(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスク本体の制動摩擦面にブレーキパッドが押圧されることにより、車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、
前記ディスク本体の前記制動摩擦面に、複数の多孔状の制動ブロックが周方向に断続的に鋳込まれており、
前記制動ブロックは、無数の連通気孔が形成されている発泡体状のアルミナにより形成されており、
前記制動ブロックの厚さは、前記ディスク本体の厚さよりも小さく設定されていることを特徴とするブレーキディスク。
【請求項２】
前記ディスク本体の前記制動摩擦面に、前記制動ブロックが周方向に等間隔で配置されてい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。
【請求項３】
前記制動ブロックに、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブレーキディスク。
【請求項４】
複数の制動ブロックが鋳込まれたディスク本体を製造するためのブレーキディスクの製造方法であって、
キャビティ内の幅が、無数の連通気孔が形成されている発泡体状のアルミナにより形成されている制動ブロックの厚さよりも大きく設定されている砂型の前記キャビティ内に、複数の前記制動ブロックを周方向に沿って断続的に配置し、型締め後に前記キャビティ内に溶湯を供給し、この溶湯によって、前記制動ブロックを、比重差により前記砂型における前記ディスク本体の制動摩擦面形成面まで浮上させ、前記制動ブロックの一側面を前記制動摩擦面形成面に当接させるようにし、前記ディスク本体を製造することを特徴とするブレーキディスクの製造方法。
【請求項５】
前記制動ブロックに、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する一方、前記キャビティ内に前記貫通孔に差込可能なガイド棒を設け、
前記制動ブロックが浮上する際、前記ガイド棒に沿って前記制動ブロックが浮上することを特徴とする請求項４に記載のブレーキディスクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、鉄道車両の制動装置に使用されるブレーキディスク、及びブレーキディスクの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、新幹線等の鉄道車両の車輪や車軸には、ブレーキパッドを押し付けることによって制動力を得るためのブレーキディスクが設けられる。ここで、このブレーキディスクには、ブレーキ時に発生する熱の影響によって亀裂や変形が生じる虞がある。このため、ディスク本体の制動摩擦面（表面）を耐熱性に優れた素材で被覆することにより、ブレーキ熱による亀裂や変形の発生を抑制し、ブレーキ性能を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
特許文献１では、まずディスク本体の制動摩擦面にブラスト処理を施すことにより、すなわち、無機質素材からなる粒子を所定の圧力で噴射することにより、凹凸状の粗面化処理層が形成される。そして、この粗面化処理層の上に、金属結合層を介して耐熱性被覆層が形成される。この耐熱性被覆層は、耐熱性及び靭性に優れたジルコニアなどのセラミックスが金属結合層の表面に溶射されたものである。このような構成によれば、ブレーキ時に発生する熱のディスク本体への伝達が耐熱性被覆層によって低減されるため、ディスク本体に亀裂や変形が発生することが抑制され、ブレーキ性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、さらなるブレーキ性能の向上化が要望されている。しかしながら、上述の従来技術にあっては、ディスク本体の制動摩擦面に耐熱性被覆層が溶射されているだけなので、高速走行時におけるブレーキ環境下において、ディスク本体と耐熱性被覆層との密着強度が不足したり、ディスク本体に亀裂や変形が生じたりする虞がある。このため、十分にブレーキ性能が向上できるとはいいにくいという課題がある。
【０００６】
そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、容易、且つ確実にブレーキ性能を向上させることができるブレーキディスク、及びブレーキディスクの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係るブレーキディスクは、ディスク本体の制動摩擦面にブレーキパッドが押圧されることにより、車軸の回転を制動するブレーキディスクであって、前記ディスク本体の前記制動摩擦面に、複数の多孔状の制動ブロックが周方向に断続的に鋳込まれており、前記制動ブロックは、無数の連通気孔が形成されている発泡体状のアルミナにより形成されており、前記制動ブロックの厚さは、前記ディスク本体の厚さよりも小さく設定されていることを特徴とする。
【０００８】
このように構成することで、ディスク本体の剛性を高めることができ、ブレーキ性能を向上させることができる。
また、耐熱性、及び剛性の高い制動ブロックを、ディスク本体に鋳込むことにより、ディスク本体の温度上昇を抑制することができる。
さらに、ディスク本体を製造するにあたって、砂型のキャビティ内に溶湯を供給する際、複数の制動ブロックが周方向に断続的に配置されているので、キャビティ内全体への溶湯の流れを阻害することがない。
【０００９】
本発明に係るブレーキディスクは、前記ディスク本体の前記制動摩擦面に、前記制動ブロックが周方向に等間隔で配置されていることを特徴とする。
【００１０】
このように構成することで、ディスク本体全体の剛性をバランスよく高めることができ、さらにブレーキ性能を高めることができる。また、ディスク本体を製造するにあたって、砂型のキャビティ内へさらに満遍なく溶湯を供給することができる。
【００１１】
本発明に係るブレーキディスクは、前記制動ブロックに、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るブレーキディスクの製造方法は、複数の制動ブロックが鋳込まれたディスク本体を製造するためのブレーキディスクの製造方法であって、キャビティ内の幅が、無数の連通気孔が形成されている発泡体状のアルミナにより形成されている制動ブロックの厚さよりも大きく設定されている砂型の前記キャビティ内に、複数の前記制動ブロックを周方向に沿って断続的に配置し、型締め後に前記キャビティ内に溶湯を供給し、この溶湯によって、前記制動ブロックを、比重差により前記砂型における前記ディスク本体の制動摩擦面形成面まで浮上させ、前記制動ブロックの一側面を前記制動摩擦面形成面に当接させるようにし、前記ディスク本体を製造することを特徴とする。
【００１４】
このような製造方法とすることで、ディスク本体の制動摩擦面に、制動ブロックの一側面を露出させることができ、ディスク本体の摩耗、亀裂、変形が抑制されるブレーキディスクを提供できる。
【００１５】
前記制動ブロックに、厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する一方、前記キャビティ内に前記貫通孔に差込可能なガイド棒を設け、前記制動ブロックが浮上する際、前記ガイド棒に沿って前記制動ブロックが浮上することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ディスク本体の剛性を高めることができ、ブレーキ性能を向上させることができる。
また、耐熱性、及び剛性の高い制動ブロックを、ディスク本体に鋳込むことにより、ディスク本体の温度上昇を抑制することができる。
さらに、ディスク本体を製造するにあたって、砂型のキャビティ内に溶湯を供給する際、複数の制動ブロックが周方向に断続的に配置されているので、キャビティ内全体への溶湯の流れを阻害することがない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における車輪の縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態におけるブレーキディスクの平面図である。
【図３】本発明の実施形態における制動ブロックの斜視図である。
【図４】本発明の実施形態における鋳型の下鋳型の斜視図である。
【図５】本発明の実施形態におけるディスク本体の製造工程の説明図であって、型締めした状態を示す。
【図６】本発明の実施形態におけるディスク本体の製造工程の説明図であって、溶湯２０を供給した状態を示す。
【図７】本発明の実施形態におけるディスク本体の平均摩擦係数の変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態におけるディスク本体の摩耗量の変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態における試験ブロックの摩耗量の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態におけるディスク本体の最高温度の変化を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態における試験ブロックの最高温度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（車輪）
次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ブレーキディスク５を備えた車輪１の縦断面図である。
同図に示すように、車輪１は、高炭素鋼を圧延してタイヤと輪心とが一体に製造され、鉄道用レールと回転接触する鉄道用車輪であって、ディスクブレーキ装置２が設けられている。車輪１は、リム部１ａと、ボス部１ｂと、板部１ｃとを備えており、板部１ｃの両側面に、ディスクブレーキ装置２のブレーキディスク５が取り付けられている。
【００２０】
車輪１のリム部１ａは、車輪１の外周部であって、レール頭頂面と接触して摩擦抵抗を受ける踏面１ｄと、脱輪を防止するために車輪１の外周に連続して形成されたフランジ１ｅとを備えている。ボス部１ｂは、車輪１の中心部であって、車軸Ｊが圧入される貫通孔１ｆと、締結ボルト４ａが挿入される貫通孔１ｇとを備えている。板部１ｃは、リム部１ａとボス部１ｂとの間の中間部である。
【００２１】
（ディスクブレーキ装置）
ディスクブレーキ装置２は、ブレーキパッド３と、固定部材４と、ブレーキディスク５などを備え、ブレーキディスク５の制動摩擦面６ａに発生する摩擦力によって制動させる装置である。そして、ブレーキシリンダが発生する駆動力をブレーキてこ機構によってブレーキパッド３に伝達して制動摩擦面６ａにブレーキパッド３を圧着させブレーキ力を発生させる。
【００２２】
ブレーキパッド３は、ブレーキディスク５の制動摩擦面６ａに押し付けられてブレーキ力を発生する摩擦材であって、ブレーキ機構部によって駆動されて制動摩擦面６ａと接触及び離間する。ブレーキパッド３は、例えば、耐熱性が高く湿潤条件下で適度な増粘着効果がある焼結合金ブレーキパッドであって、ブレーキディスク５の制動摩擦面６ａと接触する側の表面にブレーキライニングが装着されている。 
固定部材４は、ブレーキディスク５を車輪１に固定する部材であって、車輪１、及びブレーキディスク５の周方向に所定の間隔をあけて配置されている。固定部材４は、締結ボルト４ａと、この締結ボルト４ａと噛み合う締結ナット４ｂなどを備えている。締結ボルト４ａは、車輪１に周方向に等間隔で形成された複数の貫通孔１ｇ、及びブレーキディスク５に貫通孔１ｇに対応するように形成された複数の貫通孔６ｅに挿入されるようになっている。
【００２３】
（ブレーキディスク）
図２は、ブレーキディスク５の平面図である。
図１、図２に示すように、ブレーキディスク５は、このブレーキディスク５の本体部分を構成するディスク本体６を有している。このディスク本体６のブレーキパッド３と対向している表面が、制動時（ブレーキ時）にブレーキパッド３が押し付けられる制動摩擦面６ａになっている。ディスク本体６は、例えば、熱伝導性及び耐摩耗性からパーライト鋳鉄が好ましく、新幹線用ではＮｉ−Ｃｒ−Ｍｏ鋼のような耐熱性の低合金鋳鉄材が使用され、高速新幹線用では一体形低合金鍛鋼材が使用される。
【００２４】
また、ディスク本体６には径方向中央に開口部６ｂが形成されており、この開口部６ｂを、車輪１のボス部１ｂに外嵌させるようにして車輪１に装着するようになっている。さらに、ディスク本体６の開口部６ｂの周囲に、締結ボルト４ａを挿通するための複数の貫通孔６ｃが形成されている。
また、ディスク本体６には、複数（例えば、この実施形態では６つ）の制動ブロック８が周方向に等間隔で配置されている。
【００２５】
図３は、制動ブロック８の斜視図である。
図１〜図３に示すように、制動ブロック８は、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）粉体を焼結して円柱状に形成された発泡体であって、全体に無数の連通気孔が形成されている。この連通気孔の開口率は、８５〜９４％であることが望ましい。尚、本実施形態にあっては、連通気孔の開口率が約９０％に設定されている。
この制動ブロック８は、一側面８ａをディスク本体６の制動摩擦面６ａに露出させた状態で、その全体がディスク本体６の鋳造時に鋳ぐるまれており、無数の連通気孔内にも鋳鉄が充填した状態になっている。また、制動ブロック８には、径方向中央に厚さ方向に貫通する貫通孔８ｂが形成されている。
【００２６】
（ブレーキディスクのディスク本体の製造方法）
次に、図４〜図６に基づいて、ディスク本体６の製造方法について説明する。
図４は、鋳型１５の下鋳型１６の斜視図であって、制動ブロック８をセットした状態を示す。図５は、ディスク本体の製造工程の説明図であって、型締めした状態を示す。図６は、ディスク本体の製造工程の説明図であって、溶湯２０を供給した状態を示す。
まず、図４に示すように、ディスク本体６を製造するにあたって、ディスク本体６を形成する鋳型１５の下鋳型１６の所定位置に、制動ブロック８を挿入する。
【００２７】
次に、図５に示すように、下鋳型１６に上鋳型１７を載置して型締めする。上鋳型１７には、ディスク本体６の制動摩擦面６ａ（図１参照）を形成するための制動摩擦面形成面１８が形成されている。尚、制動ブロック８の厚さＨ１は、ディスク本体６の厚さＨ２、つまり、下鋳型１６に上鋳型１７を載置して型締めした状態で形成されるキャビティＫにおける下鋳型１６と上鋳型１７との間の幅Ｗ１よりも小さく設定されている。このように設定することで、制動ブロック８の製造誤差により、型締め時に制動ブロック８が下鋳型１６と上鋳型１７とに押し潰されてしまうことを防止できる。
【００２８】
下鋳型１６と上鋳型１７とを型締めした後、キャビティＫに溶湯２０を供給する。すると、図６に示すように、制動ブロック８は、供給される溶湯２０との比重差によって浮上し、制動ブロック８の一側面８ａが上鋳型１７の制動摩擦面形成面１８に当接した状態になる。この状態において、制動ブロック８の連通気孔内に溶湯２０が流れ込み、溶湯２０は制動ブロック８と一体化する。
【００２９】
また、このとき、キャビティＫ内に制動ブロック８が周方向に等間隔に配置されている、つまり、周方向に断続的に配置されているので、キャビティＫ内全体への溶湯２０の流れを阻害することがない。
この後、溶湯２０が冷却することにより、制動ブロック８を鋳ぐるんだ状態でディスク本体６が製造される。これにより、ディスク本体６の製造が完了する。
【００３０】
尚、キャビティＫに溶湯２０を供給した際の制動ブロック８の浮動方向を厳密に規制するために、下鋳型１６に、制動ブロック８の貫通孔８ｂ（図２、図３参照）に差込可能なガイド棒（不図示）を設けてもよい。このように、ガイド棒を設けることにより、制動ブロック８が浮動する際、ガイド棒に沿って浮動するので、ディスク本体６に鋳込まれた制動ブロック８の位置を高精度に決定することができる。
【００３１】
（性能試験結果）
このように製造されるディスク本体６を、制動ブロック８の材料を以下の表１に示すように変化させて、ディスク本体６の性能試験を行った。尚、表１中、左の記号は、以下の図９〜図１１中の記号と対応している。
【００３２】
【表１】
0005859333.tif 000002
【００３３】
以下、ディスク本体６の性能試験結果について詳述する。
ここで、性能試験は、φ２０６ｍｍのディスク本体６に、ブレーキパッド３として、摩擦面が３０ｍｍ×３０ｍｍのブロック（以下、試験ブロックという）を２つ押し付ける方法で行った。そして、すりあわせを押付力９０２Ｎ（９２ｋｇｆ）、摩擦速度７ｍ／ｓ、押付時間６０ｓ、回数5回の条件で、制動ブロック８の制動摩擦面６ａが100％出るまで行った。その後、本試験として、押付力９２ｋｇｆとし、摩擦速度を７ｍ／ｓ、１４ｍ／ｓ、２１ｍ／ｓ、押付時間６０ｓを5回行った。試験前のディスク本体６の温度を６０℃以下とした。
このような条件のもと、測定項目として、ディスク本体６の平均摩擦係数（図７参照）、ディスク本体６の摩耗量（図８参照）、試験ブロックの摩耗量（図９参照）、ディスク本体６の温度（図１０参照）、試験ブロックの温度（図１１参照）を測定した。
【００３４】
図７は、縦軸をディスク本体６の平均摩擦係数とし、横軸を摩擦速度としたときの、各材料の平均摩擦係数の変化を比較したグラフである。
同図に示すように、いずれのディスク本体６も摩擦速度の上昇に伴い、平均摩擦係数は低くなる傾向にあることが確認できる。
【００３５】
図８は、縦軸をディスク本体６の摩耗量とし、横軸を摩擦速度としたときの、各材料の摩耗量の変化を比較したグラフである。
同図に示すように、摩擦速度２１ｍ／ｓで摩耗量に大きな差異が認められた。すなわち、鋳鋼Ｅとチタン酸アルミDの摩耗量が他と比較して多く、炭化けい素B、アルミナCの摩耗量は少ないことが確認できる。
【００３６】
図９は、縦軸を試験ブロックの摩耗量とし、横軸を摩擦速度としたときの、各材料の摩耗量の変化を比較したグラフである。
同図に示すように、摩擦速度２１ｍ／ｓで摩耗量に大きな差異が認められた。炭化けい素、アルミナC、チタン酸アルミDの試験ブロックの摩耗量は、鋳鋼Eと比較して、著しく少ないことが確認できる。
【００３７】
図１０は、縦軸をディスク本体６の温度とし、横軸を摩擦速度としたときの、各材料の最高温度の変化を比較したグラフである。
同図に示すように、摩擦速度２１ｍ／ｓでディスク本体６の最高温度に差異が認められた。炭化けい素、アルミナC、チタン酸アルミDの最高温度は、鋳鋼Eと比較して、著しく低いことが確認できる。
【００３８】
図１１は、縦軸を試験ブロックの温度とし、横軸を摩擦速度としたときの、各材料の最高温度の変化を比較したグラフである。
同図に示すように、摩擦速度１４、２１ｍ／ｓで試験ブロックの最高温度に差異が認められた。炭化けい素B、アルミナＣの試験ブロックの温度は、鋳鋼Eやチタン酸アルミDより著しく低いことが確認できる。
【００３９】
したがって、上述の実施形態によれば、ディスク本体６の制動摩擦面６ａに、複数の制動ブロック８が周方向に等間隔に鋳込まれているので、ディスク本体６の剛性を高めることができ、ブレーキ性能を向上させることができる。とりわけ、各制動ブロック８が周方向に等間隔に配置されているので、ディスク本体６全体の剛性をバランスよく高めることができる。
【００４０】
また、耐熱性、及び剛性の高い複数の制動ブロック８を鋳込むことにより、ディスク本体６の温度上昇を抑制することができる。すなわち、ディスク本体６の温度上昇を、制動ブロック８を鋳込まないディスク本体とほぼ同等にできる。このため、発熱を抑えることができる優れたブレーキディスク５を提供できる。
とりわけ、制動ブロック８をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成した場合にあっては、よりブレーキ性能の優れたブレーキディスク５を提供することができる。
【００４１】
さらに、ディスク本体６を製造するにあたって、キャビティＫ内に制動ブロック８が周方向に等間隔に配置、つまり、周方向に断続的に配置されていると共に、制動ブロック８を、全体に無数の連通気孔が形成された発泡体とすることにより、キャビティＫ内全体への溶湯２０の流れを阻害することがない。このため、製品バラツキを確実に抑え、ディスク本体６の生産性を向上することができる。また、制動ブロック８を発泡体とすることにより、制動ブロック８の損傷を抑制することができる。
【００４２】
また、ディスク本体６を製造するにあたって、制動ブロック８を、キャビティＫ内に供給される溶湯２０との比重差によって浮上させ、制動ブロック８の一側面８ａを、上鋳型１７の制動摩擦面形成面１８に当接した状態にさせている。このため、ディスク本体６の制動摩擦面６ａに制動ブロック８を容易、且つ確実に露出させることができ、ディスク本体６の摩耗量を確実に低減することができる。
【００４３】
尚、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、ディスク本体６に、例えば、６つの制動ブロック８が周方向に等間隔で配置されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、制動ブロック８の個数は２つ以上の複数であればよく、また、周方向に断続的に配置されていれば、等間隔に配置されていなくてもよい。
【００４４】
また、上述の実施形態では、制動ブロック８は、例えば、円柱状に形成された発泡体である場合について説明した。しかしながら、制動ブロック８の形状は、円柱状に限られるものではない。
【符号の説明】
【００４５】
２  ディスクブレーキ装置
３  ブレーキパッド
５  ブレーキディスク
６  ディスク本体
６ａ  制動摩擦面
８  制動ブロック
１５  鋳型（砂型）
１６  下鋳型（砂型）
１７  上鋳型（砂型）
２０  溶湯
Ｊ  車軸
【図１】
0005859333.tif 000003
【図２】
0005859333.tif 000004
【図３】
0005859333.tif 000005
【図４】
0005859333.tif 000006
【図５】
0005859333.tif 000007
【図６】
0005859333.tif 000008
【図７】
0005859333.tif 000009
【図８】
0005859333.tif 000010
【図９】
0005859333.tif 000011
【図１０】
0005859333.tif 000012
【図１１】
0005859333.tif 000013