JPH10129480A - 鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 昇温によって熱膨張が生じても、取り付けボ
ルトが挿通しているボルト貫通孔の周辺に割れや変形が
生じることがないアルミ基複合材製ロータを提供するこ
と。 【解決手段】 アルミ基複合材により略円盤状に一体形
成されたロータ本体２３の内周部には、該ロータ本体２
３の板厚方向には相対変位可能でかつ周方向の相対変位
は規制されるように鉄系材料製の固定リング２５を嵌合
装備し、該固定リング２５に取り付けボルト５により車
輪８の側面に締結するためのボルト貫通孔２１を装備
し、前記固定リング２５と嵌合状態のロータ本体２３
は、前記固定リング２５と共に車輪８に締結される波形
板ばね２８による押圧力で車輪８に押圧固定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、略円盤状に成形さ
れて鉄道車両の車輪の側面に締結される鉄道車両用ディ
スクブレーキのアルミ基複合材製ロータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】鉄道車両用のディスクブレーキとして
は、従来より、略円盤状のロータを鉄道車両の車輪の内
外両側面にボルトによって締結することで、車輪の両側
面に制動用の摺動面を形成したタイプのものが知られて
いる。従来のこのタイプのものでは、ロータは、鋳鉄や
鍛鋼等の鉄系材料で製造していた。しかし、近年、鉄道
車両は高速化の指向が強まり、それに伴って、車両を構
成する部品の軽量化が強く求められてきた。特に、車輪
やこの車輪に装備される前述のロータ等は直接レールに
負荷をかけるばね下質量となり、レールに与える振動や
衝撃、更には車両の走行性能にも大きな影響力を持つた
め、軽量化が重要な課題とされてきた。

【０００３】そこで、近年では、軽量材であるアルミ基
複合材製のロータを開発するに至っている。ここでいう
アルミ基複合材は、アルミニウム合金の金属母相にセラ
ミック粒子等（Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＳｉＣ等）の強
化粒子を分散させた複合材料で、比重を約２．８程度に
抑えることができ、従来の鉄系材料と比較すると、大幅
な軽量化が図れる。

【０００４】図６及び図７は、このようなアルミ基複合
材によって製造される従来のロータ１の構造を示したも
のである。このロータ１は、アルミ基複合材により略円
盤状に一体形成されると共に、内周寄りに複数個のボル
ト貫通孔３が貫通形成された構成を成し、前記ボルト貫
通孔３に挿通された取り付けボルト５と該取り付けボル
ト５に螺合するナット６により、図７に示すように、鉄
道車両の車輪８の側面に締結される。

【０００５】前記ロータ１の表面９は、外周側の一定範
囲が制動用の摺動面９ａとなるもので、該摺動面９ａの
範囲は平坦に仕上げられている。また、ロータ１の裏面
１０は、車輪８の側面に当接される面で、放熱効果を高
めるために、冷却用のフィン１０ａをロータ中心から放
射状に突設した構造としている。

【０００６】前記ボルト貫通孔３は、前記取り付けボル
ト５の軸径に適度の余裕を持たせた円形穴で、ナット６
側には、通常、ナット６の弛み止めとして、ばねワッシ
ャ１１が装備される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高速車両で
使用されるロータ１は、制動動作時には、摩擦熱によっ
て２５０〜３００℃程度に昇温し、それに伴う熱膨張に
より、図８に示すように、外周側が表面９側にせり出し
た略椀形に変形する。図８に示す矢印（イ）は、この略
椀形の変形時に発生する径方向の引張応力（熱応力）を
示している。

【０００８】そして、ロータ１がこのような略椀形に熱
変形する際には、図９に示すように、径方向の熱膨張の
よって作用する引張応力Ｆのために、ロータ１のボルト
貫通孔３の一部（正確には、前記ボルト貫通孔３のロー
タ中心側の内壁面）が取り付けボルト５に強く圧接さ
れ、結果的には、ボルト貫通孔３の一部の内壁面に集中
荷重となって働く圧縮荷重のために、ボルト貫通孔３の
周縁に割れや変形が生じ易いという問題があった。

【０００９】そこで、従来では、このような問題の発生
を防止する手段として、図１０に示すように、予めボル
ト貫通孔３の穴径をより大きめに設定して、取り付けボ
ルト５とボルト貫通孔３の内壁面との間の隙間Ｓの増大
を図ったり、ナット６とロータ１との間に皿ばね１３を
介在することが研究されているが、ロータ１の径方向の
熱膨張はかなり大きいため、これらの手段では、未だ十
分な成果が得られていない。

【００１０】また、実公平８−５４００号公報では、ロ
ータ１の裏面１０と車輪８との接触面積を増大させるこ
とでロータ１から車輪８への伝熱量を高めて、ロータ１
の昇温自体を抑えることで、ボルト貫通孔３の周縁に割
れや変形が生じることを抑制する技術が示されたが、近
年の高速車両における走行条件や制動条件では、ロータ
１の昇温を大幅に低減させることは極めて難しく、やは
り、十分な成果を得ることができないのが現状である。

【００１１】そこで、本発明の目的は上記課題を解消す
ることにあり、取り付けボルトによって車輪に締結され
る鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロー
タであって、昇温によって熱膨張が生じても、ボルト貫
通孔の周縁に割れや変形が生じることがなく、高速の鉄
道車両における苛酷な制動条件にも長期に渡って耐える
ことのできる鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複
合材製ロータを提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータは、中央に貫通穴を有し略円盤状に一体
形成されているロータ本体と、該ロータ本体に対してこ
のロータの板厚方向にのみ自由度を持って前記中央貫通
穴に嵌挿装備されて前記車輪への取り付けボルト用貫通
孔を有する鉄系材料製の固定リングと、前記ロータ本体
に当接させる押圧用板部と前記固定リングの取り付けボ
ルト用貫通孔に対応する貫通孔を有する締結用板部とを
段違いに連設した波形板ばねとを備え、前記波形板ばね
と前記固定リングとを貫通する前記取り付けボルトで波
形板ばねの前記締結用板部を締めることにより、前記押
圧用板部が前記ロータ本体と固定リングとを車輪側面へ
押圧固定する構成である。

【００１３】また、本発明に係る鉄道車両用ディスクブ
レーキのアルミ基複合材製ロータは、上記目的を達成す
るために、前記ロータ本体の前記中央貫通穴と前記固定
リングとの嵌挿形状が歯車の噛み合わせ形状となってお
り、固定リングの突設された歯部に取り付けボルト用貫
通孔が備えられている構成とすることができる。

【００１４】ところで、昇温による熱膨張によってロー
タのボルト貫通孔の周縁に割れや変形が生じる原因の一
つとしては、熱膨張による前記ボルト貫通孔の周縁のロ
ータ外周側への変位が無理に拘束されてしまうことにあ
る。更に詳述すると、ロータの径方向の熱膨張時に、ボ
ルト貫通孔のロータ中心側の一部の内壁面が取り付けボ
ルトによって変位を拘束されて、熱膨張に応じきれなく
なることが大きな要因となる。

【００１５】また、それ以前に、例えば、図９に示した
ようにばねワッシャで直接締め付け固定した取り付け構
造の場合は、ロータの板厚方向の熱膨張による取り付け
状態での経時変化で、ロータの表面のばねワッシャの当
たっている部分に陥没が生じ、この陥没部のロータ軸中
心側の半円弧の範囲全体が、ロータの径方向の熱膨張に
伴う変位を規制する引っ掛かりとなり、熱膨張初期の径
方向の変位を拘束してしまうことも、見逃すことのでき
ない重大な要因である。この陥没部の引っ掛かりによ
り、径方向の熱膨張時に発生する応力は、ボルト貫通孔
のロータ中心側の周縁部で急速に上昇して、ボルト貫通
孔のロータ中心側の周縁部に集中荷重として作用してし
まうからである。

【００１６】これに対し、上述した本発明の構成では、
制動用の摺動面を提供するアルミ基複合材製のロータ本
体の貫通穴の内周には、鉄系材料で形成された別体の固
定リングが嵌挿装備されるようになっていて、鉄道車両
の車輪にねじ止めするためのボルト挿通孔は該固定リン
グに設けられている。そして、内周部に固定リングが嵌
挿されたロータ本体と該固定リングはそれぞれの一部が
波形板ばねによって覆われ、まず、波形板ばねの締結用
板部が取り付けボルトにより固定リング方向へ押圧され
る。それと同時に波形板ばねの押圧用板部はロータ本体
を車輪側面へ押圧固定する。つまり、車輪の裏面も同様
の構成となっているので、車輪の表裏各々に配置された
波形板ばねの対向する締結用板部を取り付けボルトによ
り締めつけることで、車輪の表裏に配置されたロータ本
体を車輪側面へ押圧固定することができる。

【００１７】このようにロータ本体に取り付け孔を持た
ない構成によって、制動時に摺動面の摩擦で高温に昇温
するロータ本体にアンバランスな熱膨張が発生せず、取
り付けボルトによって膨張方向を拘束されることもな
い。またここで、制動時にロータに対して加わる力とし
ては、取り付けボルト付近の軸力とロータ本体を車輪側
面へ押圧している圧縮応力とがある。本発明のように、
固定リングに取り付けボルト用の貫通孔が備えられ、且
つ、ロータの板厚方向にのみ自由度を許されている構成
により、固定リングにはロータ本体に対する取り付けボ
ルト位置決めの作用が与えられることで、軸力を受け止
める役目が固定リングに振り分けられ、一方、圧縮応力
については押圧用板部からロータ本体に伝えられるた
め、力を受ける部分が分散されることとなり、耐久性を
より高めることができる。

【００１８】また、固定リングは、アルミ基複合材と比
較して機械的強度が高く、しかも熱膨張率の小さな鉄系
材料製であるため、制動時の昇温に伴う熱膨張によって
作用する応力に対する耐久性が高い。従って、制動時の
昇温等によってロータ本体に大きな熱膨張が生じる場合
でも、該ロータ本体の熱膨張による変位は固定リングと
の間の相対変位となり、ボルト挿通孔の周縁に割れや変
形が生じることがなく、高速の鉄道車両における苛酷な
制動条件にも長期に渡って耐えることが可能になる。

【００１９】また、請求項２に記載のように、ロータ本
体の中央貫通穴と固定リングとの嵌挿形状が歯車の噛み
合わせ形状となっており、ロータ本体の内周から径方向
に突設した係止歯と、固定リングの外周に突設した歯部
との噛合により前記ロータ本体の内周に固定リングを嵌
合させる構成では、ロータ本体は、固定リングに対し
て、外周側に向う径方向の熱膨張に対する変位が許容さ
れると同時に、板厚方向の熱膨張に対する変位も許容さ
れることになり、ロータ本体には熱膨張時に無理な拘束
力な作用しない理想的な取り付け状態が得られる。

【００２０】更に、波形板ばねは、固定リングの歯部と
共に鉄道車両の車輪の側面に締結可能な締結用板部と、
前記歯部間に位置しているロータ本体の係止歯に当接さ
せる押圧用板部とを、互いに段違いに、かつ、前記歯部
と係止歯の配列に対応して交互にリング状に連設した構
成であるので、ロータ本体の固定に必要な波形板ばねが
単一で済み、部品点数の増加を抑止し、且つ、表裏を間
違えると固定状態とならないことが一目瞭然で、波形板
ばねの取り付け側の間違いを無くすことができ、組み立
て性を向上させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図示実施形態により、本発
明を説明する。図１乃至図５は本発明に係る鉄道車両用
ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータの一実施形
態を示したもので、図１は本発明の一実施形態の鉄道車
両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータの要部
の斜視図、図２は本発明の一実施形態を構成する固定リ
ングの斜視図、図３は本発明の一実施形態のアルミ基複
合材製ロータに固定リングを組み込んだ状態を示す斜視
図、図４は本発明の一実施形態のアルミ基複合材製ロー
タを構成する波形板ばねの斜視図、図５は図３のＡ−Ａ
線に沿う断面図である。

【００２２】この一実施形態のアルミ基複合材製ロータ
２０は、高速運行する鉄道車両のディスクブレーキに使
用されるもので、図５にも示すように、アルミ基複合材
により略円盤状に一体形成されて表面２２が制動用の摺
動面２２ａとされるロータ本体２３と、該ロータ本体２
３の板厚方向にのみ相対変位可能の自由度を与えられて
前記ロータ本体２３の内周部の中央貫通穴２９に嵌挿装
備されると共に取り付けボルト５によって鉄道車両の車
輪８の側面に締結される鉄系材料製の固定リング２５
と、前記ロータ本体２３に当接させる押圧用板部２６と
前記取り付けボルト５により前記固定リング２５と共に
前記車輪８に締結される締結用板部２７とを段違いに連
設した波形板ばね２８とを備えた構成を成し、前記固定
リング２５に嵌合状態のロータ本体２３を、前記取り付
けボルト５とナット６によって前記固定リング２５と共
に車輪８に締結される前記波形板ばね２８による押圧力
で車輪８の側面に押圧固定する。

【００２３】前記ロータ本体２３は、図１に示すよう
に、内周に、円盤の中心に向って突出する係止歯２３ａ
が周方向に一定間隔で突設された構造とされている。前
記ロータ２０の表面２２は、外周側の一定範囲が制動用
の摺動面２２ａとなるもので、該摺動面２２ａの範囲は
平坦に仕上げられている。また、ロータ２０の裏面は、
車輪８の側面に当接される面で、放熱効果を高めるため
に、図示はしていないが、冷却用のフィンをロータ中心
から放射状に突設した構造としている。該ロータ本体２
３を形成するアルミ基複合材は、アルミニウム合金の金
属母相にセラミック粒子等の強化粒子を分散させた複合
材料で、具体的には、Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＳｉＣ等の
材料成分を所定の比率で均等に混合させた副材料で、比
重が約２．８程度に設定されたものである。

【００２４】前記固定リング２５は、図２に示すよう
に、前記ロータ本体２３の内周を挿通可能なリング部２
５ａと、前記係止歯２３ａに噛合可能に前記リング部２
５ａの外周に突設された複数個の歯部２５ｂとを、鋳鉄
や鍛鋼等の鉄系材料で一体形成した構成を成すと共に、
前記歯部２５ｂには取り付けボルト５を挿通可能なボル
ト貫通孔２１が前記ロータ本体２３の板厚方向に沿って
貫通形成された構成とされている。ロータ本体２３と固
定リング２５とは図３に示すように係止歯２３ａと歯部
２５ｂによって噛合する。

【００２５】また、前記波形板ばね２８は、図４に示す
ように、前記取り付けボルト５が挿通可能なボルト挿通
孔２７ａを有して前記取り付けボルト５によって前記固
定リング２５の歯部２５ｂと共に鉄道車両の車輪８の側
面に締結可能な締結用板部２７と、前記歯部２５ｂ間に
位置しているロータ本体２３の係止歯２３ａに当接させ
る押圧用板部２６とを、互いに段違いに、かつ、前記歯
部２５ｂと係止歯２３ａの配列に対応して交互にリング
状に連設した構成とされている。

【００２６】このような本発明の実施形態のアルミ基複
合材製ロータ２０では、制動用の摺動面２２ａを提供す
るアルミ基複合材製のロータ本体２３の内周には、鉄系
材料で形成された別体の固定リング２５が嵌合装備され
るようになっていて、該固定リング２５に、鉄道車両の
車輪８にねじ止めするためのボルト貫通孔２１が装備さ
れる。そして、内周部の中央貫通穴２９に固定リング２
５が嵌合したロータ本体２３は、前記固定リング２５と
共に車輪８にねじ止めされる波形板ばね２８によって、
車輪８の側面に押圧固定される。従って、制動時に摺動
面２２ａの摩擦で高温に昇温するロータ本体２３は、昇
温による熱膨張に伴う変位が、取り付けボルト５によっ
て拘束されることがない。そして、ロータ本体２３の熱
膨張に伴う変位は、前記固定リング２５との嵌合構造を
工夫することにより、径方向にも、板厚方向にも許容可
能になる。

【００２７】さらに、本発明のように、固定リング２５
に取り付けボルト用の貫通孔２１が備えられ、且つ、固
定リング２５がロータ本体２３の板厚方向にのみ自由度
を許されている構成により、固定リング２５にはロータ
本体２３に対する取り付けボルト位置決めの作用が与え
られることで、軸力を受け止める役目が固定リング２５
に振り分けられる。一方、圧縮応力については押圧用板
部２６からロータ本体２３の係止歯２３ａに伝えられる
ため、力を受ける部分が分散されることとなり、耐久性
をより高めることができる。

【００２８】また、取り付けボルト５による締め付けに
よって変位が拘束される固定リング２５は、アルミ基複
合材と比較して機械的強度が高く、しかも熱膨張率の小
さな鉄系材料製であるため、制動時の昇温に伴う熱膨張
によって作用する応力に対する耐久性が高い。従って、
制動時の昇温等によってロータ本体２３に大きな熱膨張
が生じる場合でも、該ロータ本体２３の熱膨張による変
位は、前記固定リング２５との間の相対変位として許容
することができ、ボルト貫通孔２１の周縁に割れや変形
が生じることがなく、高速の鉄道車両における苛酷な制
動条件にも長期に渡って耐えることが可能になる。

【００２９】また、本実施形態のロータ２０では、ロー
タ本体２３の内周から径方向に突設した係止歯２３ａ
と、固定リング２５の外周に突設した歯部２５ｂとの噛
合により前記ロータ本体２３の内周に固定リング２５を
嵌合させており、ロータ本体２３は、固定リング２５に
対して、外周側に向う径方向の熱膨張に対する変位が許
容されると同時に、板厚方向の熱膨張に対する変位も許
容されることになり、ロータ本体２３には熱膨張時に無
理な拘束力な作用しない理想的な取り付け状態が得られ
ている。

【００３０】そして、波形板ばね２８は、固定リング２
５の歯部２５ｂと共に鉄道車両の車輪８の側面に締結可
能な締結用板部２７と、前記歯部２５ｂ間に位置してい
るロータ本体２３の係止歯２３ａに当接させる押圧用板
部２６とを、互いに段違いに、かつ、前記歯部２５ｂと
係止歯２３ａの配列に対応して交互にリング状に連設し
た構成のため、ロータ本体２３の固定に必要な波形板ば
ね２８が単一で済み、部品点数の増加を抑止して、組み
立て性を向上させることができる。

【００３１】なお、ロータ本体２３の内周部に装備した
係止歯２３ａや固定リング２５の外周に装備した歯部２
５ｂの歯数や、歯形や大きさは、一実施形態のものに限
定するものではない。これらの歯数や、歯形や大きさ等
は、適宜に設計変更することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の鉄道車両用ディスクブレーキの
アルミ基複合材製ロータによれば、制動時に摺動面の摩
擦で高温に昇温するロータ本体は、昇温による熱膨張に
伴う変位が、固定リングを設ける構成によって取り付け
ボルトによって直接拘束されることがなくなる。そし
て、ロータ本体の熱膨張に伴う変位は、固定リングとの
嵌合構造により、径方向にも、板厚方向にも許容可能に
なる。また、取り付けボルトによる締め付けによって変
位が拘束される固定リングは、アルミ基複合材と比較し
て機械的強度が高く、しかも熱膨張率の小さな鉄系材料
製であるため、制動時の昇温に伴う熱膨張によって作用
する応力に対する耐久性が高い。従って、制動時の昇温
等によってロータ本体に大きな熱膨張が生じる場合で
も、固定リングとの間の相対変位として許容することが
でき、高速の鉄道車両における苛酷な制動条件にも長期
に渡って耐えることが可能になる。そして、波形板ばね
は、固定リングの歯部と共に鉄道車両の車輪の側面に締
結可能な締結用板部と、前記歯部間に位置しているロー
タ本体の係止歯に当接させる押圧用板部とを、互いに段
違いに、かつ、前記歯部と係止歯の配列に対応して交互
にリング状に連設した構成とすれば、ロータ本体の固定
に必要な波形板ばねが単一で済み、部品点数の増加を抑
止して、組み立て性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態のアルミ基複合材製ロータの
斜視図。

【図２】本発明の実施形態のアルミ基複合材製ロータに
用いられる固定リングの斜視図。

【図３】本発明の実施形態のアルミ基複合材製ロータと
固定リングとの構成を示す斜視図。

【図４】本発明の実施形態のアルミ基複合材製ロータに
用いられる波形板ばねの斜視図。

【図５】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【図６】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータの斜視図。

【図７】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータの車輪に取り付けた状態の断面図。

【図８】鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材
製ロータの熱膨張による変形を示す斜視図。

【図９】従来の鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基
複合材製ロータにおける熱膨張時に発生する問題を示す
断面図。

【図１０】従来の対応策を示す断面図。

【符号の説明】

５ 取り付けボルト ６ ナット ８ 車輪 ２０ アルミ基複合材製ロータ ２１ ボルト貫通孔 ２２ 表面 ２３ ロータ本体 ２３ａ 係止歯 ２５ 固定リング ２５ａ リング部 ２５ｂ 歯部 ２６ 押圧用板部 ２７ 締結用板部 ２８ 波形板ばね

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄道車両の車輪の側面に締結される鉄道
   車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ（２
   ０）であって、 中央に貫通穴（２９）を有し略円盤状に一体形成されて
   いるロータ本体（２３）と、 該ロータ本体（２３）に対してこのロータの板厚方向に
   のみ自由度を持って前記中央貫通穴（２９）に嵌挿装備
   され、前記車輪への取り付けボルト用貫通孔（２１）を
   有する鉄系材料製の固定リング（２５）と、 前記ロータ本体（２３）に当接させる押圧用板部（２
   ６）と前記固定リング（２５）の取り付けボルト用貫通
   孔（２１）に対応する貫通孔（２７ａ）を有する締結用
   板部（２７）とを段違いに連設した波形板ばね（２８）
   とを備え、 前記波形板ばね（２８）と前記固定リング（２５）とを
   貫通する取り付けボルト（６）で波形板ばね（２８）の
   前記締結用板部（２７）を締めることにより、前記押圧
   用板部（２６）が前記ロータ本体（２３）と固定リング
   （２５）とを車輪側面へ押圧固定することを特徴とした
   鉄道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロー
   タ。
2. 【請求項２】 前記ロータ本体（２３）の前記中央貫通
   穴（２９）と前記固定リング（２５）との嵌挿形状が歯
   車の噛み合わせ形状となっており、固定リングの突設さ
   れた歯部（２５ｂ）に取り付けボルト用貫通孔（２１）
   が備えられていることを特徴とした請求項１に記載の鉄
   道車両用ディスクブレーキのアルミ基複合材製ロータ。