JPH10318304A - 耐熱応力に優れたブレーキディスク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両用ブレーキディスクは鉄道の高速化と共
にさらに苛酷な繰返し熱応力に耐えなければならない。 【解決手段】 車両制動時に両側から挟圧するブレーキ
パッドの摺動面と対向する摺動面１１を外側面とする環
状の外リング１と、該外リング１の内周面と直径方向に
対して余裕を以って嵌合すると共に、円周方向に対して
も嵌合して一体的に車輪４に締結される内リング２より
なる。熱応力は内径側に嵌合する内リング２との間の余
裕、すなわちある範囲で意図的に設定された隙間によっ
て吸収され解放される。内リング２へは摺動面からの熱
応力が直接伝播しないから、取付け用のボルト・ナット
部が挿通された取付け箇所に集中していた応力は大幅に
緩和され課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉄道車両用などとし
て適用され、特に繰返し熱応力に基づく疲労強度のレベ
ルアップが求められるブレーキディスクに係る。

【０００２】

【従来の技術】図４は鉄道車両用のブレーキディスクの
装着した状態を示す縦断面図であり、ブレーキディスク
１０は車輪４の両側面に放熱用に多数放射状に突設した
フィン１５を対向するようにボルト５とナット５１とで
締結固定され一体的に車軸６と共回りするように取り付
けられる。ブレーキディスク１０のフィンと反対側の外
側面が摺動面１１であり、この摺動面１１に対向する位
置に摺動面１１の方向へ移動可能なブレーキパッド３
（ブレーキシュー）の摺動面３１が取り付けられ、車両
停止のために制動するときは、ブレーキパッド３がブレ
ーキディスク側へ移動して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圧し車両を
停止させる。

【０００３】この制動のメカニズムから容易に推定でき
るように、ブレーキディスクは瞬間的に相手材であるブ
レーキパッド（たとえばＣｕ系焼結合金材或はレジン系
ライニング材）との高圧下の摺動作用によって急熱急冷
を繰り返すというきわめて異常な使用条件に耐え得るこ
とが最も重要な要件であり、繰り返し熱負荷を受けるこ
とによって摺動面の材質的な耐性を超えて微細な熱亀裂
が発生する。この熱亀裂は通常、ブレーキディスクが円
盤状に成形されていることから、車軸が挿通する中央を
中心とした円周方向に対して放射状に漸次伸張していく
のが一般的な傾向であり、亀裂の長さと深さが限度を越
せばブレーキディスク自体を分断する虞れが否定できな
いから、定期的な検査において亀裂の深さと長さと本数
とを測定し、あらかじめ設定された検査基準値に達する
と廃棄処分にして新品と交換するように定めている。

【０００４】一方ブレーキディスクは図４のように実車
の各車輪を両側から挟圧する形で装着されているから、
ブレーキ操作を行なう度に繰り返し熱応力が集中する箇
所が特定するという形状的な特徴もある。この場合、た
とえばボルト締結部などの固定部分に応力が集中するこ
とは物理的に避けられず、熱応力の集中が繰り返される
とその部分を中心とした金属疲労が蓄積して疲労割れな
どの欠陥として顕われることも金属学の原則として常に
警告されるケースに相当する。

【０００５】一方、ブレーキディスクとしては、耐熱歪
み性も具えていることも必須条件の一つであり、繰り返
し急熱、急冷によって永久変形が現われ本来平滑な円盤
状に加工した摺動面に反りが生じると、均一な面接触を
妨げブレーキ特性に著しい低下が始まるから、この点も
またブレーキディスクとして選択の条件を限定する一つ
の要素に挙げられる。ブレーキディスクとして要求され
る性質はこのように複雑に関連し合っているから、単一
の条件で整理することは難しいが、これらの要素を中軸
に据えて最良のブレーキディスクを模索すれば、結局、
材質的な改善によってより耐熱亀裂性、耐金属疲労性、
耐熱変形性の向上を図る冶金的解決手段と、ブレーキデ
ィスクの機能に着目した形状的な改善による意匠的解決
手段とに帰結する。

【０００６】このうち、冶金的な方向からの解決を目指
す動きは、最も代表的なブレーキディスク材として旧国
鉄の在来線および新幹線の車両に適用されてきた材質に
旧国鉄規格・ＪＲＳ番号１２２０９号−１に基づく普通
鋳鉄（以下「ＦＣ２８０」という）と、同・ＪＲＳ番号
１２２０９−２に基づくＮｉ，Ｃｒ，Ｍｏを適量添加し
た低合金鋳鉄（以下「ＮＣＭ鋳鉄」という）とが挙げら
れるが、これら公知材料をベースとした改善や、全く発
想を転換した別の新規材料の開発も盛んに進められてい
る。

【０００７】なお、新幹線の高速化に伴い新たに提供さ
れるようになった鍛鋼製のブレーキディスクも注目され
る。しかしながら、この場合には疲労強度と耐熱亀裂性
については明らかに鋳鉄系よりも優位に立つことが予想
できる反面、ブレーキ作用中の摩擦係数の不安定さや使
用の繰り返しと共に顕著な累積永久変形が避けられない
ことも容易に推定できるから、ますます高速化する車両
のブレーキディスクとして必ずしも万能であるとは評価
し難い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】今日の鉄道事業の趨勢
を見ると明らかに長距離の列車運行については航空機と
の激しい競合に曝され、一層の高速化、一層の快適性、
一層の安全性が生残るための唯一の手段となり、さらに
車両各部材の消耗更新に伴う運転経費の優劣もＪＲ民営
化への移行と共に重要なキーポイントとなっている。ブ
レーキ操作についても非常停止ブレーキ速度の高速化、
走行性安定化のためのブレーキ操作の多用が進むから使
用条件が苛酷となる上、経済性を重視して取り替え期間
の延長が求められて、苛酷な条件下における耐用期間の
延長という二重の技術的課題に直面した状態にある。

【０００９】このようなブレーキ操作はブレーキディス
クを直撃する熱負荷を増大して摺動面に発生する熱亀裂
の増加に拍車をかけると共に、ブレーキディスクの形状
因子から熱応力が繰り返し集中する部位、すなわち、取
り付け箇所であるボルト締結部などの疲労割れも一層問
題視されるようになった。既に述べたようにブレーキデ
ィスクとして万能と云える材質が現状で見出せない以
上、ブレーキディスクの形状的な構成要件が一層重要視
されるわけであり、その観点に立って最良のブレーキデ
ィスクを創造することが目下の急務であるとされる。

【００１０】ブレーキディスク自体は環状体であり、車
輪の両側面に摺動面を外側へ向けて取り付けることは本
質的な要件であるが、ブレーキディスクの摺動面に発生
する温度上昇は全面が均一であることは期待できず、一
枚の完全な環状体で形成すればこの不均等な温度上昇は
不均等な熱膨張を誘発し、熱応力の発生に繋がるから、
通常は直径方向に二分割乃至五分割して熱応力を緩和す
る形状を採ることが多い。この分割によって熱応力があ
る程度は解放され全体として不均一な変形、特にブレー
キディスクとして最も避けるべき摺動面の反りに対応し
てきたのが現状である。なお環状体を直径方向に二分割
して対称形の半円状とする方式は、工作上のメリットも
多く多用されているが、反面、熱応力の偏在に伴う反り
も大きく現われ易いという課題があり、たとえば五分割
というように分割数を増やすことは、全体としてのアン
バランスな変形（反り）の絶対量を小さく抑える利点は
あるものの、機械加工や取り付け作業が煩瑣に失すると
いう課題が残る。

【００１１】特許第２５７７１８８号公報に開示する従
来技術では、前記の公知の鉄道車両用のブレーキディス
クに倣って道路走行用車両のブレーキディスクを分割す
る方法を要旨とし、従来の一体物に代え２つの部分に分
割する２つの予定分離区域を設け、次いで各予定分離区
域のところでこの区域にまたがる固定装置、たとえばね
じ結合用の内ねじ山を有する少くとも２つの孔によって
形成し、最後にブレーキディスクを予定分離区域のとこ
ろで２つの半円形部分に破断する手順からなる。なお、
この従来技術では図５（Ａ）（Ｂ）のようにブレーキデ
ィスク１００の両面が摺動面１０１Ａ，１０１Ｂを形成
して両面の裏面同士を接続リブ１０２で繋いで放熱用の
フィンを兼ね、締結ボルト１０３で結合リングに固定す
る公知の形状であるが、図５（Ａ）のようにブレーキデ
ィスク１００を直径方向に向けて、すなわち環状体の中
心点を通って分割する場合だけでなく、相互にＶだけず
らして平行に走る分割線１０４Ａ，１０４Ｂで破断させ
て対称的に分割し、ボルト１０５によって相互に離脱し
ない完全円形とする態様も呈示している。

【００１２】このように種々の分割の形態が提案され実
施もされてはいるが、少くとも摺動面に分割線があり、
ブレーキディスクの摺動面が２以上の異なる領域で形成
する以上、どのようにしようともすべての分割領域が均
等に熱負荷を受けることは期待できないし、分割個数が
多いほど熱応力の分散と緩衝が働いて変形（反り）の総
量は減少するとしても、個々の分割片毎の出入の頻度が
高く、低いながらも複雑に入り組んだ起伏を表面に形成
し、遂には分割面が開いたり、段差を生じて摺動面の摩
擦係数の不規則な変動や叩き現象を誘発し、ブレーキの
制動性能を不安定とする上、相手方であるブレーキパッ
ドの急速な摩耗の原因ともなる。

【００１３】本発明は以上の課題を解決するために繰返
し熱応力の直撃に耐えて熱亀裂の発生とその進行を抑止
し、かつ、ブレーキディスクの取付けによる拘束によっ
て集中する繰返し負荷に耐えて金属疲労を発生し難いブ
レーキディスクの提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鉄道車両用
のブレーキディスクは、車両制動時に両側から挟圧する
ブレーキパッド３の摺動面３１と対向する摺動面１１を
外側面とする環状の外リング１と、該外リング１の内周
面と直径方向に対して余裕を以って嵌合すると共に、円
周方向に対しても嵌合して一体的に車輪４に締結される
内リング２よりなることによって耐熱応力性を向上して
前記の課題を解決した。

【００１５】このように基本的に本発明のブレーキディ
スクの摺動面には一切の分割面が形成されていないこと
が機能上の大きな特徴であり、摺動面が全体として均一
に急熱、急冷を受けるわけではなく、したがって不均等
な熱膨張のために熱応力が発生することは従来技術と変
りはないが、その応力は内径側に嵌合する内リング２と
の間の余裕、すなわちある範囲で意図的に設定された隙
間によって吸収され解放される。一方車輪と締結して強
く拘束される内リング２へは摺動面からの熱応力が直接
伝播しないから、取付け用のボルト・ナット部が挿通さ
れた取付け箇所に集中していた応力は大幅に緩和され
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態を示す
ブレーキディスク１０の組立後の断面図であり、図２は
外リング１、図３は内リング２をそれぞれ示す。各図に
おいて、外リング１の摺動面１１の内周側を全周に亘っ
て刻設した嵌合溝１２によって環状の突条１３で形成
し、該突条１３を円周方向に均等に配分して直径側へ前
記嵌合溝１２と同深のキー溝１４を複数箇所刻設する一
方、内リング２の外周側を前記嵌合溝１２へ余裕を以っ
て嵌合する嵌合突条２１と、前記キー溝１４へ嵌合する
キー２２で形成したことが望ましい形態として推奨に価
する。

【００１７】さらに具体的に実施例として詳細に説明す
れば、図１（Ａ）は外リング１と内リング２をセットし
た組立て後におけるキー溝１４における縦断面図、同
（Ｂ）はボルト孔２４を穿孔した位置における縦断面図
である。そして図２（Ａ）は外リング１の摺動面１１側
から見た平面図、同（Ｂ）は図（Ａ）におけるａ−ａ断
面図、同（Ｃ）は図（Ａ）におけるｂ−ｂ断面図であ
り、図３（Ａ）は図１のように内外リングを嵌合したと
き外リングの摺動面１１側に続く面から見た内リング２
の平面図（Ａ）、同図（Ｂ）および（Ｃ）はそれぞれ同
図（Ａ）におけるａ−ａ断面図、ｂ−ｂ断面図を示して
いる。

【００１８】外リング１は外径７２０ｍｍのブレーキデ
ィスク１０を摺動面とボルト孔間の直径方向の寸法をほ
ぼ円周方向に二分割した状態の外周側に相当し、車輪側
へ放射状に多数突設した放熱用のフィン１５と、その反
対側でブレーキパッドに対向する摺動面１１よりなるほ
ぼドーナツ形の輪板である。外リング１の内周側は、全
周に亘って摺動面１１から見れば深さ２０ｍｍ、幅１１
ｍｍの嵌合溝１２を刻設し、この凹溝から８ｍｍの段差
を付け、幅１４ｍｍの突条１３で形成されている。さら
に図２（Ａ）のように、この実施例では突条１３を円周
方向に１２等分してそれぞれ幅３０ｍｍ、深さ８ｍｍの
キー溝１４を輪板の中心に向った放射状の方向に刻設
し、キー溝１４の溝底と前記嵌合溝の溝底とは同じレベ
ルで連通している。

【００１９】一方、図３に詳しい内リング２は、ブレー
キディスクの外リング１に嵌合して内周側を形成するも
ので、両部材が嵌合するために外リングの嵌合溝１２、
突条１３と逆転した外周側を形成する。すなわち外周は
高さ７ｍｍ、幅９ｍｍの嵌合突条２１を全周に亘って鍔
状に突設して２ｍｍの余裕（隙間）を以って外リングの
嵌合溝１２内へ遊嵌し直径方向への両部材の連結作用を
果す。さらにこの嵌合突条２１を円周方向に１２等分し
て外リングの前記キー溝１４と一致するそれぞれの位置
（この例では取り付け孔間の中間位置）へ３０ｍｍ幅の
キー溝１４へ嵌合する幅で高さが前記嵌合突条２１と同
一のキー２２を突出して嵌合突条２１によって形成され
た内周側の嵌合溝２３を同レベルで閉塞している。なお
内リングにはピッチサークル径３８５ｍｍ、孔径２８ｍ
ｍのボルト孔２４が１２箇所穿孔され、さらにボルト孔
２４の内周端側へは小さな多数の円弧面を繋いで花弁状
に切り欠き、車両４のボス部に対向している。

【００２０】ブレーキディスクの組立ては外リング１の
内周側のキー溝１４へ内リング２のキー２２を合わせて
被せるように嵌合する。組立てたブレーキディスクは内
リングのボルト孔２４へボルト５を挿通し車輪４にナッ
ト５１によって締結すれば、内外リングの嵌合関係によ
って外リング１は内周の突条１３が内リング２によって
車輪の側面へ押し付けられ車輪へ一体的に固着される。
車両運転時に制動作用が作動し外リングの摺動面１１を
ブレーキパッド３の摺動面３１で両側から挟圧しブレー
キディスクを円周方向へ回動しようとする負荷が急速に
かかっても、円周方向に１２箇所均等に分散して拘束す
るキーの側面がすべて受圧面となって支え、慣性による
回動力を消耗させて車輪は停止する。不均等な熱応力を
吸収し緩衝する内外リングの隙間は本実施例では２ｍｍ
に設定したが、これは車両の制動開始の速度や、制動時
間、車両の重量、ブレーキディスクの材質など諸条件を
綜合的に勘案して算定することは言うまでもない。

【００２１】冒頭にも述べたようにブレーキディスクと
して要求される機能はきわめて苛酷であり、かつ多岐に
及んでいるから一元的な万能の解決手段を見出すことは
至難の業である。本発明では主として形状的な要因に着
目して最高の有効性を求めたものであるが、この技術思
想に成分的な要因を絡み合わせてさらに顕著な結果を期
待することもできる。たとえば外リング１は繰返し熱衝
撃による熱亀裂に耐性を具えた材質で形成し、内リング
２は繰返し熱応力による金属疲労に耐性を具えた材質で
形成した実施の形態も有効である。具体的な材質として
は既に公知でありブレーキディスク材として広く汎用化
している前記のＮＣＭ鋳鉄や、これをベースとした改良
材、またはＦＣ２８０およびその改良材である鋳鉄系を
外リングとし、内リングには金属疲労に耐性の高い低合
金鋼を組合わせてもよく、またはＡｌ系、Ｍｇ系、Ｔｉ
系などの多元高力非鉄合金同士の組合せなど、その選択
の幅はきわめて広範囲に及ぶから、本発明の主旨と重ね
合わせて理想に近いブレーキディスクの開発も期待でき
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上に述べた通り摺動面に分割
面がなく、したがって不均等な急熱によって継ぎ目の段
差が生じるという過去の課題を解決し、ブレーキディス
ク自体とその対向する摺動面からなるブレーキパッドの
異常摩耗を防止し、耐用期間を延長して厳しい経済的な
要求を満たす効果が認められる。加えて熱負荷の大きい
摺動面を車輪への固着取付け部から分離し、かつ負荷の
伝播を途中で吸収し緩和するゾーンを環状に介在させた
から、取付け部へ直接応力が集中する機構が中断され、
取付け部へ繰返し負荷する応力に基因する金属疲労の懸
念も格段に少くなった。このことはブレーキディスクに
求められる性格の異なった重要な２要件を同時に満足さ
せることとなり、摺動面の熱亀裂と取付け部の金属疲労
をそれぞれ考慮した成分や組織などの最良の組合せも可
能であり、本発明の派生的効果として看過し難い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の組立後のブレーキディスク
の異なる位置における２ケ所の縦断面図を（Ａ）（Ｂ）
にて示す。

【図２】同形態の外リングの平面図（Ａ）と、該（Ａ）
におけるａ−ａ断面図（Ｂ）、およびｂ−ｂ断面図
（Ｃ）である。

【図３】同形態の内リングの平面図（Ａ）と、該（Ａ）
におけるａ−ａ断面図（Ｂ）、およびｂ−ｂ断面図
（Ｃ）である。

【図４】従来技術のブレーキディスクの取付け状態（使
用状態）を示す縦断面図である。

【図５】別の従来技術の正面図（Ａ）と縦断面図（Ｂ）
である。

【符号の説明】

１ 外リング ２ 内リング ３ ブレーキパッド ４ 車輪 ５ ボルト ６ 車軸 １０ ブレーキディスク １１ 摺動面 １２ 嵌合溝 １３ 突条 １４ キー溝 １５ フィン ２１ 嵌合突条 ２２ キー ２３ 嵌合溝 ２４ ボルト孔 ３１ 摺動面 ５１ ナット

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鉄道車両の車輪の両側面に装着するブレ
   ーキディスクにおいて、車両制動時に両側から挟圧する
   ブレーキパッド３の摺動面３１と対向する摺動面１１を
   外側面とする環状の外リング１と、該外リング１の内周
   面と直径方向に対して余裕を以って嵌合すると共に、円
   周方向に対しても嵌合して一体的に車輪４に締結される
   内リング２よりなることを特徴とする耐熱応力に優れた
   ブレーキディスク。
2. 【請求項２】 請求項１において、外リング１の摺動面
   １１の内周側を全周に亘って刻設した嵌合溝１２によっ
   て環状の突条１３を形成し、該突条１３を円周方向に均
   等に配分して直径方向へ前記嵌合溝１２と同深のキー溝
   １４を複数箇所刻設する一方、内リング２の外周側を前
   記嵌合溝１２へ余裕を以って嵌合する嵌合突条２１と、
   前記キー溝１４へ嵌合するキー２２で形成したことを特
   徴とする耐熱応力に優れたブレーキディスク。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、外リング１
   は繰返し熱衝撃による熱亀裂に耐性を具えた材質で形成
   し、内リング２は繰返し熱応力による金属疲労に耐性を
   具えた材質で形成したことを特徴とする耐熱応力に優れ
   たブレーキディスク。