鉄道車両用ブレーキディスク及びその締結構造
【課題】車輪に対しての締結に用いられるボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れた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１は、内周側から順に、締結部３と、表側面に摺動面２ｃを有する摺動部２とを備え、締結部３が裏側面を減肉され、軸方向での締結部３の厚みｔcと摺動部２の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下を満たす。
【解決手段】ブレーキディスク１は、内周側から順に、締結部３と、表側面に摺動面２ｃを有する摺動部２とを備え、締結部３が裏側面を減肉され、軸方向での締結部３の厚みｔcと摺動部２の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下を満たす。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の制動装置の一部品である鉄道車両用ブレーキディスク、及び、鉄道車両の車軸に固定された車輪又はディスク体を総称するディスク部材と鉄道車両用ブレーキディスクとの締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両や自動車や自動二輪車等の陸上輸送車両の制動装置としては、ディスクブレーキ、ブロックブレーキ、ドラムブレーキ等がある。近年では、車両の高速化や大型化に伴い、そのうちのディスクブレーキが多用される。
【０００３】
ディスクブレーキは、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摺動による摩擦により制動力を得る装置であり、通常、ボルトによって車軸又は車輪に取り付けたドーナツ形円盤状のブレーキディスクの摺動面に、ブレーキライニングを押し付けることにより制動力を得て、これにより車軸又は車輪の回転を制動して車両を減速更には停止させる。
【０００４】
鉄道車両の制動に用いられるディスクブレーキは、鉄道車両用ブレーキディスク（以下、単に「ブレーキディスク」と記すことがある）が取り付けられる対象によって、側ディスク方式と軸マウントディスク方式とに大別される。側ディスク方式では、車輪の両側に、他方の軸マウントディスク方式では、圧入や嵌め合い等によって車軸に固定されたディスク体の両側に、ブレーキディスクがボルトによる締結によって取り付けられる。
【０００５】
図１は、従来の鉄道車両用ブレーキディスクの構成を示す図であって、同図（ａ）は１／４円部分の表側面視での平面図、同図（ｂ）は半円部分の断面図である。同図に示すように、従来のブレーキディスク１は、ドーナツ形の円盤状であって、その内周側から外周側へ順に、締結部３と摺動部２とを同心状に備えて成る。摺動部２は、その表側面２ａが全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっていて、この面がブレーキライニング（不図示）を押し付けられる摺動面２ｃになる。
【０００６】
締結部３は、その表側面３ａと裏側面３ｂとが互いに軸方向に対して垂直な平坦な面となっていて、表側面３ａから裏側面３ｂにかけて貫通するボルト穴３ｃが、同一円周上で所定間隔をあけて複数形成されている。ボルト穴３ｃは、車輪又はディスク体（いずれも不図示）に対してのブレーキディスク１の締結に用いられる。
【０００７】
従来のブレーキディスク１では、摺動部２の表側面２ａすなわち摺動面２ｃは、締結部３の表側面３ａよりも僅かに高くなっている。ここでの締結部３の軸方向の厚みｔcと、摺動部２の軸方向の最大厚みｔmaxとは、概ね一致している。なお、図１には示していないが、摺動部２において、締結された車輪又はディスク体に対向して接触する裏側面２ｂには、放熱のためのフィンが設けられることが多い。
【０００８】
図２は、従来の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造を示す要部断面図である。同図に示すように、車輪４の両側に、一対のブレーキディスク１が、各々の表側面を互いに外向きにして配置される。ブレーキディスク１は、締結部３のボルト穴３ｃ、及び車輪４に形成されているボルト穴４ｂを貫通するボルト５とナット７との螺合により、締結部３が車輪４に強固に締結され、車軸（不図示）を含めた全体として回転可能に一体化される。ボルト５は、頭部５ａ、及びこの頭部５ａから突出する幹部５ｂから構成され、幹部５ｂの先端には、くびれ部５ｄを経てねじ部５ｃが形成されている。
【０００９】
一対のブレーキディスク１のそれぞれにおける摺動部２の表側面２ａ、すなわち摺動面２ｃの外側には、ブレーキライニング６が配設される。制動時には、ブレーキライニング６が互いに接近するように移動して、ブレーキディスク１の摺動面２ｃに接触しつつ押し付けられ、その摺動面２ｃでのブレーキライニング６とブレーキディスク１と摺動による摩擦力により、車輪４を介して車軸の回転を制動して車両を停止させることができる。
【００１０】
ここで、新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキディスクの回転速度や慣性力が非常に大きいため、制動中のブレーキディスクの温度上昇は著しくなる。そのため、ブレーキディスクの熱変形に伴い、締結ボルトに過大な曲げ応力が発生したり、ブレーキディスクの摺動面に熱応力が発生したり、更に、ブレーキディスクのボルト穴周縁部に割れ、変形、陥没が発生するといった問題が生じる。
【００１１】
このような問題を抑制するために、これまで多くの技術が提案されている。例えば、特許文献１では、ブレーキディスクの摺動面の熱応力発生を抑制し、ブレーキディスクの熱き裂や熱変形、締結ボルトの損傷を未然に防止することを目的として、ブレーキディスクについて、摩擦面と締結面の間に連絡部を設け、摩擦面と締結面と同士を軸方向にオフセットさせた形状としている。
【００１２】
また、特許文献２では、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するにあたり、ボルト、ナット、座金等の締結部品に対してブレーキディスクが軟らかいと、締結部品がディスク締結面に食い込み、き裂が発生するため、これを防止することを目的として、ナットとディスク締結面との間に皿ばね等の弾性復元力を有する座金を介装したブレーキディスクの締結構造において、ボルトのねじ部と幹部との境界部に段差を設け、その段差によってナットの締め付け側への移動を制限した構造となっている。これにより、ボルトからディスク締結面に過度に大きな軸力が生じることを抑制することで、その目的の達成を図っている。
【００１３】
また、特許文献３では、上記特許文献２と同様、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するにあたり、ブレーキディスクが高熱膨張率であるということに起因する、ブレーキディスクと車輪とのずれ、ブレーキディスクのボルト孔周縁部での高応力発生といった問題点を解決することを目的として、ブレーキディスクと車輪のボルト穴に挿入されてボルトを挿通させる筒状弾性部材について、車輪のボルト穴の内周面に対向する一部分に凹みを設けた構成とすることで、その目的の達成を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２５８１８７号公報
【特許文献２】特開２００６−１７７４０４号公報
【特許文献３】特開２００６−３２９３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年、車両の一層の高速化に伴うブレーキ負荷の増大により、ブレーキディスクと車輪との締結に用いられるボルトに高応力が発生する。ボルトに発生する応力が高くなるのに伴い、ボルトに発生する疲労損傷の可能性を高めることとなり、ボルトを含めてブレーキディスクの締結部の疲労信頼性を向上させることが課題になる。
【００１６】
このような課題に対し、これまでのところ、ボルト自体の材質や形状を改良して疲労強度を向上させること、及び、ブレーキディスクの締結部の構造を改良してボルトに発生する応力を低減させることを主体とする手法が考えられる。上記特許文献１〜３に提案されている技術では、いずれも後者の手法を採っている。
【００１７】
しかし、上記特許文献１の技術では、ディスクの摺動部又は締結部が、車輪のリム部又はボス部から外側に大きくはみ出した状態になるため、ブレーキライニングを保持するキャリパー等の周辺部品を大型化せざるを得ず、車輪のボス部にボルト穴を設けることにより車輪と車軸間の圧入部において十分な把握トルクが得られなくなるおそれがある。
【００１８】
また、上記特許文献２、３の技術では、アルミニウム複合材料のブレーキディスク特有の問題を解決するために、ボルトのねじ部と幹部との境界部に段差を設けて、ナットの締め付け側への移動を規制した構造とし、又は、ブレーキディスクと車輪のボルト穴に挿入する筒状弾性部材について、車輪のボルト穴の内周面に対向する部分に凹みを設けた構成としているが、ブレーキディスクの摺動時において、締結ボルトへの曲げ応力を低減させる効果は期待できない。
【００１９】
このようなボルトを含めてブレーキディスクの締結部の疲労信頼性を向上させるという課題は、車輪にブレーキディスクが締結される側ディスク方式の制動装置についてのみならず、車輪とは別個に車軸に固定されたディスク体にブレーキディスクが締結される軸マウントディスク方式の制動装置についても同様に顕在する。すなわち、車軸に固定されたディスク部材にブレーキディスクが締結される制動装置にも同様の課題が顕在する。
【００２０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、車軸に固定されたディスク部材との締結に用いられるボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れた鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクのディスク部材に対しての締結構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは、上記目的を達成するために、車軸に固定されたディスク部材と鉄道車両用ブレーキディスクとの締結構造について、ブレーキの繰返し負荷を想定した数値解析を行って鋭意検討を重ねた結果、下記の（Ａ）及び（Ｂ）の知見を得た。
（Ａ）ブレーキ作動時のボルトに発生する応力は、ブレーキディスクの締結部における軸方向での厚みを薄くすることにより低減できる。
（Ｂ）上記（Ａ）の知見に加え、ボルト長さを短くすると、更にボルトに発生する曲げ応力を低減できる。
【００２２】
このような知見に基づき、下記の（１）に示す鉄道車両用ブレーキディスク、及び（２）に示す鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造を完成させた。
【００２３】
（１）内周側から順に、締結部と、表側面に摺動面を有する摺動部とを備える鉄道車両用ブレーキディスクであって、前記締結部が裏側面を減肉され、軸方向での前記締結部の厚みｔcと前記摺動部の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下である鉄道車両用ブレーキディスク。
【００２４】
（２）鉄道車両の車軸に固定されたディスク部材の両側に、一対の前記（１）に記載の鉄道車両用ブレーキディスクが各々の表側面を互いに外向きにして配置され、前記締結部及び前記ディスク部材を貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとにより、前記ディスク部材に対して前記鉄道車両用ブレーキディスクが締結されており、前記ディスク部材と前記鉄道車両用ブレーキディスクとの間に前記ボルトを挿通した筒状スペーサが介在している鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクとディスク部材との締結構造は、ブレーキディスクの締結部の板厚ｔcを低減させて、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルトに発生する応力を低減できるため、ボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れたものとなり、長期間に亘り安定した使用に耐えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の鉄道車両用ブレーキディスクの一部分を示す図であって、同図（ａ）は１／４円部分の表側面視での平面図、同図（ｂ）は半円部分の断面図である。
【図２】従来の鉄道車両用ブレーキディスクの車輪に対しての締結構造を示す要部断面図である。
【図３】有限要素法による数値解析に用いたモデルを示す図であって、同図（ａ）はそのモデルの表側面視での斜視図、同図（ｂ）はそのモデルの側面図である。
【図４】有限要素法による数値解析での結果を模式的に示す図である。
【図５】鉄道車両用ブレーキディスクにおいて有限要素法による数値解析での変数に対応する部分を示す図である。
【図６】鉄道車両用ブレーキディスクの締結部の板厚を薄肉化した状態での締結構造の一例を示す図であって、同図（ａ）は締結部の表側面を削って薄肉化した状態を示し、同図（ｂ）は締結部の裏側面を削って薄肉化した状態を示す。
【図７】有限要素法による数値解析で得られた、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmax、及びボルトの応力範囲の関係を示す図である。
【図８】本発明の参考例として鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。
【図９】本発明の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。
【図１０】有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＡのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１１】有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＢのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１２】有限要素法による数値解析で検証した本発明例としてのモデルＣのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１３】有限要素法による数値解析で検証した比較例としてのモデルＤのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造の実施形態について以下に詳述する。
【００２８】
本発明者らは、本発明を完成するにあたり、先ず検討の初期段階において、ブレーキ時のボルトの発生応力を明らかにするために、前記図１、図２に示すような従来のブレーキディスク１がボルト５によって車輪４に締結された状態について、有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析を行った。
【００２９】
図３は、有限要素法による数値解析に用いたモデルを示す図であって、同図（ａ）はそのモデルの表側面視での斜視図、同図（ｂ）はそのモデルの側面図である。同図に示すモデルは、従来のブレーキディスク１がボルト５によって車輪４に締結された状態を想定したものであり、対称性を前提として、軸方向では、車輪４の中心を通る直交面でカットされ、円周方向では、ボルト５の中心を通る直交面と、隣接するボルト５同士の中心を通る直交面とでカットされた形状である。このようなブレーキディスク１、車輪４及びボルト５から成る締結体のモデルを用いて、ＦＥＭ解析を行った。
【００３０】
図４は、有限要素法による数値解析での結果を模式的に示す図である。同図に示すように、ブレーキによるブレーキディスク１の温度上昇時には、ブレーキディスク１が径方向の外周側及び軸方向の外側に向けて熱膨張する挙動を示し、この熱変形するブレーキディスク１を車輪４に強制的に押し付ける負荷が働くことから、ブレーキディスク１は、締結部３のボルト穴３ｃの位置が径方向の外周側にずれつつ、全体が軸方向の外側に凸状に変形することになる。その結果、ボルト５に曲げ応力が発生し、その曲げ応力は、前記図２に示すように、ボルト５の幹部５ｂに形成のくびれ部５ｄからねじ部５ｃにかけて、又はボルト５の頭部５ａと幹部５ｂのつけ根において、ブレーキディスク１の外周寄りの部分に高応力が分布することが分かる。
【００３１】
このようなボルト５に発生する曲げ応力を抑制するには、ブレーキディスク１の熱変形を小さくすること、及び、ブレーキディスク１の変形に対する剛性を低減することが有効と考えられる。前者の抑制対策には、ブレーキディスク１の摺動部２の軸方向の厚みを増加させることにより、摺動面２ｃ付近の温度上昇を抑えることが有効であり、これまでも設計上の変数として用いられている。
【００３２】
これに対して、本発明者らは、後者の抑制対策であるブレーキディスク１の変形に対する剛性を低減することに着目し、ブレーキディスク１の締結部３の軸方向の厚みを低減させるＦＥＭ解析を更に行って詳細に検討した。
【００３３】
図５は、鉄道車両用ブレーキディスクにおいて有限要素法による数値解析での変数に対応する部分を示す図である。同図に示すように、締結部３の板厚ｔcと、摺動部２の最大板厚ｔmaxとを変数とし、その比ｔc/ｔmaxを種々変更してＦＥＭ解析を行った。ここで、締結部３の板厚ｔcとは、前記図２に示すように、ボルト５の頭部５ａ又はナット７の座面と、車輪４と、で挟まれた締結部３の軸方向の厚みのことであり、摺動部２の最大板厚ｔmaxとは、摺動部２のフィンも含んだ軸方向の最大厚みのことである。
【００３４】
図６は、鉄道車両用ブレーキディスクの締結部の板厚を薄肉化した状態での締結構造の一例を示す図であって、同図（ａ）は締結部の表側面を削って薄肉化した状態を示し、同図（ｂ）は締結部の裏側面を削って薄肉化した状態を示す。同図（ａ）に示すブレーキディスク１は、締結部３が、軸方向で外向きとなる表側面３ａ、すなわち車輪４に対向しない面を減肉され、その表側面３ａは全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっている。一方、同図（ｂ）に示すブレーキディスク１は、締結部３が、軸方向で内向きとなる裏側面３ｂ、すなわち車輪４に対向する面を減肉され、その裏側面３ｂは全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっている。
【００３５】
特に、図６（ａ）に示す締結構造では、従来の締結構造と比較して、締結部３の表側面３ａが減肉されることから、ボルト５の長さが短くなる。一方、図６（ｂ）に示す締結構造では、従来の締結構造と比較して、ボルト５の長さは変わらないが、締結部３の裏側面３ｂが減肉されることによって車輪４と締結部３との間に生じる隙間に、ボルト５を挿通した筒状スペーサ９が介在される。このようにブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcが薄肉化された締結構造に準じたモデルについて、ＦＥＭ解析を行った。
【００３６】
図７は、有限要素法による数値解析で得られた、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmax、及びボルトの応力範囲の関係を示す図である。ここで、ボルト応力範囲とは、前記図６に示すように、ボルト５の幹部５ｂに形成されたくびれ部５ｄからねじ部５ｃにおける、ブレーキディスク１の外周寄りの部分において、ブレーキ作動中の軸方向の応力値の変化量を指す。また、同図中、前記図６（ａ）に示す締結構造に準じたモデルの結果を実線（図７中、「反車輪側減肉＋ボルト長さ減」と表記）で示し、前記図６（ｂ）に示す締結構造に準じたモデルの結果を破線（図７中、「車輪側減肉」と表記）で示している。なお、図７中、前記図２に示す従来の締結構造に準じたモデルの結果をダイヤ印（図７中、「従来形状」と表記）で示している。
【００３７】
図７に示すように、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxが小さくなるに従って、ボルトの応力範囲が小さくなることが分かる。すなわち、図７中の実線及び破線で示すように、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄くすると、ボルト５に発生する応力が低下する。特に、図７中の実線で示すように、更にボルト５の長さを短くすれば、ボルト５に発生する応力がより一層低下する。これは、ボルト５を短くすることで、曲げモーメントが低減し、結果として曲げ応力が低減することを示している。なお、ボルト５の頭部５ａと幹部５ｂのつけ根においても、ボルトの応力範囲は同様の傾向で生じる。
【００３８】
このように、ボルト５に発生する応力を低減するには、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを低減させて比ｔc/ｔmaxを低減させることが効果的である。更にボルト５の長さを短くすることがより一層の効果をもたらす。このようなブレーキディスク１を採用した締結構造の具体例を以下に示す。
【００３９】
図８は、本発明の参考例として鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。同図に示すブレーキディスク１は、前記図６（ａ）に示すように、締結部３の表側面３ａが減肉されてその板厚ｔcが低減されたものである。
【００４０】
同図に示すように、車輪４の両側に、一対のブレーキディスク１が、各々の表側面を互いに外向きにして、言い換えれば、各々の裏側面を車輪４と対向するように互いに内向きにして配置される。ボルト５が、一方のブレーキディスク１における締結部３のボルト穴３ｃから、車輪４のボス部４ａの径方向外方に形成されているボルト穴４ｂを通じ、他方のブレーキディスク１における締結部３のボルト穴３ｃまで挿入されてこれらを貫通し、このボルト５に平座金８を介在してナット７が螺合される。このボルト５とナット７との螺合により、ブレーキディスク１は、締結部３が車輪４に強固に締結され、車軸（不図示）を含めた全体として回転可能に一体化される。ボルト５は、頭部５ａ、及びこの頭部５ａから突出する幹部５ｂから構成され、幹部５ｂの先端には、くびれ部５ｄを経てねじ部５ｃが形成されている。
【００４１】
図８に示す締結構造では、締結部３の表側面３ａの減肉部に、ボルト５の頭部５ａ及びナット７が収容されており、そのボルト５の頭部５ａ及びナット７が、摺動部２の摺動面２ｃより軸方向の外側に突出しない。また、ボルト５の長さが従来よりも短い。
【００４２】
一対のブレーキディスク１のそれぞれにおける摺動部２の表側面２ａ、すなわち摺動面２ｃの外側には、摺動面２ｃと僅かな隙間を設けて対向するように、ブレーキライニング６が配設される。ブレーキライニング６は、互いに同期して接近したり離間したりするように軸方向に移動が可能である。制動時には、ブレーキライニング６が互いに接近するように移動して、ブレーキディスク１の摺動面２ｃに接触しつつ押し付けられ、車輪４を両側から強く狭圧する。その摺動面２ｃでのブレーキライニング６とブレーキディスク１と摺動による摩擦力により、車輪４を介して車軸の回転を制動して車両を停止させることができる。
【００４３】
このような締結構造によれば、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄肉化させて、締結部３の板厚ｔcと摺動部２の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルト５に発生する応力を低減することができ、その結果として、ボルト５を含むブレーキディスク１の締結部３の疲労信頼性を向上させることができる。従って、本発明の締結構造は、長期間に亘り安定した使用に耐えることが可能であり、疲労信頼性に優れたものと言える。
【００４４】
しかも、本発明の締結構造は、ボルト５の長さを短くさせると、ボルト５に発生する応力を一層低減でき、疲労信頼性が一層向上する。また、本発明の締結構造は、ボルト５の頭部５ａ及びナット７を、摺動部２の摺動面２ｃより軸方向の外側に突出させないため、ボルト５及びナット７の抜け止め処理を施す自由度が増し、安全面からの信頼性も向上する。
【００４５】
図９は、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。同図に示すブレーキディスク１は、前記図６（ｂ）に示すように、締結部３の裏側面３ｂが減肉されてその板厚ｔcが低減されたものである。
【００４６】
同図に示すように、前記図８に示す締結構造と同様に、車輪４の両側に配置された一対のブレーキディスク１が、ボルト５とナット７との螺合により、車輪４に対して締結部３で強固に締結され、摺動部２の摺動面２ｃの外側に、ブレーキライニング６が配設される。
【００４７】
図９に示す締結構造では、ボルト５の長さが従来と変わらない。そのため、車輪４と締結部３の裏側面３ｂの減肉部との間に隙間が生じる状況になるが、その隙間に筒状スペーサ９を介在させ、この筒状スペーサ９内にボルト５を挿通させることにより、車輪４と締結部３の隙間を埋めている。
【００４８】
このような締結構造によっても、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄肉化させて、比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、ボルト５を含むブレーキディスク１の締結部３の疲労信頼性を向上させることができる。
【００４９】
ここで、本発明のブレーキディスク、及びこれを含む締結構造において、前記図７に示す締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを限定する範囲を説明する。従来形状のブレーキディスク（前記図１〜図３参照）では、比ｔc/ｔmaxは０．７８でボルトの応力範囲は３４３ＭＰａであり、この従来形状のブレーキディスクに対し、ボルトの応力範囲を少なくとも２０％低減するには、比ｔc/ｔmaxを０．５以下にする必要がある。ボルトの応力範囲を２０％低減すると、別途行ったボルトの疲労試験結果によれば、３倍以上の寿命を確保することが可能となり、ボルトの疲労信頼性向上の面で設計上の優位性を見出すことができる。従って、本発明で有効な比ｔc/ｔmaxの上限を０．５とする必要がある。
【００５０】
一方、比ｔc/ｔmaxを下げていくと、ブレーキディスクの締結部は薄肉化され、ボルトの応力は低減されるものの、その締結部に発生する応力が高くなるおそれがある。特にブレーキディスクの回転に伴う遠心力は、ブレーキディスクの径方向に作用するため、締結部と摺動部との境界部に高応力を発生させる。そのため、比ｔc/ｔmaxの下限は、ブレーキディスクが使用される車両の速度、ブレーキディスクの材質的な強度、及び摺動部の質量を勘案して、適宜設定すればよい。この場合に、遠心力に対する疲労安全性の観点から、比ｔc/ｔmaxは０．１以上であることが望ましい。
【００５１】
以上説明した鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造に関し、以下の実施例からその有効性を明らかにした。
【実施例】
【００５２】
図１０は、有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＡのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。同様に、図１１は、本発明の参考例としてのモデルＢのブレーキディスクを、図１２は、本発明例としてのモデルＣのブレーキディスクを、図１３は、比較例としてのモデルＤのブレーキディスクをそれぞれ示している。
【００５３】
図１０〜図１３に示すように、モデルＡ〜Ｄのブレーキディスク１は、いずれも前記図３と同様に、円周方向では、ボルト５すなわちボルト穴３ｃの中心を通る直交面と、隣接するボルト５すなわちボルト穴３ｃ同士の中心を通る直交面とでカットされたものである。
【００５４】
図１０に示すモデルＡのブレーキディスク１は、前記図６（ａ）及び図８に示すように締結部３の表側面３ａを全域に亘って平坦に減肉したものである。図１１に示すモデルＢのブレーキディスク１は、そのモデルＡから更にボルト穴３ｃの周囲を減肉したものである。図１２に示すモデルＣのブレーキディスク１は、モデルＡ及びＢとは逆に、前記図６（ｂ）及び図９に示すように締結部３の裏側面３ｂを全域に亘って平坦に減肉したものである。図１３に示すモデルＤのブレーキディスク１は、前記図１〜図３に示すように従来形状のものであり、締結部３は一切減肉されていない。
【００５５】
表１に、上記モデルＡ〜Ｄの詳細事項をまとめる。
【００５６】
【表１】
【００５７】
モデルＡ、Ｂはそれぞれ前記図１０、図１１に対応する本発明の参考例であり、モデルＣは前記図１２に対応する本発明例であり、モデルＤは前記図１３に対応する比較例である。ブレーキディスク１の摺動部２の形状は全て同じであり、ブレーキディスク１の外径も全て７２５ｍｍである。また、ブレーキディスク１の締結部３については、ボルト穴３ｃの中心線を結んで描かれる円の直径は３８５ｍｍで全て同じであるが、その板厚ｔcを変化させている。
【００５８】
モデルＡでは、ブレーキディスク１の締結部３における表側面３ａすなわち反車輪側の面を減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．４５とし、これに伴いボルト５の長さを従来よりも３１ｍｍ短くしている。モデルＢでは、モデルＡよりも更に締結部３における表側面３ａを減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．２８とし、これに伴いボルト５の長さを従来よりも４７ｍｍ短くしている。モデルＣでは、締結部３における裏側面３ｂすなわち車輪側の面を減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．２５とし、ボルト５の長さは筒状スペーサ９を介在して従来と同じにしている。モデルＤでは、従来形状と変わらず、比ｔc/ｔmaxを０．７８とし、ボルト５の長さも変わらない。
【００５９】
なお、実際のＦＥＭ解析で用いるボルト長さに関しては、ボルト５が軸方向に対して車輪４の中心を通る直交面でカットされているため、表１中で表記したボルト長さの変化量の半分を採用してＦＥＭ解析を行った。また、表１中で表記したボルト長さの変化量については、従来と比較して短くなった状態を「−」（マイナス）で表記した。
【００６０】
ＦＥＭ解析では、解析の入力データであるブレーキディスク１、ボルト５、及び車輪４それぞれの物性と強度特性には、従来品に使われている鉄鋼材料の測定値を用いた。そして、ボルト５に１本あたり１５０ｋＮに相当する軸力を与え、その後摺動面２ｃ上に初速２７５ｋｍ／ｈからブレーキをかけた時の運動エネルギーに相当する熱量を与えて得た温度分布とその変化を基に、熱応力を解析した。
【００６１】
表２に、モデルＡ〜ＤのＦＥＭ解析で得られたボルトの応力範囲及び締結部の応力を示した。
【００６２】
【表２】
【００６３】
モデルＡ〜Ｃでは、比較例であるモデルＤと比較して、ボルト５の応力範囲が顕著に低減してボルト発生応力が２０％以上低減される。その中でも、反車輪側を減肉してボルト長さを短くし、比ｔc/ｔmaxが最も小さいモデルＢが、最もボルト発生応力が低く、次いでモデルＢと同様な形状で比ｔc/ｔmaxが若干大きいモデルＡ、そして車輪側を減肉してボルト長さを変えていないモデルＣの順番でボルト発生応力が大きくなる。ここで、ボルト応力範囲とは、ボルトの幹部に形成されたくびれ部からねじ部における、ブレーキディスク１の外周寄りの部分において、ブレーキ作動中の軸方向の応力値の変化量を指す。ブレーキディスク１の外周寄りの部分を評価の対象として採用したのは、ブレーキでボルト５に発生する曲げ応力が、外周寄りで高応力となるためである。
【００６４】
また、ブレーキディスク１の締結部３の発生応力として、ブレーキ中の最大主応力のピーク値について評価した。表２中には、比較例であるモデルＤを１００として締結部応力を指数で表記した。
【００６５】
モデルＡ〜Ｃでは、比較例であるモデルＤと比較して、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcが薄くなったにもかかわらず、当該部の応力はほぼ同等である。これは、この最大主応力が円周方向の応力が主体であり、締結部３の板厚ｔcよりも、締結部３と摺動部２との円周方向の熱膨張差に支配されているためである。締結部３で大きくなると予想される半径方向の応力は、上記した最大主応力のピーク値よりも低いレベルであった。
【００６６】
以上の実施例より、本発明のブレーキディスク及びこれを含む締結構造は、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを低減して、締結部３の板厚ｔcと摺動部２の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを０．５以下とすることにより、ボルト発生応力の低減を実現でき、ボルト５を含む締結部３の疲労信頼性の向上を実現できる。更にボルト５の長さを短くすることがより一層の効果をもたらす。
【００６７】
その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではブレーキディスク１の材料を鉄鋼材料としたが、アルミ複合材料といった他の材料から成るブレーキディスクにも本発明を適用できる。また、上記実施形態では、ボルト５によってブレーキディスク１が締結される対象を、車輪４としたが、車軸に固定されたディスク部材である限り、車輪４とは別個に車軸に固定されたディスク体とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば、ブレーキディスクの締結部の板厚ｔcを低減させて、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルトに発生する応力を低減することができ、車軸に固定されたディスク部材との締結に用いられるボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れた鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクのディスク部材に対しての締結構造を得ることができる。よって、本発明は、鉄道車両の制動装置に極めて有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１：鉄道車両用ブレーキディスク、
２：摺動部、 ２ａ：摺動部の表側面、 ２ｂ：摺動部の裏側面、
２ｃ：摺動部の摺動面、
３：締結部、 ３ａ：締結部の表側面、 ３ｂ：締結部の裏側面、
３ｃ：締結部のボルト穴、
４：車輪、 ４ａ：車輪のボス部、 ４ｂ：車輪のボルト穴、
５：ボルト、 ５ａ：ボルトの頭部、 ５ｂ：ボルトの幹部、
５ｃ：ボルトのねじ部、 ５ｄ：ボルトのくびれ部、
６：ブレーキライニング、 ７：ナット、 ８：平座金、
９：筒状スペーサ、
ｔc：締結部の軸方向の厚み、 ｔmax：摺動部の軸方向の最大厚み
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道車両の制動装置の一部品である鉄道車両用ブレーキディスク、及び、鉄道車両の車軸に固定された車輪又はディスク体を総称するディスク部材と鉄道車両用ブレーキディスクとの締結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道車両や自動車や自動二輪車等の陸上輸送車両の制動装置としては、ディスクブレーキ、ブロックブレーキ、ドラムブレーキ等がある。近年では、車両の高速化や大型化に伴い、そのうちのディスクブレーキが多用される。
【０００３】
ディスクブレーキは、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摺動による摩擦により制動力を得る装置であり、通常、ボルトによって車軸又は車輪に取り付けたドーナツ形円盤状のブレーキディスクの摺動面に、ブレーキライニングを押し付けることにより制動力を得て、これにより車軸又は車輪の回転を制動して車両を減速更には停止させる。
【０００４】
鉄道車両の制動に用いられるディスクブレーキは、鉄道車両用ブレーキディスク（以下、単に「ブレーキディスク」と記すことがある）が取り付けられる対象によって、側ディスク方式と軸マウントディスク方式とに大別される。側ディスク方式では、車輪の両側に、他方の軸マウントディスク方式では、圧入や嵌め合い等によって車軸に固定されたディスク体の両側に、ブレーキディスクがボルトによる締結によって取り付けられる。
【０００５】
図１は、従来の鉄道車両用ブレーキディスクの構成を示す図であって、同図（ａ）は１／４円部分の表側面視での平面図、同図（ｂ）は半円部分の断面図である。同図に示すように、従来のブレーキディスク１は、ドーナツ形の円盤状であって、その内周側から外周側へ順に、締結部３と摺動部２とを同心状に備えて成る。摺動部２は、その表側面２ａが全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっていて、この面がブレーキライニング（不図示）を押し付けられる摺動面２ｃになる。
【０００６】
締結部３は、その表側面３ａと裏側面３ｂとが互いに軸方向に対して垂直な平坦な面となっていて、表側面３ａから裏側面３ｂにかけて貫通するボルト穴３ｃが、同一円周上で所定間隔をあけて複数形成されている。ボルト穴３ｃは、車輪又はディスク体（いずれも不図示）に対してのブレーキディスク１の締結に用いられる。
【０００７】
従来のブレーキディスク１では、摺動部２の表側面２ａすなわち摺動面２ｃは、締結部３の表側面３ａよりも僅かに高くなっている。ここでの締結部３の軸方向の厚みｔcと、摺動部２の軸方向の最大厚みｔmaxとは、概ね一致している。なお、図１には示していないが、摺動部２において、締結された車輪又はディスク体に対向して接触する裏側面２ｂには、放熱のためのフィンが設けられることが多い。
【０００８】
図２は、従来の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造を示す要部断面図である。同図に示すように、車輪４の両側に、一対のブレーキディスク１が、各々の表側面を互いに外向きにして配置される。ブレーキディスク１は、締結部３のボルト穴３ｃ、及び車輪４に形成されているボルト穴４ｂを貫通するボルト５とナット７との螺合により、締結部３が車輪４に強固に締結され、車軸（不図示）を含めた全体として回転可能に一体化される。ボルト５は、頭部５ａ、及びこの頭部５ａから突出する幹部５ｂから構成され、幹部５ｂの先端には、くびれ部５ｄを経てねじ部５ｃが形成されている。
【０００９】
一対のブレーキディスク１のそれぞれにおける摺動部２の表側面２ａ、すなわち摺動面２ｃの外側には、ブレーキライニング６が配設される。制動時には、ブレーキライニング６が互いに接近するように移動して、ブレーキディスク１の摺動面２ｃに接触しつつ押し付けられ、その摺動面２ｃでのブレーキライニング６とブレーキディスク１と摺動による摩擦力により、車輪４を介して車軸の回転を制動して車両を停止させることができる。
【００１０】
ここで、新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキディスクの回転速度や慣性力が非常に大きいため、制動中のブレーキディスクの温度上昇は著しくなる。そのため、ブレーキディスクの熱変形に伴い、締結ボルトに過大な曲げ応力が発生したり、ブレーキディスクの摺動面に熱応力が発生したり、更に、ブレーキディスクのボルト穴周縁部に割れ、変形、陥没が発生するといった問題が生じる。
【００１１】
このような問題を抑制するために、これまで多くの技術が提案されている。例えば、特許文献１では、ブレーキディスクの摺動面の熱応力発生を抑制し、ブレーキディスクの熱き裂や熱変形、締結ボルトの損傷を未然に防止することを目的として、ブレーキディスクについて、摩擦面と締結面の間に連絡部を設け、摩擦面と締結面と同士を軸方向にオフセットさせた形状としている。
【００１２】
また、特許文献２では、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するにあたり、ボルト、ナット、座金等の締結部品に対してブレーキディスクが軟らかいと、締結部品がディスク締結面に食い込み、き裂が発生するため、これを防止することを目的として、ナットとディスク締結面との間に皿ばね等の弾性復元力を有する座金を介装したブレーキディスクの締結構造において、ボルトのねじ部と幹部との境界部に段差を設け、その段差によってナットの締め付け側への移動を制限した構造となっている。これにより、ボルトからディスク締結面に過度に大きな軸力が生じることを抑制することで、その目的の達成を図っている。
【００１３】
また、特許文献３では、上記特許文献２と同様、特にアルミ複合材料のブレーキディスクを使用するにあたり、ブレーキディスクが高熱膨張率であるということに起因する、ブレーキディスクと車輪とのずれ、ブレーキディスクのボルト孔周縁部での高応力発生といった問題点を解決することを目的として、ブレーキディスクと車輪のボルト穴に挿入されてボルトを挿通させる筒状弾性部材について、車輪のボルト穴の内周面に対向する一部分に凹みを設けた構成とすることで、その目的の達成を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００６−２５８１８７号公報
【特許文献２】特開２００６−１７７４０４号公報
【特許文献３】特開２００６−３２９３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
近年、車両の一層の高速化に伴うブレーキ負荷の増大により、ブレーキディスクと車輪との締結に用いられるボルトに高応力が発生する。ボルトに発生する応力が高くなるのに伴い、ボルトに発生する疲労損傷の可能性を高めることとなり、ボルトを含めてブレーキディスクの締結部の疲労信頼性を向上させることが課題になる。
【００１６】
このような課題に対し、これまでのところ、ボルト自体の材質や形状を改良して疲労強度を向上させること、及び、ブレーキディスクの締結部の構造を改良してボルトに発生する応力を低減させることを主体とする手法が考えられる。上記特許文献１〜３に提案されている技術では、いずれも後者の手法を採っている。
【００１７】
しかし、上記特許文献１の技術では、ディスクの摺動部又は締結部が、車輪のリム部又はボス部から外側に大きくはみ出した状態になるため、ブレーキライニングを保持するキャリパー等の周辺部品を大型化せざるを得ず、車輪のボス部にボルト穴を設けることにより車輪と車軸間の圧入部において十分な把握トルクが得られなくなるおそれがある。
【００１８】
また、上記特許文献２、３の技術では、アルミニウム複合材料のブレーキディスク特有の問題を解決するために、ボルトのねじ部と幹部との境界部に段差を設けて、ナットの締め付け側への移動を規制した構造とし、又は、ブレーキディスクと車輪のボルト穴に挿入する筒状弾性部材について、車輪のボルト穴の内周面に対向する部分に凹みを設けた構成としているが、ブレーキディスクの摺動時において、締結ボルトへの曲げ応力を低減させる効果は期待できない。
【００１９】
このようなボルトを含めてブレーキディスクの締結部の疲労信頼性を向上させるという課題は、車輪にブレーキディスクが締結される側ディスク方式の制動装置についてのみならず、車輪とは別個に車軸に固定されたディスク体にブレーキディスクが締結される軸マウントディスク方式の制動装置についても同様に顕在する。すなわち、車軸に固定されたディスク部材にブレーキディスクが締結される制動装置にも同様の課題が顕在する。
【００２０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、車軸に固定されたディスク部材との締結に用いられるボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れた鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクのディスク部材に対しての締結構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明者らは、上記目的を達成するために、車軸に固定されたディスク部材と鉄道車両用ブレーキディスクとの締結構造について、ブレーキの繰返し負荷を想定した数値解析を行って鋭意検討を重ねた結果、下記の（Ａ）及び（Ｂ）の知見を得た。
（Ａ）ブレーキ作動時のボルトに発生する応力は、ブレーキディスクの締結部における軸方向での厚みを薄くすることにより低減できる。
（Ｂ）上記（Ａ）の知見に加え、ボルト長さを短くすると、更にボルトに発生する曲げ応力を低減できる。
【００２２】
このような知見に基づき、下記の（１）に示す鉄道車両用ブレーキディスク、及び（２）に示す鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造を完成させた。
【００２３】
（１）内周側から順に、締結部と、表側面に摺動面を有する摺動部とを備える鉄道車両用ブレーキディスクであって、前記締結部が裏側面を減肉され、軸方向での前記締結部の厚みｔcと前記摺動部の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下である鉄道車両用ブレーキディスク。
【００２４】
（２）鉄道車両の車軸に固定されたディスク部材の両側に、一対の前記（１）に記載の鉄道車両用ブレーキディスクが各々の表側面を互いに外向きにして配置され、前記締結部及び前記ディスク部材を貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとにより、前記ディスク部材に対して前記鉄道車両用ブレーキディスクが締結されており、前記ディスク部材と前記鉄道車両用ブレーキディスクとの間に前記ボルトを挿通した筒状スペーサが介在している鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクとディスク部材との締結構造は、ブレーキディスクの締結部の板厚ｔcを低減させて、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルトに発生する応力を低減できるため、ボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れたものとなり、長期間に亘り安定した使用に耐えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来の鉄道車両用ブレーキディスクの一部分を示す図であって、同図（ａ）は１／４円部分の表側面視での平面図、同図（ｂ）は半円部分の断面図である。
【図２】従来の鉄道車両用ブレーキディスクの車輪に対しての締結構造を示す要部断面図である。
【図３】有限要素法による数値解析に用いたモデルを示す図であって、同図（ａ）はそのモデルの表側面視での斜視図、同図（ｂ）はそのモデルの側面図である。
【図４】有限要素法による数値解析での結果を模式的に示す図である。
【図５】鉄道車両用ブレーキディスクにおいて有限要素法による数値解析での変数に対応する部分を示す図である。
【図６】鉄道車両用ブレーキディスクの締結部の板厚を薄肉化した状態での締結構造の一例を示す図であって、同図（ａ）は締結部の表側面を削って薄肉化した状態を示し、同図（ｂ）は締結部の裏側面を削って薄肉化した状態を示す。
【図７】有限要素法による数値解析で得られた、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmax、及びボルトの応力範囲の関係を示す図である。
【図８】本発明の参考例として鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。
【図９】本発明の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。
【図１０】有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＡのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１１】有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＢのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１２】有限要素法による数値解析で検証した本発明例としてのモデルＣのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【図１３】有限要素法による数値解析で検証した比較例としてのモデルＤのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明の鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造の実施形態について以下に詳述する。
【００２８】
本発明者らは、本発明を完成するにあたり、先ず検討の初期段階において、ブレーキ時のボルトの発生応力を明らかにするために、前記図１、図２に示すような従来のブレーキディスク１がボルト５によって車輪４に締結された状態について、有限要素法（ＦＥＭ）による数値解析を行った。
【００２９】
図３は、有限要素法による数値解析に用いたモデルを示す図であって、同図（ａ）はそのモデルの表側面視での斜視図、同図（ｂ）はそのモデルの側面図である。同図に示すモデルは、従来のブレーキディスク１がボルト５によって車輪４に締結された状態を想定したものであり、対称性を前提として、軸方向では、車輪４の中心を通る直交面でカットされ、円周方向では、ボルト５の中心を通る直交面と、隣接するボルト５同士の中心を通る直交面とでカットされた形状である。このようなブレーキディスク１、車輪４及びボルト５から成る締結体のモデルを用いて、ＦＥＭ解析を行った。
【００３０】
図４は、有限要素法による数値解析での結果を模式的に示す図である。同図に示すように、ブレーキによるブレーキディスク１の温度上昇時には、ブレーキディスク１が径方向の外周側及び軸方向の外側に向けて熱膨張する挙動を示し、この熱変形するブレーキディスク１を車輪４に強制的に押し付ける負荷が働くことから、ブレーキディスク１は、締結部３のボルト穴３ｃの位置が径方向の外周側にずれつつ、全体が軸方向の外側に凸状に変形することになる。その結果、ボルト５に曲げ応力が発生し、その曲げ応力は、前記図２に示すように、ボルト５の幹部５ｂに形成のくびれ部５ｄからねじ部５ｃにかけて、又はボルト５の頭部５ａと幹部５ｂのつけ根において、ブレーキディスク１の外周寄りの部分に高応力が分布することが分かる。
【００３１】
このようなボルト５に発生する曲げ応力を抑制するには、ブレーキディスク１の熱変形を小さくすること、及び、ブレーキディスク１の変形に対する剛性を低減することが有効と考えられる。前者の抑制対策には、ブレーキディスク１の摺動部２の軸方向の厚みを増加させることにより、摺動面２ｃ付近の温度上昇を抑えることが有効であり、これまでも設計上の変数として用いられている。
【００３２】
これに対して、本発明者らは、後者の抑制対策であるブレーキディスク１の変形に対する剛性を低減することに着目し、ブレーキディスク１の締結部３の軸方向の厚みを低減させるＦＥＭ解析を更に行って詳細に検討した。
【００３３】
図５は、鉄道車両用ブレーキディスクにおいて有限要素法による数値解析での変数に対応する部分を示す図である。同図に示すように、締結部３の板厚ｔcと、摺動部２の最大板厚ｔmaxとを変数とし、その比ｔc/ｔmaxを種々変更してＦＥＭ解析を行った。ここで、締結部３の板厚ｔcとは、前記図２に示すように、ボルト５の頭部５ａ又はナット７の座面と、車輪４と、で挟まれた締結部３の軸方向の厚みのことであり、摺動部２の最大板厚ｔmaxとは、摺動部２のフィンも含んだ軸方向の最大厚みのことである。
【００３４】
図６は、鉄道車両用ブレーキディスクの締結部の板厚を薄肉化した状態での締結構造の一例を示す図であって、同図（ａ）は締結部の表側面を削って薄肉化した状態を示し、同図（ｂ）は締結部の裏側面を削って薄肉化した状態を示す。同図（ａ）に示すブレーキディスク１は、締結部３が、軸方向で外向きとなる表側面３ａ、すなわち車輪４に対向しない面を減肉され、その表側面３ａは全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっている。一方、同図（ｂ）に示すブレーキディスク１は、締結部３が、軸方向で内向きとなる裏側面３ｂ、すなわち車輪４に対向する面を減肉され、その裏側面３ｂは全域に亘り軸方向に対して垂直な平坦な面となっている。
【００３５】
特に、図６（ａ）に示す締結構造では、従来の締結構造と比較して、締結部３の表側面３ａが減肉されることから、ボルト５の長さが短くなる。一方、図６（ｂ）に示す締結構造では、従来の締結構造と比較して、ボルト５の長さは変わらないが、締結部３の裏側面３ｂが減肉されることによって車輪４と締結部３との間に生じる隙間に、ボルト５を挿通した筒状スペーサ９が介在される。このようにブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcが薄肉化された締結構造に準じたモデルについて、ＦＥＭ解析を行った。
【００３６】
図７は、有限要素法による数値解析で得られた、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmax、及びボルトの応力範囲の関係を示す図である。ここで、ボルト応力範囲とは、前記図６に示すように、ボルト５の幹部５ｂに形成されたくびれ部５ｄからねじ部５ｃにおける、ブレーキディスク１の外周寄りの部分において、ブレーキ作動中の軸方向の応力値の変化量を指す。また、同図中、前記図６（ａ）に示す締結構造に準じたモデルの結果を実線（図７中、「反車輪側減肉＋ボルト長さ減」と表記）で示し、前記図６（ｂ）に示す締結構造に準じたモデルの結果を破線（図７中、「車輪側減肉」と表記）で示している。なお、図７中、前記図２に示す従来の締結構造に準じたモデルの結果をダイヤ印（図７中、「従来形状」と表記）で示している。
【００３７】
図７に示すように、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxが小さくなるに従って、ボルトの応力範囲が小さくなることが分かる。すなわち、図７中の実線及び破線で示すように、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄くすると、ボルト５に発生する応力が低下する。特に、図７中の実線で示すように、更にボルト５の長さを短くすれば、ボルト５に発生する応力がより一層低下する。これは、ボルト５を短くすることで、曲げモーメントが低減し、結果として曲げ応力が低減することを示している。なお、ボルト５の頭部５ａと幹部５ｂのつけ根においても、ボルトの応力範囲は同様の傾向で生じる。
【００３８】
このように、ボルト５に発生する応力を低減するには、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを低減させて比ｔc/ｔmaxを低減させることが効果的である。更にボルト５の長さを短くすることがより一層の効果をもたらす。このようなブレーキディスク１を採用した締結構造の具体例を以下に示す。
【００３９】
図８は、本発明の参考例として鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。同図に示すブレーキディスク１は、前記図６（ａ）に示すように、締結部３の表側面３ａが減肉されてその板厚ｔcが低減されたものである。
【００４０】
同図に示すように、車輪４の両側に、一対のブレーキディスク１が、各々の表側面を互いに外向きにして、言い換えれば、各々の裏側面を車輪４と対向するように互いに内向きにして配置される。ボルト５が、一方のブレーキディスク１における締結部３のボルト穴３ｃから、車輪４のボス部４ａの径方向外方に形成されているボルト穴４ｂを通じ、他方のブレーキディスク１における締結部３のボルト穴３ｃまで挿入されてこれらを貫通し、このボルト５に平座金８を介在してナット７が螺合される。このボルト５とナット７との螺合により、ブレーキディスク１は、締結部３が車輪４に強固に締結され、車軸（不図示）を含めた全体として回転可能に一体化される。ボルト５は、頭部５ａ、及びこの頭部５ａから突出する幹部５ｂから構成され、幹部５ｂの先端には、くびれ部５ｄを経てねじ部５ｃが形成されている。
【００４１】
図８に示す締結構造では、締結部３の表側面３ａの減肉部に、ボルト５の頭部５ａ及びナット７が収容されており、そのボルト５の頭部５ａ及びナット７が、摺動部２の摺動面２ｃより軸方向の外側に突出しない。また、ボルト５の長さが従来よりも短い。
【００４２】
一対のブレーキディスク１のそれぞれにおける摺動部２の表側面２ａ、すなわち摺動面２ｃの外側には、摺動面２ｃと僅かな隙間を設けて対向するように、ブレーキライニング６が配設される。ブレーキライニング６は、互いに同期して接近したり離間したりするように軸方向に移動が可能である。制動時には、ブレーキライニング６が互いに接近するように移動して、ブレーキディスク１の摺動面２ｃに接触しつつ押し付けられ、車輪４を両側から強く狭圧する。その摺動面２ｃでのブレーキライニング６とブレーキディスク１と摺動による摩擦力により、車輪４を介して車軸の回転を制動して車両を停止させることができる。
【００４３】
このような締結構造によれば、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄肉化させて、締結部３の板厚ｔcと摺動部２の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルト５に発生する応力を低減することができ、その結果として、ボルト５を含むブレーキディスク１の締結部３の疲労信頼性を向上させることができる。従って、本発明の締結構造は、長期間に亘り安定した使用に耐えることが可能であり、疲労信頼性に優れたものと言える。
【００４４】
しかも、本発明の締結構造は、ボルト５の長さを短くさせると、ボルト５に発生する応力を一層低減でき、疲労信頼性が一層向上する。また、本発明の締結構造は、ボルト５の頭部５ａ及びナット７を、摺動部２の摺動面２ｃより軸方向の外側に突出させないため、ボルト５及びナット７の抜け止め処理を施す自由度が増し、安全面からの信頼性も向上する。
【００４５】
図９は、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクと車輪との締結構造の一例を示す要部断面図である。同図に示すブレーキディスク１は、前記図６（ｂ）に示すように、締結部３の裏側面３ｂが減肉されてその板厚ｔcが低減されたものである。
【００４６】
同図に示すように、前記図８に示す締結構造と同様に、車輪４の両側に配置された一対のブレーキディスク１が、ボルト５とナット７との螺合により、車輪４に対して締結部３で強固に締結され、摺動部２の摺動面２ｃの外側に、ブレーキライニング６が配設される。
【００４７】
図９に示す締結構造では、ボルト５の長さが従来と変わらない。そのため、車輪４と締結部３の裏側面３ｂの減肉部との間に隙間が生じる状況になるが、その隙間に筒状スペーサ９を介在させ、この筒状スペーサ９内にボルト５を挿通させることにより、車輪４と締結部３の隙間を埋めている。
【００４８】
このような締結構造によっても、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを薄肉化させて、比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、ボルト５を含むブレーキディスク１の締結部３の疲労信頼性を向上させることができる。
【００４９】
ここで、本発明のブレーキディスク、及びこれを含む締結構造において、前記図７に示す締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを限定する範囲を説明する。従来形状のブレーキディスク（前記図１〜図３参照）では、比ｔc/ｔmaxは０．７８でボルトの応力範囲は３４３ＭＰａであり、この従来形状のブレーキディスクに対し、ボルトの応力範囲を少なくとも２０％低減するには、比ｔc/ｔmaxを０．５以下にする必要がある。ボルトの応力範囲を２０％低減すると、別途行ったボルトの疲労試験結果によれば、３倍以上の寿命を確保することが可能となり、ボルトの疲労信頼性向上の面で設計上の優位性を見出すことができる。従って、本発明で有効な比ｔc/ｔmaxの上限を０．５とする必要がある。
【００５０】
一方、比ｔc/ｔmaxを下げていくと、ブレーキディスクの締結部は薄肉化され、ボルトの応力は低減されるものの、その締結部に発生する応力が高くなるおそれがある。特にブレーキディスクの回転に伴う遠心力は、ブレーキディスクの径方向に作用するため、締結部と摺動部との境界部に高応力を発生させる。そのため、比ｔc/ｔmaxの下限は、ブレーキディスクが使用される車両の速度、ブレーキディスクの材質的な強度、及び摺動部の質量を勘案して、適宜設定すればよい。この場合に、遠心力に対する疲労安全性の観点から、比ｔc/ｔmaxは０．１以上であることが望ましい。
【００５１】
以上説明した鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造に関し、以下の実施例からその有効性を明らかにした。
【実施例】
【００５２】
図１０は、有限要素法による数値解析で検証した本発明の参考例としてのモデルＡのブレーキディスクを示す図であって、同図（ａ）は表側面視での斜視図を示し、同図（ｂ）は裏側面視での斜視図を示している。同様に、図１１は、本発明の参考例としてのモデルＢのブレーキディスクを、図１２は、本発明例としてのモデルＣのブレーキディスクを、図１３は、比較例としてのモデルＤのブレーキディスクをそれぞれ示している。
【００５３】
図１０〜図１３に示すように、モデルＡ〜Ｄのブレーキディスク１は、いずれも前記図３と同様に、円周方向では、ボルト５すなわちボルト穴３ｃの中心を通る直交面と、隣接するボルト５すなわちボルト穴３ｃ同士の中心を通る直交面とでカットされたものである。
【００５４】
図１０に示すモデルＡのブレーキディスク１は、前記図６（ａ）及び図８に示すように締結部３の表側面３ａを全域に亘って平坦に減肉したものである。図１１に示すモデルＢのブレーキディスク１は、そのモデルＡから更にボルト穴３ｃの周囲を減肉したものである。図１２に示すモデルＣのブレーキディスク１は、モデルＡ及びＢとは逆に、前記図６（ｂ）及び図９に示すように締結部３の裏側面３ｂを全域に亘って平坦に減肉したものである。図１３に示すモデルＤのブレーキディスク１は、前記図１〜図３に示すように従来形状のものであり、締結部３は一切減肉されていない。
【００５５】
表１に、上記モデルＡ〜Ｄの詳細事項をまとめる。
【００５６】
【表１】
【００５７】
モデルＡ、Ｂはそれぞれ前記図１０、図１１に対応する本発明の参考例であり、モデルＣは前記図１２に対応する本発明例であり、モデルＤは前記図１３に対応する比較例である。ブレーキディスク１の摺動部２の形状は全て同じであり、ブレーキディスク１の外径も全て７２５ｍｍである。また、ブレーキディスク１の締結部３については、ボルト穴３ｃの中心線を結んで描かれる円の直径は３８５ｍｍで全て同じであるが、その板厚ｔcを変化させている。
【００５８】
モデルＡでは、ブレーキディスク１の締結部３における表側面３ａすなわち反車輪側の面を減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．４５とし、これに伴いボルト５の長さを従来よりも３１ｍｍ短くしている。モデルＢでは、モデルＡよりも更に締結部３における表側面３ａを減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．２８とし、これに伴いボルト５の長さを従来よりも４７ｍｍ短くしている。モデルＣでは、締結部３における裏側面３ｂすなわち車輪側の面を減肉して、比ｔc/ｔmaxを０．２５とし、ボルト５の長さは筒状スペーサ９を介在して従来と同じにしている。モデルＤでは、従来形状と変わらず、比ｔc/ｔmaxを０．７８とし、ボルト５の長さも変わらない。
【００５９】
なお、実際のＦＥＭ解析で用いるボルト長さに関しては、ボルト５が軸方向に対して車輪４の中心を通る直交面でカットされているため、表１中で表記したボルト長さの変化量の半分を採用してＦＥＭ解析を行った。また、表１中で表記したボルト長さの変化量については、従来と比較して短くなった状態を「−」（マイナス）で表記した。
【００６０】
ＦＥＭ解析では、解析の入力データであるブレーキディスク１、ボルト５、及び車輪４それぞれの物性と強度特性には、従来品に使われている鉄鋼材料の測定値を用いた。そして、ボルト５に１本あたり１５０ｋＮに相当する軸力を与え、その後摺動面２ｃ上に初速２７５ｋｍ／ｈからブレーキをかけた時の運動エネルギーに相当する熱量を与えて得た温度分布とその変化を基に、熱応力を解析した。
【００６１】
表２に、モデルＡ〜ＤのＦＥＭ解析で得られたボルトの応力範囲及び締結部の応力を示した。
【００６２】
【表２】
【００６３】
モデルＡ〜Ｃでは、比較例であるモデルＤと比較して、ボルト５の応力範囲が顕著に低減してボルト発生応力が２０％以上低減される。その中でも、反車輪側を減肉してボルト長さを短くし、比ｔc/ｔmaxが最も小さいモデルＢが、最もボルト発生応力が低く、次いでモデルＢと同様な形状で比ｔc/ｔmaxが若干大きいモデルＡ、そして車輪側を減肉してボルト長さを変えていないモデルＣの順番でボルト発生応力が大きくなる。ここで、ボルト応力範囲とは、ボルトの幹部に形成されたくびれ部からねじ部における、ブレーキディスク１の外周寄りの部分において、ブレーキ作動中の軸方向の応力値の変化量を指す。ブレーキディスク１の外周寄りの部分を評価の対象として採用したのは、ブレーキでボルト５に発生する曲げ応力が、外周寄りで高応力となるためである。
【００６４】
また、ブレーキディスク１の締結部３の発生応力として、ブレーキ中の最大主応力のピーク値について評価した。表２中には、比較例であるモデルＤを１００として締結部応力を指数で表記した。
【００６５】
モデルＡ〜Ｃでは、比較例であるモデルＤと比較して、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcが薄くなったにもかかわらず、当該部の応力はほぼ同等である。これは、この最大主応力が円周方向の応力が主体であり、締結部３の板厚ｔcよりも、締結部３と摺動部２との円周方向の熱膨張差に支配されているためである。締結部３で大きくなると予想される半径方向の応力は、上記した最大主応力のピーク値よりも低いレベルであった。
【００６６】
以上の実施例より、本発明のブレーキディスク及びこれを含む締結構造は、ブレーキディスク１の締結部３の板厚ｔcを低減して、締結部３の板厚ｔcと摺動部２の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを０．５以下とすることにより、ボルト発生応力の低減を実現でき、ボルト５を含む締結部３の疲労信頼性の向上を実現できる。更にボルト５の長さを短くすることがより一層の効果をもたらす。
【００６７】
その他本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態ではブレーキディスク１の材料を鉄鋼材料としたが、アルミ複合材料といった他の材料から成るブレーキディスクにも本発明を適用できる。また、上記実施形態では、ボルト５によってブレーキディスク１が締結される対象を、車輪４としたが、車軸に固定されたディスク部材である限り、車輪４とは別個に車軸に固定されたディスク体とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明によれば、ブレーキディスクの締結部の板厚ｔcを低減させて、締結部の板厚ｔcと摺動部の最大板厚ｔmaxとの比ｔc/ｔmaxを低減させることにより、制動時、特にボルトに発生する応力を低減することができ、車軸に固定されたディスク部材との締結に用いられるボルトを含めて締結部の疲労信頼性に優れた鉄道車両用ブレーキディスク、及びその鉄道車両用ブレーキディスクのディスク部材に対しての締結構造を得ることができる。よって、本発明は、鉄道車両の制動装置に極めて有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１：鉄道車両用ブレーキディスク、
２：摺動部、 ２ａ：摺動部の表側面、 ２ｂ：摺動部の裏側面、
２ｃ：摺動部の摺動面、
３：締結部、 ３ａ：締結部の表側面、 ３ｂ：締結部の裏側面、
３ｃ：締結部のボルト穴、
４：車輪、 ４ａ：車輪のボス部、 ４ｂ：車輪のボルト穴、
５：ボルト、 ５ａ：ボルトの頭部、 ５ｂ：ボルトの幹部、
５ｃ：ボルトのねじ部、 ５ｄ：ボルトのくびれ部、
６：ブレーキライニング、 ７：ナット、 ８：平座金、
９：筒状スペーサ、
ｔc：締結部の軸方向の厚み、 ｔmax：摺動部の軸方向の最大厚み
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周側から順に、締結部と、表側面に摺動面を有する摺動部とを備える鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記締結部が裏側面を減肉され、軸方向での前記締結部の厚みｔcと前記摺動部の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下であることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
【請求項２】
鉄道車両の車軸に固定されたディスク部材の両側に、一対の請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキディスクが各々の表側面を互いに外向きにして配置され、前記締結部及び前記ディスク部材を貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとにより、前記ディスク部材に対して前記鉄道車両用ブレーキディスクが締結されており、前記ディスク部材と前記鉄道車両用ブレーキディスクとの間に前記ボルトを挿通した筒状スペーサが介在していることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造。
【請求項１】
内周側から順に、締結部と、表側面に摺動面を有する摺動部とを備える鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記締結部が裏側面を減肉され、軸方向での前記締結部の厚みｔcと前記摺動部の最大厚みｔmaxとの比ｔc／ｔmaxが０．５以下であることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
【請求項２】
鉄道車両の車軸に固定されたディスク部材の両側に、一対の請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキディスクが各々の表側面を互いに外向きにして配置され、前記締結部及び前記ディスク部材を貫通するボルトと、このボルトに螺合するナットとにより、前記ディスク部材に対して前記鉄道車両用ブレーキディスクが締結されており、前記ディスク部材と前記鉄道車両用ブレーキディスクとの間に前記ボルトを挿通した筒状スペーサが介在していることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスクの締結構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−７２９１３（Ｐ２０１２−７２９１３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６９９９４（Ｐ２０１１−２６９９９４）
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【分割の表示】特願２００７−１５１９５７（Ｐ２００７−１５１９５７）の分割
【原出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月９日（２０１１．１２．９）
【分割の表示】特願２００７−１５１９５７（Ｐ２００７−１５１９５７）の分割
【原出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００２１１８）住友金属工業株式会社 (2,544)
【Ｆターム（参考）】
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