(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面である摺動面が、環状部分として規定される摺動部を有するとともに、他方の面である締結面が締結時の被締結部材に相対するディスクを備えるブレーキディスクであって、
前記摺動部には、前記被締結部材と締結するための締結部材を収容するための締結穴が複数設けられるとともに、複数の該締結穴の位置が下記の条件（ａ）を充足し、
前記締結面には、前記被締結部材に設けられる凸部と嵌合するための凹部、または、前記被締結部材に設けられる凹部と嵌合するための凸部が形成されるとともに、
複数の前記締結穴と、前記締結面に形成される前記凹部または前記凸部とは、前記ディスクの周方向へ配列されること
を特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
−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２】
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に記載の鉄道車両用ブレーキディスク。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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鉄道車両用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）一方の面である摺動面が、環状部分として規定される摺動部を有するとともに、他方の面である締結面が締結時の被締結部材に相対するディスクを備えるブレーキディスクであって、
前記摺動部には、前記被締結部材と締結するための締結部材を収容するための締結穴が複数設けられるとともに、複数の該締結穴の位置が下記の条件（ａ）を充足し、
前記締結面には、前記被締結部材に設けられる凸部と嵌合するための凹部、または、前記被締結部材に設けられる凹部と嵌合するための凸部が形成されるとともに、
複数の前記締結穴と、前記締結面に形成される前記凹部または前記凸部とは、前記ディスクの周方向へ配列されること
を特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク。
【００２９】
−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】
（２）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）項に記載のブレーキディスク。
【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Ｗｐ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、０．１〜１．５ｍｍ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。
【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】
0004701512.tif 000002
【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１０−３１８３０４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】
0004701512.tif 000003
【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】
0004701512.tif 000004
【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１０ｍｍ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】
0004701512.tif 000005
【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】
0004701512.tif 000006
【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】
0004701512.tif 000007
【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、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。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、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。
【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１／２４（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
【図１】
0004701512.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004701512.tif 000011
【図５】
0004701512.tif 000012
【図６】
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【図７】
0004701512.tif 000014
【図８】
0004701512.tif 000015
【図９】
0004701512.tif 000016
【図１０】
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【図１１】
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