KR101526784B1 - 철도 차량용 브레이크 라이닝 및 그것을 구비한 디스크 브레이크 - Google Patents

Abstract

철도 차량용 디스크 브레이크는, 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크와, 이 브레이크 디스크의 슬라이딩면에, 브레이크 캘리퍼에 의해서 눌려지는 브레이크 라이닝을 구비하고, 브레이크 라이닝은, 각각의 표면이 브레이크 디스크의 슬라이딩면과 대향하고, 각각이 서로 간극을 두고 배열된 복수개의 마찰 부재와, 각 마찰 부재의 이면에 고착된 백 메탈과, 각 마찰 부재를 이면측으로부터 스프링 부재를 통해 지지하고, 브레이크 캘리퍼에 부착되는 기판으로 이루어지고, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 백 메탈이 일체이다. 이러한 구성의 디스크 브레이크는, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압의 균일화와, 그들 사이의 마찰 계수의 안정화를 양립시킴과 더불어, 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

철도 차량용 브레이크 라이닝 및 그것을 구비한 디스크 브레이크{BRAKE LINING FOR RAILWAY VEHICLES AND DISC BRAKES EQUIPPED WITH SAME}

본 발명은, 철도 차량의 제동 장치로서 이용되는 디스크 브레이크에 관한 것이며, 특히, 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크의 슬라이딩면에 눌려지는 철도 차량용 브레이크 라이닝, 및 그것을 구비한 철도 차량용 디스크 브레이크에 관한 것이다.

근년, 철도 차량이나 자동차나 자동 이륜차 등의 육상 운송 차량의 제동 장치로는, 차량의 고속화나 대형화에 따라, 디스크 브레이크가 다용되고 있다. 디스크 브레이크는, 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝의 슬라이딩에 의한 마찰에 의해 제동력을 얻는 장치이다.

철도 차량용 디스크 브레이크의 경우, 도너츠형 원반형상의 브레이크 디스크를 차륜 또는 차축에 설치하여 고정하고, 이 브레이크 디스크의 슬라이딩면에, 브레이크 캘리퍼에 의해서 브레이크 라이닝을 누름으로써 제동력을 발생시킨다. 이에 의해, 차륜 또는 차축의 회전을 제동하여, 차량의 속도를 제어한다.

그 때, 차량의 감속 속도는 디스크 브레이크의 제동력에 의존하며, 그 제동력은 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝 사이의 마찰 계수에 크게 의존한다. 실제 주행에서는, 제동중의 차량의 감속 속도를 적확하게 제어할 수 있는 것이 바람직하며, 그러기 위해서는, 제동 개시 시점의 주행 속도가 상이해도, 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝 사이의 마찰 계수가 일정하게 안정되어 있는 것이 좋다.

또, 제동중, 서로 접촉하는 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 슬라이딩면은, 마찰열에 의해 온도가 상승한다. 이 온도 상승은, 브레이크 부하가 커지는 조건, 구체적으로는, 차량의 주행 속도가 고속인 조건이나 차량 중량이 큰 조건일 때에 현저해지는 경향이 있다. 실제 주행에서는, 디스크 브레이크의 열적인 손상을 방지하여, 내구성을 향상시키는 것이 바람직하며, 그러기 위해서는, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉을 가능한 한 균일화하여, 발생하는 마찰열을 저감할 필요가 있다.

도 1은, 종래의 일반적인 철도 차량용 디스크 브레이크를 나타내는 도면이며, 도 1(a)는 브레이크 라이닝의 평면도를, 도 1(b)는 도 1(a)의 A-A단면의 확대도를 각각 나타내고 있다. 도 1(a)에서는, 브레이크 라이닝을 표면측이 되는 브레이크 디스크측으로부터 본 상태를 나타내고 있다.

도 1에 나타낸 종래의 일반적인 브레이크 라이닝(이하, 「종래형 브레이크 라이닝」이라 함)(102)은, 복수장의 폭넓은 판상의 마찰 부재(103)와, 이들 각 마찰 부재(103)의 이면에 고착된 백 메탈(裏金)(104)과, 각 마찰 부재(103)를 이면측으로부터 백 메탈(104)과 함께 유지하는 기판(106)으로 구성된다. 각 마찰 부재(103)는, 백 메탈(104)과 함께, 도시하지 않은 리벳에 의해서 기판(106)에 강고하게 부착되어 있다. 이러한 구성의 종래형 브레이크 라이닝(102)은, 도시하지 않은 브레이크 캘리퍼에 기판(106)이 부착되고, 각 마찰 부재(103)의 표면이 브레이크 디스크(101)의 슬라이딩면(101a)과 대향한 상태가 된다.

브레이크 캘리퍼는, 제동시에 유압이나 공기 압력 등을 구동원으로 하여 작동하고, 브레이크 라이닝(102)을 브레이크 디스크(101)에 누른다. 이 때, 브레이크 캘리퍼로부터 브레이크 라이닝(102)에 부하되는 누름력은, 양자의 부착부의 구조상, 브레이크 라이닝(102)의 전역에 균등하게 작용하는 것은 아니라, 어떤 특정 부분에 집중하여 작용한다.

이 때문에, 종래형 브레이크 라이닝(102)을 이용한 디스크 브레이크의 경우, 마찰 부재(103)가 어느 정도 넓은 판상이며, 기판(106)에 강고하게 고정되어 있다는 점에서, 제동중에, 브레이크 디스크(101)와 브레이크 라이닝(102)의 접촉면압은 국소적으로 높아진다. 그 결과, 제동중의 마찰에 의한 온도 상승이 국소적으로 과대해져, 이 온도 상승이 과대한 부분에서 브레이크 라이닝(102)(마찰 부재(103))과 브레이크 디스크(101)의 마모량이 증대하거나, 브레이크 디스크(101)에 균열이 발생한다. 이 열적인 손상으로 인해, 디스크 브레이크의 내구성이 손상된다.

이러한 문제에 대해, 근년, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압을 균일화하는 것을 목적으로 하여, 구조를 개량한 브레이크 라이닝이 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1~3에는, 종래형 브레이크 라이닝의 마찰 부재를 소사이즈로 분할하고, 그 분할한 복수개의 각 마찰 부재를 서로 간극을 두고 배열한 브레이크 라이닝이 기재되어 있다.

상기 특허 문헌 1에 기재되는 브레이크 라이닝에서는, 각 마찰 부재의 이면에 각각 개별적으로 백 메탈이 고착되어 있다. 각 마찰 부재는, 백 메탈과 함께, 이면측으로부터 개개로 스프링 부재를 통해 리벳에 의해서 기판에 부착되고, 개개로 탄성적으로 지지되고 있다.

상기 특허 문헌 2에 기재되는 브레이크 라이닝에서는, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 이면에 그 양자에 걸쳐서 일체의 탄성편이 고정되어 있다. 각 탄성편은, 상기 탄성편에 고정된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분이 2개의 리벳에 의해서 기판에 강고하게 부착되고, 이에 의해, 각 마찰 부재는, 개개로 상기 마찰 부재끼리의 사이의 2개소의 리벳 위치를 지지점으로 하여 탄성적으로 지지되어 있다.

상기 특허 문헌 3에 기재되는 브레이크 라이닝에서는, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 이면에 그 양자에 걸쳐서 일체의 금속박층이 고착되어 있다. 각 금속박층은, 상기 금속박층에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분이, 탄성 요소를 통해 2개의 리벳에 의해서 기판에 부착되고, 이에 의해, 각 마찰 부재는, 개개로 상기 마찰 부재끼리의 사이의 2개소의 리벳 위치를 지지점으로 하여 탄성적으로 지지되어 있다.

상기 특허 문헌 1~3에 기재되는 브레이크 라이닝은, 모두, 마찰 부재가 기판에 탄성적으로 지지되어 있다는 점에서, 제동중에 브레이크 디스크와의 접촉면압의 균일화를 기대할 수 있다.

그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재되는 브레이크 라이닝에서는, 마찰 부재가 개개로 독립하여 가동하는 구조이기 때문에, 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝 사이의 마찰 계수가, 제동 개시 시점의 주행 속도에 따라서 변동하는 경우가 있다. 이러한 마찰 계수의 변동은, 상기 특허 문헌 2, 3에 기재되는 브레이크 라이닝에서도 발생한다. 각 마찰 부재가 1세트의 마찰 부재끼리의 사이를 지지점으로 하여, 탄성편 또는 금속박층을 통해 탄성 지지되어 있기 때문에, 마찰 부재가 개개로 독립하여 가동하는 구조임에는 변함이 없기 때문이다.

마찰 계수가 제동 개시 시점의 주행 속도에 따라 변동해 버리면, 제동중의 차량의 감속 속도를 적확하게 제어하는 것이 곤란해져, 필요한 브레이크 성능을 확보할 수 없다. 특히, 신칸센 등의 고속 철도 차량의 경우, 주행 속도가 저속부터 고속까지 광범위해지므로, 마찰 계수의 변동이 문제시된다.

또, 상기 특허 문헌 1에 기재되는 브레이크 라이닝의 경우, 각 마찰 부재는, 1개의 리벳으로 기판에 체결되어 있기 때문에, 제동중에 그 자리에서 회전해 버린다. 반복의 제동에 수반하여, 그러한 마찰 부재의 회전이 반복되면, 마찰 부재와 기판의 체결부에 느슨함이 발생하여 최종적으로 마찰 부재가 탈락하여 소실된다. 이 때문에, 충분한 내구성과 신뢰성을 확보할 수 없다.

일본국 특허 공개 2008-151188호 공보 국제 공개 WO2002/073059호 팜플렛 일본국 특허 공개 2006-194429호 공보

본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압의 균일화와, 그들 사이의 마찰 계수의 안정화를 양립시킴과 더불어, 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 철도 차량용 브레이크 라이닝 및 디스크 브레이크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해서, 다양한 시험 및 해석을 실시하고 예의 검토를 거듭한 결과, 하기의 (a)~(c)의 지견을 얻었다.

(a) 상술한 바와 같이, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압의 균일화를 도모하려면, 복수개의 소사이즈의 마찰 부재를 개개로 탄성적으로 지지하고, 각 마찰 부재가 개개로 가동하는 구조로 할 필요가 있다. 단, 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝 사이의 마찰 계수의 안정화를 도모하려면, 개개의 마찰 부재의 움직임을 어느 정도 구속한 구조로 할 필요가 있다.

(b) 상기 (a)에 나타낸 접촉면압의 균일화와 마찰 계수의 안정화는, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 이면에 그 양자에 걸쳐서 일체의 백 메탈을 고착시키고, 각 마찰 부재를 이면측으로부터 개개로 스프링 부재를 통해 리벳에 의해서 기판에 부착하는 구조로 함으로써, 양립될 수 있다. 각 마찰 부재를 개개로 스프링 부재를 통해 리벳에 의해서 기판에 부착함으로써, 각 마찰 부재가 개개로 가동하게 되기 때문이다. 또, 1세트의 마찰 부재의 이면에 일체의 백 메탈을 고착시킴으로써, 1세트의 마찰 부재가 백 메탈로 연결되어, 그 움직임이 필요 최소한 구속되도록 되기 때문이다.

(c) 게다가, 상기 (b)에 나타낸 구조로 하면, 각 마찰 부재는 기판에 대해 실질적으로 2개의 리벳으로 체결되게 되므로, 제동중에 그 자리에서 회전하지 않고, 마찰 부재와 기판의 체결부에 느슨함이 발생하는 것을 방지할 수 있어, 가령, 1개소의 체결부가 파손된 경우라도, 마찰 부재가 그 자리에서 탈락하여 소실되지 않는다.

본 발명은, 상기 (a)~(c)에 나타낸 지견에 의거하여 완성시킨 것이며, 그 요지는, 하기 (I)에 나타낸 철도 차량용 브레이크 라이닝, 및 하기 (II)에 나타내는 철도 차량용 디스크 브레이크에 있다.

(I) 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크의 슬라이딩면에, 브레이크 캘리퍼에 의해서 눌려지는 브레이크 라이닝으로서,

각각의 표면이 브레이크 디스크의 슬라이딩면과 대향하고, 각각이 서로 간극을 두고 배열된 복수개의 마찰 부재와,

각 마찰 부재의 이면에 고착된 백 메탈과,

각 마찰 부재를 그 중심부에 있어서 이면측으로부터 스프링 부재를 통해 지지하고, 브레이크 캘리퍼에 부착되는 기판으로 이루어지고,

서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 백 메탈이 일체인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝이다.

상기 (I)의 브레이크 라이닝에 있어서, 상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분이 잘록하게 되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 백 메탈의 잘록부의 최소폭이, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재의 최대폭의 1/3~2/3인 것이 바람직하다.

또, 상기 (I)의 브레이크 라이닝에 있어서, 상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분의 최소 길이가 2~7mm인 것이 바람직하다.

(II) 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크와,

상기 어느 하나의 브레이크 라이닝이 부착된 브레이크 캘리퍼를 구비한 것을 특징으로 하는 철도 차량용 디스크 브레이크이다.

본 발명의 철도 차량용 브레이크 라이닝 및 디스크 브레이크에 의하면, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 이면에 그 양자에 걸쳐서 일체의 백 메탈을 고착시키고, 각 마찰 부재를 이면측으로부터 개개로 스프링 부재를 통해 리벳에 의해서 기판에 부착하는 구조로 함으로써, 제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압의 균일화와, 그들 사이의 마찰 계수의 안정화를 양립시킴과 더불어, 내구성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 종래의 일반적인 철도 차량용 디스크 브레이크를 나타내는 도면이며, 도 1(a)는 브레이크 라이닝의 평면도를, 도 1(b)는 도 1(a)의 A-A단면의 확대도를 각각 나타내고 있다.
도 2는, 본 발명의 철도 차량용 디스크 브레이크의 일례를 나타내는 도면이며, 도 2(a)는 브레이크 라이닝의 평면도를, 도 2(b)는 1세트의 마찰 부재의 확대 평면도를, 도 2(c)는 도 2(a)의 B-B단면의 확대도를 각각 나타내고 있다.

이하에, 본 발명의 철도 차량용 브레이크 라이닝 및 디스크 브레이크에 대해서, 그 실시형태를 상술한다.

도 2는, 본 발명의 철도 차량용 디스크 브레이크의 일례를 나타내는 도면이며, 도 2(a)는 브레이크 라이닝의 평면도를, 도 2(b)는 1세트의 마찰 부재의 확대 평면도를, 도 2(c)는 도 2(a)의 B-B단면의 확대도를 각각 나타내고 있다. 도 2(a), (b)에서는, 각각 브레이크 라이닝, 1세트의 마찰 부재를, 표면측이 되는 브레이크 디스크측으로부터 본 상태를 나타내고 있다.

본 발명의 디스크 브레이크는, 도 2(c)에 나타낸 바와 같이, 브레이크 디스크(1)와, 브레이크 라이닝(2)과, 이 브레이크 라이닝(2)이 부착된 도시하지 않은 브레이크 캘리퍼를 구비한다. 브레이크 디스크(1)는 도너츠형 원반형상이며, 도시하지 않은 차륜 또는 차축에 볼트 등에 의해서 부착되어, 강고하게 고정되어 있다. 브레이크 캘리퍼는, 제동시에 작동하며, 브레이크 라이닝(2)을 브레이크 디스크(1)의 슬라이딩면(1a)에 누른다. 이에 의해, 브레이크 디스크(1)와 브레이크 라이닝(2) 사이에 슬라이딩에 의한 마찰이 생겨 제동력이 발생한다. 이렇게 하여, 디스크 브레이크는, 차륜 또는 차축의 회전을 제동하여, 차량의 속도를 제어한다.

도 2에 나타낸 본 발명의 브레이크 라이닝(2)은, 복수개의 마찰 부재(3)와, 백 메탈(4)과, 스프링 부재(5)와, 이들 전체를 유지하는 기판(6)으로 구성된다. 마찰 부재(3)는, 각각의 표면이 브레이크 디스크(1)의 슬라이딩면(1a)과 대향하고, 각각이 서로 간극을 두고 배열된다. 예를 들면, 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 마찰 부재(3)는, 브레이크 디스크(1)의 반경 방향으로 2개, 브레이크 디스크(1)의 둘레 방향으로 7개의 합계 14개를 배열한 양태를 채용할 수 있다. 이 마찰 부재(3)의 배열이나 개수는 특별히 한정은 없다.

마찰 부재(3)는, 동소결재나 수지계 재료 등으로 이루어지며, 상기 도면 1에 나타낸 종래형 브레이크 라이닝(102)에 있어서의 폭넓은 판상의 마찰 부재(103)를 소사이즈로 분할한 소괴형상이다. 마찰 부재(3)는, 도 2(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 평면 형상이 원형이며, 그 중심부에 소구멍(3a)을 갖는다. 이 작은 구멍(3a)에는, 마찰 부재(3)를 기판(6)에 부착할 때에 리벳(7)이 삽입된다. 마찰 부재(3)의 평면 형상은, 원형에 한정되지 않고, 사각형이나 육각형 등의 다각형이어도 상관없다.

각 마찰 부재(3)의 이면에는, 그 강도나 강성을 유지하기 위해서, 강등의 얇은 금속판으로 이루어지는 백 메탈(4)이 고착되어 있다. 백 메탈(4)은, 서로 인접하는 2개의 마찰 부재(3)를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재(3)의 양자에 걸쳐서 일체인 것이다. 이에 의해, 1세트의 마찰 부재(3)는, 백 메탈(4)로 연결된 상태로 되어 있다. 백 메탈(4)로 연결하는 1세트의 마찰 부재(3)는, 인접하는 방향에 한정은 없고, 브레이크 디스크(1)의 반경 방향에 인접하는 것이어도 되고, 둘레 방향에 인접하는 것이어도 되고, 그들 이외의 방향에 인접하는 것이어도 된다.

각 마찰 부재(3)는, 백 메탈(4)과 함께, 개개의 중심부의 소구멍(3a)를 삽입 통과하는 리벳(7)에 의해 기판(6)에 부착되어 있다. 여기서, 각 마찰 부재(3)는, 개개의 이면측의 백 메탈(4)과 기판(6) 사이에 각각 스프링 부재(5)가 설치되어 있으며, 이에 의해, 개개로 탄성적으로 지지된 상태로 되어 있다. 또한, 스프링 부재(5)로는, 도 2에서는 디스크 스프링을 예시하고 있는데, 판 스프링이나 코일 스프링을 채용해도 된다.

이러한 구성의 브레이크 라이닝(2)을 구비한 디스크 브레이크에 의하면, 각 마찰 부재(3)가 개개로 스프링 부재(5)를 통해 리벳(7)에 의해서 기판(6)에 부착되고, 이에 의해, 개개로 탄성 지지된 상태로 되어 있으므로, 개개로 가동하게 된다. 이 때문에, 제동중의 브레이크 라이닝(2)과 브레이크 디스크(1)의 접촉면압을 균일화할 수 있다.

또, 1세트의 마찰 부재(3)의 이면에 그 양자에 걸쳐서 일체의 백 메탈(4)이 고착되고, 이에 의해, 1세트의 마찰 부재(3)가 백 메탈(4)로 연결된 상태로 되어 있으므로, 백 메탈로 연결되어 있지 않은 경우에 비해, 그 움직임이 필요 최소한 구속되게 된다. 이 때문에, 제동 개시 시점의 주행 속도에 관계없이, 브레이크 디스크(1)와 브레이크 라이닝(2) 사이의 마찰 계수를 안정화할 수 있다.

게다가, 각 마찰 부재(3)는, 실질적으로 2개의 리벳(7)으로 기판(6)에 체결되게 되므로, 제동중에 그 자리에서 회전하지 않고, 기판(6)과의 체결부에 느슨함이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 가령, 그들 체결부에 느슨함이 발생한 경우라도, 2개소의 체결부가 동시에 파손되지 않는 한, 마찰 부재(3)가 즉석에서 탈락하여 소실되지 않는다. 따라서, 디스크 브레이크의 충분한 내구성과 신뢰성을 확보할 수 있다.

무엇보다도, 각 마찰 부재(3)는, 그 중심부 직하의 리벳(7)의 위치를 지지점으로 하여 탄성 지지되어 있으므로, 제동중에 브레이크 디스크(1)와 접촉하여 가동해도 크게 기울지 않고, 그 접촉면이 전역에 걸쳐서 균일하게 마모되어, 편마모가 발생하지 않는다.

이러한 본 발명의 브레이크 라이닝(2)에 있어서, 도 2(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 백 메탈(4)은, 이에 고착된 1세트의 마찰 부재(3)끼리의 간극에 상당하는 부분(4a), 즉 마찰 부재(3)끼리의 연결 부분(4a)이 잘록하게 되어 있는 것이 바람직하다. 경량화를 실현할 수 있다는 점에서 유리하기 때문이다. 이 경우, 백 메탈(4)은, 연결 부분(4a)(잘록부)의 최소폭(w)이, 이에 고착된 마찰 부재(3)의 최대폭(D)의 1/3~2/3이며, 판두께(t)(도 2(c) 참조)가 1.5~4mm인 것이 바람직하다. 상기한 접촉 면적의 균일화와 마찰 계수의 안정화를 유효하게 실현할 수 있기 때문이다. 또한, 여기서 말하는 마찰 부재(3)의 최대폭(D)이란, 연결 부분(4a)의 최소폭(w)과 평행한 방향에서의 마찰 부재(3)의 최대의 폭을 의미한다.

또, 본 발명의 브레이크 라이닝(2)에 있어서, 도 2(a), (b)에 나타낸 바와 같이, 백 메탈(4)은, 연결 부분(4a)의 최소 길이(I), 즉 마찰 부재(3)끼리의 최소 간극(I)이 2~7mm인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3~5mm로 하는 것이 좋다. 연결 부분(4a)의 최소 길이(I)가 너무 짧으면, 마찰 부재(3)의 움직임이 너무 구속되어, 상기한 접촉 면적의 균일화가 곤란해지기 때문이다. 반대로 그것이 너무 길면, 마찰 부재(3)의 움직임이 충분히 구속되지 않아, 상기한 마찰 계수의 안정화가 곤란해지기 때문이다.

또한 마찰 부재(3)를 탄성 지지하여 가동시키기 위한 스프링 부재(5)의 스프링 상수는, 실용적으로는, 4~10kN/mm 정도인 것이 바람직하다.

실시예

본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 하기의 FEM 해석(유한 요소법 해석) 및 브레이크 시험을 실시했다.

[해석 및 시험의 개요]

제동중의 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크의 접촉면압의 균일화를 평가하기 위해서, FEM 해석을 행했다. 해석에서는, 브레이크 라이닝과 브레이크 디스크를 탄성체로 모델화하고, 브레이크 라이닝의 배면으로부터 브레이크 캘리퍼에 의한 누름력에 상당하는 하중을 부여했다. 이 때에 개개의 마찰 부재에 작용하는 하중을 평가했다.

주로 제동중의 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝 사이의 마찰 계수의 안정화를 평가하기 위해서, 브레이크 시험을 행했다. 시험에서는, 브레이크 디스크를 부착한 차륜를 그 자리에서 회전시키고, 브레이크 캘리퍼에 부착한 브레이크 라이닝을 그 브레이크 디스크에 눌러 제동시켰다. 이 때에 브레이크 라이닝에 작용하는 누름 하중과, 측정된 브레이크 토크로부터 마찰 계수를 구했다.

FEM 해석 및 브레이크 시험 모두, 신칸센에 사용되고 있는 디스크 브레이크를 대상으로 했다.

[실시 조건]

FEM 해석 및 브레이크 시험의 주요한 실시 조건을 하기의 표 1에 정리하여 나타낸다.

FEM 해석에서는, 상기 도면 2에 나타낸 디스크 브레이크를 채용하여, 본 발명예 1~3의 세 조건에 대해서 해석을 실시했다. 모두, 백 메탈의 판 두께는 2.3mm로 하고, 1세트의 마찰 부재를 연결하는 백 메탈의 연결 부분의 최소폭은 21mm로 했다. 1세트의 마찰 부재를 연결하는 백 메탈의 연결 부분의 최소 길이는, 본 발명예 1에서 2mm, 본 발명예 2에서 3mm, 및 본 발명예 3에서 5mm로 변경했다.

또, 본 발명예 1~3에 공통적으로, 기판의 길이 방향 길이(브레이크 디스크의 둘레 방향에 상당하는 길이)는 400mm, 폭방향 길이(브레이크 디스크의 반경 방향에 상당하는 길이)는 130mm로 했다. 브레이크 라이닝을 구성하는 각 부재의 재료에 대해서, 마찰 부재는 동소결재로 하고, 그 이외에는 모두 철강 재료로 했다. 마찰 부재는 14개로 하고, 그 평면 형상은 직경 45mm의 원형으로 했다. 마찰 부재와 기판 사이에 배치하는 디스크 스프링의 스프링 상수는 7kN/mm로 했다. 브레이크 디스크는, 내경 476mm, 외경 724mm인 대략 원반형상으로 하고, 브레이크 라이닝과 접촉하는 슬라이딩면의 반경 방향 길이를 120mm로 했다.

그리고, FEM 해석은, 누름력을 14kN, 브레이크 디스크와 브레이크 라이닝의 접촉면의 마찰 계수를 0.3으로 하여 행했다.

또한, FEM 해석에서는, 비교를 위해서, 비교예 1, 2의 두 조건에 대해서 해석을 실시했다. 비교예 1에서는, 상기 본 발명예 1의 여러 조건 중에서, 1세트의 마찰 부재를 백 메탈로 연결하지 않고, 각 마찰 부재의 이면에 개별적으로 백 메탈을 고착한 디스크 브레이크(상기 특허 문헌 1에 기재되는 것)를 채용하고, 비교예 2에서는, 상기 도면 1에 나타낸 종래형 디스크 브레이크를 채용했다.

한편, 브레이크 시험에서는, 상기 본 발명예 1 및 비교예 1의 두 조건에 대해서 시험을 실시했다. 각 시험은, 초(初)속도로서 30~330km/h 사이에서 상이한 8종류의 속도를 선정하고, 각 초속도로부터의 비상 정지 브레이크로 했다.

[평가방법]

본 발명의 목적은, 상기한 접촉 면적의 균일화와 마찰 계수의 안정화를 양립하고, 한층 더 디스크 브레이크의 내구성을 확보하는 데에 있다. 브레이크 시험에서는, 마찰 계수의 안정화와 내구성을 평가하기 위해서, 각각에 대응하는 지표로서, 마찰 계수의 편차를 조사함과 더불어, 개개의 마찰 부재가 그 자리에서 회전하는지 아닌지를 조사했다. 여기에서는, 각 초속도로부터의 브레이크 시험에서 얻어진 평균 마찰 계수 중에서, 최대치와 최소치를 추출하여, 그 차를 마찰 계수의 편차로 했다.

한편, FEM 해석에서는, 접촉 면적의 균일화를 평가하기 위해서, 그에 대응하는 지표로서, 개개의 마찰 부재에 작용하는 하중의 편차를 조사했다. 여기에서는, 누름력을 부여했 때에 각 마찰 부재에 작용하는 하중 중에서, 최대치와 최소치를 추출하여, 그 차를 하중의 편차로 했다.

[결과]

FEM 해석 및 브레이크 시험의 결과를 하기의 표 2에 정리하여 나타냈다.

이 표에 나타낸 결과로부터, 본 발명예 1에서는, 1세트의 마찰 부재를 백 메탈로 연결하고 있기 때문에, 마찰 계수의 편차가 작고, 마찰 부재의 회전도 발생하지 않음을 알 수 있다. 또, 디스크 스프링에 의한 마찰 부재의 탄성 지지의 효과에 의해, 본 발명예 1~3에서는, 하중의 편차가 작아지는 것을 알 수 있다. 이러한 점으로부터, 본 발명의 브레이크 라이닝을 구비한 디스크 브레이크는, 접촉 면적의 균일화와 마찰 계수의 안정화를 양립하여, 한층 더 내구성을 확보할 수 있는 것이 분명해진다.

한편, 비교예 1에서는, 1세트의 마찰 부재를 백 메탈로 연결하고 있지 않기 때문에, 마찰 계수의 편차가 비교적 크고, 복수의 마찰 부재에서 회전이 발생했음을 알 수 있다. 또, 비교예 2에서는, 종래형 브레이크 라이닝이기 때문에, 하중이 불규칙함을 알 수 있다.

본 발명의 철도 차량용 브레이크 라이닝 및 디스크 브레이크는, 모든 철도 차량에 유효하게 이용할 수 있고, 그 중에서도, 주행 속도가 저속부터 고속까지 광범위하게 되는 고속 철도 차량에 유용하다.

1:브레이크 디스크
1a:슬라이딩면
2:브레이크 라이닝
3:마찰 부재
3a:소구멍
4:백 메탈
4a:연결 부분
5:스프링 부재
6:기판
7:리벳

Claims (9)

1. 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크의 슬라이딩면에, 브레이크 캘리퍼에 의해서 눌려지는 브레이크 라이닝으로서,
   각각의 표면이 브레이크 디스크의 슬라이딩면과 대향하고, 각각이 서로 간극을 두고 배열된 복수개의 마찰 부재와,
   각 마찰 부재의 이면에 고착된 백 메탈(裏金)과,
   각 마찰 부재를 그 중심부에 있어서 체결 부재에 의해 이면측으로부터 스프링 부재를 통해 지지하고, 브레이크 캘리퍼에 부착되는 기판으로 이루어지고,
   서로 인접하는 2개의 마찰 부재를 1세트로 하고, 이 1세트의 마찰 부재의 백 메탈이 일체인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분이 잘록하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 백 메탈의 잘록부의 최소폭이, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재의 최대폭의 1/3~2/3인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분의 최소 길이가 2~7mm인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분의 최소 길이가 2~7mm인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 백 메탈은, 상기 백 메탈에 고착된 마찰 부재끼리의 간극에 상당하는 부분의 최소 길이가 2~7mm인 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 체결 부재가 리벳이고, 상기 각 마찰 부재는 상기 백 메탈과 더불어, 상기 각 마찰 부재의 중심부에 형성된 소구멍을 삽입 통과하는 상기 리벳에 의해 상기 기판에 부착되는 것을 특징으로 하는 철도 차량용 브레이크 라이닝.
8. 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크와,
   청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 브레이크 라이닝이 부착된 브레이크 캘리퍼를 구비한 것을 특징으로 하는 철도 차량용 디스크 브레이크.
9. 철도 차량의 차륜 또는 차축에 고정된 브레이크 디스크와,
   청구항 7에 기재된 브레이크 라이닝이 부착된 브레이크 캘리퍼를 구비한 것을 특징으로 하는 철도 차량용 디스크 브레이크.

Images