JP2010270802A

JP2010270802A - ブレーキディスク

Info

Publication number: JP2010270802A
Application number: JP2009121560A
Authority: JP
Inventors: Yukio Murata; 幸雄村田; Hideaki Takahashi; 秀明高橋; Hideyuki Hasegawa; 英之長谷川
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】アルミニウム合金基複合材料製の表層部３ｂの内周縁に亀裂等の損傷が発生しにくい構造を実現する。
【解決手段】前記表層部３ｂの内周縁形状を、曲率半径が互いに異なる第一、第二の部分円弧７、８を連続させて成る複合円弧形状とする。そして、曲率半径が大きい前記各第一の部分円弧７、７の円周方向中央部位置と各切り欠き部４、４の円周方向中央部位置とを互いに一致させる。又、曲率半径が小さい前記各第二の部分円弧８、８の円周方向中央部位置と各取付部５、５の円周方向中央部位置とを互いに一致させる。更に、これら各第一、第二の円弧７、８の端部同士を滑らかに連続させる。この構成により、制動時に、前記表層部３ｂの内周縁のうちで、前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９に隣接する部分に生じる引っ張り応力及び熱応力を低減して、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

この発明は、新幹線等の高速鉄道車両及び在来線を含む鉄道車両一般に於いて、制動装置を構成するブレーキディスクの改良に関する。

高速鉄道車両用のブレーキディスクとして従来から、例えば特許文献１〜３に記載されている様な、アルミニウム合金製で、ブレーキパッドと擦れ合う外径寄り部分の軸方向側面部分をセラミックの粒子と繊維とのうちの少なくとも一方を含む複合材料製とした、複合型の構造が考えられている。この様な複合型のブレーキディスクは、耐摩耗性（耐久性）を確保しつつ軽量化を図れる為、近年、鋳鉄製のブレーキディスクに代わって使用する事が検討されている。図５〜６は、この様な複合型のブレーキディスク１のうち、特許文献１に記載された従来構造を示している。

前記ブレーキディスク１は、アルミニウム合金製の本体部２と、アルミニウム合金をマトリックス材とし、これに炭化珪素（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等のセラミックスの粒子又は繊維、若しくはその両方（これらを総称してセラミックス材とする。本明細書及び特許請求の範囲全体で同じ。）を分散配合したアルミニウム合金基複合材料製の表層部３とを有し、全体を円輪状としている。この様なブレーキディスク１を造る為に特許文献１に記載された製造方法の場合には、予め前記表層部３となるべき円輪状の素材を、アルミニウム合金基複合材料により形成して中間素材とする。そして、この中間素材を、前記本体部２を鋳造（ダイキャスト成形を含む。本明細書及び特許請求の範囲全体で同じ。）する為のキャビティ内に設置した状態で、このキャビティ内にアルミニウム合金の溶湯を送り込む。或は、特許文献２、３に記載した様に、セラミックス材を円輪状に成形したものをキャビティ内に設置した状態で、このキャビティ内に溶湯を送り込む事により造る場合もある。

従来から知られている複合型のブレーキディスクは、何れの製造方法により造られるものも、前記表層部３の形状は、内外両周縁が何れも、互いに同心の正円形である。一方、前記本体部２の内径寄り部分の形状に関しては、図５に示した特許文献１に記載された形状よりも、図７に示した、特許文献２、３に記載された様な形状とする事が、熱応力を低下させる面からも、軽量化の面からも有利である。これら特許文献２、３に記載されたブレーキディスク１ａの本体部２ａの内周縁部分には、それぞれ複数ずつの切り欠き部４、４と取付部５、５とを、円周方向に交互に配置している。これら各切り欠き部４、４の形状は、奥部の曲率半径が大きく、両側部分の曲率半径が小さく、開口部の幅が狭い、巾着状としている。又、前記取付部５、５にはそれぞれ、次述するボルト（図示省略）を挿通する為の通孔６、６を形成している。

前記図７に示した形状を有するブレーキディスク１ａの使用状態では、一対のブレーキディスク１ａにより鉄道車両の車輪（図示省略）を軸方向両側から挟持する。そして、この状態で、これら両ブレーキディスク１ａに形成した前記各通孔６、６と、前記車輪に形成した通孔とに挿通したボルトとナットとを螺合し更に締め付ける事で、この車輪の軸方向両側に前記両ブレーキディスク１ａを固定する。この様な図７に示した従来構造の第２例の場合、前記各切り欠き部４、４を形成する事により内径寄り部分に生じる熱応力の低減を図れる事に加えて、これら各切り欠き部４、４を形成する分、前記ブレーキディスク１ａの軽量化を図れる。但し、これら各切り欠き部４、４の奥辺部９、９と表層部３ａの内周縁との距離が近くなる分、耐久性確保の面から不利になる。この点に就いて、以下に説明する。

制動時には、前記ブレーキディスク１ａの表層部３ａにパッドのライニングが押し付けられ、これら表層部３ａとライニングとの摩擦により、制動が行われる。この制動に伴って前記ブレーキディスク１ａに加わるブレーキトルクは、前記各取付部５、５と前記各ボルトとを介して前記車輪に伝わる為、これら各取付部５、５には、この車輪の回転方向に大きな力が加わる。そして、この力に基づいて、前記各切り欠き部４、４の周縁部、特に、これら各切り欠き部４、４の奥辺部９、９部分には大きな引っ張り応力が発生し、この引っ張り応力が、前記表層部３ａの内周縁部分にも加わる。又、制動時に前記ライニングと摩擦する前記表層部３ａが著しく温度上昇するのに対して、摩擦しない内径寄り部分の温度上昇は限られたものに止まる。この結果、前記ブレーキディスク１ａの外径側部分と内径側部分との間に大きな温度差が生じる。そして、熱膨張した外径側部分が内径側部分を引っ張る為、前記各奥辺部９、９に大きな熱応力が、引っ張り応力として発生する。この引っ張り応力の大きさは、前記各切り欠き部４、４を形成しない場合に最も引っ張り応力が大きくなる部分の値よりも低く抑えられるにしても、依然として大きな値になる。前記表層部３ａは、単なるアルミニウム合金に比べて粘りが少ない（靱性が小さい）材料である、アルミニウム合金基複合材料製である為、上記引っ張り方向応力に基づいて亀裂等の損傷が発生し易い。

本発明は、上述の様な事情に鑑みて、熱応力の低減及び軽量化の面から有利な、本体部２ａの内周縁部分にそれぞれ複数ずつの切り欠き部４、４と取付部５、５とを円周方向に交互に配置した構造でも、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３ａに亀裂等の損傷が発生しにくい構造を実現すべく発明したものである。

本発明のブレーキディスクは、前述の特許文献２、３に記載される等により従来から知られているブレーキディスクと同様に、外径寄り部分の軸方向側面を摩擦面とし、内周縁部分に、それぞれ複数ずつの切り欠き部と取付部とを円周方向に交互に配置して成る。
そして、セラミックス材をアルミニウム合金中に分散させたアルミニウム合金基複合材料製の表層部により前記摩擦面部分を構成すると共に、この摩擦面以外の部分をアルミニウム合金製としている。

特に、本発明のブレーキディスクに於いては、前記表層部の内周縁形状を、曲率半径が互いに異なる複数種類の部分円弧を連続させて成る複合円弧形状としている。そして、円周方向に関する位相が前記各切り欠き部に一致する部分の曲率半径を、同じく前記各取付部に一致する部分の曲率半径よりも大きくしている。

上述の様に構成する本発明によれば、熱応力を低減でき、且つ、軽量で、しかも充分な耐久性を確保できるブレーキディスクを実現できる。
即ち、制動時に各切り欠き部の奥辺部に、前述した機構により、熱応力が引っ張り応力として加わるが、靱性の低い表層部の内周縁部のうち、これら各切り欠き部の奥辺部に近接する部分の曲率半径が大きい為、この内周縁部に加わる引っ張り応力を低く抑えられる。この為、前記表層部に、亀裂等の損傷を発生しにくくして、この表層部を含むブレーキディスクの耐久性を十分に確保できる。

本発明の実施の形態の１例を示す斜視図。図１の左上部拡大図。表層部を設置した外側面側から見た正投影図。図３の右上部拡大図。従来構造の第１例を示す部分正投影図。図５の下から見た断面図。従来構造の第２例を示す半部正投影図。

図１〜４は、本発明の実施例１を示している。本実施例のブレーキディスク１ｂは、前述の特許文献２、３に記載されて従来から知られているブレーキディスク１ａ（図７）と同様に、アルミニウム合金製の本体部２ｂと、アルミニウム合金基複合材料製の表層部３ｂとを有し、全体を円輪状としている。又、前記本体部２ｂの内周縁部分には、それぞれ６箇所ずつの切り欠き部４、４と取付部５、５とを、円周方向に交互に配置している。これら各切り欠き部４、４の形状は、奥部の曲率半径が大きく、両側部分の曲率半径が小さく、開口部の幅が狭い、巾着状としている。又、前記取付部５、５には、それぞれボルトを挿通する為の通孔６、６を形成している。前記本体部２ｂのうちで前記各切り欠き部４、４に外接する部分には、段差部１０を形成している。前記ブレーキディスク１ｂのうちで前記表層部３ｂを設けた側面部分の高さは、前記段差部１０の内径側よりも外径側で高くなっている。

特に、本例のブレーキディスク１ｂの場合には、前記表層部３ｂの内周縁の形状を、正六角形を外径側に膨らませて、各辺と各角部とを凸円弧とした如き形状としている。即ち、この表層部３ｂの内周縁を、曲率半径が互いに異なる２種類の部分円弧、即ち、曲率半径が大きい第一の部分円弧７、７と、曲率半径が小さい第二の部分円弧８、８とを円周方向に交互に連続させて成る、複合円弧形状としている。このうちの第一の部分円弧７、７の曲率半径は、前記表層部３ｂの表面積（パッドのライニングの摩擦面積）を確保できる限り、言い換えれば、前記各第二の部分円弧８、８の頂部の位置が、前記ブレーキディスク１ｂの径方向に関して過度に外径側に偏らない範囲（前記表層部３ｂの最小幅Ｗ_min を確保できる範囲）で、できる限り大きくする。

これに対して、前記各第二の部分円弧８、８の曲率半径の最小値は特に問わないが、前記各第一円弧７、７の円周方向端部と前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９との距離を確保できる範囲で、できる限り大きくする事が好ましい。尚、前記各第一円弧７、７の円周方向端部と前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９との距離を確保する事は、制動時に前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９に発生する引っ張り応力を、曲率半径が大きな前記各第一円弧７、７の範囲内に止める為に必要である。逆に言えば、前記引っ張り応力が、曲率半径が小さな前記各第二円弧８、８部分に影響を及ぼさない様にする為である。又、これら各第二の部分円弧部８、８の内径側に存在する、アルミニウム合金製の本体部２ｂの容積を確保し、これら各第二の部分円弧部８、８部分の熱を逃がし易くする面からも、前記距離を確保する事は重要である。

上述の様な表層部３ｂと前記本体部２ｂとは、図示の様に、曲率半径が大きい第一の部分円弧７、７の円周方向中央部位置と前記各切り欠き部４、４の円周方向中央部位置とを互いに一致させ、曲率半径が小さい第二の部分円弧８、８の円周方向中央部位置と前記各取付部５、５の円周方向中央部位置とを互いに一致させた状態で組み合わせている。そして、前記第一、第二の円弧７、８の端部同士を滑らかに連続させている。尚、前記本体部２ｂのうち、前記各取付部５、５の外径側で、且つ、前記段差部１０よりも外径側に位置する部分は、前記表層部３ｂと同一平面上に存在する。

上述の様に構成する本例の構造によれば、熱応力を低減でき、且つ、軽量で、しかも充分な耐久性を確保できるブレーキディスク１ｂを実現できる。
即ち、制動時に前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９に、前述した機構により熱応力が、引っ張り応力として加わる。そして、この引っ張り応力に基づいて、前記各奥辺部９、９、並びに、前記表層部３ｂの内周縁部のうちでこれら各奥辺部９、９に隣接する部分が、直線状に引っ張り延ばされたり、熱膨張により周方向に伸長する傾向になる。この様な傾向となるのに対して本実施例の構造の場合には、前記表層部３ｂの内周縁部のうちで前記各切り欠き部４、４の奥辺部９、９に近接する部分が、曲率半径が大きい、前記各第一円弧７、７である。円弧形状部分に引っ張り方向の力が加わった場合、当該部分に生じる引っ張り応力は、この部分の曲率半径が小さい程大きくなる。本実施例の場合には、前記各奥辺部９、９に隣接する部分が前記各第一円弧７、７である為、この内周縁部に加わる引っ張り応力を低く抑えられる。この為、前記表層部３ｂに、亀裂等の損傷が発生しにくくして、この表層部３ｂを含む前記ブレーキディスク１ｂの耐久性を充分に確保できる。尚、この表層部３ｂの厚さは、例えば前記特許文献３に記載されている様に、外径側程大きくする事が、前記表層部３ｂの内周縁部に加わる熱応力をより緩和する面からは好ましい。

本発明を実施する場合に、アルミニウム合金基複合材料製の表層部と、アルミニウム合金製の本体部とを結合する為の方法は特に問わない。前述の特許文献１に記載されている様に、予め加工しておいた表層部を本体部の鋳造時にこの本体部と結合する様にしても、或は、前述の特許文献２、３に記載されている様に、この本体部の鋳造と同時に、アルミニウム合金基複合材料製の表層部を造る事もできる。
又、ブレーキディスクの軸方向両側面のうち、車輪の側面と対向する面（表層部を設けていない内側面）の形状は特に問わない。一般的には、特許文献２、３に記載されている様に、多数のフィンを放射状に形成する事が好ましい。

１、１ａ、１ｂブレーキディスク
２、２ａ、２ｂ本体部
３、３ａ、３ｂ表層部
４切り欠き部
５取付部
６通孔
７第一の部分円弧
８第二の部分円弧
９奥辺部
１０段差部

特開平９−５３６６９号公報特開２００６−３２８４７４号公報特開２００６−３２９３１６号公報

Claims

外径寄り部分の軸方向側面を摩擦面とし、内周縁部分に、それぞれ複数ずつの切り欠き部と取付部とを円周方向に交互に配置して成るもので、セラミックス材をアルミニウム合金中に分散させたアルミニウム合金基複合材料製の表層部により前記摩擦面部分を構成すると共に、この摩擦面以外の部分をアルミニウム合金製としたブレーキディスクに於いて、前記表層部の内周縁形状を、曲率半径が互いに異なる複数種類の部分円弧を連続させて成る複合円弧形状とし、円周方向に関する位相が前記各切り欠き部に一致する部分の曲率半径を、同じく前記各取付部に一致する部分の曲率半径よりも大きくした事を特徴とするブレーキディスク。
前記部分円弧の曲率半径が２種類であって、それぞれの部分円弧の数が前記切り欠き部及び前記取付部の数と同じであり、曲率半径が大きい第一の部分円弧の円周方向中央部位置と前記各切り欠き部の円周方向中央部位置とが互いに一致し、曲率半径が小さい第二の部分円弧の円周方向中央部位置と前記各取付部の円周方向中央部位置とが互いに一致しており、これら各第一、第二の円弧の端部同士が滑らかに連続している、請求項１に記載したブレーキディスク。