JP2009503387A - ブレーキブロック装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのブレーキブロックを備えた、レール車両に用いられるブレーキブロック装置であって、ブレーキブロックが、ブレーキブロックホルダとブレーキブロックベース（２）とから成っており、該ブレーキブロックベース（２）が、該ブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）と、車輪（８）の、フランジ（１４）に続いた踏面（４）との摩擦接続的な接触によりブレーキ力を発生させるために働き、該踏面（４）が、横断面で見て外方へ向かって先細りになっている形式のものに関する。本発明の構成では、踏面（４）の範囲でブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）の滑り摩擦係数（ｆ）および／または硬度が、フランジ（１４）から離れる方向で増大している。

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、レール車両に用いられるブレーキブロック装置、すなわち該ブレーキブロック装置が、少なくとも１つの制輪子、つまり１１ブレーキブロック（Bremsklotz）を有しており、該ブレーキブロックが、ブレーキブロックホルダと、ブレーキブロックベースとから成っており、該ブレーキブロックベースが、該ブレーキブロックベースの摩耗体積と、車輪の、フランジに続いた踏面との摩擦接続的な接触によりブレーキ力を発生させるために働き、該踏面が、横断面で見て外方へ向かって先細りになっている形式のブレーキブロック装置に関する。

貨車領域における目下の努力は、従来汎用されてきた鋳鉄から成るブレーキブロックベースの代わりに、いわゆる「コンポジットブレーキブロックベース」または「複合材料ブレーキブロックベース」を使用することに向けられている。このようなコンポジットブレーキブロックベースもしくは複合材料ブレーキブロックベースは、合成樹脂（レンジ）に結合された有機物質および／または無機物質、たとえばアラミド繊維、銅線維または鋼繊維を含有している。

コンポジットブレーキブロックベースは、慣用の鋳鉄ブレーキブロックに比べてとりわけ以下の利点を提供する：
イ．コンポジットブレーキブロックベースは鋳鉄ブレーキブロックベースに比べて車輪踏面における刻み目形成傾向をほとんど示さない。これにより、レール上での車輪の転がり騒音は著しく減じられ、このことは騒音防止のためのポジティブな寄与を意味する。

ロ．コンポジットブレーキブロックベースは鋳鉄ブレーキブロックベースとは異なり、速度領域にわたりほぼ一定の摩擦係数を提供する。これにより、車輪踏面におけるフラット個所の危険が減少する。このようなフラット個所は、たとえば速度が減少するにつれて鋳鉄ブレーキブロックベースの著しい摩擦係数上昇が生じることに基づき、低い速度での車輪のロックにより発生する。

ハ．対応する車輪の踏面の鋼に対するコンポジットブレーキブロックベースの摩擦係数は約０．２５であり、これによって鋳鉄ブレーキブロックベースの平均摩擦係数よりも著しく高くなる。これによって、必要となる所要ブレーキブロック押圧力はかなり減少する。

コンポジットブレーキブロックベースの欠点は、コンポジットブレーキブロックベースが慣用の鋳鉄ブレーキブロックに比べて車輪タイヤまたは車輪踏面における高い摩耗を生ぜしめることにある。

レール車両の走行特性のためには、車輪プロファイル（Radprofil）のジオメトリ（幾何学的形状）が重要になる。図１には、公知先行技術によるブレーキブロック装置が図示されている。このブレーキブロック装置のうち、図１には、縮尺の理由から、ブレーキブロックホルダ（図示しない）により保持体積に保持されたブレーキブロックベース２´の摩耗体積１´しか図示されていない。この摩耗体積１´は、レール車両の、軸線６´を持って回転する車輪８´の踏面４´と協働する。この車輪８´は同一の踏面４´によってレール１２´のレールヘッド１０´に沿って転動する。

レール車両の車輪８´の踏面４´はほぼ円錐状に形成されているか、または円錐面として形成されている。すなわち、横断面はフランジ１４´から離れる方向で外方へ向かって先細りになっている。このようなジオメトリ（幾何学的形状）は輪軸の「正弦状の蛇行動（Sinuslauf）」を可能にする。このような正弦状の蛇行動によって直線や大きな半径を持った曲線の通過時に、フランジの接触回転が生じる必要なしに、走行軌道に沿ったセルフセンタリングが生ぜしめられる。これにより、蛇行動を有しない円筒状の車輪プロファイルを有する輪軸の場合に比べて走行特性の改善および摩耗の低減が達成される。

蛇行動は、円錐状の車輪プロファイルを有する１つの輪軸が中央外に位置する状態において、車輪半径が軌道における両接触点において互いに大小異なることにより生じる。１つの輪軸の両車輪は軸線６´を有する車軸を介して互いに固く結合されているので、接触点において大半径を有する方の車輪８´は、小半径を有する方の車輪８´よりも速く前方へ向かって運動する。したがって、輪軸が過度に大きく右側へ片寄った場合、この輪軸は左側へ向かって自己操舵する。なぜならば、右側の接触点における車輪半径は左側の接触点における車輪半径よりも大きいからである。相応して、輪軸が過度に大きく左側へ片寄った場合、この輪軸は右側へ向かって自動操舵される。これにより、蛇行動の形の輪軸の長手方向運動が生じる。車輪とレールとの接触部が有する小さな摩擦により、この機械的な振動回路からは常時エネルギが取り出されるので、正弦運動の振幅はだんだんと減少する。

これにより、たとえば軌道位置における誤差またはカーブにより中央外の位置へずれた輪軸が、数回の正弦振動の後に再び中央位置へ復帰することが達成される。

このような正弦状の蛇行動を比較的長い時間にわたっても可能にするためには、車輪の円錐状のプロファイル（断面形状）が変化しないことが望ましい。しかし、コンポジットブレーキブロックベース２の冒頭で述べた、より高い摩耗傾向を考えると、このことは問題となる。

車輪８´の摩耗は主として、車輪とレールとの間の接触による摩耗（転がり摩耗３２´）と、制動中あるいはまた制動解除位置における車輪と制輪子もしくはブレーキブロックとの間の接触による摩耗（ブレーキブロック摩耗３４´）とから構成される。

転がり摩耗３２´に関しては、未摩耗の車輪８´の車輪８´とレールヘッド１０´との間の接触は主として、車輪大径を有する範囲において、つまり車輪プロファイルの、踏面４´からフランジ１４´への移行半径を形成するくびれ部２２´の近傍において行われる（図１）。なぜならば、曲線通過時およびポイント（転てつ器）通過時には、くびれ部２２´もレールヘッド１０´と接触するからである。その結果、時間の経過と共に摩耗が原因となって踏面４´のコーン状または円錐状の輪郭が失われていく。時間と共に凹面状の凹みが形成され、これにより走行特性は悪化し、踏面４´およびレールヘッド１０´の摩耗は増大する。その場合、車輪８´は特殊な輪軸旋盤において、要求された円錐状のプロファイルが再び得られるまで旋削加工されなければならない。リプロファイリング（再ならい削り）による削正時に必要となる車輪直径の減径量を決定するのは、輪軸の両車輪８´の、半径方向で測定された最大摩耗深さである。このような最大摩耗深さはたいていくびれ部２２´の範囲に生じるので、再び円錐状のプロファイルを得るためには車輪８´または車輪タイヤの比較的多くの材料が未使用のまま旋削除去されなければならない。

ブレーキブロック摩耗３４´に関しては、接触面における摩擦によってブレーキブロックベース２´も車輪８´も摩耗する。輪軸はボギー台車枠に対して相対的に弾性的に支承されていて、走行中に横方向に運動する。ボギー台車におけるブレーキブロック懸吊形式に関しては、主として２つのバリエーションが存在する：
イ．たとえば機関車のブレーキロッドの場合やブロックブレーキユニットもしくは基礎ブレーキユニットの使用時において、ブレーキブロックベース２´を備えた制輪子もしくはブレーキブロックは横方向においてボギー台車枠に対して比較的剛性的に案内されている。制動中、このような配置形式では、ブレーキブロックベース２´が踏面４´における車軸横方向運動に相応して移動する。このような移動可能性を保証するために、ブレーキブロックベース２´は踏面４´よりも小幅に形成されていなければならない。

ロ．制輪子ブレーキを有する旧式の旅客列車または貨車においては、１つの輪軸の両車輪のための２つのブレーキブロックが三角形ブレーキビーム（Bremsdreieck）を介してカップリングされている。この三角形ブレーキビームはハンガラグ（Haengelaschen）に浮動式もしくはフローティング式に懸吊されている。貨車のための最新のボギー台車−制輪子ブレーキの場合でも、１つの輪軸のそれぞれ２つの互いに反対の側に位置するブレーキブロックがカップリングされている。こうして、ブレーキブロックはブレーキ解除位置において、かつ制動時に、輪軸の横方向運動に従うことができる。

ブレーキ解除位置においても、時々、車軸横方向運動時および横方向加速時、たとえばポイント通過時に、フランジ側縁２０´とブレーキブロックベース２´との間に接触が生じる。これによっても、ある程度の転がり摩耗３２´およびブレーキブロック摩耗３４´が生じる。

ブレーキブロック摩耗３４´と転がり摩耗３２´とから成る摩耗分の総和は、図１において上側の範囲に図示されている。主として、転がり摩耗３２´によってもブレーキブロック摩耗３４´によっても、車輪プロファイルは、最初は円錐状だった車輪踏面４´が円筒形状を取るか、もしくは凹面状にくり抜かれるように変えられてしまう。したがって、最初の円錐状の形状を再び形成するためには、車輪８´から比較的多量の体積が切削加工により除去されなければならない。

英国特許第１１４３９９２号明細書には、レール車両のためのブレーキブロックが開示されている。このブレーキブロックは２種の互いに異なる摩擦材料から形成されている。ブレーキブロックは３つのセグメントに分割されており、この場合、真ん中のセグメントは、両外側のセグメントよりも著しくアブレシブ（abrasiv）な材料、つまり摩耗作用を有する材料から成っている。この手段は、車輪踏面が中央の範囲でレールとの接触により硬化させられるのでこの中央の範囲では著しくアブレシブなブロック材料が必要となるという事情から生まれた。

欧州特許出願公開第１０６３１４４号明細書に基づき公知のブレーキブロック装置では、車輪の踏面とフランジとに、それぞれ異なる摩擦特性を有する摩擦材料が対応している。

本発明の課題は、冒頭で述べた形式のブレーキブロック装置を改良して、車輪の踏面の均一な摩耗が達成可能となり、２回のプロファイル補正の間での輪軸の運転時間が延長されるようなブレーキブロック装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴により解決される。

発明の利点
少なくともブレーキブロックベースの摩耗体積の滑り摩擦係数および／または硬度が、フランジから離れる方向で増大していることが提案されることにより、アブレシブ作用、ひいてはブレーキブロックベースと車輪の踏面との滑り接触から生ぜしめられる摩耗も、この方向で増大する。したがって、車輪の踏面は摩耗した状態においても、その最初の円錐状またはコーン状のプロファイル（横断面形状）を維持する。これにより、レールとの接触から生ぜしめられた、踏面を円錐状に成形しようとする転がり摩耗の影響も阻止される。したがって、本発明によるブレーキブロックベースは、このブレーキブロックベースがその主機能「制動」の他に付加的に車輪タイヤプロファイルの補正の機能をも引き受けることにより二重機能を満たす。

「滑り摩擦係数（Gleitreibungszahl）ｆ」とは、制輪子ブレーキにおいて生じるような滑り摩擦において、一般に、摩擦力Ｆ_ｆと、作用する垂直抗力（Normalkraft）Ｆ_ｎとからの比を意味する：

しかし、この滑り摩擦係数ｆは、材料または材料ペアの一定の特性値ではなく、負荷条件および摩擦過程に関与した全ての材料エレメントの特性に関連している。したがって、本発明にとって重要となるのは、当業者が車輪踏面の配置に応じて変化させることのできる滑り摩擦係数ｆの絶対値ではなく、アブレシブ作用を同じ方向で高めるために滑り摩擦係数がフランジから離れる方向で増大するという事情である。したがって、本発明の枠内では、滑り摩擦係数ｆの増大は摩耗の増大と同意味である。同じことは、ブレーキブロックベースの、フランジから離れる方向で増大する硬度にも云える。なぜならば、ブレーキブロックベースの硬度増大は車輪踏面の摩耗増大となって現れるからである。

摩耗体積を全体的に最小限に抑えるためには、高いヘルツ応力（Hertzschen Pressung）に基づき車輪の踏面の表面硬化が行われる、車輪とレールとの間の転がり接触の範囲において、この表面にできるだけ少ないアブレシブ作用しか加えない摩擦材料を選択し、これにより硬い層を破壊しないようにすることが好都合となる。フランジの近傍に位置するこの範囲において前記摩擦材料が、外側の範囲におけるよりも低い硬度もしくは低い滑り摩擦係数を有することにより、このような事情が考慮される。フランジ側縁の範囲はやはりできるだけ小さな車輪摩耗しか有しないことが望ましい。なぜならば、この範囲では既に転がり接触が高い摩耗を発生させるからである。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１に記載の発明の有利な改良および改善が可能となる。

本発明の第１の実施態様では、少なくともブレーキブロックベースの摩耗体積の滑り摩擦係数ｆおよび／または硬度が、フランジから離れる方向で連続的に増大している。択一的な別の実施態様では、少なくともブレーキブロックベースの摩耗体積の滑り摩擦係数ｆおよび／または硬度が、フランジから離れる方向で段階的に増大している。

本発明の別の改良形では、少なくともブレーキブロックベースの摩耗体積が、ほぼ車輪の踏面の、フランジとは反対の側の端部にまで延びていてよい。したがって、ブレーキブロックベースは、たとえば９０ｍｍの幅を有しており、これにより８０ｍｍの幅しか有しない汎用のブレーキブロックベースよりも広幅に形成されている。このことはとりわけ、ブレーキブロックが車輪の横方向運動に従動し得るようなレール車両において、たとえばハンガラグの形でフローティング式にボギー台車に支承された三角形ブレーキビームを介して連結された複数のブレーキブロックにおいて、または１つの輪軸の、連結された複数のブレーキブロックにおいて有利である。なぜならば、その場合には一方では車輪の踏面の、提供されている全幅をブレーキ面として利用することができるからである。他方において、摩耗した状態においても、円錐状のプロファイルが車輪の外端部にまで延びている。

図面
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１は、公知先行技術による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図であり；
図２は、本発明の有利な実施例による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図であり；
図３は、本発明の別の有利な実施例による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図である。

実施例の説明
図２に示したブレーキブロック装置については、縮尺の理由から、ブレーキブロックホルダ（図示しない）により保持体積に保持されたブレーキブロックベース２の摩耗体積１しか図示されていない。この摩耗体積１はレール車両の、軸線６を持って回転する車輪８の踏面４と協働する。この車輪８は同一の踏面４によってレール１２のレールヘッド１０に沿って転動する。当該ブレーキブロック装置はブレーキシリンダ（図示しない）により操作される。車輪８は１３５ｍｍの汎用の幅Ｂ_Ｒを有していて、鋼から成っている。

ブレーキブロックベース２は、合成樹脂に結合された有機材料および／または無機材料、たとえばアラミド繊維、銅線維または鋼繊維を含有するコンポジットブレーキブロックベースあるいはまた複合材料ブレーキブロックベースであると有利である。

踏面４は車輪８に被せられた車輪タイヤにより形成され得る。この踏面４は内方へ向かって、直径の拡径されたフランジ１４によって仕切られる。レール車両の車輪８のプロファイルは軸方向で外方へ向かって見て一般にフランジ背面１６とフランジ丸形隆起部１８とフランジ側縁２０とくびれ部２２と踏面４と外側のプロファイル末端部２４とによって特徴付けられる。

未摩耗の状態では、踏面４のプロファイルがほぼくびれ部２２を起点としてプロファイル末端部２４にまで、つまり外方へ向かって先細りになっていて、円錐状またはコーン状の形状を形成している。未摩耗の状態は、プロファイルで見て外側のラインにより表される。

ブレーキブロックベース２の摩耗体積１においては、滑り摩擦係数ｆおよび／または硬度が、フランジ１４から離れる方向に向かって増大している。このことは特に有利には段階式に行われ、たとえば軸方向で見て少なくともブレーキブロックベース２の摩耗体積１が、互いに異なる滑り摩擦係数および／または互いに異なる硬度を有する種々の、たとえば２種の摩擦材料から成ることにより実現されている。この場合、摩耗体積１の幅Ｂ_Ｓに関しては、フランジ１４寄りの第１の区分２６が、この第１の区分２６に続いた、プロファイル末端部２４寄りの、第１の区分２６に比べてより硬い摩擦材料および／またはよりアブレシブな摩擦材料から成る第２の区分２８よりも軟らかい摩擦材料および／または第２の区分２８よりアブレシブではない摩擦材料から成っている。この場合、第１の区分２６は、たとえばブレーキブロックベース２の中心線３０を越えて延びている。

択一的に、少なくともブレーキブロックベース２の摩耗体積１の滑り摩擦係数ｆおよび／または硬度は、フランジ１４から離れる方向に向かって連続的に増大することができる。このことは、コンポジットブレーキブロックベース２の、軸方向で連続的に変化する混合比によって実現されていてよい。

図２には、ブレーキブロックベース２の摩耗した状態において生ぜしめられるプロファイルも図示されている。この場合、転がり摩耗３２は下側の区分に単独で図示されており、上側の区分には、転がり摩耗３２とブレーキブロック摩耗３４とが一緒になって図示されている。下側の区分に転がり摩耗３２を単独で図示したのは、単に図面を見易くするという理由からだけである。実際には、転がり摩耗３２は制動された車輪８においてブレーキブロック摩耗３４なしには生じない。このことから、踏面４が、摩耗した状態においてもその円錐状またはコーン状の形状を維持することが判る。その理由は、ブレーキブロックベース２もしくはブレーキブロックシューの、フランジ１４から離れる方向において増大するアブレシブ作用もしくは摩耗作用である。

ブレーキブロックベース２は８０ｍｍの汎用の幅Ｂ_Ｓを有している。しかしこれによって、このブレーキブロックベース２は図２から判るように、車輪８の踏面４の、提供されている全幅を利用していない。これにより、プロファイルはプロファイル末端部２４の範囲においてはほとんど摩耗されないか、または全く摩耗されず、しかもこの範囲では転がり摩耗３２がほとんど行われないのでなおさらである。これによって、摩耗した状態では、たしかにブレーキブロックシューの幅Ｂ_Ｓに沿って所望の円錐状のプロファイル形状が形成されるが、しかしこの円錐状のプロファイル形状はプロファイル末端部２４には続けられない。

したがって、図３に示した別の実施例では、ブレーキブロックベース２の摩耗体積１が、ほぼ車輪８の踏面４の、フランジ１４とは反対の側の端部にまで延びているか、またはプロファイル末端部２４の端部にまで延びている。たとえば、ブレーキブロックベース２は９０ｍｍの幅Ｂ_Ｓを有していて、これによって８０ｍｍの幅Ｂ_Ｓしか有しない汎用のブレーキブロックベース２よりも広幅に形成されている。このような拡幅は、より硬い摩擦材料および／またはよりアブレシブな摩擦材料から成る第２の区分２８を拡張させることによって得られると有利である。その結果、ブレーキブロック摩耗３４により、円錐状のプロファイルはプロファイル末端部２４の外端部にまで継続される。したがって、リプロファイリングによる削正の際には、車輪の踏面４から僅かな材料を除去するだけで済む。さらに、摩耗体積１の拡幅により、より多くの有効ブレーキ面が提供されていることも有利である。

公知先行技術による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図である。 本発明の有利な実施例による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図である。 本発明の別の有利な実施例による、車輪の範囲におけるブレーキブロック装置の横断面図である。

符号の説明

１ 摩耗体積
２ ブレーキブロックベース
４ 踏面
６ 軸線
８ 車輪
１０ レールヘッド
１２ レール
１４ フランジ
１６ フランジ背面
１８ フランジ丸形隆起部
２０ フランジ側縁
２２ くびれ部
２４ プロファイル末端部
２６ 第１の区分
２８ 第２の区分
３０ 中心線
３２ 転がり摩耗
３４ ブレーキブロック摩耗

Claims (5)

1. 少なくとも１つのブレーキブロックを備えた、レール車両に用いられるブレーキブロック装置であって、ブレーキブロックが、ブレーキブロックホルダとブレーキブロックベース（２）とから成っており、該ブレーキブロックベース（２）が、該ブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）と、車輪（８）の、フランジ（１４）に続いた踏面（４）との摩擦接続的な接触によりブレーキ力を発生させるために働き、該踏面（４）が、横断面で見て外方へ向かって先細りになっている形式のものにおいて、踏面（４）の範囲でブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）の滑り摩擦係数（ｆ）および／または硬度が、フランジ（１４）から離れる方向で増大していることを特徴とする、レール車両に用いられるブレーキブロック装置。
2. ブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）の滑り摩擦係数（ｆ）および／または硬度が、フランジ（１４）から離れる方向で連続的に増大している、請求項１記載のブレーキブロック装置。
3. ブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）の滑り摩擦係数（ｆ）および／または硬度が、フランジ（１４）から離れる方向で段階的に増大している、請求項１記載のブレーキブロック装置。
4. 少なくともブレーキブロックベース（２）の摩耗体積（１）が、ほぼ車輪（８）の踏面（４）の、フランジ（１４）とは反対の側の端部にまで延びている、請求項１から３までのいずれか１項記載のブレーキブロック装置。
5. ブレーキブロックベース（２）が、プラスチックを含有するコンポジットブレーキブロックベースまたは複合材料ブレーキブロックとして形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のブレーキブロック装置。

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