JP7361396B2 - 鉄道車両用制輪子 - Google Patents

Description

特許法第３０条第２項適用 （１）東日本の鉄道会社Ａ社向け：「鉄道車両用制輪子」製品の正面写真 （２）西日本の鉄道会社Ｂ社向け：「鉄道車両用制輪子」製品の正面写真 （３）西日本の鉄道会社Ｃ社向け：「鉄道車両用制輪子」製品の正面写真

本発明は鉄道車両用制輪子に関する。とくに排水性や排雪性の高い鉄道車両用制輪子に関する。

従来から、鉄道車両用摩擦ブレーキの機構には、踏面方式とディスク方式があり、在来線には踏面方式が多く採用されている。前記踏面方式は、鉄道車輪の車輪踏面に制輪子の摩擦面を押付けることで、ブレーキ力を発生させるものである。前記制輪子には、鋳鉄制輪子や焼結制輪子等の金属素材からなる摺動材で構成されるものがあるが、鋳鉄制輪子では制輪子寿命が短く取り換え頻度が多いことや、焼結制輪子では高価になる等、デメリットが存する事等があることから、比較的長寿命で安価な材質である合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した摩擦体を有する合成制輪子が用いられている。
特許文献１には、金属ブロック挿入型合成制輪子が記載されている。特許文献２～３には中央の幅方向に溝部を有する制輪子が提案されている。本出願人は特許文献４～５において、両端部を車両の進行方向又は逆行方向と直交する面と傾斜面を有する制輪子を提案している。

特開２０００－２３０５８９号公報 特許第２８３５１５１号公報 特許第３１８５１３９号公報 特許第６２１４５１７号公報 特開２０１８－２０４６２６号公報

しかし、従来の特許文献１～３の鉄道車両用制輪子は、幅方向（車両の進行方向と直交する方向）は面一であり、水、雪、グリス等の付着物は制輪子と車両踏面との間に入りやすいという問題があった。水、雪、グリス等の付着物は制輪子と車両踏面との間に入ってしまうと、ブレーキ性能は低下する。また、制輪子の前面を傾斜面にすることも考えられるが、前面全部を傾斜面にすると先端部分の強度は低下し、耐久性の問題が発生する。また、特許文献４～５の制輪子は、排水、排雪の効果は高いものの、さらに高い排水、排雪性能が求められている。

本発明は前記従来の問題を解決するため、水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、耐久性も高い鉄道車両用制輪子を提供する。

本発明の鉄道車両用制輪子は、鉄道車両の車輪踏面に摺接して車輪にブレーキをかけるための制輪子であって、前記制輪子の中央部の幅方向には溝部が形成され、前記溝部は幅方向に沿った対立面と、前記車輪の非フランジ側に開く傾斜面を備え、前記制輪子の両端部は傾斜面で形成され、前記傾斜面は前記車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ背面側が高く車輪摺接面面側が低い傾斜であり、前記傾斜面の前記フランジ側の角部は円弧状に形成されていることを特徴とする。

本発明の鉄道車両用制輪子は、中央部の幅方向には溝部が形成され、溝部は幅方向に沿った対立面と、車輪の非フランジ側に開く傾斜面を備え、両端部は傾斜面で形成され、前記傾斜面は車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ背面側が高く車輪摺接面側が低い傾斜であり、前記傾斜面の前記フランジ側の角部は円弧状に形成されていることにより、水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、耐久性も高い鉄道車両用制輪子を提供できる。すなわち、制輪子の両端部は車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ車輪摺接面側に向いた一方向傾斜面となっているため、この傾斜面に当たる水、雪、グリス等の付着物は傾斜面に沿って排除しやすい。また、排除した前記付着物が再度制輪子に当たっても、溝部の傾斜面により排除しやすい。さらに、前記傾斜面の車輪のフランジ側の角部は円弧状に形成されていることにより、ブレーキ時の衝撃によっても破損しにくい。この結果、車輪と制輪子との摩擦係数を高く維持でき、雨天や降雪時のブレーキ性能の低下を防止できる。

図１は本発明の一実施形態における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。 図２は同制輪子の側面の非フランジ面側から見た側面図である。 図３は同制輪子の車輪摺接面から見た平面図である。 図４は同制輪子の雨天時における水の排除方向を示す説明図である。 図５は同降雪時の雪が排除される状態を示す説明図である。 図６は本発明の別の実施形態における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。 図７は本発明のさらに別の実施形態における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。

本発明の制輪子は、鉄道車両の車輪踏面に摺接して車輪にブレーキをかけるための制輪子である。この制輪子の材料には特に限定はなく、任意のものを使用できる。例えば、フェノール樹脂などの合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した摩擦体を有する合成制輪子が好ましい。さらに金属ブロックやセラミックスブロックを挿入させたハイブリッド型制輪子であっても良い。

本発明の制輪子の両端部は傾斜面で形成されている。この傾斜面は一方向傾斜面であり、車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ背面側が高く車輪摺接面側が低い傾斜である。これにより、水、雪、グリス等の付着物は排除しやすく、制輪子と車両踏面との間に入りにくく、強度も確保できる。さらに、傾斜面の前記フランジ側の角(かど)部は円弧状に形成されている。これにより、ブレーキ時の衝撃によっても破損しにくい構造となる。

前記傾斜面から排除された水等は制輪子の非フランジ側の側面を伝わって溝内に入ることもあるので、溝部の両面も直交面と非フランジ側に傾斜面を形成している。これにより、排除した水、雪、グリス等の付着物が再度制輪子に当たっても、溝部の傾斜面により排除しやすい。

制輪子の中央部の幅方向に溝部が形成されている。溝部があると応力集中を防ぐことができ、たわみを持たせて破損を防止できる。

溝部は、車輪摺接面側から見た対立面の長さＬ１が車輪の非フランジ側に開く傾斜面の長さＬ２に比べて長くすることが好ましい。より好ましくは、Ｌ１はＬ２の１．５倍以上であり、さらに好ましくは、Ｌ１はＬ２の２倍以上である。これにより、車輪摺接面の面積を広くすることができ、ブレーキ効率を高く保てる。

制輪子は台金（背面板）に保持されており、台金及び台金に接する一部の制輪子は矩形とするのが好ましい。台金に接する一部の制輪子の厚さ(傾斜面の背面に残す制輪子の好ましい厚さ)は１５～３０ｍｍが好ましい。

制輪子の両端部の傾斜面は、制輪子を保持する台金（背面板）を含めて同一の傾斜面とすることもできる。

制輪子の車輪摺接面の各辺は円弧状、すなわち丸みを付けて形成してもよい。これにより、ブレーキ時の衝撃によっても破損しにくい構造となる。

制輪子の車輪摺接面は、溝部の中心線を中心とする対称の関係にあることが好ましい。鉄道車両は双方向に走行するので、対称であればどちらの方向に走行しても同様な作用効果が得られる。

制輪子本体の少なくとも両端部には、撥水・撥油塗料がコーティングされていてもよい。制輪子本体の側部、両端部及び溝部の両側部には撥水・撥油塗料がコーティングされていてもよい。これにより、さらに塵埃は溜まりにくく、溜まっても除去が容易となる。撥水・撥油塗料としては、例えば市販のフッ素系塗料を使用できる。

以下図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一部品又は同一物を示す。図１は本発明の一実施例における制輪子１０の車輪摺接面２ａ，２ｂから見た斜視図である。制輪子１０は制輪子本体１と台金８と取付板９で構成されている。制輪子本体１は、両端は傾斜面３ａ，３ｂで形成されており、車輪のフランジ側の角部は円弧状に形成されている。４ａ，４ｂは円弧状角部である。円弧状角部４ａ，４ｂの半径（Ｒ）は５～３０ｍｍが好ましく、さらに好ましくは１０～２５ｍｍである。この例では１５ｍｍとした。
溝部５には対立面６ａ，６ｂと、傾斜面７ａ，７ｂがある。対立面６ａ，６ｂ車輪摺接面２ａ，２ｂに向かって開いているのが好ましい。
車両進行方向を左向きとした場合の運転時を例にとると、水、雪、グリス等の物質は、まず傾斜面３ａで受け、次いで非フランジ側（上側）に排除され、そのまま脱落してしまうものもあるが、一部は制輪子１０の非フランジ側側面を伝わって溝部５に入るので、これは傾斜面７ｂから排除される。逆行方向の場合は逆の傾斜面が同じ作用を発揮する。制輪子１０の全体の大きさは、直線長さで３００～３７０ｍｍが好ましく、より好ましくは３１０～３６０ｍｍであり、幅は７０～９０ ｍｍが好ましく、より好ましくは７５～８５ｍｍである。制輪子本体１の厚さは４５～６５ｍｍが好ましく、より好ましくは５０～６０ｍｍである。

図２は同制輪子１０の側面の非フランジ面側から見た側面図、図３は同制輪子１０の車輪摺接面から見た平面図である。図３から明らかなとおり、車輪摺接面２ａ，２ｂは変形した５角形状をしている。溝部の車輪摺接面側から見た対立面の長さＬ１は、車輪の非フランジ側に開く傾斜面の長さＬ２に比べて長い。Ｌ１は３０～５０ｍｍが好ましく、Ｌ２はＬＩより短い。この例においては、Ｌ１はＬ２に比べて約２倍である。これにより、車輪摺接面の面積を広くすることができ、ブレーキ効率を高く保てる。また、溝部５の対立面の好ましい幅は１８～３０ｍｍである。図２の１１ａ，１１ｂは受金である。図３の１４は中央線である。

ここで傾斜面の傾斜角について説明する。図１に示す傾斜角（θ１）は、制輪子本体１の背面側が高く車輪摺接面側が低い傾斜角のことである。台金８からの垂線を、制輪子本体１の傾斜面３ａと車輪摺接面２ａとの接点まで引き、この線と、傾斜面３ａと車輪の非フランジ側面が接する線との傾斜角（θ１）は５～４５°が好ましく、さらに好ましくは１５～３５°である。この例では３２．５°とした。
次に、図３に示す傾斜角（θ２）は、車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ背面側が高く車輪摺接面側が低い傾斜角のことである。制輪子本体１の左側端部の線と、傾斜面３ａの線との傾斜角（θ２）は５～３５°が好ましく、さらに好ましくは１５～ ２５°である。この例では１９°とした。
溝部５の傾斜面７ａ，７ｂの傾斜角（θ３）は４５～８８°が好まし、さらに好ましくは４８～８５°である。この例では８２．６°とした。

図４は同制輪子の雨天時における水の排除方向を示す説明図である。まず、水１２ａは傾斜面３ａにあたり、そのまま外側に排除され（水１２ｂ）、非フランジ側側面を伝わって流れて溝部５に入り（水１２ｃ）、傾斜面７ｂから排除され（水１２ｄ）、再度非フランジ側側面を伝わって流れ落ちる（水１２ｅ）。

図５は同制輪子の降雪時の雪１５が排除される状態を示す説明図である。降雪時に雪１５が付着しても、水と同様に傾斜面３ａから排除する。雪と水が混ざったシャーベット状の雪も同様に排除できる。これはグリスでも同様である。通常の鉄道車両はグリス等を車輪に供給しながら運転走行している。これはレールと車輪の異音や摩擦量を減少するためである。したがって、車輪踏面にはグリス等が付着しやすい。本実施例の制輪子は、グリス等が車輪踏面に付着しても図４～５に示すように傾斜面３ａから排除する。１３ａは車輪の踏面、１３ｂは車輪のフランジである。

図６は本発明の別の実施形態における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。この例においては、台金８の角部を丸め部１６ａ，１６ｂに形成している。
図７は本発明のさらに別の実施例における制輪子の車輪摺接面から見た斜視図である。この例においては、台金８と制輪子本体１の背面側を背面カット部１７ａ，１７ｂに形成している。

以下実施例を用いて本発明を説明する。本発明は以下の実施例に限定して解釈されるものではない。

（実施例１）
図１～３に示す制輪子を製作した。全体の大きさは、側面から見た直線長さ３２０ｍｍ，幅７９ｍｍ、制輪子本体の厚さ６０ｍｍである。材料は従来品と同じフェノール樹脂などの合成樹脂を結合材とし、これに炭素粉、鉄粉等の摩擦調整材を混合して成形した。

（比較例１）
現在使われている一般的形状の合成制輪子(図１～３における傾斜部はなく直交面のみのもの、車輪摺接面の溝部の間隔は４５ｍｍ)を使用し、それ以外は実施例１と同様に実験した。

評価１：摩耗量と寿命
在来線の鉄道車両、慣性モーメントＩ＝1200kg・ｍ^２、等価慣性質量約５１．７ｔｏｎ相当で通常運転し、摩耗量と寿命を測定した。その結果、実施例１及び比較例１の制輪子の摩耗量は平均約３．３ｍｍ、寿命約９．３か月であり、差異は認められなかった。このことから、実施例１の制輪子は、基本的問題はないことが確認できた。

評価２：乾燥条件定速試験、散水条件定速試験、降雪模擬散水試験を行った。各試験条件は表１～２に示す。

以上の条件における乾燥試験の結果を表３に、散水試験の結果を表４に、降雪模擬散水試験の結果を表５に示す。各データは平均値を示す。

表３～５から明らかなとおり、実施例１の制輪子と現行品の比較例１とを比較すると、次のことが分かった。
（１）乾燥条件では現行品と同等の摩擦性能であった。
（２）散水試験(２００ml/min)では、実施例１の制輪子は現行品に比べてやや高い摩擦性能であった。
（３）降雪試験（２００ml/min）では、実施例１の制輪子は現行品に比べて排水効果が顕著であった。
（４）降雪試験(500 ml/min、1000ml/min)では、実施例１の制輪子は現行品に比べてやや高い摩擦性能であった。

次に、実施例１の制輪子と、特許文献４に記載の制輪子とを、屋外の自然状態の降雪時の状態で目視観察により評価した。その結果、実施例１の制輪子にはほとんど雪は付着しなかった。これに対して、特許文献４に記載の制輪子は、端部の平坦部分に雪の付着が若干認められ、実施例１の制輪子には優位性があった。

本発明の鉄道車両用制輪子は、雨水及び降雪に強いことから、高速鉄道や通常の鉄道車両に好適なほか、地上を走行することが予定されている地下鉄車両や路面電車車両などにも好適である。

１ 制輪子本体
２ａ，２ｂ 車輪摺接面
３ａ，３ｂ，７ａ，７ｂ 傾斜面
４ａ，４ｂ 傾斜面の角部
５ 溝部
８ 台金
９ 取付板
１０ 制輪子
１１ａ，１１ｂ 受金
１２ａ～１２ｅ 水の流れ方向
１３ａ 車輪の踏面
１３ｂ 車輪のフランジ
１４ 中央線
１５ 雪
１６ａ，１６ｂ 丸め部
１７ａ，１７ｂ 背面カット部

Claims (6)

1. 鉄道車両の車輪踏面に摺接して車輪にブレーキをかけるための制輪子であって、
   前記制輪子の中央部の幅方向には溝部が形成され、前記溝部は幅方向に沿った対立面と、前記車輪の非フランジ側に開く傾斜面を備え、
   前記制輪子の両端部は傾斜面で形成され、前記傾斜面は前記車輪のフランジ側が長く非フランジ側が短かく、かつ背面側が高く車輪摺接面側が低い傾斜であり、
   前記傾斜面の前記フランジ側の角部は円弧状に形成されていることを特徴とする鉄道車両用制輪子。
2. 前記溝部は、車輪摺接面側から見た対立面の長さＬ１が前記車輪の非フランジ側に開く傾斜面の長さＬ２に比べて長い請求項１に記載の鉄道車両用制輪子。
3. 前記制輪子は台金に保持されており、前記台金及び前記台金に接する一部の制輪子は矩形である請求項１又は２に記載の鉄道車両用制輪子。
4. 前記両端部の傾斜面は、前記制輪子を保持する台金を含めて形成されている請求項１又は２に記載の鉄道車両用制輪子。
5. 前記制輪子の車輪摺接面の各辺は円弧状に形成されている請求項１～４のいずれか１項に記載の鉄道車両用制輪子。
6. 前記車輪摺接面は、前記溝部の中心線を中心とする対称の関係にある請求項１～５のいずれか１項に記載の鉄道車両用制輪子。