JP7269063B2 - brake disc - Google Patents
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Description
本発明は、鉄道車両などの車両に用いるブレーキディスクに関し、特に、制動中の摩擦熱によって、その締結用ボルトに生じる応力を低減する技術に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a brake disc used in a vehicle such as a railway vehicle, and more particularly to a technique for reducing stress generated in fastening bolts due to frictional heat during braking.
鉄道車両、自動車などの制動に用いられるディスクブレーキは、車軸や車輪とともに回転するブレーキディスクにブレーキパッドを押し付けて制動力を発生させ、これにより車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御することが知られている。 Disc brakes used for braking railway vehicles and automobiles generate braking force by pressing brake pads against brake discs that rotate with axles and wheels, thereby braking the rotation of axles or wheels to control vehicle speed. known to do.
新幹線などの高速鉄道車両は、高速化が推進されて時速300kmを超える速度での運転が行われている。 High-speed railway vehicles such as bullet trains are being driven at speeds exceeding 300 km/h as speed increases are being promoted.
特許文献1のブレーキディスクでは、締結部と非締結部の合計体積の比を規定し、一部にひずみが集中するのを防いで、反りやうねりを抑制するようにしている。
In the brake disc of
特許文献2では、ブレーキディスクの内外周における車輪との接触位置と締結孔との位置関係を適正化することにより、ボルトへの曲げ負荷を低減し、ボルトの耐久性を確保するようにしている。
In
また、特許文献3のブレーキディスクでは、その表面側を摺動面とするドーナツ形の円板部と、この円板部の裏面に放射状に突設された複数の放射状フィン部と、円板部及び放射状フィン部を貫通するボルト孔とを設け、ボルト孔に挿通されたボルトによる締結により、放射状フィン部が車輪の板部に圧接した状態で円板部が車輪に取り付けられるようにしている。この放射状フィン部には、ボルト孔を間に挟む径方向の内周側の領域と外周側の領域に、円周方向に沿って溝を形成することにより、制動時の冷却性能を向上させブレーキディスクの耐久性を向上させるようにしている。
Further, in the brake disc of
例えば、特許文献1~3のようなブレーキディスクによれば、高速走行状態から非常ブレーキをかける場合においては、ブレーキディスクの熱膨張に伴う変形、及びそれによる締結用ボルトへの応力負荷が増大する傾向にある。
For example, according to the brake discs disclosed in
このように、ブレーキディスクでは、発生する熱応力に対処する方法が明記されているが、締結用ボルトに発生する応力を更に低減することでボルトの耐久性を向上させることができる。 In this way, brake discs specify a method for coping with the thermal stress that occurs, but the durability of the bolt can be improved by further reducing the stress that occurs in the fastening bolt.
本発明は、上記の問題に着目し、制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を更に低減できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to further reduce the stress generated in the fastening bolts of the brake disc due to frictional heat during braking.
上記の目的を達成するために、この発明では、摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を抑制するようにした。 In order to achieve the above object, the present invention suppresses the stress generated in the fastening bolts of the brake disc due to frictional heat.
具体的には、第1の発明では、
表面側を摺動面とするドーナツ形円板状の板部と、
上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に延びるように突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結用ボルトを挿通して車輪に締結される複数のボルト締結用フィン部とを備え、
上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において上記車輪の当接面との間に応力回避用隙間が形成されている。
Specifically, in the first invention,
A doughnut-shaped disk-shaped plate portion having a sliding surface on the surface side;
a plurality of bolt fastening fins projecting from the rear surface of the plate portion so as to extend radially at intervals, and fastened to the wheel by inserting fastening bolts into bolt insertion holes provided in the middle in the longitudinal direction; with
A stress avoidance gap is formed between the bolt fastening fin portion and the contact surface of the wheel on the radially inner side or the radially outer side of the bolt insertion hole.
すなわち、摩擦熱によってブレーキディスクは車輪と反対側へ膨らむように変形しようとするので、車輪の当接面との接触点を起点にして締結用ボルトを引っ張る方向に応力が加わる。しかし、上記の構成によると、ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において車輪の当接面との間に応力回避用隙間を意図的に確保しているので、ブレーキディスクが摩擦熱によって変形しても、この応力回避用隙間のある部分は、ボルト貫通孔に近い部分しか車輪に当接せず、締結用ボルトに対して引っ張り荷重を加える力を発生させにくくなる。このため、締結用ボルトの耐久性が向上する。 That is, the frictional heat causes the brake disc to be deformed so as to swell to the side opposite to the wheel, so stress is applied in the direction of pulling the fastening bolt starting from the point of contact with the contact surface of the wheel. However, according to the above configuration, the stress avoidance gap is intentionally secured between the contact surface of the wheel on the radially inner side or the radially outer side of the bolt insertion hole, so that the brake disc is deformed by frictional heat. However, only the portion near the bolt through-hole abuts against the wheel in the portion with the stress avoidance gap, making it difficult to generate a force that applies a tensile load to the fastening bolt. Therefore, the durability of the fastening bolt is improved.
第2の発明では、第1の発明において、
上記板部の裏面に上記複数のボルト締結用フィン部の間に間隔を空けて放射状に延びるように突設され、上記車輪の当接面に対して半径方向略全体が当接する複数の放射状フィン部を更に備えている。
In the second invention, in the first invention,
A plurality of radial fins projecting from the back surface of the plate portion so as to radially extend at intervals between the plurality of bolt fastening fin portions, and substantially entirely in contact with the contact surface of the wheel in the radial direction. It also has a part.
上記の構成によると、放射状フィン部によって締結用ボルトに負担をかけずに車輪の当接面との間の面圧等を確保しやすく、放熱効果も向上させやすい。 According to the above configuration, the radial fin portion easily secures the contact pressure between the fastening bolt and the contact surface of the wheel, etc. without imposing a burden on the fastening bolt, and the heat dissipation effect is also easily improved.
第3の発明では、第1又は第2の発明において、
上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の中心から半径方向内側に20mm以上35mm以下に端部が配置され、又は、半径方向外側に15mm以上35mm以下に端部が配置されている。
In a third invention, in the first or second invention,
The bolt fastening fin portion has an end portion arranged radially inwardly from the center of the bolt insertion hole by 20 mm or more and 35 mm or less, or an end portion is arranged radially outwardly by 15 mm or more and 35 mm or less.
上記の構成によると、最適な範囲に応力回避用隙間を設けることで、従来のように半径方向全体でボルト締結用フィン部が車輪に当接する場合に比べ、適切に締結用ボルトに加わる応力を低減することができる。 According to the above configuration, by providing the stress avoidance gap in the optimum range, the stress applied to the fastening bolt can be appropriately reduced compared to the conventional case where the bolt fastening fin portion abuts on the wheel in the entire radial direction. can be reduced.
以上説明したように、本発明によれば、ボルト締結用フィン部におけるボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において車輪の当接面との間に応力回避用隙間を形成したことにより、制動中の摩擦熱によるブレーキディスクの締結用ボルトに発生する応力を低減できる。 As described above, according to the present invention, the stress avoidance gap is formed between the contact surface of the wheel on the radially inner side or the radially outer side of the bolt insertion hole in the bolt fastening fin portion, thereby improving the braking performance. It is possible to reduce the stress generated in the fastening bolts of the brake disc due to the frictional heat inside.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1~図4は、本発明の実施形態に係る鉄道車両用のブレーキディスク1を示し、このブレーキディスク1は、鉄道車両の車輪20の円板部20aの表裏両面に、例えば締結用ボルトとしての締結用ボルト21と締結用ナット22とによってそれぞれ着脱可能に取り付けられるものである。ブレーキディスク1は、例えば、鋳鋼よりなる。
1 to 4 show a
ブレーキディスク1は、表面側(外側面側)を摺動面とする、中央に円形開口が設けられたドーナツ形板状の板部1aを備えている。この板部1aの裏面(内側面)には、互いに間隔を空けて複数のボルト締結用フィン部2が一体に突設されている。各ボルト締結用フィン部2の長手方向中間に設けたボルト挿通孔2aに締結用ボルト21を挿通して締結することで、ブレーキディスク1が車輪20に締結されるようになっている。本実施形態では、30°ずつ間隔を空けて合計12本のボルト締結用フィン部2が設けられている。なお、この本数は、12本に必ずしも限定されず、多くても少なくてもよい。
The
本実施形態では、一対のボルト締結用フィン部2の間に例えば1本ずつ、合計12本の放射状フィン部3が放射状に延びるように円板部20aに一体に突設されている。放射状フィン部3の太さは、ボルト締結用フィン部2の太さと同等としているが、ボルト締結用フィン部よりも細くても太くてもよい。また、その本数は本実施形態に必ずしも限定されず、多くても少なくてもよく、放射状フィン部3は無くてもよい。なお、放射状フィン部3があると、締結用ボルト21に負担をかけずに車輪20の当接面との間の面圧等を確保しやすく、放熱効果も向上させやすい。
In this embodiment, a total of 12
なお、板部1aの裏面には、ボルト締結用フィン部2の円周方向両側に所定の傾斜角度をもって傾斜フィン部をそれぞれ突設してもよい。
Incidentally, on the back surface of the
そして、一対のブレーキディスク1は、図3に示すように、車輪20の円板部20aを、その厚さ方向両側から挟み込んだ状態で、ボルト挿通孔2aに挿通した締結用ボルト21に締結用ナット22を締結することで、車輪20に脱着可能に固定されるようになっている。
As shown in FIG. 3 , the pair of
本実施形態では、図1に拡大して示すように、この車輪20に固定した状態で、ボルト締結用フィン部2を、ボルト挿通孔2aの半径方向内側において車輪20の当接面との間に応力回避用隙間5を形成するようにしている。
In this embodiment, as shown in an enlarged view in FIG. 1, the bolt fastening
図3に拡大して示すように、内周側先端位置x1よりも内側に設けた応力回避用隙間5においては、ボルト締結用フィン部2は、円板部20aに一切当接していない。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the bolt fastening
すなわち、摩擦熱によってブレーキディスク1は車輪20と反対側へ膨らむように変形しようとするので、車輪20の円板部20aの当接面との接触点を起点にして締結用ボルト21を引っ張る方向に応力が加わる。
That is, since the
しかし、本実施形態では、図3に拡大して示したように、ボルト挿通孔2aの半径方向内側において円板部20aの当接面との間に応力回避用隙間5を意図的に確保しているので、ブレーキディスク1が摩擦熱によって変形しても、この応力回避用隙間5のある部分は、ボルト貫通孔2aに近い部分しか車輪に当接せず、締結用ボルト21に対して引っ張り荷重を加える力を発生させにくくなる。このため、締結用ボルト21の耐久性が向上する。
However, in this embodiment, as shown enlarged in FIG. 3, a
-実施例1-
上記実施形態のブレーキディスク1で、車輪径860mm、ブレーキディスク1の外径720mmを実施例1として想定する。実施例1では、内周側先端位置x1をx1=15mm~40mmとして応力回避用隙間5を設ける場合を想定した。
-Example 1-
In the
比較例1として、同じサイズで、ボルト締結用フィン部2も放射状フィン部3と同様に半径方向略全体で車輪20の円板部20aの当接面に当接するブレーキディスク101を想定する。締結用ボルト21は軸部直径16mmのものを用い、初期締付として370MPaを付与した条件で解析を実行した。
As Comparative Example 1, a brake disc 101 having the same size and having the bolt
これらの実施例1及び比較例1を有する車両が速度300km/hから非常ブレーキを1回制動させたときに締結用ボルト21に発生するときに得られる応力を有限要素法で解析した結果を図5に示す。
Fig. 10 shows the result of analysis by the finite element method of the stress generated in the
図5における「最大」とは、制動時にボルトに発生する最大応力を表し、「変動応力」とは制動時に締結用ボルトに発生した応力振幅を示す。 "Maximum" in FIG. 5 represents the maximum stress generated in the bolt during braking, and "fluctuating stress" represents the stress amplitude generated in the fastening bolt during braking.
この解析結果では、内周側先端位置x1が特にx1=20mm~35mmの場合に比較例1と比べて最大応力及び変動応力が3.5%以上低減されることが判明した。 This analysis result revealed that the maximum stress and the fluctuating stress were reduced by 3.5% or more compared to Comparative Example 1, especially when the inner circumference side tip position x1 was 20 mm to 35 mm.
-実施例2-
実施例2としては、上記実施例1と同じサイズのブレーキディスク1,101を用い、解析ではなく、実物大のブレーキディスク1,101である実施例2及び比較例2を用いて内周側先端位置x1=35mmの場合についてベンチ試験を行った。その結果を図6に示す。
-Example 2-
In Example 2,
図6を見てわかるように、ベンチ試験においても解析と同様に最大応力及び変動応力について削減効果があることがわかった。 As can be seen from FIG. 6, it was found that the maximum stress and fluctuating stress were reduced in the bench test as well as in the analysis.
-実施例3-
実施例3としては、上記実施形態とは異なり、図8に示すようにボルト締結用フィン部2’の半径方向外側のx3=15mm~40mmに端部を設けて応力回避用隙間5’を形成したブレーキディスク1’について解析を行った。
-Example 3-
In Example 3, unlike the above embodiment, as shown in FIG. 8, a stress avoiding gap 5' is formed by providing an end portion at x3=15 mm to 40 mm radially outward of the bolt fastening fin portion 2'. An analysis was performed on the brake disc 1'.
具体的には、車輪径860mm、ブレーキディスク1の外径720mmで、外周側先端位置x3を変更したものを実施例3として想定した。比較例1と同様のブレーキディスクを比較例3として比較した結果を図7に示す。
Specifically, Example 3 was assumed to have a wheel diameter of 860 mm, an outer diameter of the
図7に示すように、x3=15mm以上35mm以下で比較例3と比べて最大応力及び変動応力が3.5%以上低減されることが判明した。 As shown in FIG. 7, it was found that the maximum stress and the fluctuating stress were reduced by 3.5% or more compared to Comparative Example 3 when x3=15 mm or more and 35 mm or less.
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。 The above embodiments are essentially preferable examples, and are not intended to limit the scope of the present invention, its applications, or uses.
例えば、実施例1及び2では、半径方向内側にのみ応力回避用隙間5を形成し、実施例3では、半径方向外側にのみ応力回避用隙間5’を形成したが、半径方向内側及び外側に応力回避用隙間5,5’を形成してもよい。
For example, in Examples 1 and 2, the
1 ブレーキディスク
1a 板部
2,2’ ボルト締結用フィン部
2a ボルト挿通孔
3 放射状フィン部
5,5’ 応力回避用隙間
20 車輪
20a 円板部
21 締結用ボルト
22 締結用ナット
1 brake disc
1a plate
2, 2' bolt fastening fins
2a bolt insertion hole
3 radial fins
5,5' stress avoidance clearance
20 wheels
20a disk part
21 fastening bolt
22 fastening nut
Claims (1)
上記板部の裏面に互いに間隔を空けて放射状に延びるように突設され、長手方向中間に設けたボルト挿通孔に締結用ボルトを挿通して車輪に締結される複数のボルト締結用フィン部とを備え、
上記ボルト締結用フィン部は、上記ボルト挿通孔の半径方向内側又は半径方向外側において上記車輪の当接面との間に応力回避用隙間が形成されており、
上記板部の裏面に上記複数のボルト締結用フィン部の間に間隔を空けて放射状に延びるように突設され、上記車輪の当接面に対して半径方向略全体が当接する複数の放射状フィン部を更に備えている
ことを特徴とするブレーキディスク。 A doughnut-shaped disk-shaped plate portion having a sliding surface on the surface side;
a plurality of bolt fastening fins projecting from the rear surface of the plate portion so as to extend radially at intervals, and fastened to the wheel by inserting fastening bolts into bolt insertion holes provided in the middle in the longitudinal direction; with
A stress avoidance gap is formed between the bolt fastening fin portion and the contact surface of the wheel on the radially inner side or the radially outer side of the bolt insertion hole ,
A plurality of radial fins projecting from the back surface of the plate portion so as to radially extend at intervals between the plurality of bolt fastening fin portions, and substantially entirely in contact with the contact surface of the wheel in the radial direction. furthermore has a part
A brake disc characterized by:
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JP2006009862A (en) | 2004-06-23 | 2006-01-12 | Sumitomo Metal Ind Ltd | Brake disk for rolling stock |
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