JP4909948B2 - キャリパブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、車輪と共に回転するディスクに摩擦力を付与して制動するキャリパブレーキ装置に関するものである。

従来より、鉄道車両等には油圧ブレーキ装置が用いられており、空気圧源から供給される空気圧を油圧に変換する空油変換器を搭載し、この空油変換器から油圧配管を介して供給される油圧によって油圧ブレーキを作動させている。

近年、空油変換器や油圧配管を廃止するために、油圧ブレーキに換えて空気圧源から供給される空気圧により作動する空気圧ブレーキを鉄道車両に搭載することが望まれている。

特許文献１には、ダイヤフラムを用いたアクチュエータに供給される空気圧によって制輪子を押圧作動する鉄道車両用空気圧ブレーキ装置が開示されている。
特開平１１−１９３８３５号公報

しかしながら、このような従来のダイヤフラムを用いた鉄道車両用空気圧ブレーキ装置では、ダイヤフラムの受圧面積の全体で制輪子を押圧できずにダイヤフラムの押圧力の一部のみしか利用できないため、ダイヤフラムの受圧面積に対する押圧効率を向上させることができず、押圧力を大きくできなかった。

そこで本発明は、ダイヤフラムの受圧面積に対する押圧効率を向上させ、押圧力を増大することを目的とする。

本発明は、車輪と共に回転するディスクと、前記ディスクに当接して摩擦力を付与する制輪子と、空気圧の変化によって変形し、前記制輪子に前記ディスクへの押圧力を印加するダイヤフラムと、前記制輪子に対して垂直に、かつ並列に複数設けられ、前記ダイヤフラムの押圧力を前記制輪子に伝達するピストンと、前記ピストンを前記制輪子に垂直に当接させるように前記ピストンを軸方向に摺動可能に保持するピストンガイドフレームと、前記ピストンと前記ダイヤフラムとの間に設けられ、かつ前記ダイヤフラムに固定される複数の押圧プレートと、を備え、前記押圧プレートは、複数の前記ピストンからなるピストンユニットに前記ダイヤフラムの押圧力を伝達することを特徴とする。

本発明によれば、ダイヤフラムは複数のピストンを備えるピストンユニットを押圧プレートを介してディスク方向に押圧し、制輪子をディスクに当接させ摩擦力を発生させる。よって、ダイヤフラムがピストン単体を押圧する場合と比してダイヤフラムの押圧有効面積が増加するため押圧効率が向上し、押圧力を増大することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００について説明する。図１は本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００の平面図、図２は図１における正面図である。

キャリパブレーキ装置１００は、車輪５に設けられたディスク６をその両面から一対の制輪子７で挟持し、車輪５と共に回転するディスク６とキャリパ本体１０に固定された制輪子７とが当接することで生じる摩擦力によって車輪５の回転を制動するものである。

キャリパブレーキ装置１００は、キャリパ本体１０を支持枠２０によって図示しない台車（車体）上に支持されて構成される。

キャリパ本体１０は、車輪５に設けられたディスク６に跨るようにして延びる第一キャリパアーム１２及び第二キャリパアーム１４と、この第一，第二キャリパアーム１２，１４を結ぶヨーク部１３と、キャリパ本体１０を台車上に支持するためのブラケット部１５，１６とを備える。キャリパ本体１０のブラケット部１５，１６には、キャリパ本体１０を支持枠２０に摺動可能に保持するための上スライドピン３０及び下スライドピン３２の両端部が支持される。

キャリパ本体１０は、上下スライドピン３０，３２によって支持枠２０に対して摺動可能にフローティング支持される。これによって、キャリパ本体１０は図示しない台車に対する車輪５の相対移動に追従し、制輪子７は車輪５のディスク６に対して平行に対峙する。

キャリパ本体１０は、後で詳しく説明するダイヤフラムアクチュエータ６０を第一キャリパアーム１２側のみに備える。本実施形態のようにフローティング形式にする他、第一，第二キャリパアーム１２，１４の両側にダイヤフラムアクチュエータ６０を設け、対向ピストン形式にすることも可能である。

上スライドピン３０及び下スライドピン３２は、支持枠２０を貫通して設けられ、キャリパ本体１０のブラケット部１５，１６に接続される。キャリパ本体１０は上下スライドピン３０，３２によって、上下スライドピン３０，３２の軸方向に摺動自在に支持枠２０に支持される。上下スライドピン３０，３２の露出部はゴム製のブーツ３４によってダスト等から保護される。

制輪子７はライニング９を備え、車輪５と共に回転するディスク６に当接することで摩擦力を生じ、車輪５を制動する。また、制輪子７の上下端はアジャスタ４１のアンカピン４３に固定されている。制輪子７はアジャスタ４１の戻しばね４４によってディスク６から離す方向へ付勢されている。

ライニング９は、制輪子７のディスク６と当接する面に設けられる。ライニング９はピストンユニット５０を介してダイヤフラムアクチュエータ６０からの押圧力を受け、制輪子７を介してディスク６に平行に押圧されて当接することで摩擦力を発生させる。図２に二点鎖線で示した円弧は、制輪子７のライニング９と車輪５のディスク６とが当接する面のディスク６の径方向の中心である。

ディスク６は車輪５上に設けられ、車輪５と共に回転する。回転するディスク６に制輪子７のライニング９が当接することで発生する摩擦力によって車輪５は制動させられる。本実施形態ではディスク６は車輪５の表面に一体となって構成されている。しかし、車輪５とは別個にディスク６を設けた場合にも同様の効果を奏するため、この構成に限られるものではない。

以下では、図３から図５を参照してキャリパ本体１０の内部構造について説明する。図３は図２におけるＡ−Ａ断面図、図４は図２におけるＢ−Ｂ断面図、図５は本発明の実施の形態に係る押圧プレート５１の模式図である。

制輪子７のディスク６に対する初期位置を調節するアジャスタ４１は、アンカボルト４２を介してキャリパ本体１０の上下端部にそれぞれ締結される。このアジャスタ４１から突出するアンカピン４３を介して制輪子７の両端部が支持される。制輪子７は、アジャスタ４１によってディスク６と一定の間隔をもって対峙する。

アジャスタ４１は、ダイヤフラムアクチュエータ６０の上下にそれぞれ配置される。アジャスタ４１は、アンカピン４３を介して制輪子７をディスク６から離す方向に付勢する戻しばね４４と、制動解除時に制輪子７とディスク６との隙間を一定に調整する隙間調整機構４５とを備える。よって、アンカピン４３は制動時にダイヤフラム７５が変形して制輪子７をディスク６に押圧する動きに追従して変位する一方、制動が解除されると戻しばね４４によって制輪子７を戻すが、このとき隙間調整機構４５によって戻し量を一定に制御し、制輪子７とディスク６の間隔を常に一定に保つことが可能となる。

ダイヤフラムアクチュエータ６０は、内部にダイヤフラム７５を備え、空気圧を調整することでダイヤフラム７５を変形させ、ダイヤフラム７５の変形によってディスク６に制輪子７を押圧する。

ダイヤフラムアクチュエータ６０は、ダイヤフラム７５とキャリパカバー１１とによって区切られるダイヤフラム室６３を備える。ダイヤフラム室６３には通孔６９が設けられ、制動時にダイヤフラム７５を変形させるための空気圧が通孔６９から供給される。

ダイヤフラム７５は、周縁部７６とベローズ部７７と押圧部７９とから構成される。ダイヤフラム７５の押圧部７９は、折りたたまれていたベローズ部７７がダイヤフラム室６３に供給される空気圧によって伸長することで変位する。ダイヤフラム７５の押圧部７９はピストンユニット５０と当接し、押圧部７９の変位によってピストンユニット５０は押圧される。

ダイヤフラム７５は樹脂製弾性材であり、例えばカーボン繊維，ケプラー繊維等の強化材を複合したものを用いてベローズ形成してもよい。また、ゴム製チューブや金属薄板からなるベローズでもよい。

ダイヤフラム７５には、複数の押圧プレート５１がボルト６８で固定される。本実施形態ではボルト６８で固定しているが、押圧プレート５１をダイヤフラム７５の押圧部７９に固定できればよいので、この態様に限られるものではない。

キャリパカバー１１は複数のボルト６７によってキャリパ本体１０に固定される。キャリパカバー１１はダイヤフラム７５の周囲をキャリパ本体１０との間に挟持して固定する。樹脂製弾性材のダイヤフラム７５がパッキンの役割を果たすため、ダイヤフラム室６３の気密性を担保できる。

ピストンユニット５０は、制輪子７に垂直かつ互いに平行に並んだ三個のピストン５５を一つのグループとするピストン５５の集合である。ピストンユニット５０の制輪子７側の端は、ピストンガイドフレーム６５に設けられる対応するガイド穴６５ａに、ピストン５５が軸方向に摺動可能に保持される。

ピストンユニット５０が三個のピストン５５を有する場合には、ディスク６の熱変形に追従するためにそれぞれのピストン５５の中心軸が三角形を構成するように配置する必要がある。ディスク６の熱変形は、ディスク６の締結方式の違いによって凹になるか凸になるかその変形の態様は異なるが、どちらの場合においても、ディスク６と制輪子７とが接する面の径方向の中央、即ち図２に二点鎖線で示す曲線部分を中心に変形する。つまり、ディスク６の内径側と外径側とが膨張して図２の二点鎖線を中心とした凹形状に変形するか、又はディスク６の内径側と外径側とが収縮して図２の二点鎖線を中心とした凸形状に変形するかのいずれかである。よって、三個のピストンを直線状に平行に並べた場合、対峙するディスク６の熱変形に追従できず、二個のピストン５５のみが押圧プレート５１からの押圧力を制輪子７に伝達でき、残りの一のピストン５５は十分な押圧力を印加できない場合があるためである。

押圧プレート５１は、押圧方向にみると三個のピストン５５の頂点を結ぶ略三角形状である。制輪子７の両端部には略二等辺三角形状の押圧プレート５１を備え、中央部には略正三角形状の押圧プレート５１を備える。ピストン５５をできるだけ等間隔に配置し、かつ三角形を形成するためである。

略三角形状の押圧プレート５１の各々の角部は、ピストン５５よりも外側に形成されることなくピストン５５の外径と同じ形状である。ピストンユニット５０を複数配置する際に互いに干渉することを防止するためである。また、ピストンユニット５０が傾いた際にダイヤフラム７５と角部で当接することを防ぐためである。

押圧プレート５１を押圧方向にみて略三角形状に形成することによって、ディスク６が熱変形しても、熱変形に倣って三個のピストン５５はピストンガイドフレーム６５に対して軸方向に摺動し、それに倣って押圧プレート５１は熱変形したディスク６と略平行に傾く。ダイヤフラム７５からの押圧力は三個のピストン５５に均等に分配され、制輪子７を均等な力で押圧することができる。

図４に示すように、押圧プレート５１のピストン５５と当接する面は、好ましくは球面形状に凹である。ディスク６が熱変形を生じていない場合には、ディスク６とピストン５５とは垂直に当接する。しかし、ディスク６が熱変形を生じた場合には、ディスク６の熱変形に倣ってピストン５５は軸方向に摺動し、押圧プレート５１はピストン５５と垂直ではなくなるが、その場合にも同様に当接させるためである。それに対応して、ピストン５５の押圧プレート５１と当接する側の端は球面形状に凸であることが好ましい。また、押圧プレート５１のダイヤフラム７５側の面の角部には、当接するダイヤフラム７５を保護するため円弧状に形成する。

ここで、押圧プレート５１に形成された球面形状の半径はピストン５５の片端に形成された球面形状の半径より大きく形成する。ディスク６の熱変形に伴う押圧プレート５１の姿勢変化にピストン５５が追従して、常にピストン５５の球面形状部分を押圧するようにするためである。

即ち、仮に押圧プレート５１の球面形状部の半径がピストン５５の球面形状部の半径以下である場合には、ディスク６の変形に倣って押圧プレート５１が傾いた場合にピストン５５の球面形状部と押圧プレート５１の球面形状部とは当接できず、ピストン５５の側面とピストン５５の球面形状部との境目の角で当接することとなるためである。

また、ピストン５５の傾動に対応するには押圧プレート５１側の球面形状の円弧は半円よりも小さくする必要がある。

押圧プレート５１は金属製で、ダイヤフラム７５の表面の保護のためダイヤフラム７５と当接する面にはフッ素樹脂加工等の低摩擦加工を施すことが好ましい。他にも樹脂，硬質ゴム，布地等をダイヤフラム７５に接着して形成するなどの態様が考えられる。

ピストンユニット５０が有する三個のピストン５５のうち一のピストン５５は、好ましくはディスク６と制輪子７とが当接する面のディスク径方向の中央の円周上に配置される。ディスク６の熱変形はディスク６と制輪子７とが当接する面のディスク径方向の中央を中心に凹又は凸状に熱変形をするためである。このように構成することで、残りの二個のピストン５５はディスク６の熱変形に倣って揺動し、制輪子７に確実に押圧力を印加することができる。

ピストン５５のライニング９側の先端には断熱プレート６１が備えられる。断熱プレート６１は、制動時における制輪子７とディスク６との摩擦により発生する高熱が伝達されるのを防止し、ダイヤフラム７５を保護する。

ピストンガイドフレーム６５は、ダイヤフラム７５と制輪子７との間に設けられる。ピストンガイドフレーム６５は、複数のボルト６６によってキャリパ本体１０に固定される。ピストンガイドフレーム６５には、ピストン５５の個数に対応する数のガイド穴６５ａが形成される。

ガイド穴６５ａはピストン５５に対応する位置に設けられ、ピストン５５はこのガイド穴６５ａにそれぞれ軸方向に摺動可能に嵌合する。

以下では、図６から図８を参照してダイヤフラム７５の押圧効率について説明する。図６はピストン配置例の図、図７は本実施の形態に係るピストンユニット及び押圧プレートの配置図、図８はピストンユニット及び押圧プレートの配置の変形例の図である。

図６のように押圧プレート５１を設けないでピストン５５をそれぞれ単独で設けると、ピストン径がφ２２ミリメートルでピストン個数が１８個の場合、ダイヤフラム７５の押圧有効面積３５０平方センチメートルに対して、ピストン５５の受圧面積は６８．４平方センチメートルとなり、これはダイヤフラム７５の押圧有効面積の約２０％である。

同様にピストン径がφ２２ミリメートルのピストン５５を使用する場合でも、図７のように押圧プレート５１を設け、三個のピストン５５で一のピストンユニット５０を構成することによって、ピストンユニット５０の受圧面積は２２６．７平方センチメートルとなり、ダイヤフラム７５の押圧有効面積の約６５％にすることが可能である。

また、図８のように端の部分はピストン５５を二個備えるピストンユニット５０やピストン５５を単独で設けるなど、一個、二個、又は三個のピストン５５を備えるピストンユニット５０を組み合わせた構成にしてもよい。この場合、ピストンユニット５０受圧面積は２２２．１平方センチメートルとなり、ダイヤフラム７５の押圧有効面積の約６４％にすることが可能である。

このように、ピストン５５をピストンユニット５０にグループ化して押圧プレート５１で押圧することで、ダイヤフラム７５の押圧有効面積に対する受圧面積の割合を高めることができる。即ち、ダイヤフラム７５の押圧効率を向上し、押圧力を増大することができるのである。

以上のように、全てのピストン５５が三個のグループでピストンユニット５０を構成する場合の他に、一個，二個又は三個のピストン５５を有するピストンユニット５０を混合して配置することで受圧面積を向上させることも可能である。

以下では、本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００の動作について説明する。

キャリパブレーキ装置１００を備える図示しない車両の走行時には、車輪５は高速で回転している。ここで運転士の操作等によってキャリパブレーキ装置１００が作動させられると、空気圧源の空気圧が通孔６９からダイヤフラム室６３内に送られ、ダイヤフラム７５を変形させる。すると、ダイヤフラム７５のベローズ部７７が伸長して押圧部７９に固定された押圧プレート５１がピストンユニット５０をディスク６方向へ押圧する。

ダイヤフラム７５は車輪５方向へ変位し、ピストンユニット５０を車輪５に設けられたディスク６に押圧する。ピストンユニット５０によって押圧された制輪子７とディスク６とが当接し、摩擦力が発生すると車輪５は制動され、速度が低下しやがて停止することとなる。

その際、ディスク６は摩擦熱によって熱変形を生じる。熱変形の態様は、ディスク６と制輪子７とが当接する面の径方向の中央の円周、即ち図２に二点鎖線で示す曲線部分を中心に凹又は凸のいずれかである。

ディスク６に熱変形が生じると、それに倣ってピストンユニット５０のピストン５５はピストンガイドフレーム６５に対して軸方向に摺動するため、ピストン５５と当接する押圧プレート５１は傾動する。制輪子７はディスク６の面の変形に対して追従でき、ピストンユニット５０が備えるそれぞれのピストン５５は均等な押圧力で当接することができる。よって、安定した制動を行うことが可能である。

運転士の操作等によってブレーキが解除されると、通孔６９から圧縮空気が排出されてダイヤフラム７５のベローズ部７７は制動前の折りたたまれた形状に戻り、押圧部７９及び押圧部７９に固定された押圧プレート５１は制動前の位置に戻る。すると、アジャスタ４１内部に設けられた戻しばね４４の復元力によって制輪子７はディスク６に当接した状態から解除され、ディスク６と制輪子７とは隙間調整機構４５によって再び一定の間隔をもって対峙する。よって、車輪５はキャリパブレーキ装置１００の影響を受けることなく回転することが可能である。

以上の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。

複数のピストン５５からなるピストンユニット５０を構成し、押圧プレート５１を介して押圧することで、ダイヤフラム７５の押圧面積を大きくすることができ、ダイヤフラム７５の押圧効率が向上する。よって、大きな押圧力で制輪子７をディスク６に押圧することができる。

また、ディスク６が制動によって熱変形した場合にも、ピストン５５が軸方向に摺動し、押圧プレート５１が傾動することで、ディスク６の熱変形に追従することができる。よって、どの位置のピストン５５においても押圧力を均等に保つことができ、制輪子７やディスク６の局部的な温度上昇を抑えられる。したがって、制輪子７やディスク６の偏摩耗が生じることを防止でき、安定した制動を行うことが可能である。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、鉄道車両やバス，トラックなど大型車等の空気圧源を有する車両のブレーキ装置として用いることができる。

本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置の平面図である。 図１における正面図である。 図２におけるＡ−Ａ断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ断面図である。 本発明の実施の形態に係るピストンユニットの模式図である。 ピストン配置例の図である。 本実施の形態に係るピストンユニット及び押圧プレートの配置図である。 ピストンユニット及び押圧プレートの配置の変形例の図である。

符号の説明

１００ キャリパブレーキ装置
５ 車輪
６ ディスク
７ 制輪子
９ ライニング
１０ キャリパ本体
１２ 第一キャリパアーム
１４ 第二キャリパアーム
２０ 支持枠
３０ 上スライドピン
５０ ピストンユニット
５１ 押圧プレート
５５ ピストン
６３ ダイヤフラム室
６５ ピストンガイドフレーム
７５ ダイヤフラム

Claims (7)

1. 車輪と共に回転するディスクと、
   前記ディスクに当接して摩擦力を付与する制輪子と、
   空気圧の変化によって変形し、前記制輪子に前記ディスクへの押圧力を印加するダイヤフラムと、
   前記制輪子に対して垂直に、かつ並列に複数設けられ、前記ダイヤフラムの押圧力を前記制輪子に伝達するピストンと、
   前記ピストンを前記制輪子に垂直に当接させるように前記ピストンを軸方向に摺動可能に保持するピストンガイドフレームと、
   前記ピストンと前記ダイヤフラムとの間に設けられ、かつ前記ダイヤフラムに固定される複数の押圧プレートと、
   を備え、
   前記押圧プレートは、複数の前記ピストンからなるピストンユニットに前記ダイヤフラムの押圧力を伝達することを特徴とするキャリパブレーキ装置。
2. 前記ピストンの前記押圧プレートと当接する側の端面は、球面形状に凸であることを特徴とする請求項１に記載のキャリパブレーキ装置。
3. 前記押圧プレートの前記ピストンと当接する面は、球面形状に凹であることを特徴とする請求項２に記載のキャリパブレーキ装置。
4. 前記ピストンの端面の球形状の凸の半径は、前記押圧プレートの球形状の凹の半径より小さいことを特徴とする請求項３に記載のキャリパブレーキ装置。
5. 前記ピストンユニットは三個の前記ピストンを有し、各々の前記ピストンは軸を平行にかつ三角形状に並べて配置することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のキャリパブレーキ装置。
6. 前記ピストンユニットのピストンの一つは、前記ディスクと前記制輪子とが接する面のディスク径方向の中央に配置されることを特徴とする請求項５に記載のキャリパブレーキ装置。
7. 前記受圧プレートの前記ダイヤフラムと接する側の面の形状は、前記ピストンの頂点を結ぶ三角形の重心位置を通過し、かつ前記制輪子に対して垂直な直線上に中心点を持つ球形状であることを特徴とする請求項５又は６に記載のキャリパブレーキ装置。