(57)【要約】    【課題】使用時に発生する熱応力自体を低減し、熱亀裂・ディスク変形・締結ボルト損傷等の熱応力に起因する変状の発生を未然に抑止することができる、車両用ブレーキディスクを提供する。      【解決手段】  車両用ブレーキディスクにおいて、低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材とした。よって、現用材と同等の作業性、摩擦摩耗特性、構造的信頼性を確保しつつ、抜本的な亀裂発生の抑制および締結ボルト損傷の防止が可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材としたことを特徴とする車両用ブレーキディスク。
【請求項２】
請求項１記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記一体部材が鉄道用車輪の側面に装着されることを特徴とする車両用ブレーキディスク。
【請求項３】
請求項１又は２記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記特殊合金が、平均線膨張係数が、室温〜４００℃の温度範囲で、９×１０-6／℃以下であり、４００℃〜８００℃の任意の温度において、温度をＴ℃として（０．０１Ｔ＋５）／℃以下であることを特徴とする車両用ブレーキディスク。
【請求項４】
請求項３記載の車両用ブレーキディスクであって、前記特殊合金が、Ｆｅを母材とし２５−４０重量％のＮｉ、もしくは２５−４０重量％のＮｉと３−２０重量％のＣｏを配合したことを特徴とする車両用ブレーキディスク。
【請求項５】
請求項４記載の車両用ブレーキディスクであって、更に、Ｃｒ１−５重量％、Ｍｎ０．１−１重量％、Ｓｉ０．０５−１重量％、Ａｌ０．１−２重量％、Ｔｉ０．２−２重量％、Ｎｂ０．１−６重量％、Ｃｕ０．１−１重量％、Ｃ０．０１−０．２重量％の一部または全部を配合したことを特徴とする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、車両用ブレーキディスクに係り、特に、鉄道用車輪の側面に装着される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】
鉄道車両の機械的ブレーキ装置は、車輪の踏面に直接制輪子を作用させる踏面ブレーキ方式と、専らブレーキ用に装備されたブレーキディスクにブレーキパッド（ブレーキライニングともいう）を作用させるディスクブレーキ方式に分別される。
【０００３】
新幹線電車をはじめとする高速車両ではブレーキ時の熱負荷が大きいことから主に後者が用いられる。
【０００４】
ディスクブレーキ方式には、車軸上に車輪と独立したブレーキディスクを設置するものと、車輪側面にブレーキディスクを装着し車輪に締結するものとの２種類がある。車軸上に駆動装置等が装備されて空間的余裕の少ない電動車等では後者が用いられる。
【特許文献１】なし
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現用ブレーキディスクは円周方向に分割されておらず、一体構造であるため、取付け時の位置決めが容易で、回転体としてのバランスに優れ、摺動面が連続平面であるため相手材との摩擦摩耗特性が良好である。また、ブレーキディスクの構造と締結方式が簡明であり、ブレーキディスク内部に接触摺動部分が存在しないことから、構造的信頼性に優れている。
【０００６】
その一方で以下のような問題点がある。
【０００７】
ブレーキディスクは相応の厚みを有し、また背面への傾斜変形が車輪により物理的に拘束されている。このため、ブレーキ時の摩擦面側からの熱入力により著大な熱応力が発生し、この熱応力によりディスク摺動面側が圧縮塑性変形し、この変形分が冷却後に引張残留応力として内部に残留する。残留応力は繰り返しブレーキにより順次蓄積し、材質の引張強度を超えた場合にはブレーキディスクには熱亀裂が発生する。
【０００８】
また、残留応力の蓄積に伴いディスクの反り変形が生じブレーキライニングとの摺動摩擦状態を悪化させる他、締結ボルトへの負荷が増大しボルト損傷の原因となる。
【０００９】
このように、現用のブレーキディスクは、残留応力の蓄積に伴い相応の使用期間が経過した後には亀裂が発生する場合があり、また締結ボルトへの負荷増大が避けられない。
【００１０】
ところで、現用のブレーキディスクでは、材質の強度および靱性を高く設定することで、繰り返し発生する熱応力に対して使用初期に熱亀裂やディスク変形が発生しないことを主眼としている。
【００１１】
これに対して、本発明では、使用材質についての発想を転換し、使用時に発生する熱応力自体を低減し、熱亀裂・ディスク変形・締結ボルト損傷等の熱応力に起因する変状の発生を未然に抑止することができる、車両用ブレーキディスクを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕車両用ブレーキディスクにおいて、低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材としたことを特徴とする。
【００１３】
〔２〕上記〔１〕記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記一体部材が鉄道用車輪の側面に装着されることを特徴とする。
【００１４】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の車両用ブレーキディスクにおいて、前記特殊合金が、平均線膨張係数が、室温〜４００℃の温度範囲で、９×１０-6／℃以下であり、４００℃〜８００℃の任意の温度において、温度をＴ℃として（０．０１Ｔ＋５）／℃以下であることを特徴とする。
【００１５】
〔４〕上記〔３〕記載の車両用ブレーキディスクであって、前記特殊合金が、Ｆｅを母材とし２５−４０重量％のＮｉ、もしくは２５−４０重量％のＮｉと３−２０重量％のＣｏを配合したことを特徴とする。
【００１６】
〔５〕上記〔４〕記載の車両用ブレーキディスクであって、更に、Ｃｒ１−５重量％、Ｍｎ０．１−１重量％、Ｓｉ０．０５−１重量％、Ａｌ０．１−２重量％、Ｔｉ０．２−２重量％、Ｎｂ０．１−６重量％、Ｃｕ０．１−１重量％、Ｃ０．０１−０．２重量％の一部または全部を配合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、主として鉄道用車輪の側面に装着して使用されるブレーキディスクにおいて、低熱膨張係数を有する特殊合金を一体部材として適用する。これにより、現用の合金鋼鍛造材一体構造ブレーキディスクと同等の作業性、摩擦摩耗特性、構造的信頼性を確保しつつ、発生熱応力の大幅な低減と亀裂発生の抑制および締結ボルト損傷の防止が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
ブレーキディスクの材質と設計について、従来と抜本的に異なる思想を導入した。現用材が、発生する熱応力に対抗できる材料強度を与える設計および材質としているのに対し、本発明では、現用材の長所を何ら失うことなく、発生する熱応力自体を低減させる材質および設計とする。熱応力解析の結果、材料定数としての熱膨張係数が通常の構造用金属材料と比較して極めて低い低熱膨張合金を使用することで発生熱応力、残留応力、ディスクの反り変形が著しく低減することが確認できた。本発明ではブレーキディスク材の材質に低熱膨張合金を適用することにより、発生熱応力自体が低減され、亀裂発生を抑制できる。また、円周方向に分割されておらず、一体構造の長所を発揮可能である。低熱膨張合金には多数の材質が存在するが、本発明の構造用低熱膨張合金は、強度・硬度・靱性・耐摩耗性に優れており、特に、耐熱性に極めて優れていることから、ブレーキディスク材質として好適である。以上より、本発明によれば、現用材と同等の作業性、摩擦摩耗特性、構造的信頼性を確保しつつ、抜本的な亀裂発生の抑制および締結ボルト損傷の防止が可能となる。
【実施例】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明にかかる鉄道用車輪の側面に装着されるブレーキディスクの斜視図、図２はブレーキディスクが装着・締結された車輪の断面図、図３はブレーキディスクに作用するブレーキキャリパの模式図である。
【００２１】
これらの図において、１は車輪、２はその車輪１の車輪板部、３，４はその車輪板部２に装着されるブレーキディスク、５はボルト締結用の貫通穴部、６は締結ボルト、７はブレーキキャリパ、８はそのブレーキキャリパ７に設けられるブレーキパッド（ブレーキライニングとも言う）である。
【００２２】
本発明にかかる鉄道車両の機械ブレーキ装置は、専らブレーキ用に装備されたブレーキディスク３，４にブレーキパッド８を押し付けることにより、摩擦制動力を作用させる。
【００２３】
ブレーキディスク３，４は車輪１と同軸に車輪１の両側に各１枚ずつ設けられ、反車輪側がブレーキパッド８との摩擦面（表面）である。ブレーキディスク３，４の車輪側は車輪板部２への設置に適合した形状であり、冷却用フィン等の形状が設けられる場合がある。ブレーキディスク３，４の背面は車輪板部２と接触する場合と、車輪板部２との間に空隙を有する場合とがある。
【００２４】
図２に示すように、ブレーキディスク３，４に摩擦制動力を作用させるため、車輪１の全体を両側から挟む形でブレーキディスク３，４が装備される。この車輪１の両側に設置されたブレーキディスク３，４は、車輪１およびブレーキディスク３，４に設けられた複数の貫通穴５を通して締結ボルト６により車輪１に締結される。そして、図３に示すブレーキキャリパ７に取付けられたブレーキパッド８が、図２に示すブレーキディスク３，４の摩擦面に押し付けられ制動力を作用させる。ブレーキパッド８はブレーキディスク３，４の摩擦面のみを摩擦する。
【００２５】
次に、本発明に適用可能な低熱膨張合金の公称合金組成（単位：重量％）を表１に示す。
【００２６】
【表１】
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本発明に適用可能な低熱膨張合金としては、ＨＲＡ９２９、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）９０３、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）９０７、Ｉｎｃｏｌｏｙ（登録商標）９０９、Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）７８３等があり、それぞれの合金組成が示されている。
【００２７】
これらの低熱膨張合金のほかに、本発明では、以下の組成からなる特殊合金が適用できる。
【００２８】
（１）Ｆｅを母材とし２５−４０重量％のＮｉ、もしくは２５−４０重量％のＮｉと３−２０重量％のＣｏを配合した特殊合金。
【００２９】
（２）また、上記（１）の合金組成に、更に、Ｃｒ１−５重量％、Ｍｎ０．１−１重量％、Ｓｉ０．０５−１重量％、Ａｌ０．１−２重量％、Ｔｉ０．２−２重量％、Ｎｂ０．１−６重量％、Ｃｕ０．１−１重量％、Ｃ０．０１−０．２重量％の一部または全部を配合した特殊合金。
【００３０】
次に、ブレーキディスク材の平均線膨張係数の温度特性について説明する。
【００３１】
図４はブレーキディスク材の平均線膨張係数の温度特性図であり、横軸は温度（℃）、縦軸は平均線膨張係数（１０-6／℃）を示している。
【００３２】
現用のブレーキディスクにはＳＮＣＭ鋼が用いられており、そのＳＮＣＭ鋼（図中ｃ）では平均線膨張係数が室温で１２×１０-6／℃程度であるのに対し、本発明にかかる低熱膨張合金〔例えばＩｎｃｏｌｏｙ（登録商標）９０９（図中ａ）、ＨＲＡ９２９（図中ｂ）等〕では８×１０-6／℃以下である。このように、室温〜８００℃の温度範囲全域で平均線膨張係数が大きく異なっており、本発明の低熱膨張合金の場合は現用技術のＳＮＣＭ鋼に比べて平均線膨張係数が２／３と小さいことがわかる。
【００３３】
本発明では、この低熱膨張係数を有する特殊合金をブレーキディスク材として用いる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の車両用ブレーキディスクは、鉄道用車輪の側面に装着される車両用ブレーキディスクとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかる鉄道用車輪の側面に装着されるブレーキディスクの斜視図である。
【図２】本発明にかかる鉄道用車輪の側面に装着されるブレーキディスクが装着・締結された車輪の断面図である。
【図３】本発明にかかる鉄道用車輪の側面に装着されるブレーキディスクに作用するブレーキキャリパの模式図である。
【図４】ブレーキディスク材の平均線膨張係数の温度特性図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    車輪
２    車輪板部
３，４    ブレーキディスク
５    貫通穴部
６    締結ボルト
７    ブレーキキャリパ
８    ブレーキパッド（ブレーキライニング）
【図１】
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【図２】
2005256858.tif 000005
【図３】
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【図４】
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