JP5219983B2 - 鉄道車両制御装置用ブレーキパッド - Google Patents

Description

本発明は、特に鉄道車両に搭載される制動装置用ブレーキパッドに関するものである。

一般に、車両は制動装置（ブレーキ装置）を備えている。制動装置は、通常、車両の進行と共に回転するブレーキローターと、これに接触して車両の運動エネルギーを熱エネルギーに変換することによって制動を行うブレーキパッドとを有する。したがって、制動装置の性能は、ブレーキローターを構成する材料とブレーキパッドを構成する材料との組み合わせにより決定され、両者間の摩擦係数が温度により影響を受けにくく、且つ熱が効率的に外部に放出されることが望ましい。

従来の制動装置におけるブレーキローターの材料とブレーキパッドの材料との組み合わせは、たとえば鉄鋼材料及び炭素繊維強化炭素複合材料（ＣＣ）、または鋳鉄及びＣＣが提案されている。ＣＣは耐熱性に優れ且つ化学的に安定であるため、特に航空機やレーシング車両用としてＣＣ及びＣＣの組み合わせも提案されている。また、ＣＣに特定の金属等が含浸されることによって摩擦抵抗を向上させた複合材料によりブレーキパッドを構成する技術も開発されている（たとえば、特許文献１参照）。

特表２００２−５３０２５７号公報

従来のブレーキローター及びブレーキパッドの開発は、専ら耐熱性の向上および制動時の発熱による摩擦係数の変動の抑制に絞られている。この技術的課題は、上記ＣＣ及びＣＣの組み合わせによりほぼ達成されていると考えられる。しかしながら、ＣＣにより製造されたブレーキパッドあるいはブレーキローターはきわめて高価であり、特に鉄道車両に採用することはできないという問題がある。

そこで、本発明は、優れた耐熱性を備えると共に熱による摩擦係数の変動を抑えた安価な鉄道車両制動装置用ブレーキパッドを提供する。

従来からブレーキパッドを構成する材料としてＣＣが採用されているのは、高い摩擦係数の実現が可能だからである。したがって、高い摩擦家数の実現が困難である樹脂等を含む材料は、常識的にはブレーキパッドを構成する材料として採用されるはずがなかった。ただし、ブレーキパッドやブレーキローターを構成する材料としていかなるものが好ましいかについては、試行錯誤の繰り返しにより解の発見に到達するという手法に依らざるを得ない状況であった。本発明者らは、摩擦材としては必ずしも好適とは言えない炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）に敢えて着目し、ＣＦＲＰと鉄鋼材料との組み合わせにより優れた制動装置が実現できないかと考えた。

本発明に係る鉄道車両制動装置用ブレーキパッドは、鉄鋼材料又は鋳鉄からなるブレーキローターを備えた鉄道車両用制動装置に採用されるブレーキパッドであって、線径４μｍ〜１０μｍ、長さ３ｍｍ〜８ｍｍの炭素繊維のみにより強化されたフェノール樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックにより構成され、当該フェノール樹脂の含有率は、１２．７〜１９．７重量％であることを特徴とする。

上記材料からなるブレーキーローターに対してブレーキパッドが上記材料から構成されることによって、ブレーキローターとブレーキパッドとの間に生じる摩擦係数が高くなる。しかも、当該摩擦係数は、温度による変化が小さい。

上記ブレーキパッドは、線径４μｍ〜１０μｍ、長さ３ｍｍ〜８ｍｍの炭素繊維により強化されたフェノール樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックであるのが好ましい。

上記鉄鋼材料は、鉄（Ｆｅ）に対して、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）が含有されており、さらに、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）が含有されていてもよい。各元素の含有割合は、炭素（Ｃ）０．４０〜０．５０重量％、ケイ素（Ｓｉ）０．３０〜０．６０重量％、マンガン（Ｍｎ）１．００〜１．６０重量％、リン（Ｐ）０．０３重量％以下、硫黄（Ｓ）０．０３重量％以下であることが好ましい。

上記鋳鉄は、鉄（Ｆｅ）に対して、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）が含有されており、さらに、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）が含有されていてもよい。各元素の含有割合は、炭素（Ｃ）２．８〜３．６重量％、ケイ素（Ｓｉ）１．３〜１．９重量％、マンガン（Ｍｎ）０．６〜０．９重量％、リン（Ｐ）０．２重量％以下、硫黄（Ｓ）０．１２重量％以下であることが好ましい。

ブレーキーローターが鉄鋼材料又は鋳鉄から構成されている場合、ブレーキパッドが上記材料から構成されることによって、ブレーキローターとブレーキパッドとの間に生じる摩擦係数が高くなる。しかも、当該摩擦係数は、温度による変化が小さい。

本発明では、ブレーキパッドとブレーキローターとが前述の材料から構成されることにより、温度に対する安定性の高い優れた制動能力が発揮される。しかも、従来のＣＣ製ブレーキパッドに比べてきわめて安価なブレーキパッドが提供されるので、制動装置の製造コストも低減される。

図１は、本発明の一実施形態に係る試験装置１１の正面図である。 図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る制動装置１０の正面図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本発明が詳細に説明される。なお、本実施形態は本発明の一実施形態にすぎず、本発明の要旨が変更されない範囲で適宜変更され得る。

図１は、本発明の一実施形態に係る制動装置１０の性能を試験するための試験装置１１の正面図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。同図は、上記制動装置１０の側面図でもある。

試験装置１１は、ベースプレート１２と、これに固定されたモーター１３とを有する。モーター１３は、駆動軸１４を備えており、この駆動軸１４に回転軸１５が連結されている。ベースプレート１２に軸受ブロック１６が立設されている。上記回転軸１５は、軸受ブロック１６にベアリングを介して回転自在に支持されており、図中左側へ突出している。試験装置１１は、支持フレーム１７を備えており、回転軸１５は、この支持フレーム１７を貫通している。回転軸１５は、ベアリング１８を介して支持フレーム１７に回転自在に支持されている。そして、後に詳述される制動装置１０は、回転軸１５及び支持フレーム１７に取り付けられている。

制動装置１０は、ブレーキローター２１と、ブレーキパッド２２と、このブレーキパッド２２によってブレーキローター２１を挟みつける挟持機構２３とを備えている。本実施形態に係る制動装置１０は、鉄道車両に搭載されるものである。ブレーキローター２１は、円形の板状に形成されている。ブレーキローター２１は、上記回転軸１５に固定されており、この回転軸１５がブレーキローター２１の中心に嵌め込まれている。ブレーキローター２１は、鉄鋼材料又は鋳鉄からなり、所定の厚みを有する。

ブレーキローター２１を構成する材料として鋳鉄が例示される。鋳鉄は、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）を含む合金である。この鋳鉄は、さらにリン（Ｐ）及び硫黄（Ｓ）が含有されていてもよい。具体的には、鉄（Ｆｅ）に対して、炭素（Ｃ）が２．８〜３．６重量％、ケイ素（Ｓｉ）が１．３〜１．９重量％、マンガン（Ｍｎ）が０．６〜０．９重量％含有されている。リン（Ｐ）は、０．２重量％以下、硫黄（Ｓ）は０．１２重量％以下が含有されていてもよい。

ブレーキローター２１を構成する材料として鋳鉄のほか鉄鋼材料も採用され得る。鉄鋼材料は、鉄（Ｆｅ）、炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）及びマンガン（Ｍｎ）を含む合金である。具体的には、鉄（Ｆｅ）に対して、炭素（Ｃ）が０．４０〜０．５０重量％、ケイ素（Ｓｉ）が０．３０〜０．６０重量％、マンガン（Ｍｎ）が１．００〜１．６０重量％含有されたものが例示される。また、リン（Ｐ）が０．０３重量％以下、硫黄（Ｓ）が０．０３重量％以下だけ含有されていてもよい。

ブレーキローター２１の両側に一対のブレーキパッド２２が配置されている。ブレーキパッド２２は、略矩形に形成されており、上記挟持機構２３により駆動されることによってブレーキローター２１を締め付けるようになっている。ブレーキパッド２２は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）により構成されている。すなわち、ブレーキパッド２２は、炭素繊維が混ぜ込まれたフェノール樹脂が加熱・加圧されることにより成形されている。炭素繊維の線径は５．５μｍ、長さは４．５ｍｍに設定されている。ただし、炭素繊維の線径は、４μｍ〜１０μｍに設定され、長さは３ｍｍ〜８ｍｍに設定され得る。フェノール樹脂の含有量は、１２．７重量％〜１９．７重量％に設定され得る。

なお、モーター１３の駆動軸１４と上記回転軸１５との間にフライホイール１９が介在されている。フライホイール１９は、試験時におけるブレーキローター２１の慣性モーメントを設定する。また、図１に示されていないが、このフライホイール１９の回転速度を計測するロータリーエンコーダが設けられている。これにより、試験時におけるブレーキローター２１の回転速度が設定される。すなわち、試験時において、制動装置１０が搭載される鉄道車両の想定速度が決定される。

図３は、本発明の一実施形態に係る制動装置１０の正面図である。

挟持機構２３は、一対のブレーキパッド２２をそれぞれ保持する一対のパッドフレーム２４、２５と、一方のパッドフレーム２４を押圧するシリンダ・ピストン装置２６とを備える。このシリンダ・ピストン装置２６は、シリンダ２７及びシリンダ２７に対して伸縮するピストン２８とを備えている。このシリンダ・ピストン装置２６は、油圧式でも空圧式でもよい。図示されていないが、一対のパッドフレーム２４、２５の間にラック・ピニオン機構が介在されている。したがって、一方のパッドフレーム２４がシリンダ・ピストン装置２６により押圧されてブレーキローター２１側へスライドされると、他方のパッドフレーム２５もブレーキローター２１側へスライドされる。つまり、一対のブレーキパッド２２によってブレーキローター２１が締め付けられる。

なお、一対のパッドフレーム２４、２５の間に圧縮コイルバネが介在されていてもよい。この圧縮コイルバネが設けられることにより、常時において一対のパッドフレーム２４、２５は互いに離反するように弾性的に付勢される。したがって、シリンダ・ピストン装置２６が作動していない場合には一対のパッドフレーム２４、２５はブレーキローター２１から離反しているが、シリンダ・ピストン装置２６が作動した場合には、一対のパッドフレーム２４、２５がブレーキローター２１を締め付けて制動機能が発揮される。もっとも、シリンダに対するピストンの伸縮により、一対のパッドフレーム２４、２５がスライドされるように構成されていてもよいことは勿論である。

また、図示されていないが、制動装置１０は、ブレーキローター２１の温度を測定する温度センサーを備えている。温度センサーとしては熱電対が例示される。一般的に回転体の温度を測定する場合には、スリップリングが使用される。本実施形態においても、スリップリングを介して、ブレーキローター２１の温度が熱電対により計測される。

このような試験装置１１によって本実施形態に係る制動装置１０の性能が試験される。すなわち、図１が示すように、モーター１３が駆動されると、フライホイール１９と共にブレーキローター２１が所定の大きさの慣性モーメントで回転される。そして、制動装置１０が作動することによって、一対のブレーキパッド２２がブレーキローター２１を挟み込む。これにより、ブレーキパッド２２とブレーキローター２１との間で摩擦力が生じ、この摩擦力によってブレーキローター２１の運動エネルギーが摩擦熱に変換されてブレーキローター２１の回転が制止される。

本実施形態では、ブレーキーローター２１が上記鋳鉄又は上記鉄鋼材料から構成され、且つブレーキパッド２２が上記ＣＦＲＰから構成されることによって、両者間に生じる摩擦係数が後述の実施例に示されるように高く維持される。しかも、この摩擦係数は、後述の実施例に示されるように、温度による変化が小さい。すなわち、本実施形態に係る制動装置１０は、温度に対する安定性の高い優れた制動能力を発揮する。しかも、ブレーキパッド２４はＣＦＲＰ製であるから、従来のＣＣ製ブレーキパッドに比べてきわめて安価に製造されるので、制動装置１０の製造コストも低減される。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきではない。

図１が示す試験装置１１によって制動装置１０の制動試験が行われた。制動試験の要領は、モーター１３によってブレーキローター２１が回転される。このとき、ブレーキローター２１にフライホイール１９が連結されていることから、ブレーキローター２１の回転慣性モーメントは、３９．２３Ｎｍに設定されている。そして、シリンダ・ピストン機構２３が作動されることにより、一対のブレーキパッド２２が上記回転するブレーキローター２１を挟み込んで制動する。このときのブレーキパッド２２の押付力（すなわち、ブレーキパッド２２がブレーキローター２１へ押圧されるときの押圧力）は、５．７ｋＮに設定されている。また、当該制動試験における制動初期速度（公称速度）は、３０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、９０ｋｍ／ｈ及び１００ｋｍ／ｈに設定されている。

この制動試験の結果、制動初速度（ｋｍ／ｈ）、制動距離（ｍ）、制動時間（ｓｅｃ）及びブレーキローター２１の温度変化（最高温度及び最低温度）が測定された。ここで、制動初速度（ｋｍ／ｈ）とは、上記「制動初期速度（公称速度）」に対応する概念であって、実際に制動が開始されるときの実測速度である。そして、これら各測定データから、後述の要領で平均減速度（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、実平均減速度（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、平均摩擦係数（ｆｍｓ）及び実平均摩擦係数（ｆｍｓ）が解析された。

（１）平均減速度

平均減速度（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）については、距離基準における平均減速度βｓと、時間基準における平均減速度βｔとの考え方があり、本実施例では、双方の平均減速度が解析された。平均減速度は、次の式に基づいて算出される。
平均減速度βｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）＝制動初速度^２／（７．２×制動距離）
平均減速度βｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）＝制動初速度／制動時間

（２）平均摩擦係数

平均摩擦係数（ｆｍｓ：無次元数）は、次の式に基づいて算出される。
平均摩擦係数（ｆｍｓ）＝１２．１２×４×平均減速度／５８０
本実施例では、平均減速度として距離基準における平均減速度βｓが採用された。

（３）実平均減速度及び実平均摩擦係数

実際の試験において、シリンダ・ピストン機構２３が作動した瞬間からブレーキパッド２２がブレーキローター２１に接するまでに一定の時間が必要であるが、この時間が空走時間である。このため、実制動時間（ｓｅｃ）は、制動時間から空走時間が差し引かれたものである。空走距離（ｍ）は、制動初速度に空走時間を乗じたものである。実制動距離（ｍ）は、制動距離から空走距離が差し引かれたものである。したがって、実平均減速度βｏｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）及び実平均摩擦係数βｏｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）は、実制動時間（ｓｅｃ）及び実制動距離（ｍ）を上記平均減速度（βｓ、βｔ）の式にあてはめることにより算出される。

（４）ブレーキローター及びブレーキパッド

供試ブレーキパッドは、線径５．５μｍ、長さ４．５ｍｍの炭素繊維により強化されたフェノール樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックで形成されている。供試ブレーキローターは、鋳鉄で形成されている。この供試ブレーキローターは、鉄（Ｆｅ）に対して、炭素（Ｃ）が３．１重量％、ケイ素（Ｓｉ）が１．５５重量％、マンガン（Ｍｎ）が０．７重量％、リン（Ｐ）が０．０３重量％、硫黄（Ｓ）が０．０１重量％含有されている。なお、上記各元素の含有量、炭素（Ｃ）が２．８〜３．６重量％、ケイ素（Ｓｉ）が１．３〜１．９重量％、マンガン（Ｍｎ）が０．６〜０．９重量％、リン（Ｐ）が０．２重量％以下、硫黄（Ｓ）が０．１２重量％以下であってもよい。

以下に示される実施例１〜実施例４並びに比較例１及び比較例２は、それぞれ、供試ブレーキパッドに含まれるフェノール樹脂の含有量に対応している。

（実施例１）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が１２．７重量％含有されている。供試ブレーキローターの制動初期速度（公称速度）が３０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、９０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈにおける制動距離（ｍ）、制動時間（ｓｅｃ）、空走距離（ｍ）、空走時間（ｓｅｃ）、温度（℃）が測定された。これら各データは、各速度について５回ずつ測定された。これに基づいて、平均減速度βｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、βｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、実平均減速度βｏｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、βｏｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、平均摩擦係数（ｆｍｓ）、実平均摩擦係数（ｆｍｓ）が解析された。

なお、始めに制動初期速度（公称速度）３０ｋｍ／ｈにおいてならし運転のための試験が５回だけ行われた。その後、制動初期速度（公称速度）３０ｋｍ／ｈ、６０ｋｍ／ｈ、９０ｋｍ／ｈ、１００ｋｍ／ｈの順に制動試験が行われた。表１に実施例１の結果が示されている。表１における、試験Ｎｏ．の上から順に１〜５がならし運転の結果である。また、６〜１０が制動初期速度（公称速度）３０ｋｍ／ｈの、１１〜１５が制動初期速度（公称速度）６０ｋｍ／ｈの、１６〜２０が制動初期速度（公称速度）９０ｋｍ／ｈの、２１〜２５が制動初期速度（公称速度）１００ｋｍ／ｈの結果である。なお、実施例２から実施例４及び比較例１から比較例２も同様の順で試験が行われ、それぞれの結果も同様に表に示されている。

（実施例２）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が１４．１重量％含有されている。なお、その他の条件は、実施例１と同様である。表２に試験結果が示されている。

（実施例３）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が１７．２重量％含有されている。なお、その他の条件は、実施例１と同様である。表３に試験結果が示されている。

（実施例４）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が１９．７重量％含有されている。なお、その他の条件は、実施例１と同様である。表４に試験結果が示されている。

（比較例１）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が９．７重量％含有されている。なお、その他の条件は、実施例１と同様である。表５に試験結果が示されている。

（比較例２）

供試ブレーキパッドを構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が２４．２重量％含有されている。なお、その他の条件は、実施例１と同様である。表６に試験結果が示されている。

（まとめ）

表７は、上記各実施例及び比較例の結果をまとめたものである。各実施例及び比較例において、それぞれ繰り返し行った試験（５回分）の平均値が示されている。すなわち、各実施例及び比較例における、平均減速度βｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、βｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、の平均値、、実平均減速度βｏｓ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）、βｏｔ（ｋｍ／ｈ／ｓｅｃ）の平均値、、平均摩擦係数（ｆｍｓ）の平均値、実平均摩擦係数（ｆｍｓ）の平均値、ブレーキローター２１の最高温度及び最低温度の平均値が示されている。

表７が示すように、制動初期速度（公称速度）が９０ｋｍ／ｈ以上の場合、いずれの実施例についても、各比較例との比較においてブレーキローター２１の温度上昇は抑えられている。また、いずれの実施例についても、各比較例と同等以上の平均摩擦係数（ｆｍｓ）及び実平均摩擦係数（ｆｍｓ）が実現されている。すなわち、実施例１から実施例４において、制動初期速度が９０ｋｍ／ｈ以上の場合、ブレーキローター２１の温度変化が比較的抑えられ、かつ高い平均摩擦係数及び実平均摩擦係数が得られる。なお、制動初期速度が低速の場合は、必ずしも比較例に対して高い平均摩擦係数及び実平均摩擦係数が得られるとは限らないが、鉄道車両用制動装置として要求される性能は、速度が９０ｋｍ／ｈ以上での高速における制動性能であること、及び実測された平均摩擦係数及び実平均摩擦係数の数値が制動装置として十分なものであることから、低速における平均摩擦係数及び実平均摩擦係数が、数値上比較例に対して低くなったとしても制動装置の性能として特に問題は生じない。

言い換えれば、供試ブレーキパッド２２を構成する炭素繊維強化プラスチックにフェノール樹脂が１２．７重量％から１９．７重量％含有する場合、優れた耐熱性及び制動性能が発揮され、これよりもフェノール樹脂の含有量が少なくても、多くても優れた耐熱性及び制動性能が発揮されない。

１０・・・制動装置
２１・・・ブレーキローター
２２・・・ブレーキパッド
２４，２５・・・パッドフレーム
２６・・・シリンダ・ピストン装置

Claims (1)

1. 鉄鋼材料又は鋳鉄からなるブレーキローターを備えた鉄道車両用制動装置に採用されるブレーキパッドであって、
   線径４μｍ〜１０μｍ、長さ３ｍｍ〜８ｍｍの炭素繊維のみにより強化されたフェノール樹脂からなる炭素繊維強化プラスチックにより構成され、当該フェノール樹脂の含有率は、１２．７〜１９．７重量％である鉄道車両制御装置用ブレーキパッド。

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