長さである。Ｌ１は、内周部の半径方向の長さである（第５の構成）。

フィンの中央部にボルト孔が設けられる場合、ディスク本体の広範囲に薄肉の部分を形成すると、ブレーキディスクにおいて、ボルト孔の外周側と内周側との剛性のバランスが崩れる。その結果、制動時において、ボルト孔に挿入されたボルトを挟み、ブレーキディスクの外周側と内周側とで非対称な熱変形が発生するため、ボルトに生じる曲げ応力が増大する。これに対して、第５の構成によれば、ディスク本体の薄肉の内周部の長さがフィンの長さの１／４以下であり、ディスク本体における薄肉化の範囲が制限されている。これにより、ブレーキディスクにおいて、ボルト孔の外周側と内周側との剛性のバランスを維持することができる。よって、ボルトに生じる曲げ応力を抑制することができ、ボルトの耐久性を確保することができる。

ディスク本体は、さらに、その裏面上に複数の突起を有することができる（第６の構成）。

第６の構成によれば、ディスク本体の裏面上の突起により、ブレーキディスクの表面積が拡大される。これにより、制動時において、ブレーキディスクの冷却を促進することができる。

以下、本開示の実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスクについて、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。各図は、実施形態に係るブレーキディスクの主要な構成を説明するための模式的な図である。このため、各図に示されるブレーキディスクの細部の形状又は寸法比率等は、実際のブレーキディスクにおけるものと異なる場合がある。

＜第１実施形態＞
［ブレーキディスクの構成］
図１は、第１実施形態に係る鉄道車両用ブレーキディスク１００の裏面図である。図２は、図１に示すブレーキディスク１００の１／８円部分斜視図である。ブレーキディスク１００は、鉄道車両の回転部材（図示略）に締結される。回転部材は、環状円板であり、車軸に固定されて車軸とともに回転する。回転部材は、例えば車輪である。

図１及び図２を参照して、ブレーキディスク１００は、ディスク本体１０と、複数のフィン２０と、を備える。

ディスク本体１０は、環状の円板である。ディスク本体１０は、表面１１及び裏面１２を有する。表面１１は、ブレーキライニング（図示略）が押し付けられる摺動面である。裏面１２は、表面１１と反対向きの面である。ブレーキディスク１００が回転部材に締結されたとき、裏面１２は、回転部材の側面に対向する。以下、説明の便宜上、ディスク本体１０の半径方向及び円周方向を単に半径方向及び円周方向といい、半径方向と円周方向の両者に直交する方向を厚み方向という。

ディスク本体１０は、その裏面１２上に複数の突起１３を有する。各突起１３は、例えば、半球状、又は半回転楕円体状をなす。各突起１３は、他の突起１３と同一の形状を有していてもよいが、他の突起１３と異なる形状を有していてもよい。

複数のフィン２０は、ディスク本体１０の裏面１２上に放射状に配置されている。フィン２０は、ディスク本体１０の内周側から外周側に延びている。フィン２０の各々は、半径方向に延びる頂面２１を含む。ブレーキディスク１００が回転部材に締結されたとき、頂面２１は、回転部材の側面に接触する。これにより、回転部材と、円周方向において隣り合うフィン２０と、ディスク本体１０との間に空間が形成される。当該空間は、ブレーキディスク１００が回転部材とともに回転する際に空気が通過する通気路となる。

フィン２０の少なくとも一部は、半径方向の中央部にボルト孔２２を有する。本実施形態の例では、ディスク本体１０の裏面１２上に配置された複数のフィン２０のうち、一部のフィン２０にのみボルト孔２２が設けられている。ボルト孔２２は、フィン２０及びディスク本体１０を厚み方向に貫通する。ボルト孔２２には、ブレーキディスク１００を回転部材に締結する際にボルト（図示略）が挿入される。

ボルト孔２２を有するフィン２０の各々は、溝２３，２４を有する。溝２３，２４は、頂面２１からディスク本体１０側に凹の形状をなす。溝２３，２４は、概ね円周方向に延び、フィン２０を横断する。

溝２３，２４は、半径方向においてボルト孔２２の両隣に配置される。溝２３は、半径方向でボルト孔２２の外側に設けられている。溝２４は、半径方向でボルト孔２２の内側に設けられている。溝２３，２４の形状は、特に限定されるものではない。溝２３，２４の壁面及び底面は、平面、凸曲面、もしくは凹曲面、又はこれらの組み合わせによって構成することができる。本実施形態では、ボルト孔２２を有しないフィン２０も、溝２３，２４を有している。

図３を参照して、ディスク本体１０及びフィン２０の構成をさらに詳しく説明する。図３は、図１に示すブレーキディスク１００のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図、つまり、ブレーキディスク１００を半径方向に沿って切断した断面図である。以下、半径方向に沿うブレーキディスク１００の断面を半径方向断面という。

ディスク本体１０は、外周部１４と、内周部１５とを含む。内周部１５は、半径方向においてボルト孔２２よりも内側に位置する。より詳細には、内周部１５は、半径方向において溝２４よりも内側に位置する。外周部１４は、ディスク本体１０のうち、半径方向において内周部１５よりも外側に位置する部分であり、内周部１５を取り囲む。

外周部１４は、主裏面１２１を含む。主裏面１２１は、裏面１２の主たる部分である。主裏面１２１は、表面１１に実質的に平行な平面である。このため、外周部１４の厚みｔ０は、半径方向にわたって概ね一定となる。厚みｔ０は、主裏面１２１から表面１１までの厚み方向の長さである。厚みｔ０は、例えば、１７ｍｍ～２５ｍｍとすることができる。

前述の突起１３は、主裏面１２１上に形成されている。より詳細には、円周方向に隣り合うフィン２０の間において、主裏面１２１上に複数の突起１３が形成されている。成形性を考慮すると、ディスク本体１０の外周側に位置する突起１３は、半回転楕円体状であることが好ましい。その他の突起１３は、半球状とすることができる。

内周部１５は、テーパ面１２２を含む。テーパ面１２２は、裏面１２の一部を構成する。テーパ面１２２は、主裏面１２１と接続されている。テーパ面１２２は、主裏面１２１と直接接続されてもよいが、Ｃ面取り面又はＲ面取り面等を介し、主裏面１２１と間接的に接続されてもよい。

テーパ面１２２は、ディスク本体１０の表面１１側に向かって縮径する円錐面である。ブレーキディスク１００の半径方向断面視で、テーパ面１２２は、半径方向で内側に向かうにつれて表面１１に接近するように傾斜する。ブレーキディスク１００の半径方向断面視で、テーパ面１２２が表面１１となす角度αは、２５°以上４５°以下であることが好ましい。

テーパ面１２２により、内周部１５の厚みは、半径方向で内側に向かうにつれて小さくなる。すなわち、内周部１５は、外周部１４側からディスク本体１０の内周側の縁に向かい、徐々に薄肉化されている。内周部１５は、ディスク本体１０の裏面１２の内周縁１２３の位置で、最小厚みｔ１を有する。

最小厚みｔ１とは、裏面１２の内周縁１２３から表面１１までの厚み方向の長さをいう。本実施形態では、内周部１５の表面１１側に切欠き部が設けられているが、最小厚みｔ１は、この切欠き部を考慮しない厚みである。最小厚みｔ１は、例えば、３ｍｍ～１２ｍｍに設定することができる。外周部１４の厚みに対する内周部１５の最小厚みの比率ｔ１／ｔ０は、特に限定されるものではないが、例えば、０．１２～０．７である。

図３に示すように、各フィン２０は、凸部２５を含む。凸部２５は、フィン２０のうち、半径方向で仮想平面Ｓ１よりも内側に突出する部分である。ブレーキディスク１００の半径方向断面視で、凸部２５は、仮想平面Ｓ１から仮想平面Ｓ２までの間に設けられる。仮想平面Ｓ１は、半径方向における頂面２１の両端部２１１，２１２のうち内側に位置する端部２１２と、ディスク本体１０の裏面１２の内周縁１２３とを通る仮想的な平面である。仮想平面Ｓ２は、裏面１２の内周縁１２３を通って厚み方向に延びる仮想的な平面である。

凸部２５は、半径方向で内向きの表面２５１を有する。本実施形態において、表面２５１は、滑らかな曲面で構成されている。ただし、表面２５１は、平面で構成されていてもよい。ブレーキディスク１００の半径方向断面視で、表面２５１は、複数種類の曲線及び／又は直線を組み合わせて構成することができる。

ボルト孔２２を有するフィン２０は、半径方向において長さＬ０を有する。内周部１５は、半径方向において長さＬ１を有する。内周部１５の長さＬ１は、好ましくは、フィン２０の長さＬ０の１／４以下である。内周部１５の長さＬ１は、ブレーキディスク１００の半径方向断面視で、裏面１２の内周縁１２３から、テーパ面１２２の延長線と主裏面１２１の延長線との交点までの半径方向の長さで定義される。フィン２０の長さＬ０は、フィン２０の半径方向の最大長さである。本実施形態において、半径方向内側のフィン２０の端部の位置は、ディスク本体１０の裏面１２の内周縁１２３の位置と一致している。

［第１実施形態の効果］
本実施形態に係るブレーキディスク１００では、ディスク本体１０の内周部１５の厚みが半径方向で内側に向かうにつれて小さくなっている。これにより、ブレーキディスク１００の内周側で、鉄道車両の回転部材と、円周方向において隣り合うフィン２０と、ディスク本体１０とによって形成される通気路の断面積が拡大される。このため、回転部材の制動時において、ブレーキディスク１００の内周側から通気路内に流入する空気の量（通気量）を増大させることができる。よって、ブレーキディスク１００は、制動時において優れた冷却性能を発揮することができる。

本実施形態では、凸部２５により、ブレーキディスク１００の内周側でフィン２０が増量されている。このため、ディスク本体１０の内周部１５を薄肉化したにもかかわらず、ブレーキディスク１００の内周側において熱容量を確保することができる。よって、制動時において、ブレーキディスク１００の内周側が局所的に高温化するのを回避することができる。その結果、ブレーキディスク１００において、鉄道車両用のブレーキディスクとして要求される耐久性を確保することができる。

ブレーキディスク１００の内周側の熱容量を増加させる場合、ブレーキディスク１００の内周側で、フィン２０の一部を円周方向に突出させることも考えられる。例えば図４に示すように、ブレーキディスク１００の内周側の熱容量を単に増加させるだけであれば、ブレーキディスク１００の内周側において、フィン２０の両側面に凸部２６を設けることも考えられる。しかしながら、この場合、ブレーキディスク１００の内周側において通気路の断面積が特に円周方向に減少することになるため、通気路内の通気量が減少する。すなわち、図４の上図においてハッチングを付して示すように、通気路における空気の流入面が凸部２６によって縮小され、ブレーキディスク１００と回転部材との間の通気性が低下する。よって、ブレーキディスク１００の冷却性能が低下する。さらに、フィン２０を部分的に円周方向に突出させる場合、半径方向に延びる通気路において断面積が急拡大する部分が形成される。その結果、通気路では、その内部を流れる空気の圧力損失が増大して通気量が減少し、半径方向で外側に向かうにつれて空気の流速及び通気路の表面における熱伝達率が低下する。

あるいは、ブレーキディスク１００の内周側の熱容量を単に増加させるだけであれば、例えば図５に示すように、ブレーキディスク１００の内周側において、ディスク本体１０の裏面１２上に凸部１７を設けることも考えられる。しかしながら、この場合、ブレーキディスク１００の内周側において通気路の断面積が特に厚み方向に減少することになるため、通気路内の通気量が減少する。すなわち、図５の上図においてハッチングを付して示すように、通気路における空気の流入面が凸部１７によって縮小され、ブレーキディスク１００と回転部材との間の通気性が低下する。よって、ブレーキディスク１００の冷却性能が低下する。

これに対して、本実施形態では、ブレーキディスク１００の内周側において、フィン２０を半径方向内側に突出させて凸部２５を形成している。凸部２５は、通気路内には突出しないため、ブレーキディスク１００の内周側において、通気路の断面積を実質的に減少させない。すなわち、通気路における空気の流入面が凸部２５によって縮小されることがなく、ブレーキディスク１００と回転部材との間の良好な通気性を確保することができる。よって、ブレーキディスク１００において優れた冷却性能を維持しつつ、熱容量を増加させることができる。

また、半径方向内側に突出する凸部２５によってフィン２０の表面積が拡大されるため、ブレーキディスク１００の冷却をさらに促進する効果を得ることができる。よって、ブレーキディスク１００は、制動時においてより一層優れた冷却性能を発揮することができる。

本実施形態において、各フィン２０には、自身を横断する溝２３，２４が形成されている。溝２３，２４の縁部や壁面は、通気路を流れる空気に圧力損失を生じさせて、通気路における通気量を低減させる。このため、制動時における空力音の発生を抑制することができる。一方、溝２３，２４は、フィン２０の表面積を拡大して、制動時におけるブレーキディスク１００の冷却を促進する。よって、制動時におけるブレーキディスク１００の冷却性能を確保することができる。

本実施形態では、全てのフィン２０が溝２３，２４を有する。ただし、溝２３，２４は各フィン２０に必須の構成ではなく、フィン２０の一部又は全部が溝２３，２４を有しなくてもよい。例えば、ボルト孔２２が設けられたフィン２０のみに溝２３，２４を形成することもできる。

半径方向におけるブレーキディスク１００の剛性のバランスには、ディスク本体１０の剛性及びフィン２０の剛性の双方が影響する。ブレーキディスク１００の半径方向断面視で薄肉の内周部１５が溝２４に差し掛かる場合、ボルト孔２２の内周側の溝２４の近傍の剛性がボルト孔２２の外周側の溝２３の近傍の剛性よりも小さくなる。このため、制動時において、ボルト孔２２内のボルトに対して非対称な熱変形がブレーキディスク１００に生じやすくなり、ボルトに生じる曲げ応力が増大する。その結果、ボルトの耐久性が損なわれる可能性がある。

この点を考慮し、本実施形態では、ディスク本体１０の薄肉の内周部１５を溝２４よりも半径方向内側に配置している。これにより、ボルト孔２２の内周側と外周側とでブレーキディスク１００の剛性が釣り合い、制動時においてブレーキディスク１００の非対称な熱変形が生じにくくなる。よって、ボルト孔２２内のボルトに生じる曲げ応力を抑制することができ、ボルトの耐久性を確保することができる。

本実施形態において、ディスク本体１０の内周部１５の厚みは、テーパ面１２２により、半径方向で外側に向かって徐々に大きくなっている。このため、通気路の断面積は、ディスク本体１０の内周側から外周側に向かい、急変することなく徐々に縮小される。よって、通気路内を流れる空気の圧力損失を抑制することができ、通気路内の通気量を十分に確保することができる。

本実施形態に係るブレーキディスク１００において、裏面１２のテーパ面１２２が表面１１となす角度αは、好ましくは２５°以上に設定される。これにより、ブレーキディスク１００の熱変形時においても、回転部材に対するテーパ面１２２の傾きを維持することができる。

図６は、ブレーキディスク１００の熱変形を誇張して示す図である。図６に示すように、制動時において、フィン２０の頂面２１の両端部２１１，２１２を支点としてブレーキディスク１００がアーチ状に熱変形した場合、ブレーキディスク１００の外周側及び内周側が回転部材に接近し、回転部材とテーパ面１２２との開き角（回転部材に対するテーパ面１２２の傾き）が小さくなる。そこで、本実施形態では、表面１１に対してテーパ面１２２を２５°以上傾斜させることで、この開き角を予め大きく確保している。このため、ブレーキディスク１００の熱変形が生じた場合にも、回転部材とテーパ面１２２との開き角が保たれ、回転部材と裏面１２の内周縁１２３との距離（通気路の入口面積）を一定程度に維持することができる。よって、ブレーキディスク１００の熱変形時においても、通気路内の通気量の減少を抑制することができ、制動時における高い冷却性能を確保することができる。また、ディスク本体１０において薄肉の内周部１５の範囲が広くなりすぎず、外周側と内周側との剛性のバランスを維持することができる。

図６に示すようにブレーキディスク１００がアーチ状に熱変形することを考慮し、フィン２０の表面２５１は、曲面で構成されていることが好ましい。表面２５１が曲面状であれば、熱変形によってフィン２０が回転部材に接触した場合であっても、フィン２０によって回転部材が傷つけられにくい。

本実施形態において、ディスク本体１０の内周部１５の半径方向の長さＬ１は、好ましくは、フィン２０の半径方向の長さＬ０の１／４以下に設定される。これにより、ディスク本体１０において薄肉の内周部１５の範囲が制限される。よって、ブレーキディスク１００において、ボルト孔２２の外周側と内周側との剛性のバランスを維持することができ、ボルト孔２２の外周側と内周側とで非対称な熱変形が生じるのを抑制することができる。その結果、ボルト孔２２内のボルトに生じる曲げ応力を抑制することができ、ボルトの耐久性を確保することができる。

本実施形態に係るブレーキディスク１００では、内周部１５のテーパ面１２２が表面１１となす角度αは、好ましくは４５°以下に設定される。この場合、通気路の断面積は、ディスク本体１０の内周側から外周側に向かい、急変することなく徐々に縮小される。よって、通気路内を流れる空気の圧力損失を抑制することができ、通気路内の通気量を十分に確保することができる。

本実施形態において、ディスク本体１０の裏面１２上には、複数の突起１３が設けられている。この突起１３によってディスク本体１０の表面積が拡大されるため、制動時におけるブレーキディスク１００の冷却を促進することができる。

突起１３は、ディスク本体１０の必須の構成ではない。すなわち、ディスク本体１０の裏面１２には、突起１３が設けられていなくてもよい。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態に係るブレーキディスク１００Ａの半径方向断面図である。本実施形態に係るブレーキディスク１００Ａは、ディスク本体１０Ａの内周部１６の形状において、第１実施形態に係るブレーキディスク１００（図３）と異なる。

内周部１６は、曲面１２４を含む。曲面１２４は、裏面１２Ａの一部を構成する。曲面１２４は、複合円弧面で構成されている。曲面１２４と表面１１との距離は、半径方向で内側に向かって実質的に小さくなる。内周部１６は、第１実施形態と同様、ディスク本体１０Ａの裏面１２Ａの内周縁１２３の位置で、最小厚みｔ１を有する。

ブレーキディスク１００Ａの半径方向断面視で、曲面１２４の接線Ｔが表面１１となす角度βは、２５°以上４５°以下であることが好ましい。曲面１２４の接線Ｔは、曲面１２４の接線の中で、表面１１に対する勾配が最大となる接線である。角度βを２５°以上とすることで、第１実施形態と同様、ブレーキディスク１００Ａの熱変形が生じた場合にも、裏面１２Ａの内周縁１２３と回転部材との距離（通気路の入口の開口面積）を一定程度に維持することができる。また、ディスク本体１０Ａにおいて薄肉の内周部１６の範囲が広くなりすぎず、外周側と内周側との剛性のバランスを維持することができる。一方、角度βを４５°以下とすることで、通気路の断面積は、ディスク本体１０Ａの内周側から外周側に向かい、急変することなく徐々に縮小される。よって、通気路内を流れる空気の圧力損失を抑制することができ、通気路内の通気量を十分に確保することができる。

ディスク本体１０Ａにおける薄肉化の範囲を制限する観点から、内周部１６の長さＬ１は、第１実施形態と同様、フィン２０の長さＬ０の１／４以下に設定されることが好ましい。内周部１６の長さＬ１は、ブレーキディスク１００Ａの半径方向断面視で、裏面１２Ａの内周縁１２３から、曲面１２４の接線Ｔと主裏面１２１の延長線との交点までの半径方向の長さで定義される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様、ディスク本体１０Ａの内周部１６の厚みが半径方向で内側に向かうにつれて小さくなる。このため、ブレーキディスク１００Ａの内周側で通気路の断面積が拡大される。よって、鉄道車両の回転部材を制動する際、通気路内の通気量を増大させることができ、ブレーキディスク１００Ａに優れた冷却性能を発揮させることができる。

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。

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。

本開示に係る鉄道車両用ブレーキディスクによる効果を検証するため、汎用熱流体解析ソフトウェア（製品名：ＡＮＳＹＳ Ｆｌｕｅｎｔ、ＡＮＳＹＳ社製）を用い、鉄道車両が３６０ｋｍ／ｈで定常走行している場合を想定して三次元熱流体解析を行った。熱流体解析に使用したブレーキディスクの基本仕様は、以下の通りである。
＜基本仕様＞
・新幹線用の鍛鋼ブレーキディスク
・ディスク本体の内径：４６６ｍｍ
・ディスク本体の外径：７２２ｍｍ
・フィンの半径方向の長さＬ０：１２８ｍｍ
・ボルト孔：直径５８５ｍｍの円上に中心が位置するように配置

ブレーキディスクの冷却性能を示す評価指標として、放熱指数を使用した。放熱指数は、ディスク表面の平均熱伝達率と、ディスク表面積との積算値（ブレーキディスク１枚当たり・３６０ｋｍ／ｈ定常走行時）である。この放熱指数が高いほど、ブレーキディスクの冷却性能が高いことを意味する。

また、空力音のレベルを示す評価指標として、通気量を使用した。通気量は、３６０ｋｍ／ｈ定常走行時におけるブレーキディスクと車輪（回転部材）との間の通気量である。国際公開第２０１０／０７１１６９号に記載されている通り、ブレーキディスクと車輪との間の通気量と、空力音のレベルとの間には、強い相関がある。このため、熱流体解析で得られた通気量（単位時間当たり）を空力音のレベルを評価するための指標とした。通気量が大きければ、空力音のレベルも大きいといえる。

図８は、熱流体解析に使用した各モデルの半径方向断面を示す模式図である。実施例１～４のモデルでは、第１実施形態に係るブレーキディスク１００と同様、ディスク本体１０に薄肉の内周部１５が設けられ、且つ、フィン２０に凸部２５が設けられている。実施例２及び４のモデルでは、ディスク本体１０の裏面１２上に複数の突起１３が設けられている。実施例３及び４のモデルでは、フィン２０に溝２３，２４が設けられている。

比較例１のモデルでは、ディスク本体１０に薄肉の内周部１５が設けられず、且つ、フィン２０に凸部２５が設けられていない。比較例２のモデルでは、ディスク本体１０に薄肉の内周部１５が設けられているが、フィン２０には凸部２５が設けられていない。

実施例１～４及び比較例２において、内周部１５の角度αを３９°、フィン２０の長さに対する内周部１５の長さの比率Ｌ１／Ｌ０を０．１６とした。角度α、及び長さＬ０，Ｌ１の定義は、上記実施形態（図３）で説明した通りである。

図９は、各モデルについて、熱流体解析で得られた通気量と放熱指数との関係を示すグラフである。図９に示すように、比較例２のモデルの放熱指数は、比較例１のモデルの放熱指数よりも高い。よって、ディスク本体１０に薄肉の内周部１５を設けることにより、ブレーキディスクの冷却性能が向上することがわかる。

実施例１～４のモデルの放熱指数は、比較例２のモデルの放熱指数よりもさらに高い。すなわち、ディスク本体１０に薄肉の内周部１５を設けることに加え、半径方向内側に突出する凸部２５をフィン２０に設けることで、ブレーキディスクに優れた冷却性能を持たせることができる。

実施例２～４のモデルの放熱指数は、実施例１のモデルの放熱指数よりも高い。ディスク本体１０の突起１３及び／又はフィン２０の溝２３，２４によってブレーキディスクの表面積が拡大されたため、ブレーキディスクの冷却性能がより向上したと考えられる。

実施例３及び４のモデルの通気量は、実施例１及び２のモデルの通気量よりも小さくなっている。よって、フィン２０の溝２３，２４は、ブレーキディスクの冷却性能を向上させるだけでなく、空力音の低減にも有効であることがわかる。

１００，１００Ａ：ブレーキディスク
１０，１０Ａ：ディスク本体
１１：表面
１２：裏面
１２２：テーパ面
１２３：内周縁
１２４：曲面
１３：突起
１５，１６：内周部
２０：フィン
２１：頂面
２２：ボルト孔
２３，２４：溝
２５：凸部

Claims (6)

1. 鉄道車両用のブレーキディスクであって、
   表面及び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であって、当該フィンの少なくとも一部は、前記ディスク本体の半径方向において中央部にボルト孔を有する前記複数のフィンと、
   を備え、
   前記ディスク本体は、
   前記半径方向において前記ボルト孔よりも内側に位置し、前記半径方向で内側に向かうにつれて厚みが小さくなる内周部、
   を含み、
   前記フィンの各々は、
   前記半径方向に延びる頂面と、
   前記ブレーキディスクを前記半径方向に沿って切断した断面で見て、前記半径方向における前記頂面の両端部のうち内側に位置する端部と、前記裏面の内周縁とを通る仮想平面よりも、前記半径方向で内側に突出する凸部と、
   を含む、ブレーキディスク。
2. 請求項１に記載のブレーキディスクであって、
   前記ボルト孔を有する前記フィンの各々は、
   前記半径方向において前記ボルト孔の外側及び内側に配置され、前記フィンを横断する溝、
   を含む、ブレーキディスク。
3. 請求項１又は２に記載のブレーキディスクであって、
   前記内周部は、
   前記裏面の一部を構成し、前記表面側に向かって縮径するテーパ面、
   を有し、
   前記ブレーキディスクを前記半径方向に沿って切断した断面で見て、前記テーパ面が前記表面となす角度は、２５°以上４５°以下である、ブレーキディスク。
4. 請求項１又は２に記載のブレーキディスクであって、
   前記内周部は、
   前記裏面の一部を構成し、前記半径方向で内側に向かって前記表面との距離が小さくなる曲面、
   を有し、
   前記ブレーキディスクを前記半径方向に沿って切断した断面で見て、前記曲面の接線のうち前記表面に対する勾配が最大となる接線が前記表面となす角度は、２５°以上４５°以下である、ブレーキディスク。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のブレーキディスクであって、
   前記ボルト孔を有する前記フィンの前記半径方向の長さをＬ０とし、前記内周部の前記半径方向の長さをＬ１としたとき、Ｌ１／Ｌ０が１／４以下である、ブレーキディスク。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のブレーキディスクであって、
   前記ディスク本体は、さらに、前記裏面上に複数の突起を有する、ブレーキディスク。

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