(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪リム内径より小さいブレーキディスクが、下記（１）の固定部および下記（２）の拘束部によって車輪の板部に取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク付車輪。
（１）車輪の板部と、ブレーキディスクの摺動面より内周側とが、ボルトとナットにより締結されている固定部
（２）ブレーキディスク外周面に設けられたディスクリング溝と、このリング溝に相対するように車輪リム内径面に設けられた車輪リング溝と、ディスクリング溝および車輪リング溝からなるリング挿入孔と、端部同士が溶接されたリングと、ディスクリング溝における車輪とは反対側の側面の一部が削除されたリングはめ込み部とを有し、リングはめ込み部の円周部がブレーキディスク中心に張る角度が２０度〜６０度の範囲である拘束部
【請求項２】
リングはめ込み部を複数備え、リングはめ込み部の円周部を加算したトータルの円周部のブレーキディスク中心に張る角度が２０度〜６０度の範囲であ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付車輪。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道車両用のブレーキディスク付車輪に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両や自動車およ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、車両の高速化および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。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る。通常、ボルト、ナットにより車軸または車輪に取り付けられている。ディスクの回転に制動を加えることにより、車軸または車輪の回転が制動され、結果として車両の速度が制御される。
【０００３】
鉄道車両に使用されているブレーキディスクとしては、側ディスクおよび軸マウントディスクの２つが挙げられる。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。本発明は、側ディスクの締結方法に関するものである。以下、ブレーキディスク（単に「ディスク」と記す）は、側ディスクを指すこととする。
【０００４】
新幹線等の高速鉄道車両では、ブレーキ負荷時の回転速度や慣性力が非常に大きいため、このような車両に用いられるディスクは、他の自動車または自動二輪車用での使用条件よりもはるかに過酷な条件で使用される。そのため、高速鉄道車両用のディスクおよびディスクと車輪を締結するボルトは、この過酷な使用環境に耐える必要がある。ディスクに発生する応力としては熱応力が挙げられる。この熱応力は、ディスクの温度上昇による熱膨張がボルト穴部で拘束されることにより発生する。特にボルト穴縁部では応力集中により高応力が発生する。その他に、遠心力なども発生するが、その値は熱応力と比べると無視できるほど小さい。
【０００５】
このような熱応力に加えて、さらに大きな問題として、ディスクはその使用とともに外周部が車輪の板面から離れてすり鉢状に変形する、いわゆるそり発生の問題がある。この変形が進むと、ディスクとライニングの間に偏摩耗が生じ、かつ摩擦特性が不安定になり使用不能となることもある。
【０００６】
上記はディスクに発生する応力についての説明であるが、ボルトに発生する応力としては、ディスクの回転を拘束することに起因するせん断力と、ライニングの押付け力とディスクの熱膨張に起因する引張および曲げ応力がある。さらに、上記のディスクのすり鉢状変形により、ライニング押付け時に高い曲げおよび引張応力が発生し、使用途中に疲労破壊するおそれがある。
【０００７】
このような過酷な条件をさけるため、例えば特開平９−１００８５２号公報に開示された「ブレーキディスクの装着装置」というディスクのボルト穴縁の応力集中の緩和を目的とした発明がある。この発明の装置では、ディスクはスプリングピンと皿ばねを介してボルトとナットで車輪に締結されている。このため、ブレーキディスクのボルト穴の変位はスプリングピンで吸収され、締結力は皿ばねにより一定に保持されるので、ボルト穴縁の応力集中は緩和される。しかしながら、この締結方法では、スプリングピンを圧入することによる応力がボルト穴縁にあらたに発生するおそれがある。また、ボルトに負荷される応力、特に軸方向の応力は従来までの締結方法とほぼ同程度であることから、ボルトの寿命は従来の方法とほとんど変化がないと予想される。とくに、近年、問題とされているディスクのすり鉢変形を抑制する効果は期待できない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、簡便な方法でディスクのすり鉢変形を抑制し、その結果、ディスクと車輪を締結するボルトへの負荷を低減し、ディスクおよびボルトの両方を長寿命化することができるディスク付車輪を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
従来、ディスクと車輪をボルトのみで締結していたが、上記の課題を解決するために、下記の方法が有効であることを確認した。
【００１０】
図１は、本発明のディスク付車輪を車軸の軸心を含む面で切断した縦断面図（１／２部分）である。図１において下記の点が重要なポイントである。
【００１１】
(a)ディスク１は、摺動面２よりも内周側が、車輪のボス外径３６に近い板部３３と締結される。締結はボルト４、ナット５等で行うことができる。
【００１２】
(b)この締結のみによりディスクが車輪に固定されると、ディスクの摺動面およびそれより外周部は、熱応力により車輪の板面３４から離れ、すり鉢状に変形する。そこで、車輪リム内径面３２とディスク外周面３とに取り付けられた変形防止手段によりディスクがすり鉢状に変形しないような拘束部を設ける。
【００１３】
(c)拘束部として、ディスク外周面に設けられたディスクリング溝８と、このリング溝８に相対するように車輪リム内径面に設けられた車輪リング溝９（以下、これらをあわせて「リング溝」と呼ぶ）とによって構成されるリング挿入孔１０に挿入されるリング７を用いると、簡便にすり鉢状変形を抑制する拘束部となる。
【００１４】
本発明は、上記の事項を基に試験を重ね完成にいたったもので、下記のディスク付車輪をその要旨とする。
【００１５】
（Ａ）車輪リム内径より小さいブレーキディスクが、下記（１）の固定部および下記（２）の拘束部によって車輪の板部に取り付けられていることを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク付車輪。
【００１６】
（１）車輪の板部と、ブレーキディスクの摺動面より内周側とが、ボルトとナットにより締結されている固定部
【００１７】
（２）ブレーキディスク外周面に設けられたディスクリング溝と、この溝に相対するように車輪リム内径面に設けられた車輪リング溝と、ディスクリング溝および車輪リング溝からなるリング挿入孔と、端部同士が溶接されたリングと、ディスクリング溝における車輪とは反対側の側面の一部が削除されたリングはめ込み部とを有し、リングはめ込み部の円周部がブレーキディスク中心に張る角度が２０度〜６０度の範囲である拘束部
【００１８】
（Ｂ）リングはめ込み部を複数備え、リングはめ込み部の円周部を加算したトータルの円周部のブレーキディスク中心に張る角度が２０度〜６０度の範囲である上記（１）の鉄道車両用ブレーキディスク付車輪。
【００２０】
上記（Ａ）および（Ｂ）において、リングはめ込み部の数に合わせて、リングは一体物でなく、複数個の断片を各リングはめ込み部から挿入し、最後に各断片を互いに溶接してリングとしてもよい。もちろん、リングとすべき１本のワイヤ状のものをリング挿入孔から挿入し、その１本のワイヤ状のものの頭部と尾部とを溶接してリングを形成してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
１．固定部および拘束部
図１において、ディスクの摺動面２より内周側の部分と車輪のボス外径３６に近い板部３３とが、ボルト４とナット５により締結される。これによりディスクの軸方向および回転方向を拘束し、ディスクが車輪に固定される。しかし、適当な拘束をしなければ、先に示したように、ディスクはその使用とともに変形し、そりを生じるようになる。その結果、ボルトに負荷される応力が増し、ボルトを短寿命化させる原因になる。そこで図１に示すように、ディスク外周面３および車輪のリム内径面３２に設けたリング溝８、９によって形成されるリング挿入孔１０にリング７を挿入して障害物とする。このリングにより、ディスクの変形を抑制し、ディスク変形によるボルトへの負荷を低減することができる。
【００２２】
ディスクの材質はとくに限定しないが、鋼、非鉄金属、鉄と非鉄金属の複合体等を用いるのがよい。ここでいう複合体とは、鉄または非鉄金属を母材とし、SiC、Al2O3などのセラミックス粒子または繊維を複合した材料のことである。Alを母材とし、SiC粒子を添加することにより耐摩耗性を改善した材料（Al基複合材料）をディスクに適用することも本発明の範囲に含まれる。車輪の材質もとくに限定しないが、鋼である場合が多い。鋼は鋳鋼でも鍛造でも良く、また組立車輪でも一体物の車輪でもよい。
【００２３】
ディスクと車輪とを締結するボルトの材質は、JIS G 4105に規定されているクロムモリブデン鋼、あるいはJIS G 4103に規定されているニッケルクロムモリブデン鋼などの機械構造用鋼材を用いればよい。ボルト本数は、少ないとボルト１本あたりに負荷される荷重が許容荷重以上になる可能性があるが、一方、ボルト本数が多いとボルト締結に時間がかかり、費用もかかるので、ボルトは６〜２４本の範囲が良い。特に９本から１５本の範囲とするのが最も良い。また、ボルトの軸径は、小さいと負荷応力で破断する可能性があること、大きいとディスクのボルト穴が大きくなり、ディスク強度が低下することから、１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲が良い。
【００２４】
２．リング挿入方法
次にリングおよびリングの装着方法について説明する。リングの材質は、JIS G 4303に規定されているステンレス鋼より選定すれば良い。また必要に応じて、このリングにゴムを巻くことにより、ディスクと車輪の振動を押さえることになり、防音車輪の効果も得られる。このリングに巻くゴムは特に限定しないが、ブチルゴムなどが適している。リングは装着前は棒状の鋼である。このリングの断面は、装着の容易性より円形状が好ましいが、円形状でなく角状でもよい。円形状の場合、直径が小さいと強度が不足し、一方、大きいとリングの装着が困難になるので、２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲が良い。特に、リングの直径を３ｍｍ〜５ｍｍの範囲とするのが、装着の容易性、ディスクの変形抑制効果より最も良い。また、車輪およびディスクにはこのリングを装着するためのリング溝８、９を設ける。
【００２５】
図２は、リング溝部の拡大図である。リング溝形状は、円形でも角形でもどちらでも良い。車輪、またはディスクの側面からの距離１１（以後、「リング溝位置」という）は、小さいと車輪の強度が低下し、大きいとディスク挿入が困難となるため、リング溝位置は5mm〜15mmの範囲とするのが良い。車輪のリング溝深さ１２およびディスクのリング溝深さ１３は、小さいとリング装着が困難であり、大きいとリングのディスク変形の抑制効果が低下することから、リングの直径の1/3〜2/3にするのが良い。リング溝幅１４は小さいとリングの挿入が困難になり、大きいとディスクの変形抑制効果が低下するので、（リング直径）〜（リング直径＋４ｍｍ）の範囲にするのが望ましい。特に、（リング直径＋１ｍｍ）〜（リング直径＋２ｍｍ）の範囲が変形抑制効果の点から望ましい。
【００２６】
図３（ａ）は、車軸方向から見たディスクの１／４部分であり、また、図３（ｂ）は軸心を含む面で切断したディスクの縦断面図であり、とくにリングはめ込み部を示す。リングはめ込み部１５は、車輪と反対側のディスクリング溝の側面を削除した部分である。すなわち、リング挿入孔を構成するディスクと車輪のリング溝のうち、ディスクリング溝の一部分のみが外に口を開けている部分である。このリングはめ込み部１５が、小さいとリング挿入が困難となり、大きいとディスク強度および変形抑制効果が低下することから、リングはめ込み部の円周部１６がディスク中心に張る角度は、２０度〜６０度の範囲とするのが良い。特に３０度〜４５度の範囲が良い。また、リングはめ込み部は、リングの挿入が可能であれば１ヶ所のみで良いが、挿入が困難な場合、円周上に２ヶ所〜６ヶ所程度に分けて、分割したリングを挿入すれば良い。このとき、各リングはめ込み部の円周部を加算したトータルの円周部のディスク中心に張る角度は、２０度〜６０度の範囲とするのが良い。リングは、先にも述べたように、装着前は棒状、またはワイヤ状であり、リング溝挿入後、端部同士を溶接により接合しリング形状とする。
【００２７】
【実施例】
本発明のディスク付車輪は次の要領で作製した。ディスクには、現在新幹線車両で広く使用されている鍛鋼ディスクを使用した。ボルトは、JIS G 4105に規定されているクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０により製作したものを使用した。このとき使用したボルトは、直径２６ｍｍ、長さ１７０ｍｍである。このボルト１２本により、ディスクと車輪を締結した。さらに、ディスク外周部にリングを装着した。このリングは、ＳＵＳ３０４により製作したもので、直径は５ｍｍとした。また、リング溝位置１１を１０ｍｍ、リング溝深さを２．５ｍｍ、リング溝幅を６．５ｍｍとした（車輪およびディスクについて同じ値）。さらに、リングはめ込み部は、角度を３０度とし、円周上に４箇所設けた。
【００２８】
ボルトとリングによりディスクを取り付けた車輪（本発明例）およびボルトのみでディスクを取り付けた車輪（比較例）とを試験体とした。この２種類のディスク付車輪について実体フ゛レーキ試験を行った。試験条件は、２７０ｋｍ／ｈからの非常ブレーキ負荷相当である。この試験において、ボルトの軸力もひずみゲージにより測定した。さらに、この２種類の車輪について有限要素法（ＦＥＭ）解析を行い、ディスクのボルト穴縁部のひずみ量を算出した。
【００２９】
結果は次の通りであった。
【００３０】
ブレーキを１００回負荷させたところ、ボルトのみによる締結（比較例）ではディスクに変形が生じたが、ボルトとリングによる締結（本発明例）ではディスクにそりは発生しなかった。そのため、ボルトのみの締結（比較例）では変形が生じるので試験途中で平均応力は下がる結果となった。しかし、ディスク１回転あたりの変動応力は本発明例より大きい値となった。本発明例においては、平均応力、変動応力とも変化しないことが判明した。表１は、これらの試験結果の概要をまとめた一覧表である。
【００３１】
【表１】
0004038869.tif 000002
【００３２】
この試験結果より、変動応力が小さい本発明例のほうが比較例よりもボルトの耐久性が向上することが明らかとなった。また、本発明のディスク付車輪は、ボルトの本数を減らしてもボルトに発生する変動応力を従来と同程度にすれば、耐久性を確保でき、メンテナンスコストを低減できる可能性があることが明らかになった。
【００３３】
また、FEM解析によれば、発生するひずみは比較例のほうが本発明例よりも大きくなり、短寿命になる可能性があることが判明した。
【００３４】
次にディスクの材質を鍛鋼よりAl複合材に変更して、上記と同様のブレーキ試験およびFEM解析を実施した。なお、今回使用したAl複合材ディスクは、鋳造により製造されたものである。また、上記２種類のディスク付車輪に加えて、特開平9-100852号公報に記載されたディスク付車輪も比較した。試験は先の試験と同じ実体ブレーキ試験とした。表１に、試験結果の概要をまとめて示す。
【００３５】
ボルトのみの締結のディスク付き車輪（比較例）では、ブレーキ負荷が数回でボルト穴部より破断した。ボルトとリングによる締結のディスク付車輪（本発明例）と特開平9-100852号公報の発明（比較例）は、破断することなくブレーキ試験を行うことができた。しかし、ディスクの変形量を比較すると、特開平9-100852号公報の発明（比較例）ではディスク変形（そり）が生じているが、本発明のディスク付車輪ではディスク変形は起こらなかった。さらに、ボルトの軸力を比較すると、ボルトのみで締結したディスク付車輪（比較例）ではディスクがすぐに破断したため測定できなかったが、本発明のディスク付車輪と特開平9-100852の発明の車輪では、本発明の車輪の方が小さくなることがわかった。また、FEM解析の結果、ボルト穴縁部の応力は、特開平9-100852号公報の発明の車輪と本発明の車輪とでは、ほぼ同程度となった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明により、ボルトおよびディスクに発生する応力を低減することができ、ボルトおよびディスクをより長寿命化できることが判明した。また、耐久性を従来と同程度にして、ボルト本数を減らすことによりメンテナンスコストが低減される可能性も期待される。さらに、今後、強度の低いAl複合材のような軽量ディスクを用いて耐久性を有するディスク付軽量車輪を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のディスク付車輪を車軸心を含む面で切断した縦断面図である。
【図２】図１のリング溝部分の拡大図である。
【図３】（ａ）は車軸方向から見たディスクの１／４部分であり、（ｂ）は軸心を含む面で切断したディスクの縦断面図であり、とくにリングはめ込み部を示す。
【符号の説明】
１…ディスク
２…ディスク摺動面
３…ディスク外周面
４…ボルト
５…ナット
６…ボルト穴
７…リング
８…ディスクのリング溝
９…車輪のリング溝
１０…リング挿入孔
１１…リング溝位置
１２…車輪のリング溝深さ
１３…ディスクのリング溝深さ
１４…リング幅
１５…リングはめ込み部
１６…リングはめ込み部の円周部
３０…車輪
３１…車輪リム
３２…車輪リム内径面
３３…車輪板部
３４…車輪板面
３５…車輪ボス
３６…車輪ボス外径
４０…車軸の軸心
【図１】
0004038869.tif 000003
【図２】
0004038869.tif 000004
【図３】
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