JP4449180B2 - ブレーキディスクの締結構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として鉄道車両用ブレーキディスクに関し、ボルト孔等の締結孔の周縁部（以下、締結孔の周縁部を締結孔部ともいい、ボルト孔の周縁部をボルト孔部ともいう）に作用する応力を低減することにより、ブレーキディスクの締結孔部からの疲労破壊を抑制し、長期間の使用に耐え得るブレーキディスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両、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。近年では、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。
【０００３】
ディスクブレーキとは、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装置のことであり、通常、ボルトにより車軸または車輪に取り付けたドーナツ形の円盤状ディスクの摺動面に、ブレーキライニングを押し付けて制動力を得ることにより、車軸または車輪の回転を制動して車両の速度を制御する装置である。この摺動面を有する円盤状のディスクをブレーキディスクと称する。
【０００４】
ブレーキディスクの中で、鉄道車両用ブレーキディスクには、側ディスクと軸マウントディスクとがある。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。以下、側ディスクおよび軸マウントディスクをブレーキディスクと総称し、単にディスクともいう。
【０００５】
図１は、従来型の鉄道車両用ブレーキディスクの形状を示し、同図（ａ）は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。
【０００６】
同図に示すように、ブレーキディスク１は、一般に、摺動面４を含む外周部２と車輪等へ締結するための締結孔部であるボルト孔５の周縁部を有する内周部３とから構成されている。
【０００７】
図２は、従来型の鉄道車両用側ブレーキディスクが車輪へ取付けられた状態を模式的に示す断面図である。
同図に示すように、ブレーキディスク１、１は車輪６の両側面に締結部材であるボルト７とナット８とによって締結され、一体的に共回りするように取付けられている。ボルト７とナット８の座面には平座金９、９が夫々備えられている。ブレーキディスク１、１の摺動面４、４に対向する位置には、摺動面方向に移動可能な図示しないブレーキライニングが夫々取付けられ、車両を停止させるために制動するときには、ブレーキライニングがブレーキディスク側へ移動して車輪の両側面から強く挟圧し、この摩擦力によって車輪を介して車軸の回転を制動して車両を停止させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキ負荷時のディスクの回転速度や車両の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と比較して著しく大きい。そのため、ディスクの摺動面を含む外周部では、温度上昇に伴い非常に大きな熱膨張力が発生する。しかし、ボルト孔部を有し外周部に比して低温である内周部により拘束されるため、ディスク外周部では周方向に圧縮応力が生じ、ディスク内周部では周方向に引張応力が生じる。ディスク内周部のボルト孔部には前記引張応力が集中するため、ボルト孔部がディスク全体の中で最も危険な部位となる場合がある。
【０００９】
また、上述したように、ディスク外周部の膨張を拘束するディスク内周部のボルト孔部には引張応力が集中し、ブレーキ時には回転方向の応力をボルトから繰返し受けるため、ボルト孔部は疲労破壊が発生し易い危険部となる場合がある。したがって、ボルト孔部へ負荷されるこれらの応力を低減することにより、ディスクを長寿命化する技術が求められている。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑み、ボルト孔等の締結孔に挿通させたボルト等の締結部材によりディスクを被締結部材に締結させる締結構造において、ブレーキング時、つまりブレーキを作動させるときにディスクのボルト孔部等の締結孔部に作用する応力を低減させ、締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制し、ディスクを長寿命化することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ディスクのボルト孔部等の締結孔部に生じる応力集中を分散させるために、締結孔以外の部位によりディスクを拘束することを検討した。その結果、以下の知見を得た。
【００１２】
ボルト孔等の締結孔に挿通させたボルト等の締結部材によりディスクを被締結部材に締結させる締結構造において、前記締結に用いる座金を前記締結孔の周辺部において前記ディスクと嵌合させることにより、締結孔部への応力集中が分散し、締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制することが可能となる。
【００１３】
ここで、締結孔の周辺部とは、締結部材により車輪等の被締結部材へ締結するためにディスクに設けた締結孔の周縁部よりも締結孔に対して外側に位置する部位のことである。また、被締結部材とは、締結部材によりディスクと締結される部材であり、例えば、車輪に直接締結する側ディスクの場合には車輪であり、軸マウントディスクの場合においてディスク体を介して締結する場合にはディスク体である。
【００１４】
本発明は、上記知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は以下のとおりである。
ブレーキディスクに設けた締結孔に挿通させた締結部材により締結してなるブレーキディスクの締結構造であって、前記締結に用いる座金が、前記締結部材を挿通させる締結孔を備える板部と該板部に略直交する方向へ向けて突出して設けられる嵌合部とからなり、該嵌合部が前記ブレーキディスクの締結孔の周辺部において前記ブレーキディスクと嵌合してなることを特徴とするブレーキディスクの締結構造。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施態様例について、図面を参照して詳細に説明する。
図３は、鉄道車両用側ブレーキディスクを車輪へ取付ける締結構造を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）は本発明の一実施態様の締結構造であり、同図（ｂ）は従来の締結構造である。同図において、符号１０はディスクに設けた凹部と嵌合する凸部を有する座金であり、図２と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００１６】
同図（ａ）に示すように、本実施態様の締結構造においては、座金１０が締結孔の周辺部においてディスクと嵌合しているのに対し、従来の締結構造においては、平座金９はディスクと嵌合していない。
【００１７】
上述したように、同図（ｂ）に示す従来型のディスクの締結構造を適用した場合には、ボルト孔部においてのみディスクを拘束することとなり、ブレーキングにより発生する熱応力により、ディスク内周部のボルト孔部には著しい応力集中が生じて局所的な塑性変形を生じる場合がある。また、ブレーキ時には、回転方向の変位を拘束するために、ボルト孔部には著しい応力が回転方向に作用する。このため、ディスクの強度・延性が低い場合には、ボルト孔部よりき裂が発生し破断に至る場合がある。
【００１８】
これに対し、同図（ａ）に示す本実施態様のディスクの締結構造を適用した場合には、ボルト孔部のみならず座金との嵌合部においてもディスクを拘束することとなり、ブレーキングにより発生する熱応力により作用するボルト孔部への応力が分散され、局所的な塑性変形の発生を抑制することができる。これにより、ボルト孔部からのき裂の発生を抑制して、ディスクの長寿命化を図ることができる。
【００１９】
図４は、本発明の締結構造に適用される座金の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
図５は、本発明の締結構造に適用される座金の他の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【００２０】
図４及び図５に示すように、本実施態様例の座金は嵌合部１１と締結孔１２を備える板部１３とから構成させる。
ここで、座金の板厚ｔは、５ｍｍ以上とするのが好ましい。座金の板厚ｔが５ｍｍ未満では、締結時に板部１３が変形する可能性があり、また、嵌合部１１に負荷される応力により板部１３が変形してしまい、所期の応力分散効果が得られない場合がある。一方、板厚ｔを過度に大きくするとディスクの締結部の板厚を小さくせざるを得ない場合が生じるので、この場合にはディスクの強度低下を抑制するために座金の板厚ｔを１５ｍｍ以下とするとよい。
【００２１】
座金の嵌合部深さｄは、５ｍｍ〜２０ｍｍとするのが好ましい。嵌合部深さｄが５ｍｍ未満では、座金によるディスクを拘束する効果が小さくなり、応力分散効果が小さくなるおそれがある。また、嵌合部深さｄが２０ｍｍ超では、嵌合部のディスクの板厚が小さくなりディスクの強度低下を招く可能性がある。
【００２２】
座金の嵌合部幅ｗは、５ｍｍ以上とすることが好ましい。嵌合部幅ｗが５ｍｍ未満では、強度不足により座金の嵌合部１１が容易に変形し、所期の応力分散効果が得られない場合がある。
【００２３】
嵌合部１１の先端部には、応力集中を防ぐために、面取り加工若しくはＲ面加工を施すことが好ましい。
上記応力分散効果を効果的に得るためには、締結部材と締結孔部の位置に変位が生じた場合に、締結部材と締結孔部とが接触して締結部材から締結孔部へ応力が負荷される前に、締結部材と座金とが接触して締結部材から座金とディスクとの嵌合部へ応力が負荷されるようにした方が好ましい。このため、座金の締結孔１２の径は、ディスクの締結孔５の径よりも小さくすることが好ましい。
【００２４】
上記応力分散効果を効果的に得るためには、座金とディスクとの嵌合部の領域を大きくした方が好ましい。このため、図４に示すように、座金形状が円形である場合には、座金の外径Ｄはディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。また、図５に示すように、座金形状が長方形である場合には、座金の長さＸ及び幅Ｙを共にディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。座金形状が正方形である場合にも、１辺の長さをディスクの締結孔径の２倍以上とするのが好ましい。
【００２５】
図６は、図４に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す部分断面図であり、図１と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２６】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する環状の嵌合部１４が設けられている。
図７は、図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す部分断面図であり、図６と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２７】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する２本の平行な線分状の嵌合部１４が、ディスクの半径方向に締結孔５を挟むように設けられている。
【００２８】
図８は、図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す部分断面図であり、図６と同一の要素については同一の符号を用いて示す。
【００２９】
同図に示すように、ディスクの締結孔の周辺部には、図４に示す座金の嵌合部１１と嵌合する２本の平行な線分状の嵌合部１４が、ディスクの円周方向に締結孔５を挟むように設けられている。
【００３０】
図６〜図８において、ディスクの嵌合部１４は、締結作業時の作業性の観点から座金の嵌合部１１に対して大きい方が好ましいが、過度に大きくするとブレーキ負荷時に座金が振動したり、がたついたりするため、０．１〜０．５ｍｍのギャップを生じるようにするのが好ましい。また、嵌合部１４のコーナー部には、応力集中を防ぐために、面取り加工若しくはＲ面加工を施すことが好ましい。
【００３１】
なお、本実施態様においては、ディスクの一の締結孔に対し一の座金を夫々配置するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、座金がディスクの締結孔の周辺部で嵌合するようになしてあればよく、ディスクの締結孔の全てに対応する１つの環状の座金を配置したり、前記環状の座金を分割したような複数の締結孔に対応する座金を複数配置したりしてもよい。
【００３２】
また、本実施態様においては、嵌合部として、座金に凸部を、ディスクに凹部を夫々設けて互いに嵌合させるようにしたが、座金に凹部を、ディスクに凸部を夫々設けて、互いに嵌合させるようにしてもよい。
【００３３】
また、本実施態様では、鉄道車両用ブレーキディスクを例にとって述べたが、本発明はこれに限定されるものでなく、自動車及び自動二輪車等の機械式制動装置にも適用される。
【００３４】
【実施例】
本発明の効果を確認するため、Ａｌ基複合材を使用し砂型鋳造法により５種類のディスク（外径：７８０ｍｍ、摺動面幅：１２５ｍｍ）を製造し、これらに対応する座金を用いて締結し、ブレーキ試験を行なった。また、ＦＥＭ解析により締結部における相当塑性歪を求めた。
【００３５】
表１に試験を行った締結様式として座金形状と締結部数を示す。
【００３６】
【表１】

同表において、嵌合部付円形座金とは図４に示す形状の座金であり、嵌合部付長方形座金とは図５に示す形状の座金である。上記嵌合部付座金は、材質をＳＵＳ３０４とし、板厚ｔ：１０ｍｍ、嵌合部幅ｗ：１０ｍｍ、嵌合部深さｄ：１５ｍｍとした。また、嵌合部付円形座金では、座金外径Ｄ：６０ｍｍ、嵌合部付長方形座金では、長さＸ：６０ｍｍ、幅Ｙ：５０ｍｍとした。なお、嵌合部付長方形座金の配置は図８に示すようにした。
【００３７】
また、平座金は、嵌合部付座金と同一の材質を用いて、板厚：５ｍｍ、座金外径：６０ｍｍとした。
ブレーキ試験は、ＪＲ新幹線の台車をモデルにした車輪試験機を用い、ディスクを２枚一組として、摺動面を外側にして車輪の両面に取り付けて行なった。ブレーキライニング材には、銅系焼結合金を用い、初速度３００ｋｍ／ｈから非常ブレーキ相当の条件で行なった。このとき、試験番号１〜５のディスクの温度は約４００℃まで上昇した。その後ディスクを放冷し、ディスク温度が６０℃まで低下したところで、再度車輪を駆動させ、前記条件にてブレーキ試験を再度行なった。この工程を１００回繰り返し行った。
【００３８】
また、ＦＥＭ解析は、上記ブレーキ試験と同様の条件で、繰返し回数を４回として締結部（試験番号３についてはボルト孔部、その他についてはボルト孔部及び嵌合部）における相当塑性歪を求めた。
【００３９】
ブレーキ試験およびＦＥＭ解析結果を表１に併せて示す。
同表のブレーキ試験欄において、「○」は１００回のブレーキ試験後にボルト孔部にき裂が発生していなかったことを示し、「×」はき裂が発生していたことを示す。また、同表のＦＥＭ解析結果欄の数値は、ボルト孔部及び座金との嵌合部において発生する相当塑性歪（％）を示す。
【００４０】
同表に示すように、従来のように平座金を適用した試験番号３では、ブレーキ試験においてボルト孔部よりき裂が発生した。また、ＦＥＭ解析結果においても１．５％以上の相当塑性歪が発生しており、ブレーキ負荷時にき裂が発生する可能性が高いことが確認された。
【００４１】
一方、試験番号１及び２のように嵌合部付座金を適用した場合には、ブレーキ試験においてき裂は発生せず良好であった。また、ＦＥＭ解析結果においても、ボルト孔部と嵌合部の歪が１．０％以下と小さく良好な値となっており、ボルト孔部へ負荷される応力が分散されていることが確認された。
【００４２】
また、試験番号１、４、５に示すように、嵌合部付円形座金を適用した場合であって締結部を変更した場合においては、締結部数を６箇所にまで低減させてもブレーキ試験においてき裂は発生せず、また、ＦＥＭ解析結果からも若干嵌合部の相当塑性歪が増加するものの、その値は１．０％以下と小さく、締結部数を低減できる可能性が示された。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、締結孔の周辺部においてディスクと嵌合する座金を備えた締結構造を適用することにより、ディスクの締結孔部に負荷される応力を分散させることが可能となるので、ディスクの締結孔部からの疲労破壊の発生を抑制することができ、ディスクを長寿命化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来型の鉄道車両用ブレーキディスクの形状を示す図であり、図１（ａ）は、鉄道車両用ブレーキディスクの１／４を示す部分平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。
【図２】従来型の鉄道車両用側ブレーキディスクが車輪へ取付けられた状態を模式的に示す断面図である。
【図３】鉄道車両用側ブレーキディスクを車輪へ取付ける締結構造を模式的に示す断面図であり、同図（ａ）は本発明の一実施態様の締結構造であり、同図（ｂ）は従来の締結構造である。
【図４】本発明の締結構造に適用される座金の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の締結構造に適用される座金の他の実施態様例を示す図であり、同図（ａ）は側面図であり、同図（ｂ）は平面図である。
【図６】図４に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＢ−Ｂ断面を示す部分断面図である。
【図７】図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＣ−Ｃ断面を示す部分断面図である。
【図８】図５に示す座金を適用するディスクの一形状を示し、同図（ａ）は、ディスクの１／４を示す部分平面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＤ−Ｄ断面を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１ ：ブレーキディスク ２：外周部
３ ：内周部 ４：摺動面
５ ：ボルト孔（締結孔） ６：車輪（被締結部材）
７ ：ボルト（締結部材） ８：ナット（締結部材）
９ ：平座金 １０：嵌合部付座金
１１：座金嵌合部 １２：座金締結孔
１３：座金板部 １４：ディスク嵌合部

Claims (1)

1. ブレーキディスクに設けた締結孔に挿通させた締結部材により締結してなるブレーキディスクの締結構造であって、前記締結に用いる座金が、前記締結部材を挿通させる締結孔を備える板部と該板部に略直交する方向へ向けて突出して設けられる嵌合部とからなり、該嵌合部が前記ブレーキディスクの締結孔の周辺部において前記ブレーキディスクと嵌合してなることを特徴とするブレーキディスクの締結構造。

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