JP5053196B2 - 流体圧ブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧や空気圧等の流体圧によって流体圧シリンダを駆動して制動する流体圧ブレーキ装置に関するものである。

従来より、鉄道車両には動力源に流体圧を利用する油圧ブレーキや空気圧ブレーキが用いられている。鉄道車両のブレーキとしては、機械ばねによる力によって制輪子をディスク方向へ付勢しておき、流体圧シリンダ等のアクチュエータによって両者を離す方向へ付勢することでブレーキの制動を解除する、いわゆるネガティブ形式のものが広く知られている。

特許文献１には、ネガティブ形式のブレーキ装置が開示されている。
特開平８−２１０３９２号公報

しかしながら、このような従来のネガティブ形式のブレーキでは、機械ばねの大きさで最大押付力が決まるため大きな機械ばねが必要で、それに伴ってアクチュエータも大型化し、装置全体が大型化することが問題だった。

そこで、本発明では小型軽量で消費エネルギの少ない流体圧ブレーキ装置を提供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、前記制輪子を前記ディスク方向に付勢する機械ばねと、ピストンによって区切られる二つの流体室を有し、流体圧に応じて前記制輪子を前記ディスク方向及びその反対方向へ可逆的に付勢する流体圧シリンダと、前記制輪子を前記ディスク方向へ付勢するように前記流体室の一方に作動流体を供給する制動位置と、前記制輪子を前記反対方向へ付勢するように前記流体室の他方に作動流体を供給する制動解除位置と、前記二つの流体室の作動流体をタンクに排出する無負荷位置と、を有するバルブと、を備え、制動時には、前記バルブを前記制動位置に切り換え、前記機械ばねと前記流体圧シリンダとが協働して前記制輪子を前記ディスクに押付けることを特徴とする。

本発明によれば、機械ばねと流体圧シリンダとが協働して制輪子をディスク方向へ押付けるため、機械ばねだけで押付ける場合と比して機械ばねを小さくできる。それに伴って流体圧シリンダも小さくすることができ、少量の圧縮流体で駆動することができる。したがって、小型軽量で消費エネルギの少ない流体圧ブレーキ装置を得ることができる。

以下、図１，図２を参照して流体圧に油圧を利用する本発明の実施の形態に係る油圧ブレーキ装置１００について説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る油圧ブレーキ装置の正面図であり、図２は図１における左側面図である。

油圧ブレーキ装置１００は、図示しない車輪と共に回転するディスク２０にキャリパ１０に設けられた制輪子３０を押付けて制動するディスクブレーキ形式である。油圧ブレーキ装置１００は油圧シリンダ４０と機械ばね５０を備え、油圧シリンダ４０の出力及び機械ばね５０の押付力を押付ピストン６０を介して制輪子３０に伝達する。

ディスク２０は円盤形状で車輪と共に回転する。本実施形態ではディスク２０を車輪とは別に設けたが、ディスク２０を車輪と一体として設けてもよい。

キャリパ１０は、ディスク２０の両面に跨るように設けられる。キャリパ１０は図示しない台車（車両）にスライドピン等のスライド機構を介して、ディスク２０の中心軸方向に摺動可能にフローティング支持される。

トルク受ピン１１は、キャリパ１０を貫通して設けられ、キャリパ１０のブラケット部１０ａ，１０ｂに接続される。トルク受ピン１１は、制輪子３０をトルク受ピン１１の軸方向にディスク２０に対して摺動自在に支持する。トルク受ピン１１は、油圧ブレーキ装置１００の制動時に制輪子３０とディスク２０とを当接させ押付けたときに発生する制動反力を受け吸収する。

キャリパ１０のブラケット部１０ａ，１０ｂの内側には、ディスク２０に当接して摩擦力を発生する制輪子３０が備えられる。

制輪子３０はディスク２０の両面に、ディスク２０と平行に対峙して設けられる。制輪子３０はライニング３１を備え、回転するディスク２０に当接することで摩擦力を生じて制動する。制輪子３０は、図示しない戻しばねによってキャリパ１０側に付勢される。戻しばねは油圧ブレーキ装置１００の制動解除時に制輪子３０をディスク２０から離間する。

制輪子３０は、油圧シリンダ４０及び機械ばね５０からの押付力を受け、ディスク２０に平行に当接して押付けられることで制動力を発生する。

キャリパ１０の片側のブラケット部１０ａには、油圧シリンダ４０と機械ばね５０と油圧シリンダ４０の出力及び機械ばね５０の押付力を制輪子３０に伝達する押付ピストン６０を備え、油圧シリンダ４０からの出力によって押付ピストン６０を軸方向に移動させるとともに、油圧シリンダ４０と並列に設けられる機械ばね５０の付勢力を押付ピストン６０に伝達し、制輪子３０をディスク２０に押付ける。

機械ばね５０は、本実施形態では押付ピストン６０と後述する座板５１とを両端として複数の皿ばねを交互に向きを変えて配置したものであるが、通常のコイルばねを用いることもできる。機械ばね５０は、流体圧シリンダである油圧シリンダ４０の油室４０ａ内に配置してもよい。

機械ばね５０は、油圧シリンダ４０の無負荷状態では付勢力によって押付ピストン６０を介して制輪子３０をディスク２０に押付ける。つまり、油圧シリンダ４０の無負荷状態において制輪子３０はディスク２０に当接し押付けられている。

油圧シリンダ４０はキャリパ１０のブラケット部１０ａに座板５１，カラー５３を介して四本のボルト５２で固定される。油圧シリンダ４０は、ピストン４０ｄによって二つの油室４０ａ，４０ｂに区切られる複動式のシリンダである。油圧シリンダ４０は両ロッド型でロッド４０ｃが貫通しており、ロッド４０ｃはピストン４０ｄに固定されている。ロッド４０ｃの制輪子３０側の端には押付ピストン６０が一体に設けられる。油圧シリンダ４０は、電磁バルブ７０によって制御される。本実施形態では油圧シリンダ４０は両ロッド型であるが、複動式であれば片ロッド型であってもよい。

電磁バルブ７０は、４ポート３ポジションのソレノイドバルブである。電磁バルブ７０は制動解除位置７０ａと無負荷位置７０ｂと制動位置７０ｃとの３ポジションからなる。ここで、図１中のＰはポンプへ接続されること、Ｔはタンクへ接続されることを意味する。本実施形態は流体圧として油圧を利用しているためこのような構成であるが、流体圧として油圧ではなく空気圧を用いてもよい。その場合、図１中のＴの部分には排気口が設けられ空気圧シリンダ内の空気圧は大気開放される。

電磁バルブ７０が制動解除位置７０ａのときは、図示しないポンプからの圧油は油室４０ｂに供給され、油室４０ａはタンクに接続され、ロッド４０ｃをディスク２０とは反対の方向へ移動させる。

電磁バルブ７０が無負荷位置７０ｂのときは、油室４０ａ，４０ｂの圧油はタンクへと送られ、油圧シリンダ４０のロッド４０ｃはどちらにも移動しない。

電磁バルブ７０が制動位置７０ｃのときは、ポンプからの圧油は油室４０ａに供給され、油室４０ｂはタンクに接続され、ロッド４０ｃをディスク２０の方向へ移動させる。

押付ピストン６０は油圧シリンダ４０のロッド４０ｃと一体に設けられる。押付ピストン６０は、制動時には機械ばね５０の付勢力のみ、又は油圧シリンダ４０のロッド４０ｃが軸方向に伸びる力と機械ばね５０の付勢力との合力によって断熱板６６を介して制輪子３０を押付ける。また押付ピストン６０は、制動解除時にはロッド４０ｃが油圧シリンダ４０方向へ戻ろうとする力によって、機械ばね５０を圧縮し制輪子３０をディスク２０から離間する。このとき、図示しない戻しばねが制輪子３０をディスク２０から離間する方向に付勢しているため、制輪子３０はディスク２０に当接したままになることはない。

押付ピストン６０の先端には断熱板６６が設けられ、制輪子３０と押付ピストン６０とは断熱板６６を介して当接する。断熱板６６は油圧ブレーキ装置１００の制動時に制輪子３０とディスク２０との間に発生する摩擦熱から油圧シリンダ４０等を保護する。押付ピストン６０とキャリパ１０との間にはゴム製のブーツ６５が設けられ、ダスト等から摺動部が保護される。

油圧シリンダ４０のブラケット部４０ｅには、機械ばね５０のばね座である座板５１が取り付けられる。

座板５１は、カラー５３を挟んでキャリパ１０のブラケット部１０ａに四本のボルト５２で固定される。座板５１には機械ばね５０の片端が当接し、機械ばね５０の位置決めをする。これによって、機械ばね５０が押付ピストン６０を押付ける初期付勢力が決められる。

座板５１とキャリパ１０との間には、中空の円筒形状であるカラー５３が設けられる。カラー５３は座板５１とキャリパ１０との間の距離を決め、油圧シリンダ４０を固定する役割を果たす。カラー５３は、油圧シリンダ４０と座板５１とを締結するボルト５２がキャリパ１０に締結されることで固定される。カラー５３の内側は中空で、そこには機械ばね５０が伸縮自在に収められる。

以下では、図３から図５を参照して油圧ブレーキ装置１００の動作について説明する。

図３は油圧シリンダ無負荷時の油圧ブレーキ装置の模式図であり、図４は制動解除時の油圧ブレーキ装置の模式図であり、図５は制動時の油圧ブレーキ装置の模式図である。
ここでは例として、ディスク２０に対する制輪子３０の必要押付力＝５．０ｋＮ，機械ばね５０のばね定数＝０．５ｋＮ／ｍｍ，制輪子３０とディスク２０とのクリアランス＝２．０ｍｍ，油圧＝５００Ｎ／ｃｍ２（空圧の場合には５０Ｎ／ｃｍ２），受圧面積＝６ｃｍ２（空圧の場合には６０ｃｍ２）の場合について説明する。

油圧シリンダ４０の無負荷時、即ち電磁バルブ７０の位置が無負荷位置７０ｂのときには、図３に示すように機械ばね５０は押付ピストン６０，断熱板６６を介して制輪子３０をディスク２０に当接させ押付ける。このとき、機械ばね５０は２．０ｋＮの力で制輪子３０をディスク２０に押付ける。

油圧ブレーキ装置１００の制動解除時、即ち電磁バルブ７０の位置が制動解除位置７０ａのときには、図４に示すように油圧シリンダ４０は押付ピストン６０をディスク２０とは反対側へと移動する。油圧シリンダ４０は制輪子３０とディスク２０とのクリアランスが２．０ｍｍになるまで機械ばね５０を圧縮する。このとき、油圧シリンダ４０は無負荷時の機械ばね５０の押付力２．０ｋＮと、クリアランスを２．０ｍｍ確保するために必要な０．５ｋＮ×２＝１．０ｋＮとの合計である３．０ｋＮの力を発生している。このように、油圧シリンダ４０によって機械ばね５０を圧縮するためには、油圧シリンダ４０の出力を機械ばね５０の付勢力よりも大きく設定する必要がある。制輪子３０は戻しばねによってキャリパ１０方向へ付勢されているため、押付ピストン６０の動きに追従し、ディスク２０から離間する。

油圧ブレーキ装置１００の制動時、即ち電磁バルブ７０の位置が制動位置７０ｃのときには、図５に示すように油圧シリンダ４０は押付ピストン６０をディスク２０方向へと移動する。必要押付力である５．０ｋＮで制輪子３０をディスク２０に押付けるためには、無負荷時における機械ばね５０の押付力２．０ｋＮと併せて、油圧シリンダ４０は３．０ｋＮの押付力で制輪子３０をディスク２０に押付ければよい。

つまり、機械ばね５０と油圧シリンダ４０とが協働して制輪子３０をディスク２０に押付けることで、最大押付力である５．０ｋＮの力で押付けるために必要な油圧シリンダ４０の押付力は３．０ｋＮになる。油圧シリンダ４０のみで５．０ｋＮの押付力を発揮する場合や、ネガティブ形式にして５．０ｋＮの押付力を発揮する機械ばね５０を用いる場合には大きな油圧シリンダ４０及び多量の圧油が必要である。しかし、本実施形態においては小さな油圧シリンダ４０及び少量の圧油で同等の押付力を発揮することができる。これにより、油圧ブレーキ装置１００の小型軽量化が図れ、消費エネルギも少なくすることができる。

以上の実施の形態によれば、次のような効果を奏する。

機械ばね５０と油圧シリンダ４０とが協働して制輪子３０をディスク２０に押付けるため、機械ばね５０だけで押付ける場合と比して機械ばね５０を小さくできる。それに伴って油圧シリンダ４０も小さくすることができ、油圧シリンダ４０は少量の圧油で駆動することができる。よって、小型軽量で消費エネルギの少ない油圧ブレーキを得ることができる。

また、機械ばね５０による押付力を、パーキングブレーキとして必要な力に設定することによって、油圧シリンダ４０の無負荷時にはパーキングブレーキとして使用することが可能である。電磁バルブ７０を圧力制御することによって、押付力の制御も可能である。

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。

例えば本実施形態のようなディスクブレーキ形式ではなく、ドラムブレーキ形式や踏面ブレーキ形式にも適用することができる。

本発明に係る油圧ブレーキ装置は、鉄道，自動車等の様々な車両をはじめとする移動体のブレーキ装置に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る油圧ブレーキ装置の正面図である。 図１における左側面図である。 油圧シリンダ無負荷時の油圧ブレーキ装置の模式図である。 制動解除時の油圧ブレーキ装置の模式図である。 制動時の油圧ブレーキ装置の模式図である。

符号の説明

１００ 油圧ブレーキ装置
１０ キャリパ
１１ トルク受ピン
２０ ディスク
３０ 制輪子
３１ ライニング
４０ 油圧シリンダ
４０ｃ ロッド
５０ 機械ばね
５１ 座板
５２ ボルト
５３ カラー
６０ 押付ピストン
６５ ブーツ
６６ 断熱板
７０ 電磁バルブ

Claims (4)

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、
   前記制輪子を前記ディスク方向に付勢する機械ばねと、
   ピストンによって区切られる二つの流体室を有し、流体圧に応じて前記制輪子を前記ディスク方向及びその反対方向へ可逆的に付勢する流体圧シリンダと、
   前記制輪子を前記ディスク方向へ付勢するように前記流体室の一方に作動流体を供給する制動位置と、前記制輪子を前記反対方向へ付勢するように前記流体室の他方に作動流体を供給する制動解除位置と、前記二つの流体室の作動流体をタンクに排出する無負荷位置と、を有するバルブと、
   を備え、
   制動時には、前記バルブを前記制動位置に切り換え、前記機械ばねと前記流体圧シリンダとが協働して前記制輪子を前記ディスクに押付けることを特徴とする流体圧ブレーキ装置。
2. 制動解除時には前記流体圧シリンダが前記制輪子を前記ディスクと反対方向へ引き離すことを特徴とする請求項１に記載の流体圧ブレーキ装置。
3. 前記機械ばねの付勢力よりも、前記流体圧シリンダの付勢力の方を大きく設定し、制動解除時には前記流体圧シリンダの出力によって前記機械ばねの付勢力を打ち消し、前記機械ばねを圧縮することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体圧ブレーキ装置。
4. 前記流体圧シリンダは油圧シリンダであり、前記油圧シリンダは前記バルブを切り換えることによって可逆的に駆動されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の流体圧ブレーキ装置。