WO2011081178A1 - 鉄道車両用ブレーキライニング - Google Patents

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平松　慎一朗
加藤　孝憲
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住友金属工業株式会社
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D65/00—Parts or details
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    • F16D65/04—Bands, shoes or pads; Pivots or supporting members therefor
    • F16D65/092—Bands, shoes or pads; Pivots or supporting members therefor for axially-engaging brakes, e.g. disc brakes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
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    • B61H5/00—Applications or arrangements of brakes with substantially radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/04—Attachment of linings
    • F16D2069/0425—Attachment methods or devices
    • F16D2069/0433—Connecting elements not integral with the braking member, e.g. bolts, rivets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/04—Attachment of linings
    • F16D69/0408—Attachment of linings specially adapted for plane linings

Definitions

  • the present invention relates to a railway vehicle brake lining that can effectively disperse heat energy caused by friction with the brake disc and improve both the durability of the brake lining and the brake disc.
  • disk brakes are increasingly used as braking devices with the increase in speed and size of vehicles.
  • a disk brake for a railway vehicle will be described as an example.
  • the disc brake operates the brake caliper, presses the brake lining against the sliding surface of the brake disc attached to the axle or wheel to obtain a braking force, and brakes the rotation of the axle or wheel to control the speed of the vehicle.
  • the brake lining 1 has a friction plate 1a that is in contact with the sliding surface 2a of the brake disc 2 with a rivet (not shown) or an adhesive. It is the structure attached to 1b.
  • the pressing force applied to the brake lining from the brake caliper does not act on the entire brake lining due to the structure of the mounting portion, but acts on a specific part.
  • the center position 3 of the pressing load exists at the position of the pressing piston.
  • the pressing load is applied to the position where the arm of the caliper and the lining holder are connected.
  • the conventional disc brake has a structure in which the pressing force from the brake caliper acts only on a part of the brake lining. Therefore, immediately below the pressing force, the contact surface pressure between the brake lining and the brake disk increases, and a local temperature rise occurs.
  • Patent Document 1 interposes an elastic member for attaching the friction member to the back plate, when the pressing force acts and the friction member becomes high temperature, the elastic member yields, Thereafter, the original equal surface pressure function cannot be effectively exhibited.
  • the problem to be solved by the present invention is that the contact surface pressure between the brake lining and the brake disk is made equal to suppress the local temperature rise, and in consideration of protecting the component that exhibits the isosurface pressure function. There is no point.
  • the brake lining for railway vehicles of the present invention is In order to protect the elastic member that exhibits the isosurface pressure function, A brake lining for railway vehicles that is pressed against a sliding surface of a brake disc by a brake caliper, A friction member pressed against the sliding surface of the brake disc; A back plate attached to the brake caliper and supporting the friction member; The friction member is divided into two or more in the radial direction and the circumferential direction of the brake disk, and an elastic member is interposed between each friction member and the back plate, and the back of each friction member is provided.
  • the outer edge side is formed in a convex curve shape from the elastic member of the surface facing the plate, When pressing lightly, the pressing force is transmitted from the back plate to the friction member via the elastic member to achieve a constant surface pressure.
  • the main feature is that the pressing force is directly transmitted to the friction member while maintaining the above.
  • the surface facing the back plate of the friction member is formed in a convex curve shape, so that the back plate and the convex curve shape portion come into contact with each other as much as possible in the convex curve shape portion during heavy pressing.
  • the pressing force is directly transmitted to the friction member while maintaining the isosurface pressure.
  • the elastic member that exhibits isosurface pressure can prevent yielding due to the overlap of heavy pressing force and high temperature, and can protect the elastic member.
  • FIG. 1A and 1B are views showing a brake lining and a brake disk constituting a conventional railway vehicle disc brake, wherein FIG. 1A is a plan view of the brake lining as viewed from the friction member side, and FIG. FIG. It is the figure which showed the brake lining which comprises the conventional disc brake for rail vehicles, (a) is the top view which looked at the brake lining from the friction member side, (b) is AB sectional drawing of (a) figure. .
  • the surface facing the back plate of the friction member is formed in a convex curve shape, and at the time of heavy pressing, the elastic member This is realized by the contact between the convex curved portion located on the outside of the back plate and the back plate and transmitting the pressing force directly to the friction member.
  • the inventors have determined that the friction member is heated at the time of heavy pressing, and the elastic member interposed between the friction member and the back plate yields. It was considered effective to prevent the extreme deformation by restricting the use of the elastic member.
  • the railway vehicle brake lining according to the present invention is pressed by a brake caliper on a sliding surface of a brake disc bolted to a disc body or a wheel attached to an axle, for example, and adopts the following configuration. Yes.
  • reference numeral 11 denotes a friction member that is pressed against the sliding surface of the brake disc, and is elastically supported by a back plate 12 attached to the brake caliper via, for example, a disc spring 13.
  • the spring constant of the disc spring 13 is assumed to be bent about a gap between a later-described spherical surface portion 11a of the friction member 11 and the back plate 12 during normal maximum braking.
  • the friction member 11 is divided into two in the radial direction of the brake disc, for example, as shown in FIG. And it divides
  • the predetermined gap d1 may be larger than the gap d2 between the spherical surface portion 11a of the friction member 11 and the back plate 12.
  • the holding plate 14 is pulled toward the back plate 12 by the holding plate 14 that engages the flange 11 d provided on the friction member 11 and the rivet 15 that penetrates the back plate 12, and the disc spring 13 is moved.
  • the friction member 11 is attached to the back plate 12 so as to be in a slightly pressed state.
  • the back plate 12 and the spherical surface portion 11a come into contact with each other, and the spherical member 11a keeps the surface member as constant as possible to the friction member 11. Tell the pressing force directly. Therefore, the disc spring 13 will not be permanently deformed even if it becomes a high temperature and high pressing environment due to heavy pressing, and the function is maintained permanently. Further, since the spherical portion 11a is provided on the outer edge side (outer peripheral side) from the disc spring 13, the load is widely distributed on the outer edge side as compared with the case where the spherical portion 11a is provided on the inner side (center side) from the disc spring 13. It becomes more equal surface pressure.
  • FIG. 4 shows the temperature of each friction member when a brake test is performed with a pressing force (12 to 22 kN) such that the friction member comes into contact with the back plate.
  • No. in FIG. FIG. 2 shows which friction member 1 to 5 is.
  • the brake disc used in FIGS. 3 and 4 is made of forged steel, has an inner diameter of 425 mm and an outer diameter of 715 mm, and has an inner diameter of 428 mm and an outer diameter of 702 mm of the sliding surface contacting the brake lining.
  • the attachment of the friction member 11 to the back plate 12 is not limited to the configuration shown in FIG. 1, and as shown in FIG. 5, the center portion of the friction member 11 and the back plate 12 facing the center portion are attached.
  • the structure which let the rivet 15 pass through the provided through-hole may be sufficient.
  • the shape formed on the surface of the friction member 11 facing the back plate 12 is limited to a spherical shape as long as the pressing force can be transmitted directly to the friction member 11 while maintaining an equal surface pressure as much as possible. Absent.
  • the present invention having the above-described configuration is not limited to a brake disc for a railway vehicle, but can be applied to a brake disc for an automobile, a motorcycle, or the like.

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Abstract

【課題】等面圧機能を発揮するとともに弾性部材を保護する。 【解決手段】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る。ブレーキディスクの摺動面に押付ける摩擦部材１１と、ブレーキキャリパに取付けられ、摩擦部材１１を支持する裏板１２を備える。摩擦部材１１は、ブレーキディスクの半径方向及び周方向に分割配置する。それぞれの摩擦部材１１と裏板１２の間に皿ばね１３を介在させる。摩擦部材１１の裏板１２と相対する面を球面状に形成する。軽押付け時は裏板１２から皿ばね１３を介して摩擦部材１１に押付け力を伝える。重押付け時は裏板１２と球面部１１ａが接触して摩擦部材１１に直接押付け力を伝える。 【効果】等面圧を発揮するとともに弾性部材の変形、劣化を防止できる。

Description

鉄道車両用ブレーキライニング
　本発明は、ブレーキディスクとの摩擦による熱エネルギーを効果的に分散して、ブレーキライニングとブレーキディスクの耐久性を共に向上させることが可能な鉄道車両用ブレーキライニングに関するものである。
　鉄道車両や自動車及び自動二輪車等の陸上輸送機械では、車両の高速化や大型化に伴い、その制動装置としてディスクブレーキが多用されるようになってきている。
　以下、一例として鉄道車両用のディスクブレーキについて説明する。
　ディスクブレーキは、ブレーキキャリパを作動し、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ライニングを押付けて制動力を得、車軸又は車輪の回転を制動して車両の速度を制御する。
　その際、摩擦熱によってブレーキライニングとブレーキディスクの接触面の温度が上昇するが、この接触面の温度は車両の高速化に伴うブレーキ負荷の増大により高くなっている。
　また、従来型のディスクブレーキの場合、図６に示すように、ブレーキライニング１は、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、リベット（図示省略）や接着剤等によって裏板１ｂに取付けた構成である。
　ブレーキキャリパからこのブレーキライニング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の全体には作用せず、ある特定の部分に集中して作用する。例えば油圧式キャリパの場合、図６に示すように、押付け荷重の中心位置３は押付けピストンの位置に存在する。てこ式キャリパの場合も油圧式キャリパの場合と同様に、押付け荷重はキャリパのアームとライニングホルダーが接続する位置に負荷される。
　上記のように、従来のディスクブレーキは、構造上、ブレーキキャリパからの押付け力がブレーキライニングの一部分にのみ作用する。従って、押付け力が作用する直下では、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って局部的な温度上昇が生じる。
　そこで、前記局部的な温度上昇を緩和するために、等面圧ライニングが必要となる。
　例えば特許文献１では、図７に示すように、締結孔２１を避けるように配置した摩擦部材１１を、弾性部材１３を介在させて裏板１２に取付けたブレーキライニングが開示されている。このような構成とすることで、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等にし、局部的な温度上昇が生じることを抑制している。
　しかしながら、特許文献１で開示された技術は、摩擦部材の裏板への取付けに弾性部材を介在させているので、押付け力が作用して摩擦部材が高温になると、弾性部材が降伏し、それ以後は、本来の等面圧機能を有効に発揮できなくなる。
　また、特許文献２、３では、複数個に分割した摩擦部材を、球面座を介して取付けることで、ブレーキキャリパからの押付け力を均等に負荷して、局部的な温度上昇が生じることを抑制する技術が開示されている。
　しかしながら、これらの特許文献２、３で開示された技術の場合、押付け力によって球面座の構成部分が塑性変形すると、等面圧機能が失われる。
日本特開２００８－１５１１８８号公報 日本特表平１０－５０７２５０号公報 日本特開２００８－２２３８５２号公報
　本発明が解決しようとする問題点は、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等にして局部的な温度上昇を抑制する従来技術の場合、等面圧機能を発揮する構成部分を保護する配慮がないという点である。
　本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、
　等面圧機能を発揮する弾性部材を保護するために、
　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られる摩擦部材と、
　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半径方向及び周方向に２個以上に分割配置すると共に、これらそれぞれの摩擦部材と前記裏板の間には弾性部材を介在させ、かつ、それぞれの摩擦部材の前記裏板と相対する面の弾性部材より外縁側を凸湾曲状に形成し、
　軽押付け時には裏板から弾性部材を介して摩擦部材に押付け力を伝えることによって等面圧を達成し、重押付け時には裏板と凸湾曲状部が接触して凸湾曲状部でできるだけ等面圧を維持しつつ摩擦部材に直接押付け力を伝えるようにしたことを最も主要な特徴としている。
　本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、摩擦部材の裏板と相対する面を凸湾曲状に形成することで、重押付け時には、裏板と凸湾曲状部が接触して凸湾曲状部でできるだけ等面圧を維持しつつ摩擦部材に直接押付け力を伝えるものである。
　従って、等面圧を発揮する弾性部材は、重押付け力と高温が重なることによる降伏を防止でき、弾性部材の保護が図れる。
　本発明では、摩擦部材の裏板と相対する面を凸湾曲状に形成し、重押付け時には、裏板と凸湾曲状部が接触して摩擦部材に直接押付け力を伝えるので、摩擦部材と裏板の間に介在されて等面圧を発揮する弾性部材の変形、劣化を防止できる。
　また、摩擦部材の裏板と相対する面の弾性部材より外縁側を凸湾曲状に形成しているので、重押付け時にも、この凸湾曲状部で荷重を広く分散しできるだけ等面圧を維持することができる。
（ａ）は本発明のブレーキライニングの第１の例の要部を示す断面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ部拡大図である。 本発明のブレーキライニングの第１の例を示す平面図である。 軽押付け時における本発明の各摩擦部材の温度を示した図である。 重押付け時における本発明の各摩擦部材の温度を示した図である。 本発明のブレーキライニングの第２の例の要部を示す断面図である。 従来型の鉄道車両用ディスクブレーキを構成す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、（ａ）はブレーキライニングを摩擦部材側からみた平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ－Ｂ断面図である。 従来型の鉄道車両用ディスクブレーキを構成するブレーキライニングを示した図で、（ａ）はブレーキライニングを摩擦部材側からみた平面図、（ｂ）は（ａ）図のＡ－Ｂ断面図である。
　本発明では、摩擦部材と裏板の間に介在される弾性部材の保護と等面圧維持という目的を、摩擦部材の裏板と相対する面を凸湾曲状に形成し、重押付け時は、弾性部材の外側に位置する凸湾曲状部と裏板が接触して摩擦部材に直接押付け力を伝えることで実現した。
　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、重押付け時は摩擦部材が高温となり摩擦部材と裏板の間に介在する弾性部材が降伏するので、弾性部材が長期間に亘って等面圧機能を維持するには、重押付け時における弾性部材の使用を制限して極度な変形を防止することが効果的であると考えた。
　また、重押付け時は、弾性部材の機能を使用しなくても、摩擦部材自体の弾性及びライニング装置全体の弾性によって、十分な等面圧を達成できることが判明した。
　本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、以上の考え方に基づく検討の結果、成立したものである。
　すなわち、本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、例えば、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摺動面に、ブレーキキャリパによって押付けられるもので、以下の構成を採用している。
　図１において、１１はブレーキディスクの前記摺動面に押付けられる摩擦部材であり、前記ブレーキキャリパに取付けられた裏板１２によって例えば皿ばね１３を介して弾性支持されている。この皿ばね１３のばね定数は、常用最大ブレーキ時に、摩擦部材１１の後述する球面部１１ａと裏板１２の隙間程度撓むようなものとする。
　この摩擦部材１１は、例えば図２に示すように、前記ブレーキディスクの半径方向に２つに分割している。そして、その周方向外周側では６個、周方向内周側では４個の計１０個に分割し、裏板１２の周方向中央線１２ｂと線対称となるように配置している。
　本発明では、前記それぞれの摩擦部材１１の、前記裏板１２と相対する面を例えば球面状に形成すると共に、その中心部を裏板１２に向けて突出させ、かつこの中心部の周りに前記皿ばね１３を収納する凹部１１ｃを設けている。なお、図１中の１１ａは前記球面状に形成した球面部、１１ｂは裏板１２に向けて突出させた突起を示す。
　一方、摩擦部材１１の前記突起１１ｂと相対する裏板１２部には、前記突起１１ｂの外周側及び突出高さ方向に所定の隙間ｄ1を有した状態で前記突起１１ｂを嵌入する凹部１２ａを設けている。
　前記所定の隙間ｄ1は、前記摩擦部材１１の球面部１１ａと裏板１２の隙間ｄ2より大きければよい。
　前記構成とすることで、摩擦部材１１が裏板１２に対して平行な水平方向に移動した場合には、突起１１ｂが凹部１２ａに当接することで前記移動を抑制し、裏板１２へ力を伝達する。一方、摩擦部材１１が裏板１２に対して接近する方向に移動した場合には、前記摩擦部材１１の球面部１１ａが裏板１２に当接するまでは皿ばね１３が縮み、当接後は皿ばね１３にはそれ以上の荷重が作用しない。
　また、図１の例では、摩擦部材１１に設けた鍔部１１ｄに係合する押さえ板１４と裏板１２を貫通するリベット１５により、押さえ板１４を裏板１２側に引き寄せ、皿ばね１３を少し押し付けた状態となるようにして、前記摩擦部材１１を裏板１２に取付けている。
　上記構成の本発明の鉄道車両用ブレーキライニングでは、頻繁に使用される軽押付け時は、裏板１２から皿ばね１３を介して摩擦部材１１に押付け力を伝えることによって等面圧を達成する。
　一方、稀にしか使用しない重押付け時は、皿ばね１３が所定寸法押し付けられた後は裏板１２と球面部１１ａが接触して球面部１１ａでできるだけ等面圧を維持しつつ摩擦部材１１に直接押付け力を伝える。従って、重押付けによって高温かつ高押付けの環境になっても皿ばね１３が永久変形をすることがなく、機能が永続的に保持される。また、球面部１１ａが皿ばね１３より外縁側（外周側）に設けられているので、球面部１１ａを皿ばね１３より内側（中央側）に設ける場合に比べ、荷重が外縁側に広く分散し、より等面圧となる。
　図３は図１に示した本発明のブレーキライニングにおいて、摩擦部材（焼結合金製、外径６０mm、厚さ１５mm）が裏板（鋼製、厚さ４．５mm）と接触しない程度の押付け力（５～１０kN）でブレーキ試験をした際の各摩擦部材の温度を示したものである。
　一方、図４は摩擦部材が裏板と接触するような押し付け力（１２～２２kN）でブレーキ試験をした際の各摩擦部材の温度を示したものである。
　なお、図３、図４におけるＮｏ．１～５がどの摩擦部材であるのかは、図２に示す。 
　いずれの場合も各摩擦部材における温度のばらつきが少なく、本発明により等面圧の効果で現れていることが分かる。
　なお、図３及び図４に使用したブレーキディスクは、鍛鋼製で、内径が４２５mm、外径が７１５mmであり、ブレーキライニングと接触する摺動面の内径は４２８mm、外径は７０２mmである。
　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１１の裏板１２への取付けは、図１に示した構成に限らず、図５に示したように、摩擦部材１１の中心部と、この中心部と相対する裏板１２に設けた貫通孔にリベット１５を通した構成でも良い。
　また、摩擦部材１１と裏板１２の間に介在させる弾性部材は、皿ばね１３に換えてコイルばねを使用しても良い。
　さらに、摩擦部材１１の裏板１２と相対する面に形成する形状は、できるだけ等面圧を維持しつつ直接摩擦部材１１に押付け力を伝えることができれば、凸湾曲状であれば球面状に限らない。
　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。
　１１　　摩擦部材
　１１ａ　　球面部
　１１ｂ　　突起
　１１ｄ　　鍔部
　１２　　裏板
　１２ａ　　凹部
　１３　　皿ばね
　１４　　押さえ板
　１５　　リベット
　２１　　締結孔

Claims (4)

  1. 　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半径方向及び周方向に２個以上に分割配置すると共に、これらそれぞれの摩擦部材と前記裏板の間には弾性部材を介在させ、かつ、それぞれの摩擦部材の前記裏板と相対する面の前記弾性部材より外縁側を凸湾曲状に形成し、
    　軽押付け時には裏板から弾性部材を介して摩擦部材に押付け力を伝えることによって等面圧を達成し、重押付け時には裏板と凸湾曲状部が接触して凸湾曲状部でできるだけ等面圧を維持しつつ摩擦部材に直接押付け力を伝えるようにしたことを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニング。
  2. 　前記摩擦部材の裏板への取付けは、摩擦部材に設けた鍔部に係合する押さえ板を裏板側に引き寄せることにより行うものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
  3. 　前記摩擦部材の凸湾曲状部側の中心部に突起を設け、この突起と相対する前記裏板部に、前記突起の外周部及び突出高さ部に所定の隙間を有した状態で嵌入する凹部を設けたことを特徴とする請求項２に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
  4. 　前記摩擦部材の裏板への取付けは、摩擦部材の中心部と、この中心部と相対する裏板に設けた貫通孔に設ける接続部材により行うものであることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
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