WO2019189487A1 - ブレーキディスク - Google Patents

Abstract

ブレーキディスク（１）は、複数のフィン（１５）と、リブ（２６）とを含む。複数のフィン（１５）は、ブレーキディスク（１）の裏面（１４）に周方向に沿って並んで配置され、ブレーキディスク（１）の半径方向に延びる。リブ（２６）は、裏面（１４）に配置され、隣接する２つのフィン（１５）を繋ぎ、ブレーキディスク（１）の半径方向に沿ってブレーキディスク（１）の内周側から外周側に延びる。リブ（２６）のブレーキディスク（１）の内周側の端部（１７）は、ブレーキディスク（１）の裏面（１４）と結合され、かつ、リブ（２６）のブレーキディスク（１）の外周側の端部（１９）は、ブレーキディスク（１）の裏面（１４）と結合されない。リブ（２６）は、少なくともリブ（２６）のブレーキディスク（１）の外周側の端部（１９）に形成され、ブレーキディスク（１）の裏面（１４）と対面する内面（２３）を含む。

Description

ブレーキディスク

　本発明は、ブレーキディスクに関する。さらに詳しくは、鉄道車両用のブレーキディスクに関する。

　鉄道車両を制動するために、鉄道車両の車軸に固定される環状部材（例えば、車輪）にはディスクブレーキ装置が取り付けられる。ディスクブレーキ装置は、ブレーキキャリパ、ブレーキライニング、ブレーキディスクを含む。ブレーキディスクは鉄道車両の環状部材にボルトによって取り付けられているため、環状部材と一体となって回転する。ボルトは一般に、ブレーキディスクの半径方向の中央近傍に設けられる。ブレーキキャリパがブレーキライニングに力を加えると、ブレーキライニングはブレーキディスクに押し付けられる。ブレーキライニングがブレーキディスクに押し付けられると、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の回転が制動される。これにより、環状部材も制動され、鉄道車両が減速する。

　鉄道車両の制動の際、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、ブレーキディスクは発熱する。ブレーキディスクの温度が過度に上昇すると、ブレーキディスク及びブレーキライニングが早期に摩耗する。ブレーキディスクの温度上昇を抑制するためたとえば、ブレーキディスクの裏面に放射状に延びるフィンを設け、通気路を形成することが知られている。このブレーキディスクによれば、環状部材及びブレーキディスクが回転すると、通気路に空気が流れ、ブレーキディスクが冷却される。

　しかしながら、環状部材は高速で回転するため、通気路を通る空気も速い。高速の空気が通気路を通ると風切り音が発生する。

　温度上昇を抑制し、かつ、風切り音を抑制するブレーキディスクはたとえば、国際公開第２０１７／０９９０７３号（特許文献１）に開示されている。

　特許文献１に記載されたブレーキディスクでは、ディスク板部の裏面にディスク板部の半径方向に延びる縦フィンが設けられる。これにより、ディスク板部の裏面に通気路が形成され、ブレーキディスクの温度上昇が抑制される。また、２つの縦フィンの間にはディスク板部の周方向に延びる横リブが設けられる。横リブはディスク半径方向に緩勾配を有するため、２つの縦フィンの間を流れる空気の乱れを抑制する。これにより、風切り音が抑制される。

国際公開第２０１７／０９９０７３号

　ブレーキディスクの発熱はブレーキライニングとの摩擦によって生じるため、ブレーキディスクのブレーキライニングと接する領域の温度は、ブレーキライニングと接しない領域の温度よりも高い。高温の領域は熱膨張しようとするが、低温の領域はあまり熱膨張しないため、高温の領域の熱膨張は低温の領域により拘束される。したがって、高温の領域には圧縮応力が生じる。圧縮応力が所定値を超えると、ブレーキディスクは塑性変形する。

　特許文献１の横リブは、外面（緩勾配を有する面）全域からブレーキディスク裏面まで材料が埋まっている中実リブであり、体積が大きい。このような体積が大きい横リブがディスク板部の裏面に取り付けられると、その領域は体積が大きい分さらに熱膨張しにくくなる。したがって、横リブが取り付けられた領域におけるディスク板部の表面が高温になれば、当該高温の領域に大きな圧縮力が生じやすく、ブレーキディスクが塑性変形しやすい。ブレーキディスクが塑性変形すると、ディスク板部に取り付けられている横リブと車輪との隙間の大きさが変化する。横リブと車輪との隙間の大きさは、風切り音の発生に影響を与える。そのため、特許文献１のブレーキディスクの温度が過度に上昇すると、風切り音が生じやすい。

　また、風切り音を生じさせる通気路内の空気は、ブレーキディスク半径方向の内周側から通気路に進入し、回転する縦フィンから運動エネルギを与えられ、外周側に向かって流れる。そのため、通気路の外周側の流速は、内周側よりも速い。風切り音は通気路内の空気を整流することで抑制されるが、流速が速い流れを整流する方が、流速が遅い流れを整流するよりも困難である。したがって、風切り音を抑制するためには、流速が遅い通気路のブレーキディスク内周側近傍に横リブを設けるのが望ましい。

　しかしながら、特許文献１のような体積の大きな横リブをディスク板部の内周側に設けると、ブレーキディスクの内周側の領域が塑性変形しやすくなる。ブレーキディスク内周側が塑性変形すると、ブレーキディスク中央近傍に設けられたボルトに応力が負荷される。ボルトに負荷される応力は、ブレーキディスクの内周側が塑性変形する方が、外周側が塑性変形するよりも大きくなる傾向がある。したがって、ボルトに過剰な応力が負荷されることを避ける観点から、体積の大きな横リブをブレーキディスクの内周側に設けることは困難である。

　本発明の目的は、ブレーキディスクの塑性変形による環状部材とブレーキディスクのリブとの隙間の変化を抑制できるブレーキディスクを提供することである。

　本実施形態の鉄道車両の環状部材にボルトによって締結されるブレーキディスクは、複数のフィンと、リブとを含む。複数のフィンは、ブレーキディスクの環状部材と対面する裏面にブレーキディスクの周方向に沿って並んで配置され、ブレーキディスクの半径方向に延びる。リブは、ブレーキディスクの裏面に配置され、隣接する２つのフィンを繋ぎ、ブレーキディスクの半径方向に沿ってブレーキディスクの内周側から外周側に延びる。リブのブレーキディスクの内周側の端部は、ブレーキディスクの裏面と結合され、かつ、リブのブレーキディスクの外周側の端部は、ブレーキディスクの裏面と結合されない。リブは、少なくともリブのブレーキディスクの外周側の端部に形成され、ブレーキディスクの裏面と対面する内面を有する。

　本発明によるブレーキディスクは、ブレーキディスクの塑性変形による環状部材とブレーキディスクのリブとの隙間の変化を抑制できる。

図１は、鉄道車両のブレーキ装置の正面図である。 図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線での断面図である。 図３は、ブレーキディスクの背面図である。 図４は、図３中のＩＶ－ＩＶ線での断面図である。 図５は、フィン及びリブを示す斜視図である。 図６は、締結位置を示すブレーキディスクの背面図である。 図７は、他の実施形態を示す断面図である。 図８は、比較例１のリブを示す断面図である。 図９は、リブ体積とブレーキディスクの塑性変形との関係を示す図である。 図１０は、リブ体積とボルト引張応力との関係を示す図である。 図１１は、リブ体積とボルト曲げ応力との関係を示す図である。

　（１）本実施形態の鉄道車両の環状部材にボルトによって締結されるブレーキディスクは、複数のフィンと、リブとを含む。複数のフィンは、ブレーキディスクの環状部材と対面する裏面にブレーキディスクの周方向に沿って並んで配置され、ブレーキディスクの半径方向に延びる。リブは、ブレーキディスクの裏面に配置され、隣接する２つのフィンを繋ぎ、ブレーキディスクの半径方向に沿ってブレーキディスクの内周側から外周側に延びる。リブのブレーキディスクの内周側の端部は、ブレーキディスクの裏面と結合され、かつ、リブのブレーキディスクの外周側の端部は、ブレーキディスクの裏面と結合されない。リブは、少なくともリブのブレーキディスクの外周側の端部に形成され、ブレーキディスクの裏面と対面する内面を有する。

　鉄道車両の制動時、ブレーキディスクはブレーキライニングとの摩擦により発熱する。ブレーキディスクの温度上昇を抑制するために、ブレーキディスクの裏面（環状部材と対面する面）にはブレーキディスクの周方向に沿って複数のフィンが設けられる。これにより、隣接する２つのフィン、ブレーキディスクの裏面及び環状部材とで通気路が形成され、ブレーキディスクを冷却できる。また、隣接する２つのフィンの間にリブが設けられる。リブは、隣接する２つのフィンを繋ぎ、ブレーキディスクの内周側から外周側に向かって延びる。これにより、通気路の空気の流れを整流でき、風切り音の発生を抑制できる。さらに、リブのブレーキディスクの外周側の端部にはブレーキディスクの裏面と対面する内面が形成される。すなわち、リブは、中実のリブではなく、中空のリブである。そのため、リブとブレーキディスクの裏面との間に隙間（空間）が形成される。隙間が形成される分、リブの体積が小さくなり、ブレーキディスクの塑性変形が抑制される。その結果、リブと環状部材との隙間の距離が変化しにくくなる。

　（２）上記（１）のブレーキディスクにおいて、リブの内面の内周端は、ブレーキディスクと環状部材との締結位置よりもブレーキディスクの内周側に位置するのが好ましい。

　ブレーキディスクの内周側、すなわち、通気路の入口側にリブを配置することで、通気路の空気の流速が遅い段階で、空気の流れを整流でき、風切り音がさらに抑制できる。その一方、ブレーキディスクと環状部材とはボルトによって締結される。ブレーキディスクの内周側に位置するリブの体積が大きい場合、ボルトに負荷される応力が大きくなる傾向がある。ボルトの破損、脱落、緩みを防止するため、ボルトに負荷される応力は小さい方が好ましい。本実施形態のブレーキディスクのリブの体積は小さい。したがって、リブをブレーキディスクの内周側の領域に配置しても、ブレーキディスクの塑性変形を抑制できる。

　（３）上記（１）又は（２）のブレーキディスクにおいて、リブの環状部材と対面する外面のブレーキディスクの内周側は、ブレーキディスクの外周側に向かってブレーキディスクの裏面に対する勾配が大きくなり、リブのブレーキディスクの外周側はブレーキディスクの外周側に向かってブレーキディスクの裏面に対する勾配が小さくなるのが好ましい。

　このような構成によれば、リブの外面は流線形となる。リブの外面が流線形であれば、通気路を通る風を徐々に整流することができ、風切り音がさらに抑制される。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　本明細書において、「軸方向」とはブレーキディスクの軸方向を意味する。ブレーキディスクが鉄道車両に取り付けられたとき、ブレーキディスクの軸方向は鉄道車両の車軸の方向と一致する。

　図１は、鉄道車両のブレーキ装置の正面図である。図１は、軸方向から見た図であって、環状部材の外側から見た図である。図１では、環状部材５は車輪であり、ブレーキキャリパは省略している。ブレーキ装置は、車軸４に取り付けられた環状部材５を制動する。ブレーキ装置は、ブレーキディスク１と、ブレーキライニング３とを含む。

　［ブレーキディスク及びブレーキライニング］
　ブレーキディスク１は、鉄道車両の環状部材５の板部にボルト１０によって締結され、環状部材と一体となって回転する。ブレーキディスク１の外縁１１及び内縁１２は、軸方向視で、円形である。すなわち、ブレーキディスクは、軸方向視で、ドーナツ状である。内縁１２の内側には車軸４が通る。ブレーキディスクの材質はたとえば、鋼、炭素繊維複合材等である。

　ブレーキディスク１にはボルト孔２７が設けられる。ボルト孔２７は、ブレーキディスク１の軸方向に沿ってブレーキディスク１を貫通する。ブレーキディスク１を環状部材５に取り付ける際、このボルト孔２７にボルト１０を通しナットと締結する。一般的に、ボルト孔２７はブレーキディスク１の周方向に沿って等間隔に１０～１２個設けられる。ボルト孔２７は、ブレーキディスク１の半径方向において、内縁１２と外縁１１との中央近傍に設けられる。

　図２は、図１中のＩＩ－ＩＩ線での断面図である。図２では、２つのブレーキディスク１と、１つのブレーキキャリパ２と、２つのブレーキライニング３と、を示すが、これらは対称な形状である。したがって、以下では、１つのブレーキディスク１と、１つのブレーキライニング３と、片側のブレーキキャリパ２とについて述べる。ブレーキディスク１の表面１３は、ブレーキライニング３と対面する。すなわち、ブレーキディスク１の表面１３はブレーキディスク１とブレーキライニング３との摺動面である。ブレーキライニング３は周知の構成である。

　ブレーキディスク１の裏面１４は、ブレーキディスク１の軸方向に沿って表面１３と反対側に配置される。すなわち、ブレーキディスク１が環状部材５に固定された際、表面１３は外側を向き、裏面１４は環状部材５と対面する。

　［ブレーキキャリパ］
　ブレーキ装置はさらに、ブレーキキャリパ２を含む。ブレーキキャリパ２は、アーム６、ブレーキシリンダ７を含む。アーム６の一方の端には、ブレーキライニング３が取り付けられる。アーム６の他方の端は、ブレーキシリンダ７に連結される。ブレーキシリンダ７はたとえば、空気圧シリンダ、油圧シリンダ等である。アーム６は、支点８を含む。鉄道車両の制動時にブレーキシリンダ７が作動すると、アーム６は支点８を中心に回転する。これにより、ブレーキライニング３はブレーキディスク１に押し付けられる。ブレーキライニング３とブレーキディスク１との摩擦により、環状部材５が制動される。支点８には、図示しないブラケットが取り付けられる。ブラケットは、鉄道車両の台車に固定される。

　以下、図３～図６を参照して、ブレーキディスク１についてさらに詳しく説明する。図３は、ブレーキディスクの背面図である。図３は、軸方向から見た図であって、環状部材側からブレーキディスクを見た図である。ブレーキディスク１は、複数のフィン１５と、リブ２６とを含む。

　［フィン］
　複数のフィン１５は、裏面１４にブレーキディスク１の周方向に沿って並んで配置される。また、複数のフィン１５は、ブレーキディスク１の周方向に等間隔に配置される。複数のフィン１５は、内縁１２から外縁１１までブレーキディスク１の半径方向に沿って延びる。図３では、１２個のフィン１５がブレーキディスク１に設けられる場合を示すが、フィン１５の数はこれに限定されない。また、図３では、全てのフィン１５にボルト孔２７が設けられる場合を示すが、例えば、図５に示すように、ボルト孔２７が設けられるフィン１５とボルト孔２７が設けられないフィン１５が交互に配置されても良い。ボルト孔２７が設けられるフィン１５とボルト孔２７が設けられないフィン１５の配置の仕方は特に限定されない。

　図４は、図３中のＩＶ－ＩＶ線での断面図である。ブレーキディスク１が環状部材に取り付けられた際、複数のフィン１５の軸方向の長さはブレーキディスク１と環状部材５との間隔と同じである。すなわち、ブレーキディスク１が環状部材に取り付けられた際、複数のフィン１５の裏面１４と反対側の端は環状部材５に接触する。

　［リブ］
　図５は、フィン及びリブを示す斜視図である。図５では、隣接する２つのフィン１５のそれぞれ半分及びリブ２６をブレーキディスク１の裏面１４側から見た図を示す。鉄道車両の走行中、環状部材及びブレーキディスク１は回転することにより、隣接する２つのフィン１５、ブレーキディスクの裏面１４、及び環状部材（図示なし）によって形成される通気路１６を空気が流れる（図５中の矢印参照）。これにより、ブレーキディスク１の裏面１４が冷却される。通気路１６の空気の流速は速い方が、ブレーキディスク１をより冷却できる。しかしながら、通気路１６の空気の流速が速ければ、空気の流れが乱れやすく、風切り音が発生しやすい。そこで、ブレーキディスク１の冷却性能を維持しつつ、風切り音の発生を抑制するため、リブ２６が設けられる。

　リブ２６は、ブレーキディスク１の裏面１４に配置され、ブレーキディスク１の周方向において隣接する２つのフィン１５を繋ぐ。リブ２６は、ブレーキディスク１の半径方向に沿って、ブレーキディスク１の内周側から外周側に延びる。

　図４を参照して、リブ２６のブレーキディスク１の内周側の端部１７は、ブレーキディスク１の裏面１４に結合される。一方、リブ２６のブレーキディスク１の外周側の端部１９は、ブレーキディスク１の裏面１４には直接結合されていない。別の観点から言えば、リブ２６の外周側の端部１９は、裏面１４から離れている。このため、リブ２６とブレーキディスク１の裏面１４との間には空間があり、リブ２６は、ブレーキディスク１の裏面１４と対面する内面２３を含む。内面２３は、少なくともリブ２６のブレーキディスク１の外周側の端部１９に形成される。この内面２３とブレーキディスク１の裏面１４との間の空間の体積分、リブ２６の体積が減少する。また、このような構成であれば、リブ２６の外周側が開口される。したがって、リブ２６を機械加工等で成形することが可能となる。

　制動時、ブレーキディスク１とブレーキライニング３との摩擦によりブレーキディスク１の温度は高温になる。この際、上述したように、ブレーキディスク１のブレーキライニング３と接する領域の温度は、ブレーキライニング３と接しない領域の温度よりも高い。高温の領域は熱膨張しようとするが、低温の領域はあまり熱膨張しないため、高温の領域の熱膨張は低温の領域により拘束される。したがって、高温の領域には圧縮応力が生じる。圧縮応力が所定値を超えると、ブレーキディスク１は塑性変形する。ブレーキディスク１が塑性変形すると、ブレーキディスク１の裏面１４に取り付けられているリブ２６、特にリブ２６のブレーキディスク１の外周側の端部１９と環状部材５との間の距離Ｄが変化する。これにより、通気路１６の空気が整流されにくくなり、風切り音が抑制しにくい。

　しかしながら、本実施形態のブレーキディスク１ではリブ２６の体積が小さい。そのため、リブ２６が設けられても、ブレーキディスク１の高温の領域の圧縮応力は抑制される。つまり、ブレーキディスク１の塑性変形が抑制され、リブ２６と環状部材５との間の距離Ｄの変化が抑制される。その結果、長期にわたって通気路の空気の流れを整流でき、ブレーキディスクの冷却性能を維持しつつ、風切り音の発生を抑制できる。

　ここで、リブ２６の内周側の端部１７がブレーキディスク１の裏面１４の内周側と結合される場合、リブ２６の内面２３の内周端２８は、ボルトによるブレーキディスク１と環状部材５との締結位置Ｐよりも内周側に位置する。締結位置Ｐとは、図６に示すように、ブレーキディスク１の裏面１４において、各ボルト孔２７の内周端を通る仮想円上の位置を意味する（図６中の破線円）。

　図４を参照して、通気路１６の内周側の空気の流速は、外周側よりも遅い。空気の流速が速くなってしまうと、その流れの制御は困難である。したがって、空気の流速が速くなる前に通気路１６内の空気を整流する方が風切り音の抑制には効果的である。リブ２６をブレーキディスク１の内周側に配置すれば、通気路１６内に進入した空気の流速が遅い段階でリブ２６により空気が整流されるため、風切り音がさらに抑制される。

　また、本実施形態のブレーキディスク１では、リブ２６の体積が小さいため、リブ２６をブレーキディスク１の内周側に設けてもブレーキディスク１の内周側の領域が塑性変形しにくい。つまり、鉄道車両の制動により、ブレーキディスク１の温度が上昇しても、ボルトに負荷される応力を小さくできる。したがって、リブ２６の取付位置を任意に選択することができ、設計自由度が高い。

　リブ２６の体積は小さいほど、ブレーキディスク１の温度上昇時の塑性変形を抑制できる。そのため、リブ２６のブレーキディスク１の半径方向の全長をＬとしたとき、リブ２６の内面２３は、リブ２６のブレーキディスク１の外周側の先端からＬ／３以上の領域に設けられるのが好ましい。より好ましくは、リブ２６の内面２３は、リブ２６のブレーキディスク１の外周側の先端からＬ／２以上の領域に設けられるのが好ましい。

　風切り音をさらに抑制するためには、リブ２６の外面２２は流線形であるのが好ましい。リブ２６の外面２２が流線形であれば、通気路１６を通る風を徐々に整流することができるためである。

　流線形の外面２２の形状について説明する。リブ２６のブレーキディスク１の内周側の外面２２は、ブレーキディスクの裏面１４に対して勾配を有する。ブレーキディスク１の内周側の外面２２の裏面１４に対する勾配は、ブレーキディスク１の内周側から外周側に向かうにつれて徐々に大きくなる。すなわち、軸方向に沿った断面視で、ブレーキディスク１の内周側の外面２２は曲率が徐々に大きくなる曲線状である。なお、裏面１４に対する勾配とは、軸方向に沿った断面視で、外面２２の任意の点の接線と裏面１４とのなす角度を意味する。リブ２６のブレーキディスク１の内周側の外面２２において、ブレーキディスク１の裏面１４に対する勾配は、９０度以下である。

　リブ２６のブレーキディスク１の外周側の外面２２は、ブレーキディスク１の裏面１４に対して勾配を有する。ブレーキディスク１の外周側の外面２２において、裏面１４に対する勾配は、ブレーキディスク１の内周側から外周側に向かうにつれて徐々に小さくなる。すなわち、軸方向に沿った断面視で、ブレーキディスク１の外周側の外面２２は曲率が徐々に小さくなる曲線状である。ブレーキディスク１の外周側の外面２２は、最終的にはブレーキディスクの裏面１４と平行（勾配が０）になり、そこでリブ２６の外面２２は途切れる。

　リブ２６のブレーキディスク１の内周側の外面と、外周側の外面とは滑らかに繋がる。また、リブの外面２２と環状部材５との軸方向の距離は、ブレーキディスク１の内周側から外周側に向かうにつれて短くなる。このような流線形の外面２２を有するリブ２６により、通気路１６に進入した空気を整流してブレーキディスク１の外縁１１から排気でき、風切り音が抑制される。

　ブレーキディスク１の体積（リブ２６を含む）に対するリブ２６の体積は、０．０５以下であるのが好ましい。後述する実施例に示すように、ブレーキディスク１の体積に対するリブ２６の体積が０．０５以下であれば、ボルトに負荷される応力が抑制される。さらに好ましくは、ブレーキディスク１の体積に対するリブ２６の体積は、０．０３以下である。ブレーキディスク１の体積に対するリブ２６の体積が０．０３以下であれば、リブ２６を含まないブレーキディスク１と同等にまでボルトに負荷される応力が抑制される。

　本実施形態のブレーキディスク１において、リブ２６は機械加工により成形されてもよいし、鋳造により成形されてもよい。

　以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

　例えば、上述の実施形態では、ブレーキディスク１が締結される環状部材５が車輪である場合について説明した。しかしながら、図７に示すように、環状部材５は、ディスク体であってもよい。図７は、軸方向に沿った断面図である。環状部材５は、鉄道車両において車輪３０よりも内側に配置され、軸方向視で円形の外形を有する。環状部材５の内縁は車軸４に固定され、車軸４とともに回転する。軸方向に沿った断面視で、２つのブレーキディスク１は、環状部材５を挟み、ボルト１０で連結される。このような構成であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　本実施形態のブレーキディスクの効果を確認するため、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ）により制動時のブレーキディスクの塑性変形及びボルトに負荷される応力について計算した。本発明例１～３として、図４に示すブレーキディスクを想定した。本発明例１～３ではリブの厚さが異なった。比較例１として、ブレーキディスクの裏面との間に空間がないリブを含むブレーキディスクを想定した。比較例２として、リブを含まないブレーキディスクを想定した。

　図８は、比較例１のリブを示す断面図である。図８を参照して、比較例のブレーキディスクは、裏面１４との間に空間がないリブを含むものを想定した。

　［計算条件］
　図８を参照して、本発明例と比較例との共通の計算条件について説明する。本発明例及び比較例において、ブレーキディスク１は車輪（環状部材５）に締結されると想定した。ブレーキディスクの内縁１２の半径（ブレーキディスクの内径）は２３５ｍｍであり、外縁１１の半径（ブレーキディスクの外径）は３６０ｍｍであった。ブレーキディスクの表面１３の全域がブレーキライニングと摺動した。ブレーキディスクは、２４個のリブを周方向に等間隔に含んだ。計算領域は、１つのリブ、すなわち、ブレーキディスクを２４個に周方向に等間隔に分割し、その１つであった。ブレーキディスクの周方向速度、すなわち、鉄道車両の速度は、時速３６０ｋｍであった。周方向速度が時速３６０ｋｍのブレーキディスクを１７５秒間で時速０ｋｍまで減速させることを想定した。

　ブレーキディスクの材料は、引張強さ１１００ＭＰａの鋼であった。リブ２６の軸方向の長さＨは２２ｍｍであった。ボルトはブレーキディスクの表面１３の半径方向の中央に配置された。本発明例１～３と比較例１とのリブ２６の外面２２の形状は同じであった。　

　続いて、本発明例と比較例とで異なる計算条件について説明する。

　図４を参照して、本発明例１～３ではリブの半径方向の長さＬは５３ｍｍであった。リブは、裏面１４の３８～９１ｍｍの位置に配置した。本発明例１のリブの厚さは１ｍｍ、本発明例２のリブの厚さは３ｍｍ、本発明例３のリブの厚さは５ｍｍであった。

　図８を参照して、比較例１ではリブの半径方向の長さＬは７２ｍｍであった。リブは、裏面１４の３８～１１０ｍｍの位置に配置した。

　表１に、本発明例及び比較例のブレーキディスク（リブを含む）の体積に対するリブの体積の比を示す。

 

　［計算結果：塑性変形］
　図９は、リブ体積とブレーキディスクの塑性変形との関係を示す図である。図９を参照して、横軸はブレーキディスクの体積に対するリブの体積の比を示し、縦軸はリブと環状部材との隙間の増加率を示す。図９中、白丸は本発明例１、二重丸は本発明例２、黒丸は本発明例３、四角は比較例１、三角は比較例２の結果を示す。また、リブと環状部材との隙間の増加率は、以下の式により算出した。
　（リブと環状部材との隙間の増加率）＝（軸方向への変位量）／（計算前のリブと環状部材との隙間の距離）
　なお、計算前のリブと環状部材との隙間の距離は、軸方向においてリブと環状部材との最短距離とした。その最短距離の位置における計算後のリブの変位量を軸方向への変位量とした。

　ブレーキディスクに対するリブの体積が増加するにつれ、リブと環状部材との隙間の距離が大きくなった。すなわち、リブの体積が大きいほど、ブレーキディスクが塑性変形した。

　［計算結果：ボルト応力］
　図１０は、リブ体積とボルト引張応力との関係を示す図である。図１０を参照して、横軸はブレーキディスクの体積に対するリブの体積の比を示し、縦軸はボルトに負荷された引張応力（ＭＰａ）を示す。図１０中、白丸は本発明例１、二重丸は本発明例２、黒丸は本発明例３、四角は比較例１、三角は比較例２の結果を示す。

　図１１は、リブ体積とボルト曲げ応力との関係を示す図である。図１１を参照して、横軸はブレーキディスクの体積に対するリブの体積の比を示し、縦軸はボルトに負荷された曲げ応力（ＭＰａ）を示す。図１１中、白丸は本発明例１、二重丸は本発明例２、黒丸は本発明例３、四角は比較例１、三角は比較例２の結果を示す。

　図１０及び図１１を参照して、ブレーキディスクに対するリブの体積が増加するにつれ、ボルトに負荷される引張応力及び曲げ応力は大きくなった。

　　１：ブレーキディスク
　　５：環状部材
　１０：ボルト
　１１：外縁
　１２：内縁
　１３：表面
　１４：裏面
　１５：フィン
　１６：通気路
　１７：リブの内周側の端部
　１９：リブの外周側の端部
　２２：外面
　２３：内面
　２６：リブ

Claims (3)

1. 　鉄道車両の環状部材にボルトによって締結されるブレーキディスクであって、
   　前記ブレーキディスクの前記環状部材と対面する裏面に前記ブレーキディスクの周方向に沿って並んで配置され、前記ブレーキディスクの半径方向に延びる複数のフィンと、
   　前記ブレーキディスクの裏面に配置され、隣接する２つの前記フィンを繋ぎ、前記ブレーキディスクの半径方向に沿って前記ブレーキディスクの内周側から外周側に延びるリブと、を備え、
   　前記リブの前記ブレーキディスクの内周側の端部は、前記ブレーキディスクの裏面と結合され、かつ、前記リブの前記ブレーキディスクの外周側の端部は、前記ブレーキディスクの裏面と結合されず、
   　前記リブは、少なくとも前記リブの前記ブレーキディスクの外周側の端部に形成され、前記ブレーキディスクの裏面と対面する内面を有することを特徴とするブレーキディスク。
2. 　請求項１に記載のブレーキディスクであって、
   　前記リブの内面の内周端は、前記ブレーキディスクと前記環状部材との締結位置よりも前記ブレーキディスクの内周側に位置することを特徴とするブレーキディスク。
3. 　請求項１又は請求項２に記載のブレーキディスクであって、
   　前記リブの前記環状部材と対面する外面の前記ブレーキディスクの内周側は、前記ブレーキディスクの外周側に向かって前記ブレーキディスクの裏面に対する勾配が大きくなり、前記リブの前記ブレーキディスクの外周側は前記ブレーキディスクの外周側に向かって前記ブレーキディスクの裏面に対する勾配が小さくなることを特徴とするブレーキディスク。

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