JP5418782B2 - 鉄道車両用ブレーキライニング - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両のキャリパに取り付けられる鉄道車両用ブレーキライニングに関するものであり、主としてブレーキディスクの摺動面に発生するき裂を抑制することを目的としている。

鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の陸上輸送機械の制動装置として、ブロックブレーキ、ドラムブレーキ、ディスクブレーキなどが使用されている。そして、近年では、車両の高速化や大型化に伴い、ディスクブレーキの採用が多くなってきている。
以下、鉄道車両用のディスクブレーキを例にとって説明する。

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、ブレーキキャリパによって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。

図６は、従来型の鉄道車両用ディスクブレーキ装置に使用される、ブレーキライニングおよびブレーキディスクを示した図である。（ａ）図はブレーキライニングを摩擦部材側からみた平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ｂ断面図、（ｃ）図は（ａ）図に示した摩擦部材のうちの一つを取出した図である。

この従来型のディスクブレーキでは、ブレーキライニング１は、図６に示すように、ブレーキディスク２の摺動面２ａと接触する摩擦部材１ａを、裏板１ｂに取付けた構成である。このブレーキライニング１は、図示しないブレーキキャリパに取付けられている。

ブレーキキャリパは、ブレーキライニング１をブレーキディスク２に押付けて制動力を得るための装置であり、油圧式、空圧式などがある。

ブレーキキャリパからブレーキライニング１に負荷される押付け力は、取付け部の構造上、ブレーキライニング１の全体に作用せず、ブレーキキャリパから押付け力が作用する直下(以下、ライニング荷重負荷点という。)に集中して作用する。

例えば油圧式キャリパの場合は、図６（ａ）に示すように、ライニング荷重負荷点３が２箇所存在する。空圧式キャリパの場合も、ほぼ同じ位置にライニング荷重が負荷される。

なお、図６中の２ｂは、車軸に取付けたディスク体又は車輪にブレーキディスク２をボルト締結するための締結孔、Ｌは、ブレーキディスク２の内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材１ａの幅の中間点を結んだ距離を示している。

このように、従来型のディスクブレーキは、その構造上、ライニング荷重がブレーキライニングの一部分にのみ作用する。このため、ブレーキライニングとブレーキディスクが接触する摺動面では、接触面圧の高い部分と低い部分の差が大きくなり、ライニング荷重負荷点では、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧が高くなる。接触面圧の高い部分では、摩擦による熱エネルギーがより多く発生するため、ブレーキ操作中の温度上昇が過大となる可能性がある。

特に、近年の鉄道車両の高速化に伴い、ブレーキディスクの回転速度や慣性力が大きくなるので、制動中におけるブレーキディスクの温度上昇が大きくなる。そのため、接触面圧の高い部分では、ブレーキディスクの熱変形やき裂の発生などの原因となり得る。

これらを防ぐためには、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧の高低差をなくし、均一にする必要がある。このブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧を均一化する技術として、以下に示す鉄道車両用ブレーキライニングおよびブレーキパッドが提案されている。

例えば特許文献１には、ブレーキライニングの摩擦面における面圧の均一化を図ることを目的とした技術が提案されている。この特許文献１で提案された技術は、多数の摩擦部材を複数の支持プレートに固定し、これら支持プレートをライニング支持部材またはライニングホルダに対して旋回可能に結合することで、摩擦面の面圧を均一化させている。

この特許文献１の技術は、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面のうち、ブレーキキャリパからの押付け力が作用する直下の接触面は、面圧が均一になる工夫がなされているものの、多数の部品が必要となるとともに、接触面全体から面圧を均一にする方向での工夫はなされていない。

特表平１０−５０７２５０号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来技術の場合、ライニング荷重負荷点は接触面圧が均一になる工夫をしているものの、多数の部品が必要となるとともに、接触面全体から面圧を均一にする方向での工夫はなされていないという点である。

本発明の第１の鉄道車両用ブレーキライニングは、
接触面全体の面圧が均一になるようにしてブレーキ操作中の温度上昇を低減し、ブレーキディスクの摺動面に発生するき裂を抑制するために、
締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるブレーキディスクの前記摺動面に、ブレーキキャリパによって押付けられる鉄道車両用ブレーキライニングであって、
ブレーキディスクの前記摺動面に押付ける摩擦部材と、
前記ブレーキキャリパに取付けられ、前記摩擦部材を支持する裏板を備え、
前記摩擦部材は、前記ブレーキディスクの周方向両側の摩擦部材と、これら摩擦部材間に配置される２個以上の摩擦部材を有し、
前記両側の摩擦部材には溝を設けず、
前記両側の摩擦部材間に配置される２個以上の摩擦部材には、少なくとも、前記ブレーキディスクの内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に、当該摩擦部材の前記中間点を結んだ距離の１／４以上、１／２以下の幅を有する溝を、前記ブレーキディスクの周方向に設けたことを最も主要な特徴としている。

また、本発明の第２の鉄道車両用ブレーキライニングは、
締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるブレーキディスクの前記摺動面に、ブレーキキャリパによって押付けられる鉄道車両用ブレーキライニングであって、
ブレーキディスクの前記摺動面に押付ける摩擦部材と、
前記ブレーキキャリパに取付けられ、前記摩擦部材を支持する裏板を備え、
前記摩擦部材は、前記ブレーキディスクの周方向両側の摩擦部材と、これら摩擦部材間に配置される３個以上の摩擦部材を有し、
前記両側の摩擦部材には溝を設けず、
前記両側の摩擦部材間に配置される３個以上の摩擦部材のうちの、ライニング荷重負荷点に位置する摩擦部材には、少なくとも、前記ブレーキディスクの内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に、当該摩擦部材の前記中間点を結んだ距離の１／４以上、１／２以下の幅を有する溝を、前記ブレーキディスクの周方向に設けると共に、この摩擦部材と隣り合う摩擦部材には当該摩擦部材と同様の溝を、前記ブレーキディスクの半径方向に千鳥状に設けたことを最も主要な特徴としている。

本発明は、ライニング荷重負荷点を通る、ブレーキディスクの周方向両側以外のそれぞれの摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に、当該摩擦部材の前記中間点を結んだ距離の１／４以上、１／２以下の幅を有する溝を設けている。このようにすることで、接触面圧が高くなる位置が、２点から、ライニング荷重負荷点の若干内外周側の少なくとも４点となり、より広い面積でブレーキディスクとブレーキライニングが接触することになる。

ブレーキディスクの車輪への締結に関し、摺動面より内周側で締結するもの（内周締結タイプ）と摺動面内に締結部を有するもの（中央締結タイプ）の２つがある。本発明は、両者に適用可能であるが、内周締結タイプにおいて、ブレーキディスク及びブレーキライニングの温度上昇を抑える効果をより発揮する。中央締結タイプはブレーキディスクの中央部で固定されているため、ライニング荷重負荷点でもある摺動面の中央部の接触面圧の上昇が抑えられるのに対し、内周締結タイプはそのようなことがないため、ライニング荷重負荷点でもある摺動面の中央部の接触面圧がより高くなりがちであるからである。

本発明では、接触面圧が高くなる位置が、ライニング荷重負荷点の２点からライニング荷重負荷点の若干内外周側の４点以上となるので、ブレーキ操作中におけるブレーキディスクとブレーキライニングとの接触面の局所的な温度上昇を抑えることができる。従って、ブレーキディスクの摺動面に発生するき裂が抑制される。

本発明のブレーキライニングの説明図であり、（ａ）はブレーキライニングを板厚方向から見た平面図、（ｂ）はブレーキライニングを幅方向から見た（ａ）図のＡ−Ｂ断面図である。 摩擦部材の溝の幅Ｈと、ブレーキディスクの内外周側の摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離Ｌの割合Ｈ／Ｌと、ブレーキ後のブレーキディスク最高温度との関係を示した図である。 摩擦部材の溝を千鳥状に配置した、本発明のブレーキライニングの例を示す、板厚方向から見た平面図である。 摩擦部材の溝の幅Ｈと、０．１秒の短時間ブレーキを負荷した後のブレーキディスク最高温度の関係を示した図である。 摩擦部材の温度分布を示す等高線の一例を示した図で、（ａ）は図１に示した発明例、（ｂ）は中央部の摩擦部材に溝を設けない比較例、（ｃ）は図６に示した従来例である。 従来型のブレーキライニングを示し、（ａ）はブレーキライニングを板厚方向から見た平面図、（ｂ）はブレーキライニングを幅方向から見た（ａ）図のＡ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）図の摩擦部材一つを拡大した図である。

本発明では、接触面全体の面圧が均一になるようにして、ブレーキ操作中における温度上昇を低減するという目的を、ライニング荷重負荷点を通る、摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に所定幅の溝を設け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、鉄道車両用ブレーキライニングに関して、高速・短時間の繰返しブレー キを想定した数値解析を行って研究を重ねた結果、下記の知見を得た。

現在使用されているディスクブレーキは、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面のうち、ライニング荷重負荷点の接触面圧が高くなる傾向にある。このため、ライニング荷重負荷点では、摩擦による熱エネルギーがより多く発生し、図６（ｃ）に示すように、ブレーキ操作中の温度上昇が過大となる可能性がある。これを防ぐため、発明者等はライニング荷重負荷点の接触面圧を低減させることを考えた。

ライニング荷重負荷点の接触面圧を低減させるには、ライニング荷重負荷点そのものの数を増やすことが効果的であるが、ブレーキライニングの構造によってはそれが容易ではない場合がある。

そこで、発明者等は、ライニング荷重負荷点の接触面圧を下げるのではなく、接触面圧が高くなる領域を分散させ、ブレーキディスクとブレーキライニングとの接触面での局所的な温度上昇を抑えることを考えた。

本発明は、上記を実現するために検討され、成立したものであり、例えば図１に示すような構成である。

すなわち、本発明の鉄道車両用ブレーキライニング１は、摺動面２ａより内周側に備えた締結孔２ｂ部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるブレーキディスク２の前記摺動面２ａに、ブレーキキャリパによって押付けられるものである。

図１において、１ａ₁、１ａ₂は、ブレーキディスク２の摺動面２ａに押付ける摩擦部材であり、ブレーキディスク２の周方向両側の摩擦部材１ａ₁と、これら摩擦部材１ａ₁間に配置される２個以上の摩擦部材１ａ₂（図１の例では６個）に分割配置されている。１ｂは、前記ブレーキキャリパに取付けられ、摩擦部材１ａ₁、１ａ₂を支持する裏板である。

本発明では、ブレーキディスク２の周方向両側の摩擦部材１ａ₁間に配置される２個以上の摩擦部材１ａ₂に溝１ａａを設けている。この溝１ａａは、ブレーキディスク２の内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材１ａ₂の幅の中間点を結んだ距離Ｌの中心を含む部分に、ブレーキディスク２の周方向に設けられ、その幅Ｈが摩擦部材１ａ₂の前記距離Ｌの１／４以上、１／２以下となされている。

このような構成とすることで、接触面圧が高くなる位置は、ライニング荷重負荷点３上の２点から、ライニング荷重負荷点３の若干内・外周側２点の少なくとも計４点となり、より広い面積でブレーキディスク２とブレーキライニング１が接触することになる。

本発明において、ブレーキディスク２の周方向両側の摩擦部材１ａ₁に前記溝１ａａを設けないのは、ブレーキ力を大きくするためと、ブレーキライニング１の反りを少なくするためである。

また、本発明において、前記溝１ａａの幅Ｈを摩擦部材１ａ₂の前記距離Ｌの１／４以上、１／２以下としたのは、発明者等が溝１ａａの幅Ｈを種々変更してFEM解析を行った結果に基づくものである。

すなわち、発明者等がFEM解析を行った結果、図２に示すような、摩擦部材の溝の幅Ｈと前記距離Ｌの割合Ｈ／Ｌと、ブレーキディスクの最高温度との関係を得た。この図２より、溝の幅Ｈが摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離Ｌの１／４より小さい場合には、ブレーキディスクの最高温度が逆に従来品よりも高くなることが分かる。

一方、溝の幅Ｈが前記距離Ｌの１／２を超えると、ブレーキディスクの最高温度は低くなるが、ブレーキライニングとブレーキディスクとの間の接触面積が少なくなるため、十分なブレーキ力が得られない可能性がある。

従って、本発明では、十分なブレーキ力を得つつ、局所的な温度上昇を抑えることを可能とするために、前記溝の幅Ｈを、前記距離Ｌの１／４以上、１／２以下の範囲とした。

また、発明者等は、前記溝１ａａの配置を変更し、ブレーキディスク２とブレーキライニング１との接触面積をさらに広くすることを検討した。具体的には、図３に示すように、ライニング荷重負荷点３に位置する摩擦部材１ａ₂の前記溝１ａａに対し、この摩擦部材１ａ₂と隣り合う摩擦部材１ａ₂の前記溝１ａａを、ブレーキディスク２の半径方向にＤだけずらせ、千鳥状に配置することを考えた。

発明者等は、この摩擦部材１ａ₂の前記溝１ａａを、ブレーキディスク２の半径方向に千鳥状に配置した形状についてもFEM解析を行ったところ、図１に示した配置よりブレーキディスクの最高温度がさらに低減することが分かった。この結果、接触面における局所的な温度上昇をさらに抑えることができる。この理由は、接触面圧が高くなる領域がさらに分散されるからである。

以下、本発明の効果を確認するために行った解析結果について説明する。
発明者等は、発明品のブレーキライニングを対象にFEM解析を実施した。FEM解析では、鉄道車両で一般的に使用されている焼結材の材料定数を使用した。また、発明品の有限要素分割では、摩擦部材と裏板で構成されるブレーキライニングを三次元でモデル化した。

下記表１に解析モデルの詳細を示す。FEM解析モデルの外形図は図１及び図３に示した形状である。表１に示すように、摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離Ｌ（＝１２０mm）の中心に設けた溝の幅Ｈが３０mm、４０mm、５０mmとしたものを、それぞれ発明品１、２、３とした。また、発明品４では、発明品１における溝の配置を、ライニング荷重負荷点に位置する摩擦部材の前記距離Ｌの中心から、半径方向に１０mmずつずらせて千鳥状に配置した。なお、FEM解析モデルでは、溝の、ブレーキディスクの周方向の長さＥ（図１参照）は５０mmとした。ブレーキライニングを構成する材料は、裏板が鉄鋼材料、摩擦部材が銅焼結合金とした。

一方、比較品１、２では、前記距離Ｌの中心に設けた溝の幅Ｈを１０mm、 ２０mmとした。また、参考として、現在鉄道車両に使用されているブレーキライニングの一例を従来品とした。

FEM解析条件は、繰返しブレーキを想定し、最高速度 ２７０km／hrからの、ブレーキ時間が０．１秒の短時間ブレーキ負荷とした。ブレーキを負荷したライニング荷重負荷点は、ブレーキディスクの中心位置から３０２．５mmの位置で、負荷荷重は２点で２０（kN）とした。その結果を表１及び図５に示す。

前記の解析結果から、図１に示すブレーキライニング形状とした発明品１、２、３では、溝の幅が本発明の範囲を満たしていない比較品１、２や、従来品に比べて、ブレーキ中のブレーキディスクの最高温度を低減できることが分かる。

また、図２に示すように摩擦部材の溝を千鳥状に配置した発明品４では、さらに最高温度を低減できることが分かる。

ちなみに、図１に示す本発明例における摩擦部材の温度分布を図５（ａ）に示すが、図５（ｃ）に示した従来例と比べて、摩擦部材の最高温度が低くなっていることが分かる。さらに、荷重負荷点付近の摩擦部材の温度分布が中央部に集中せず、外周側と内周側に分散されていることが分かる。また、ブレーキディスクの周方向中央部に位置する摩擦部材に溝を設けない比較例の場合の温度分布を図５（ｂ）に示すが、摩擦部材の最高温度は、図５（ｃ）に示した従来例と比べて低くなっているが、荷重負荷点付近の摩擦部材の温度分布は、図５（ａ）に示した本発明品と比べて中央部に集中していることがわかる。

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、摩擦部材１ａ₂に設ける溝１ａａは、本発明で規定する位置に、本発明で規定する幅を有するもの以外の他にも適宜設けても良い。

また、摩擦部材１ａ₂に設ける溝１ａａの深さは、強度上問題がなければ特に限定されない。

上記構成の本発明は、鉄道車両用のブレーキディスクに限らず、自動車や自動二輪車等のブレーキディスクであっても適用できる。

１ ブレーキライニング
１ａ₁、１ａ₂ 摩擦部材
１ａａ 溝
１ｂ 裏板
２ ブレーキディスク
２ａ ブレーキディスク摺動面
２ｂ 締結孔
３ ライニング荷重負荷点

Claims (3)

1. 締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるブレーキディスクの前記摺動面に、ブレーキキャリパによって押付けられる鉄道車両用ブレーキライニングであって、
   ブレーキディスクの前記摺動面に押付ける摩擦部材と、
   前記ブレーキキャリパに取付けられ、前記摩擦部材を支持する裏板を備え、
   前記摩擦部材は、前記ブレーキディスクの周方向両側の摩擦部材と、これら摩擦部材間に配置される２個以上の摩擦部材を有し、
   前記両側の摩擦部材には溝を設けず、
   前記両側の摩擦部材間に配置される２個以上の摩擦部材には、少なくとも、前記ブレーキディスクの内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に、当該摩擦部材の前記中間点を結んだ距離の１／４以上、１／２以下の幅を有する溝を、前記ブレーキディスクの周方向に設けたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニング。
2. 締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるブレーキディスクの前記摺動面に、ブレーキキャリパによって押付けられる鉄道車両用ブレーキライニングであって、
   ブレーキディスクの前記摺動面に押付ける摩擦部材と、
   前記ブレーキキャリパに取付けられ、前記摩擦部材を支持する裏板を備え、
   前記摩擦部材は、前記ブレーキディスクの周方向両側の摩擦部材と、これら摩擦部材間に配置される３個以上の摩擦部材を有し、
   前記両側の摩擦部材には溝を設けず、
   前記両側の摩擦部材間に配置される３個以上の摩擦部材のうちの、ライニング荷重負荷点に位置する摩擦部材には、少なくとも、前記ブレーキディスクの内周側と外周側の、それぞれの摩擦部材の幅の中間点を結んだ距離の中心を含む部分に、当該摩擦部材の前記中間点を結んだ距離の１／４以上、１／２以下の幅を有する溝を、前記ブレーキディスクの周方向に設けると共に、この摩擦部材と隣り合う摩擦部材には当該摩擦部材と同様の溝を、前記ブレーキディスクの半径方向に千鳥状に設けたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニング。
3. 前記ブレーキディスクは、前記摺動面より内周側で、車軸に取付けたディスク体又は車輪に締結するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。

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