JP4100297B2 - 鉄道車両用ブレーキディスク - Google Patents

Description

本発明は、主として鉄道車両用のブレーキディスク（単に、「ディスク」とも言う）に関し、ディスクの反り、摺動面のうねりを抑制することを目的とするものである。

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。そして、近年では、車両の高速化、大型化に伴いディスクブレーキが多用されるようになってきている。

ディスクブレーキは、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で、通常、ディスクの内周部あるいは摺動面内に設けられた取付孔に挿入されるボルトにより車軸または車輪に固定されている。そして、ディスクの回転を制動することにより、車軸または車輪の回転を制動し、結果として車両の速度を制御する。

ところで、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他の自動車及び自動二輪車用の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、ディスクは膨張しようとするが、ディスクは取付孔部で拘束されていることや、ディスクの変形が車輪との接触により拘束されることから、ディスクには反車輪側への変形（以下、「反り」と言う。）が生じる。このディスクの反りは円周方向に不均一となり、特に取付孔が外周部に設けられているほどその傾向は強くなる。

図４に示すように、ブレーキ負荷時には、白抜き矢印で示したように、ライニングをディスク１の摺動面１ａに押付けるが、ディスク１に破線で示したような反りが発生すると、ディスク１とライニングの接触が不均一になることから、摩擦特性（制動特性）が不安定になる。そして、ディスクの反り量がある限界値以上になるとディスクは使用できなくなる。

従って、実際に使用する場合には、ディスクの反り等を定期的に検査し、そり量やうねり量（ディスクにおける円周方向の最大反り量から最小反り量を減じた値）が規定値以上になった際にはディスクを交換する必要がある。

このように、ディスクの変形は、制動特性が不均一になったり、ディスク寿命の短縮に繋がって経済性の観点から好ましくないので、ディスクの変形を抑制し、ディスクを長寿命化する技術が求められている。

そこで、ディスクの長寿命化等を図るため、例えば、ディスクを、摺動面を有する外リングとボルト取付部を有する内リングとに分割し、外リングに嵌合させた内リングをボルトにより車輪に固定する構成のブレーキディスクがある。
特開平１０−３１８３０４号公報

しかしながら、外リングと内リングを嵌合させるためには、円周方向にある程度の隙間を設ける必要がある。この隙間が小さいと作業性が悪化する一方、大きいとガタが発生してブレーキの制動特性が不安定となり好ましくない。また、嵌合部にはブレーキの繰返しによる応力が発生するため、嵌合部に十分な耐久性が得られるように設計する必要がある。

本発明が解決しようとする問題点は、ブレーキ負荷により鉄道車両用ディスクに反りやうねりが生じる結果、制動特性が不安定になる等である。

本発明は、ディスクの形状を適正化することにより、ディスクの重量増加を可及的に抑制しつつディスクの反りやうねりを低減し、制動特性の均一化とディスクの長寿命化を可能とするために、車軸または車輪に複数のボルトによって締結され、片面入熱される鉄道車両用ブレーキディスクであって、板厚を、ブレーキディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を、少なくとも一部分に備え、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを最も主要な特徴とする。ここで、薄肉部とは、周期的に変化させている板厚の最も厚い部分以外の領域をいい、最も好ましくは、周期的に変化している板厚の最も薄い部分を含んだ場所をいい、この薄肉部でボルトによる締結を行うと良い。

鉄道車両に使用されているブレーキディスクとしては、車輪の側面に締結される側ディスクと、車軸に締結される軸マウントディスクが挙げられる。
本発明は、側ディスク及び軸マウントディスクの両者に関するものであり、以下、本明細書において、ブレーキディスク（ディスク）と言うときは、側ディスク及び軸マウントディスクの両者を指すものとする。

本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、ディスクの板厚を、ディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を有し、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことで、ディスク重量の増加を可及的に抑制しながら、ディスクに発生する反りやうねりを効果的に低減できるという利点がある。

片面入熱のブレーキディスクでは長期間の使用により反りやうねりが発生する場合があり、特に走行速度の速い車両ではその傾向が顕著であることは前述の通りである。

本発明者らはこのような反りやうねりについて、種々条件を変更して各種の実験や解析を行ったところ、前記反りやうねりが発生する場合でも、ディスクの内周部や、摺動面中央部のボルト締結位置の外周部では、締結の影響によって反りが比較的少なく、締結部と締結部の間では反り変形が比較的大きくなる傾向を有することを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、従来のブレーキディスクに比べて重くなりすぎず、しかも、熱が加わっても従来のブレーキディスクに比べてひずみ難いようにするために、車軸または車輪に複数のボルトによって締結され、片面より入熱されるブレーキディスクであって、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、その板厚を、ブレーキディスク１１の同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を、当該同一円周上の少なくとも一部分に備え、この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを特徴とするものである。

本発明において、締結部１１ａと締結部１１ａの間の繋ぎ部１１ｂの板厚ｔ1 は、従来ディスクに比べて厚くしすぎるとディスクの重量が重たくなりすぎる反面、従来ディスクとあまり変化がない場合には反りの抑制効果がない。従って、反りの抑制効果の観点から、前記板厚ｔ1 は、図１（ｄ）（ｅ）に示すように、厚さが均一な従来ディスクと略同じ厚さを有する締結部１１ａの板厚ｔ2 （すなわち薄肉部）の、１．２倍以上とするのが好ましい。さらに、前記板厚ｔ1 を板厚ｔ2 の１．５倍以上とすると、うねりの抑制効果も得られてより好ましいものとなる。なお、これらｔ1 ／ｔ2 の値の上限値はディスク重量が重くなりすぎない範囲で合理的に選択可能である。

また、本発明において、締結部１１ａの板厚ｔ2に比べて締結部間の繋ぎ部１１ｂの板厚ｔ1を厚くすることから、摺動面１１ｃの裏面１１ｄ側における締結部１１ａと繋ぎ部１１ｂの連続部分の形状は、曲線状、直線状、階段状の何れのように変化させても良いが、制動時にディスクに発生する応力を考えると、曲線状若しくは直線状に変化させることが望ましい。図１は前記連続部分を直線状に変化させた例を示している。

さらに、これらの周期的に厚さの変わる部分が、一つのユニットとして構成され、当該ブレーキディスクの同一円周上において、ユニットが不等間隔に配置されても良い。つまり、少なくとも同一円周上の一部分に、当該周期的厚さ変化部分が備えられていれば良い。但し、回転時のバランスはいかなる場合でも取れていなければならないことは言うまでもない。なお、ディスクの材質は、鋳鉄、鍛鋼、Al基複合材料、カーボン等どのような材質を使用しても良い。

本発明において、一番重要な点は、同一円周上で見たときに、等間隔で交互に存在する前記厚肉部と薄肉部があることである。従って、本発明において、ブレーキディスクを車輪に固定するためのボルトは、薄肉部内で、ボルトの位置が径方向や円周方向にずれて設けられていても良く、また、ボルトが締結されない薄肉部があっても良い。

つまり、必ずしもボルトが全ての薄肉部に取り付けられる必要はなく、また、必ずしもボルトが等間隔に取り付けられている必要もないが、ボルトの取り付け位置は、図１に示すように、等間隔に取り付けたり、点又は線対称位置に取り付ける方が、ひずみや応力に対しては有利であり、点対称位置に配置する方がより好ましいことは言うまでもない。さらに、前記の周期的厚さ変化部分が同一円周上全てに亘って等間隔に備えられているものが最も好ましいことは、バランス、応力分布、その他の条件を鑑みても言うまでもない。

特にブレーキディスクの径方向中央部でボルトを締結した場合、好ましくはボルトの軸中心がブレーキディスクの径方向中央位置となるように締結した場合には、ひずみも応力も均等に分散され、耐久性もより向上する。ここで、ブレーキディスクの径方向中央部とは、ブレーキディスクの外径と内径との差の幅に対して、幅を半分にした前記ブレーキディスク外径及び内径と同心円の円周上を中心にして、例えば締結されるボルト直径程度外径よりか、内径よりにあっても良いような、合理的に中央部付近にあると判断できる許容範囲をもつものとする。

図２は本発明の鉄道車両用ブレーキディスクを鉄道車輪の側面に締結した状態を示した模式的断面図である。
本発明のブレーキディスク１１は、ボルト２で締結する部分（ボルト座）のみ、板厚を例えば従来のブレーキディスクと同じ厚さの１８ｍｍとし、その他の部分は、前記ボルト２による締結部分の板厚の例えば２倍の厚さ（３６ｍｍ）になるように、ブレーキディスク１１の同一円周上において等間隔で周期的に変化させている。そして、前記薄肉部における径方向中央部でボルト２によって車輪３に締結している。

上記のような本発明のブレーキディスクの効果を確認するために、本発明例のディスクを対象にＦＥＭ解析を実施した。ＦＥＭ解析では現在新幹線で使用されている鍛鋼の材料定数を使用した。また、有限要素分割では対称性を考慮し、全周の１／１２（３０°）をモデル化した。モデル化したディスクの摺動面の幅（図３における１の方向の長さ）は１３４ｍｍである。

下記表１及び図３にＦＥＭ解析モデルを示す。表１に示すように、板厚が１８ｍｍで一定である従来例に対して、本発明例では、締結部間の板厚を、締結部の板厚（１８ｍｍ）の２倍の３６ｍｍとなるように、締結部に設けた取付孔の中心位置から繋ぎ部の中心位置まで直線状に漸増させた。両ブレーキディスクの重量は、本発明例で５９．０ｋｇ、従来例で４５．７ｋｇである。なお、取付孔の位置は両者とも径方向（図３における１の方向）中央部で同じである。

ＦＥＭ解析条件は、現在営業運転している車両速度よりも速い３６０ｋｍ／ｈからの非常ブレーキ負荷相当とした。３６０ｋｍ／ｈから非常ブレーキを負荷すると営業車両は約１３０秒後に停止することから、ＦＥＭ解析ではブレーキ時間を１３０秒とした。また、ブレーキを繰返し３回負荷する条件とした。

表２にＦＥＭ解析結果を示す。ブレーキディスクの最高温度は、従来例の６３７．８℃に対して本発明例では５６２．６℃と、約１２％低下した。また、ブレーキディスクの最大反り量は、従来例の０．０３４ｍｍに対して本発明例では０．０２５ｍｍと、約２６％改善された。また、最大反り量から最小反り量を減じたうねり量は、従来例の０．００３９ｍｍに対して本発明例では０．００３０ｍｍと、約２３％改善された。

上記の実施例では、ディスクの締結部の厚さを従来ディスクと同じ厚さとしたものについて説明したが、ディスク締結部の厚さは、従来ディスクの厚さよりも薄くしても良いことは言うまでもない。

以上のように、本発明のブレーキディスクは、鉄道車両や自動車及び自動二輪車等のブレーキディスク、特に高速走行する車両のブレーキディスクとして有用であり、特に安全性や長寿命化が求められる車両に適している。

本発明のブレーキディスクの説明図で、（ａ）は摺動面側から見た全体の１／４の図、（ｂ）は（ａ）の裏面側から見た図、（ｃ）は（ａ）を外周側からみた図、（ｄ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｅ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 ボルトによる締結部の中心をブレーキディスクの径方向中央に設けた本発明の鉄道車両用ブレーキディスクを鉄道車輪の側面に締結した状態を示した模式的断面図である。 本発明（ａ図）と従来例（ｂ図）のＦＥＭ解析モデル図である。 制動時、ブレーキディスクを固定するボルトに負荷される軸力の説明図である。

符号の説明

２ ボルト
３ 車輪
１１ ブレーキディスク
１１ａ 締結部
１１ｂ 繋ぎ部
１１ｃ 摺動面
１１ｄ 裏面

Claims (4)

1. 車軸または車輪に複数のボルトによって締結され、片面より入熱される鉄道車両用ブレーキディスクであって、
   板厚を、ブレーキディスクの同一円周上において等間隔で周期的に変化させた部分を有し、
   この周期的に変化させた板厚のうちの薄肉部でボルトによる締結を行うことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
2. 前記ボルトによる締結部は、等間隔位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
3. 前記ボルトによる締結部は、対称位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
4. 前記ボルトによる締結部は、ブレーキディスクの径方向中央部に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
   

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