CN103562587A - 铁道车辆用制动衬片及具有该铁道车辆用制动衬片的盘形制动器 - Google Patents

Abstract

铁道车辆用盘形制动器包括：制动盘，其固定于铁道车辆的车轮或车轴；以及制动衬片，其利用制动钳按压于该制动盘的滑动面；制动衬片包括：多个摩擦构件，其各个表面与制动盘的滑动面相对，分别相互隔开间隙地排列；背衬，其固定安装于各摩擦构件的背面；以及基板，其从背面侧隔着弹簧构件支承各摩擦构件，该基板安装于制动钳；使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组，该一组摩擦构件的背衬成为一体。这种结构的盘形制动器能够同时实现制动过程中的制动衬片与制动盘的接触面压力的均匀化和它们之间的摩擦系数的稳定化，并且能够提高耐久性与可靠性。

Description

铁道车辆用制动衬片及具有该铁道车辆用制动衬片的盘形制动器

技术领域

本发明涉及一种作为铁道车辆的制动装置进行使用的盘形制动器，特别是涉及按压于被固定在车轮或车轴上的制动盘的滑动面的铁道车辆用制动衬片以及具有该铁道车辆用制动衬片的铁道车辆用盘形制动器。

背景技术

近年来，作为铁道车辆、汽车、自动两轮车等陆地输送车辆的制动装置，伴随着车辆的高速化、大型化，多使用盘形制动器。盘形制动器是利用由制动盘与制动衬片之间的滑动引起的摩擦来获得制动力的装置。

在铁道车辆用的盘形制动器的情况下，将环形圆盘状的制动盘安装并固定在车轮或车轴上，通过利用制动钳向该制动盘的滑动面按压制动衬片而产生制动力。由此，对车轮或车轴的旋转进行制动，控制车辆的速度。

此时，车辆的减速速度依赖于盘形制动器的制动力，其制动力较大地依赖于制动盘与制动衬片之间的摩擦系数。在实际行驶中，期望能够准确地控制制动过程中的车辆的减速速度，因此，即使制动开始时的行驶速度不同，制动盘与制动衬片之间的摩擦系数也恒定地保持稳定，是较好的。

另外，在制动过程中，相互接触的制动衬片与制动盘之间的滑动面因摩擦热量而使温度上升。在制动负荷变大的条件下、具体地说在车辆的行驶速度为高速的条件下、车辆重量较大的条件下存在有该温度的上升变明显的倾向。在实际行驶中，期望防止盘形制动器因热量而受到损伤，提高盘形制动器的耐久性，因此，需要使制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触尽可能地均匀化，减少所产生的摩擦热量。

图1是表示以往普通的铁道车辆用盘形制动器的图，图1的（a）表示制动衬片的俯视图，图1的（b）分别表示图1的（a）的A－A截面的放大图。在图1的（a）中，示出了从成为表面侧的制动盘侧观察制动衬片而看到的状态。

图1所示的以往普通的制动衬片（以下，称作“以往型制动衬片”）102由多张宽幅的板状的摩擦构件103、固定安装于该各摩擦构件103的背面的背衬104以及从背面侧将背衬104连同各摩擦构件103一起保持的基板106构成。各摩擦构件103与背衬104一起利用未图示的铆钉牢固地安装于基板106。这种结构的以往型制动衬片102成为如下状态：基板106安装于未图示的制动钳、各摩擦构件103的表面与制动盘101的滑动面101a相对。

制动钳在制动时将液压、空压等作为驱动源进行工作，将制动衬片102按压于制动盘101。此时，从制动钳施加于制动衬片102的按压力在两者的安装部的构造方面并不是均匀地作用于制动衬片102的整个区域，而是集中作用于某一特定的部分。

因此，在使用了以往型制动衬片102的盘形制动器的情况下，由于摩擦构件103是一定程度上较宽的板状，牢固地固定于基板106，因此在制动过程中，制动盘101与制动衬片102之间的接触面压力局部变大。其结果，由制动过程中的摩擦引起的温度上升局部过大，在该温度上升过大的部分制动衬片102（摩擦构件103）与制动盘101之间的磨损量增大，在制动盘101上会产生龟裂。由于因该热量而产生的损伤，盘形制动器的耐久性受损。

针对这种问题，近年来，以使制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触面压力均匀化为目的，提出了各种对构造进行了改进的制动衬片。例如，在专利文献1～专利文献3中，记载有将以往型制动衬片的摩擦构件分割为小尺寸、并将该分割后的多个各摩擦构件相互隔开间隙地排列而成的制动衬片。

在上述专利文献1所记载的制动衬片中，在各摩擦构件的背面分别独立地固定安装有背衬。各摩擦构件与背衬一起从背面侧分别隔着弹簧构件利用铆钉安装于基板，且分别被弹性支承。

在上述专利文献2所记载的制动衬片中，使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组，在该一组摩擦构件的背面上以遍及这两者的方式固定有一体的弹性片。各弹性片的与固定于该弹性片的摩擦构件彼此之间的间隙对应的部分利用两个铆钉牢固地安装于基板，由此，各摩擦构件分别以该摩擦构件彼此之间的两个部位的铆钉位置为支点被弹性支承。

在上述专利文献3所记载的制动衬片中，使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组，在该一组摩擦构件的背面上以遍及这两者的方式固定安装有一体的金属薄层。各金属薄层的与固定安装于该金属薄层的摩擦构件之间的间隙对应的部分隔着弹性件利用两个铆钉安装于基板，由此，各摩擦构件分别以该摩擦构件彼此之间的两个部位的铆钉位置为支点被弹性支承。

上述专利文献1～专利文献3所记载的制动衬片均是摩擦构件被弹性支承于基板，因此在制动过程中能够期待制动衬片与制动盘之间的接触面压力均匀化。

但是，在上述专利文献1所记载的制动衬片中，由于摩擦构件是分别独立可动的构造，因此制动盘与制动衬片之间的摩擦系数有时因制动开始时的行驶速度而发生变动。这种摩擦系数的变动也会在上述专利文献2、3所记载的制动衬片中产生。由于各摩擦构件以一组摩擦构件彼此之间为支点被隔着弹性片或金属薄层弹性支承，因此摩擦构件分别独立可动的构造没有发生改变。

若摩擦系数因制动开始时的行驶速度而发生变动，则难以准确地控制制动过程中的车辆的减速速度，无法确保必要的制动性能。特别是在新干线等高速铁道车辆的情况下，由于行驶速度从低速到高速为止的范围较大，因此摩擦系数的变动被视为问题。

另外，在上述专利文献1所记载的制动衬片的情况下，各摩擦构件利用1个铆钉紧固于基板，因此在制动过程中当场旋转。伴随着反复的制动，若反复产生这种摩擦构件的旋转，则摩擦构件与基板之间的紧固部产生松动，最终摩擦构件会掉落丢失。因此，无法确保充分的耐久性与可靠性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008－151188号公报

专利文献2：国际公开WO2002/073059号手册

专利文献3：日本特开2006－194429号公报

发明内容

发明要解决的问题

本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供能够同时实现制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触面压力的均匀化和它们之间的摩擦系数的稳定化、并且能够提高耐久性与可靠性的铁道车辆用制动衬片及盘形制动器。

用于解决问题的方案

本发明人为了达到上述目的，实施了各种试验和分析并反复进行了认真研究，结果获得了下述（a）～（c）的见解。

（a）如上所述，为了谋求制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触面压力的均匀化，需要设为分别弹性支承多个小尺寸的摩擦构件、且各摩擦构件分别可动的构造。但是，为了谋求制动盘与制动衬片之间的摩擦系数的稳定化，需要设为一定程度上限制了各个摩擦构件的移动的构造。

（b）通过设为使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组、并在该一组摩擦构件的背面上以遍及这两者的方式固定安装一体的背衬、且将各摩擦构件从背面侧分别隔着弹簧构件利用铆钉安装于基板的构造而能够同时实现上述（a）所示的接触面压力的均匀化与摩擦系数的稳定化。这是因为，通过将各摩擦构件分别隔着弹簧构件利用铆钉安装于基板，从而各摩擦构件分别可动。还因为，通过在一组摩擦构件的背面上固定安装一体的背衬，从而一组摩擦构件利用背衬相连结，它们的移动被限制为必要的最小限度。

（c）而且，若设为上述（b）所示的构造，则各摩擦构件实质上利用两个铆钉紧固于基板，因此不会在制动过程中当场旋转，能够防止摩擦构件与基板之间的紧固部产生松动，假设即使在1个部位的紧固部破损的情况下，摩擦构件也不会立即掉落丢失。

本发明是根据上述（a）～（c）所示的见解而完成的，其主旨在于下述（I）所示的铁道车辆用制动衬片及下述（II）所示的铁道车辆用盘形制动器。

（I）一种铁道车辆用制动衬片，其利用制动钳按压于被固定在铁道车辆的车轮或车轴上的制动盘的滑动面，其特征在于，

该制动衬片包括：

多个摩擦构件，其各个表面与制动盘的滑动面相对，分别相互隔开间隙地排列；

背衬，其固定安装于各摩擦构件的背面；以及

基板，其从背面侧隔着弹簧构件支承各摩擦构件的中心部，该基板安装于制动钳；

使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组，该一组摩擦构件的背衬成为一体。

在上述（I）技术方案的制动衬片中，优选的是，上述背衬的与固定安装于该背衬的摩擦构件彼此之间的间隙对应的部分缩颈。在该情况下，优选的是，上述背衬的缩颈部的最小宽度是固定安装于该背衬的摩擦构件的最大宽度的1/3～2/3。

另外，在上述（I）的制动衬片中，优选的是，上述背衬的与固定安装于该背衬的摩擦构件之间的间隙对应的部分的最小长度为2mm～7mm。

（II）一种铁道车辆用盘形制动器，其特征在于，包括：

制动盘，其固定于铁道车辆的车轮或车轴；以及

制动钳，其安装有上述任意的制动衬片。

发明的效果

根据本发明的铁道车辆用制动衬片及盘形制动器，通过设为使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组、并在该一组摩擦构件的背面上以遍及这两者的方式固定安装一体的背衬、且将各摩擦构件从背面侧分别隔着弹簧构件利用铆钉安装于基板的构造，从而能够同时实现制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触面压力的均匀化和它们之间的摩擦系数的稳定化，并且能够提高耐久性与可靠性。

附图说明

图1是表示以往普通的铁道车辆用盘形制动器的图，图1的（a）表示制动衬片的俯视图，图1的（b）表示图1的（a）的A－A截面的放大图。

图2是表示本发明的铁道车辆用盘形制动器的一例的图，图2的（a）表示制动衬片的俯视图，图2的（b）表示一组摩擦构件的放大俯视图，图2的（c）表示图2的（a）的B－B截面的放大图。

具体实施方式

以下，对于本发明的铁道车辆用制动衬片及盘形制动器，详细说明其实施方式。

图2是表示本发明的铁道车辆用盘形制动器的一例的图，图2的（a）表示制动衬片的俯视图，图2的（b）表示一组摩擦构件的放大俯视图，图2的（c）表示图2的（a）的B－B截面的放大图。在图2的（a）、（b）中，分别示出了从成为表面侧的制动盘侧观察制动衬片、一组摩擦构件而看到的状态。

如图2（c）所示，本发明的盘形制动器包括制动盘1、制动衬片2以及安装有该制动衬片2的未图示的制动钳。制动盘1呈环形圆盘状，利用螺栓等安装于未图示的车轮或车轴，并牢固地固定于车轮或车轴。制动钳在制动时工作，将制动衬片2按压于制动盘1的滑动面1a。由此，在制动盘1与制动衬片2之间产生由滑动引起的摩擦，产生制动力。这样，盘形制动器对车轮的旋转或车轴的旋转进行制动，控制车辆的速度。

图2所示的本发明的制动衬片2由多个摩擦构件3、背衬4、弹簧构件5以及用于保持所有上述构件的基板6构成。摩擦构件3的各个表面与制动盘1的滑动面1a相对，分别相互隔开间隙地排列。例如，如图2的（a）所示，摩擦构件3能够采用以在制动盘1的径向上的个数为2个、在制动盘1的周向上的个数为7个的方式排列共计14个的形态。该摩擦构件3的排列、个数并不特别限定。

摩擦构件3由铜烧结材料、树脂类材料等构成，是将上述图1所示的以往型制动衬片102中的宽幅的板状的摩擦构件103分割为小尺寸那样的小块状。如图2的（a）、（b）所示，摩擦构件3的平面形状为圆形，在其中心部具有小孔3a。在将摩擦构件3安装于基板6时，向该小孔3a内插入铆钉7。摩擦构件3的平面形状并不限于圆形，也可以是四边形、六边形等多边形。

在各摩擦构件3的背面，为了维持其强度、刚性而固定安装有由钢等较薄的金属板构成的背衬4。背衬4是使彼此相邻的两个摩擦构件3成为一组、并遍及该一组摩擦构件3的两者的一体的构件。由此，一组摩擦构件3成为利用背衬4相连结的状态。利用背衬4相连结的一组摩擦构件3并不限定于相邻的方向，既可以是在制动盘1的径向上相邻的摩擦构件，也可以是在周向上相邻的摩擦构件，亦可以是在除此以外的方向上相邻的摩擦构件。

各摩擦构件3连同背衬4一起利用贯穿各个中心部的小孔3a的铆钉7安装于基板6。在此，各摩擦构件3在各个背面侧的背衬4与基板6之间分别配设有弹簧构件5，由此，各摩擦构件3成为分别被弹性支承的状态。另外，作为弹簧构件5，在图2中例示了碟形弹簧，但是也可以采用板簧、螺旋弹簧。

根据具有这种结构的制动衬片2的盘形制动器，各摩擦构件3分别隔着弹簧构件5利用铆钉7安装于基板6，由此，各摩擦构件3成为分别被弹性支承的状态，因此分别可动。因此，能够使制动过程中的制动衬片2与制动盘1之间的接触面压力均匀化。

另外，在一组摩擦构件3的背面以遍及这两者的方式固定安装有一体的背衬4，由此，一组摩擦构件3成为利用背衬4相连结的状态，因此与一组摩擦构件3未利用背衬相连结的情况相比，它们的移动被限制为必要的最小限度。因此，与制动开始时的行驶速度无关地能够使制动盘1与制动衬片2之间的摩擦系数稳定化。

而且，各摩擦构件3实质上利用两个铆钉7紧固于基板6，因此不会在制动过程中当场旋转，能够防止各摩擦构件3与基板6之间的紧固部产生松动。假设即使在上述紧固部处产生松动的情况下，只要两个部位的紧固部未同时破损，摩擦构件3就不会立即掉落丢失。因而，能够确保盘形制动器的充分的耐久性与可靠性。

可是，由于各摩擦构件3以其中心部正下方的铆钉7的位置为支点被弹性支承，因此即使在制动过程中各摩擦构件3与制动盘1相接触并可动，也不会较大地倾斜，其接触面在整个区域内均匀地产生磨损，不会产生偏磨损。

在这样的本发明的制动衬片2中，如图2的（a）、（b）所示，优选的是，背衬4的与固定安装于背衬4的一组摩擦构件3之间的间隙对应的部分4a、即摩擦构件3彼此的连结部分4a缩颈。这是因为，在能够实现轻量化方面是有利的。在该情况下，优选的是，背衬4的连结部分4a（缩颈部）的最小宽度w是固定安装于背衬4的摩擦构件3的最大宽度D的1/3～2/3，板厚t（参照图2的（c））为1.5mm～4mm。这是为了能够有效地实现上述接触面积的均匀化与摩擦系数的稳定化。另外，在此所说的摩擦构件3的最大宽度D是指摩擦构件3的在与连结部分4a的最小宽度w平行的方向上的最大宽度。

另外，在本发明的制动衬片2中，如图2的（a）、（b）所示，优选的是，背衬4的连结部分4a的最小长度I、即摩擦构件3彼此之间的最小间隙I为2mm～7mm，更优选设为3mm～5mm较好。这是因为，若连结部分4a的最小长度I过短，则摩擦构件3的移动被过度限制，上述接触面积的均匀化变困难。相反若连结部分4a的最小长度I过长，则摩擦构件3的移动未被充分地限制，上述摩擦系数的稳定化变困难。

另外，优选的是，用于弹性支承摩擦构件3并使其可动的弹簧构件5的弹簧常数在实用方面为4kN/mm～10kN/mm左右。

实施例

为了确认本发明的效果，实施下述FEM分析（有限元素法分析）及制动试验。

[分析及试验的概要]

为了对制动过程中的制动衬片与制动盘之间的接触面压力的均匀化进行评价而进行FEM分析。在分析中，利用弹性体使制动衬片与制动盘模型化，从制动衬片的背面施加与由制动钳产生的按压力相当的载荷。对此时作用于各个摩擦构件的载荷进行评价。

主要为了对制动过程中的制动盘与制动衬片之间的摩擦系数的稳定化进行评价而进行制动试验。在试验中，使安装有制动盘的车轮当场旋转，将安装于制动钳的制动衬片按压于该制动盘而进行制动。根据此时作用于制动衬片的按压载荷和测量出的制动扭矩求出摩擦系数。

在FEM分析及制动试验中，均以在新干线中使用的盘形制动器为对象。

[实施条件]

将FEM分析及制动试验的主要实施条件归纳表示在下述表1中。

[表1]

在FEM分析中，采用上述图2所示的盘形制动器，对于本发明例1～例3的3个条件实施分析。在任意发明例中，背衬的板厚均设为2.3mm，用于连结一组摩擦构件的背衬的连结部分的最小宽度均设为21mm。用于连结一组摩擦构件的背衬的连结部分的最小长度在本发明例1中变更为2mm，在本发明例2中变更为3mm，在本发明例3中变更为5mm。

另外，在本发明例1～例3中共同地将基板的长度方向长度（与制动盘的周向相当的长度）设为400mm，将宽度方向长度（与制动盘的径向相当的长度）设为130mm。对于构成制动衬片的各构件的材料，摩擦构件设为铜烧结材料，除此以外所有构件均设为钢铁材料。摩擦构件设为14个，其平面形状设为直径45mm的圆形。配置在摩擦构件与基板之间的碟形弹簧的弹簧常数设为7kN/mm。制动盘设为内径476mm、外径724mm的大致圆盘状，将与制动衬片相接触的滑动面的半径方向长度设为120mm。

然后，在将按压力设为14kN、将制动盘与制动衬片之间的接触面的摩擦系数设为0.3的条件下来进行FEM分析。

而且，在FEM分析中，为了进行比较，对于比较例1、2的两个条件实施分析。在比较例1中，采用了在上述本发明例1的诸条件中不是利用背衬连结一组摩擦构件而是将背衬单独固定安装于各摩擦构件的背面的盘形制动器（上述专利文献1所记载的制动器），在比较例2中，采用了上述图1所示的以往型盘形制动器。

另一方面，在制动试验中，对于上述本发明例1和比较例1的两个条件实施了试验。各个试验从30km/h～330km/h之间选定了8种不同的速度作为初始速度，进行了各初始速度下的紧急停止制动。

[评价方法]

本发明的目的在于同时实现上述接触面积的均匀化与摩擦系数的稳定化，并进一步确保盘形制动器的耐久性。在制动试验中，为了对摩擦系数的稳定化与耐久性进行评价，作为分别与其对应的指标，调查摩擦系数的偏差，并且调查了各个摩擦构件是否当场旋转。在此，从在各个初始速度下的制动试验中获得的平均摩擦系数中抽出最大值与最小值，将它们的差值作为摩擦系数的偏差。

另一方面，在FEM分析中，为了对接触面积的均匀化进行评价，作为与其对应的指标，调查了作用于各个摩擦构件的载荷的偏差。在此，从施加按压力时作用于各摩擦构件的载荷中抽出最大值与最小值，将它们的差值作为载荷的偏差。

[结果]

将FEM分析及制动试验的结果归纳表示在下述表2中。

[表2]

根据该表所示的结果可知，在本发明例1中，由于利用背衬连结一组摩擦构件，因此摩擦系数的偏差较小，也未产生摩擦构件的旋转。而且，根据碟形弹簧对摩擦构件的弹性支承的效果可知，在本发明例1～发明例3中，载荷的偏差较小。据此可知，具有本发明的制动衬片的盘形制动器能够同时实现接触面积的均匀化与摩擦系数的稳定化，并能够进一步确保耐久性。

另一方面，在比较例1中可知，由于未利用背衬连结一组摩擦构件，因此摩擦系数的偏差比较大，多个摩擦构件产生了旋转。另外，在比较例2中可知，由于是以往型制动衬片，因此载荷的偏差较大。

产业上的可利用性

本发明的铁道车辆用制动衬片及盘形制动器能够有效地利用于所有的铁道车辆，其中尤其对行驶速度从低速到高速为止的范围较大的高速铁道车辆是有用的。

附图标记说明

1：制动盘；1a：滑动面；2：制动衬片；3：摩擦构件；3a：小孔；4：背衬；4a：连结部分；5：弹簧构件；6：基板；7：铆钉。

Claims (5)

1.一种铁道车辆用制动衬片，其利用制动钳按压于被固定在铁道车辆的车轮或车轴上的制动盘的滑动面，其特征在于，

该制动衬片包括：

多个摩擦构件，其各个表面与制动盘的滑动面相对，分别相互隔开间隙地排列；

背衬，其固定安装于各摩擦构件的背面；以及

基板，其从背面侧隔着弹簧构件支承各摩擦构件的中心部，该基板安装于制动钳；

使彼此相邻的两个摩擦构件成为一组，该一组摩擦构件的背衬成为一体。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆用制动衬片，其特征在于，

上述背衬的与固定安装于该背衬的摩擦构件彼此之间的间隙对应的部分缩颈。

3.根据权利要求2所述的铁道车辆用制动衬片，其特征在于，

上述背衬的缩颈部的最小宽度是固定安装于该背衬的摩擦构件的最大宽度的1/3～2/3。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的铁道车辆用制动衬片，其特征在于，

上述背衬的与固定安装于该背衬的摩擦构件彼此之间的间隙对应的部分的最小长度为2mm～7mm。

5.一种铁道车辆用盘形制动器，其特征在于，包括：

制动盘，其固定于铁道车辆的车轮或车轴；以及

制动钳，其安装有权利要求1至4中任一项所述的制动衬片。

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