JP2001311441A

JP2001311441A - ブレーキディスク

Info

Publication number: JP2001311441A
Application number: JP2001038180A
Authority: JP
Inventors: Tokuji Sakaguchi; 篤司坂口; Mitsusachi Yamamoto; 三幸山本; Yasuhisa Misawa; 泰久三澤; Taizo Makino; 泰三牧野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2001-02-15
Publication date: 2001-11-09
Anticipated expiration: 2021-02-15
Also published as: JP4701512B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレーキングの熱応力に起因するディスクの
反りの発生を抑制することにより、ブレーキ時にディス
クの締結穴部及び締結部材に負荷される応力を低減さ
せ、ディスク及び締結部材を長寿命化する。また、ブレ
ーキングによりディスクの締結穴部及び締結部材に繰返
し負荷される応力集中を抑制し、ディスク及び締結部材
を長寿命化する。【解決手段】ブレーキディスク１の摺動面４を有する
摺動部に締結穴５を設ける。また、被締結部材に設けた
凸部と嵌合する凹部１１をブレーキディスク１の締結面
に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、ボルト穴等の締結穴の周辺
部（以下、締結穴の周辺部を締結穴部ともいい、ボルト
穴の周辺部をボルト穴部ともいう）及びボルト等の締結
部材に作用する応力を低減することにより、ブレーキデ
ィスクの締結穴部からの疲労破壊及び締結部材の疲労破
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】これらの中で、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のことをブレーキディスクと
いい、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
るための締結穴部であるボルト穴５の周辺部を有する内
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。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
穴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穴部には前記引張応力が集中する
ため、ボルト穴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。また、膨張するディスク外周部が内
周部に拘束されることにより、ディスク外周部の摺動面
側への変形（以下、反りともいう）が生じる場合があ
る。

【０００９】図３は、反りが発生したディスクの状態を
模式的に示す断面図であり、破線は非ブレーキ時のディ
スクの状態を示し、実線はブレーキ時のディスクの状態
を示し、図中矢印にてブレーキ時にディスクとボルトに
作用する応力を示す。

【００１０】同図に示すように、ディスクの外周部で反
りが生じた場合には、ブレーキ時にブレーキライニング
とディスクとの接触が不均一となるため、摩擦力が不安
定となり、所期の制動特性が得られなくなる。また、ブ
レーキ時にはディスク１の外周部が車輪６側へ押付けら
れるため、ディスク１と車輪６とを締結しているボルト
７には引張応力及び曲げ応力が負荷され、ディスクのボ
ルト穴部には局所的応力が負荷される。このため、ブレ
ーキの繰返し（以下、ブレーキングともいう）により、
ディスクのボルト穴部には局所的応力が繰返し負荷さ
れ、ボルト穴部から疲労破壊が生じる場合がある。そこ
で、実際の使用にあたっては、ディスクの反り量を定期
的に監視し、その値が所定の値を超えた場合に交換を行
なうようにしている。したがって、反りの発生はディス
クの寿命を短縮することに繋がり、経済性の観点から好
ましくないことから、反りの発生を抑制してディスクを
長寿命化する技術が求められている。

【００１１】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穴部には引張応
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、ボルト穴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、ボルト穴部へ
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。

【００１２】一方、ボルトには、ディスクと車輪とを締
結するために常に負荷されている引張応力の他、ディス
クの回転を拘束するために負荷される回転方向への曲げ
応力と、外周部の熱膨張により内周部が外周部側への引
張応力を受けることにより負荷される半径方向への曲げ
応力とが、ブレーキングにより繰返し発生する。さら
に、ディスクに反りが生じた場合には、上述したように
ブレーキングにより引張応力及び半径方向への曲げ応力
が繰返し負荷される。これらの応力を平均した応力及び
繰返し負荷される応力は、ボルトの疲労破壊を引き起こ
す可能性がある。そこで、実際の使用にあたっては、ボ
ルトについてもディスクと同様に定期的に検査を行い、
疲労破壊に至る前に交換を行なうようにしている。した
がって、上記応力を低減することによりボルトを長寿命
化する技術が求められている。

【００１３】これらの問題の解決を試みたものとして、
特開平１０−３１８３０４号公報には、外リングと内リ
ングからなるブレーキディスクであって、外リングの内
周面と内リングの外周面が、半径方向に余裕を以って嵌
合し、円周方向にも嵌合するようになしてあるブレーキ
ディスクが提案されている。

【００１４】上記ブレーキディスクを適用することによ
り、摺動面を有する外リングに発生した熱応力が、外リ
ングと内リングとの間に設けた隙間により吸収されるた
め、内リングのボルト穴部への応力集中を緩和すること
ができる。

【００１５】しかしながら、外リングと内リングとを嵌
合させるには、円周方向にもある程度の隙間を設ける必
要があるが、隙間を小さくすると作業性が悪化し、隙間
を大きくするとガタが発生し、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ン
グによる繰返し応力が作用するため、嵌合部に疲労破壊
が生じる可能性もある。さらに、嵌合部に過大な応力が
作用した場合には、外リングが内リングから外れること
により予期せぬ事故を招く可能性がある。

【００１６】上述したように、特に鉄道車両用ディスク
においては、ブレーキングによりディスク及びボルト
が、苛酷な熱応力、引張応力及び曲げ応力を繰り返し受
けるため、ディスク及びボルトを現状以上に長寿命化す
ることが困難であった。

【００１７】本発明は、上記問題点に鑑み、一体型のデ
ィスクにおいて形状を適正化することにより、ブレーキ
ングによりディスクのボルト穴部等の締結穴部及びボル
ト等の締結部材に作用する応力を低減させ、締結穴部か
らの疲労破壊及び締結部材の疲労破壊の発生を抑制し、
ディスク及び締結部材を長寿命化することを目的とす
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ディスク
のボルト穴部等の締結穴部に生じる応力の発生を抑制す
るために好適な締結穴の位置を検討した。また、締結穴
部に生じる応力集中を分散させるために、締結穴以外の
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。

【００１９】（Ａ）締結穴を摺動部に設けることによ
り、ディスクを摺動部で拘束することになり、従来高温
となった外周部を比較的低温である内周部により拘束し
ていたことによって生じていた反りを抑制することがで
きる。また、反りを外周側と内周側とに分散することが
可能となり、ブレーキ時にブレーキライニングによりデ
ィスクが車輪側へ押付けられた場合でも、締結穴部及び
ボルト等の締結部材に作用する引張応力及び曲げ応力を
著しく低減することが可能となる。また、摺動部では他
の部位を拘束するための周方向の引張応力が生じないの
で、締結穴部における引張応力の集中を抑制することが
可能となる。さらに、従来締結穴部を確保するために設
けていた内周部を省略することが可能となり、ディスク
を軽量化することが可能となる。

【００２０】ここで、締結穴部とは、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
結穴の周辺部のことであり、締結部材がボルトである場
合にはボルト穴部であり、締結部材がネジである場合に
はネジ穴部のことである。また、摺動部とは摺動面の内
周と外周とで囲まれるディスクの環状の部分であり、摺
動面が同心円状に複数の環状の部分に分割されている場
合には、最内周に位置する環状の摺動面の内周と最外周
に位置する摺動面の外周とで囲まれる環状の部分をい
う。また、摺動面とは、ブレーキ時にディスクとブレー
キライニングが当接する面のことである。

【００２１】（Ｂ）下記の条件（ａ）を充足するように
前記締結穴を配置することにより、ブレーキ時に熱膨張
してディスク摺動面側に変形しようとするディスクの内
周側および外周側の両部位を、双方に対して近接した位
置で締結部材により拘束することができるので、さらに
反りの程度を抑制することができる。また、反りを外周
側と内周側とにより均等に分散することができ、ブレー
キ時にブレーキライニングによりディスクが車輪側へ押
付けられた場合において締結穴部及びボルト等の締結部
材に作用する引張応力及び曲げ応力をさらに低減するこ
とが可能となる。

【００２２】 −０．１２≦ｒ／Ｒ≦０．２０（ａ）ここで、ｒ：ブレーキディスクの同一半径方向において、摺動部
の幅方向中心を基準とした締結穴の中心までの距離（締
結穴の中心が内周側方向に位置する場合には負、外周側
方向に位置する場合には正とする）Ｒ：摺動部の幅である。

【００２３】ここで、摺動部の幅とは、ディスクの半径
方向における摺動部の幅であり、摺動部の幅方向中心と
は、前記摺動部の幅の中心である。図４は、ｒおよびＲ
の定義を示す説明図であり、同図（ａ）はｒが正である
場合を、同図（ｂ）はｒが負である場合を示す。また、
一点鎖線にて摺動部の幅方向中心の集合からなる円弧
を、破線にて締結穴の中心を通る円弧を、それぞれ示
す。

【００２４】（Ｃ）ディスクと被締結部材とを埋め込み
型の締結様式で締結した後に、摺動面を構成する蓋を締
結穴に装着することにより、ディスク回転時にボルト穴
が描く領域におけるディスクとブレーキライニングとの
摺動を連続的とすることができるので、ディスク回転時
に締結穴が描く環状の領域をも摺動面として充分機能さ
せることができ、さらなるディスクの軽量化が可能とな
る。

【００２５】また、締結部材自体に前記蓋としての機能
を兼備せしめても同様の効果が得られる。すなわち、例
えば締結部材がネジである場合、ディスクと被締結部材
とを締結した状態においてそのネジの頭部が摺動面を構
成するようにしてもよい。

【００２６】したがって、ここで蓋とは、締結部材から
独立した蓋に限らず、締結部材に蓋としての機能を兼備
せしめた場合にはその締結部材をも包含する概念であ
る。（Ｄ）被締結部材の凸部又は凹部と互いに嵌合する凹部
又は凸部をディスクの締結面に設けることにより、締結
穴部への応力集中を分散させることが可能となり、締結
穴部からの疲労破壊及び締結部材の疲労破壊の発生を抑
制することが可能となる。

【００２７】ここで、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。但し、車輪等に嵌合部形成部
材を装着してディスクと嵌合せしめる場合には、車輪等
には当該嵌合部形成部材が含まれ、これらを一体のもの
として被締結部材という。また、締結面とはディスクを
被締結部材に締結した時に、被締結部材と相対する面で
ある。

【００２８】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。（１）ブレーキディスクの環状部分として規定される摺
動部に締結穴を有することを特徴とするブレーキディス
ク。

【００２９】（２）前記締結穴の位置が下記の条件
（ａ）を充足することを特徴とする（１）項に記載のブ
レーキディスク。 −０．１２≦ｒ／Ｒ≦０．２０（ａ）ここで、ｒ：ブレーキディスクの同一半径方向において、摺動部
の幅方向中心を基準とした締結穴の中心までの距離（締
結穴の中心が内周側方向に位置する場合には負、外周側
方向に位置する場合には正とする）Ｒ：摺動部の幅である。

【００３０】（３）前記締結穴に装着する蓋を有し、前
記蓋が摺動面を構成することを特徴とする（１）項また
は（２）項に記載のブレーキディスク。（４）ブレーキディスクの締結面に嵌合用の凹部又は凸
部を有することを特徴とするブレーキディスク。

【００３１】（５）ブレーキディスクの締結面に嵌合用
の凹部又は凸部を有することを特徴とする（１）〜
（３）項の何れかに記載のブレーキディスク。

【００３２】

【発明の実施の形態】図５は、本発明の一実施態様であ
るブレーキディスクの１／４を示す部分平面図である。
同図において、点線は締結面の形状を示し、符号１１は
被締結部材の凸部と互いに嵌合する凹部を示し、図１と
同一の要素については同一の符号を用いて示す。

【００３３】同図に示すように、摺動面４を有する摺動
部に締結穴であるボルト穴５が設けられている。また、
点線で示すように、締結面には被締結部材の凸部と互い
に嵌合する凹部１１が設けられている。

【００３４】図６は、図５に示すブレーキディスクが車
輪に取付けられた状態の断面を模式的に示す部分断面図
であり、同図（ａ）は図５のＢ−Ｂ断面に相当する部位
の部分断面図、同図（ｂ）は図５のＣ−Ｃ断面に相当す
る部位の部分断面図である。

【００３５】同図（ａ）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。また、同図（ｂ）に示すように、
ブレーキディスク１、１は、車輪６に装着したピン９の
凸部１０に嵌合する凹部１１を締結面に有している。

【００３６】上述したように、例えば図１に示す従来型
のディスクでは、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穴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。さら
に、ブレーキングにより発生する熱応力によりディスク
に反りが生じた場合には、安定した制動特性を得ること
が困難となり、また、ブレーキングによりディスク内周
部のボルト穴部及びボルトに著しい応力が繰返し作用す
ることによって疲労破壊に至る場合がある。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
穴部及びボルトには著しい曲げ応力が回転方向に作用し
ている。

【００３７】これに対し、本実施態様のディスクでは、
図５及び図６に示すように、ディスクの摺動部に締結穴
を設けることにより、反りの発生を抑制することが可能
となるため、ブレーキ時に安定した制動特性が得ること
ができ、また、ディスクの反りに起因して締結穴部及び
締結部材へ繰返し負荷される応力を低減することによ
り、疲労破壊を抑制することができる。

【００３８】ここで、下記の条件（ａ）を充足するよう
に締結穴を配置することが望ましい。 −０．１２≦ｒ／Ｒ≦０．２０（ａ）ここで、ｒ：ブレーキディスクの同一半径方向において、摺動部
の幅方向中心を基準とした締結穴の中心までの距離（締
結穴の中心が内周側方向に位置する場合には負、外周側
方向に位置する場合には正とする）Ｒ：摺動部の幅である。

【００３９】上記条件（ａ）を充足するように締結穴を
配置することにより、ブレーキ時に熱膨張してディスク
摺動面側に変形しようとするディスクの内周側および外
周側の両部位を、双方に対して近接した位置で締結部材
により拘束し、さらに反りの程度を抑制することができ
る。また、反りを外周側と内周側とにより均等に分散す
ることができ、ブレーキ時にブレーキライニングにより
ディスクが車輪側へ押付けられた場合において締結穴部
及びボルト等の締結部材に作用する引張応力及び曲げ応
力をさらに低減することが可能となる。

【００４０】また、本実施態様のディスクは、被締結部
材である車輪６に装着したピン９の凸部１０に嵌合する
凹部１１を締結面に有しているので、ブレーキ時に回転
方向の変位を拘束するために負荷される回転方向の応力
を前記凹部周辺部へ分散させることが可能となる。ま
た、熱膨張による半径方向への変位を拘束するために締
結穴部及び締結部材へ負荷される応力についても、前記
凹部周辺部へ分散させることが可能となる。この結果、
締結穴部及び締結部材への応力集中を抑制することが可
能となり、締結穴部及び締結部材からの疲労破壊を抑制
することができる。

【００４１】図７は、車輪等へ装着するピン９の一例を
示し、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図
（ｃ）は側面図である。図８は、図７に示すピン９とデ
ィスク１との嵌合状態を示し、同図（ａ）は、嵌合部に
ついてのディスクの周方向断面図であり、同図（ｂ）
は、嵌合部についてのディスクの半径方向断面図であ
る。

【００４２】図５及び図８に示すピンは、円盤状の基部
に凸部を設けたものであり、図８に示すように、ディス
ク１と車輪６とを締結した状態において、車輪６に装着
したピン９の凸部１０とディスク１の締結面の凹部１１
とが嵌合するようになしてある。

【００４３】ここで、ピンの凸部高さＨ及びディスクの
凹部深さＤは、鉄道車両用のブレーキディスクとして適
用する場合には、５〜２５ｍｍとするのが好ましい。ピ
ンの凸部高さＨ又はディスクの凹部深さＤが５ｍｍ未満
では、ディスクに反りが生じた場合に回転方向のディス
クの変位を拘束する効果が得られなくなる可能性があ
る。また、ピンの凸部高さＨ又はディスクの凹部深さＤ
が２５ｍｍ超では、ディスクの強度が低下し不十分とな
る可能性がある。

【００４４】またピンの凸部幅Ｗｐ及びディスクの凹部
幅Ｗｄは、１０〜８０ｍｍとするのが好ましい。ピンの
凸部幅Ｗｐ又はディスクの凹部幅Ｗｄが１０ｍｍ未満で
は、凸部の強度が不足して十分な変位の拘束力を得るこ
とができなくなる可能性がある。また、ピンの凸部幅Ｗ
ｐ又はディスクの凹部幅Ｗｄが８０ｍｍ超では、ディス
クの強度が不足する可能性がある。

【００４５】また、ピンの凸部高さＨとディスクの凹部
深さＤは、同一とすることが好ましいが、加工精度の観
点から嵌合時に０．３〜１．０ｍｍのギャップを形成す
るようにするとよい。ピンの凸部幅Ｗｐとディスクの凹
部幅Ｗｄとのギャップ及びピンの凸部長さＬｐとディス
クの凹部長さＬｄとのギャップは、加工精度、締結作業
時の作業性及び焼付き抑制の観点から、０．１〜１．５
ｍｍとするのが好ましく、さらに０．１〜０．７ｍｍと
するのがより好ましい。

【００４６】また、ピンの凸部及びディスクの凹部のコ
ーナーには、０．３〜２．０ｍｍの面取りを施すことが
好ましい。また、ディスクの凹部は、ディスクの周方向
に均等に配列し、その個数は３〜１６とするのがよい。
また、図５に示すように、締結穴と凹部とがディスクの
周方向に交互に配列するのがよい。

【００４７】本実施態様のように、車輪に装着したピン
とディスクとを嵌合させる場合、ピンの基部の形状は適
宜決定することができる。基部を円盤とする場合には、
基部の直径を２０〜８０ｍｍとするのがよい。２０ｍｍ
未満ではピンの強度が小さくなり、８０ｍｍ超では車輪
の強度が小さくなる可能性がある。その他の形状とする
場合にも同程度の大きさとするのがよい。

【００４８】図９は、摺動部に設けた締結穴に摺動面を
構成する蓋を装着した実施態様例を示し、同図（ａ）
は、ボルトとナットにより埋め込み型の締結様式で締結
した後に摺動面を構成する蓋を装着した状態を示す断面
図、同図（ｂ）は、ネジにより埋め込み型の締結様式で
締結した後に摺動面を構成する蓋を装着した状態を示す
断面図、同図（ｃ）は、頭部が摺動面を構成する蓋の機
能を兼備したネジにより締結した状態を示す断面図であ
る。

【００４９】同図（ａ）に示す例では、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
とによって埋め込み型の締結様式で締結されており、一
面が摺動面４を構成する蓋１２が双方のディスクの締結
穴に装着されている。

【００５０】同図に示すように、ディスク１、１を埋め
込み型の締結様式で締結した後に、締結穴に摺動面４を
構成する蓋１２を装着することにより、ディスク回転時
にボルト穴が描く領域におけるディスクとブレーキライ
ニングとの摺動を連続的とすることができるので、ディ
スク回転時に締結穴が描く環状の領域をも摺動面として
充分機能させることが可能となるので、摺動面積を確保
するための重量増加を抑制し、ディスクの軽量化が可能
となる。

【００５１】同図（ｂ）に示す例では、ディスク１、１
は車輪６の両側面に締結部材であるネジ１３によって埋
め込み型の締結様式で締結されており、一面が摺動面４
を構成する蓋１２が一方のディスクの締結穴に装着され
ている。

【００５２】同図に示すように、ディスク１、１を埋め
込み型の締結様式でネジ１３により締結した後に、締結
穴に摺動面４を構成する蓋１２を装着することにより、
前記効果に加えて、締結作業がより簡易となり作業性が
向上する。

【００５３】同図（ｃ）に示す例では、ディスク１、１
は車輪６の両側面に締結部材であるネジ１３によって締
結されており、前記ネジ１３の頭部は摺動面４を構成す
るようになっている。

【００５４】同図に示すように、ディスク１、１を頭部
が摺動面４を構成するネジ１３により締結することによ
り、締結作業がさらに簡易となり作業性が向上する。な
お、本実施態様では、従来の内周部に相当する部位を有
しないディスクについて、摺動部の締結面に凹部を設け
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１に
示すような従来形状のディスクにおいて、内周部の締結
面に凹部を設けてもよく、外周部と内周部の両方に跨っ
て或いは各々に独立して設けてもよい。

【００５５】また、本実施態様では、被締結部材の凸部
に嵌合する凹部をディスクの締結面に設けたが、被締結
部材に凹部を設け、当該凹部に嵌合する凸部をディスク
の締結面に設けてもよい。

【００５６】また、本実施態様では、車輪に装着したピ
ンの凸部とディスクの締結面の凹部を嵌合するようにし
たが、車輪自体に凸部または凹部を設け、当該凸部また
は凹部と互いに嵌合する凹部または凸部をディスクの締
結面に設けてもよい。また、ディスクと車輪とにキー溝
を設けて、ディスクの凹部であるキー溝が車輪のキー溝
に嵌合したキーと嵌合するようにしてもよい。

【００５７】また、本実施態様では、被締結部材の凸部
に嵌合する凹部をディスクの締結面に設けることによ
り、ディスクの回転方向及び半径方向の変位を拘束する
ようにしたが、ディスクの回転方向若しくは半径方向の
何れか一方の変位のみを拘束するようにしても構わな
い。本実施態様のように、ディスクの回転方向及び半径
方向の変位を拘束するようにした方が、締結穴部及び締
結部材への応力集中をより分散できるので好ましい。

【００５８】また、本実施態様では、ディスクの締結穴
部及び締結面の凹部のみを増肉させたが、ディスク全体
を一様な肉厚としてもよい。本実施態様のように締結穴
部及び締結面の凹部のみを増肉させた方が、ディスクを
より軽量化できるので好ましい。

【００５９】また、本実施態様では、ディスクの摺動部
に締結穴を有し、且つ、ディスクの締結面に嵌合用の凹
部を有するディスクを例にとって述べたが、何れか一方
のみを有するようにしてもよい。本実施態様のように、
ディスクの摺動部に締結穴を有し、且つ、締結面に嵌合
用の凹部または凸部を有するようにした方が、締結穴部
及び締結部材に作用する応力の発生を抑制し、締結穴部
及び締結部材への応力集中を分散できるので好ましい。

【００６０】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。

【００６１】

【実施例】（実施例１）本発明の効果を確認するため、
現在新幹線用に使用されている鍛鋼材を使用し、形状の
異なる５種類のディスクを製造し、ブレーキ試験を行な
った。

【００６２】表１に試験に供したディスクの形状を示
す。また、試験材１〜３については、ディスクを車輪に
締結したときにディスクの締結面の凹部と嵌合する凸部
を形成するピンの形状を併せて示す。

【００６３】

【表１】

【００６４】試験材１〜３は、図５に示す形状のディス
クであり、試験材４は、図１に示す従来型形状のディス
クである。また、試験材５は、特開平１０−３１８３０
４号公報に記載された外リングと内リングとからなるデ
ィスクとし、外リングの内径を４５０ｍｍとした。試験
材１〜３の質量は約４５ｋｇであり、試験材４及び５の
質量は約６０ｋｇであった。

【００６５】また、ピンは図７に示す形状のものとし、
基部の円盤部の直径を５０ｍｍとした。表１に示す５種
類のディスクについて、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ブレーキ試験を
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１００ｋｍ／ｈから２．５ｋｍ／（ｈ・
ｓ）の一定減速度の条件で行なった。このとき、試験材
１〜３の温度は約１１０℃まで上昇し、試験材４及び５
の温度は約１００℃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。

【００６６】表２に、９０〜１００回目のブレーキにお
ける摩擦係数及び各締結ボルトに負荷される応力（以
下、ボルト負荷応力ともいう）及びブレーキ試験後の反
り量を示す。ここで、反り量とは、ブレーキ試験前のデ
ィスクの摺動面を基準面とした場合に、ブレーキ試験後
の摺動面と基準面との間の最大距離をいう。

【００６７】

【表２】

【００６８】ここで、摩擦係数の変動幅とは、ブレーキ
中における摩擦係数の変動幅であり、この値が小さいほ
ど安定した制動特性を得ることができ、制動性が優れて
いることを意味する。また、ボルト負荷応力の変動幅と
は、ブレーキ中においてボルトに負荷される応力の変動
幅であり、この値が小さいほど締結穴部及び締結部材に
負荷される繰返し応力が小さく、耐疲労破壊性に優れて
いることを意味する。

【００６９】表２に示すように、試験材４では、ブレー
キングによる熱応力により反りを生じたため、ボルト負
荷応力の変動幅が大きかった。また、試験材５は、外リ
ングと内リングとがディスクの半径方向に余裕を以って
嵌合しているため、外リングで発生した熱応力は前記嵌
合部で吸収され、試験材４にみられる大きな反りは発生
しなかった。しかし、外リングと内リングとが嵌合され
ているため、摩擦係数の変動幅及びボルト負荷応力の変
動幅が大きかった。また、ボルト負荷応力の平均値は若
干低減できたものの、従来型形状のディスクである試験
材４と余り変わらなかった。

【００７０】これに対し、試験材１〜３は、摺動部で車
輪と締結されているため、反りの程度が試験材５よりも
小さく良好であった。また、ディスクの締結面の凹部と
車輪に装着したピンの凸部とが嵌合して回転方向及び半
径方向の変位を拘束するため、ボルト本数が試験材４及
び５の半数であるにも拘らず、ボルト負荷応力の変動値
は試験材４及び５よりも小さく良好であった。

【００７１】（実施例２）次に、前記試験材１〜３を用
いて、初速度３００ｋｍ／ｈからブレーキ試験を行なっ
た。ブレーキ試験条件は、非常ブレーキ相当の条件とし
た。なお、ブレーキ後の試験材の温度は６００℃であっ
た。

【００７２】表３に、９０〜１００回目のブレーキにお
ける摩擦係数及びボルト負荷応力を示す。

【００７３】

【表３】

【００７４】表３に示すように、試験材１〜３の摩擦特
性は殆ど同一であったが、試験材２では凹部幅が１０ｍ
ｍ未満であったためピンの凸部の強度が小さく、凸部が
変形したことによりディスクの拘束力が低下したため、
試験材１のボルト負荷応力の変動幅よりも大きかった。
また、試験材３では凹部深さが５ｍｍ未満と浅く、嵌合
部によるディスクの拘束力が小さかったため、試験材１
のボルト負荷応力の変動幅よりも大きかった。試験材１
は、嵌合部形状が好適範囲にあるため、ボルト負荷応力
の変動幅が小さくより好ましい値であった。

【００７５】（実施例３）次に、試験材１のディスクを
用いて、ディスクの締結面の凹部と嵌合する凸部を車輪
に形成したフィンとした場合と、ボルト穴に摺動面を構
成する蓋を装着した場合とについてブレーキ試験を行な
った。ブレーキ試験条件は実施例２と同一の条件とし
た。フィンの形状はピンの凸部形状と同一とした。ま
た、蓋はディスクと同一材質とし、ボルトとナットとに
よって締結した後に、蓋をボルト穴に螺合してディスク
の摺動面と同一レベルとなるようにして、図９（ａ）に
示すような形態とした。

【００７６】表４に９０〜１００回目のブレーキにおけ
る摩擦係数及びボルト負荷応力と、凸部形成部材及び蓋
の有無を示す。

【００７７】

【表４】

【００７８】表４に示すように、試験番号Ｂにおいて
は、車輪に直接形成したフィンがディスクの締結面の凹
部と嵌合するため、試験番号Ａよりもボルト負荷応力の
変動幅が小さくなった。また、試験番号Ｃにおいては、
ボルト穴に摺動面を構成する蓋を装着したことにより、
ディスク回転時にボルト穴が描く領域におけるディスク
とブレーキライニングとの摺動を連続的とし、ディスク
回転時に締結穴が描く環状の領域をも摺動面として充分
機能させるようにしたため、試験番号Ａよりも摩擦係数
の平均値が大きく、摩擦係数の変動幅が小さかった。

【００７９】（実施例４）次に、Ａｌ基複合材を使用
し、砂型鋳造法により形状の異なる３種類のディスクを
製造し、ブレーキ試験を行なった。

【００８０】表５に試験に供したディスクの形状を示
す。試験材６については、ディスクを車輪に締結したと
きにディスクの締結面の凹部と嵌合する凸部を形成する
ピンの形状を併せて示す。

【００８１】

【表５】

【００８２】試験材６は、図５に示す形状のディスクで
あり、試験材７は、図１に示す従来型形状のディスクで
ある。また、試験材８は、特開平１０−３１８３０４号
に記載された外リングと内リングとからなるディスクと
し、外リングの内径を４５０ｍｍとした。また、試験材
８は、外リングのみにＡｌ基複合材を使用し、内リング
には鍛鋼材を使用した。

【００８３】また、ピンは図７に示す形状のものとし、
基部の円盤部の直径を５０ｍｍとした。ブレーキ試験条
件は実施例２のものと同一の条件とし、試験途中でボル
ト穴部から亀裂が発生した場合には、そこで試験を中止
した。

【００８４】表６に、９０〜１００回目のブレーキにお
ける摩擦係数及びボルト負荷応力を示す。

【００８５】

【表６】

【００８６】表６に示すように、試験材７は、ボルト穴
部を摺動部に有していないため、ボルト穴部に応力が集
中し、ブレーキ負荷４回目にボルト穴部から亀裂が発生
した。

【００８７】試験材８は、外リングと内リングとがディ
スクの半径方向に余裕を以って嵌合しているため、外リ
ングで発生した熱応力は前記嵌合部で吸収され、試験材
４にみられた大きな反りは発生せず、１００回のブレー
キ負荷を行なってもボルト穴から亀裂が生じることはな
かった。しかし、外リングと内リングとが嵌合されてい
るため、摩擦係数の変動幅及びボルト負荷応力の変動幅
が大きかった。

【００８８】試験材６は、摺動部で車輪と締結している
ため、試験材４にみられた大きな反りは発生せず、１０
０回のブレーキ負荷を行なってもボルト穴から亀裂が生
じることはなかった。また、ディスクの締結面の凹部と
車輪に装着したピンの凸部とが嵌合して回転方向及び半
径方向の変位を拘束するため、ボルト本数が試験材８の
半数であるにも拘らず、摩擦係数の変動幅及びボルト負
荷応力の変動幅は試験材８よりも小さく良好であった。

【００８９】（実施例５）次に、ボルト穴の位置と反り
量との関係をＦＥＭ解析により求めた。図１０は、ＦＥ
Ｍ解析において行った有限要素分割方法を示す説明図で
ある。

【００９０】同図に示すように、本例のＦＥＭ解析にお
いては、周方向に均等に１２個のボルトで締結されたデ
ィスクにブレーキを負荷した場合を想定し、ディスクの
対称性を考慮して、ボルト穴の中心を通る位置から前記
ボルト穴と隣り合うボルト穴との中間位置までの１／２
４（中心角にして１５°の範囲）の部位について有限要
素分割を行った。ここに、Ａ点とＢ点とは、それぞれボ
ルト穴の中心を通る半径方向についての内周の部位と外
周の部位に対応する。また、Ｃ点とＤ点とは、それぞれ
前記ボルト穴の中心を通る半径方向と１５°の中心角を
なす半径方向についての内周の部位と外周の部位に対応
する。

【００９１】摺動面幅を１３４ｍｍとし、ブレーキ条件
を３００ｋｍ／ｈからの非常ブレーキに相当する条件と
して、繰り返し３回のブレーキを負荷して室温まで冷却
した後のＡ〜Ｄ点（図１０参照）の各部の反り量を求め
た。ここで、各部の反り量とは、ブレーキ負荷前のディ
スクの摺動面を基準面としたブレーキ負荷後のＡ〜Ｄ点
までの距離を、摺動面側を正として表したものである。
なお、本例のブレーキ条件では、ディスクはブレーキ負
荷後９０秒で停止した。そして本例におけるディスクの
最高到達温度は約６３０℃であった。また、各有限要素
には、現在新幹線用に使用されている鍛鋼材の材料定数
を使用した。

【００９２】図１１は、ＦＥＭ解析により求めた各部の
反り量とボルト穴の位置との関係を示すグラフである。
同図に示すように、ボルト穴の位置が摺動面幅の中心位
置よりも内周側に位置する場合には外周部であるＣ点及
びＤ点の反り量が大きくなり、ボルト穴の位置が摺動面
幅の中心位置よりも外周側に位置する場合には内周部で
あるＡ点及びＢ点の反り量が大きくなる傾向を示す。

【００９３】そして、ボルト穴の位置が下記（ａ）を充
足する範囲にある場合には、Ａ〜Ｄ点の各部における反
り量が全て０．０１２ｍｍ未満となり、効果的に反りの
発生を抑制できることを確認できた。

【００９４】 −０．１２≦ｒ／Ｒ≦０．２０（ａ）

【００９５】

【発明の効果】本発明によれば、ブレーキングによる熱
応力に起因するディスクの反りの発生を抑制することに
より、ディスクの締結穴部及び締結部材に負荷される応
力を低減させることが可能となるので、ディスク及び締
結部材を長寿命化することができる。

【００９６】また、ディスクの変位を締結部以外の部位
で拘束することにより、ディスクの締結穴部及び締結部
材に負荷される応力を分散させることが可能となるの
で、ディスクの締結穴部及び締結部材の疲労破壊を抑制
することができ、ディスク及び締結部材を長寿命化する
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】反りが発生したディスクの状態を模式的に示す
断面図であり、破線は非ブレーキ時のディスクの状態、
実線はブレーキ時のディスクの状態を示す。

【図４】ｒおよびＲの定義を示す説明図であり、図４
（ａ）はｒが正である場合を、図４（ｂ）はｒが負であ
る場合を示す。

【図５】本発明の一実施態様であるブレーキディスクの
１／４を示す部分平面図である。

【図６】図５に示すブレーキディスクが車輪に取付けら
れた状態の断面を模式的に示す部分断面図であり、図６
（ａ）は図５のＢ−Ｂ断面に相当する部位の部分断面
図、図６（ｂ）は図５のＣ−Ｃ断面に相当する部位の部
分断面図である。

【図７】車輪等へ装着するピンの一例を示す図であり、
図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）
は側面図である。

【図８】図７に示すピンとディスクとの嵌合状態を示す
断面図であり、図８（ａ）は、嵌合部についてのディス
クの周方向断面図であり、図８（ｂ）は、嵌合部につい
てのディスクの半径方向断面図である。

【図９】摺動部に設けた締結穴に摺動面を構成する蓋を
装着した実施態様例を示す断面図であり、図９（ａ）
は、ボルトとナットにより埋め込み型の締結様式で締結
した後に摺動面を構成する蓋を装着した状態を示す断面
図、図９（ｂ）は、ネジにより埋め込み型の締結様式で
締結した後に摺動面を構成する蓋を装着した状態を示す
断面図、図９（ｃ）は、頭部が摺動面を構成する蓋の機
能を兼備したネジにより締結した状態を示す断面図であ
る。

【図１０】ＦＥＭ解析において行った有限要素分割方法
を示す説明図である。

【図１１】ＦＥＭ解析により求めた各部の反り量とボル
ト穴の位置との関係を示すグラフである。

【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：ボルト穴６：車輪７：ボルト８：ナット９：ピン１０：凸部１１：凹部１２：蓋１３：ネジ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三澤泰久大阪府大阪市此花区島屋５丁目１番109号住友金属工業株式会社関西製造所製鋼品事業所内 (72)発明者牧野泰三大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内Ｆターム(参考） 3J058 AA44 AA47 AA53 AA58 BA32 CB12 CB14 CB22 CB24 CB27 FA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブレーキディスクの環状部分として規定
される摺動部に締結穴を有することを特徴とするブレー
キディスク。
【請求項２】前記締結穴の位置が下記の条件（ａ）を
充足することを特徴とする請求項１に記載のブレーキデ
ィスク。 −０．１２≦ｒ／Ｒ≦０．２０（ａ）ここで、ｒ：ブレーキディスクの同一半径方向において、摺動部
の幅方向中心を基準とした締結穴の中心までの距離（締
結穴の中心が内周側方向に位置する場合には負、外周側
方向に位置する場合には正とする）Ｒ：摺動部の幅である。
【請求項３】前記締結穴に装着する蓋を有し、前記蓋
が摺動面を構成することを特徴とする請求項１または請
求項２に記載のブレーキディスク。
【請求項４】ブレーキディスクの締結面に嵌合用の凹
部又は凸部を有することを特徴とするブレーキディス
ク。
【請求項５】ブレーキディスクの締結面に嵌合用の凹
部又は凸部を有することを特徴とする請求項１〜３の何
れかに記載のブレーキディスク。