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高速車両用フィン付き鍛鋼ブレーキディスク

フィン付き鍛鋼ブレーキディスク

図1 フィン付き鍛鋼ブレーキディスク

新幹線用ブレーキディスクの取り付け

図2 新幹線用ブレーキディスクの取り付け

き裂進展性におよぼす材料基地組織の影響(実体ディスクを用いたブレーキ試験による)

図3 き裂進展性におよぼす材料基地組織の影響(実体ディスクを用いたブレーキ試験による)

供試材料

表1 供試材料

破壊靭性値の測定結果

図4 破壊靭性値の測定結果

予変形付きブレーキディスク

図5 予変形付きブレーキディスク

1.概要

 最近の新幹線車両の高速化に応じて,高強度でより耐久性に優れたブレーキディスクの要求がある.このため,①現用鋳鉄材料の耐熱き裂評価と材質改善,②鍛鋼ディスクの破壊に関する破壊解析と材料に必要な特性の把握,③鍛鋼材料の破壊靱性値を重視した材料選定,④フィンの冷却性能の評価と鍛鋼に応じたフィン形状,についての研究を行い,フィン付き鍛鋼ブレーキディスクを考案した(図1),実体ディスクを試作し,実験によりその優れた性能を確認した,また,実用化を阻害したボルト固渋の解決と鍛造の成形性改善も実施して技術を完成させたものである.

2.技術の内容

 2・1 鋳鉄ブレーキディスクの材質改良  新幹線用ブレーキディスクは,開業に当たり形状,材質の研究の結果,Ni,Cr,Moを添加した低合金片状黒鉛鋳鉄を材料として選定し,車輪の側面に取り付け,新幹線の安全性に貢献してきた(図2).しかし,その取り替え原因のほとんどが摩擦摺動面の熱き裂によるものであり,その耐久性の向上が必要であった.

 そこで,現状材料の耐熱き裂性の向上を図るために,鋳鉄材の黒鉛形状,黒鉛量等の変更品,さらに,基地組織を種々変更し,鋳鋼材,鍛鋼材も含めて変更品を試作し,実体に近似したブレーキ試験を実施し,その評価を行った.結果の一例を図3に示す.この結果,鋳鉄材に比較して鍛鋼材の熱き裂は2~3mmの亀甲き裂以上には進展しなかった.このことから,耐熱き裂性の観点より,鍛鋼材が鋳鉄材よりはるかにすぐれていることが判明した.

 2・2 鍛鋼材の破壊靱性値の向上  鍛鋼材を用いたディスクとして,ハット形のものを試作し,ブレーキ試験を実施した際,摺動面に生じた熱き裂を起点に脆性破壊が生じた.その破壊について,破面解析,有限要素法による残留応力の応力解析および破壊靱性試験を実施し,ブレーキによる熱応力が原因で,表面に生じた熱き裂が進展し,さらに,残留応力によるき裂先端の応力拡大係数が,材料の破壊靱性値を越えると脆性破壊に至るプロセスを明らかにできた.そこで,ブレーキディスク用鍛鋼材の必要特性として,十分に高い破壊靱性を有する材料の開発を第1に,耐熱き裂性,耐摩耗性をも考慮,比較試験の上,AISI4330に改良を加えた材料を開発した(表1図4).

 2・3 ディスクの冷却性能におよぼすフィンの効果  鍛鋼材では鋳鉄材のように薄いフィンを成形することは難しい.このため,現行の車輪の側面に取り付けるタイプのディスクを構成することができなかった.そこで,現行ディスクの摺動部裏面に形成しているフィンの冷却効果を理論と実験で評価し,冷却に影響する因子として効果の大きいのはフィン厚さではなく,放熱面積であることを確認し,鍛造でも成形できるすそ野の緩やかな形状で,かつ放熱面積を確保し,冷却性能を悪化させないフィンの設計を行った.

 2・4 フィン付き鍛鋼ディスクの実用化  当初は,現行ディスクとほぼ同形状の円周2分割のディスクであったが,熱変形による取り付けボルトの固渋問題が発生した.それに対して,円周一体型とし,ブレーキ後の熱変形を抑えるために,熱変形とは逆向きにあらかじめ変形を付与することとした.これによりボルト固渋が発生せず,熱変形が抑えられることがベンチ試験および実際の車両で確認できた(図5).

 また,鍛造形状が複雑で成形性に難点があったため,型形状の変更等によりフィンの成形の改善を図った.

3.まとめ

 本研究開発の成果により,のぞみ,をはじめとして高速新幹線車両には,世界で初めてのフィン付き鍛鋼ブレーキディスクが採用されている.

 本研究の成果に対して、日本機械学会は、1996年、仲田摩智(住友金属工業(株))、白國紀行(東海旅客鉄道(株))、高尾喜久雄(鉄道総合技術研究所)、坂本東男(ワシントン大学)、楠本富佐夫(住金デザインアンドエンジニアリング(株))に日本機械学会賞(技術賞)を贈った。

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キーワード

高速車両、新幹線、ブレーキディスク、耐熱亀裂、鍛鋼製ブレーキディスク、冷却フィン
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