(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪体とその車輪体ウェブ部の両側面に締結されたブレーキディスクとを備えた鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪であって、該ブレーキディスクは、ブレーキパッドが当接する摺動面の内周側に環状に設けられる複数の締結ボルトにより前記車輪体に締結され、かつ前記車輪体ウェブ部の面と接する面であって前記複数の締結ボルトの環状の配置位置の外周に、前記ブレーキディスクの中心から放射状に伸びて設けられる複数の凸部を有し、前記車輪体ウェブ部の両面には前記複数の凸部と嵌合する複数の溝部を有することを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪。
【請求項２】
前記複数の溝部が前記車輪体ウェブ部の表裏で交互に配置されてい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き車輪。
【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を備えた車輪に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道車両や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、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。ディスクブレーキは、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構造をもっており、通常、ブレーキディスクはボルトにより車軸または車輪に取り付けられている。
【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、軸マウントディスクがあげられる。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、側ディスクに関するものである。
【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、他の自動車用または自動二輪車用と比較してディスクの温度上昇は著しく大きい。そのため、温度上昇に伴う熱ひずみも非常に大きくなる。この熱ひずみが拘束されていると、熱応力が増大してブレーキディスクは塑性変形し、これが繰返されるとき裂が発生し、破断に至るおそれもある。また、ブレーキディスクと車輪を締結しているボルトには、車輪体と締結することによる引張応力の他に、ブレーキ負荷時のトルクを拘束することにより繰返し発生する曲げ・せん断応力が負荷される。これらの繰返し応力によりボルトが疲労破壊する可能性もある。
【０００５】
上記の繰返しの熱応力・引張応力、曲げ・せん断応力によるボルトやディスクの破損を抑制するため、例えば、特開平１０−３１８３０４号公報には、ブレーキディスクをブレーキパッドとの摺動面を有する外リングと、車輪体とのボルト取付け部を有する内リングとで構成し、両者を嵌合一体化して車輪体に締結する構造のブレーキディスクが開示されている。内リングに高強度材を使用し、内外リングを分離して、両者の間に生じる熱応力や熱ひずみを緩衝することにより、ボルトおよびボルト穴近傍に集中的に発生する応力を緩和できるとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３１８３０４号公報に記載のブレーキディスクでは、キー溝により内リングと外リングとを嵌合させている。このキー溝部にはブレーキ負荷時の制動トルクおよびディスクと車輪とを締結するための引っ張り応力が負荷される。そのため、キー溝部よりき裂が発生する恐れがある。
【０００７】
本発明の課題は、鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪のブレーキディスク形状および車輪体との締結方法を改善することにより、ブレーキディスクおよび締結ボルトを長寿命化することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
図１は鉄道車両用のブレーキディスク付き車輪の部分断面図である。同図において、符号１は車輪体、２は車軸、３はブレーキディスク、４は摺動面、５はリム、６は車輪体ウェブ部、７は車輪のボルト穴、８はブレーキディスクのボルト穴、９はブレーキディスクを車輪に締結するボルト、１０はナット、１１はブレーキディスク付き車輪である。
【０００９】
摺動面の面積を確保するため、通常ボルト９はブレーキディスク３の内周側に配置される。ボルト９が内周側に配置されると、大径のボルトは使用できず、ボルト本数をあまり多くはできない。従って、ボルトには大きな応力が負荷される。前述のようにブレーキ負荷時に繰返し応力が負荷されるのでボルトの寿命は疲労強度に支配される。
【００１０】
発明者らは、ボルトに負荷される応力を低減すれば、寿命を延ばすことができるとの着想のもと、ブレーキディスクの負荷を車輪体ウェブ部に直接伝達する方法として、ブレーキディスクと車輪体ウェブ部とが互いに噛み合う構造を検討した。その結果、ブレーキディスクに凸部、車輪体ウェブ部にはこの凸部と嵌合する溝を設ける構造を想到した。前記凸部の形状は任意であるが、最も効率的に力を伝達できるのは、ブレーキディスク中心から放射状に延びた形状である。
【００１１】
一方、車輪体ウェブ部に溝を設けることによってその強度が低下するが、車輪体ウェブ部の両側面の溝を表裏でずらせることによって、強度低下を最小限にできることに想到した。
【００１２】
上記の知見に基づいて完成した本発明の要旨は以下の（１）〜（２）にある。
（１）車輪体とその車輪体ウェブ部の両側面に締結されたブレーキディスクとを備えた鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪であって、ブレーキディスクは、ブレーキパッドが当接する摺動面の内周側に環状に設けられる複数の締結ボルトにより車輪体に締結され、かつ車輪体ウェブ部の面と接する面であって複数の締結ボルトの環状の配置位置の外周にブレーキディスクの中心から放射状に伸びて設けられる複数の凸部を有し、車輪体ウェブ部の両面には前記複数の凸部と嵌合する複数の溝部を有することを特徴とする鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪。
【００１３】
（２）車輪体ウェブ部の両側面に設けられた複数の溝部が車輪体ウェブ部の表裏で交互に配置されていることを特徴とする前記（１）項に記載の鉄道車両用ブレーキディスク付き車輪。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２は本発明のブレーキディスク付き車輪の一例を示す概要図であり、同図(a) は部分正面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図(c) は同図(a) のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。同図において、図１と同一要素は同一符号で示し、符号１２（１２ａおよび１２ｂを含む）はブレーキディスクに設けられた凸部、１３（１３ａおよび１３ｂを含む）は車輪体ウェブ部に設けられた溝部である。同図において、ブレーキディスクの凸部は車軸を中心に放射状に延びている。車輪体ウェブ部６の内側（同図において右側）には溝部１３ａが設けられ、外側（同左側）には溝部１３ｂが設けられている。一方、内側のブレーキディスクの、摺動面４の反対側（背面）には凸部１２ａ、外側ブレーキディスクの背面には凸部１２ｂが設けられている。これらの凸部と溝部は互いに嵌合している。
【００１５】
図２の例では車輪体ウェブ部６の両面の溝部１３ａおよび１３ｂは同じ位置に設けられている。この構造の場合、溝部１３ａと１３ｂとは貫通した穴として機械加工を簡略化してもよい。
【００１６】
図３は本発明のブレーキディスク付き車輪の他の一例を示す概要図であり、同図(a) は部分正面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図(b) は同図(a) のＯ−Ｂ矢視部分断面図、同図(c) は同図(a) のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。同図において、図１、図２と同一要素は同一符号で示す。
【００１７】
同図の車輪体ウェブ部６の両面の溝部１３ａおよび１３ｂは両面に交互に配置されている。
【００１８】
図２のように、車輪体ウェブ部の両側の同じ位置に溝部１３ａ、１３ｂが設けられている場合、この部分の車輪体ウェブ部の厚さが薄くなるため、強度は図３の例にくらべて若干劣るおそれがある。
【００１９】
図４は本発明に係るブレーキディスクの凸部の形状を示す概要図である。図２、図３と同一要素は同一符号で示す。同図は図２または図３の凸部１２ａ、または１２ｂの一つを拡大したものである。
【００２０】
図５は本発明のブレーキディスクつき車輪の他の例を示す部分正面図である。図２、図３と同一要素は同一符号で示す。図２〜４において、凸部の形状は扇形としているが、図５のように長方形としてもよく、機械加工等が容易な形状を選ぶことができる。
【００２１】
図４において、凸部の高さＨp が低いと回転方向の拘束力が小さく、またディスクが変形した場合に拘束力がなくなること、高すぎるとこれと対応する溝部の深さが深くなり、車輪体ウェブ部の厚さが小さくなる。新幹線等に用いられる車輪体の径９００〜１２００ｍｍ程度ものでは、この凸部高さは、５ｍｍ〜１０ｍｍ（車輪体の径に対して０．５〜１．５％）の範囲にするのが良い。
【００２２】
凸部の幅ＷP については、図４のような扇面形状凸部の場合、最小幅ＷPminを基準に考えるが、凸部の最小幅ＷPminは小さすぎると凸部の強度が小さく、ブレーキ負荷時に凸部が変形・破損する可能性がある。ＷPminが大きすぎると車輪体ウェブ部の溝部幅が大きくなり、車輪体ウェブ部の強度が低下することから、ＷPminは３０〜１００ｍｍ（車輪体の径に対して２．５〜１２％程度）の範囲にするのがよい。さらには４０〜８０ｍｍ（同３．３〜７％程度）にするのが望ましい。図５のように、凸部が長方形であれば、上記の検討はＷPmin＝ＷPmaxとして扱うことができる。
【００２３】
図４の凸部の長さＬp は、短かすぎると回転方向の拘束力が低下することから、５０ｍｍ以上（車輪径に対して４％以上）とするのが良い。さらには８０ｍｍ以上（同８％以上）とするのが望ましい。また、応力集中を避けるため図４の凸部１２周囲のエッジ部１４、コーナー部１５には０．３〜２．０ｍｍの面取りを施すのが望ましい。
【００２４】
前記凸部に対応する車輪体ウェブ部の溝部の深さＨV （図示せず。以下、図４には溝部寸法を図示していない）は、ブレーキディスクの凸部の高さに対応するため、ＨV ＞ＨP とする必要があるが、車輪体ウェブ部の厚さを確保するため、ＨV とＨP とはできるだけ近いことが望ましい。加工精度を考慮すると、ＨV −ＨP は０．３〜１．０程度とするのが好ましい。溝部の幅ＷV は凸部の形状に合わせ、かつ溝部と凸部が嵌合するためには、例えば図４の扇形の直線部のそれぞれ対応する部分でＷV ＞ＷP とする必要があるが、このときの溝部の最大幅ＷVmxnは隣接する溝部との間隔が５０ｍｍ以上（車輪体径に対して４％以上）、さらには８０ｍｍ以上（同６．５％以上）になるように設定するのが望ましい。
【００２５】
ブレーキ負荷時には凸部の片側の側面と溝部の側面とが接触し、その面圧によって、ブレーキ制動力を分担することになるため、幅ＷP と溝部の幅ＷV はできるだけ近いことが望ましい。即ち、凸部と溝部のギャップ（（ＷV −ＷP ／２）ができるだけ小さいことが望ましい。しかし、加工精度の問題およびブレーキディスクと車輪体ウェブ部を組み立てるときの嵌合の容易さ、および焼き付き等を考慮するとこのギャップは大きい方がよい。従って、これらを考慮して凸部と溝部のギャップは、０．１〜０．７ｍｍ程度とするのが望ましく、さらには０．２〜０．５ｍｍとするのが望ましい。
【００２６】
溝部の長さＬV は、凸部と溝部が嵌合するため、凸部の長さＬP に対して、ＬV ＞ＬP としなければならない。図４において、ブレーキディスクの中心から凸部の外周側端部までの距離をｒPo、凸部の内周側端部までの距離をｒPiとし、これに対応した車輪体の中心から車輪体ウェブ部の溝の外周端部までの距離（図示せず）をｒVo、内周端部までの距離をｒViとするとき、ＬV ＞ＬP の関係は（ｒVo−ｒVi）＞（ｒPo−ｒPi）になる。さらに、ブレーキディスクがブレーキ負荷時の摩擦により高温になって膨張するため、（ｒVo−ｒPo）、すなわち、外周側の半径方向のギャップを、０．５〜２．０ｍｍとするのが望ましい。内周側の半径方向のギャップ（ｒPi−ｒVi）は、ブレーキディスクの熱膨張によって拡大するため、特に限定しないが、０．１〜０．５ｍｍ程度とするのが望ましい。なお、図２または図３から明らかなように、ｒVoは車輪体ウェブ部の外径より大きくはできず、ｒViは車輪体ウェブ部の内径より小さくはできない。
【００２７】
ブレーキディスクの凸部の数は、４〜１６が望ましい。
ブレーキディスクは一体型のものでもよいし、周方向に２〜４分割した構造のものでもよい。
【００２８】
【実施例】
表１に、ブレーキ試験を実施したブレーキディスク付き車輪の一覧を示す。試作した車輪体およびブレーキディスクは図５に示す形状のように、ブレーキディスクの凸部の形状は長方形であり、車輪体ウェブ部の溝部は表裏で同じ位置に配置されたものである。ブレーキディスクの材料には新幹線車両で使用されている鍛鋼材を使用した。なお、ブレーキディスクの外径は７８０ｍｍ、摺動面の幅は１２５ｍｍである。
【００２９】
【表１】
0004168512.tif 000002
【００３０】
車輪Ｎｏ．１〜３は本発明に係るものである。表１に示すように、凸部の寸法のみを変化させた。また、凸部にはそれぞれＣ１（ｍｍ）の面取り加工を施した。
【００３１】
比較例の車輪Ｎｏ．４として、図１に示す現状の鉄道車両に使用されている形状のブレーキディスク付き車輪を試作した。車輪Ｎｏ．４のブレーキディスクの外径と摺動面の幅は、本発明例と同様である。
【００３２】
比較例の車輪Ｎｏ．５として、特開平１０−３１８３０４号公報に記載されたブレーキディスクを、車輪Ｎｏ．１〜４と同一の外径および摺動面幅としたものを車輪体に装備してブレーキディスク付き車輪を試作した。
【００３３】
上記５種類の車輪を用いて実体ブレーキ試験を実施した。試験条件は１００ｋｍ／ｈからのブレーキ負荷相当とした。この時ブレーキディスク温度は約１００℃まで上昇する。その後ブレーキディスク温度が５０度以下になるまで冷却した後、再度ブレーキを負荷した。このブレーキ負荷を繰返し１００回行った。
表２に試験結果を示す。
【００３４】
【表２】
0004168512.tif 000003
【００３５】
表２に示すように、摩擦係数に関しては、本発明例の車輪Ｎｏ．１〜３では、平均値、変動幅とも比較例の車輪Ｎｏ．４とほぼ同じレベルであり、適用可能であることがわかった。一方比較例の車輪Ｎｏ．５では、他の車輪と比較して、摩擦係数の平均値は低く、変動幅は大きくなっている。これは、車輪Ｎｏ．５のブレーキディスクでは摺動部とフランジ部が分離しており、ブレーキ負荷時に内リングと外リングとの間でのすべりあるいはガタツキがあるものと思われる。ボルトに発生する応力を比較すると、車輪Ｎｏ．１〜３では比較例の車輪Ｎｏ．４〜５より応力の変動幅が小さくなっており、ブレーキディスクと車輪のはめ合わせにより回転方向へ拘束していることによりボルトへの負荷が低減されている。
【００３６】
上記の試験結果より、比較例の車輪Ｎｏ．４〜５より本発明例の車輪１〜３の方が優れていることがわかった。
【００３７】
（実施例２）
次に、本発明例の車輪Ｎｏ．１〜３を用いて、３００ｋｍ／ｈからの試験を行った。３００ｋｍ／ｈからブレーキを負荷するとブレーキディスク温度は最高で約６００℃まで上昇する。ブレーキ負荷後ブレーキディスク温度が５０℃以下になるまで冷却し、再度ブレーキを負荷した。このブレーキ試験を繰返し１００回行った。
【００３８】
試験後のブレーキディスクを観察するとすべての車輪のブレーキディスクが変形（摺動面側へのそり）していた。また、車輪Ｎｏ．２では凸部の基部に微細なき裂が発生し、凸部が回転方向に変形していた。表３にブレーキ負荷時の摩擦係数、ボルトに発生する応力を示す。
【００３９】
【表３】
0004168512.tif 000004
【００４０】
３種車輪の摩擦係数を比較すると、摩擦係数の平均値、変動幅とも大きな差はなかった。ボルトに発生する応力を比較すると、車輪Ｎｏ．１ではボルトに発生する応力の変動幅が小さくなっており、ボルトはより長寿命になると考えられる。これは、ブレーキディスク凸部と車輪体溝部のはめ合い部で制動力の大部分を分担し、ボルトは車輪体ウェブ部の厚さ方向の拘束のみを負担しているため、従来の締結方法と比較してボルトへの負荷が低減したためと思われる。また、車輪Ｎｏ．２および３では、車輪Ｎｏ．１と比較して、ボルトに発生する応力は高くなった。これは、ブレーキ負荷回数の増加にともないブレーキディスクと車輪のはめ合い部の形状が変化し、回転方向の拘束効果が低下したことが原因と思われる。
【００４１】
上記のブレーキ試験の結果より、車輪Ｎｏ．１の形状が最も優れていることが判明した。
【００４２】
（実施例３）
次にブレーキ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を実施した。なお、使用したＡｌ複合材ブレーキディスクは、鋳造により製造されたものであり、試作した形状は車輪Ｎｏ．１、車輪Ｎｏ．４および車輪Ｎｏ．５と同じである。それぞれを車輪Ｎｏ．６（本発明例）および車輪Ｎｏ．７〜８（比較例）とする。試験条件は前記鍛鋼ブレーキディスクの場合と同様に３００ｋｍ／ｈからの非常ブレーキ相当である。試験結果を表４に示す。
【００４３】
【表４】
0004168512.tif 000005
【００４４】
車輪Ｎｏ．７では、ブレーキ負荷を１０回繰返したところボルト穴よりき裂が発生し破断した。また、車輪Ｎｏ．８では、ボルト穴のき裂は発生しなかったが、ボルトに負荷される応力を低減することはできなかった。また、摩擦係数が安定しておらず、実用化するには難しいことがわかった。一方、本発明に係る車輪Ｎｏ．６では、ボルト穴のき裂は発生しなかった。また、摩擦特性も比較的安定しており、本発明はＡｌ複合材のブレーキディスクにも十分適用可能であることがわかった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のブレーキディスク付き車輪により、ブレーキディスクに発生する応力集中を低減し、かつ締結ボルトへの負荷も低減することが可能で、ブレーキディスクおよびボルトを長寿命化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄道車両用のブレーキディスク付き車輪の部分断面図である。
【図２】本発明のブレーキディスク付き車輪の一例を示す概要図であり、同図（ａ）は部分正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。
【図３】本発明のブレーキディスク付き車輪の他の一例を示す概要図であり、同図（ａ）は部分正面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ａ矢視部分断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＯ−Ｂ矢視部分断面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＯ−Ｃ矢視部分断面図である。
【図４】本発明に係るブレーキディスクの凸部の形状を示す概要図である。
【図５】本発明のブレーキディスクつき車輪の他の例を示す部分正面図である。
【符号の説明】
１：車輪体
２：車軸
３：ブレーキディスク
４：摺動面
５：リム
６：車輪体ウェブ部
７：車輪のボルト穴
８：ブレーキディスクのボルト穴
９：ボルト
１０：ナット
１１：ブレーキディスク付き車輪
１２、１２ａ、１２ｂ：凸部
１３、１３ａ、１３ｂ：溝部
１４：エッジ部
１５：コーナー部
【図１】
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【図２】
0004168512.tif 000007
【図３】
0004168512.tif 000008
【図４】
0004168512.tif 000009
【図５】
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