JP2016118247A - 鉄道車両用制輪子 - Google Patents

Abstract

【課題】水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、強度も高く維持できる鉄道車両用制輪子を提供する。【解決手段】本発明の鉄道車両用制輪子は、鉄道車両の車輪踏面に摺接して車輪にブレーキをかけるための制輪子(10)であり、中央部の幅方向には溝部(5)が形成され、両端部及び溝部の両側は車両の進行方向又は逆行方向と直交する方向の面(3a,3b,6a,6b)と、前記車輪の非フランジ側に傾斜する面(4a,4b,7a,7b)を備えている。水、雪、グリス等の付着物は傾斜面(4a,4b,7a,7b)から排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくい。【選択図】図１

Description

本発明は鉄道車両用制輪子に関する。とくに排水性や排雪性の高い鉄道車両用制輪子に関する。

従来から、鉄道車両用摩擦ブレーキの機構には、踏面方式とディスク方式があり、在来線には踏面方式が多く採用されている。前記踏面方式は、鉄道車輪の車輪踏面に制輪子の摩擦面を押付けることで、ブレーキ力を発生させるものである。前記制輪子には、鋳鉄制輪子や焼結制輪子等の金属素材からなる摺動材で構成されるものがあるが、鋳鉄制輪子では制輪子寿命が短く取り換え頻度が多いことや、焼結制輪子では高価になる等、デメリットが存する事等があることから、比較的長寿命で安価な材質である合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した摩擦体を有する合成制輪子が用いられている。

特許文献１には、金属ブロック挿入型合成制輪子が記載されている。特許文献２〜４には中央の幅方向に溝部を有する制輪子が提案されている。

特開２０００−２３０５８９号公報 特許第２８３５１５１号公報 特許第３１８５１３９号公報 特開平７−１３３８３３号公報

しかし、従来の鉄道車両用制輪子は幅方向（車両の進行方向と直交する方向）は面一であり、水、雪、グリス等の付着物は制輪子と車両踏面との間に入りやすいという問題があった。水、雪、グリス等の付着物は制輪子と車両踏面との間に入ってしまうと、ブレーキ性能は低下する。また、制輪子の前面を傾斜面にすることも考えられるが、前面全部を傾斜面にすると先端部分の強度は低下し、耐久性の問題が発生する。

本発明は前記従来の問題を解決するため、水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、強度も高く維持できる鉄道車両用制輪子を提供する。

本発明の鉄道車両用制輪子は、鉄道車両の車輪踏面に摺接して前記車輪にブレーキをかけるための制輪子であって、前記制輪子の中央部の幅方向には溝部が形成され、前記制輪子の両端部及び前記溝部の両側は車両の進行方向又は逆行方向と直交する方向の面と、前記車輪の非フランジ側に傾斜する面を備えていることを特徴とする。

本発明の鉄道車両用制輪子は、制輪子の両端部及び前記溝部の両側は車両の進行方向又は逆行方向と直交する方向の面と、車輪の非フランジ側に傾斜する面を備えていることにより、水、雪、グリス等の付着物は傾斜面から排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、強度も確保できる鉄道車両用制輪子を提供できる。この結果、車輪と制輪子との摩擦係数を高く維持でき、雨天や降雪時のブレーキ性能の低下を防止できる。

図１は本発明の一実施例における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。 図２は同制輪子の側面の非フランジ面側から見た側面図である。 図３は同制輪子の車輪摺接面から見た平面図である。 図４は同制輪子の雨天時における水の排除方向を示す説明図である。 図５Ａは同制輪子のグリス等付着物が付着する状態を示す説明図、図５Ｂは同降雪時の雪が排除される状態を示す説明図である。 図６Ａは比較例の制輪子のグリス等付着物が付着する状態を示す説明図、図６Ｂは同降雪時の雪が付着する状態を示す説明図である。 図７は同制輪子の非フランジ面にスリットを形成した例の側面図である。 図８は実施例１と比較例１の制輪子の散水条件におけるブレーキを掛けたときの瞬間摩擦係数の変化を示すグラフである。

本発明の制輪子は、鉄道車両の車輪踏面に摺接して車輪にブレーキをかけるための制輪子である。この制輪子の材料には特に限定はなく、任意のものを使用できる。例えば、フェノール樹脂などの合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した摩擦体を有する合成制輪子を用いることができる。さらに金属ブロックやセラミックスブロックを挿入させたハイブリッド型制輪子であっても良い。

本発明の制輪子の両端部及び溝部両側には、車両の進行方向又は逆行方向と直交する方向の面（以下「直交面」ともいう。）と、前記車輪の非フランジ側に傾斜する面（以下「傾斜面」ともいう。）を備えている。これにより、水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、強度も確保できる。また、鉄道車両は双方向に走行するので制輪子の両端部に直交と傾斜面を形成する。加えて、前記傾斜面から排除された水等は制輪子の非フランジ側の側面を伝わって溝内に入ることもあるので、溝部の両面も直交面と非フランジ側に傾斜面を形成する。

制輪子の中央部の幅方向に溝部が形成されている。溝部があると応力集中を防ぐことができ、たわみを持たせて破損を防止できる。

前記制輪子の摺接面は、前記溝部の中心線を中心とする対称の関係にあることが好ましい。鉄道車両は双方向に走行するので、対称であればどちらの方向に走行しても同様な作用効果が得られる。

前記直交面の長さは摺接面において、前記制輪子の全体の幅の４０％以上９０％以下が好ましいく、より好ましくは４５％以上７５％以下である。前記の範囲であれば、本発明の効果をより高くすることができる。

前記制輪子の両端部の直交面からの傾斜面の角度（θ１）は１０〜６０°、前記溝部の両側の直交面からの傾斜面の角度（θ２）は１０〜４０°であり、θ１＞θ２の関係であるのが好ましい。さらに好ましいθ１は２０〜５０°であり、より好ましくは３０〜４０°である。θ２は、さらに好ましくは１５〜３５°であり、より好ましくは２０〜３０°である。前記の範囲であればより効率よく水、雪、グリス等の物質を排除しやすい。また、θ１＞θ２が好ましいのは、制輪子の直交面には、溝内に比べてより多くの水、雪、グリス等の物質が当たるため、これを排除するためである。

前記溝部は、前記溝部の両側の直交面同士の間隔は、車輪摺接面から見て１０〜２５ｍｍであることが好ましく、さらに好ましくは１５〜２０ｍｍである。このようにすると、傾斜面を入れることによって摺動面積は少なくなるが、溝の幅を狭くし、その分摺動面積を広げることができ、傾斜面のないものとほぼ同等の摺動面積を確保できる。これにより、乾燥時におけるブレーキの作用効果を傾斜面のないものとほぼ同等に保持できる。

前記制輪子の非フランジ側の側面には車輪踏面から離れる方向にスリット及び／又はリブが形成されているのが好ましい。このようにすると、制輪子の傾斜面から排除される水、雪、グリス等の物質が再度溝内に入る割合を減らすことができる。

以下図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一部品又は同一物を示す。図１は本発明の一実施例における制輪子１０の車輪摺接面２ａ，２ｂから見た斜視図である。制輪子１０は制輪子本体１と台金８と取付板９で構成されている。制輪子本体１は、両端には直交面３ａ，３ｂと、傾斜面４ａ，４ｂがあり、溝部５にも直交面６ａ，６ｂと、傾斜面７ａ，７ｂがある。車両進行方向に運転時を例にとると、水、雪、グリス等の物質は、まず直交面３ａで受けやすく、次いで傾斜面４ａで非フランジ側に排除され、そのまま脱落してしまうものもあるが、一部は制輪子１０の非フランジ側側面を伝わって溝部５に入るので、これは傾斜面７ｂから排除される。逆行方向の場合は逆の傾斜面が同じ作用を発揮する。

図２は同制輪子１０の側面の非フランジ面側から見た側面図、図３は同制輪子１０の車輪摺接面から見た平面図である。図３から明らかなとおり、車輪摺接面２ａ，２ｂは変形した６角形状をしており、両端の傾斜面４ａ，４ｂの傾斜角（θ１）は溝部５の傾斜面７ａ，７ｂの傾斜角（θ２）より、角度が高い。これは両端に当たる水、雪、グリス等の物質の量が相対的に多いため、排除量も多くするためである。また、溝部５の幅は、図２〜３の例では車輪摺接面から見て１０〜２５ｍｍである。これにより、摺動面積を広げている。図２の１１は受金である。図３の一点鎖線１００は左右対称の線である。

図４は同制輪子の雨天時における水の排除方向を示す説明図である。図４は走行試験における水の挙動を高速度カメラで撮影した写真を観察して作成したものである。まず、水１２ａは先端の直交面３ａにあたり、傾斜面４ａに排除され（水１２ｂ）、非フランジ側側面を伝わって流れて溝部５に入り（水１２ｃ）、この水は傾斜面７ｂから排除され（水１２ｄ）、再度非フランジ側側面を伝わって流れ落ちる（水１２ｅ）。

図５Ａは同制輪子のグリス等付着物が付着する状態を示す説明図、図５Ｂは同降雪時の雪が排除される状態を示す説明図である。通常の鉄道車両はグリス等を車輪に供給しながら運転走行している。これはレールと車輪の異音や摩擦量を減少するためである。したがって、車輪踏面にはグリス等が付着しやすい。本発明の制輪子は、グリス等１４が車輪踏面１３ａに付着しても図５Ａに示すように直交面３ａと傾斜面４ａで捕捉する。加えて、図５Ｂに示すように降雪時に雪が付着しても、傾斜面４ａから排除する。１３ｂは車輪のフランジである。

これに対して従来の制輪子１６ａ，１６ｂの形状は、図６Ａ-Ｂに示すとおり、降雪時の雪１５はグリス等１４の付着物とミックスし、制輪子１６ａの前面に滞留してしまう。雪が前面に滞留すると、制輪子の車輪摺接面１６ａ，１６ｂと車輪の踏面との間に雪が入り込み、ブレーキ力が低下する恐れがある。

図７は制輪子１０の非フランジ面にスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを形成した例の側面図である。スリットに換えてリブでもよい。このようにすると、制輪子の傾斜面から排除される水、雪、グリス等の物質が再度溝内に入る割合を減らすことができる。

以下実施例を用いて本発明を説明する。本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。

（実施例１）
図１〜３に示す制輪子を製作した。全体の大きさは、側面から見た直線長さ３５０ｍｍ，幅７９ｍｍである。材料は従来品と同じフェノール樹脂などの合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した。この制輪子を用いて、乾燥条件定速試験、散水条件定速試験、繰り返し散水試験を行った。各試験条件は表１に示し、結果は表２〜４に示す。

（比較例１）
現在使われている合成制輪子の一般的形状(図１〜３における傾斜部はなく、直交面のみのもの。図６Ａ-Ｂに示す車輪摺接面１６ａ，１６ｂを有する制輪子。車輪摺接面の溝部の間隔は４５ｍｍ。)を使用し、それ以外は実施例１と同様に実験した。

（実施例２）
図７に示すように制輪子１０の非フランジ面側面にスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄを形成した以外は実施例１と同様に実験した。但し、試験は繰り返し散水試験のみとした。他の試験は実施例１と基本構造は同じなので変わらないと推認できるからである。

表２から、乾燥時における摩擦係数は実施例１と比較例１では大差はなく、ほぼ同等と判断できる。制輪子摩耗量は実施例１のほうが少なく、優れていると判断できる。

表３から、散水定速試験における摩擦係数で対散水性における有効性に差異はない判断できる。

表４から明らかなとおり、繰り返し散水試験を重ねても実施例１は摩擦係数０．１以上を確保しており、対散水性において有効性が確認できた。これは傾斜面の水除去作用によるものと判断できる。これに対して比較例１は摩擦係数の連続的低下が認められ、１８回目で試験中止せざるを得なかった。実施例２は摩擦係数の低下が少なく、維持安定性が見られた。これは傾斜面の水除去効果と、非フランジ面側面にスリット１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄによる水除去効果の相乗的効果によるものと判断できる。

（瞬間摩擦係数モデル）
実施例１と比較例１の制輪子のブレーキを掛けたときの瞬間摩擦係数の変化をモデルケースで調べた。図８は乾燥条件定速試験と散水試験における速度基準瞬間摩擦係数を比較したグラフである。太い点線（比較例１）は、６０ｋｍ／ｈで走行中にブレーキを掛けたときの乾燥試験時の速度基準瞬間摩擦係数を示す。水の侵入が無い試験では低下が見え難いなだらかな曲線図となっている。
散水状態では、比較例１の制輪子は６０ｋｍ／ｈから４５ｋｍ／ｈまで速度が落ちる際に（ブレーキ後約５秒）、乾燥時に比べて摩擦係数は低下する。そして約３５ｋｍ／ｈまで低下したとき（ブレーキ後約１０秒）、摩擦係数は０．０３５程度、一気に低下することが確認される（矢印部分）。これは制輪子の非フランジ側面から回り込んだ水が溝内にたまり始め、後ろ側の摺接面が濡れることによって摩擦係数は一気に下がると思われる。いわゆるスリップ状態となる。下がった後、摩擦係数は再び緩やかに上昇する。

同じ実験の６０ｋｍ／ｈで走行中にブレーキを掛けたときの実施例１の制輪子の速度基準瞬間摩擦係数の変化は、図８の細い点線で示すグラフになる。ブレーキ掛け始めの摩擦係数は高く、かつ矢印部分のような途中の摩擦係数の低下は認められない。
この試験から、本発明の実施例品はブレーキを掛けたときの瞬間摩擦係数の低下が抑制され、安全性が高いことが確認された。

本発明の鉄道車両用制輪子は、雨水及び降雪に強いことから、高速鉄道や通常の鉄道車両に好適なほか、地上を走行することが予定されている地下鉄車両や路面電車車両などにも好適である。

１ 制輪子本体
２ａ，２ｂ 車輪摺接面
３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ 直交面
４ａ，４ｂ，７ａ，７ｂ 傾斜面
５ 溝部
８ 台金
９ 取付板
１０ 制輪子
１１ 受金
１２ａ〜１２ｅ 水の流れ方向
１３ａ 車輪の踏面
１３ｂ 車輪のフランジ
１４ グリス等
１５ 雪
１６ａ，１６ｂ 車輪摺接面
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ スリット

Claims (6)

1. 鉄道車両の車輪踏面に摺接して前記車輪にブレーキをかけるための制輪子であって、
   前記制輪子の中央部の幅方向には溝部が形成され、
   前記制輪子の両端部及び前記溝部の両側は車両の進行方向又は逆行方向と直交する方向の面と、前記車輪の非フランジ側に傾斜する面を備えていることを特徴とする鉄道車両用制輪子。
2. 前記制輪子の車輪摺接面は、前記溝部の中心線を中心とする対称の関係にある請求項１に記載の鉄道車両用制輪子。
3. 前記制輪子の車輪摺接面から見たとき、前記直交する方向の面の辺の長さは、前記制輪子の傾斜面のない部分の幅の４０％以上９０％以下である請求項１又は２に記載の鉄道車両用制輪子。
4. 前記直交する方向の面からの傾斜面の角度（θ１）は１０〜６０°、前記溝部の両側の直交する方向の面からの傾斜面の角度（θ２）は１０〜４０°であり、θ１＞θ２の関係である請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉄道車両用制輪子。
5. 前記溝部の両側の直交する方向の面同士の間隔は、車輪摺接面から見たとき、１０〜２５ｍｍである請求項１〜４のいずれか１項に記載の鉄道車両用制輪子。
6. 前記制輪子の非フランジ側の側面には車輪摺接面から離れる方向にスリット及び／又はリブが形成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の鉄道車両用制輪子。

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