(57)【要約】【課題】実際の制動時に発生する熱き裂と同様の熱き裂を、少ない試験回数で再現する。【解決手段】ブレーキディスク２及びブレーキライニング３と、モータ４によって回転するブレーキディスク５の摺動面部２ａにブレーキライニング３を押付けるアクチュエータ５を備え、ブレーキディスク２の摺動面部２ａを凹凸状に形成したブレーキ試験機１を使用してブレーキディスク２の摺動面部２ａに熱き裂を発生させる。【効果】実際の制動時に発生する熱き裂と同様の熱き裂を少ない試験回数で再現することができるので、熱き裂が進展しやすい試験条件を明確化することができる。【選択図】図３
2019148326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレーキ試験機を使用して、回転するブレーキディスクにブレーキライニングを押付け、前記ブレーキディスクの側面における前記ブレーキライニングが押付けられる摺動面部に発生する熱き裂を再現する方法であって、
前記ブレーキディスクの前記摺動面部を凹凸状に形成したブレーキディスクを使用することを特徴とするブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法。
【請求項２】
前記ブレーキディスクの前記摺動面部に形成する凹凸は、当該ブレーキディスクの円周方向の複数箇所に繰り返し形成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に発生する熱き裂の再現方法。
【請求項３】
前記ブレーキディスクの前記摺動面部に繰り返し形成する凹凸のピッチは、前記ブレーキライニングの前記ブレーキディスクの円周方向に沿う方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項２に記載のブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法。
【請求項４】
ブレーキディスク及びブレーキライニングと、
前記ブレーキディスクの回転装置と、
当該回転装置によって回転する前記ブレーキディスクの側面に前記ブレーキライニングを押付ける押付け装置を備え、
前記ブレーキディスクは、前記側面における前記ブレーキライニングが押付けられる摺動面部を凹凸状に形成したことを特徴とするブレーキ試験機。
【請求項５】
前記ブレーキディスクの前記摺動面部に形成する凹凸は、当該ブレーキディスクの円周方向の複数箇所に繰り返し形成されていることを特徴とする請求項４に記載のブレーキ試験機。
【請求項６】
前記ブレーキディスクの前記摺動面部に繰り返し形成する凹凸のピッチは、前記ブレーキライニングの前記ブレーキディスクの円周方向に沿う方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項５に記載のブレーキ試験機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制動時、ブレーキディスクの側面におけるブレーキライニングが押付けられる摺動面部に、摩擦発熱によって発生する熱き裂を再現する方法、及びこの方法を実施するブレーキ試験機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄道車両や自動車及び自動二輪車などの陸上輸送機械の制動装置として、近年は車両の高速化や大型化に伴い、熱放散が良好で摩擦面積も大きくとれるディスクブレーキが多く採用されるようになってきている。
【０００３】
しかしながら、ディスクブレーキを搭載した車両では、制動時、ブレーキディスクの摺動面部に熱き裂が発生する場合があり、この熱き裂に起因する疲労損傷が問題となっている。この熱き裂は、ブレーキディスクの摺動面部に摩擦発熱によって発生する温度変動、局所加熱部（以下、ヒートスポットという。）による熱応力、材料の組織変化に伴って生じる応力・ひずみ等が要因となって発生する。
【０００４】
従って、今後のさらなる高速化に対応するためには、使用条件がより過酷になるブレーキディスクの摺動面部に発生する前記熱き裂の発生条件を明らかにし、その発生・進展寿命を精度よく予測する技術を確立する必要がある。
【０００５】
また、制動条件は熱き裂の進展に大きく影響するが、ブレーキディスクの振動や摩耗の影響でブレーキライニングとの接触箇所が制動毎に異なるため、ヒートスポットの再現性は高くない。
【０００６】
そこで、外周から中心に向かうスリットを裏面に形成したブレーキディスクの表面にブレーキライニングを所定の条件で押付けてブレーキディスクの摺動面部に熱き裂を発生させ、当該熱き裂を観察して評価する方法が特許文献１で提案されている。
【０００７】
しかしながら、特許文献１で提案された方法は、ブレーキライニングを押付ける表面ではなく、裏面にスリットを形成しているので、スリット形成部の表面近傍がブレーキライニングと接触しなかった場合、熱き裂がブレーキディスクに発生しない可能性がある。
【０００８】
加えて、特許文献１には、どのような制動条件の時にブレーキディスクに熱き裂が発生しやすくなるのかについての言及がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−２４０６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、特許文献１で提案された方法では、スリット形成部の表面近傍がブレーキライニングと接触しなかった場合、熱き裂がブレーキディスクに発生しない可能性があるという点である。また、特許文献１には、どのような制動条件の時にブレーキディスクに熱き裂が発生しやすくなるのかについての言及がないという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、実際の制動時に発生する熱き裂と同様の熱き裂を、少ない試験回数で再現することを目的としたものである。
【００１２】
本発明のブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法は、
ブレーキ試験機を使用して、回転するブレーキディスクにブレーキライニングを押付け、前記ブレーキディスクの側面における前記ブレーキライニングが押付けられる摺動面部に発生する熱き裂を再現する方法であって、
前記ブレーキディスクの前記摺動面部を凹凸状に形成したブレーキディスクを使用することを最も主要な特徴としている。
【００１３】
上記本発明方法は、
ブレーキディスク及びブレーキライニングと、
前記ブレーキディスクの回転装置と、
当該回転装置によって回転する前記ブレーキディスクの側面に前記ブレーキライニングを押付ける押付け装置を備え、
前記ブレーキディスクは、前記側面における前記ブレーキライニングが押付けられる摺動面部を凹凸状に形成したことを最も主要な特徴とするブレーキ試験機を用いて実施する。
【００１４】
上記本発明では、ブレーキディスクの側面における前記ブレーキライニングが押付けられる摺動面部を凹凸状に形成するので、試験時、接触により前記摺動面部の凸部の温度上昇が顕著となり、実際の制動時に発生する熱き裂と同様の熱き裂を少ない試験回数で再現することができる。
【００１５】
ブレーキディスクの前記摺動面部の温度上昇をより顕著にするには、ブレーキディスクの前記摺動面部に形成する凹凸は、当該ブレーキディスクの円周方向に複数箇所、繰り返し形成することが望ましい。
【００１６】
その際、ブレーキディスクの前記摺動面部に繰り返し形成する凹凸のピッチは、ブレーキライニングのブレーキディスクの円周方向に沿う方向の長さよりも短くなるようにすることが望ましい。その理由は、前記条件を満たさない場合は、試験中にブレーキライニングが前記凹凸形状の凹部に入り込むことになって、ブレーキライニングが欠けたり、ブレーキ試験機の振動が大きくなる等の問題が生じるためである。
【００１７】
本発明において、ブレーキディスクに発生する熱き裂を再現する条件は、例えば鉄道車両用のブレーキディスクの場合には、以下に記載する走行時における実際の制動状態を再現できる条件であればよい。
【００１８】
・ブレーキディスクの摺動面部の周速：１１〜５５．５m／秒
・制動時の公称接触面圧：０．１〜０．７MPaｓ
・ブレーキライニングへのブレーキディスクの１回の押付け時間：２〜１０秒
・試験開始時のブレーキディスクの温度：６０℃以下
【発明の効果】
【００１９】
本発明では、実際の制動時にブレーキディスクに発生する熱き裂と同様の熱き裂を少ない試験回数で再現することができるので、熱き裂が進展しやすい試験条件を明確化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の熱き裂再現方法を実施するブレーキ試験機の概略構成を示した図である。
【図２】図１のブレーキディスクへのブレーキライニングの押付け部を拡大して示した斜視図である。
【図３】（ａ）は本発明の熱き裂再現方法に使用するブレーキディスクとブレーキライニングの相対位置を説明する図、（ｂ）はブレーキディスクの厚さ方向を円周方向の５倍の比率で拡大して示した（ａ）図のＡ−Ａ部の拡大断面図である。
【図４】本発明の熱き裂再現方法に使用するブレーキディスクの摺動面部に形成する凹凸とブレーキライニングの関係の望ましい例を説明する図である。
【図５】凹凸加工を施したブレーキディスクの摺動面部の連続制動試験中における表面温度分布を赤外線カメラで測定した図で、（ａ）は制動１００２回目、（ｂ）は制動２００５回目、（ｃ）は制動３００５回目、（ｄ）は制動４００３回目である。
【図６】摺動面部に凹凸加工を施さないブレーキディスクにおける図５と同様の図で、（ａ）は制動１６５０回目、（ｂ）は制動４９９５回目、（ｃ）は制動５１８６回目、（ｄ）は制動８３９５回目である。
【図７】摺動面部に凹凸加工を施したブレーキディスクの凸部に埋め込んだ熱電対で内部温度を測定した結果を示した図で、（ａ）は制動５０１０〜５０１５回目、（ｂ）は制動５０２０〜５０２５回目の内部温度である。
【図８】凹凸加工を施さないブレーキディスクの摺動面部に埋め込んだ熱電対で内部温度を測定した結果を示した図で、（ａ）は制動５０１０〜５０１５回目、（ｂ）は制動５０２０〜５０２５回目の内部温度である。
【図９】連続制動試験終了後に調査した最大熱き裂深さであり、（ａ）は摺動面部に凹凸加工を施したブレーキディスクの場合、（ｂ）は摺動面部に凹凸加工を施さないブレーキディスクの場合である。
【図１０】ブレーキディスクの摺動面部に１mm以上の熱き裂が発生した制動回数、試験終了条件としたブレーキディスクの摩耗が１mmに達した制動回数を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の目的は、実際の制動時にブレーキディスクに発生する熱き裂と同様の熱き裂を少ない試験回数で再現することである。そして、その目的を、ブレーキディスクの側面におけるブレーキライニングが押付けられる摺動面部を凹凸状に形成することで実現した。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明のブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法を、図１〜図１０を用いて説明する。
【００２３】
Ａ．ブレーキ試験機
図１は本発明のブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法を実施するブレーキ試験機の概略構成を示した図である。
【００２４】
本発明のブレーキ試験機１は、少なくとも、ブレーキディスク２及びブレーキライニング３と、ブレーキディスク２の回転装置である例えばモータ４と、ブレーキライニング３の押付け装置である例えばアクチュエータ５を備えた構成である。
【００２５】
図１に示す実施例では、さらに車両の走行エネルギを模擬するフライホイール６を備えている。そして、前記フライホイール６及び前記ブレーキディスク２は、前記モータ４によって回転される回転軸７に取付けられている。また、前記ブレーキライニング３は、前記ブレーキディスク２の一方側面の外周部に配置され、これらブレーキライニング３は前記アクチュエータ５によってブレーキディスク２に押付けられる。
【００２６】
前記ブレーキディスク２は、例えばNi-Cr-Mo系の機械構造用低合金鋼製（JIS G 4103のSNCM材）で、実際のブレーキディスクの約１／２の大きさ（外径：４００mm、内径：２２０mm）である。
【００２７】
また、前記ブレーキライニング３は、銅粉末等をマトリックスとして、黒鉛粉末、硬質粒子等を混合して焼結した銅系焼結材製で、３８mm×５５mm×２０mmの直方体形状を有している。
【００２８】
そして、前記ブレーキライニング３を、同一円周上に２５°の間隔で４個、取付け板９に配置して一体化したものを（図２、図３（ａ）参照）、前記アクチュエータ５によって、前記ブレーキディスク２の半径１５２mm〜１９０mmの摺動面部２ａに押付ける。
【００２９】
本発明では、ブレーキディスク２の前記摺動面部２ａに、例えば１周期が円周方向に４０°（ブレーキディスク全体で９周期）として波打ち形状に凹凸加工したものを使用する（図３参照）。
【００３０】
Ｂ．試験条件
制動条件と発生する熱き裂及びその進展挙動の関係を評価するため、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに引張残留応力を付与することを目的に、前記ブレーキ試験機１を用いて、表面に引張残留応力が生じる温度履歴を与える制動を行い、その後、連続制動試験を行った。
【００３１】
引張残留応力が生じる温度履歴を与える制動は、高速からの停止ブレーキに相当する制動を実施し、ブレーキディスク２が６０℃まで冷却した後、中速からの停止ブレーキに相当する制動を実施した。なお、高速とは、例えば鉄道車両の場合、新幹線のような高速鉄道車両における通常走行速度に相当する速度をいう。また、中速とは、例えば在来線を走行する鉄道車両における通常走行速度に相当する速度をいう。 
【００３２】
これらの制動を行った後に実施した連続制動の条件を下記表１に示す。回転数を１８０８rpm（１７５km／h相当）、押付け力を１２００Nとした。連続制動試験の終了条件は、ブレーキディスクの平均摩耗量が１mmに達した場合とした。
【００３３】
【表１】
2019148326.tif 000003
【００３４】
表面温度の測定では、ブレーキディスク２の回転数と赤外線カメラの撮影タイミングを同期させて、常にブレーキディスク２の同一箇所を撮影した。これにより連続制動試験中のヒートスポット発生位置の変化を把握することができる。
【００３５】
また、内部温度は、前記ブレーキディスク２の半径が１７１mmの円周上の前記凸部２ｂの頂点から６mm下方の２箇所に熱電対８を埋め込んで測定した（図３（ｂ）参照）。これらの熱電対８で測定した信号は、データ収集装置を用いて取り出した。なお、図３（ｂ）中の２ｃは凹部である。
【００３６】
また、試験中は、ブレーキライニング３の押付け力とブレーキトルクもそれぞれ測定した。
【００３７】
Ｃ．試験結果
ブレーキディスク２の摺動面部２ａに引張残留応力を付与するため、前記連続制動の前に高速からの停止ブレーキに相当する制動と中速からの停止ブレーキに相当する制動を実施した。
【００３８】
Ｃ１．連続制動
図５はブレーキディスク２の摺動面部２ａにおける温度変化の一例として、摺動面部２ａに凹凸加工を施したブレーキディスク２（実施例）を用いた連続制動試験中の摺動面部２ａの表面温度分布を赤外線カメラで測定した図である。
【００３９】
図５（ａ）は制動１００２回目、（ｂ）は制動２００５回目、（ｃ）は制動３００５回目、（ｄ）は制動４００３回目の表面温度分布を示したものである。これらの図より、実施例の場合は、矢印で示す位置を見れば明らかなように、常にブレーキディスク２の同じ位置が接触し、接触した部分の表面温度が上昇していることが分かる。
【００４０】
一方、図６はブレーキディスク２の摺動面部２ａにおける温度変化の一例として、摺動面部２ａに凹凸加工を施していないブレーキディスク２（比較例）を用いた連続制動試験中の摺動面部２ａの表面温度分布を赤外線カメラで測定した図である。
【００４１】
図６（ａ）は制動１６５０回目、（ｂ）は制動４９９５回目、（ｃ）は制動５１８６回目、（ｄ）は制動８３９５回目の表面温度分布を示したものである。これらの図より、比較例の場合は、矢印で示す位置を見れば明らかなように、ブレーキディスク２の接触位置が変化していることが分かる。
【００４２】
図７は摺動面部２ａに凹凸加工を施したブレーキディスク２（実施例）の凸部２ｂに埋め込んだ熱電対８で内部温度を測定した結果を示した図で、（ａ）は制動５０１０〜５０１５回目、（ｂ）は制動５０２０〜５０２５回目の内部温度である。
【００４３】
図７より、実施例の場合、（ａ）（ｂ）いずれの場合も、摺動面部２ａの内部温度は１２０〜２５０℃の範囲で、かつ、１回の制動で３０℃以上変動していることが分かる。これは、制動時におけるブレーキディスク２の接触位置が毎回同じ位置であることを示している。
【００４４】
図８は摺動面部２ａに凹凸加工を施さないブレーキディスク２（比較例）の摺動面部２ａから６mm下方の実施例と同じ周方向位置に埋め込んだ熱電対で内部温度を測定した結果を示した図で、（ａ）は制動５０１０〜５０１５回目、（ｂ）は制動５０２０〜５０２５回目の内部温度である。
【００４５】
摺動面部２ａの内部温度は、図８（ａ）では１２０〜２００℃の範囲で変動しているが、図８（ｂ）では１２０〜１３０℃の範囲で変動している。これは、制動時におけるブレーキディスク２の接触位置が制動毎に異なるためで、熱電対を埋め込んだ位置で接触した場合は温度が上昇し、熱電対を埋め込んだ位置で接触しなかった場合は温度が上昇しないことを意味している。
【００４６】
Ｃ２．熱き裂の進展量
ブレーキディスク２の摺動面部２ａに発生した熱き裂の進展量を、５００回若しくは１０００回制動するごとにき裂深度計を用いて測定した。また、試験終了後の熱き裂深さはブレーキディスクを割断して破面写真を撮り、当該破面写真から熱き裂の深さを測定した。
【００４７】
図９は連続制動試験終了後に調査した最大熱き裂深さであり、（ａ）は摺動面部２ａに凹凸加工を施したブレーキディスク２（実施例）、（ｂ）は摺動面部２ａに凹凸加工を施さないブレーキディスク２（比較例）である。ブレーキディスク２の摺動面部２ａの任意の位置を０°として４０°毎に測定した。測定範囲は、それぞれの角度を基準として±２０°の範囲とし、その範囲内に発生した最大値を記載した。
【００４８】
図９より明らかなように、連続制動試験の終了時点で１．０mm以上のき裂が発生したのは、（ａ）に示す実施例の場合は８箇所、（ｂ）に示す比較例の場合は３箇所であった。この結果より、摺動面部２ａに凹凸加工を施すことで、き裂の再現性が高くなることが分かる。
【００４９】
図１０はブレーキディスク２の摺動面部２ａに１mm以上の熱き裂が発生した制動回数、及び試験終了条件としたブレーキディスクの摩耗が１mmに達した制動回数を示した図である。
【００５０】
図１０より、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに凹凸加工を施した実施例の場合、摺動面部２ａに凹凸加工を施さない比較例に比べて、少ない制動回数で熱き裂を再現できることが分かる。また、少ない制動回数で試験の終了要件を満たせることが分かる。
【００５１】
Ｃ３．まとめ
図５〜図１０の結果より、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに凹凸加工を施すことで、制動時に毎回同じ位置が接触して当該接触位置の温度が上昇すること、すなわち、毎回同じ位置で応力変動を発生させるのが可能であることが確認された。また、１mm以上の熱き裂を複数箇所で、かつ少ない制動回数で再現できることが確認された。
【００５２】
本発明は上記試験に基づいて得られた結果を考察することによりなされたものである。
すなわち、本発明は、ブレーキ試験機１を使用して回転するブレーキディスク２にブレーキライニング３を押付け、ブレーキライニング３が押付けられるブレーキディスク２の摺動面部２ａに発生する熱き裂を再現する方法である。
【００５３】
そして、前記方法を実施するに際し、摺動面部２ａの、例えば、ブレーキディスク２の円周方向の複数箇所に、凸部２ｂと凹部２ｃを繰り返し形成したブレーキディスク２を使用することが特徴である。
【００５４】
上記本発明方法は、ブレーキディスク２及びブレーキライニング３と、例えばモータ４と、当該モータ４によって回転するブレーキディスク２の摺動面部２ａにブレーキライニング３を押付ける例えばアクチュエータ５を備えたブレーキ試験機１を使用して実施する。
【００５５】
そして、本発明のブレーキ試験機１で使用するブレーキディスク２は、摺動面部２ａの、例えば、ブレーキディスク２の円周方向の複数箇所に、凸部２ｂと凹部２ｃを繰り返し形成したことが特徴である。
【００５６】
上記本発明によれば、制動時に、ブレーキディスク２の摺動面部２ａの凸部２ｂがブレーキライニング３と接触して当該接触位置の温度が上昇して応力変動が発生するので、制動時に発生する熱き裂を少ない試験回数で再現することができる。従って、熱き裂が進展しやすい試験条件を明確化することができる。
【００５７】
本発明は上記した例に限らないことは勿論であり、各請求項に記載の技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。
【００５８】
例えば、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに形成する凹凸は、ブレーキディスク２の円周方向の複数箇所に繰り返し形成せず１箇所のみ形成してもよい。
【００５９】
一方、前記凹凸をブレーキディスク２の円周方向の複数箇所に繰り返し形成する場合は、凹凸のピッチｐは、図４に示すように、ブレーキライニング３のブレーキディスク２の円周方向に沿う方向の長さｔよりも短くすることが望ましい。
【００６０】
ブレーキライニング３のブレーキディスク２の円周方向に沿う方向の長さｔは、図４では１つのブレーキディスクで示しているが、図２、図３（ａ）に示したような複数個のブレーキライニング３を一体化した場合は、一体化した複数のブレーキライニング３の前記長さｔである。
【００６１】
また、実施例では、ブレーキディスク２が１mm摩耗したときに試験を終了したので、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに形成する凹凸の差δを１mmとしている。しかしながら、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに形成する凹凸の差δは１mmに限らないことは言うまでもない。すなわち、ブレーキディスク２の摩耗代は、例えば鉄道車両の場合は一般的には３mmであるため、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに形成する凹凸の差δは３mm以下であればよい。
【００６２】
また、ブレーキディスク２の摺動面部２ａに形成する凹凸の形状や大きさは、試験時に凹凸部が欠損したりしなければ特に限定されない。
【００６３】
ちなみに、図３、図４に示した波打ち形状の場合、凸部２ｂの半径ｒ2は以下の３つの寸法を考慮して決定する。
・ブレーキライニング３のブレーキディスク２の円周方向に沿う方向の長さｔ
・ブレーキディスク２の摺動面部２ａの中心位置の半径方向長さｒ1
・摺動面部２ａに形成する凹凸の差δ
【００６４】
例えば、ブレーキライニング３のブレーキディスク２の円周方向に沿う方向の長さｔを５５mm、ブレーキディスク２の摺動面部２ａの中心位置の半径方向長さｒ1を１７１mm、摺動面部２ａに形成する凹凸の差δを１〜３mmとした場合、望ましい凸部２ｂの半径ｒ2は６５〜１８５mmとなる。
【００６５】
また、実施例で説明したブレーキ試験機１は、車両の走行エネルギを模擬するフライホイール６を備えているが、車両の走行エネルギを模擬できればフライホイール６は必ずしも必須ではない。
【００６６】
また、実施例では、ブレーキディスク２の回転装置としてモータ４を、ブレーキライニング３の押付け装置としてアクチュエータ５を採用しているが、同様の作用を奏する装置に変更してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のブレーキディスクに発生する熱き裂の再現方法及び試験機は、鉄道車両のブレーキディスクに限らず、自動車や自動二輪車等の陸上輸送機械のブレーキディスクの熱き裂の再現にも適用可能である。その際、熱き裂を再現する条件は、再現したい陸上輸送機械における実際の制動状態を再現できる条件とすることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６８】
１    ブレーキ試験機
２    ブレーキディスク
２ａ    摺動面部
２ｂ    凸部
２ｃ    凹部
３    ブレーキライニング
４    モータ
５    アクチュエータ
６    フライホイール
７    回転軸
【図１】
2019148326.tif 000004
【図２】
2019148326.tif 000005
【図３】
2019148326.tif 000006
【図４】
2019148326.tif 000007
【図５】
2019148326.tif 000008
【図６】
2019148326.tif 000009
【図７】
2019148326.tif 000010
【図８】
2019148326.tif 000011
【図９】
2019148326.tif 000012
【図１０】
2019148326.tif 000013