JP6152142B2 - 車両ブレーキ用ダイヤフラム - Google Patents

Description

本発明は、車輪と共に回転するディスクを挟んで摩擦力を付与するブレーキ装置に使用される車両ブレーキ用ダイヤフラムの構造に関するものであって、特に、高温領域および常温領域での使用において耐久性を有することはもとより、低温領域での使用において極めて優れた耐久性を発揮する車両ブレーキ用ダイヤフラムに関する。

鉄道車両を減速させ、停車させ、停止させた状態を保つために各種の車両ブレーキが存在する。鉄道車両のブレーキ構造としては、車輪と共に回転するディスクを挟んで摩擦力を付与するキャリパブレーキ（ディスクブレーキ）装置が採用されている。

このキャリパブレーキには、油圧式によりブレーキ作動させるものと空気圧式によりブレーキ作動させるものがある。従来より高速での走行を行う新幹線では、油圧式が主として採用されていたが、近年では、車両重量軽減化の要請から在来線および新幹線を問わず空気圧ブレーキの採用が望まれている。

このような空気圧ブレーキ方式のキャリパブレーキ装置には、通常、ブレーキパッドをディスクに接近又は離隔方向に変位させるためのアクチュエータが備えられている。アクチュエータとしては、圧力をピストンに伝えるためのダイヤフラムが使用されており、このダイヤフラムが各種部材を介して、ブレーキパッドをディスクに押し付けるように作用させている。ブレーキ装置の先行技術としては、例えば、特開２００９−９２１９４号公報が挙げられる。

このようなキャリパブレーキに使用されるダイヤフラムは、摩擦により発生する熱に対する耐性や、繰り返し作動に対する耐性が求められるだけでなく、寒冷地仕様に耐えうる耐寒性も求められている。特に、ブレーキという極めて重要な作用をなすアクチュエータとして使用されるダイヤフラムについて、上記の各種の耐久性の向上に再現はないと言え、より優れた耐久特性を備える車両ブレーキ用ダイヤフラムの提案が望まれている。また、ブレーキ用ダイヤフラムを開示したものではないが、本願に類似する先行技術として、例えば、特開２００４−１９７２６０号公報、特開２００４−２８１８３４号公報等を挙げることができる。

特開２００９−９２１９４号公報 特開２００４−１９７２６０号公報 特開２００４−２８１８３４号公報

このような実状の基に本発明は創案されたものであって、その目的は、高温領域および常温領域での使用において耐久性を有することはもとより、低温領域での使用において極めて優れた耐久性を発揮する車両ブレーキ用ダイヤフラム（フローティングキャリパーブレーキ用ダイヤフラム）を提供することにある。

このような課題を解決するために、本願発明は、容器状部と、該容器状部の開口周縁に形成されたフランジ部とを有する車両ブレーキ用ダイヤフラムであって、前記容器状部およびフランジ部は、シリコーンゴムからなるゴム本体と、そのゴム本体に埋設された基布とを有して構成されており、前記基布は、アラミド短繊維から構成されており、その基布厚さが０．３ｍｍであるように構成される。

また、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの好ましい態様として、前記基布は、平織りされた織物組織からなるように構成される。
また、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの好ましい態様として、前記容器状部の側面は、折り返し部を形成してローリング作動膜として機能するように使用される。
また、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの好ましい態様として、前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の膜厚が、０．４５〜１．６ｍｍとなるように構成される。
また、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの好ましい態様として、前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の膜厚が、１．０〜１．６ｍｍとなるように構成される。
また、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの好ましい態様として、前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の形態が、楕円柱形態であるように構成される。

本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムは、容器状部と、該容器状部の開口周縁に形成されたフランジ部とを有し、前記容器状部およびフランジ部は、シリコーンゴムからなるゴム本体と、そのゴム本体内に埋設された基布とを有して構成されており、前記基布は、アラミド短繊維またはポリエステル繊維から構成されており、その基布厚さが０．３〜０．４ｍｍとなるように構成されているので、高温領域および常温領域での使用において耐久性を有することはもとより、低温領域での使用において極めて優れた耐久性を発揮するという効果が奏される。

図１は、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの概略斜視図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面矢視図である。 図３は、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムを車両用キャリパブレーキ装置に装着した状態の一例を簡略的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムの概略斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面矢視図であり、図３は、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムを車両用キャリパブレーキ装置に装着した状態の一例を簡略的に示す断面図である。

図１や図２に示されるように、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラム１は、容器状部１０と、この容器状部１０の開口周縁１１に連接して形成されたフランジ部２０とを有して構成されている。

容器状部１０およびフランジ部２０は、図２の断面図に示されるように一体的に形成されたものであって、シリコーンゴムからなるゴム本体１０ａ，２０ａと、そのゴム本体内に埋設された基布３０とを有して構成されている。

シリコーンゴムは、主鎖がオルガノシロキサン結合からなる合成ゴムであり、例えば、重合度が数千以上の弾力のあるゴム原料組成に、充填材を加えて過酸化物で加硫して製品とされる。側鎖が全部メチル基のジメチルポリシロキサンや、メチル基の一部をビニル基で置換したビニルシリコーンゴムや、メチル基の一部をフェニル基で置換したフェニルシリコーンゴムや、ビニルシリコーンゴムの側鎖にフッ化アルキル基を導入したフッ化シリコーンゴム等が好適例として用いられる。

本発明において用いられる基布３０は、アラミド短繊維またはポリエステル繊維から構成されており、さらに織物として織られた状態で構成されている。その基布厚さは、０．２５ｍｍ以上、特に、０．２５〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２５〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜０．４ｍｍとされる。この基布厚さが、０．２５ｍｍ未満となると、高温領域および低温領域双方で格段と向上した耐久性を得ることが困難となるという傾向が生じてしまう。

基布３０に用いられるアラミド繊維は、芳香族ポリアミド繊維であり、メタ系とパラ系が存在する。例えば、メタ系アラミド繊維としては、メタフェニレンジアミン（ＭＰＤＡ）とイソフタル酸ジクロライド（ＩＰＣ）を原料として、縮重合させることによってポリフェニレンイソフタルアミド繊維を得ることができる。また、短繊維とは、通常３８ｍｍ〜１００ｍｍ程度の長さの繊維であり、通常、これを何本か並べて束ねながら長い糸にして（いわゆる紡績）、できた単糸を数本合わせて撚りをかけて適当な太さにして安定させて用いられる。

このようなアラミド短繊維を用いて織物として構成された基布３０は、特に、「平織り」された織物組織から構成されることが好ましい。平織りされた織物組織は、丈夫で腰があり、ゴム本体内に埋設させてダイヤフラムとして用いる場合に特に好適である。

なお、他の織物である、例えば「綾織り」された織物組織は、柔らかく皺になり難いという特徴があるが、本願発明のごとくゴム内に埋設させて耐久性を向上させるという観点からは好ましい選定とは言えない。また、他の織物である、例えば「朱子織り」された織物組織は、手触りが柔らかく、光沢が強いという特徴があるが、上記の綾織りと同様に本願発明のごとくゴム内に埋設させて耐久性を向上させるという観点からは好ましい選定とは言えない。

基布３０に用いられるポリエステル繊維は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルを溶融紡糸した合成繊維である。短繊維あるいは長繊維のいずれであってもよい。

このようなポリエステル繊維を用いて織物として構成された基布３０は、特に、「平織り」された織物組織から構成されることが好ましい。平織りされた織物組織は、丈夫で腰があり、ゴム本体内に埋設させてダイヤフラムとして用いる場合に特に好適である。その基布厚さは、前述したように、０．２５ｍｍ以上、特に、０．２５〜１．０ｍｍ、好ましくは０．２５〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．３〜０．４ｍｍとされる。この基布厚さが、０．２５ｍｍ未満となると、高温領域および低温領域双方で格段と向上した耐久性を得ることが困難となるという傾向が生じてしまう。

図１や図２に示されるように、本発明のダイヤフラムを構成している容器状部１０の側面１５は、車両用キャリパブレーキ装置に組み込まれるに際して、折り返し部を形成してローリング作動膜として機能するように使用される。そして、一般的に、車両用キャリパブレーキ装置を構成するいわゆる外部に配置されたピストン壁からシリンダ壁へと、滑らかかつ摩擦なく転がりながら折り返し部を移動させて行くように作用する。この折り返し部の状態については、図３を用いて後述する。

ローリング作動膜として機能する部分を含む容器状部１０の膜厚さは、０．４５〜１．６ｍｍ、より好ましくは１．０〜１．６ｍｍとされる。この容器状部１０の膜厚さは、通常、埋設される基布３０の厚さをも考慮して決められる。この膜厚さが０．４５ｍｍ未満となると、高温領域および低温領域双方で十分となる耐久性を得ることが困難となるという傾向が生じてしまう。

前記ローリング作動膜として機能する部分を含む容器状部１０の形態は、特に制限されるものではないが、図１に示されるように、楕円柱形態として構成することが望ましい。キャリパブレーキ（ディスクブレーキ）装置のブレーキ機構を有効に機能させるためである。

また、図２に示されるように埋設されている基布３０は、その断面図から明確なように、容器状部１０の外側に近い方向に偏って埋設されている。より具体的には、基布３０が埋設されている基布中心位置Ｐを基準として基布の半分厚さを含む容器状部１０の外側のゴム厚さをｔ１、基布が埋設されている基布中心位置Ｐを基準として基布の半分厚さを含む容器状部の内側のゴム厚さをｔ２とした場合、ｔ２／ｔ１＝２〜１５、より好ましくは、２〜１３となるように構成される。ゴム厚さを偏らせてゴム厚さの厚い方にアクチュエータの作動流体（例えば、圧縮空気）を作用させるためである。そして、ダイヤフラムをブレーキ装置に組み込むに際しては、このような作用ができるようにダイヤフラムをブレーキ装置に配設する。

なお、取り付け手法の違いや、使用形態の違いによっては、成形後のダイヤフラムをそのまま使用するのではなく、成形後のダイヤフラムを完全に裏返して（リバースして）装置に組み付けることもある。これもやはりゴム厚さの厚い方にアクチュエータの作動流体（例えば、圧縮空気）を作用させるためである。

＜車両ブレーキ用ダイヤフラムの製造方法の一例の説明＞
本発明の基布入りの車両ブレーキ用ダイヤフラムを製造するに際しては、一般的に、以下の手順で行えばよい。

まず、最初に下型と上型とからなる成形金型が準備される。
下型には主として容器状部１０の形態である楕円柱形態のキャビティ形成用凸部が備えられており、この下型と対をなす上型には主として楕円柱形態のキャビティ形成用凹部が備えられている。そして下型と上型を一体化させると、これらの間には所定の間隙を隔ててハット状（縁付き楕円帽子状）のキャビティが形成されるようになっている。

このような構造を備える成形金型のキャビティ内において、まず最初に未加硫ゴムのゴムプレフォームが形成される。未加硫ゴムのゴムプレフォームの成形は、例えば、未加硫ゴムのシート状成形物を下型のキャビティ面に装着し、下型および上型を係合して加圧することにより行われる。この場合、成形金型の温度および圧力は、未加硫ゴムの加硫が進行しない条件に設定される。

このようなゴムプレフォーム工程の後に、上型を離脱させると、下型の上にはハット状の未加硫ゴムのゴムプレフォームが形成される。この未加硫ゴムのゴムプレフォームの上に平織りされたアラミド短繊維からなる基布を被着させる。しかる後、下型と上型とを一体化させて、ゴムプレフォーム中に基布を埋設させながら熱加硫する。なお、基布は予めゴムプレフォームの形態に類似する形態に予備成形されていることが望ましい。

下型と上型とを分離して、内部で成形された本発明のダイヤフラムが取り出される。通常、取り出し後に、フランジ部２０の形態を整えるために、通常、楕円形状での打ち抜きが行われる。

＜車両ブレーキ用ダイヤフラムの車両ブレーキへの取り付け＞
図３には、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムを車両用キャリパブレーキ装置に装着した状態の一例が断面図として示される。

本発明において、特に、図３を提示したのは、本発明のダイヤフラムの概略的な取り付け要領を示すとともに、本発明のダイヤフラムの容器状部１０の側面１５が車両用キャリパブレーキ装置に組み込まれるに際して、折り返し部を形成してローリング作動膜として機能するように使用される状態を図面で明示するためである。

図３において、いわゆるフローティング式の車両用キャリパブレーキ装置は、制輪子７を対向するディスク６に押し付けるダイヤフラムアクチュエータを備えており、当該ダイヤフラムアクチュエータは、キャリパ本体１０に取り付けられるダイヤフラム１と、このダイヤフラム１によって区画されるダイヤフラム室６３と、ダイヤフラム１と制輪子７の間に介装されてダイヤフラム１の動きを制輪子７に伝達する複数のピストン５５と、この各ピストンを摺動可能に支持するピストンガイドフレーム６５を備え、制動時にこのダイヤフラム室６３に導かれる空気圧によってダイヤフラム１が膨らんで各ピストン５５が制輪子７をディスク６に押し付けるように構成されている。

そして、最外部に位置するピストンと、ダイヤフラム室６３を形成しているシリンダ内壁７３との間にはダイヤフラム１の折り返し部１ａが形成されており、ローリング作動膜として機能するように構成されている。なお、符号８０はリターンばね構造部である。

以下、具体的な実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
ゴム本体１０ａ，２０ａを構成するゴム材料として、下記に示すような３種のゴム材料を準備した。
・（Ｒ−１）：シリコーンゴム（商品名：ＫＥ−５５５−Ｕ；信越化学社製）
・（Ｒ−２）：フッ素ゴム（商品名：バイトンＧＬＴ；デュポン社製）
・（Ｒ−３）：ＥＰＤＭ（商品名：ＥＰＴ３０７２ＥＨＭ；三井化学社製）
・（Ｒ−４）：ＥＰＤＭ（商品名：エスプレン５３２；住友化学社製）

また、ゴム本体に埋設させる基布として、下記に示すような繊維からなる基布材料を準備した。
・（Ｋ−１）：アラミド短繊維（商品名：コーネックス；帝人社製）
（平織り構造の基布；基布厚さ０．３ｍｍ）
・（Ｋ−２）：アラミド長繊維（商品名：デュポン社製）
（平織り構造の基布；基布厚さ０．１７ｍｍ）
・（Ｋ−３）：ポリエステル（商品名：テトロン；帝人社製）
（平織り構造の基布；基布厚さ０．３ｍｍ）

下記表１に示される組み合わせの要領で、上記の各ゴム層の中に上記の各織物構造の基布を埋設させて６２ｍｍφのテストサンプルを作製した。テストサンプルにおける基布を含むゴム厚さ（サンプル厚さ）は、０．４５ｍｍとした。

基布は、ゴム層の片側面に略面一となるように偏った状態で埋設されており、ゴム層の厚い方を圧力面とした。基布厚さ０．３ｍｍの場合、ｔ２／ｔ１＝２．０程度となり、基布厚さ０．１７ｍｍの場合、ｔ２／ｔ１＝４．３程度となる。

これらの各テストサンプルについて、（ａ）−４０℃における低温領域、（ｂ）１６０℃の高温領域、および（ｃ）２３℃の常温領域におけるそれぞれの耐久性テストを行った。

耐久性テストは、ピストン径３０ｍｍ、シリンダー径５０ｍｍの連続的な押し込み機構を備えた実験用シリンダ装置であり、ピストンとシリンダーとの間にテストサンプルを設置して、ピストンによる連続的な押し込み動作を繰り返し、テストピースが破断するに至るまでのピストンの押し込み回数を測定した。試験圧は６００ｋＰａとした。
結果を下記表１に示した。

なお、上記の（Ｒ−４）：ＥＰＤＭ（商品名：エスプレン５３２；住友化学社製）は、上記の（Ｒ−１）：シリコーンゴム（商品名：ＫＥ−５５５−Ｕ；信越化学社製）よりもゴムそのものが低温性（低温耐久性）に優れるグレードのものである（ゲーマン捩り試験による低温性比較によって確認されている）。従って、ゴムそのものでの低温性は、（Ｒ−４）：ＥＰＤＭは、（Ｒ−１）：シリコーンゴムよりも優れる。

しかしながら、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６との実験結果より、低温耐久性の効果に対するポリエステル繊維の基布との相性では、意外なことに、予想に反して（Ｒ−４）：ＥＰＤＭよりも（Ｒ−１）：シリコーンゴムの方が優れることがわかった。なお、試料Ｎｏ．５と試料Ｎｏ．６との実験において、１６０℃の高温領域における耐久性テストは、行わなかった。その理由は、特に、低コストの基布を用いて、所望の低温耐久性を向上させることに主眼を置いた車両ブレーキ用ダイヤフラムを開発するという理由からである。

上記の結果より、本発明の効果は明らかである。すなわち、本発明の車両ブレーキ用ダイヤフラムは、容器状部と、該容器状部の開口周縁に形成されたフランジ部とを有し、前記容器状部およびフランジ部は、シリコーンゴムからなるゴム本体と、そのゴム本体内に埋設された基布とを有して構成されており、前記基布は、アラミド短繊維またはポリエステル繊維から構成されており、その基布厚さが０．３〜０．４ｍｍとなるように構成されているので、高温領域および常温領域での使用において耐久性を有することはもとより、低温領域での使用において極めて優れた耐久性を発揮する。

ダイヤフラム用ゴム組成物およびそれを用いたダイヤフラムを用いる産業、並びに鉄道車両の産業に利用可能である。

１…車両ブレーキ用ダイヤフラム
１０…容器状部
２０…フランジ部
１０ａ，２０ａ…ゴム本体
３０…基布

Claims (6)

1. 容器状部と、該容器状部の開口周縁に形成されたフランジ部とを有する車両ブレーキ用ダイヤフラムであって、
   前記容器状部およびフランジ部は、シリコーンゴムからなるゴム本体と、そのゴム本体に埋設された基布とを有して構成されており、
   前記基布は、アラミド短繊維から構成されており、その基布厚さが０．３ｍｍであることを特徴とする車両ブレーキ用ダイヤフラム。
2. 前記基布は、平織りされた織物組織からなる請求項１に記載の車両ブレーキ用ダイヤフラム。
3. 前記容器状部の側面は、折り返し部を形成してローリング作動膜として機能するように使用される請求項１または２に記載の車両ブレーキ用ダイヤフラム。
4. 前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の膜厚が、０．４５〜１．６ｍｍである請求項３に記載の車両ブレーキ用ダイヤフラム。
5. 前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の膜厚が、１．０〜１．６ｍｍである請求項３に記載の車両ブレーキ用ダイヤフラム。
6. 前記ローリング作動膜として機能する前記容器状部の形態が、楕円柱形態である請求項３〜５のいずれかに記載の車両ブレーキ用ダイヤフラム。

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