JP2009257578A - 鉄道車両用ブレーキキャリパ及びディスクブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】制動中のブレーキディスクとブレーキライニングの接触面圧を低減する。
【解決手段】車輪の両側面又は車軸に取付けられるブレーキディスク３の摺動面に、ブレーキライニング２を両側から押付けて制動力を得る鉄道車両用のブレーキキャリパ１である。ブレーキキャリパ１からブレーキライニング２への押付け力の作用位置を３〜５箇所とする。これら作用位置のうちのブレーキライニング２の長手方向両端側の作用位置における中心と、ブレーキライニング２の長手方向の端面からの最短距離Ｄがそれぞれ６０mm以上で、かつ、ブレーキライニング２の隣り合う作用位置における中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが５５mm以上となるようにする。
【効果】ブレーキライニングとブレーキディスクの摩耗やブレーキ中の温度上昇を軽減できて、ディスクブレーキ装置の耐久性が向上し、鉄道車両の高速化、大型化に対応できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブレーキディスクとブレーキライニングの接触を摩擦面全体に均等にして、両者の耐久性を向上させることが可能な鉄道車両用のブレーキキャリパ及びディスクブレーキに関するものである。

鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の陸上輸送機械では、車両の高速化や大型化に伴い、その制動装置としてディスクブレーキが多く用いられるようになってきている。

ディスクブレーキとは、車軸又は車輪に取付けたブレーキディスクの摺動面に、ブレーキキャリパによってブレーキライニングを押付ける際の摩擦で、車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御する装置である。

ところで、高速であるほど或いは車両重量が大きいほど制動負荷が大きくなるので、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面の温度上昇傾向はより顕著に現れる。その際、接触面圧の高い領域では摩擦によって生じるエネルギーが多くなる。

従来型の鉄道車両用ディスクブレーキとして、図６にブレーキキャリパ１の先端部、ブレーキライニング２及びブレーキディスク３を、図７に鉄道車両用車輪１１にこれらの部材１〜３を備えたディスクブレーキを装着した全体図を示す。なお、図６の（ａ）図は全体の俯瞰図、（ｂ）図は、ブレーキライニング２部を（ａ）図の紙面上方から見た平面図、（ｃ）図は（ｂ）図のＡ−Ａ方向からみた側面図、（ｄ）図は（ｂ）図のＢ−Ｂ方向からみた側面図である。

ブレーキキャリパ１は、図８に示すように、先端部のライニングホルダ１ａと呼ばれる溝状の部分に、ブレーキライニング２に取付けられたガイドプレート２ａを嵌め込んで、ブレーキライニング２を取付ける構造となっている。

このブレーキキャリパ１からブレーキライニング２に力が作用することで、ブレーキライニング２がブレーキディスク３に押付けられ、制動力を得ることが可能となる。

ブレーキキャリパ１には、油圧式、空圧式などが存在する。このうち、図６、図７に示した従来型の油圧式は、油圧によってシリンダー４が動き、ブレーキライニング２に直接押付け力が負荷される。そのため、押付け力はブレーキライニング２の全体に作用せず、シリンダー４による押付け部分に集中して作用する。

一方、空圧式の場合、てこの原理でアーム部分が動くことによりブレーキライニングがブレーキディスクに押付けられる。しかしながら、通常、ライニングホルダが２箇所でアーム部分により押付けられる関係で、ライニングホルダからブレーキライニングに作用する押付け力は、特定の部分に集中してしまい、ブレーキライニングの全体に均等に負荷することは不可能である。

前記のように、従来のディスクブレーキは、その構造のため、ブレーキキャリパ１からの押付け力がブレーキライニング２の一部分のみに作用する。このため、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面では、接触面圧のばらつきが大きくなり、ブレーキキャリパ１からの押付け力が作用する直下において、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧が高くなる傾向にある。

特に高速鉄道車両では、接触面圧の高い部分で局部的に摩耗が多くなり、さらに制動中の温度上昇が過大となる可能性がある。従って、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の耐久性を確保するには、制動中における両者の接触を可能な限り均一化し、接触面圧を低減することが重要である。

このブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性向上を目的としたブレーキライニングが、特許文献１で提案されている。この特許文献１で提案されたブレーキライニングは、ブレーキライニングを多数個に分割し、ブレーキキャリパからの押付け力を、それぞれのブレーキライニングに均等に負荷する構造により、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧を低減するものである。

しかしながら、特許文献１のような、ブレーキライニングを多数個に分割した構造では、各部材の製作誤差や組立誤差等によって、ブレーキキャリパからの押付け力を、それぞれのブレーキライニングに均等に負荷させることが難しい。

特表平１０−５０７２５０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来は、簡易な構成で、ブレーキキャリパからの押付け力を可能な限りブレーキライニング全体に負荷させ、制動中のブレーキディスクとブレーキライニングの接触面圧を低減できるものはなかったという点である。

ブレーキキャリパからの押付け力がブレーキライニングの特定の場所に集中するのを回避できれば、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧を低減することが可能である。

ブレーキキャリパからの押付け力がブレーキライニングの特定の場所に集中しないようにするには、押付け力が作用する数を変更して力を分散させることが効果的である。また、単に押付け力の数を変更するだけでなく、押付け力が作用する位置を効果的に配置すれば、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧の更なる低減が可能である。

本発明は、上記考え方をもとに、ブレーキキャリパによってブレーキライニングがブレーキディスクに押付けられたときの接触面圧を、押付け力の作用数と作用位置を変更して有限要素解析を行った結果、なし得たものである。

本発明の鉄道車両用ブレーキキャリパは、
車輪の両側面又は車軸に取付けられるブレーキディスクの摺動面に、ブレーキライニングを両側から押付けて制動力を得る鉄道車両用のブレーキキャリパであって、
前記ブレーキキャリパからブレーキライニングへの押付け力の作用位置を３〜５箇所とし、
これら作用位置のうちのブレーキライニングの長手方向両端側の作用位置における中心と、前記ブレーキライニングの長手方向の端面からの最短距離Ｄがそれぞれ６０mm以上で、かつ、前記ブレーキライニングの隣り合う作用位置における中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが５５mm以上となるようにしたことを最も主要な特徴としている。

本発明の鉄道車両用ブレーキキャリパは、押付け力の作用数と作用位置を最適に規定することで、制動中におけるブレーキディスクとブレーキライニングの接触面圧を効果的に低減でき、それぞれの耐久性を向上することができる。

本発明の鉄道車両用ブレーキキャリパを有する本発明の鉄道車両用ディスクブレーキでは、耐久性が向上し、鉄道車両の高速化、大型化に対応することができるようになる。

本発明により、ブレーキライニングとブレーキディスクの最大接触面圧を効果的に低減できるので、両者の摩耗やブレーキ中の温度上昇を軽減することが可能となる。これにより、ディスクブレーキ装置の耐久性が向上し、鉄道車両の高速化、大型化に対応することができる。

（ａ）〜（ｄ）は本発明例のブレーキキャリパを有するディスクブレーキの要部拡大図である。 本発明例及び比較例のブレーキキャリパについて、有限要素解析で得られたブレーキライニングとブレーキディスクの最大接触面圧と、ブレーキライニングの長手方向両端側の押付け力の作用位置中心とブレーキライニングの長手方向の端面からの最短距離Ｄ及びブレーキライニングの隣り合う作用位置における中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌとの関係を表した押付け作用数が３の場合の図である。 押付け作用数が４の場合の図２と同様の図である。 押付け作用数が５の場合の図２と同様の図である。 本発明例のブレーキキャリパについて、有限要素解析で得られたブレーキライニングとブレーキディスクの最大接触面圧と、押付け力の作用位置中心のブレーキライニング幅方向のずれ量との関係を表した図である。 従来型のブレーキキャリパを有するディスクブレーキの図で、（ａ）は全体の俯瞰図、（ｂ）はブレーキライニング部を（ａ）図の紙面上方から見た平面図、（ｃ）は（ｂ）図のＡ−Ａ方向からみた側面図、（ｄ）は（ｂ）図のＢ−Ｂ方向からみた側面図である。 ディスクブレーキ全体を表した模式図である。 ブレーキキャリパにブレーキライニングを取付ける状況の模式図で、（ａ）は取付け前、（ｂ）は取付け後を示す図である。

本発明では、制動中におけるブレーキライニングとブレーキディスクの接触を可能な限り均一化して接触面圧を低減するという目的を、ブレーキキャリパによる押付け力の作用数と作用位置を最適に規定することで実現した。

以下、発明者らが行った有限要素解析について説明すると共に、本発明を実施するための最良の形態例について説明する。

(1) 有限要素解析の実施方法
有限要素解析は、ブレーキキャリパ、ブレーキライニング、ブレーキディスクを弾性体でモデル化し、ブレーキキャリパからブレーキライニングへの押付け力（２０kN）の作用数と作用位置をそれぞれ変化させて行った。

ブレーキライニングは、長手方向長さが４００mm、幅方向長さが１３０mmである。また、ブレーキディスクは、内径が３００mm、外径が７２０mmである。

有限要素解析では、比較として従来型のブレーキキャリパも対象として行った。
ブレーキライニングのモデルは従来型のブレーキライニングを、また、ブレーキディスクのモデルは鍛鋼製の従来型ブレーキディスクをそれぞれ想定した。

(2) 有限要素解析の実施条件
図１（ａ）〜（ｄ）に、本発明例のブレーキキャリパ１を備えた本発明のディスクブレーキを示す。
ブレーキキャリパ１の構造は次のように定義する。

・押付け力の作用数
ブレーキキャリパ１からブレーキライニング２へ作用する押付け力の数Ｎを１〜５と変化させた。

・押付け力の作用位置
ブレーキキャリパ１からブレーキライニング２に作用する押付け力の作用位置の中心（以下、作用位置中心という。）５について、ブレーキライニング２の長手方向の端面から、ブレーキライニングの長手方向両端側に位置する前記作用位置中心５までの最短距離をＤとした。また、ブレーキライニングの隣り合う作用位置中心５間のブレーキライニング長手方向距離をＬとし、作用位置中心５のブレーキライニング幅方向のずれ量をＷとした。

このとき押付け力の作用位置中心５は、ブレーキライニング２の長手方向（図６（ｂ）の紙面左右方向）に等間隔に配置した。さらに、ライニングホルダ１ａの幅方向（図６（ｄ）の紙面左右方向）中央線に対して対称となるように押付け力の作用位置を決めた。

下記表１に、評価したブレーキキャリパをまとめて示す。なお比較例１は、従来型のブレーキキャリパである。

(3) 評価方法
有限要素解析で求めたブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧分布から最大接触面圧を評価した。ブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性は、最大接触面圧が低いほど向上する。

(4) 結果及び効果
下記表２に、ブレーキライニングをブレーキディスクに押付けたときの最大接触面圧を示す。

表２より、いずれの発明例も、従来型のブレーキライニング（作用数：２）である比較例１や、押付け力の作用数が１つしかない比較例２と比べて、最大接触面圧が大幅に低くなっているのが分かる。

また、発明例は、ブレーキライニングの長手方向の端面と、ブレーキライニングの長手方向両端側の押付け力の作用位置中心との間の最短距離Ｄが６０mmより小さい比較例４、６、８や、ブレーキライニングの隣り合う作用位置中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが５５mmより小さい比較例３、５、７に比べても、最大接触面圧が低くなっている。さらに、押付け力の作用位置をブレーキライニングの幅方向にずらした発明例８〜１６では、最大接触面圧がより低くなっている。

図２〜図４に、ブレーキライニングとブレーキディスクの最大接触面圧と、前記最短距離Ｄおよび隣り合う作用位置中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌとの関係を示す。ここで評価したのは、押付け力作用数Ｎが３〜５の場合で、発明例１〜７および比較例３〜８である。

図２〜図４より、最大接触面圧は前記最短距離Ｄを６０mm以上、隣り合う作用位置中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌを５５mm以上とすることで小さくなり、前記最短距離Ｄおよびブレーキライニング長手方向距離Ｌが７０mm以上でほぼ下限値を示すことが分かる。

図５に、ブレーキライニングとブレーキディスクとの最大接触面圧と、前記ブレーキライニング幅方向のずれ量Ｗとの関係を示す。ここで評価したのは、押付け力作用数Ｎが４で、前記最短距離Ｄが７１ｍｍのうちの、発明例４および９〜１３である。

図５より、最大接触面圧は前記ずれ量Ｗを２０mm以上とすることで小さくなり、９０mmでほぼ下限値を示すことが分かる。また、前記ずれ量Ｗが９０mmより大きくなると、再びブレーキライニングとブレーキディスクの最大接触面圧は大きくなる傾向にあることが分かる。

本発明の鉄道車両用ブレーキキャリパは、上記の有限要素解析結果に基づいてなされたものである。
すなわち、車輪の両側面又は車軸に取付けられるブレーキディスク３の摺動面に、ブレーキライニング２を両側から押付けて制動力を得る鉄道車両用のブレーキキャリパ１であって、
前記ブレーキキャリパ１からブレーキライニング２への押付け力の作用位置を３〜５箇所とし、
これら作用位置のうちのブレーキライニング２の長手方向両端側の作用位置中心５と、前記ブレーキライニング２の長手方向の端面からの最短距離Ｄがそれぞれ６０mm以上で、かつ、前記ブレーキライニング２の隣り合う作用位置中心５間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが５５mm以上となるようにしたものである。

本発明では、ブレーキライニング２に作用する押付け力の作用数Ｎを３〜５とすることにより、ブレーキラニング２への負荷を分散し、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧を低減することを可能にしている。前記有限要素解析の結果によれば、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧を最も低減できるのは、作用数Ｎが４の場合である。

作用数Ｎが３より少ないと、押付け力を十分に分散できず、狭い領域に押付け力が集中することになって、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧が大きくなってしまうからである。

一方、作用数Ｎを増やせば１箇所当たりの押付け荷重を小さくできる。しかしながら、作用数Ｎがある程度以上増加すると、ブレーキライニング２を大きくしないと、１箇所当たりの押付け荷重の減少効果と、狭い領域への複数の押付け力の集中効果が相殺され、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧は変わらなくなると考えられる。また、作用数Ｎを増やしすぎると、ブレーキキャリパ１の構造が複雑化して、重量、信頼性の面で好ましくない。

このようなことから、本発明では作用数Ｎを５以下としている。つまり、作用数Ｎが５より多くなると、ブレーキライニング２を大きくしないと、隣り合う押付け力同士の距離Ｌが近くなりすぎて、狭い領域に複数の押付け力が集中してしまう。その結果、ブレーキライニング２は作用数Ｎが３より少ない場合と同じような力を受けることになり、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧が大きくなってしまうからである。

また、本発明では、ブレーキライニング２の長手方向端部でブレーキディスク３との接触面圧が局所的に高くなるのを抑制するために、前記最短距離Ｄを６０mm以上としている。

これは、ブレーキディスク３は回転しているので、制動中はブレーキライニング２の長手方向端部で接触面圧が高くなる傾向にあるからである。より好ましくは、前記最短距離Ｄは７０mm以上である。

また、前記最短距離Ｄは両側の作用位置ともに６０mm以上離れている必要がある。これは、鉄道車両は通常往復運転をするので、ブレーキディスク３は、ほぼ同じ間隔で正回転と逆回転を繰返すからである。

一方、前記最短距離Ｄを大きくし過ぎると、隣り合う作用位置中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが短くなり、ブレーキライニング２に押付け力が局所的に集中して作用し、ブレーキライニング２とブレーキディスク３の接触面圧が大きくなってしまう。

このため、本発明では、前記作用位置中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌを５５mm以上としている。より好ましくは、７０mm以上である。

以上の本発明では、押付け力の作用位置はブレーキディスク３の半径方向に対して均等になるようにするのが好ましい。すなわち、ブレーキディスク３の摺動面のほぼ中央に位置する、あるいは作用位置を内周側と外周側にずらす場合は中央に対して均等に配置することが好ましい。

好ましいずれ量は２０〜１１０mm、より好ましいずれ量は６０〜１００mmである。こうすることにより、ブレーキライニング２全体に、より効果的に荷重を分散することができる。

また、このように押付け力の作用位置をブレーキライニング２の幅方向にずらすと、押付け力はブレーキディスク３の内周側と外周側に分散されることになる。このとき、押付け力の値は外周側に比べ内周側の方が大きくなるようにするのが好ましい。

これは摩擦によるエネルギーが接触面圧と速度に比例し、ブレーキディスク３の周速は内周側の方が遅いので、内周側と外周側で摩擦によるエネルギーを同等にするには内周側の押付け力を高くする必要があるからである。

一般的な新幹線用ブレーキディスクでは、外周側の周速は内周側の周速に対して最大１．５倍程度であるため、内周側の押付け力の値は外周側の１〜１．５倍とするのが好ましい。

以上の本発明のブレーキキャリパ１は、油圧式、空圧式など様々な方式への適用が可能である。

また、以上の本発明のブレーキキャリパ１を備えた本発明の鉄道車両用ディスクブレーキでは、耐久性が向上し、鉄道車両の高速化、大型化に対応することができるようになる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

以上の本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクに限らず、自動車や自動二輪車等のブレーキディスクであっても適用できる。

１ ブレーキキャリパ
２ ブレーキライニング
３ ブレーキディスク
５ 作用位置中心

Claims (4)

1. 車輪の両側面又は車軸に取付けられるブレーキディスクの摺動面に、ブレーキライニングを両側から押付けて制動力を得る鉄道車両用のブレーキキャリパであって、
   前記ブレーキキャリパからブレーキライニングへの押付け力の作用位置を３〜５箇所とし、
   これら作用位置のうちのブレーキライニングの長手方向両端側の作用位置における中心と、前記ブレーキライニングの長手方向の端面からの最短距離Ｄがそれぞれ６０mm以上で、かつ、前記ブレーキライニングの隣り合う作用位置における中心間のブレーキライニング長手方向距離Ｌが５５mm以上となるようにしたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキキャリパ。
2. 前記押付け力の作用位置の中心のうちの少なくとも一つが、他の前記作用位置の中心と前記ブレーキライニングの幅方向にずれた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキキャリパ。
3. 前記押付け力の合計値が、ブレーキディスクの外周側より内周側の方が大きくなるように、前記押付け力が前記ブレーキライニングに作用するように構成したことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用ブレーキキャリパ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の鉄道車両用ブレーキキャリパを有することを特徴とする鉄道車両用ディスクブレーキ。

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