(57)【要約】【課題】制動時に、摺動面がオーステナイト化した後急冷されて生じる白色層の影響や、ブレーキディスクが部分的に塑性変形することで生じる残留応力の影響を抑制して、耐久性を向上する。【解決手段】表面が摺動面１ｂａとなる板部の裏面に、円周方向に所定の間隔を存してフィン１ｃが形成された摺動部１ｂと、この摺動部１ｂの内周面側に車輪２との締結部１ａを備えた鋼製の鉄道車両用ブレーキディスク１である。摺動部１ｂのフィン１ｃ間における摺動面１ｂａの半径方向中央部１ｂａａの厚さｔ２を、摺動面１ｂａの内周端および外周端の厚さｔ３よりも厚くした。【効果】摺動面に生じる白色層や残留応力の影響を抑制でき、摺動面き裂に対する耐久性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が摺動面となる板部の裏面に、円周方向に所定の間隔を存してフィンが形成された摺動部と、この摺動部の内周面側に車輪との締結部を備えた鋼製の鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記摺動部のフィン間における前記摺動面の半径方向中央部の厚さを、摺動面の内周端および外周端の厚さよりも厚くしたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として鉄道車両用ブレーキディスクの摺動面に発生するき裂の抑制を目的とした、内周締結構造の鉄道車両用ブレーキディスク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等の陸上輸送機械の制動装置として、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。そして、近年では、車両の高速化や大型化に伴い、ディスクブレーキが多く用いられるようになってきている。
【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である。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型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ることによって制動力を得、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。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】
このブレーキディスクの中で、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がある。このうち、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である。以下、本明細書において、ブレーキディスクというときは、側ディスクと軸マウントディスクの両者を指すものとする。
【０００５】
図１０は従来型の鉄道車両用側ディスクの形状を示し、（ａ）はブレーキディスクの１／４を示す半径方向−周方向平面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれフィンの断面およびフィン間部の断面を示す半径方向−軸方向断面図である。
【０００６】
図１０に示すように、一般にブレーキディスク１は、表面側に摺動面１ｂａを備える摺動部１ｂと、車輪に締結するための締結孔１ａａを備える締結部１ａとから構成されている。また、ブレーキディスク１の前記摺動面１ｂａの裏面側にはフィン１ｃが設けられている。
【０００７】
図１１は従来型の鉄道車両用ブレーキディスクが車輪に取り付けられた状態を模式的に示す半径方向−軸方向断面図である。図１１に示すように、ブレーキディスク１は、車輪２の両側面に、締結部材であるボルト３とナット４によって締結され、一体的に回転するように取り付けられている。
【０００８】
そして、ブレーキディスク１の摺動面１ｂａに対向する位置には、摺動面方向に移動可能なブレーキライニング５がそれぞれ取り付けられ、制動時には、ブレーキライニング５がブレーキディスク１側に移動して車輪２の両側面から強く挟圧し、この摩擦力によって車輪２を介して車軸の回転を制動して車両を停止させる。
【０００９】
ところで、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ので、制動中のブレーキディスクの温度上昇は著しく大きくなる。そのため、ブレーキディスクには著大な熱応力が発生し、これに伴う摺動面上のき裂（以下、摺動面き裂ともいう。）の発生および進展が問題となっている。
【００１０】
ブレーキディスクに発生する著大な熱応力に伴う摺動面き裂に対する耐久性を向上させるため、従来は、単純に制動時に生じる熱応力を均一にすること（特許文献１）、また抑制すること（特許文献２）を目的に、ディスク形状の改良を行っている。
【特許文献１】特開２０００−１３０４８１号公報
【特許文献２】特開２００４−３１６８２９号公報
【００１１】
すなわち、特許文献１で開示された技術は、制動中のブレーキディスクの摺動板に発生する熱疲労やき裂の発生防止を目的としている。具体的には、図１２に示すように、摺動部１ｂの板部の厚みを、外周部１ｂｃ側から内周部１ｂｂ側にかけて漸次厚くなるようにすることで、全体的に温度分布が一定になるようにして、摺動部１ｂに発生する熱応力を均等にし、熱疲労やき裂の発生を抑止させている。
【００１２】
一方、特許文献２で開示された技術は、制動中のブレーキディスクの温度上昇時に、各部に加わる熱応力を緩和して、き裂の損傷を発生し難くすることを目的としている。具体的には、図１３に示すように、ブレーキディスク１の内周縁部の円周方向に複数の切欠き１ｄを形成し、隣り合う切欠き１ｄの間に締結ボルト挿通用の締結孔１ａａを設けることで、ブレーキディスク１の内外径の温度差によって生じる大きな熱応力を抑制している。特に、切欠き１ｄの形状および形成位置を規制することにより、強度的に弱い部分であった各締結孔１ａａ部分に作用する熱応力を抑えようとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、ブレーキディスクが鉄鋼材料で製造されている場合は、制動時（温度上昇時）に摺動面がオーステナイト化した後急冷されて白色層が生じ、この白色層から発生したき裂が進展していくので、この白色層の影響について考慮しなければならない。さらに、制動時（温度上昇時）にブレーキディスクが部分的に塑性変形することで生じる残留応力もき裂の進展に影響するので、この点についても考慮する必要がある。また、摺動面上にき裂が発生・進展し、急速破壊に至るまでのトータルの寿命を向上させる必要がある。
【００１４】
しかるに、従来の技術では、前記の２点については全く考慮されておらず、期待される耐久性が得られない可能性がある。
【００１５】
例えば特許文献１では、き裂の発生位置がブレーキディスクの内周側に多くみられるとしている。しかしながら、制動時のブレーキライニングと摺動面との接触状態やディスクブレーキ装置の構造によって、き裂の発生位置が異なるので、必ずしも内周側でき裂が発生するとは限らない。特に車輪に取り付ける締結構造のブレーキディスクでは、制動時、摺動面は温度が上昇して熱膨張するが、それ以外の部分では温度がそれほど上昇しないので、熱膨張が比較的少ない。このことから、図１４に示すように、ブレーキディスク１の摺動部１ｂの中央が盛り上がって摺動面１ｂａの中央にて摩擦発熱が集中し、き裂が発生する場合が多くなる。
【００１６】
また、特許文献２の技術は、ブレーキディスクの内周縁部の強度的に弱い部分である締結孔部分を対象としており、本発明が解決しようとしているブレーキディスクの摺動面上のき裂に対する考慮はなされていない。 
【００１７】
本発明が解決しようとする問題点は、従来のブレーキディスクでは、制動時に、摺動面がオーステナイト化した後急冷されて生じる白色層の影響や、ブレーキディスクが部分的に塑性変形することで生じる残留応力の影響についての考慮がなされておらず、期待される耐久性が得られない可能性があるという点である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
発明者らは、鉄道車両用ブレーキディスクに関して、制動を繰返し行った時に、実際に摺動面に発生したき裂の調査と、制動を繰返し行った時の熱応力を想定した数値解析を行い、研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
【００１９】
(A) 現在、鉄道車両で使用されている、板部の表面側に摺動面、裏面側にフィンを設けたブレーキディスクでは、摺動面に発生するき裂の起点は、摺動面上における半径方向中央付近の表層に生じたヘアクラックである。
(B) 摺動面に発生する前記き裂の起点となったヘアクラックの深さは、ブレーキ熱によって生じた白色層、またはこれが焼戻された熱影響層のそれと対応する。
(C) このヘアクラック周辺に、ブレーキ熱によって引張残留応力が生じ、さらにブレーキ熱の繰返しによって応力の変動が生じると、ヘアクラックを起点に疲労き裂が進展し、摺動面に著大なき裂を形成する。
【００２０】
従って、摺動面に発生するき裂に対する耐久性を向上させるには、以下の３点を実現すれば良い。
(1) 摺動面き裂の起点となるヘアクラックを浅くする。すなわち、ブレーキ熱によって生じる白色層の厚さを小さくする。
(2) ブレーキ熱によって生じる引張残留応力を小さくする。
(3) ブレーキ熱によって生じる応力変動を小さくする。但し、き裂の進展に影響する応力変動は正の範囲のみであることから、ブレーキ熱のように温度上昇によって圧縮応力が生じる場合、有効な応力変動はゼロから引張残留応力までの変動量となる。このため、引張残留応力を小さくすれば自ずと応力変動も小さくなる。
【００２１】
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、発明者らの調査や数値解析によって得た前記の知見に基づいて成されたもので、
制動時に、摺動面がオーステナイト化した後急冷されて生じる白色層の影響や、ブレーキディスクが部分的に塑性変形することで生じる残留応力の影響を抑制して、耐久性を向上するために、
表面が摺動面となる板部の裏面に、円周方向に所定の間隔を存してフィンが形成された摺動部と、この摺動部の内周面側に車輪との締結部を備えた鋼製の鉄道車両用ブレーキディスクであって、
前記摺動部のフィン間における前記摺動面の半径方向中央部の厚さを、摺動面の内周端および外周端の厚さよりも厚くしたことを最も主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の鉄道車両用ブレーキディスクは、摺動部のフィン間における摺動面の半径方向中央付近の板部の厚さを、摺動面の内周端および外周端よりも厚くしているので、摺動面に生じる白色層や残留応力の影響を抑制でき、摺動面き裂に対する耐久性が向上するという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの経過と共に、本発明を実施するための最良の形態について、図１及び図２を用いて説明する。
【００２４】
図１は本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの説明図であって、有限要素法（ＦＥＭ）解析に用いた要素分割の全周の１／２４モデルを示し、（ａ）は摺動面の裏側から見た斜視図、（ｂ）は摺動面側から見た斜視図、（ｃ）はフィン間部断面の側面図である。この図１において、図１０〜図１４と同一番号は同一部分或いは相当部分を示し、詳細な説明を省略する。
【００２５】
1) ブレーキディスク１の摺動面１ｂａに発生する白色層の厚さについて
白色層は、ブレーキディスク１の摺動面１ｂａがオーステナイト化した後急冷されてできるので、白色層の厚さは、制動時（温度上昇時）にオーステナイト化されたブレーキディスク１の領域で決まる。
【００２６】
従って、この白色層の厚さを小さくするには、ブレーキディスク１の熱容量を大きくすることが必要である。熱容量を大きくするには、円周方向に隣り合うフィン１ｃの間（フィン間部）の板部の厚さを大きくするしか方法はない。
【００２７】
2) 引張残留応力について
ブレーキ熱によってブレーキディスク１に引張残留応力が生じるのは、以下の機構による。制動時、摺動面１ｂａの表層部が温度上昇によって熱膨張しようとする。しかしながら、温度上昇が遅い他の部分（摺動面１ｂａの表層部より深い部分、フィン１ｃ、摺動部１ｂの内周面側の締結部１ａ）に拘束されて圧縮応力が生じ、これが降伏点に達すると圧縮方向の降伏が生じる。
【００２８】
この後、冷却されると降伏していない領域が元の形状に戻ろうとするため、降伏した摺動面１ｂａの表層に引張の残留応力が生じる。この引張残留応力を低減させるには、ブレーキディスク１中の温度差を低減させるか、最高温度を低減させるかの２通りの方法が考えられる。
【００２９】
図２は、フィン間部の板部の厚さが１８mm（従来品：○印）と２１mm（比較品：△印）の二つのブレーキディスク形状について、ＦＥＭでブレーキ熱によって発生した残留応力を解析した結果である。
【００３０】
この図２より、フィン間部の板部の厚さの大きい方が、摺動面１ｂａからより深い所で円周方向の残留応力が小さくなっているのが分かる。これより、本発明で対象としている鉄道車両用ブレーキディスク１では、引張残留応力を低減させるには、フィン間部の板部の厚さを大きくすることが有効であることが判明した。
【００３１】
なお、この時のフィン間部の板部の厚さは、適用されるブレーキディスク１において必要とされる強度、耐久性、ブレーキディスク１の総重量の制限などを考慮して定めるが、一般的には、フィン１ｃの厚さ（軸方向幅）ｔ１に対して２０%から６０%程度の厚さとすることが望ましい。
【００３２】
フィン１ｃの厚さｔ１に対してフィン間部の板部の厚さが２０%未満である場合には、上記に示すような厚さを大きくした時の効果が得られなくなるからである。一方、６０%を超える場合には、ブレーキディスク１全体の放熱面積が下がるのに加え、総重量が重くなってしまうからである。
【００３３】
3) き裂進展について
ブレーキディスク１の摺動面１ｂａに発生するき裂は、上記1) の白色層相等のヘアクラックを初期き裂（図３中の６）とし、これに上記2) の引張残留応力相等の応力変動が作用し、疲労き裂として進展した結果生じると考えられ、その寿命は破壊力学的に予測できる。
【００３４】
4) 摺動面１ｂａの中央部における厚さの増加について
上記2)、3)で述べたように、白色層の厚さと引張残留応力を小さくするには、フィン間部の板部の厚さを大きくすることが有効であるが、ブレーキディスク１全体のフィン間部の板部の厚さを大きくすると、ブレーキディスク１の総重量が重くなってしまうという問題がある。
【００３５】
そこで、発明者らは、図１（ｃ）に示したように、摺動面き裂の起点となっている、ブレーキディスク１の摺動面１ｂａの半径方向中央部１ｂａａにおける板部の厚さｔ２のみを、外周側や内周側の板部の厚さｔ３よりも増やすことで、ブレーキディスク１の総重量を軽減させることを考えた。
【００３６】
なお、この時の摺動面１ｂａの半径方向中央部１ｂａａとは、摺動面１ｂａの半径方向中央を含み、摺動面１ｂａの中央の半径方向長さが摺動面１ｂａ全体の半径方向長さに対して、１０%から５０%までの範囲を指す。
【００３７】
摺動面１ｂａの半径方向中央部１ｂａａの半径方向長さが、摺動面１ｂａ全体の半径方向長さに対して１０%未満である場合は、半径方向中央部１ｂａａの板部の厚さｔ２を増加させることによる有効範囲が非常に狭くなって十分な効果が得られない可能性があるからである。一方、５０%を超える場合は、半径方向中央部１ｂａａの板部の厚さｔ２を増加させた時に、総重量が重くなってしまうからである。
【００３８】
以上のことから、板部の表面側に摺動面１ｂａがあり、裏面側にフィン２ｃを設けたブレーキディスク１において、そのフィン間部の円周方向に垂直な断面にて、摺動面１ｂａの半径方向中央部１ｂａａの板部の厚さｔ２を、摺動面１ｂａの内周端および外周端の板部の厚さｔ３よりも厚くすることで、白色層の厚さを小さくすると共に引張り残留応力を低減させ、摺動面き裂に対する耐久性を向上させることを可能とした。これが本発明の鉄道車両用ブレーキディスクである。
【００３９】
以下、本発明の効果を確認するために、本発明のブレーキディスクを対象にＦＥＭ解析を実施した結果について説明する。
ＦＥＭ解析では、鉄道車両で使用されている鍛鋼材料の材料定数（特開昭５６−４４７５６号公報参照）を使用した。また、有限要素分割では対称性を考慮し、全周の１／２４（１５°）をモデル化した。なお、モデル化したブレーキディスクの摺動面の半径方向幅は１２７．５mmである。
【００４０】
下記表１に解析モデルの明細を、図４〜図７にＦＥＭ解析モデルをそれぞれ示す。表１に示すように、摺動部の板部の厚さが１８mmの一定である従来品に対して、図４に示す本発明品１では、摺動面中央部の板部の厚さを２３mmとなるように、外周部から摺動面中央まで直線上に漸増させた。図５に示す本発明品２では、本発明品１よりもさらに外周部と摺動面中央の板部の厚さに差を持たせるため、摺動面中央部の板部の厚さを２４mm、外周部の板部の厚さを１５mmとした。また摺動部全体の板部の厚さを増加させたものを比較するために、従来品における摺動部の板部の厚さを２１mmに増やしたものを比較品として提示する。
【００４１】
ＦＥＭ解析条件は、２７５km／hrからの短時間ブレーキ負荷とした。ブレーキの繰返し負荷は４回行い、１回目には停止ブレーキを想定してブレーキ時間を４５秒とし、２〜４回目には繰返しブレーキを想定してブレーキ時間を３１秒とした。
【００４２】
【表１】
2008069806.tif 000003
【００４３】
図８に、ＦＥＭ解析結果として、４回目のブレーキの冷却後におけるブレーキディスク摺動面の中央表面からの深さ方向距離と円周方向の残留応力の関係を示す。この図８に示した結果から、本発明品１および本発明品２は、従来品と比べて深さ３mm以上の領域の引張残留応力が軽減されていることが分かる。
【００４４】
また、板部の厚さ全体を増加させた比較品と比べても、残留応力は同等の値を示しており、本発明品１，２は円周方向の残留応力の低減に関して、比較品と同等の効果が得られることが分かる。
【００４５】
下記表２に、従来品で白色層深さが１．０mm、２．０mm、３．０mmとなる３つのブレーキ条件による白色層深さを比較して示す。なお、この時のブレーキ条件は、２７５km／hrの停止ブレーキを想定した入熱を摺動面に与え、ブレーキ時間をそれぞれ４９．２秒、５７．２秒、６５．２秒とした。この白色層の深さは、ＦＥＭ解析で得られる相変態時のオーステナイト率がおよそ５０%となるディスク摺動面からの深さとした。
【００４６】
【表２】
2008069806.tif 000004
【００４７】
上記表２より、従来品に比べて比較品、本発明品１、本発明品２は、白色層の深さが小さいことが分かり、特に本発明品２では、白色層の深さが最も小さくなっていることが分かる。
【００４８】
図９には、従来品を基準とした、下記表３に示す初期き裂条件、および図８で得られた円周方向の残留応力分布をもとに導出した従来品に対するき裂進展予測寿命比を示す。
【００４９】
【表３】
2008069806.tif 000005
【００５０】
なお、このき裂進展予測寿命は、以下の手順で求めた。
まず、摺動面円周方向の残留応力が繰返しブレーキによって零まで低下し、元の値に戻るまでの間の応力振幅から初期き裂の応力拡大係数の変動範囲ΔKを求める。そして、ΔKとASTM（American Society for testing Materials）  E647に従って測定したブレーキディスク用材料のき裂進展特性より、き裂進展速度（ブレーキ１回当たりのき裂進展量）を求める。次に、初期き裂深さに、求めたき裂進展量を加え、ΔKとき裂進展速度を再計算する。
【００５１】
以上を繰返し、応力拡大係数の最大値が、疲労破壊靱性に到達するまでのブレーキの回数を予測寿命とした（疲労設計便覧 日本材料学会編 養賢堂より）。このとき推定する初期き裂深さには、停止ブレーキ後の冷却の際に見られる白色層の深さとして、前記表２の値を用いた。この白色層深さについては、従来品の深さに白色層深さが１．０mm、２．０mm、３．０mmとなるブレーキ条件をそれぞれCASE1、CASE2、CASE3とし、このブレーキ条件で本発明品１、２および比較品のブレーキディスクにブレーキを掛けることで白色層深さを導出している。
【００５２】
この図９の結果から、本発明品は、従来品に比べて平均およそ２倍、最高で３倍の寿命となることが予測される。
つまり、表１に示すブレーキディスクの重量の比較結果から、摺動面中央部の板部の厚さを増やした本発明品１、２のブレーキディスクの重量は、従来品のブレーキディスク重量より若干増えるものの、比較品のブレーキディスク重量より少なく、本発明品が重量の割に耐久性が高いことがわかる。
【００５３】
以上の例より、ブレーキディスクの形状は、先の図１の（ｃ）に示したように、ブレーキディスクにおける摺動面の内周端および外周端の板部の厚さｔ３に対して、フィン間における前記摺動面の半径方向中央部の板部の厚さｔ２のみを増加させるのが良いことが分かる。
【００５４】
これは、図８の結果から、円周方向の残留応力の低減、白色層深さの低減、ブレーキディスクのトータル寿命の向上において、ブレーキディスク摺動面全体の板部の厚さを増加させた場合と同等の性能があるからである。また、表１に示すようにブレーキディスク摺動面全体の板部の厚さを増加させた場合よりも、ブレーキディスクの全体重量を軽減でき、車両のばね下重量の軽減、これによる乗り心地の改善にもつながるからである。
【００５５】
なお、以上の検討結果より得られた、本発明の技術による鉄道車両用ブレーキディスクを示したのが図１である。
【００５６】
本発明は上記の例に限らず、請求項１に記載された技術的思想の範囲内で、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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上の本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクに限らず、自動車や自動二輪車等のブレーキディスクであっても適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明のブレーキディスクの説明図であって、ＦＥＭ解析に用いた要素分割の全周の１／２４モデルを示し、（ａ）は摺動面の裏側から見た斜視図、（ｂ）は摺動面側から見た斜視図、（ｃ）はフィン間部断面の側面図である。
【図２】摺動面の深さ方向と円周方向における残留応力の関係を示した図である。
【図３】（ａ）はブレーキディスク摺動面の初期き裂を説明する図、（ｂ）は初期き裂の表面長さと深さを説明する図である。
【図４】ＦＥＭ解析を実施した本発明品１を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）はフィン間部の側面図である。
【図５】ＦＥＭ解析を実施した本発明品２のフィン間部の側面図である。
【図６】ＦＥＭ解析を実施した従来品のフィン間部の側面図である。
【図７】ＦＥＭ解析を実施した比較品のフィン間部の側面図である。
【図８】繰返しブレーキ冷却後の残留応力分布を表した図である。
【図９】発明品対従来品のき裂進展予測寿命比を表した図である。
【図１０】従来型ブレーキディスクを示し、（ａ）はブレーキディスクの１／４を示す半径方向−周方向平面図、（ｂ）はフィン部断面を示す半径方向−軸方向断面図、（ｃ）はフィン間部断面を示す半径方向−軸方向断面図である。
【図１１】従来型ブレーキディスクが車輪に装着された状態の模式図である。
【図１２】特許文献１で開示された鉄道車両用ブレーキディスクの説明図で、（ａ）は一部を示す正面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】特許文献２で開示された鉄道車両用ブレーキディスクの説明図である。
【図１４】ブレーキディスク摺動面中央が反り返った状態の模式図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    ブレーキディスク
１ａ    締結部
１ａａ    締結孔
１ｂ    摺動部
１ｂａ    摺動面
１ｂａａ    半径方向中央部
１ｂｂ    内周部
１ｂｃ     外周部
１ｃ    フィン
２    車輪
３    ボルト
４    ナット
５    ブレーキライニング
６    初期き裂
【図１】
2008069806.tif 000006
【図２】
2008069806.tif 000007
【図４】
2008069806.tif 000008
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008069806.tif 000013
【図１０】
2008069806.tif 000014
【図１１】
2008069806.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
2008069806.tif 000017
【図１４】
2008069806.tif 000018
【図３】
2008069806.tif 000019