JP4236506B2

JP4236506B2 - Railway vehicle brake disc and rail vehicle wheel with brake disc

Info

Publication number: JP4236506B2
Application number: JP2003113593A
Authority: JP
Inventors: 誠哉村山; 淳杉崎; 賢治郎上林; 浩靖角南
Original assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Central Japan Railway Co
Current assignee: Akebono Brake Industry Co Ltd; Central Japan Railway Co
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: JP2004316829A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、新幹線等の高速鉄道車両の制動装置を構成する鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪の改良に関し、制動の繰り返しに拘らず亀裂等の損傷が発生しない鉄道車両用ブレーキディスクの実現を図るものである。
【０００２】
【従来の技術】
新幹線等の高速鉄道車両の制動装置を構成する鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪として従来から、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１には、図１３に示す様に、内周縁部で円周方向に関する位相が取付孔３、３の間部分に、切り欠き１０、１０を形成した、鉄道車両用のブレーキディスク１ａが記載されている。この様な特許文献１に記載された構造の場合、上記各切り欠き１０、１０の形状は、単一円弧状であり、これら各切り欠き１０、１０の頂部（奥端部）は、上記各取付孔３、３のピッチ円よりも径方向内方に存在する。
【０００３】
ところで、鉄道車両用の制動装置の作動時間は、自動車用の制動装置の作動時間に比べて遥かに長い。しかも、作動時に摩擦材とブレーキディスクとの摩擦に基づく、単位時間当たりの発熱量も多くなる。従って、鉄道車両用の制動装置を構成するブレーキディスクに制動の繰り返しに伴って加わる応力は、自動車用のブレーキディスクとは異なり、熱膨張、収縮に基づく応力（熱応力）が支配的になる。
【０００４】
図１４は、新幹線等の高速鉄道車両で急制動を行ない、１００秒間で車両を停止させたと仮定した場合に於ける、ブレーキディスクに加わる応力の大きさと経過時間との関係を、応力の種類毎に示している。上記図１４の実線ａが、上記熱応力を、破線ｂが、遠心力に基づく応力を、鎖線ｃが、摩擦材との摩擦に起因するブレーキトルクに基づく応力を、それぞれ示している。この様な図１４から明らかな通り、鉄道車両のブレーキディスクに加わる応力は、熱応力が支配的である。因に、制動の繰り返しに伴ってブレーキディスクに加わる応力の凡その構成比は、上記熱応力が８８％、遠心力に基づく応力が６％、ブレーキトルクに基づく応力が６％である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−８９３８９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示す様な従来の鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪の場合、鉄道車両がより高速化し、制動時にブレーキディスクに加わる応力がより大きくなった場合の、より高い要求性能に対応できない可能性がある。即ち、制動時に上記ブレーキディスクは、摩擦材と摩擦し合う外径側半部が著しく温度上昇するのに対し、この摩擦材と摩擦せず、しかも低温の鉄道車両用車輪２に当接している内径側半部の温度上昇は限られたものとなる。この結果、上記ブレーキディスクの内径側と外径側との間で大きな温度差を生じ、このブレーキディスクの一部に大きな熱応力が発生する。
【０００７】
この様にして生じる大きな熱応力に対し、図１３に示した従来構造の場合には、内周縁部に切り欠き１０、１０を形成しているとは言え、その形状及び形成位置を特に工夫していない為、使用条件が厳しくなると、これら各切り欠き１０、１０の周縁部に、図１５に示す様に、亀裂１８等の損傷を発生する可能性がある。
本発明の鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪は、この様な事情に鑑みて発明したものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪のうち、請求項１に記載した鉄道車両用ブレーキディスクは、アルミニウム又はアルミニウム合金をマトリックス材とする複合材料（アルミニウム又はアルミニウム合金中に、SiＣ、Al₂ Ｏ₃ 等のセラミック粒子或はセラミック繊維等の強化材を分散させた複合材）製で全体を円輪状とされ、内周縁に複数の切り欠きを形成すると共に、円周方向に隣り合う切り欠きの間に取付用のボルトを挿通する為の取付孔を設けている。
【０００９】
特に、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクに於いては、上記各切り欠き及び上記各取付孔の数はそれぞれ６個ずつで、円周方向に亙って等間隔に形成されている。又、このうちの各切り欠きは、その頂部を構成する、全長に亙り曲率半径が一定であってこの曲率の中心が上記各取付孔のピッチ円よりも内径側に存在する第一円弧部と、円周方向端部を構成する、全長に亙り曲率半径が一定の第二円弧部とを滑らかに連続させた複合円弧である。そして、上記第一円弧部を延長した仮想円弧は上記各取付孔を通過し、且つ、上記第一円弧部の曲率半径ｒ₁ に対する上記各第二円弧部の曲率半径ｒ₂ の比ｒ₂ ／ｒ₁ が０．４２〜０．４７である。
【００１０】
又、好ましい構成によれば、請求項２に記載した様に、上記ブレーキディスクの摩擦面と反対側で上記鉄道車両用車輪の側面に対向する部分に、上記アルミニウム又はアルミニウム合金をマトリックス材とする複合材料よりも熱伝導率の大きな材料製の伝熱皮膜を形成している。
【００１１】
更に、請求項３に記載したブレーキディスク付鉄道車両用車輪は、それぞれが請求項１又は請求項２に記載した構成を有する１対の鉄道車両用ブレーキディスクにより鉄道車両用車輪をサンドイッチ状に挟持している。そして、これら各鉄道車両用ブレーキディスクに形成した上記各取付孔と、上記鉄道車両用車輪の一部でこれら各取付孔に整合する６個所に形成した第二の取付孔とに挿通した第一の弾性部材により、少なくとも制動時に上記鉄道車両用ブレーキディスクの熱膨張量が所定値を越えた状態で上記各鉄道車両用ブレーキディスクに、直径方向の弾性を付与している。これと共に、上記第一の弾性部材に上記ボルトを挿通し、このボルトの頭部及びこのボルトに螺合したナットと上記各鉄道車両用ブレーキディスクとの間に第二の弾性部材を挟持して、これら各鉄道車両用ブレーキディスクを上記鉄道車両用車輪の側面に向け弾性的に押し付けている。この構成により、制動に伴うこれら各鉄道車両用ブレーキディスクの熱膨張に基づく、これら各鉄道車両用ブレーキディスクと上記鉄道車両用車輪との間の寸法差を吸収自在としている。
【００１２】
【作用】
上述の様に構成する鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪によれば、制動の繰り返しに伴って各部に加わる熱応力に拘らず、ブレーキディスクに亀裂等の損傷が発生しにくくできる。特に、切り欠きの形状及び形成位置を規制する事により、従来構造の場合に最も強度的に弱い部分であった各取付孔部分に作用する熱応力を抑えられる為、これら各取付孔部分に、上記損傷が発生しにくくできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜７は、請求項１に対応する、本発明の鉄道車両用ブレーキディスクの実施の形態の１例を示している。本例のブレーキディスク１ｂは、アルミニウム合金をマトリックス材とし、これにSiＣを分散配合した複合材料製で、全体を円輪状とされている。本例の場合、上記ブレーキディスク１ｂは、片面（図２、４の上面、図３の下面）の外径側半部を、制動時に摩擦材を押し付ける為の摩擦面１１としている。これに対して上記ブレーキディスク１ｂの内径寄り部分に形成した、後述する凸部１３、１３は、鉄道車両用車輪２（後述する図８〜９参照）の側面に固定できる様に、この側面にがたつきなく突き当て自在な形状としている。
【００１４】
又、本例の場合には、上記ブレーキディスク１ｂの他面外径寄り半部を、それぞれが放射状に形成された凸部と凹部とを円周方向に亙って交互に配置した形状としている。これにより、上記ブレーキディスク１ｂの凸部１３、１３を上記鉄道車両用車輪２の側面に突き当てた状態で、これら両面同士の間（上記凹部と側面との間）に、冷却用の空気が流通自在な通路１４、１４（後述する図８〜９参照）が形成される様にしている。
【００１５】
これに対して上記ブレーキディスク１ｂの内径側半部には、それぞれがこのブレーキディスク１ｂの内周縁に開口する６個の切り欠き１０ａ、１０ａを、円周方向に亙って等間隔に形成している。尚、これら各切り欠き１０ａ、１０ａの一部が、上記摩擦面１１にまで達する事はない。言い換えれば、これら各切り欠き１０ａ、１０ａは、この摩擦面１１よりも内径寄り部分に形成している。又、円周方向に隣り合う上記各切り欠き１０ａ、１０ａ同士の間部分１２、１２に、それぞれ取付用のボルト５、５（後述する図８〜９参照）を挿通する為の取付孔３、３を設けている。
【００１６】
尚、上記鉄道車両用車輪２の側面に対向する上記各間部分１２、１２の片面（図２の下面）で、上記各取付孔３、３を囲む部分には、他の部分よりも突出した、前記凸部１３、１３を形成している。上記ブレーキディスク１ｂを上記鉄道車両用車輪２の側面に添設した状態では、上記各凸部１３、１３が、この側面に突き当たる。この状態では、上記各間部分１２、１２と上記鉄道車両用車輪２の側面との間で上記各凸部１３、１３から外れた部分には、冷却用の空気が流通自在な隙間が形成される。従って、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの存在と相まって、上記両面同士の間に存在する通路１４、１４に冷却用の空気を効率良く流通させる事ができる。
【００１７】
更に、上記各切り欠き１０ａ、１０ａを軸方向から見た形状は、これら各切り欠き１０ａ、１０ａの頂部（最も奥まった部分で、図示の場合には円周方向に関して中央部）を含む円周方向中間部分を構成する第一円弧部１５の両端部と、円周方向両側部分を構成する第二円弧部１６、１６の端部とを滑らかに連続させた複合円弧である。そして、これら第一円弧部１５と第二円弧部１６、１６との曲率半径ｒ ₁ 、ｒ ₂ を、上記各切り欠き１０ａ、１０ａ並びに上記各取付孔３、３の形成位置との関係で、次の様に規制している。尚、上記第一、第二両円弧部１５、１６の曲率半径ｒ ₁ 、ｒ ₂ は、次述する図５、６から明らかな通り、それぞれの全長に亙り一定である。
【００１８】
先ず第一に、上記第一円弧部１５を上記各切り欠き１０ａ、１０ａ外にまで延長した仮想円弧は、上記各取付孔３、３を通過する（横切る）様にしている（第一の条件）。この点に就いて、図５により説明する。この図５には、上記各第二円弧部１６、１６の曲率半径ｒ₂ を一定としたまま上記第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ を種々変えた場合に於ける、この第一円弧部１５を延長した場合に得られる仮想円弧の５例を示している。この様な図５に示した５本の仮想円弧のうち、左側２本の仮想円弧は、上記取付孔３を通過しない。これに対して、右側３本の仮想円弧は、この取付孔３を通過する。従って、この右側３本の仮想円弧は、上記第一の条件を満たし、本発明の技術的範囲に属し得るが、左側２本の仮想円弧は、この第一の条件を満たさず、本発明の技術的範囲からは外れる。
【００１９】
第二に、上記第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ に対する上記各第二円弧部１６、１６の曲率半径ｒ₂ の比ｒ₂ ／ｒ₁ を、０．４２〜０．４７としている。この点に就いて、図６により説明する。上記各切り欠き１０ａ、１０ａの形状は、曲率半径が比較的大きなｒ₁ である上記第一円弧部１５と、曲率半径が比較的小さなｒ₂ である上記各第二円弧部１６、１６とを滑らかに連続させた形状を有する。これら各第二円弧部１６、１６の曲率半径ｒ₂ 、並びにその曲率中心の位置を一定と仮定した場合には、上記比ｒ₂ ／ｒ₁ が大きい（上記第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ 小さい）程、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの深さＤ₁₀は深くなる。又、これら各切り欠き１０ａ、１０ａの頂部の曲率が大きくなる。逆に、上記比ｒ₂ ／ｒ₁ が小さい（上記第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ 大きい）程、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの深さＤ₁₀は浅くなる。又、これら各切り欠き１０ａ、１０ａの頂部の曲率が小さくなる。本例の場合、上記比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４２〜０．４７の範囲内に規制して、上記深さＤ₁₀と頂部の曲率とを所定の範囲内に納めている。
【００２０】
上述の様に構成する本例のブレーキディスク１ｂによれば、制動の繰り返しに伴って各部に加わる熱応力に拘らず、このブレーキディスク１ｂに亀裂等の損傷が発生しにくくできる。特に、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの形状及び形成位置を規制する事により、従来構造の場合に最も強度的に弱い部分であった上記各取付孔３、３部分に作用する熱応力を抑えられる為、これら各取付孔３、３部分に、上記損傷が発生しにくくできる。この点に就いて、図７を参照しつつ説明する。
【００２１】
制動時に上記ブレーキディスク１ｂの温度は、前記摩擦面１１と摩擦材との摩擦によって上昇する。但し、周速が早いこの摩擦面１１の外径寄り部分と、周速が遅いこの摩擦面１１の内径寄り部分とでは、摩擦により生じる熱量が相違し、温度上昇にも違いが生じる。更に、上記ブレーキディスク１ｂのうちで、上記摩擦面１１と、この摩擦面１１よりも更に内径寄り部分に存在する前記各間部分１２、１２との間では、更に著しい温度上昇の相違が生じる。これら各間部分１２、１２の温度上昇の遅れは、径方向外方に隣接する、上記摩擦面１１の内径寄り部分の温度上昇にも影響を与える（この内径寄り部分の温度上昇を遅らせる）。
【００２２】
具体的には、この摩擦面１１の外径寄り部分の温度上昇が、内径寄り部分の温度上昇よりも著しくなる。そして、この外径寄り部分が、図７に矢印αで示す様に、径方向外方に膨張する傾向になって、この外径寄り部分に比べて膨張量が少ない内径寄り部分を引っ張る。この様にして上記摩擦面１１の内径寄り部分に加わる引っ張り応力に基づき、この内径寄り部分に引っ張り応力が、図７に矢印βで示す様に、円周方向に亙って加わる。因に、膨張量が多くなる外径寄り部分には、圧縮応力が加わる。圧縮応力は、亀裂等の損傷に結び付かない為、特に考慮する必要はない。これに対して引っ張り応力の場合には、この応力が加わる部分である、上記ブレーキディスク１ｂの内径寄り部分に、強度的に弱い部分が存在すると、当該部分から亀裂等の損傷が発生する原因となる。
【００２３】
これに対して本例のブレーキディスク１ｂの場合には、上記摩擦面１１よりも内径寄り部分に６個の切り欠き１０ａ、１０ａを形成している為、上記亀裂等の損傷が発生する事を有効に防止できる。
先ず、制動時に於ける温度上昇に基づいて最も大きな引っ張り応力が加わる内径寄り部分で、円周方向に隣り合う取付孔３、３同士の間に、切り欠き１０ａ、１０ａを形成しているので、これら各切り欠き１０ａ、１０ａにより、力の流線（上記引っ張り応力が大きくなっている応力分布）が切られる。この結果、上記ブレーキディスク１ｂの径方向に関する断面内での応力分布が変化する。具体的には、熱膨張に基づく引っ張り応力並びに歪みが最大となる部分が、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの頂点部分となる。尚、この為には、上記ブレーキディスク１ｂの径方向に関して、これら各切り欠き１０ａ、１０ａの頂点が上記各取付孔３、３のピッチ円よりも外側に存在させる事が必要である。この頂点がこれら各取付孔３、３のピッチ円よりも内側に存在した場合には、上記力の流線を切る事が不十分で、これら各取付孔３、３の周縁部に、大きな引っ張り応力が作用する事になる。
【００２４】
本例のブレーキディスク１ｂの場合には、上述の様な切り欠き１０ａ、１０ａを形成する事により、従来構造の場合に亀裂等の損傷が発生し易かった、上記各取付孔３、３部分に加わる引っ張り応力を緩和し、この部分に上記損傷を発生しにくくできる。尚、上記各切り欠き１０ａ、１０ａ部分に関しては、上記頂点部分を前記摩擦面１１に近付ける程、この頂点部分に加わる引っ張り応力並びに歪みが小さくなる。この理由は、この摩擦面１１側程、制動時に温度上昇する為、上記頂点部分との間での温度差を小さくできる為である。但し、上記頂点部分を上記摩擦面１１に入り込ませる事は、摩擦材との摩擦面を不連続にする為、好ましくない。従って、上記頂点部分を上記摩擦面１１の内周縁にできるだけ近付ける事が、この頂点部分の引っ張り応力並びに歪みを小さくし、この頂点部分に亀裂等の損傷が発生しにくくする面からは好ましい事になる。
【００２５】
本例の場合には、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの頂部を構成する前記第一円弧部１５をこれら各切り欠き１０ａ、１０ａ外にまで延長した仮想円弧が上記各取付孔３、３を通過し、且つ、上記第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ に対する、上記各切り欠き１０ａ、１０ａの両側部分を構成する前記各第二円弧部１６、１６の曲率半径ｒ₂ の比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４２〜０．４７としたので、上記頂点部分に加わる引っ張り応力及び歪みを小さくできる。この結果、上記各取付孔３、３部分だけでなく、上記各切り欠き１０ａ、１０ａ部分にも亀裂等の損傷を発生しにくいブレーキディスク１ｂを得られる。即ち、上記仮想円弧が上記各取付孔３、３を通過する構成を採用する事が、熱応力を小さくする為の必要条件であるが、更に比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４２〜０．４７とする事で、上記熱応力を十分に小さくできる。
【００２６】
尚、上記比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４７よりも大きくする（第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ を小さくし過ぎる）と、上記各第二円弧部１６、１６に加わる熱応力が大きくなって、これら第二円弧部１６、１６と上記各取付孔３、３との間に、亀裂等の損傷を発生し易くなる。これに対して、上記比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４２よりも小さくする（第一円弧部１５の曲率半径ｒ₁ を大きくし過ぎる）と、この第一円弧部１５に加わる熱応力が大きくなり、この第一円弧部から前記摩擦面１１部分に掛けて、亀裂等の損傷を発生し易くなる。
【００２７】
次に、図８〜１０は、請求項２、３に対応する、本発明のブレーキディスク付鉄道車両用車輪の実施の形態の１例を示している。本例のブレーキディスク付鉄道車両用車輪は、それぞれが上述の様な構成を有する鉄道車両用のブレーキディスク１ｂ、１ｂにより、鉄道車両用車輪２をサンドイッチ状に挟持している。そして、これら両ブレーキディスク１ｂ、１ｂに形成した各取付孔３、３と、上記鉄道車両用車輪２の一部でこれら各取付孔３、３に整合する６個所に形成した第二の取付孔４とに挿通した、第一の弾性部材である欠円筒状のスプリングピン７により、少なくとも制動時に上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの熱膨張量が所定値を越えた状態でこれら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂに、直径方向の弾性を付与している。これと共に、上記スプリングピン７にボルト５を挿通し、このボルト５の頭部８及びこのボルト５に螺合したナット６と上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂとの間に、第二の弾性部材である皿ばね９、９を、ワッシャ１９、１９と共に挟持して、これら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂを上記鉄道車両用車輪２の側面に向け、弾性的に押し付けている。
【００２８】
この構成により、制動に伴うこれら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの熱膨張に基づく、これら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂと上記鉄道車両用車輪２との間の寸法差を吸収自在としている。即ち、常温時には上記ボルト５及びスプリングピン７が、図１０（Ａ）に示す様に、上記第二の取付孔４の内側で上記鉄道車両用車輪２の径方向内側（図の下側）部分に存在するのに対して、制動に基づく発熱によって上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂが膨張した場合には、図１０（Ｂ）に示す様に、上記第二の取付孔４の内側で上記鉄道車両用車輪２の径方向外側（図の上側）部分に移動する。そして、上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂが更に膨張すると、図１０（Ｃ）に示す様に、上記スプリングピン７が弾性的に圧縮され、このスプリングピン７から上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂに、直径方向の弾性が付与される。この移動の際、上記ワッシャ１９、１９或は各皿ばね９、９は、上記鉄道車両用車輪２の側面或はこのワッシャ１９、１９に対し摺動する。
【００２９】
更に本例の場合には、上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの外径側半部で摩擦面１１と反対側に位置し、上記鉄道車両用車輪２の側面に対向する部分に、上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂを構成するアルミニウム合金マトリックス複合材料よりも熱伝導率の大きな材料製の伝熱皮膜１７を形成している。この伝熱皮膜として、銅又は銅合金を１０μｍ程度の厚さに溶射する。この様な伝熱皮膜１７を形成する事により、制動時に前記摩擦面１１と摩擦材との摩擦に伴う熱エネルギを上記鉄道車両用車輪２に対し、効率良く伝達して、上記各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの外径側半部の温度上昇を抑えられる。この結果、これら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの外径側半部と内径寄り部分との温度差を小さくして、これら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの各部に加わる応力を一層低減し、これら各ブレーキディスク１ｂ、１ｂの耐久性のより一層の向上を図れる。
【００３０】
【実施例】
次に、本発明の効果を確認する為に行なった有限要素法による解析（ＦＥＭ解析）及び実験の結果に就いて説明する。この解析及び実験は、外径が７２０mm、内径が２９５mmで、ボルト挿通用の取付孔が６個（次述する表１に示す試料８は１２個）存在する、下記の表１に示す８種類のブレーキディスクに就いて行なった。そして、各切り欠きの形状の違いが、これら各切り欠きの第一円弧部に加わる熱応力に及ぼす影響に就いて、ＦＥＭ解析と実際の測定とにより検討した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
上記表１に示した８種類の試料のうち、試料１〜６に就いては、第二円弧部の曲率半径ｒ₂ を４０mmとし、第一円弧部の曲率半径ｒ₁ を変える事で、これら両曲率半径ｒ₂ 、ｒ₁ の比ｒ₂ ／ｒ₁ を、０．４０〜０．５４の間で変化させた。又、試料７、８に就いては、第二円弧部を設けず、第一円弧部のみで、曲率半径を５５mm（試料７）又は３５mm（試料８）とした。尚、上記試料１〜８中、試料１〜３が本発明の技術的範囲に属する実施例であり、試料４〜８は本発明の技術的範囲から外れる比較例である。又、試料８に就いては、各切り欠きの頂点位置をボルト挿通用の取付孔のピッチ円よりも内径側とした。
【００３３】
上述の様な条件の下で行なったＦＥＭ解析と実際の測定とのうち、ＦＥＭ解析の結果を図１１に、実際の測定の結果を図１２に、それぞれ示した。これら図１１、１２から明らかな通り、上記両曲率半径ｒ₂ 、ｒ₁ の比ｒ₂ ／ｒ₁ を０．４２〜０．４７の範囲にすれば、ブレーキディスクの温度上昇時に、このブレーキディスクの各切り欠きの第一円弧部に生じる熱応力を低く抑える事ができる。
【００３４】
更に本発明者は、上記試料１〜８を実際に制動に使用した場合に於ける耐久性を知る為の実験を行なった。この実験では、新幹線の台車に模した車両試験機を用い、初速３００km/hで非常ブレーキを作動させ、停止（０km/h）させる動作を、１０００回、繰り返し行なった。ブレーキディスクの摩擦面と摩擦させる摩擦材（ブレーキライニング）は、レジン系のものを使用した。又、ボルト挿通用の取付孔若しくは切り欠きに亀裂等の損傷が発生した場合には、その時点で実験を中止した。この様な条件で行なった実験の結果を、前記表１に示した。この様な、実際に行なった制動試験の結果からも、本発明が、ブレーキディスクの耐久性向上の面から効果がある事が分かる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた様に構成し作用する為、優れた耐久性を有する鉄道車両用ブレーキディスク及びブレーキディスク付鉄道車両用車輪を実現して、定期検査のサイクルを長くする事が可能になる等、高速鉄道車両の安全運行に要するコストの低減に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の１例を示す、ブレーキディスクの部分正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ部矢視図。
【図４】同Ｃ矢視図。
【図５】切り欠きの形状を説明する為の部分正面図。
【図６】同じく部分拡大正面図。
【図７】制動時に加わる熱応力を説明する為の部分正面図。
【図８】本発明の実施の形態の１例を示す、ブレーキディスク付鉄道車両用車輪の断面図。
【図９】図８の右方から見た半部正面図。
【図１０】常温時の状態と温度上昇時の状態とを示す、図８の拡大Ｄ−Ｄ断面図。
【図１１】制動に基づく温度上昇に伴ってブレーキディスクに加わる熱応力の大きさを求めたＦＥＭ解析の結果を示す線図。
【図１２】同じく、実際の測定値を示す棒グラフ。
【図１３】従来のブレーキディスクの別例を示す、部分正面図及び半部断面図。
【図１４】制動時にブレーキディスクに加わる各応力の大きさと経過時間との関係を示す線図。
【図１５】従来のブレーキディスクに亀裂が生じる状況の１例を示す半部正面図。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂブレーキディスク
２鉄道車両用車輪
３取付孔
４第二の取付孔
５ボルト
６ナット
７スプリングピン
８頭部
９皿ばね
１０、１０ａ切り欠き
１１摩擦面
１２間部分
１３凸部
１４通路
１５第一円弧部
１６第二円弧部
１７伝熱被膜
１８亀裂
１９ワッシャ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a brake disk for a railway vehicle and a wheel for a railway vehicle with a brake disk constituting a braking device for a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen, etc., and a brake for a railway vehicle that does not cause damage such as cracks regardless of repeated braking. This is intended to realize a disk.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, what is described in Patent Document 1 is known as a brake disk for a railway vehicle and a wheel for a railway vehicle with a brake disk constituting a braking device for a high-speed railway vehicle such as a Shinkansen. In Patent Document 1, as shown in FIG. 13, a brake disk 1 a for a railway vehicle in which a phase in the circumferential direction at the inner peripheral edge portion is formed with

notches

10 and 10 between the

mounting holes

3 and 3. Is described. In the case of such a structure described in Patent Document 1, the shape of each of the

notches

10 and 10 is a single arc shape, and the top (back end) of each of the

notches

10 and 10 It exists radially inward from the pitch circle of the

mounting holes

3 and 3.
[0003]
By the way, the operating time of the braking device for railway vehicles is much longer than the operating time of the braking device for automobiles. In addition, the amount of heat generated per unit time based on the friction between the friction material and the brake disk during operation increases. Therefore, the stress applied to the brake disk constituting the braking device for a railway vehicle with the repetition of braking is different from the brake disk for an automobile, and stress (thermal stress) based on thermal expansion and contraction is dominant.
[0004]
FIG. 14 shows the relationship between the magnitude of the stress applied to the brake disk and the elapsed time for each type of stress when it is assumed that the high-speed railway vehicle such as the Shinkansen is suddenly braked and the vehicle is stopped for 100 seconds. It shows. The solid line a in FIG. 14 indicates the thermal stress, the broken line b indicates the stress based on the centrifugal force, and the chain line c indicates the stress based on the brake torque caused by friction with the friction material. As apparent from FIG. 14, thermal stress is dominant in the stress applied to the brake disk of the railway vehicle. Incidentally, the approximate composition ratio of the stress applied to the brake disc with the repetition of braking is 88% for the thermal stress, 6% for the stress based on the centrifugal force, and 6% for the stress based on the brake torque.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-10-89389 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the conventional railcar brake disc and railcar wheel with a brake disc as shown in FIG. 13, the required performance is higher when the railcar becomes faster and the stress applied to the brake disc is larger during braking. May not be possible. That is, when braking, the brake disk is in contact with the low-temperature railcar wheel 2 without friction with the friction material, while the outer diameter side half that is in friction with the friction material rises significantly. The temperature rise in the inner half is limited. As a result, a large temperature difference is generated between the inner diameter side and the outer diameter side of the brake disk, and a large thermal stress is generated in a part of the brake disk.
[0007]
In the case of the conventional structure shown in FIG. 13, the

cutouts

10 and 10 are formed in the inner peripheral edge against the large thermal stress generated in this way, but the shape and the formation position are particularly devised. Therefore, when the use conditions become severe, there is a possibility that damages such as cracks 18 may occur in the peripheral portions of these

notches

10 and 10, as shown in FIG.
The railway vehicle brake disk and the railway vehicle wheel with the brake disk of the present invention are invented in view of such circumstances.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Of the brake disk for a railway vehicle and the railway vehicle wheel with a brake disk of the present invention, the brake disk for a railway vehicle according to claim 1 is a composite material (aluminum or aluminum alloy in which aluminum or aluminum alloy is used as a matrix material). Made of ceramic particles such as SiC and Al ₂ O ₃ or a composite material in which a reinforcing material such as ceramic fiber is dispersed, and the whole is formed into a ring shape, and a plurality of notches are formed on the inner periphery, and the circumferential direction A mounting hole for inserting a mounting bolt is provided between the notches adjacent to each other.
[0009]
In particular, in the brake disc for a railway vehicle according to the present invention, the number of each notch and each mounting hole is six, and they are formed at equal intervals in the circumferential direction. Each of the notches includes a first arc portion that forms the top of the first circular arc portion that has a constant radius of curvature over the entire length and the center of the curvature is located on the inner diameter side of the pitch circle of each mounting hole. The composite arc is formed by smoothly and continuously connecting a second arc portion having a constant radius of curvature over the entire length, which constitutes the end portion in the circumferential direction. The virtual arc extending from the first arc portion passes through the mounting holes, and the ratio r ₂ / r of the curvature radius r ₂ of the second arc portion to the curvature radius r ₁ of the first arc portion. r ₁ is from 0.42 to 0.47.
[0010]
Further, according to a preferred configuration, as described in claim 2, the aluminum or aluminum alloy is used as a matrix material in a portion opposite to the friction surface of the brake disc and facing the side surface of the wheel for the rail vehicle. A heat transfer film made of a material having a higher thermal conductivity than the composite material is formed.
[0011]
Further, the wheel for a railway vehicle with a brake disk described in claim 3 is sandwiched between the pair of railcar brake disks each having the configuration described in claim 1 or claim 2 in a sandwich shape. is doing. The first mounting holes are inserted into the mounting holes formed in the brake disks for the railway vehicles, and the second mounting holes formed in six locations that are aligned with the mounting holes in a part of the wheels for the railway vehicles. This elastic member imparts diametrical elasticity to each of the railcar brake disks in a state where the thermal expansion amount of the railcar brake disk exceeds a predetermined value at least during braking. At the same time, the bolt is inserted into the first elastic member, and a second elastic member is sandwiched between the head of the bolt and a nut screwed into the bolt and the brake disc for each railway vehicle. These brake disks for railway vehicles are elastically pressed toward the side surfaces of the railway vehicle wheels. With this configuration, it is possible to absorb a dimensional difference between each of the railcar brake disks and the railcar wheel based on thermal expansion of each of the railcar brake disks accompanying braking.
[0012]
[Action]
According to the railcar brake disc and the railcar wheel with the brake disc configured as described above, the brake disc is less likely to be damaged, such as cracks, regardless of the thermal stress applied to each part with repeated braking. . In particular, by restricting the shape and position of the notch, it is possible to suppress the thermal stress acting on each mounting hole part that was the weakest part in the case of the conventional structure. The damage can be less likely to occur.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 to 7 show an example of an embodiment of a brake disk for a railway vehicle according to the present invention corresponding to claim 1. The brake disk 1b of this example is made of a composite material in which an aluminum alloy is used as a matrix material and SiC is dispersed and compounded therein, and the whole is formed into a ring shape. In the case of this example, the brake disc 1b has a friction surface 11 on one side (the upper surface in FIGS. 2 and 4 and the lower surface in FIG. 3) for pressing the friction material during braking. On the other hand, convex

portions

13 and 13, which will be described later, formed on the portion closer to the inner diameter of the brake disc 1b, are fixed to the side surface of the railcar wheel 2 (see FIGS. 8 to 9 described later). It is shaped so that it can be bumped without rattling.
[0014]
In the case of this example, the other half of the brake disk 1b near the outer diameter is formed into a shape in which convex portions and concave portions formed radially are alternately arranged in the circumferential direction. . Thereby, in the state which protruded 13 and 13 of the above-mentioned brake disc 1b against the side of the above-mentioned railcar wheel 2, the air for cooling is between these both sides (between the above-mentioned concave and side). Flowable passages 14 and 14 (see FIGS. 8 to 9 described later) are formed.
[0015]
On the other hand, six

notches

10a and 10a each opened to the inner peripheral edge of the brake disk 1b are formed at equal intervals in the circumferential direction in the inner half of the brake disk 1b. ing. Note that a part of each of the

notches

10a and 10a does not reach the friction surface 11. In other words, these

notches

10a and 10a are formed closer to the inner diameter than the friction surface 11. Further, the mounting holes 3 for inserting the mounting bolts 5 and 5 (see FIGS. 8 to 9 described later) into the

portions

12 and 12 between the

notches

10a and 10a adjacent to each other in the circumferential direction, 3 is provided.
[0016]
In addition, on one side (the lower surface in FIG. 2) of each of the

inter-space portions

12 and 12 facing the side surface of the railcar wheel 2, the portion surrounding the mounting

holes

3 and 3 protrudes from the other portions. The convex portions 13 are formed. In a state where the brake disc 1b is attached to the side surface of the railcar wheel 2, the

convex portions

13 and 13 abut against the side surface. In this state, a gap through which cooling air can freely flow is formed between the respective

inter-space portions

12 and 12 and the side surface of the railcar wheel 2 at a portion deviated from the respective

convex portions

13 and 13. The Therefore, coupled with the presence of the

notches

10a and 10a, the cooling air can be efficiently circulated through the

passages

14 and 14 existing between the two surfaces.
[0017]
Furthermore, the shape of each of the

notches

10a and 10a viewed from the axial direction is a circumference including the top of each of the

notches

10a and 10a (the deepest part, in the case of the figure, the center in the circumferential direction). This is a composite arc in which both end portions of the first arc portion 15 constituting the middle portion in the direction and the end portions of the

second arc portions

16 and 16 constituting both circumferential portions are smoothly continued. Then, the radius of curvature r ₁ between the first arc portion 15 and the

second arc portions

16, 16. , R ₂ Is regulated as follows in relation to the positions where the

notches

10a and 10a and the mounting

holes

3 and 3 are formed. It should be noted that the curvature radii r _{1 of} the first and

second arc portions

15, 16 are as follows. , R ₂ Is constant over the entire length, as will be apparent from FIGS.
[0018]
First, a virtual arc obtained by extending the first arc portion 15 to the outside of the

notches

10a and 10a passes (crosses) the mounting holes 3 and 3 (first condition). ). This point will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows the first arc portion when the radius of curvature r ₁ of the first arc portion 15 is variously changed while the radius of curvature r ₂ of the

second arc portions

16 and 16 is kept constant. 5 shows five examples of virtual arcs obtained when 15 is extended. Of the five virtual arcs shown in FIG. 5, the left two virtual arcs do not pass through the mounting hole 3. On the other hand, the three virtual arcs on the right side pass through the mounting hole 3. Therefore, the three virtual arcs on the right side satisfy the first condition and can belong to the technical scope of the present invention, but the two virtual arcs on the left side do not satisfy the first condition and It is out of the technical scope.
[0019]
Secondly, the ratio r ₂ / r ₁ of the curvature radius r ₂ of each of the

second arc portions

16 and 16 to the curvature radius r ₁ of the first arc portion 15 is set to 0.42 to 0.47. This point will be described with reference to FIG. Each

cutout

10a, 10a is the shape of a said first arcuate portion 15 the radius of curvature is relatively large r _1, the each second

arcuate portion

16, 16 is a radius of curvature relatively small r ₂ It has a smoothly continuous shape. When it is assumed that the radius of curvature r ₂ of each of the

second arc portions

16 and 16 and the position of the center of curvature are constant, the ratio r ₂ / r ₁ is large (the radius of curvature r of the first arc portion 15). The depth D ₁₀ of each of the

notches

10a and 10a becomes deeper as the value is smaller ( _one smaller). Further, the curvatures of the tops of these

notches

10a and 10a are increased. Conversely, as the ratio r ₂ / r ₁ is smaller (the radius of curvature r ₁ of the first arc portion 15 is larger), the depth D ₁₀ of each of the

notches

10a and 10a becomes shallower. Moreover, the curvature of the top part of each

notch

10a, 10a becomes small. In the case of this example, the ratio r ₂ / r ₁ is regulated within the range of 0.42 to 0.47, and the depth D ₁₀ and the curvature of the top are kept within a predetermined range.
[0020]
According to the brake disk 1b of the present example configured as described above, damage such as cracks can hardly occur in the brake disk 1b regardless of the thermal stress applied to each part with repeated braking. In particular, by restricting the shape and forming position of the

notches

10a and 10a, the thermal stress acting on the mounting

holes

3 and 3 which is the weakest part in the case of the conventional structure can be suppressed. Therefore, it is possible to prevent the damage from occurring in each of the mounting

holes

3 and 3. This point will be described with reference to FIG.
[0021]
During braking, the temperature of the brake disk 1b rises due to friction between the friction surface 11 and the friction material. However, the amount of heat generated by the friction is different between the portion near the outer diameter of the friction surface 11 having a high peripheral speed and the portion near the inner diameter of the friction surface 11 having a low peripheral speed, and the temperature rise is also different. Further, in the brake disk 1b, there is a further significant temperature increase difference between the friction surface 11 and the

portions

12 and 12 between the friction surfaces 11, which are located closer to the inner diameter. The delay in the temperature rise of each of the

intermediate portions

12 and 12 also affects the temperature rise in the portion near the inner diameter of the friction surface 11 adjacent to the outside in the radial direction (delays the temperature rise in the portion near the inner diameter).
[0022]
Specifically, the temperature rise near the outer diameter portion of the friction surface 11 becomes more significant than the temperature rise near the inner diameter portion. Then, as shown by an arrow α in FIG. 7, the portion closer to the outer diameter tends to expand outward in the radial direction, and the portion closer to the inner diameter where the expansion amount is smaller than the portion closer to the outer diameter is pulled. Based on the tensile stress applied to the portion near the inner diameter of the friction surface 11 as described above, the tensile stress is applied to the portion closer to the inner diameter over the circumferential direction as indicated by the arrow β in FIG. Incidentally, a compressive stress is applied to the portion near the outer diameter where the expansion amount increases. Compressive stress does not need to be considered in particular because it does not lead to damage such as cracks. On the other hand, in the case of tensile stress, if a portion weak in strength exists in the portion closer to the inner diameter of the brake disk 1b, which is the portion to which this stress is applied, it may cause damage such as cracks from the portion. Become.
[0023]
On the other hand, in the case of the brake disc 1b of this example, since the six

notches

10a and 10a are formed in the portion closer to the inner diameter than the friction surface 11, damage such as cracks may occur. It can be effectively prevented.
First, since

notches

10a and 10a are formed between the mounting

holes

3 and 3 adjacent to each other in the circumferential direction at the portion near the inner diameter where the largest tensile stress is applied based on the temperature rise during braking. These

notches

10a and 10a cut a force streamline (stress distribution in which the tensile stress is increased). As a result, the stress distribution in the cross section in the radial direction of the brake disc 1b changes. Specifically, the portion where the tensile stress and distortion based on thermal expansion are maximum becomes the apex portion of each of the

notches

10a and 10a. For this purpose, it is necessary that the vertices of the

notches

10a and 10a exist outside the pitch circle of the mounting

holes

3 and 3 with respect to the radial direction of the brake disc 1b. When this apex exists inside the pitch circle of each of the mounting

holes

3 and 3, it is not sufficient to cut the streamline of the force, and a large tension is applied to the peripheral portion of each of the mounting

holes

3 and 3. Stress will act.
[0024]
In the case of the brake disk 1b of the present example, the

notches

10a and 10a as described above are formed, so that cracks and the like are easily generated in the case of the conventional structure. The applied tensile stress can be relieved and the above-described damage can be hardly generated. As for the

notches

10a and 10a, the tensile stress and distortion applied to the apex portion become smaller as the apex portion is brought closer to the friction surface 11. This is because the temperature rises at the time of braking toward the friction surface 11, so that the temperature difference from the apex portion can be reduced. However, it is not preferable to allow the apex portion to enter the friction surface 11 because the friction surface with the friction material becomes discontinuous. Therefore, it is preferable to bring the apex portion as close as possible to the inner peripheral edge of the friction surface 11 from the viewpoint of reducing the tensile stress and distortion of the apex portion and making the apex portion less susceptible to damage such as cracks. Become.
[0025]
In the case of the present example, a virtual arc obtained by extending the first arc portion 15 constituting the top of each

notch

10a, 10a to the outside of each

notch

10a, 10a passes through each mounting

hole

3, 3. In addition, the ratio r ₂ / r of the curvature radius r ₂ of each of the

second arc portions

16 and 16 constituting both side portions of the

notches

10a and 10a with respect to the curvature radius r ₁ of the first arc portion 15 _{Since 1} is set to 0.42 to 0.47, the tensile stress and strain applied to the apex portion can be reduced. As a result, not only the mounting

holes

3 and 3 but also the

notches

10a and 10a can be obtained as a brake disk 1b that is less likely to be damaged such as cracks. That is, it is a necessary condition for reducing the thermal stress that the virtual arc passes through the mounting

holes

3 and 3, but the ratio r ₂ / r ₁ is further set to 0.42 to 0. By setting it to 47, the thermal stress can be made sufficiently small.
[0026]
If the ratio r ₂ / r ₁ is made larger than 0.47 (the radius of curvature r ₁ of the first arc portion 15 is made too small), the thermal stress applied to each of the

second arc portions

16 and 16 becomes large. Thus, damage such as cracks is likely to occur between the

second arc portions

16 and 16 and the mounting

holes

3 and 3. On the other hand, if the ratio r ₂ / r ₁ is made smaller than 0.42 (the radius of curvature r ₁ of the first arc portion 15 is excessively increased), the thermal stress applied to the first arc portion 15 becomes large. Therefore, it is easy to generate damage such as cracks from the first arc portion to the friction surface 11 portion.
[0027]
Next, FIGS. 8 to 10 show an example of an embodiment of a wheel for a railway vehicle with a brake disk according to the present invention, corresponding to claims 2 and 3. The railway vehicle wheel with a brake disk of this example has the railway vehicle wheel 2 sandwiched between the railway railway

vehicle brake disks

1b and 1b each having the above-described configuration. Then, the respective mounting

holes

3 and 3 formed in both the

brake disks

1b and 1b, and the second mounting holes formed in six locations that align with these mounting

holes

3 and 3 in a part of the railcar wheel 2 described above. 4 is inserted into the first elastic member, and the

brake discs

1b, 1b, 1b, and the

brake discs

1b, 1b in a state where the thermal expansion amount of the

brake discs

1b, 1b exceeds a predetermined value at least during braking. 1b is given elasticity in the diameter direction. At the same time, a bolt 5 is inserted into the spring pin 7 and a second elastic member is interposed between the head 8 of the bolt 5 and the nut 6 screwed into the bolt 5 and the

brake disks

1b and 1b. A disc spring 9 is clamped together with

washers

19, 19, and the

brake disks

1 b, 1 b are elastically pressed toward the side surface of the railcar wheel 2.
[0028]
With this configuration, a dimensional difference between the

brake disks

1b and 1b and the railcar wheel 2 based on thermal expansion of the

brake disks

1b and 1b accompanying braking can be absorbed. That is, at the normal temperature, the bolt 5 and the spring pin 7 are radially inward (lower side) of the railcar wheel 2 inside the second mounting hole 4 as shown in FIG. When the

brake disks

1b and 1b expand due to heat generated by braking, as shown in FIG. 10B, the railway vehicle is located inside the second mounting hole 4. It moves to the outer side (upper side in the figure) of the wheel 2 in the radial direction. When each of the

brake disks

1b and 1b is further expanded, the spring pin 7 is elastically compressed as shown in FIG. 10C, and the diameter of the spring pin 7 is reduced to the

brake disks

1b and 1b. Directional elasticity is imparted. During this movement, the

washers

19 and 19 or the disc springs 9 and 9 slide with respect to the side surface of the railcar wheel 2 or the

washers

19 and 19.
[0029]
Further, in the case of this example, the

brake discs

1b and 1b are located on the outer diameter side half of the brake disc 1b on the side opposite to the friction surface 11 and are opposed to the side surfaces of the railcar wheel 2 on the brake discs. A heat transfer film 17 made of a material having a higher thermal conductivity than the aluminum alloy matrix composite material constituting 1b and 1b is formed. As this heat transfer film, copper or a copper alloy is sprayed to a thickness of about 10 μm. By forming such a heat transfer film 17, the heat energy associated with the friction between the friction surface 11 and the friction material is efficiently transmitted to the railcar wheel 2 during braking, so that each brake disk 1 b can be transmitted. The temperature rise in the outer diameter side half of 1b can be suppressed. As a result, the temperature difference between the outer diameter side half of each

brake disk

1b, 1b and the portion closer to the inner diameter is reduced, and the stress applied to each part of each

brake disk

1b, 1b is further reduced. The durability of 1b and 1b can be further improved.
[0030]
【Example】
Next, the analysis by the finite element method (FEM analysis) performed to confirm the effect of the present invention and the results of the experiment will be described. In this analysis and experiment, the outer diameter is 720 mm, the inner diameter is 295 mm, and there are six mounting holes for inserting bolts (12 samples 8 shown in Table 1 described below). Of the brake disc. And the influence which the difference in the shape of each notch has on the thermal stress applied to the first arc portion of each notch was examined by FEM analysis and actual measurement.
[0031]
[Table 1]

[0032]
Of eight samples shown in Table 1, in regard to sample 1-6, the radius of curvature r ₂ of the second circular arc portion and 40 mm, by changing the radius of curvature r ₁ of the first arcuate portion, these The ratio r ₂ / r ₁ of both radii of curvature r ₂ and r ₁ was varied between 0.40 and 0.54. For

samples

7 and 8, the second arc portion was not provided, and only the first arc portion was used, and the radius of curvature was 55 mm (sample 7) or 35 mm (sample 8). Of the above samples 1 to 8, samples 1 to 3 are examples belonging to the technical scope of the present invention, and samples 4 to 8 are comparative examples that deviate from the technical scope of the present invention. Further, with respect to the sample 8, the apex position of each notch was set on the inner diameter side of the pitch circle of the mounting hole for bolt insertion.
[0033]
Of the FEM analysis and actual measurement performed under the above-described conditions, the result of FEM analysis is shown in FIG. 11, and the result of actual measurement is shown in FIG. As is clear from FIGS. 11 and 12, if the ratio r ₂ / r ₁ of both the radius of curvature r _2, r ₁ in the range of 0.42 to 0.47, when the temperature rise of the brake disc, the brake disc The thermal stress generated in the first arc portion of each notch can be kept low.
[0034]
Furthermore, the present inventor conducted an experiment to know the durability when the samples 1 to 8 are actually used for braking. In this experiment, a vehicle testing machine imitating a Shinkansen bogie was used, and the operation of operating and stopping (0 km / h) the emergency brake at an initial speed of 300 km / h was repeated 1000 times. The friction material (brake lining) to be rubbed against the friction surface of the brake disc was a resin type. Further, when damage such as cracks occurred in the bolt insertion hole or notch, the experiment was stopped at that time. The results of experiments conducted under such conditions are shown in Table 1 above. From the results of the braking test actually performed, it can be seen that the present invention is effective in terms of improving the durability of the brake disc.
[0035]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured and operates as described above, it is possible to realize a railway vehicle brake disk and a railway vehicle wheel with a brake disk having excellent durability, and to extend the cycle of periodic inspection. It can contribute to the reduction of the cost required for safe operation of high-speed railway vehicles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial front view of a brake disk showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a view taken in the direction of arrow B in FIG.
FIG. 4 is a view taken in the direction of the arrow C.
FIG. 5 is a partial front view for explaining the shape of a notch.
FIG. 6 is a partially enlarged front view of the same.
FIG. 7 is a partial front view for explaining thermal stress applied during braking.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a railway vehicle wheel with a brake disk, showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a half front view of the right side of FIG.
10 is an enlarged DD cross-sectional view of FIG. 8 showing a state at a normal temperature and a state at a temperature rise.
FIG. 11 is a diagram showing the result of an FEM analysis in which the magnitude of thermal stress applied to the brake disc as the temperature rises due to braking is determined.
FIG. 12 is also a bar graph showing actual measurement values.
FIG. 13 is a partial front view and a half sectional view showing another example of a conventional brake disc.
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the magnitude of each stress applied to the brake disc during braking and the elapsed time.
FIG. 15 is a half front view showing an example of a situation in which a crack occurs in a conventional brake disc.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF

SYMBOLS

1, 1a, 1b Brake disc 2 Rail vehicle wheel 3 Mounting hole 4 Second mounting hole 5 Bolt 6 Nut 7 Spring pin 8 Head 9

Belleville spring

10, 10a Notch 11 Friction surface 12 Intersection 13 Protrusion 14 Passage 15 1st circular arc part 16 2nd circular arc part 17 Heat transfer film
18 cracks 19 washers

Claims

Made of a composite material with aluminum or aluminum alloy as a matrix material, the whole is made into a ring shape, a plurality of notches are formed on the inner periphery, and mounting bolts are inserted between notches adjacent in the circumferential direction. In a railcar brake disk that is provided with mounting holes for fixing to the side surfaces of the wheels, the number of the notches and the number of the mounting holes is six, respectively, in the circumferential direction. It is formed at equal intervals, and each of the cutouts, which form the top of the cutout, has a constant radius of curvature over the entire length, and the center of curvature exists on the inner diameter side of the pitch circle of each mounting hole. a first arcuate portion, constituting the circumferential ends, a composite arc radius of curvature is smoothly made continuous and constant second circular arc portion over the entire length, a virtual arc formed by extending the first arcuate portion Pass through each of the mounting holes, and Serial brake disc for rail vehicles the ratio r ₂ / r ₁ of the curvature radius r ₂ of the respective second arcuate portion to the radius of curvature r ₁ of the first arcuate portion, characterized in that it is from 0.42 to 0.47.

The film made of a material having a higher thermal conductivity than the composite material using the aluminum or aluminum alloy as a matrix material is formed on a portion of the railcar brake disc facing the side surface of the wheel. Brake discs for railway vehicles.

A first elastic member is inserted through each of the mounting holes formed in the pair of railcar brake discs having the configuration according to claim 1 or 2 and a second mounting hole formed in the wheel. The second elastic member is fitted between each of the brake disk and the head of the bolt inserted into the first elastic member and the nut screwed into the bolt, and accompanying the braking. A wheel for a railway vehicle with a brake disk, which is capable of absorbing a dimensional difference between each brake disk and the wheel based on thermal expansion of each brake disk.