JP2010071337A - ディスクブレーキのブレーキトルクロッド機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキ作動時にブレーキパッドを介してブレーキアームに入力されるブレーキ接線力を、トルクロッドを介して基体に伝えることができるディスクブレーキのブレーキトルクロッド機構を提供する。
【解決手段】基体２と、その基体に球面軸受を介して取り付けた一対の軸３と、前記一対の軸のそれぞれの球面軸受を挟んだ両側に前記軸により支持された一対のブレーキアーム１と、基体側に設けたアクチュエータの作動により前記一対のブレーキアームの一端部を揺動・押圧し前記ブレーキアームの他端部に設置されたブレーキパッド４をディスクロータに押圧するように構成されたディスクブレーキにおいて、前記ブレーキアームを支持する前記軸の少なくとも一端側と、前記基体との間にトルクロッド７を取り付け、前記トルクロッドによりブレーキの接線力を受け止めるようにしたことを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構。
【選択図】図２

Description

本発明は、基体側に設けたアクチュエータの作動により一対のブレーキアームの一端部を揺動・押圧し前記ブレーキアームの他端部に設置されたブレーキパッドをディスクロータに押圧挟持するように構成されたディスクブレーキにおいて、ブレーキ作動時にブレーキパッドを介してブレーキアームに入力されるブレーキ接線力を、トルクロッドを介して基体に伝えることができるディスクブレーキのブレーキトルクロッド機構に関するものである。

車両において使用されるディスクブレーキ装置にあって、特に鉄道車両用のディスクブレーキ（鉄道車両用キャリパブレーキ）では、ブレーキが取り付けられるばね上とディスクロータが取り付けられるばね下との相対移動が大きいことから、これに対応できる機構が要求され、一般的には大きな相対移動に容易に適応できるリンクの連結による梃子式のブレーキが知られている（特許文献１参照）。

特開２００６−３１５４２２号公報

前記従来例について、図１３を参照して構成を簡単に説明すると、この鉄道ディスクブレーキ装置（鉄道車両用キャリパブレーキ）は、ディスクＤを挟圧するところのブレーキパッドを取着したブレーキヘッド２０７、２０７がそれぞれ取り付けられた２つのキャリパレバー（ブレーキアーム）２０６、２０６と、進出方向または退避方向の少なくともいずれか一方へ駆動される可動ロッド２１５を備えるアクチュエータ２１４を備えており、また、このディスクブレーキ装置２０１は、可動ロッド２１５に枢結される回転伝達アーム２１６と、この回転伝達アーム２１６に係合する伸縮軸２１０を備えている。この装置では、アクチュエータ２１４の進出に伴う回転伝達アーム２１６の押出し回転により、ネジ機構によってネジ体２１３が外方へ押し出されて、ブレーキアーム２０６、２０６を支持ピン２０５の回りにて揺動させ、ブレーキパッドを取着したブレーキヘッド２０７、２０７がディスクＤを挟圧して、ブレーキ動作が行われる。ブレーキパッドが摩耗すると、回転伝達アーム２１６の超過ストロークにより、基体に固定された隙間調整棒２２１にカム板２１９の切欠部２２０の端部が接触して、ウォームギヤ２１７が回転し、隙間調整ギヤ２１８が回転して自動隙間調整がなされる。

前記従来例のものでは、可動ロッド２１５の進出動作は、回転伝達アーム２１６を介して伸縮軸２１０の伸張動作に変換され、かつ、その力を増力されてキャリパレバー２０６、２０６に伝達されることとなっている。しかも、増力変換機構を構成する回転伝達アーム２１６に、カム板２１９、切欠部２２０、ウォームギヤ２１７、隙間調整ギヤ２１８等からなる隙間調整機構が設けられているため、ディスクＤとブレーキパッドとの隙間を自動調整できる高機能なディスクブレーキ装置２０１のコンパクトな構成が提供できる。

ところで前記した従来型鉄道車両用キャリパブレーキでは、ブレーキが取りつけられるバネ上とディスクが取りつけられるバネ下との相対変位が大きいため、ブレーキ部分とディスクとの間に倒れが発生することがある。もし、ディスクとブレーキ部との間に倒れが発生すると、ライニング（摩擦材）の引きずり、磨耗に繋がる。こうした事態に対応するため、図１３の従来例ではパッドのブレーキトルクを受けるアーム２０６がボディ２０５と支点軸のボルトで締結され車輪左右動（枕木方向）へ追従する。また車輪のローリングに対してはボディ２０５とサポート２０２を係合するボルトによってボディ全体を振り子状態でハンギング（吊り下げ式）して対応している。この様に車輪追従のためにボディ全体を揺さぶる構造において、各部の強度を考慮し、軽量に設計することが難しかった。

このような背景から、本発明者等は、ディスクブレーキ（鉄道車両用キャリパブレーキ）において、ブレーキ作動時にブレーキパッド側に発生するブレーキ接線力（ブレーキパッド巻き込み作用）によってブレーキアームに発生するモーメントを確実に打ち消すことができる２点支持防振ゴムによるブレーキトルク受け機構を提案している（特許文献２）。このブレーキトルク受け機構により、前記モーメントの打ち消し作用によるブレーキパッドの偏摩耗を抑制することができる。

特願２００８−１７８１号

しかし、上記特許文献２で示したブレーキトルク受け機構では、ブレーキ作動時にブレーキパッド側に発生するブレーキ接線力を必ずしも十分に受け止めることができない。また、ディスクロータとブレーキパッド間に倒れが発生すると、ブレーキパッド（摩擦材）の引きずり、摩耗、破損等の原因につながる恐れがある。

そこで本発明は、ディスクブレーキ（鉄道車両用キャリパブレーキ）において、ブレーキ作動時にブレーキパッド側に発生するブレーキ接線力（ブレーキパッド巻き込み作用）によってブレーキアームに発生するモーメントを確実に打ち消すことができる新しいブレーキトルクロッド機構を提供することにより、上記問題点を解決することを目的とする。また、本発明ではモーメントの打ち消し作用によりブレーキパッドの偏摩耗を抑制することができる。さらにブレーキトルクをセンシングすることにより理想のブレーキ力を配分することができる。

このため本発明は、本発明が採用した課題を解決するための手段は、
基体と、その基体に球面軸受を介して取り付けた一対の軸と、前記一対の軸のそれぞれの球面軸受を挟んだ両側に前記軸により支持された一対のブレーキアームと、基体側に設けたアクチュエータの作動により前記一対のブレーキアームの一端部を揺動・押圧し前記ブレーキアームの他端部に設置されたブレーキパッドをディスクロータに押圧するように構成されたディスクブレーキにおいて、前記ブレーキアームを支持する前記軸の少なくとも一端側と、前記基体との間にトルクロッドを取り付け、前記トルクロッドによりブレーキの接線力を受け止めるようにしたことを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構である。
また、前記基体とトルクロッドの連結は、トルクロッドを球面軸受を介して、ボルトにより基体に連結したことを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構である。
また、前記トルクロッドには力センサを組み込み、ブレーキトルクを検出できるようにしたことを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構である。
また、前記トルクロッドは、少なくとも１本が配置されていることを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構である。

本発明の第１実施例によれば、
ブレーキアームを基体に支持する軸の少なくとも一端側と、基体との間にトルクロッドを取り付けることにより、前記トルクロッドによりブレーキの接線力を確実に受け止めることができる。
また、前記トルクロッド機構では、トルクロッドを軸の少なくとも一端側（言い換えると、ブレーキアームの外側）に配置したため、ブレーキ接線力の入力が基体とブレーキアームの回転支点（球面軸受）から遠ざかるため、ブレーキ制動時に発生するブレーキ接線力がトルクロッドに伝わるモーメントを減少させることができる。
ブレーキ制動時にディスクロータの面圧は入口側と出口側で異なり、入口側の面圧が高くなり、ブレーキアームが球面軸受を中心に回転させられる現象（入口側の巻き込み現象）がおこるが、この現象をトルクロッドに発生する引張り力（または圧縮力）により打ち消し（即ち、パッド接線力によるブレーキアームの回転を打ち消し）、パッドの偏磨耗を防止することができる。
また、本発明の第２実施例によれば、
第１実施例のトルクロッドに引張・圧縮の力センサ（たとえばロードセル）を組み込んだことにより、ブレーキトルクをセンシングすることができる。なお、トルクロッドは第２実施例では４本使用しており、力センサはそれぞれのトルクロッドに取り付けてあるが、１本のトルクロッドのみに力センサを取り付けても同様な効果を得ることができ、さらにトルクロッドは４本でなく１本のみでもよい。

ブレーキアームの一端部を揺動・押圧し前記ブレーキアームの他端部に設置されたブレーキパッドをディスクロータに押圧するように構成されたディスクブレーキにおいて、前記ブレーキアームを基体に支持する軸の少なくとも一端側と、基体との間にトルクロッドを取り付け、前記トルクロッドによりブレーキの接線力を受け止めることができるようにする。またトルクロッドには力センサを取り付ける。

以下、本発明に係るディスクブレーキの好適な実施例を図面に基づいて説明すると、図１は本発明の第１実施例に係るディスクブレーキの正面図であり、図２は同ブレーキの側面図、図３は同ブレーキの平面図、図４は図２中のＡ−Ａ断面図、図５は図２中のＢ−Ｂ断面図、図６は図５の要部拡大図、図７はブレーキ作動時に発生するモーメントの説明図、図８はブレーキ接線力方向の説明図である。

図１〜図５を参照して本発明に係るディスクブレーキの概略的な構成を説明すると、同キャリパブレーキは、図示せぬディスクロータに対向して配置された一対のブレーキアーム１を備えており、このブレーキアーム１はキャリパブレーキの基体２に対して軸３を中心に揺動できるように軸支持されている。ブレーキアーム１の図中下端には公知のブレーキパッド４が取りつけられており、また図１中、ブレーキアーム１の上端にはブレーキアーム１を拡開作動する公知のアクチュエータ（不図示）が結合されている。

図４において、基体２には球面軸受を介して軸３が支持されている。基体２に支持されている前記軸３の長さ方向中央部には球面軸受５のインナ５ａが取り付けられ、この球面軸受５のアウタ５ｂが基体２に取り付けられている。さらに球面軸受５の両側の基体２と軸３の周囲との間には図４に示すように防振部材６が配置されている。
図２に示すように基体２から左右両側に突出した軸３の両側にはブレーキアーム１が基体２を挟むように配置されており、さらにブレーキアーム１が適宜手段で軸３に固定されている。さらにブレーキアーム１から突出した両側の軸３の端部には後述するトルクロッド７の一端が軸３の頭部３ａ、ナット８により回転自由に締結されている。

図５、図６において、ブレーキアーム１から突出した軸３の両側には前述した態様で２本のトルクロッド７が取り付けられており、取り付けた二本のトルクロッド７の他端は、基体２に球面軸受９を介してそれぞれ取り付けられている。
この構造をさらに具体的に説明すると、トルクロッド７の内周面には球面軸受９のアウタ９ｂが取り付けられ、球面軸受９のインナ９ａには取り付けボルト１０が挿入され、前記ボルト１０が基体２に螺合され、この構造により基体２にトルクロッド７が取り付けられている。また、基体２とトルクロッド７との間にはスペーサ１０ａが設けられている。こうした取り付け構造により、トルクロッド７は球面軸受９を介して全方向に自由度を有して旋回および揺動可能に支持されている。

上記構成からなるディスクブレーキの作動を説明する。
このキャリパブレーキでは図示せぬアクチュエータを作動するとブレーキアーム１上端が軸３を中心に拡開方向に移動し、これに伴ってブレーキアーム１下端に設けたブレーキパッド４がディスクロータを押圧・挟持してブレーキを働かせることができる。

図７において、ブレーキ作動すると、ブレーキパッドには入口側において図７中Ｂで示す方向に巻き込み力によるモーメントが発生し、この力でブレーキアーム１が軸３の球面軸３受部を中心に回転しブレーキ接線力Ａが発生する。この状態を図８を参照して説明すると、車輪が図８の回転中心の矢印方向に回転していると、この時接線力は図８中、Ａで示す方向に発生する。そしてこの時、この接線力Ａにより、図１中、上側のトルクロッド７には引張り力が、図１中、下側のトルクロッド７では圧縮力が作用し、このトルクロッド７の作用により入口側のブレーキパッドの巻き込み力を抑制することができる。

また、上記ディスクブレーキにおいては、ブレーキ作動時にはブレーキ接線力等の力によりブレーキパッド側とディスクロータ側との間に相対変位が生じるが、ブレーキ開放時にはディスクロータとブレーキパッドが元の位置に戻ることが重要である。もし、ブレーキパッドが元の位置に復帰しない場合には、両者の間の位置関係がずれ、ブレーキパッドの引きずり、摩耗が発生することがある。このため、本発明では、図４に示すようにブレーキアーム１を軸支する軸３に筒状の防振部材（防振ゴムなど）６を装着している。こうすることによりブレーキ作動時にディスクロータに倒れが生じても、この防振部材６などの復元力でブレーキ開放時にディスクロータとブレーキパッドが元の位置に戻ることになる。具体的には、ディスクロータが倒れることによりディスクロータがブレーキパッドに当たり、ブレーキパッドはディスクロータに押されて傾こうとする。ディスクロータに倒れが生じると防振部材６を撓ませながらブレーキパッドがディスクロータに追従する。ブレーキが開放されディスクロータの倒れが無くなると、防振部材６の反力でブレーキアーム、即ちブレーキパッドが元の位置（元の姿勢）へ戻り、ブレーキパッドの引きずり、摩耗、破損等を防止することができる。こうして、防振部材６を採用することで、ブレーキ作動時に、ブレーキディスクロータとブレーキ間に倒れが発生してもブレーキ開放時にはブレーキパッドを元の状態に復帰させることができる。

つづいて本発明の第２実施例を説明すると、図９は第２実施例に係るディスクブレーキの側面図、図１０は同ブレーキに装着するトルクロッドの正面図、図１１は制御ブロック図、図１２はトルクロッドに作用する力の説明図である。
第１実施例では、トルクロッド７を単純なロッドで構成しているが、第２実施例ではこのトルクロッド７に力センサ１１を組み込んだ構成とすることを特徴としている。
図９を参照してトルクロッド７の構成を説明すると、図に示すトルクロッド７はブレーキアーム１の両側に１本づつ、都合４本が取り付けられており、トルクロッド７は入口側のブレーキパッドの巻き込み力を抑制する機能を果している。本実施例に使用するトルクロッドは図１０に示すようにトルクロッド７の中間部には力センサ１１、例えばロードセルがネジ１２等を使用して取り付けられている。この力センサ１１としては歪みゲージ式、圧電式、磁歪式等、力センサ等種類は問わない。また、４本全てのトルクロッド７に力センサ１１を取り付けることが望ましいが、少なくとも１本のトルクロッド７のみに力センサを取り付けることでブレーキトルクのセンシングをすることも可能である。

トルクロッド７に取り付けたロードセルは、図１１に示すように制御ブロック図に接続されている。この制御ブロック図は、速度発電機、応荷重検出装置、ブレーキトルクデータ等からのデータを取り込んでブレーキを制御するブレーキ制御ユニットＢＣＵを備えており、このブレーキ制御ユニットからの指令により電空変換弁を操作できるようになっている。

前述のような力センサ１１付きのトルクロッド７を使用した場合、ブレーキ作動すると、ブレーキパッドには入口側において巻き込み力によるモーメントが発生し、この力でブレーキアーム１が軸３の球面軸受５を中心に回転しブレーキ接線力が発生する。そしてこの接線力により、図１２で示すように図中上側のトルクロッド７では引張り力が、下側のトルクロッド７では圧縮力が作用する。トルクロッド７にかかる力はトルクロッド７に設けた力センサ１１により検知され、ブレーキ制御ユニットＢＣＵに入力されＰＩＤ制御等のフィードバック制御により目標ブレーキトルクになるように、電空変換弁、中継弁を介してＢＣコックを制御し、所定の空気圧をブレーキアクチュエータに供給してブレーキ力を制御する。こうしてブレーキトルクをセンシングすることにより理想のブレーキ力を配分することができる。
なお、図１１に示す制御ブロック図のほか、ブレーキキャリパのアクチュエータが電動の場合には、ブレーキ制御方式が空気圧システムから、電気システムに変更となるため、フィードバック系統は同様に考えることができる。

以上、本発明の実施例について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、トルク受け機構６の形状、防振ゴムの材質、形状等を適宜変更することができる。実施例に記載の諸元はあらゆる点で単なる例示に過ぎず限定的に解釈してはならない。

本発明は、鉄道用ブレーキキャリパに利用することができる。

本発明の第１実施例に係るディスクブレーキの正面図である。 同ブレーキの側面図である。 同ブレーキの平面図である。 図２中のＡ−Ａ断面図である。 図２中のＢ−Ｂ断面図である。 図５の要部拡大図である。 ブレーキ作動時に発生するモーメントの説明図である。 ブレーキ作動時に発生する接線力方向の説明図である。 第２実施例に係るディスクブレーキの側面図である。 同ブレーキに装着するトルクロッドの正面図である。 制御ブロック図である。 トルクロッドに作用する力の説明図である。 従来の鉄道ディスクブレーキ装置の構成図である。

符号の説明

１ ブレーキアーム
２ 基体
３ 軸
３ａ 軸の頭部
４ ブレーキパッド
５ 球面軸受
５ａ インナ
５ｂ アウタ
６ 防振部材
７ トルクロッド
８ ナット
９ 球面軸受
９ａ インナ
９ｂ アウタ
１０ ボルト
１０ａ スペーサ
１１ 力センサ
１２ ネジ

Claims (4)

1. 基体と、その基体に球面軸受を介して取り付けた一対の軸と、前記一対の軸のそれぞれの球面軸受を挟んだ両側に前記軸により支持された一対のブレーキアームと、基体側に設けたアクチュエータの作動により前記一対のブレーキアームの一端部を揺動・押圧し前記ブレーキアームの他端部に設置されたブレーキパッドをディスクロータに押圧するように構成されたディスクブレーキにおいて、前記ブレーキアームを支持する前記軸の少なくとも一端側と、前記基体との間にトルクロッドを取り付け、前記トルクロッドによりブレーキの接線力を受け止めるようにしたことを特徴とするディスクブレーキのトルクロッド機構。
2. 前記基体とトルクロッドの連結は、トルクロッドを球面軸受を介して、ボルトにより基体に連結したことを特徴とする請求項１に記載のディスクブレーキのトルクロッド機構。
3. 前記トルクロッドには力センサを組み込み、ブレーキトルクを検出できるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディスクブレーキのトルクロッド機構。
4. 前記トルクロッドは、少なくとも１本が配置されていることを特徴とする請求項３に記載のディスクブレーキのトルクロッド機構。

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