JP2004297940A - 渦電流減速装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】長時間にわたって使用した場合であっても、安定した制動力と耐久性が確保できる渦電流減速装置を提供する。
【解決手段】制動力を発生する環状環状制動ディスク２と、回転軸１に取り付けられ、かつ環状制動ディスク２の内周端部よりも外側で接続する制動ディスク保持部材８と、制動ディスク２に近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リング４と、この保持リングの円周方向に制動ディスクに対向して、隣接する磁極が互いに逆向きに配した複数の磁石７とを設け、磁石７が少なくとも永久磁石であり、制動ディスク２に接近して制動状態となる位置と、離れて非制動状態となる位置との間で移動可能に構成されていることを特徴とする渦電流減速装置である。さらに、前記保持リングを収容する案内筒３が、車両の非回転部分に支持されて前記制動ディスクの主面に接近して配置されている渦電流減速装置である。
【選択図】図２
【解決手段】制動力を発生する環状環状制動ディスク２と、回転軸１に取り付けられ、かつ環状制動ディスク２の内周端部よりも外側で接続する制動ディスク保持部材８と、制動ディスク２に近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リング４と、この保持リングの円周方向に制動ディスクに対向して、隣接する磁極が互いに逆向きに配した複数の磁石７とを設け、磁石７が少なくとも永久磁石であり、制動ディスク２に接近して制動状態となる位置と、離れて非制動状態となる位置との間で移動可能に構成されていることを特徴とする渦電流減速装置である。さらに、前記保持リングを収容する案内筒３が、車両の非回転部分に支持されて前記制動ディスクの主面に接近して配置されている渦電流減速装置である。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車両に用いられる主ブレーキを補助するディスクタイプの渦電流減速装置に関し、さらに詳しくは制動時の制動効率に優れ、簡易な構造で小型化および軽量化が図れ、長時間にわたって使用した場合であっても、安定した制動力と耐久性が確保できる渦電流減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トラックやバス等の自動車用の制動装置には、主ブレーキであるフットブレーキ、補助ブレーキである排気ブレーキの他に長い坂道の降坂等において安定した減速を行い、さらにフットブレーキのベーパーロック現象や焼損を防止するために、渦電流減速装置が使用されている。
【０００３】
従来から多用されている渦電流減速装置として、永久磁石を用いて回転しながら対向する導体内に渦電流を生じさせ、ローレンツ力により車両の回転軸に制動をかける方式がある。通常、この方式の減速装置では、永久磁石を収納して内部で永久磁石がスイッチング位置に動けるように構成される案内筒と、案内筒の外側で車体の回転軸に接続されているローター部分とから構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年においては、渦電流減速装置を搭載する車両の数や種類が増加し、渦電流減速装置に要求される性能が多様化すると同時に、高度化しており、例えば、装置の耐久性についても所定の性能が要求されるようになっている。
【０００５】
具体的には、連続して渦電流減速装置を使用する車種では、制動ディスクが長時間にわたって高温にさらされるため、発生する熱変形が大きくなる。また、頻繁に制動および非制動を繰り返す車種では、制動ディスクに非弾性ひずみが多数回繰返し負荷されることから、熱疲労亀裂が発生する。このため、制動ディスクの熱変形や熱疲労亀裂の発生防止を図り、装置の耐久性を向上させ、装置寿命を延長させることが要求される。
【０００６】
本発明は、この渦電流減速装置の耐久性の向上に鑑みてなされたものであり、制動時の制動効率に優れ、簡易な構造で小型、軽量化が可能であるとともに、長時間にわたって使用した場合であっても、制動ディスクの変形が抑制でき、安定した制動力の確保が可能であり、また、熱疲労亀裂の発生を防止し、耐久性を向上させることができる渦電流減速装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図１は、永久磁石を用いて対向する導体内に渦電流を生じさせる渦電流減速装置の構成例を示す断面図である。案内筒３やシリンダー５等の装置各部の詳細な作用や構成は後述するが、制動ディスク２１は永久磁石７に対向するように配置され、制動時にはその内部に渦電流が発生する。図１に示す制動ディスク２１は、その内周部が回転軸１に取り付けられ、固定された構造になっている。また、制動ディスク２１の背面には、冷却用のフィン９が設けられている。
【０００８】
永久磁石が及ぼす磁力を制動ディスクに垂直に作用させると、その磁力線を回転する制動ディスクが横切るときに相対的な速度差から制動ディスクに渦電流が発生し、ジュール熱が発生する。この発熱によって制動ディスクが熱膨張するが、その内周部が回転軸に固定されているため、半径方向の熱膨張が拘束される。
【０００９】
制動時の制動ディスクは、永久磁石と対向する部位はジュール熱により高温になるが、その部位より内周側および外周側では発熱量が小さく、永久磁石と対向する部位より低温になる。したがって、制動ディスクには永久磁石と対向する高温部と、その内周側および外周側に位置する低温部が存在する。このとき、制動ディスクの熱膨張量は高温になる部位ほど大きくなるが、永久磁石と対向する高温部の熱膨張量は、周囲の低温部、すなわち、熱膨張が小さい部位によって拘束される。この結果、制動ディスクの高温部には、非弾性ひずみ（塑性ひずみおよびクリープひずみ）が生じる。
【００１０】
制動ディスクを長期間使用した場合には、この非弾性ひずみが蓄積し、残留変形が生じ、徐々に制動ディスクの変形が大きくなる。制動ディスクの変形が大きくなると、永久磁石と制動ディスク表面との距離が変化するため、制動ディスクに作用する磁力が変化して制動効率が低下する。
【００１１】
さらに、制動ディスクを長期間使用して制動および非制動を繰り返すことによって、制動ディスクに非弾性ひずみが繰り返し負荷されるため、熱疲労亀裂が発生する。熱疲労亀裂が発生すると、ディスクに発生する渦電流が減少し、制動効率が低下する。
【００１２】
上述した制動ディスクの変形および熱疲労亀裂発生を抑制するには、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制することが必要である。このため、制動ディスクの内周部を回転軸に直接固定しない構造にするとともに、制動ディスクの半径方向に温度差が形成されにくい構造にするのが有効である。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記に記載された渦電流減速装置を要旨としている。
（１） 本発明に基づく渦電流減速装置は、車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、前記環状制動ディスクの他方の主面に近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リングと、前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの他方の主面に対向して、隣接する磁極面が互いに逆向きに配した複数の第１の永久磁石とを設け、前記第１の永久磁石が前記環状制動ディスクに接近して制動状態となる位置と、前記環状制動ディスクから離れて非制動状態となる位置との間で移動可能に構成されていることを特徴としている。
【００１３】
前記で規定する「環状制動ディスク」とは、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制するため、制動ディスクの内周部を回転軸に固定せず、同時に半径方向に温度差が形成できにくい形状にしたものである。本発明の制動ディスクの基本形は円形環状であるが、必ずしも円形のものに限定されるものではなく、環状部の始点と終点が連続しており、切れ目のない形状であれば採用することができる。
【００１４】
基本形に関して、円形環状に限定されず、環状部の始点と終点が連続しており、切れ目のない形状であることは、保持リングについても同様である。環状制動ディスクと保持リングとは、環状制動ディスク主面の上方から投影したときに、少なくとも相似形であり、合同形状であるとより好ましく、最も好ましくは、相似形または合同形状の互いの図形上で回転角を持たないことである。
（２） また、本発明に基づく渦電流減速装置は、車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、前記環状制動ディスクの他方の主面に接近して非接触に保持される保持リングと、前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの一方の主面に対向して、少なくとも一つの第二の永久磁石と少なくとも一つのスイッチング用電磁石とを含む複合磁石を複数個設け、隣接する前記複合磁石の磁極面の向きが互いに逆向きに配置されていることを特徴としている。
【００１５】
ここで、「複合磁石」とは、磁石に永久磁石と電磁石とを組み合わせた磁石を示している。例えば、複合磁石として永久磁石の磁路を電磁石をＯＮ−ＯＦＦすることによって変化させる、いわゆるハイブリッド型を採用すると、シリンダによる保持リングの駆動部を設けなくても、制動または非制動の切り替えが可能になる。
【００１６】
なお、以下の説明において、単に「磁石」と記すのは、永久磁石だけの場合（第１の永久磁石）および永久磁石（第２の永久磁石）と電磁石の組み合わせによる複合磁石の少なくともいずれか一方を示す。
【００１７】
「環状制動ディスクの主面」とは、環状制動ディスクが有する、表裏の環状の盤面、外周面および内周面の４面のうち、広くて平らな平面を有する環状の盤面をいう。ちなみに、前記表裏盤面のいずれかの平面（いずれかの主面）が磁力と対向している。
【００１８】
次に「接近して」とは、磁石から十分な磁力線が回転中の環状制動ディスクに到達し、その環状制動ディスクに十分な渦電流を発生させ、回転エネルギーを熱に変換し、回転しているこの環状制動ディスクにブレーキを十分かけることができる程度に、磁石またはそれを保持する保持リングと環状制動ディスクとが近づいている状態をいう。
【００１９】
また「離れて」とは、磁石からの磁力線が環状制動ディスクには殆ど到達せず、その結果として環状制動ディスクにはほとんど渦電流が生じない程度に、磁石またはそれを保持する保持リングと環状制動ディスクとが遠ざかっている状態をいう。
【００２０】
さらに「磁極面」とは、磁石形状を形成する「面」のうち、静止している制動ディスクの主面に対して垂直に通過する磁束を出すことができる磁石の面をいう。すなわち、制動ディスク主面に対向している磁石の面を磁極面とも言うことができ、主には磁石形状そのもののある一つの面を指すが、磁石そのものでなく強磁性体等を介して磁束を出す前述の複合磁石などの場合や、あるいは磁石形状に凹凸等が有り、複数の磁石表面から磁束が出される場合では、仮想的に磁束を出す面を規定しそれを磁極面としてもよい。
（３） 本発明に基づく渦電流減速装置は、前記環状の制動ディスクは、磁石の磁極面と対向する位置に設けられ、且つその環の幅（回転軸の中心から回転軸の半径方向に見たときの環の長さ）は、その磁石の回転軸に対する径方向長さ以上の幅を有している。
【００２１】
このように構成することによって、磁石が及ぼす磁力を制動ディスクに充分に作用させることができて、しかも、制動ディスクは環状であるため、その半径方向の幅は回転軸に固定された円板状の制動ディスクの場合より小さくなり、制動ディスクの半径方向に形成される温度差は小さくなる。
（４） 本発明に基づく渦電流減速装置では、制動ディスク保持部材は、前記環状制動ディスクの内周側から外周側に伸びる第１のリブを含み、さらに、前記第１のリブで保持し回転軸に取り付け可能な支持板を備えてもよい。
【００２２】
制動ディスク保持部材にリブと支持板とを含ませて構成すると、隣接する２枚のリブと環状制動ディスクと、支持板との間に空洞が形成され、ここを流通する空気量を確保でき、制動ディスクの冷却能力を高めることができる。さらに、リブを環状制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出させることによって、空気を積極的に空洞内に送り込むことが可能になり、一層、制動ディスクの冷却能力を高めることができる。
（５） 本発明に基づく渦電流減速装置は、リブが前記回転軸まで伸び、その内周部が回転軸に取り付けられるように構成してもよい。このような構成であっても、制動時に熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクに形成される温度差を小さくし、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを低減できる。ここで、前記制動ディスク保持部材が回転軸に取り付けられたリブを挟んで前記制動ディスクの反対側に背面ディスクを備えてもよい。
（６） 本発明に基づく渦電流減速装置に用いられるリブは、前記環状制動ディスクの放熱用のフインとして構成してもよい。これにより、制動時であっても、制動ディスクの冷却性能が高まりディスクの温度が上昇しにくくなるので、ディスクの半径方向に形成される温度差が小さくなり、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを小さくできる。
【００２３】
ここで用いられるリブは、回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜して構成したり、さらに回転方向に湾曲して構成したりしてもよい。こうすることで、形成される空洞内を空気が流通し易くなり、空気による冷却効果を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
上述した本発明に基づく渦電流減速装置の構成の例を、具体的な図面を用いて説明する。
【００２５】
図２は、本発明に基づく第１の減速装置の断面構成例を示す図である。第１の減速装置では、制動ディスク保持部材８は支持ディスク（支持板）８ｂおよびリブ８ａの組み合わせによって構成される。図２に示す渦電流減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられた支持ディスク８ｂと、リブ８ａを介して支持ディスク８ｂにその一つの主面で接続された環状制動ディスク２と、車両の非回転部分に取り付けられた案内筒３を備えている。環状制動ディスク２は、リブ８ａを介した支持ディスク８ｂとの接続により回転軸１に固定される。
【００２６】
案内筒３の内部には環状制動ディスク２の制動面（主面）に対し近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リング４が収容され、さらに、案内筒３には保持リング４を前後進させるシリンダー５が設けられている。一方、案内筒３の環状制動ディスク２と対向する端面には強磁性材からなるポールピース３ａが配置される。
【００２７】
図２に示す案内筒３では、その制動ディスク２と対向する端面には強磁性材からなるポールピース３ａが配置される構造になっているが、本発明の渦電流減速装置では、案内筒の制動ディスクと対向する端面にポールピースを配置させることなく、この案内筒の端面を非磁性材で構成するものであってもよい。なお、耐久性、耐候性が満足できる場合は、案内筒そのものを配備させなくともよい。
【００２８】
保持リング４の環状制動ディスク２と対向する面には、複数の磁石７が周方向に配置されている。磁石７の磁極面は環状制動ディスク２の制動面（主面）に対向しており、隣接する磁石７の磁極面が互いに逆向きに配置されている。本発明の渦電流減速装置では、磁石７は少なくとも永久磁石を用いることとしているが、前述の通り、永久磁石と電磁石とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド型を採用することも可能である。
【００２９】
保持リング４および磁石７を収容する案内筒３は、アルミニウム、ステンレス鋼（オーステナイト系）、樹脂等非磁性材で構成され、その厚さは特に規定されないが、案内筒３の磁石と対向する端面は薄い方が望ましい。また、案内筒３の端面にポールピース３ａを設ける場合には、例えば、案内筒を鋳造で作製する際に、ポールピースを一体として鋳込む方法を採用することができる。
【００３０】
一方、環状制動ディスク２は、制動時に内部に渦電流が発生し、ジュール熱を生ずるため、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ系の耐熱鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４１５）などの鉄を主成分とした鋼を用いることができる。
【００３１】
ここで、磁石７として永久磁石を用いる場合、制動時および非制動時の動作および作用は次の通りである。磁石７の駆動機構は案内筒３の外端壁にシリンダー５が配置され、シリンダー５に嵌合するピストンロッド６が案内筒３の外端壁を貫通して保持リング４に結合している。このように構成することによって、シリンダー５の作動により環状制動ディスク２に対し、この例では直交する方向に、保持リング４を近づく方向と離れる方向とに移動させることができる。
【００３２】
制動時には、シリンダー５のピストンロッド６が右方（近づく方向）へ移動し、保持リング４が環状制動ディスク２の回転軸方向に前進し、磁石７が制動ディスクに対向して接近する。このとき、各磁石７が環状制動ディスク２の制動面（主面）に及ぼす磁力線を回転する環状制動ディスク２が横切る時、相対的な速度差から環状制動ディスク２に渦電流が流れ、制動トルクが発生する。
【００３３】
非制動に切り換える際には、シリンダー５の作動を切り換えて、ピストンロッド６に直結された保持リング４を左方（離れる方向）へ移動させるので、磁石７が環状制動ディスク２の制動面（主面）から離れ、磁石７が環状制動ディスク２へ及ぼす磁力線を弱くして、制動トルクが殆ど働かないようにする。
【００３４】
図３は、本発明に基づく第１の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｘ−Ｘ視野正面図）を示す図である。同図に示す構成例では、制動時に磁石の磁力が作用して制動力が生じる環状制動ディスク２が、中間部材であるリブ８ａを介して支持ディスク（支持板）８ｂに接続している。
【００３５】
図３に示す環状制動ディスク２は、円形環状（リング状）の平板から構成されているが、本発明においてはこのような形状に限定されず、内周部が拘束されることがないように環状に構成されていればよい。
【００３６】
図３に示すように、環状制動ディスク２を支持ディスク８ｂに接続して回転軸に固定することによって、制動時に渦電流が生じ、にジュール熱が発生する場合であっても、環状制動ディスクの内周部は回転軸に直接固定されていないため、熱膨張による拘束は少ない。また、制動ディスクは環状であるため、その半径方向の幅は回転軸に固定された円板状の制動ディスクの場合より小さくなり、制動ディスクの半径方向に形成される温度差は小さい。そのため、磁石と対向する高温部の熱膨張が周囲の低温部、すなわち熱膨張が小さい部位によって拘束される程度も小さくなる。
【００３７】
上述の通り、磁石と対向する高温部になる制動ディスクの熱膨張に対する拘束が低減されると、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが減少し、長時間使用による制動ディスクの変形が抑制され、制動力の低下を防止できる。さらに、制動および非制動を繰り返したときに制動ディスクに繰り返し負荷される非弾性ひずみを低減でき、熱疲労亀裂の発生を抑制できる。
【００３８】
図３に示す環状制動ディスク２では、隣接する２枚のリブ８ａ、環状制動ディスク２および支持ディスク８ｂによって空洞が形成される。環状制動ディスク２の回転にともなって、この空洞内を内周部から外周部に空気が流通し、環状制動ディスク２を冷却する。この空洞内を流通する空気量が多くなれば、その冷却性能が高まり、環状制動ディスク２の温度上昇を抑制することができる。その結果、制動ディスクの熱膨張が低減され、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制できる。したがって、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上するには、前記空洞内を流通する空気量が増加する構造にするのが望ましい。
【００３９】
図４は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたリブを介して支持ディスクに接続した構成を例示する図である。リブ８ａを回転方向に対して傾斜させることによって、形成された空洞内を内周側から外周側に空気が流通し易くなり、流通する空気量を増加させることができる。これにより、制動ディスクの冷却性能を高め、温度上昇を抑制することが可能になり、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上することができる。
【００４０】
図５は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲させたリブを介して支持ディスクに接続した構成を例示する図である。リブ８ａを湾曲させた横造にすることによって、形成された空洞内を内周側から外周側に空気が、一層流通し易くなり、流通空気による冷却効果を高めることができる。
【００４１】
また、リブ８ａ自体を湾曲させることによって、単に傾斜させたのに比べてリブ８ａ側面の表面積を大きくでき、流通空気による放熱量を増加させることもできる。その結果、一層、制動ディスクの冷却性能を高め、温度上昇を抑制することが可能になり、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上することができる。
【００４２】
図６は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたリブを介して支持ディスクに接続し、このリブを制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出した構成を例示する図である。リブ８ａを制動ディスクの内周側に突出させることによって、空気を積極的に空洞内に流通させることができる。すなわち、リブの突出部に当たる空気は空洞内に導入されるため、空洞内を流通する空気量が増加し、制動ディスクの冷却性能が高まり、制動ディスクの温度上昇を抑制することができる。
【００４３】
図７は、本発明に基づく第２の減速装置の構成を例示する図であり、同（ａ）はその断面構成例を示しており、（ｂ）は環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｙ−Ｙ視野正面図）で示す図である。
【００４４】
図７に示す制動ディスク保持部材８は、回転軸１に取り付けられたリブ８ａおよび環状の背面ディスク（背面板）８ｃの組み合わせによって構成される。第２の減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられたリブ８ａを挟んで、環状制動ディスク２とその反対側に環状の背面ディスク８ｃが接続されており、環状制動ディスク２はリム８ａを介して回転軸１に固定され、回転軸１とともに回転する。背面板の内径は、空気量との関係で適宜設計し、制動ディスクの内径より小さくても、外径より大きくなってもよい。
【００４５】
図７に示す構成を採用することによって、前記第１の減速装置の場合と同様に、制動時に渦電流が生じ、同時にジュール熱が発生した場合であっても、熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクの半径方向の温度差は小さくなるので、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが小さくなるとともに、長時間使用による制動ディスクの変形が抑制され、制動力の低下を防止できる。さらに、制動および非制動を繰り返した場合でも、熱疲労亀裂の発生を抑制できる。
【００４６】
第２の減速装置においても、隣接する２枚のリブ８ａ、環状制動ディスク２および背面ディスク８ｃによって形成される空洞内を流通する空気量を増加するとともに、放熱量を増やすために、前記リブを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたり、または湾曲させたりすることができる。
【００４７】
図８は、本発明に基づく第３の減速装置の構成を例示する図であり、同（ａ）はその断面構成例を示しており、（ｂ）は環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｚ−Ｚ視野正面図）で示す図である。
【００４８】
第３の減速装置では、制動ディスク保持部材８はリブ８ａのみにて構成される。図８に示す渦電流減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられたリブ８ａと、このリブ８ａに環状制動ディスク２が接続され、このリブ８ａを制動ディスクの放熱用のフインとして構成するため、背面ディスク（背面板）の接続はない。
【００４９】
図８に示す構成を採用することによって、前記第１、第２の減速装置の場合と同様に、制動時であっても、熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクの半径方向の温度差は小さくなるので、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが小さくなり、長時間使用による制動ディスクの変形や、制動および非制動の繰り返しによる熱疲労亀裂の発生を抑制することができる。
【００５０】
第３の減速装置でも、制動ディスクの放熱用フインとして使用するリブの放熱効率を向上させるため、リブを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたり、または湾曲させたりすることが有効である。
【００５１】
上述した第１〜第３の減速装置では、環状制動ディスクとリブ、リブと支持ディスク（支持板）、またはリブと背面ディスク（背面板）を接続するため、これらの組み合わせを鋳造で一体で作製しても良い。また、各々の部材を溶接やボルト止めなどにより結合して、前記の接続を行うようにしても良い。
【００５２】
【実施例】
本発明の渦電流減速装置の効果を確認するため、有限要素法（ＦＥＭ）解析を行って、制動および非制動を繰り返した場合に制動ディスクの表面に生じる非弾性ひずみ範囲を評価した。具体的には、供試材として本発明に基づく１〜３の減速装置の例および比較例を用い、制動ディスクの最高温度を６５０℃、最低温度を１００℃とし、この熱サイクルを負荷したときに生じる非弾性ひずみ範囲を評価した。
【００５３】
ただし、非弾性ひずみ範囲とは、制動、非制動を繰り返した場合に、制動ディスクの表面に生ずる非弾性ひずみの値の幅を表し、一般に、この非弾性ひずみ範囲が大きいほど、亀裂寿命は短くなる。なお、「ひずみ」なので単位長さに対する伸びの割合（％）で示されており、その値の幅（範囲）を示したのがひずみ範囲である。
【００５４】
本発明例１では、第１の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図３に示すように、環状制動ディスク２の接続は、支持ディスク８ｂを回転軸１に取り付け、環状制動ディスク２をリブ８ａを介して支持ディスク８ｂに接続するようにした。
【００５５】
環状制動ディスクの材質はＣｒ−Ｍｏ系の低合金鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４１５）とし、車両の回転軸の外径が１３０ｍｍであるのに対し、環状制動ディスクの寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。
【００５６】
支持ディスクの寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとし、リブ寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×高さ２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００５７】
本発明例２では、第２の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図７に示すように、回転軸１に取り付けられたリブ８ａを挟んで、環状制動ディスク２とその反対側に背面ディスク８ｃを接続するようにした。
【００５８】
環状制動ディスクおよび回転軸の寸法は、本発明例１と同じとした。背面ディスクの寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとし、リム寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００５９】
本発明例３では、第３の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図８に示すように、回転軸１に取り付けられたリブ８ａと環状制動ディスク２とを接続して、リブ８ａを制動ディスクの放熱用のフインとして構成した。
【００６０】
環状制動ディスクおよび回転軸の寸法は、本発明例１、２と同じとした。リブ寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００６１】
比較例では、永久磁石を用いた渦電流減速装置の円板状の制動ディスクの構成とした。すなわち、前記図１に示すように、環状制動ディスク２１の内周部が回転軸１に取り付けられた構造であり、制動ディスク２１の背面には冷却用フィン９が設けられている。
【００６２】
制動ディスクの材質は本発明例１〜３と同じであり、車両の回転軸の外径が１３０ｍｍであるのに対し、制動ディスクの寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。また、フィン寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×高さ２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００６３】
前記本発明例１〜３および比較例を用いて、ＦＥＭ解析によって非弾性ひずみ範囲を評価した結果を表１に示した。
【００６４】
【表１】
表１の評価結果から、本発明例１〜３では、比較例に比べて、制動および非制動を繰り返した場合に、制動ディスクの表面に生じる非弾性ひずみ範囲が小さい。前述の通り、非弾性ひずみ範囲が大きいほど、熱疲労亀裂の発生までの寿命は短くなることから、本発明例１〜３は、比較例に比べて、熱疲労亀裂の発生を抑制でき、装置の耐久性を向上させることができることが分かる。
【００６５】
以上の通り、本発明の実施の形態および実施例を例示して説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術思想の範疇において変更可能である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の渦電流減速装置であれば、制動ディスクの内周部が回転軸に直接固定されず、環状制動ディスクであるため、半径方向の幅が小さく、半径方向に形成される温度差は小さくなり、制動ディスクに発生する非弾性ひずみが低減され、長期間使用した場合であっても、制動ディスクが変形して制動力が低下したり、熱疲労亀裂が発生することを防止できる。
【００６７】
これにより、制動時の磁気効率に優れ、簡易な構造で小型、軽量化が可能であるとともに、装置の耐久性と寿命を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石を用いて対向する導体内に渦電流を生じさせる渦電流減速装置の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明に基づく第１の減速装置の断面構成例を示す図である。
【図３】本発明に基づく第１の減速装置で採用する制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｘ−Ｘ視野正面図）を示す図である。
【図４】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜したリブを介して支持ディスクに接続した構成を示す図である。
【図５】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲したリブを介して支持ディスクに接続した構成を示す図である。
【図６】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲したリブを介して支持ディスクに接続し、このリブを制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出した構成を示す図である。
【図７】本発明に基づく第２の減速装置の構成を例示する図であり、（ａ）は断面構成例を示し、（ｂ）は制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｙ−Ｙ視野正面図）で示す図である。
【図８】本発明に基づく第３の減速装置の構成を例示する図であり、（ａ）は断面構成例を示し、（ｂ）は制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｚ−Ｚ視野正面図）で示す図である。
【符号の説明】
１：回転軸、 ２、２１：制動ディスク
３：案内筒、 ３ａ：ポールピース
４：保持リング、 ５：シリンダー
６：ピストンロッド、 ７：磁石、永久磁石
８：制動ディスク保持部材、 ８ａ：リブ
８ｂ：支持ディスク（支持板）
８ｃ：背面ディスク（背面板）
９：冷却用フィン
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の車両に用いられる主ブレーキを補助するディスクタイプの渦電流減速装置に関し、さらに詳しくは制動時の制動効率に優れ、簡易な構造で小型化および軽量化が図れ、長時間にわたって使用した場合であっても、安定した制動力と耐久性が確保できる渦電流減速装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トラックやバス等の自動車用の制動装置には、主ブレーキであるフットブレーキ、補助ブレーキである排気ブレーキの他に長い坂道の降坂等において安定した減速を行い、さらにフットブレーキのベーパーロック現象や焼損を防止するために、渦電流減速装置が使用されている。
【０００３】
従来から多用されている渦電流減速装置として、永久磁石を用いて回転しながら対向する導体内に渦電流を生じさせ、ローレンツ力により車両の回転軸に制動をかける方式がある。通常、この方式の減速装置では、永久磁石を収納して内部で永久磁石がスイッチング位置に動けるように構成される案内筒と、案内筒の外側で車体の回転軸に接続されているローター部分とから構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年においては、渦電流減速装置を搭載する車両の数や種類が増加し、渦電流減速装置に要求される性能が多様化すると同時に、高度化しており、例えば、装置の耐久性についても所定の性能が要求されるようになっている。
【０００５】
具体的には、連続して渦電流減速装置を使用する車種では、制動ディスクが長時間にわたって高温にさらされるため、発生する熱変形が大きくなる。また、頻繁に制動および非制動を繰り返す車種では、制動ディスクに非弾性ひずみが多数回繰返し負荷されることから、熱疲労亀裂が発生する。このため、制動ディスクの熱変形や熱疲労亀裂の発生防止を図り、装置の耐久性を向上させ、装置寿命を延長させることが要求される。
【０００６】
本発明は、この渦電流減速装置の耐久性の向上に鑑みてなされたものであり、制動時の制動効率に優れ、簡易な構造で小型、軽量化が可能であるとともに、長時間にわたって使用した場合であっても、制動ディスクの変形が抑制でき、安定した制動力の確保が可能であり、また、熱疲労亀裂の発生を防止し、耐久性を向上させることができる渦電流減速装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図１は、永久磁石を用いて対向する導体内に渦電流を生じさせる渦電流減速装置の構成例を示す断面図である。案内筒３やシリンダー５等の装置各部の詳細な作用や構成は後述するが、制動ディスク２１は永久磁石７に対向するように配置され、制動時にはその内部に渦電流が発生する。図１に示す制動ディスク２１は、その内周部が回転軸１に取り付けられ、固定された構造になっている。また、制動ディスク２１の背面には、冷却用のフィン９が設けられている。
【０００８】
永久磁石が及ぼす磁力を制動ディスクに垂直に作用させると、その磁力線を回転する制動ディスクが横切るときに相対的な速度差から制動ディスクに渦電流が発生し、ジュール熱が発生する。この発熱によって制動ディスクが熱膨張するが、その内周部が回転軸に固定されているため、半径方向の熱膨張が拘束される。
【０００９】
制動時の制動ディスクは、永久磁石と対向する部位はジュール熱により高温になるが、その部位より内周側および外周側では発熱量が小さく、永久磁石と対向する部位より低温になる。したがって、制動ディスクには永久磁石と対向する高温部と、その内周側および外周側に位置する低温部が存在する。このとき、制動ディスクの熱膨張量は高温になる部位ほど大きくなるが、永久磁石と対向する高温部の熱膨張量は、周囲の低温部、すなわち、熱膨張が小さい部位によって拘束される。この結果、制動ディスクの高温部には、非弾性ひずみ（塑性ひずみおよびクリープひずみ）が生じる。
【００１０】
制動ディスクを長期間使用した場合には、この非弾性ひずみが蓄積し、残留変形が生じ、徐々に制動ディスクの変形が大きくなる。制動ディスクの変形が大きくなると、永久磁石と制動ディスク表面との距離が変化するため、制動ディスクに作用する磁力が変化して制動効率が低下する。
【００１１】
さらに、制動ディスクを長期間使用して制動および非制動を繰り返すことによって、制動ディスクに非弾性ひずみが繰り返し負荷されるため、熱疲労亀裂が発生する。熱疲労亀裂が発生すると、ディスクに発生する渦電流が減少し、制動効率が低下する。
【００１２】
上述した制動ディスクの変形および熱疲労亀裂発生を抑制するには、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制することが必要である。このため、制動ディスクの内周部を回転軸に直接固定しない構造にするとともに、制動ディスクの半径方向に温度差が形成されにくい構造にするのが有効である。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、下記に記載された渦電流減速装置を要旨としている。
（１） 本発明に基づく渦電流減速装置は、車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、前記環状制動ディスクの他方の主面に近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リングと、前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの他方の主面に対向して、隣接する磁極面が互いに逆向きに配した複数の第１の永久磁石とを設け、前記第１の永久磁石が前記環状制動ディスクに接近して制動状態となる位置と、前記環状制動ディスクから離れて非制動状態となる位置との間で移動可能に構成されていることを特徴としている。
【００１３】
前記で規定する「環状制動ディスク」とは、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制するため、制動ディスクの内周部を回転軸に固定せず、同時に半径方向に温度差が形成できにくい形状にしたものである。本発明の制動ディスクの基本形は円形環状であるが、必ずしも円形のものに限定されるものではなく、環状部の始点と終点が連続しており、切れ目のない形状であれば採用することができる。
【００１４】
基本形に関して、円形環状に限定されず、環状部の始点と終点が連続しており、切れ目のない形状であることは、保持リングについても同様である。環状制動ディスクと保持リングとは、環状制動ディスク主面の上方から投影したときに、少なくとも相似形であり、合同形状であるとより好ましく、最も好ましくは、相似形または合同形状の互いの図形上で回転角を持たないことである。
（２） また、本発明に基づく渦電流減速装置は、車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、前記環状制動ディスクの他方の主面に接近して非接触に保持される保持リングと、前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの一方の主面に対向して、少なくとも一つの第二の永久磁石と少なくとも一つのスイッチング用電磁石とを含む複合磁石を複数個設け、隣接する前記複合磁石の磁極面の向きが互いに逆向きに配置されていることを特徴としている。
【００１５】
ここで、「複合磁石」とは、磁石に永久磁石と電磁石とを組み合わせた磁石を示している。例えば、複合磁石として永久磁石の磁路を電磁石をＯＮ−ＯＦＦすることによって変化させる、いわゆるハイブリッド型を採用すると、シリンダによる保持リングの駆動部を設けなくても、制動または非制動の切り替えが可能になる。
【００１６】
なお、以下の説明において、単に「磁石」と記すのは、永久磁石だけの場合（第１の永久磁石）および永久磁石（第２の永久磁石）と電磁石の組み合わせによる複合磁石の少なくともいずれか一方を示す。
【００１７】
「環状制動ディスクの主面」とは、環状制動ディスクが有する、表裏の環状の盤面、外周面および内周面の４面のうち、広くて平らな平面を有する環状の盤面をいう。ちなみに、前記表裏盤面のいずれかの平面（いずれかの主面）が磁力と対向している。
【００１８】
次に「接近して」とは、磁石から十分な磁力線が回転中の環状制動ディスクに到達し、その環状制動ディスクに十分な渦電流を発生させ、回転エネルギーを熱に変換し、回転しているこの環状制動ディスクにブレーキを十分かけることができる程度に、磁石またはそれを保持する保持リングと環状制動ディスクとが近づいている状態をいう。
【００１９】
また「離れて」とは、磁石からの磁力線が環状制動ディスクには殆ど到達せず、その結果として環状制動ディスクにはほとんど渦電流が生じない程度に、磁石またはそれを保持する保持リングと環状制動ディスクとが遠ざかっている状態をいう。
【００２０】
さらに「磁極面」とは、磁石形状を形成する「面」のうち、静止している制動ディスクの主面に対して垂直に通過する磁束を出すことができる磁石の面をいう。すなわち、制動ディスク主面に対向している磁石の面を磁極面とも言うことができ、主には磁石形状そのもののある一つの面を指すが、磁石そのものでなく強磁性体等を介して磁束を出す前述の複合磁石などの場合や、あるいは磁石形状に凹凸等が有り、複数の磁石表面から磁束が出される場合では、仮想的に磁束を出す面を規定しそれを磁極面としてもよい。
（３） 本発明に基づく渦電流減速装置は、前記環状の制動ディスクは、磁石の磁極面と対向する位置に設けられ、且つその環の幅（回転軸の中心から回転軸の半径方向に見たときの環の長さ）は、その磁石の回転軸に対する径方向長さ以上の幅を有している。
【００２１】
このように構成することによって、磁石が及ぼす磁力を制動ディスクに充分に作用させることができて、しかも、制動ディスクは環状であるため、その半径方向の幅は回転軸に固定された円板状の制動ディスクの場合より小さくなり、制動ディスクの半径方向に形成される温度差は小さくなる。
（４） 本発明に基づく渦電流減速装置では、制動ディスク保持部材は、前記環状制動ディスクの内周側から外周側に伸びる第１のリブを含み、さらに、前記第１のリブで保持し回転軸に取り付け可能な支持板を備えてもよい。
【００２２】
制動ディスク保持部材にリブと支持板とを含ませて構成すると、隣接する２枚のリブと環状制動ディスクと、支持板との間に空洞が形成され、ここを流通する空気量を確保でき、制動ディスクの冷却能力を高めることができる。さらに、リブを環状制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出させることによって、空気を積極的に空洞内に送り込むことが可能になり、一層、制動ディスクの冷却能力を高めることができる。
（５） 本発明に基づく渦電流減速装置は、リブが前記回転軸まで伸び、その内周部が回転軸に取り付けられるように構成してもよい。このような構成であっても、制動時に熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクに形成される温度差を小さくし、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを低減できる。ここで、前記制動ディスク保持部材が回転軸に取り付けられたリブを挟んで前記制動ディスクの反対側に背面ディスクを備えてもよい。
（６） 本発明に基づく渦電流減速装置に用いられるリブは、前記環状制動ディスクの放熱用のフインとして構成してもよい。これにより、制動時であっても、制動ディスクの冷却性能が高まりディスクの温度が上昇しにくくなるので、ディスクの半径方向に形成される温度差が小さくなり、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを小さくできる。
【００２３】
ここで用いられるリブは、回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜して構成したり、さらに回転方向に湾曲して構成したりしてもよい。こうすることで、形成される空洞内を空気が流通し易くなり、空気による冷却効果を高めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
上述した本発明に基づく渦電流減速装置の構成の例を、具体的な図面を用いて説明する。
【００２５】
図２は、本発明に基づく第１の減速装置の断面構成例を示す図である。第１の減速装置では、制動ディスク保持部材８は支持ディスク（支持板）８ｂおよびリブ８ａの組み合わせによって構成される。図２に示す渦電流減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられた支持ディスク８ｂと、リブ８ａを介して支持ディスク８ｂにその一つの主面で接続された環状制動ディスク２と、車両の非回転部分に取り付けられた案内筒３を備えている。環状制動ディスク２は、リブ８ａを介した支持ディスク８ｂとの接続により回転軸１に固定される。
【００２６】
案内筒３の内部には環状制動ディスク２の制動面（主面）に対し近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リング４が収容され、さらに、案内筒３には保持リング４を前後進させるシリンダー５が設けられている。一方、案内筒３の環状制動ディスク２と対向する端面には強磁性材からなるポールピース３ａが配置される。
【００２７】
図２に示す案内筒３では、その制動ディスク２と対向する端面には強磁性材からなるポールピース３ａが配置される構造になっているが、本発明の渦電流減速装置では、案内筒の制動ディスクと対向する端面にポールピースを配置させることなく、この案内筒の端面を非磁性材で構成するものであってもよい。なお、耐久性、耐候性が満足できる場合は、案内筒そのものを配備させなくともよい。
【００２８】
保持リング４の環状制動ディスク２と対向する面には、複数の磁石７が周方向に配置されている。磁石７の磁極面は環状制動ディスク２の制動面（主面）に対向しており、隣接する磁石７の磁極面が互いに逆向きに配置されている。本発明の渦電流減速装置では、磁石７は少なくとも永久磁石を用いることとしているが、前述の通り、永久磁石と電磁石とを組み合わせた、いわゆるハイブリッド型を採用することも可能である。
【００２９】
保持リング４および磁石７を収容する案内筒３は、アルミニウム、ステンレス鋼（オーステナイト系）、樹脂等非磁性材で構成され、その厚さは特に規定されないが、案内筒３の磁石と対向する端面は薄い方が望ましい。また、案内筒３の端面にポールピース３ａを設ける場合には、例えば、案内筒を鋳造で作製する際に、ポールピースを一体として鋳込む方法を採用することができる。
【００３０】
一方、環状制動ディスク２は、制動時に内部に渦電流が発生し、ジュール熱を生ずるため、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ系の耐熱鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４１５）などの鉄を主成分とした鋼を用いることができる。
【００３１】
ここで、磁石７として永久磁石を用いる場合、制動時および非制動時の動作および作用は次の通りである。磁石７の駆動機構は案内筒３の外端壁にシリンダー５が配置され、シリンダー５に嵌合するピストンロッド６が案内筒３の外端壁を貫通して保持リング４に結合している。このように構成することによって、シリンダー５の作動により環状制動ディスク２に対し、この例では直交する方向に、保持リング４を近づく方向と離れる方向とに移動させることができる。
【００３２】
制動時には、シリンダー５のピストンロッド６が右方（近づく方向）へ移動し、保持リング４が環状制動ディスク２の回転軸方向に前進し、磁石７が制動ディスクに対向して接近する。このとき、各磁石７が環状制動ディスク２の制動面（主面）に及ぼす磁力線を回転する環状制動ディスク２が横切る時、相対的な速度差から環状制動ディスク２に渦電流が流れ、制動トルクが発生する。
【００３３】
非制動に切り換える際には、シリンダー５の作動を切り換えて、ピストンロッド６に直結された保持リング４を左方（離れる方向）へ移動させるので、磁石７が環状制動ディスク２の制動面（主面）から離れ、磁石７が環状制動ディスク２へ及ぼす磁力線を弱くして、制動トルクが殆ど働かないようにする。
【００３４】
図３は、本発明に基づく第１の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｘ−Ｘ視野正面図）を示す図である。同図に示す構成例では、制動時に磁石の磁力が作用して制動力が生じる環状制動ディスク２が、中間部材であるリブ８ａを介して支持ディスク（支持板）８ｂに接続している。
【００３５】
図３に示す環状制動ディスク２は、円形環状（リング状）の平板から構成されているが、本発明においてはこのような形状に限定されず、内周部が拘束されることがないように環状に構成されていればよい。
【００３６】
図３に示すように、環状制動ディスク２を支持ディスク８ｂに接続して回転軸に固定することによって、制動時に渦電流が生じ、にジュール熱が発生する場合であっても、環状制動ディスクの内周部は回転軸に直接固定されていないため、熱膨張による拘束は少ない。また、制動ディスクは環状であるため、その半径方向の幅は回転軸に固定された円板状の制動ディスクの場合より小さくなり、制動ディスクの半径方向に形成される温度差は小さい。そのため、磁石と対向する高温部の熱膨張が周囲の低温部、すなわち熱膨張が小さい部位によって拘束される程度も小さくなる。
【００３７】
上述の通り、磁石と対向する高温部になる制動ディスクの熱膨張に対する拘束が低減されると、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが減少し、長時間使用による制動ディスクの変形が抑制され、制動力の低下を防止できる。さらに、制動および非制動を繰り返したときに制動ディスクに繰り返し負荷される非弾性ひずみを低減でき、熱疲労亀裂の発生を抑制できる。
【００３８】
図３に示す環状制動ディスク２では、隣接する２枚のリブ８ａ、環状制動ディスク２および支持ディスク８ｂによって空洞が形成される。環状制動ディスク２の回転にともなって、この空洞内を内周部から外周部に空気が流通し、環状制動ディスク２を冷却する。この空洞内を流通する空気量が多くなれば、その冷却性能が高まり、環状制動ディスク２の温度上昇を抑制することができる。その結果、制動ディスクの熱膨張が低減され、制動ディスクに生じる非弾性ひずみを抑制できる。したがって、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上するには、前記空洞内を流通する空気量が増加する構造にするのが望ましい。
【００３９】
図４は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたリブを介して支持ディスクに接続した構成を例示する図である。リブ８ａを回転方向に対して傾斜させることによって、形成された空洞内を内周側から外周側に空気が流通し易くなり、流通する空気量を増加させることができる。これにより、制動ディスクの冷却性能を高め、温度上昇を抑制することが可能になり、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上することができる。
【００４０】
図５は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲させたリブを介して支持ディスクに接続した構成を例示する図である。リブ８ａを湾曲させた横造にすることによって、形成された空洞内を内周側から外周側に空気が、一層流通し易くなり、流通空気による冷却効果を高めることができる。
【００４１】
また、リブ８ａ自体を湾曲させることによって、単に傾斜させたのに比べてリブ８ａ側面の表面積を大きくでき、流通空気による放熱量を増加させることもできる。その結果、一層、制動ディスクの冷却性能を高め、温度上昇を抑制することが可能になり、制動ディスクの制動効率を維持して、装置の耐久性を向上することができる。
【００４２】
図６は、環状制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたリブを介して支持ディスクに接続し、このリブを制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出した構成を例示する図である。リブ８ａを制動ディスクの内周側に突出させることによって、空気を積極的に空洞内に流通させることができる。すなわち、リブの突出部に当たる空気は空洞内に導入されるため、空洞内を流通する空気量が増加し、制動ディスクの冷却性能が高まり、制動ディスクの温度上昇を抑制することができる。
【００４３】
図７は、本発明に基づく第２の減速装置の構成を例示する図であり、同（ａ）はその断面構成例を示しており、（ｂ）は環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｙ−Ｙ視野正面図）で示す図である。
【００４４】
図７に示す制動ディスク保持部材８は、回転軸１に取り付けられたリブ８ａおよび環状の背面ディスク（背面板）８ｃの組み合わせによって構成される。第２の減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられたリブ８ａを挟んで、環状制動ディスク２とその反対側に環状の背面ディスク８ｃが接続されており、環状制動ディスク２はリム８ａを介して回転軸１に固定され、回転軸１とともに回転する。背面板の内径は、空気量との関係で適宜設計し、制動ディスクの内径より小さくても、外径より大きくなってもよい。
【００４５】
図７に示す構成を採用することによって、前記第１の減速装置の場合と同様に、制動時に渦電流が生じ、同時にジュール熱が発生した場合であっても、熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクの半径方向の温度差は小さくなるので、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが小さくなるとともに、長時間使用による制動ディスクの変形が抑制され、制動力の低下を防止できる。さらに、制動および非制動を繰り返した場合でも、熱疲労亀裂の発生を抑制できる。
【００４６】
第２の減速装置においても、隣接する２枚のリブ８ａ、環状制動ディスク２および背面ディスク８ｃによって形成される空洞内を流通する空気量を増加するとともに、放熱量を増やすために、前記リブを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたり、または湾曲させたりすることができる。
【００４７】
図８は、本発明に基づく第３の減速装置の構成を例示する図であり、同（ａ）はその断面構成例を示しており、（ｂ）は環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｚ−Ｚ視野正面図）で示す図である。
【００４８】
第３の減速装置では、制動ディスク保持部材８はリブ８ａのみにて構成される。図８に示す渦電流減速装置では、車両の回転軸１に取り付けられたリブ８ａと、このリブ８ａに環状制動ディスク２が接続され、このリブ８ａを制動ディスクの放熱用のフインとして構成するため、背面ディスク（背面板）の接続はない。
【００４９】
図８に示す構成を採用することによって、前記第１、第２の減速装置の場合と同様に、制動時であっても、熱膨張による拘束は少なく、制動ディスクの半径方向の温度差は小さくなるので、制動ディスクに生じる非弾性ひずみが小さくなり、長時間使用による制動ディスクの変形や、制動および非制動の繰り返しによる熱疲労亀裂の発生を抑制することができる。
【００５０】
第３の減速装置でも、制動ディスクの放熱用フインとして使用するリブの放熱効率を向上させるため、リブを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜させたり、または湾曲させたりすることが有効である。
【００５１】
上述した第１〜第３の減速装置では、環状制動ディスクとリブ、リブと支持ディスク（支持板）、またはリブと背面ディスク（背面板）を接続するため、これらの組み合わせを鋳造で一体で作製しても良い。また、各々の部材を溶接やボルト止めなどにより結合して、前記の接続を行うようにしても良い。
【００５２】
【実施例】
本発明の渦電流減速装置の効果を確認するため、有限要素法（ＦＥＭ）解析を行って、制動および非制動を繰り返した場合に制動ディスクの表面に生じる非弾性ひずみ範囲を評価した。具体的には、供試材として本発明に基づく１〜３の減速装置の例および比較例を用い、制動ディスクの最高温度を６５０℃、最低温度を１００℃とし、この熱サイクルを負荷したときに生じる非弾性ひずみ範囲を評価した。
【００５３】
ただし、非弾性ひずみ範囲とは、制動、非制動を繰り返した場合に、制動ディスクの表面に生ずる非弾性ひずみの値の幅を表し、一般に、この非弾性ひずみ範囲が大きいほど、亀裂寿命は短くなる。なお、「ひずみ」なので単位長さに対する伸びの割合（％）で示されており、その値の幅（範囲）を示したのがひずみ範囲である。
【００５４】
本発明例１では、第１の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図３に示すように、環状制動ディスク２の接続は、支持ディスク８ｂを回転軸１に取り付け、環状制動ディスク２をリブ８ａを介して支持ディスク８ｂに接続するようにした。
【００５５】
環状制動ディスクの材質はＣｒ−Ｍｏ系の低合金鋼（ＪＩＳ ＳＣＭ４１５）とし、車両の回転軸の外径が１３０ｍｍであるのに対し、環状制動ディスクの寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。
【００５６】
支持ディスクの寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとし、リブ寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×高さ２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００５７】
本発明例２では、第２の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図７に示すように、回転軸１に取り付けられたリブ８ａを挟んで、環状制動ディスク２とその反対側に背面ディスク８ｃを接続するようにした。
【００５８】
環状制動ディスクおよび回転軸の寸法は、本発明例１と同じとした。背面ディスクの寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとし、リム寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００５９】
本発明例３では、第３の減速装置で採用する環状制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構成とした。すなわち、前記図８に示すように、回転軸１に取り付けられたリブ８ａと環状制動ディスク２とを接続して、リブ８ａを制動ディスクの放熱用のフインとして構成した。
【００６０】
環状制動ディスクおよび回転軸の寸法は、本発明例１、２と同じとした。リブ寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００６１】
比較例では、永久磁石を用いた渦電流減速装置の円板状の制動ディスクの構成とした。すなわち、前記図１に示すように、環状制動ディスク２１の内周部が回転軸１に取り付けられた構造であり、制動ディスク２１の背面には冷却用フィン９が設けられている。
【００６２】
制動ディスクの材質は本発明例１〜３と同じであり、車両の回転軸の外径が１３０ｍｍであるのに対し、制動ディスクの寸法は内径１３０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍとした。また、フィン寸法は内径２４０ｍｍ×外径４５０ｍｍ×厚さ４ｍｍ×高さ２０ｍｍで、支持ディスクの円周面上に３６枚を配置した。
【００６３】
前記本発明例１〜３および比較例を用いて、ＦＥＭ解析によって非弾性ひずみ範囲を評価した結果を表１に示した。
【００６４】
【表１】
【００６５】
以上の通り、本発明の実施の形態および実施例を例示して説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術思想の範疇において変更可能である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の渦電流減速装置であれば、制動ディスクの内周部が回転軸に直接固定されず、環状制動ディスクであるため、半径方向の幅が小さく、半径方向に形成される温度差は小さくなり、制動ディスクに発生する非弾性ひずみが低減され、長期間使用した場合であっても、制動ディスクが変形して制動力が低下したり、熱疲労亀裂が発生することを防止できる。
【００６７】
これにより、制動時の磁気効率に優れ、簡易な構造で小型、軽量化が可能であるとともに、装置の耐久性と寿命を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石を用いて対向する導体内に渦電流を生じさせる渦電流減速装置の構成例を示す断面図である。
【図２】本発明に基づく第１の減速装置の断面構成例を示す図である。
【図３】本発明に基づく第１の減速装置で採用する制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｘ−Ｘ視野正面図）を示す図である。
【図４】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜したリブを介して支持ディスクに接続した構成を示す図である。
【図５】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲したリブを介して支持ディスクに接続した構成を示す図である。
【図６】制動ディスクを回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲したリブを介して支持ディスクに接続し、このリブを制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出した構成を示す図である。
【図７】本発明に基づく第２の減速装置の構成を例示する図であり、（ａ）は断面構成例を示し、（ｂ）は制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｙ−Ｙ視野正面図）で示す図である。
【図８】本発明に基づく第３の減速装置の構成を例示する図であり、（ａ）は断面構成例を示し、（ｂ）は制動ディスクおよび制動ディスク保持部材の構造例（Ｚ−Ｚ視野正面図）で示す図である。
【符号の説明】
１：回転軸、 ２、２１：制動ディスク
３：案内筒、 ３ａ：ポールピース
４：保持リング、 ５：シリンダー
６：ピストンロッド、 ７：磁石、永久磁石
８：制動ディスク保持部材、 ８ａ：リブ
８ｂ：支持ディスク（支持板）
８ｃ：背面ディスク（背面板）
９：冷却用フィン
Claims (11)
- 車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、
前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、
前記環状制動ディスクの他方の主面に近づく方向と離れる方向とに移動可能な保持リングと、
前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの他方の主面に対向して、隣接する磁極面が互いに逆向きに配した複数の第１の永久磁石とを設け、
前記第１の永久磁石が前記環状制動ディスクに接近して制動状態となる位置と、前記環状制動ディスクから離れて非制動状態となる位置との間で移動可能に構成されていることを特徴とする渦電流減速装置。 - 車両の回転軸に負荷する制動力を発生させる為の環状制動ディスクと、
前記回転軸に取り付けられ、且つ前記環状制動ディスクの一方の主面で当該環状制動ディスクと接続される制動ディスク保持部材と、
前記環状制動ディスクの他方の主面に接近して非接触に保持される保持リングと、
前記保持リングの円周方向に前記環状制動ディスクの他方の主面に対向して、少なくとも一つの第二の永久磁石と少なくとも一つのスイッチング用電磁石とを含む複合磁石を複数個設け、
隣接する前記複合磁石の磁極面の向きが互いに逆向きに配置されていることを特徴とする渦電流減速装置。 - さらに、前記保持リングを収容する案内筒が、車両の非回転部分に支持されて設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の渦電流減速装置。
- 前記環状制動ディスクは、第１の永久磁石または前記複合磁石の磁極面と対向する位置に設けられ、且つ当該第１の永久磁石または前記複合磁石の回転軸に対する径方向長さ以上の環の幅を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の渦電流減速装置。
- 前記制動ディスク保持部材は、前記環状制動ディスクの一方の主面の内周側から外周側に伸びる第１のリブと、前記第１のリブを保持し、前記回転軸に取り付け可能な支持板とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の渦電流減速装置。
- 前記第１のリブが前記環状制動ディスクの内周側よりもさらに内側に突出していることを特徴とする請求項５に記載の渦電流減速装置。
- 前記制動ディスク保持部材は、前記回転軸に取り付け可能で、前記環状制動ディスクの外周側まで伸びる第２のリブを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の渦電流減速装置。
- 前記制動ディスク保持部材が回転軸に取り付け可能な第２のリブを挟んで前記環状制動ディスクの反対側に背面板を備えることを特徴とする請求項７に記載の渦電流減速装置。
- 前記第１または第２のリブを前記環状制動ディスクの放熱用のフインとして構成することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の渦電流減速装置。
- 前記第１または第２のリブは、前記回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に傾斜して構成されることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の渦電流減速装置。
- 前記第１または第２のリブは、前記回転軸の中心を通る放射状の直線に対して回転方向に湾曲して構成されることを特徴とする請求項５〜１０のいずれかに記載の渦電流減速装置。
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