JP5370934B2

JP5370934B2 - 鉄道車両用ブレーキライニング

Info

Publication number: JP5370934B2
Application number: JP2010082075A
Authority: JP
Inventors: 隆裕藤本; 浩俊川部; 和孝阿佐部
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214629A

Description

本発明は、主として鉄道車両用のディスクブレーキにおいて、特に制動時に発生するいわゆるブレーキ鳴きを低減可能なブレーキライニングに関するものである。

鉄道車両においても、車両の高速化や大型化に伴い、その制動装置としてディスクブレーキが多用されるようになってきている。

ディスクブレーキは、車軸又は車輪に取付けたブレーキディスクの摺動面に、ブレーキライニングを押付けることで制動力を得、車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御するものである。

しかしながら、ディスクブレーキの場合、制動時にブレーキディスクが振動してブレーキ鳴きと呼ばれる騒音が発生する。このブレーキ鳴きは、制動時に、ブレーキディスクにブレーキライニングを押付けた時の摩擦力により、ブレーキユニット全体が自励振動と呼ばれる不安定な振動を生じるために発生すると考えられている。なお、自励振動とは、外部からの定常的なエネルギを系の内部で加振エネルギに変え、自身を加振することで成長する振動である。

従って、ブレーキ鳴きを低減するには、制動時の摩擦力により発生する自励振動をどのように抑制するかが課題となり、この自励振動抑制手段の一例が、例えば特許文献１，２に開示されている。

例えば特許文献１には、ピストンを出動作させてブレーキディスクにパッドを押付けた時の摩擦力でパッドがトレーリング側（接触終了側）に移動することにより、パッドの、ピストンとの当接部のトレーリング側剛性が前記当接部のリーディング側剛性よりも高くなるようにしたものが開示されている。

しかしながら、特許文献１で開示された技術を既存の車両に使用するには、バックプレート及びパッドからなるライニングだけではなく、これに押付力を付与するキャリパと呼ばれる部品まで取り替える必要があり、ブレーキシステム全体の設計に影響を与えるため、既存の車両への適用は非常に困難である。

特開２００２−３４００５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、ブレーキ鳴きを効果的に低減するためのライニングを提供することにあり、さらには、既存の鉄道車両へも比較的容易に適用可能なブレーキ鳴きを低減可能なライニングを提供することにある。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、
摩擦部材と、この摩擦部材を支持する裏板を備え、
前記摩擦部材は、ブレーキディスクの半径方向及び周方向に複数に分割配置されると共に、これらそれぞれの摩擦部材は前記裏板との間に弾性部材を介在させて支持された構成で、
前記裏板を取付けたブレーキキャリパによって、ブレーキディスクの摺動面に前記摩擦部材を押付けられる鉄道車両用のブレーキライニングであって、
前記ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部に存在する前記摩擦部材の支持剛性よりも、当該鉛直方向中心線Ｈ部以外の部分に存在する前記摩擦部材の支持剛性を大きくしたことを最も主要な特徴としている。

本発明は、ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部に存在する摩擦部材の支持剛性よりも、当該鉛直方向中心線Ｈ部以外の部分に存在する摩擦部材の支持剛性を大きくすることで、ブレーキライニングを含めたブレーキシステム全体の自励的な振動を抑制するものである。その結果、ブレーキ鳴きを低減することができる。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、ブレーキライニングを台車に設置した状態における鉛直方向中心線Ｈ部に存在する摩擦部材のうちの、車輪の外周側に位置する部分の摩擦部材の支持剛性も、鉛直方向中心線Ｈ部に存在する摩擦部材の支持剛性より大きくしたものでも良い。

本発明において、鉛直方向中心線Ｈ部とは、鉛直方向中心線Ｈを挟む少なくとも幅６０mm（鉛直方向中心線Ｈから片側３０mmずつ）を含む領域である。

本発明では、ブレーキディスクの半径方向及び周方向に複数に分割配置し、弾性部材で支持した摩擦部材の支持剛性を、場所によって変えることにより、ブレーキライニングを含めたブレーキシステム全体の自励的な振動の発生が抑制されて、ブレーキ鳴きが低減する。

ブレーキライニングの解析モデルを示した図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はライニング部を示した図である。図１に示した解析モデルについて計算で得られた固有振動モードを示した図で、（ａ）は２５００Hz付近の自励振動モードを、（ｂ）は５０００Hz付近の自励振動モードを示すものである。摩擦部材と裏板の間をばね要素で結合したブレーキライニングモデルを示した図である。対策前モデルの支持剛性の１０倍に変更した領域Ｌ２／Ｌ１の変化と鳴き指標の関係を示す図である。図４において、ライニングを台車に設置した状態における鉛直方向中心Ｈ付近に存在する摩擦部材のうちの、車輪の外周側に位置する部分の摩擦部材の支持剛性も、Ｌ２／Ｌ１の領域と同様に１０倍に変更した場合の、領域Ｌ２／Ｌ１と鳴き指標の関係を示す図である。領域Ｌ２／Ｌ１が０．５１の場合の、ライニングを台車に設置した状態における鉛直方向中心Ｈ付近の支持剛性：（鉛直方向中心Ｈ付近以外の部分＋外周側に位置する部分）の支持剛性と鳴き指標の関係を示す図である。ライニングを台車に取付けた状態を示す図である。

本発明では、鉄道車両におけるブレーキ鳴きを効果的に低減するという目的を、ブレーキディスクの半径方向及び周方向に複数に分割配置した摩擦部材の支持剛性を場所によって変えることによって実現した。

以下、本発明の着想から課題解決に至るまでの過程と共に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

発明者等は、半径方向の中央部分で締結するタイプのブレーキディスクを対象とし、摩擦部材をブレーキディスクの半径方向及び周方向に複数に分割配置した図１に示すブレーキライニングを対象に、ブレーキ鳴きの低減対策について検討した。

（ブレーキライニングの解析モデル）
・ブレーキライニング１１を台車１に設置した状態（図７参照。図７中の２は車輪を示す。）における、鉛直方向の天側端面から地側端面までの長さＬ３：３９０mm
・ブレーキライニング１１を台車１に設置した状態における、ライニングの中心側の端面から外周側の端面間の長さＴ１：１５０mm
・摩擦部材１２の直径：４０mm
・摩擦部材１２の配置及び数：図１参照
・摩擦部材１２の支持剛性：全て１×１０⁴kN/m

（解析条件）
・走行速度：５km/hr
・キャリパの取付け位置に負荷する面圧：６×１０⁷Pa（9.3kN）
・ブレーキディスクと摩擦部材間の摩擦係数：μ＝０．２〜０．８
・ブレーキディスクの形状：内径が４４０mm、外径が７１５mmのリング状（ブレーキライニングと接触する摺動面の内径は４４２mm、外径は７０２mm）

計算で得られたブレーキライニングの自励振動モードを図２に示す。図２（ａ）は２５００Hz近傍の自励振動モードであり、ライニングの鉛直方向両端の振幅が大きいことが分かる。図２（ｂ）は５０００Ｈｚ近傍の自励振動モードであり、鉛直方向中心部の外周側（輪軸中心側とは反対側）の振幅が大きいことが分かる。

これらの振動モードより、発明者等は、ブレーキ鳴きの低減には自励振動が発生する時の振幅を抑制することが有効であると考え、各摩擦部材の支持剛性を変更し、その分布を適正化することを考えた。以後、各摩擦部材の支持剛性を変更し、その分布を適正化したものを対策モデルと言う。

摩擦部材の支持剛性の効果を評価するにあたり、支持剛性の変更を容易にするため、対策モデルとして、図１に示す解析モデルの摩擦部材１２と裏板１３の間を弾性部材としてのばね要素１４で結合した図３に示すモデルを構築した。

対策の効果を客観的に評価するため、｛対策モデルで自励振動が発生した時の減衰比（絶対値）／対策前モデルで自励振動が発生した時の減衰比（絶対値）｝を鳴き指標と定義し、この指標を用いて対策の効果を評価した。鳴き指標の分母には２５００Hz付近の減衰比を採用した。対策モデルにおいても複数の自励振動が発生する場合があるので、鳴き指標の分子にはその中で最も絶対値が最も大きな減衰比を採用した。

先ず、対策モデルにおける摩擦部材１２の支持剛性を、対策前モデルの支持剛性（１×１０⁴kN/m）の１０倍に変更した領域Ｌ２／Ｌ１を、０．００、０．２８、０．５１、０．６７、１．００に変化させた。なお、Ｌ１はブレーキライニング１１を台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈから鉛直方向の天側端面までの距離、Ｌ２は前記天側端面から前記水平線方向への支持剛性を変更する摩擦部材１２の面積中心までの鉛直距離である（図１参照）。

前記Ｌ２／Ｌ１が０．００とは、摩擦部材１２の全ての支持剛性が１×１０⁴kN/mである、すなわち対策前モデルのことである。また、前記Ｌ２／Ｌ１が１．００とは、摩擦部材１２の全ての支持剛性を対策前モデルの１０倍としたものである。

図４及び下記表１に対策前モデルの支持剛性の１０倍に変更した領域Ｌ２／Ｌ１と鳴き指標の関係を示す。

図４及び表１より、対策前モデルの場合は鳴き指標が０．９２であったものが、前記Ｌ２／Ｌ１が０．４７〜０．８６の場合に鳴き指標は０．４０以下となって、十分な低減効果が得られることが分かった。Ｌ２／Ｌ１を０．６０〜０．７３とすれば鳴き指標をさらに低減できる。

なお、対策前モデルの全ての摩擦部材１２の支持剛性を、対策前モデルの１０倍とした場合の鳴き指標は０．６７であることから、所定範囲のみ支持剛性を大きくすることにより鳴き指標の低減が図られていることが分かる。

次に、前記図４及び表１に示した解析例において、ブレーキライニング１１を台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部に存在する、支持剛性が１×１０⁴kN/mの摩擦部材のうちの、車輪の外周側に位置する部分（Ｔ２／Ｔ１＝０．３１）の摩擦部材の支持剛性も、前記領域Ｌ２／Ｌ１と同様に１０倍に変更した。

なお、前記Ｔ１は、ブレーキライニング１１を台車に設置した状態における、ライニングの中心側の端面から外周側の端面間の距離、Ｔ２は、外周側の端面から中心方向への支持剛性を変化させる摩擦部材１２の面積中心までの水平距離である（図１（ｂ）参照）。

図５及び下記表２に対策前モデルの支持剛性の１０倍に変更した領域Ｌ２／Ｌ１と鳴き指標の関係を示す。

図５及び表２より、対策前モデルの外周側のみ支持剛性を１０倍に変更した場合は鳴き指標が０．８０であった。さらに、それに加えて、前記Ｌ２／Ｌ１を満たす部分（所定値以下の領域）の摩擦部材の支持剛性も１０倍に変更した場合は、前記Ｌ２／Ｌ１が０．２２〜０．８１の場合に鳴き指標は０．４０以下となって、十分な低減効果が得られることが分かった。Ｌ２／Ｌ１を０．４３〜０．５６とすれば鳴き指標をさらに低減できる。

以上より、半径方向及び周方向に複数に分割配置した摩擦部材１２のうち、ライニング１１を台車に設置した状態で、鉛直方向中心線Ｈ部の外周側に位置する摩擦部材の支持剛性も大きくすることにより、自励的な振動をさらに抑制できることが分かった。

次に、発明者等は、ライニング１１を台車に設置した状態における，ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部以外の部分と、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部の外周側に位置する部分の支持剛性を、その他部分支持剛性に対して大きくする場合において、その大きくする程度について検討した。

検討は、前記領域Ｔ２／Ｔ１が０．３１でＬ２／Ｌ１が０．５１の場合を対象として、それら領域の支持剛性の他の部分の支持剛性に対する比率を、１：１から１：２０まで変化させて行った。その結果を図６に示す。

図６より、前記比率が１：３．１以上の場合に、鳴き指標は０．４０以下となり、さらに前記比率が１：４．０以上とすれば、さらに十分な低減効果が得られることが分かった。また、前記比率が１：６．０以上の場合には完全に鳴きを抑制できた。

上記の例では前記Ｔ２／Ｔ１＝０．３１の場合について説明したが、発明者等の解析結果によれば、Ｔ２／Ｔ１が０．４未満であれば、鳴き指標が０．４０以下となって、十分な低減効果が得られることが分かっている。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、ブレーキライニング１１の形状は図１に示した形状に限らず、ブレーキライニングを台車に設置した状態における、図１に示した形状を、鉛直方向中心線Ｈで２分割した形状でも良い。

また、ばね要素で表現した裏板１３と摩擦部材１２の間に介在させる弾性部材１４は、裏板１３と摩擦部材１２の間に設置でき、摩擦力などの力に耐えうるものであれば、コイルスプリングや皿ばね等どのような種類のものであっても良いことは言うまでもない。

１１ブレーキライニング
１２摩擦部材
１３裏板
１４ばね要素

Claims

摩擦部材と、この摩擦部材を支持する裏板を備え、
前記摩擦部材は、ブレーキディスクの半径方向及び周方向に複数に分割配置されると共に、これらそれぞれの摩擦部材は前記裏板との間に弾性部材を介在させて支持された構成で、
前記裏板を取付けたブレーキキャリパによって、ブレーキディスクの摺動面に前記摩擦部材を押付けられる鉄道車両用のブレーキライニングであって、
前記ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部に存在する前記摩擦部材の支持剛性よりも、当該中心線Ｈ部以外の部分に存在する前記摩擦部材の支持剛性を大きくしたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニング。
ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈ部に存在する前記摩擦部材のうちの、外周側に位置する部分の摩擦部材の支持剛性も、鉛直方向中心線Ｈ部に存在する前記摩擦部材の支持剛性より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
前記摩擦部材の支持剛性を大きくする部分は、
前記ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈから鉛直方向の天側端面までの距離をＬ１、前記端面から前記中心線方向への摩擦部材の面積中心までの鉛直距離をＬ２とした場合、０．４７＜Ｌ２／Ｌ１＜０．８６であることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
前記摩擦部材の支持剛性を大きくする部分は、
前記ブレーキライニングを台車に設置した状態における、ライニングの鉛直方向中心線Ｈから鉛直方向の天側端面までの距離をＬ１、前記端面から前記中心線方向への摩擦部材の面積中心までの鉛直距離をＬ２とした場合、０．２２＜Ｌ２／Ｌ１＜０．８１であること、
または、ライニングの中心側の端面から外周側の端面までの距離をＴ１、外周側の端面から中心方向への摩擦部材の面積中心までの水平距離をＴ２とした場合、Ｔ２／Ｔ１＜０．４であることを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
前記支持剛性の比は１：３．１以上であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の鉄道車両用ブレーキライニング。