JP6773670B2 - 鉄道車両用ブレーキライニングおよびそれを備えたディスクブレーキ - Google Patents

Description

本発明は、鉄道車両の制動装置として用いられるディスクブレーキに関する。特に本発明は、車輪または車軸に固定されたブレーキディスクの摺動面に押し付けられるブレーキライニング、およびそれを備えた鉄道車両用ディスクブレーキに関する。

近年、鉄道車両、自動車、自動二輪車などの陸上輸送車両の高速化および大型化が進展している。これに伴い、車両の制動装置としてディスクブレーキが用いられることが多い。ディスクブレーキは、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摺動による摩擦により制動力を得る装置である。

鉄道車両用のディスクブレーキの場合、ドーナツ形円板状のブレーキディスクが車輪または車軸に取り付けられて固定される。この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が押し付けられることにより、制動力が発生する。これにより、車輪または車軸の回転が制動され、動いている車両が減速する。

ディスクブレーキによる制動時、「ブレーキ鳴き」と呼ばれる騒音が発生する。ブレーキ鳴きは次の原理によって発生すると考えられる。制動時にブレーキライニングがブレーキディスクに押し付けられたとき、ブレーキライニングとブレーキディスクとの摩擦により、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。自励振動は振幅の増大した振動である。外部からの定常的なエネルギが系の内部で加振エネルギに変わり、この加振エネルギが自身を加振する。これにより、自励振動が発生する。ブレーキ鳴きを低減するには、制動時の摩擦により発生する自励振動を抑制する必要がある。

特開２００２−３４００５６号公報（特許文献１）には、ピストンによってパッドをブレーキディスクに押し付けるように構成されたディスクブレーキが開示されている。このディスクブレーキでは、パッドがブレーキディスクに押圧されるときの摩擦抵抗により、ブレーキディスクの回転方向下流側であるトレーリング側（接触終了側）にパッドが移動する。これにより、ピストンのパッドへの接触面積が、ブレーキディスクの回転方向上流側であるリーディング側に比べて、ブレーキディスクの回転方向下流側であるトレーリング側で大きくなる。特許文献１には、このような構成により、自励振動を抑制してブレーキ鳴きを抑制できる、と記載されている。

特開２０１１−２１４６２９号公報（特許文献２）には、基板と、複数の摩擦部材と、を備えたブレーキライニングが開示されている。各摩擦部材は、弾性部材を介して基板に取り付けられている。弾性部材の支持剛性は、基板上の摩擦部材の位置によって異なる。特許文献２では、このような構成により、ブレーキ鳴きを抑制できる、と記載されている。

特開２０１２−２５１５９７号公報（特許文献３）には、基板と、複数の摩擦部材と、を備えたブレーキライニングが開示されている。図１は、特許文献３に開示されたブレーキライニングの構造を示す平面図である。このブレーキライニング３２では、各摩擦部材３３は、弾性部材を介して基板３６に取り付けられている。各摩擦部材３３は、その中心部を含む領域で基板３６に支持されている。隣接する２つの摩擦部材３３は、裏板３４で連結されている。各摩擦部材３３の平面形状は円形であり、複数の摩擦部材３３の直径は互いにほぼ同じである。

裏板３４は、平面視で摩擦部材３３とほぼ同じ大きさおよび形状を有する円板部と、これら２つの円板部を連結する連結部と、を有する。連結部の幅（裏板３４の長手方向に直交する方向の長さ）は、円板部の幅より小さい。したがって、裏板３４は、全体として、長手方向の中間部でくびれた形状を有している。

特開２００２−３４００５６号公報 特開２０１１−２１４６２９号公報 特開２０１２−２５１５９７号公報

特許文献１に開示された技術が、ディスクブレーキが備えられた既存の車両に適用される場合、ブレーキライニングだけでなく、ブレーキライニングに押付力を付与するブレーキキャリパを取り替える必要があり、ディスクブレーキ全体の設計に影響が及ぶ。このため、この技術を既存の車両へ適用することは、非常に困難である。

また、特許文献２のブレーキライニングの構成では、弾性部材の支持剛性を、基板上の位置により変更する必要がある。このため、製造管理が煩雑となる。

特許文献３のブレーキライニング３２において、２つの摩擦部材３３が裏板３４により連結されているのは、各摩擦部材３３の回転を抑えること、および個々の摩擦部材３３の摩擦係数の変動を抑えることが目的である。特許文献３では、ブレーキ鳴きを低減するための検討はなされていない。

そこで、本発明の目的は、摩擦係数を安定化することができ、容易にブレーキ鳴きを低減することができる鉄道車両用ブレーキライニング、およびそれを備えたディスクブレーキを提供することである。

本発明の実施形態によるブレーキライニングは、鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクの摺動面に押し付けられるブレーキライニングである。ブレーキライニングは、表面がブレーキディスクの摺動面と対向する複数の摩擦構造体と、摩擦構造体のそれぞれの裏面に固着された裏板と、摩擦構造体を支持する基板と、摩擦構造体の裏面側で、基板と裏板のそれぞれとの間に介装された弾性部材と、を備える。摩擦構造体のそれぞれは、表面に形成された溝を挟んで隣接する一対の摩擦部と、溝に対応して設けられ、摩擦部よりも厚さが薄い薄肉部と、を含む。摩擦構造体のそれぞれは、二箇所で基板に支持されており、摩擦構造体のそれぞれの支持点は、一対の摩擦部の各々にある。平面視において、裏板の輪郭は、当該裏板に固着された摩擦構造体の輪郭と重なる。摩擦部の幅方向に関する薄肉部の長さは、一定であり、且つ摩擦部の最大幅と同じである。薄肉部の長さをＤとし、一対の摩擦部の支持点間距離をＬとしたとき、Ｌ／Ｄが１．１以上である。

本発明の実施形態によるディスクブレーキは、鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクと、ブレーキディスクの摺動面に押し付けられる上記のブレーキライニングと、を備える。

本発明の実施形態によるブレーキライニング、およびこのブレーキライニングを備えたディスクブレーキは、摩擦係数を安定化することができ、ブレーキ鳴きを低減することができる。また、本発明の実施形態によるブレーキライニングを既存の車両に適用することは容易であり、そのブレーキライニングの製造管理は容易である。

図１は、従来のブレーキライニングの平面図である。 図２Ａは、本発明の一実施形態によるブレーキライニングの平面図である。 図２Ｂは、図２Ａに示すブレーキライニングに備えられた摩擦構造体の平面図である。 図２Ｃは、図２ＡのＩＩＣ−ＩＩＣ断面図である。 図３は、本発明例、ならびに比較例１および２の最大鳴き指標を示す図である。 図４は、比較例３および４の最大鳴き指標を示す図である。

本発明者らの調査により、図１に示す構造を有する従来のブレーキライニング３２では、大きなブレーキ鳴きが生じることが判明した。また、ブロック３９全体の剛性を高くすることにより、摩擦特性を安定化でき、ブレーキ鳴きを低減できることが見出された。ブロック３９は、１組の摩擦部材３３と、当該１組の摩擦部材３３の裏面に配置された裏板３４と、からなる。ただし、ブロック３９の剛性を高くすることによるブレーキ鳴き低減の効果は、摩擦部材３３の最大幅（直径）に対する１組の摩擦部材３３の支持点間距離の比が、ある程度大きい場合にのみ得られた。

本実施形態によるブレーキライニングは、このような知見に基づいて完成したものである。つまり、ブレーキライニングは、表面がブレーキディスクの摺動面と対向する複数の摩擦構造体と、摩擦構造体のそれぞれの裏面に固着された裏板と、摩擦構造体を支持する基板と、摩擦構造体の裏面側で、基板と裏板のそれぞれとの間に介装された弾性部材と、を備える。摩擦構造体のそれぞれは、表面に形成された溝を挟んで隣接する一対の摩擦部と、溝に対応して設けられ、摩擦部よりも厚さが薄い薄肉部とを含む。摩擦構造体のそれぞれは、二箇所で基板に支持されており、摩擦構造体のそれぞれの支持点は、一対の摩擦部の各々にある。平面視において、裏板の輪郭は、当該裏板に固着された摩擦構造体の輪郭と重なる。摩擦部の幅方向に関する薄肉部の長さは、一定であり、且つ摩擦部の最大幅と同じである。薄肉部の前記長さをＤとし、一対の摩擦部の支持点間距離をＬとしたとき、Ｌ／Ｄが１．１以上である。

本実施形態によるディスクブレーキは、鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクと、ブレーキディスクの摺動面に押し付けられる上記のブレーキライニングと、を備える。

以下に、本発明の鉄道車両用ディスクブレーキについて、その実施の形態を詳述する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の一実施形態によるブレーキライニングを示す図である。図２Ａは、ブレーキライニングの平面図を示す。図２Ｂは、このブレーキライニングに備えられた摩擦構造体の平面図を示す。図２Ｃは、図２ＡのＩＩＣ−ＩＩＣ断面図を示す。図２Ａは、ブレーキライニングを、表面側となるブレーキディスク側から見た状態を示している。

本実施形態のディスクブレーキは、図２Ｃに示すように、ブレーキディスク１と、ブレーキライニング２と、を備える。ブレーキライニング２は、図示しないブレーキキャリパに取り付けられる。ブレーキディスク１は、平面視において、ドーナツ形円板状である。ブレーキディスク１は、図示しない車輪または車軸に、ボルトなどによって強固に固定される。

ブレーキキャリパは、制動時に作動し、ブレーキライニング２をブレーキディスク１の摺動面１ａに押し付ける。これにより、ブレーキディスク１とブレーキライニング２との間に摺動による摩擦が生じ、制動力が発生する。こうして、ディスクブレーキは、車輪または車軸の回転を制動し、動いている車両を減速する。

ブレーキライニング２は、複数の摩擦構造体３と、摩擦構造体３のそれぞれに対応して設けられた裏板４および弾性部材５と、これらの全てを保持する基板６と、を含む。摩擦構造体３のそれぞれは板状である。複数の摩擦構造体３は、基板６の表面上に互いに隙間を隔てて配置される。摩擦構造体３のそれぞれの表面は、ブレーキディスク１の摺動面１ａと対向する。摩擦構造体３は、たとえば、銅焼結材、樹脂系材料、鉄系焼結材などからなる。

図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、摩擦構造体３の表面には、その表面を横断するように溝３ｂが形成されている。摩擦構造体３は、一対の摩擦部３Ｍと、薄肉部３Ｃと、を含む。一対の摩擦部３Ｍは、溝３ｂを挟んで隣接する。薄肉部３Ｃは、一対の摩擦部３Ｍの間に、溝３ｂに対応して設けられる。薄肉部３Ｃの厚さは、摩擦部３Ｍの厚さよりも薄い。摩擦部３Ｍおよび薄肉部３Ｃは、たとえば、同じ材料からなる。摩擦構造体３は、摩擦部３Ｍおよび薄肉部３Ｃのいずれの部分でも、裏板４に固着されている。摩擦構造体３は、裏板４により、補強されている。

平面視において、本実施形態の摩擦構造体３の輪郭形状は、２つの半円と、この２つの半円の端点で共通接線をなす２本の平行線と、で囲まれたオーバルトラック形状である。したがって、摩擦構造体３の側部は直線状である。そのため、摩擦構造体３において、薄肉部３Ｃの長さは、薄肉部３Ｃの領域内でほぼ一定であり、且つ摩擦部３Ｍの最大幅とほぼ同じである。また、摩擦部３Ｍにおいて薄肉部３Ｃに隣接する部分の幅は、ほぼ一定であり、且つ摩擦部３Ｍの最大幅とほぼ同じである。ここで、摩擦部３Ｍの幅とは、一対の摩擦部３Ｍの配列方向に直交する方向の長さを意味する。薄肉部３Ｃの長さとは、摩擦部３Ｍの幅方向に沿う長さ（すなわち、一対の摩擦部３Ｍの配列方向に直交する方向の長さ）を意味する。長さまたは幅が「一定」とは、当該長さまたは幅が一対の摩擦部３Ｍの配列方向の全域にわたり実質的に変化しないことをいう。

摩擦部３Ｍのそれぞれの平面形状は、矩形と、この矩形の一辺の中点を中心とする半円とを組み合わせた形状である。薄肉部３Ｃの平面形状、すなわち溝３ｂの平面形状は、この実施形態では、横長の矩形である。溝３ｂは、摩擦構造体３の側部とほぼ垂直に交わる。

摩擦部３Ｍのそれぞれの平面形状は、図２Ａおよび図２Ｂに示すような上述の形状に限られず、たとえば、多角形でもよい。基板６上に設けられる摩擦構造体３の個数は、特に限定されない。

図２Ａおよび図２Ｃに示すように、各摩擦部３Ｍの中央部には、摩擦部３Ｍを、その厚さ方向に貫通する小孔３ａが形成されている。裏板４には、小孔３ａに対応する位置に貫通孔が形成されている。この小孔３ａおよび貫通孔には、リベット７が挿入されている。このリベット７により、摩擦部３Ｍおよび裏板４は、基板６に取り付けられている。つまり、摩擦構造体３は、その２箇所（摩擦部３Ｍの中央部）で、基板６に支持されている。

各摩擦部３Ｍの裏面側において、裏板４と基板６との間には、弾性部材５が介装されている。弾性部材５は、リベット７の周りに設けられている。これにより、各摩擦部３Ｍは、弾性的に支持された状態になっている。図２Ｃでは、弾性部材５として、皿ばねを例示している。弾性部材５として板ばねやコイルばねを採用してもよい。

図２Ｂを参照して、１つの摩擦構造体３において、摩擦部３Ｍの最大幅をＤとし、一対の摩擦部３Ｍの支持点間距離をＬとした場合、Ｌ／Ｄは１．１以上である。ここで、「支持点」とは、摩擦部３Ｍを基板６上に支持する部材（この実施形態では、リベット７）の摩擦部３Ｍの表面上における中心点をいう。最大幅Ｄは、たとえば４５ｍｍであり、長さＬは、たとえば５０ｍｍである。

摩擦構造体３および裏板４は、外力が加えられたときに、変形可能である。裏板４が摩擦構造体３に固着されていることにより、摩擦構造体３と裏板４とからなるブロック９は、実質的に一体的に変形する。摩擦構造体３において、溝３ｂが形成されていることにより、薄肉部３Ｃは摩擦部３Ｍに比べて薄くなっている。そのため、摩擦構造体３は薄肉部３Ｃで屈曲して変形しやすい。これにより、制動時、ブレーキディスク１に対するブレーキライニング２（摩擦部３Ｍ）の接触面圧を均一化することができる。

図１に示す従来のブレーキライニング３２において、１組の摩擦部材３３は、一体の部材としては形成されていない。これに対し、図２Ａ〜図２Ｃに示す摩擦構造体３は、上述のように、２つの摩擦部３Ｍが、それらの間に位置する薄肉部によって一体に形成されたものである。また、平面視において、従来のブレーキライニング３２では、裏板３４は、長手方向の中間部でくびれを有する。これに対し、図２Ａ〜図２Ｃに示すブレーキライニング２では、裏板４は、そのようなくびれを有していない。さらに、摩擦構造体３もくびれを有していない。つまり、摩擦構造体３の薄肉部３Ｃ付近の部分は、ほぼ一定の幅を有する。

このような構成により、図２Ａ〜図２Ｃに示すブロック９（摩擦構造体３および裏板４）の剛性は、従来のブレーキライニング３２におけるブロック３９の剛性に比べて高い。その結果、制動開始時点の走行速度によらず、ブレーキディスク１とブレーキライニング２との間の摩擦係数を安定化することができる。さらに、ブロック９の剛性が高いことにより、ブレーキ鳴きが低減する。ブロック９の剛性を高くすることによるブレーキ鳴き低減の効果は、Ｌ／Ｄが１．１以上であれば明確に得られる。

ブレーキライニング２の接触面圧を均一化する効果を十分に得るためには、摩擦部３Ｍの厚さに対する溝３ｂの深さの比は、０．０６以上であることが好ましく、０．３３以上であることがより好ましい。ブロック９の剛性を高くしてブレーキ鳴きを低減する効果を十分に得るためには、摩擦部３Ｍの厚さに対する溝３ｂの深さの比は、０．９０以下であることが好ましく、０．８４以下であることがより好ましい。摩擦構造体３が使用により摩耗していない初期の状態において、摩擦部３Ｍの厚さは、たとえば５〜１５ｍｍであり、溝３ｂの深さは、たとえば１〜１２ｍｍである。

ディスクブレーキの使用に伴い、摩擦部３Ｍは摩耗する。摩擦部３Ｍがブレーキディスク１の摺動面１ａに擦りつけられるからである。摩擦部３Ｍが、その表面から所定の深さレベルまで（たとえば、リベット７の上面より１ｍｍ浅いレベルまで）摩耗すると、その摩擦部３Ｍを有する摩擦構造体３は取り替えられる。摩擦部３Ｍが上記所定の深さレベルまで摩耗した時点で、摩擦部３Ｍの厚さに対する溝３ｂの深さの比が上記の要件を満たすことが好ましい。

摩擦構造体３は、２本のリベット７によって基板６に締結されている。そのため、制動中に摩擦構造体３が回転することはない。これにより、摩擦構造体３と基板６との締結部に緩みが生じることを抑制できる。仮に、それらの締結部に緩みが生じた場合であっても、２箇所の締結部が同時に破損しない限り、摩擦構造体３が落失することはない。したがって、ディスクブレーキの十分な耐久性および信頼性を確保することができる。

また、各摩擦部３Ｍは、リベット７の位置を支点にして弾性支持されている。そのため、制動中に各摩擦部３Ｍがブレーキディスク１と接触し可動しても、基板６に対して大きく傾くことはない。したがって、ブレーキディスク１に対する摩擦部３Ｍの接触面は、全域にわたって均一に摩耗する。そのため、摩擦部３Ｍに偏摩耗が発生することはない。

このブレーキライニング２が、ディスクブレーキが備えられた既存の車両に適用される場合、たとえば、摩擦構造体またはブロックを本実施形態の要件を満たすものに交換すれば足り、ブレーキキャリパ等を変更する必要はない。また、このブレーキライニング２では、弾性部材５の支持剛性は、基板６上の位置によって変更する必要はない。したがって、このブレーキライニング２を既存の車両に適用することは容易であり、ブレーキライニング２の製造管理は容易である。

本実施形態による効果を確認するため、表１に示す複数の形態のブロック（裏板および摩擦構造体）をそれぞれ備えたブレーキライニングについて、鳴き指標を評価した。鳴き指標は、ＦＥＭ（有限要素法）による解析結果から求めた。具体的には、まず、ＦＥＭ複素固有値解析により、周波数毎に振動の減衰比を算出した。そのうち、負の値のもの、すなわち不安定なものを、１／３オクターブバンドの周波数幅毎に合計し、その絶対値を求めた。各バンドの値のうち、最大のものを抽出し、これを最大鳴き指標とした。最大鳴き指標の値が小さいほど、ブレーキ鳴きの音は小さい。

本発明例および比較例のいずれについても、摩擦構造体は一体とした。摩擦構造体のうちで「くびれなし」としたものは、上記したように、平面視において、直線的な側部を有し、くびれを有さないものであった。摩擦構造体のうちで「くびれあり」としたものは、図１に示す裏板３４の形状のように、幅が長手方向の中間部で最も小さくなるようにくびれたものであり、これ以外は、「くびれなし」とした摩擦構造体と、同じ形状および大きさを有するものであった。

比較例２を除くいずれの裏板も、平面視において、摩擦構造体と輪郭が重なるものとした。裏板のうちで「くびれなし」としたものは、平面視において、「くびれなし」とした摩擦構造体と同じ形状および大きさを有するものであった。裏板のうちで「くびれあり」としたものは、平面視において、「くびれあり」とした摩擦構造体と同じ形状および大きさを有するものであった。比較例２の裏板は、平面視において、くびれ部を除き、摩擦構造体と輪郭が重なるものとした。

いずれの摩擦構造体の溝も、図２Ｂに示すように、平面視において矩形であり、摩擦部材の両側部に垂直に形成されたものとした。

図３に、本発明例（Ｌ／Ｄが１．１１のもの）、ならびに比較例１および２の最大鳴き指標を示す。ただし、図３では、最大鳴き指標として、比較例１の最大鳴き指標の値を基準の１としたときの比を示している。

比較例２の最大鳴き指標は、比較例１の最大鳴き指標に比べて低減された。これは、裏板のくびれをなくすことにより、最大鳴き指標が低減されたことを示している。本発明例の最大鳴き指標は、比較例２の最大鳴き指標に比べて低減された。これは、摩擦構造体のくびれをなくすことにより、最大鳴き指標が低減されたことを示している。

以上の結果は、Ｌ／Ｄが１．１１（１．１以上）である場合に、裏板および摩擦構造体からなるブロック全体の剛性を高くすることにより、最大鳴き指標が低減されることを示している。

図４に、比較例３および４（Ｌ／Ｄが１．０６のもの）の最大鳴き指標を示す。ただし、図４では、最大鳴き指標として、比較例３の最大鳴き指標の値を基準の１としたときの比を示している。図４に示すように、比較例４の最大鳴き指標は、比較例３の最大鳴き指標より大きかった。これは、裏板および摩擦構造体のくびれをなくしても、最大鳴き指標は低減されず、むしろ、大きくなることを示している。この結果は、Ｌ／Ｄが１．０６（１．１未満）である場合に、裏板および摩擦構造体からなるブロック全体の剛性を高くしても、最大鳴き指標が低減されないことを示している。

以上、本発明の実施の形態を説明した。しかしながら、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。したがって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変更して実施することができる。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニング、およびそれを備えたディスクブレーキは、あらゆる鉄道車両に有効に利用することができる。特に、そのブレーキライニングおよびディスクブレーキは、走行速度が低速から高速までの広範となる高速鉄道車両に有用である。

１ ブレーキディスク
１ａ 摺動面
２ ブレーキライニング
３ 摩擦構造体
３ｂ 溝
３Ｃ 薄肉部
３Ｍ 摩擦部
４ 裏板
５ 弾性部材
６ 基板
７ リベット

Claims (3)

1. 鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクの摺動面に押し付けられるブレーキライニングであって、
   表面が前記ブレーキディスクの前記摺動面と対向する複数の摩擦構造体と、
   前記摩擦構造体のそれぞれの裏面に固着された裏板と、
   前記摩擦構造体を支持する基板と、
   前記摩擦構造体の裏面側で、前記基板と前記裏板のそれぞれとの間に介装された弾性部材と、を備え、
   前記摩擦構造体のそれぞれは、前記表面に形成された溝を挟んで隣接する一対の摩擦部と、前記溝に対応して設けられ、前記摩擦部よりも厚さが薄い薄肉部と、を含み、
   前記摩擦構造体のそれぞれは、二箇所で前記基板に支持されており、前記摩擦構造体の支持点は、前記一対の摩擦部の各々にあり、
   平面視において、前記裏板の輪郭は、当該裏板に固着された前記摩擦構造体の輪郭と重なり、
   前記摩擦部の幅方向に関する前記薄肉部の長さは、一定であり、且つ前記摩擦部の最大幅と同じであり、前記薄肉部の前記長さをＤとし、前記一対の摩擦部の支持点間距離をＬとしたとき、Ｌ／Ｄが１．１以上である、鉄道車両用ブレーキライニング。
2. 請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキライニングであって、
   前記薄肉部の平面形状が矩形である、鉄道車両用ブレーキライニング。
3. 鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクと、
   前記ブレーキディスクの摺動面に押し付けられる、請求項１または２に記載のブレーキライニングと、を備えた、ディスクブレーキ。

Images