JP2008151188A - 鉄道車両用ブレーキライニング及びディスクブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】ブレーキ操作中に発生する熱エネルギーを、締結孔を挟んでブレーキディスクの内外周側に均等に分散させる。
【解決手段】摺動面２ａに設けた締結孔２ｂ部にて車軸３に取付けたディスク体４または車輪１にボルト締結するブレーキディスク２の摺動面２ａに押付ける鉄道車両用ブレーキライニング５である。前記摺動面２ａに押付けられる摩擦部材５ａと、ブレーキキャリパに取付けられ、摩擦部材５ａを支持する裏板５ｂを備える。摩擦部材５ａは、ブレーキディスク２の半径方向に２個以上に分割配置される。これら分割配置されたそれぞれの摩擦部材５ａは、締結孔２ｂの中心を通る同心円上を避けて配置する。摩擦部材５ａの前記半径方向における中央線７と、締結孔２ｂの外形線が、ブレーキ操作中に交わらないように摩擦部材５ａを形成する。
【効果】ブレーキディスクの最高温度が低減されるので、ブレーキディスクの熱変形およびき裂の発生を軽減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として鉄道車両用ディスクブレーキにおいて、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、両者の耐久性を向上させる鉄道車両用ブレーキライニングと、このブレーキライニングを備えたディスクブレーキ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においては、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。

ディスクブレーキとは、ブレーキディスクとブレーキライニングとの摩擦により制動力を得る装置であり、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ることで制動力を得、車軸または車輪の回転を制動して車両の速度を制御する。

その際、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面は、摩擦熱によって温度が上昇するが、より高速あるいはより車両重量が大きいほどブレーキ負荷が大きくなって接触面での温度は高くなる傾向にある。

ところで、鉄道車両では、前記ブレーキディスクとして、側ディスクと軸マウントディスクがある。このうち側ディスクとは、図３に示すように車輪１の側面に締結されるブレーキディスク２であり、軸マウントディスクとは、図４に示すように車軸３に取付けたディスク体４に締結されるブレーキディスク２である。

以下、本明細書では、側ディスクの場合について説明するが、軸マウントディスクの場合も、同様であることは言うまでもない。

従来型の鉄道車両用ディスクブレーキとして、図５にブレーキライニングおよびブレーキディスクを示す。図５（ａ）はブレーキライニングを摩擦部材側からみた平面図、図５（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ｂ断面図である。

ブレーキライニング５は、ブレーキディスク２と接触する摩擦部材５ａを、図示省略したリベットによって裏板５ｂに取付けた構成である。このブレーキライニング５は、ブレーキキャリパ（図示省略）に取付けられている。

ブレーキキャリパは、ブレーキライニング５をブレーキディスク２に押付けて制動力を得るための装置であり、油圧式、空圧式などが存在する。ブレーキキャリパからブレーキライニング５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５の全体に作用せず、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は、図５に示すように押付け荷重の中心位置６が２箇所存在し、空圧式キャリパの場合でもほぼ同じ位置に押付け荷重が負荷される。

上記のように、従来のディスクブレーキでは、その構造のため、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５の一部分にのみ作用する。このため、ブレーキライニング５とブレーキディスク２の接触面では、接触面圧の高い部分と低い部分の差が大きくなり、ブレーキキャリパからの押付け力が作用する直下では、ブレーキライニング５とブレーキディスク２の接触面圧が高くなる傾向にある。

接触面圧の高い部分では、摩擦による熱エネルギーがより多く発生するため、特に新幹線などの高速車両においては、ブレーキ操作中の温度上昇が過大となる可能性がある。接触面圧が高くなって温度が上昇すると、ブレーキライニング５とブレーキディスク２の摩耗量増加、ブレーキディスク２のき裂発生などの原因となり得る。従って、ブレーキライニング５とブレーキディスク２の耐久性を確保するためには、ブレーキ操作中の両者の摩擦による熱エネルギーを効率良く分散することが重要である。

特に近年、車両の高速化とともにブレーキディスクの形状および構造が多様化しているので、用いられるブレーキライニングの構造によっては、その性能を十分に発揮できない可能性がある。

例えば特許文献１には、摺動部でボルト締結するブレーキディスクが開示されているが、このブレーキディスクには、ブレーキライニングと接触する摺動面に締結孔が設けられている（図３参照）。そのため、ブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性を向上させるためには、ボルト締結孔とブレーキライニングの摩擦部材との位置関係を考慮しつつ、摩擦による熱エネルギーを効率良く分散する構造が必要である。
特開２００５−３２１０９１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来のディスクブレーキでは、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ので、当該押付け力の作用直下で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り、ブレーキ操作中の温度上昇が過大となる可能性があるという点である。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、
摺動面に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体または車輪にボルト締結される鉄道車両用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に２個以上に分割配置され、
これら分割配置されたそれぞれの摩擦部材は、前記締結孔の中心を通る同心円上を避けて配置されており、かつこれらそれぞれの摩擦部材の前記半径方向における中央線と、前記締結孔の外形線が、ブレーキ操作中に交わらないように前記摩擦部材が形成されている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、締結孔を避けるようにブレーキライニングの摩擦材を配置することにより、ブレーキ操作中の摩擦によって発生する熱エネルギーを、前記締結孔を挟んでブレーキディスクの内周側と外周側に均等に分散させることができる。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングにおいて、前記摩擦部材が、ブレーキディスクの周方向にも２個以上に分割配置されている場合は、摩擦部材の接触面圧が局所的に大きくなるのをさらに効果的に避けることができる。

また、本発明の鉄道車両用ブレーキライニングにおいて、前記中央線と前記締結孔の外形線との最短距離Ｄが１０mm以上であり、かつ前記中央線と前記ブレーキキャリパから作用する押付け荷重の中心位置との距離のうち、内周側の距離をＲi、外周側の距離をＲoとしたとき、Ｒi／Ｒoが０．８〜２．２の範囲内にあるようにすれば、半径方向内周側と外周側で押付け荷重がうまく分散され、摩擦による熱エネルギーがより均等に分散される。

本発明の鉄道車両用ディスクブレーキは、
摺動面に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体または車輪にボルト締結されるブレーキディスクと、
ブレーキキャリパに取付けられた前記本発明の鉄道車両用ブレーキライニングを備え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ディスクブレーキでは、ブレーキ操作中の摩擦によって発生する熱エネルギーを均等に分散させることができるので、ブレーキディスク、ブレーキライニングとも大幅に耐久性を向上させることが可能になる。

本発明により、ブレーキ操作中の摩擦によって発生する熱エネルギーを均等に分散させてブレーキディスクの最高温度が低減されるので、ブレーキディスクの熱変形およびき裂の発生を軽減できる。

さらに、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧が低減されるので、ブレーキライニングとブレーキディスクの摩耗を軽減することが可能となる。

これにより、ブレーキライニングとブレーキディスクの耐久性が向上され、鉄道車両の高速化、大型化に対応することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１を用いて説明する。
図１は本発明のブレーキライニングの一実施形態を示す図で、（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。

本発明が対象とする、図１に示すような、摺動部でボルト締結するブレーキディスク２の場合、以下の３点に留意することで、ブレーキ操作中の摩擦による熱エネルギーを効果的に分散することができる。

(1) 摺動面２ａに設けた締結孔２ｂの近傍でブレーキディスク２とブレーキライニング５が接触すると、その部分で局所的に接触面圧が高くなって摩擦による熱エネルギーが過大となる。摺動面２ａに設けた締結孔２ｂは、ほぼ半径方向の中央位置にあるので、ブレーキライニング５における摩擦部材５ａの配置は、締結孔２ｂを避けるように、摺動面２ａの内周側と外周側に分散させることが重要である。

(2) 摩擦部材５ａを摺動面２ａの内周側と外周側に分散させた場合、摩擦によって発生する熱エネルギーのうち、ブレーキディスク２に吸収される単位面積当りの熱エネルギーを内外周で均等にする必要がある。そうすることにより、局所的な温度上昇が抑制され、ブレーキディスク２の熱変形が低減されるとともに、ブレーキライニング５の摩耗も低減される。均等な熱エネルギーを実現するためには、ブレーキキャリパからブレーキライニング５に負荷される押付け位置が非常に重要である。

(3) ブレーキ操作中にブレーキディスク２は熱変形するが、そのような状態でも接触面圧を低減するためには、摩擦部材５ａがブレーキディスク２の変形に追従して動けるようにすると効果が大きい。そのためには、摩擦部材５ａが複数個に分割されており、それぞれが独立して動くような機構を備えているとよい。

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いてなされたものである。
すなわち、本発明では、摩擦部材５ａを、以下のような配置、大きさ、個数とする。

摩擦部材５ａの接触面圧は、その中心部で大きくなる傾向にあるため、摩擦部材５ａの中心部がブレーキディスク２の締結孔２ｂに干渉しないことが最も重要である。また、摩擦部材５ａがブレーキディスク２の摺動面２ａの全面で均一に接触したと仮定すると、締結孔２ｂの中心を通る同心円上が局所的に接触面圧の最も高くなる位置となるので、摩擦部材５ａが締結孔２ｂの中心を通る同心円上に存在しないことが重要である。さらに、摩擦部材５ａが締結孔２ｂの中心を通る同心円上を摺動すると、締結孔２ｂの側面と摩擦部材５ａが接触する可能性がある。その際、摩擦部材５ａに多大な負荷がかかり、耐久性を確保するのが困難となる。

そこで、本発明では、局所的に接触面圧が大きくなるのを避けるために、締結孔２ｂの中心を通る同心円上を摩擦部材５ａが避けるように配置しており、摩擦部材５ａの半径方向における中央線７と、ブレーキディスク２の締結孔２ｂの外形線との最短距離Ｄを０mmより大きくしている。

さらに大きな効果を得るためには、前記最短距離Ｄを１０mm以上とすることが好ましい。上記のように、摩擦部材５ａの接触面圧はその中心部で大きくなる傾向にあるが、前記最短距離Ｄを１０mm以上とすれば、摩擦部材５ａの大きさに依らず、確実に接触面圧の大きくなる領域と締結孔２ｂとの干渉を避けることができる。前記最短距離Ｄの上限はブレーキディスク２の大きさに依存するが、摩擦部材５ａの半径方向中央線７がブレーキディスク２の内外周端より１０mm以上内側にあることが好ましい。

また、摩擦部材５ａが小さ過ぎると、ブレーキディスク２との接触領域を十分に確保できないので、摩擦部材５ａの半径方向長さＬ1は２０mm以上とすることが好ましい。しかしながら、摩擦部材５ａが大き過ぎると、ブレーキディスク２の締結孔２ｂと干渉する可能性があるので、前記半径方向長さＬ1はブレーキディスク２の摺動面２ａの半径方向長さＬ2の０．４５倍以下とすることが好ましい。

さらに、摩擦部材５ａはブレーキディスク２の締結孔２ｂを挟んで半径方向に２個以上配置する必要があるが、摩擦部材５ａの接触面圧が局所的に大きくなるのを避けるためには、周方向にも複数個配置することが好ましい。

図１では、摩擦部材５ａの半径方向における分割数を２、周方向における分割数を内周側が５、外周側が７としたものを示している。これら摩擦部材５ａの１個の周方向長さは、半径方向長さＬ1とほぼ等しくなるようにすることが好ましい。

前記の摩擦部材５ａがブレーキディスク２の変形に追従して移動するためには、摩擦部材５ａと裏板５ｂの間に接続部品８を挿入するのが良い。接続部品８には、リング状のものやボール状のもの、さらには各種のばね（皿ばねや半径方向にアーチ型の板ばね）が適用できる。

図１では、接続部品８として皿ばねを用いたものを示しているが、このようなばねを用いる場合、摩擦部材５ａが十分に動くためには、ばね定数を６〜１２kN／mmとするのが好ましい。

ばね定数が６kN／mmより小さい場合は、ばねの耐久性を十分に確保できず、１２kN／mmより大きい場合は、摩擦部材５ａが十分に移動することができないからである。さらに好ましくは、ばね定数を８〜１０kN／mmとするのが良い。

ブレーキキャリパから上記の摩擦部材５ａを設置したブレーキライニング５に作用する押付け荷重の中心位置６と、摩擦部材５ａの半径方向中央線７との距離を、内周側をＲi、外周側をＲoとすると、Ｒi／Ｒoは０．８〜２．２とするのが良い。

このような範囲とすることにより、内周側と外周側で押付け荷重がうまく分散され、摩擦による熱エネルギーが均等に分散される。さらに好ましくは、Ｒi／Ｒoが１．２〜１．８とするのが良い。また、押付け荷重の中心位置６は、周方向に２箇所以上あるのが好ましく、同じ半径上で均等に位置させるのが好ましい。

本発明のブレーキライニング５の摩擦部材５ａには、一般的に使用される焼結系材料、樹脂系材料が適用できる。
また、前記ブレーキディスク２と、ブレーキキャリパに取付けられた本発明のブレーキライニング５を備えた本発明の鉄道車両用ディスクブレーキに適用するブレーキキャリパは、油圧式、空圧式など様々な方式が適用可能である。

以下、ブレーキ操作中のブレーキディスクとブレーキライニングの摩擦による熱エネルギーを評価するため、有限要素解析を行った結果について説明する。解析を行ったブレーキディスクのモデルは、摺動部でボルト締結するタイプであり、鍛鋼製ブレーキディスクを想定した。

有限要素解析では、ブレーキライニングとブレーキディスクを弾性体でモデル化し、ブレーキライニングの背面からブレーキキャリパからの押付け力相当の荷重を与えた。また、有限要素解析では、図１に示した摩擦部材の配置、ブレーキライニングに負荷される押付け位置、摩擦部材を裏板に取付ける部分の構造をそれぞれ変化させた。また、有限要素解析は、比較として従来型のブレーキライニングを対象としたものについても行った。

下記表１に、評価したブレーキライニングをまとめて示す。なお、比較例１は従来型のブレーキライニングである。
すべてのブレーキライニングに共通して、新幹線用ブレーキライニングを対象とし、ブレーキライニングの長手方向長さは４００mm、幅方向長さは１３０mmとした。また、ブレーキライニングを構成する材料は、裏板が鉄鋼材料、摩擦部材が銅焼結合金とした。

ブレーキ条件は、３６０km／hからの非常ブレーキ相当である。また、押付け力は２０kNとした。なお、ブレーキディスクは、内径が４３９mm、外径が７０５mmであり、摺動面上の締結孔は、直径が３０mmで、その中心がブレーキディスクの中心からみて直径が５７０mmの円上に位置する。

本発明の目的は、ブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性を向上することにある。有限要素解析で求めたブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧分布から平均的なトルクエネルギーを求め、それが摩擦による単位面積当りの平均的な熱エネルギーと仮定し、そのときのブレーキディスクの最高温度を同じく有限要素解析で評価した。

また、ブレーキディスクとブレーキライニングの摩耗は、両者の接触面圧と相関があるので、ブレーキ操作中の最大接触面圧を評価した。ブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性は、ブレーキディスクの最高温度が低く、最大接触面圧が小さいほど向上する。

下記表２に、ブレーキディスクの最高温度、最大接触面圧をそれぞれ示す。表２より、発明例はいずれも従来型のブレーキライニングである比較例１と比べて、最高温度、最大接触面圧がそれぞれ大幅に低くなることが分かる。

上記発明例３〜７について、ブレーキディスクの最高温度とＲi／Ｒoの関係を、図２に示す。図２より、ブレーキディスクの最高温度は、Ｒi／Ｒoが０．８〜２．２で低減できること、特に１．２〜１．８でその効果が大きく、１．５で最も低減できることが分かる。

なお、図２はＤが２５mmの場合の関係を示したもので、Ｄが５mmの場合の発明例１や、Ｄが１５mmの場合の発明例２は、図２に示した線図上にはないが、これらの場合も、比較例１に比べてブレーキディスクの最高温度や最大接触面圧が大幅に低下することは言うまでもない。特にＤが１０mm以上で、Ｒi／Ｒoが０．８〜２．２を満足すればブレーキディスク最高温度が７５０℃以下となり好ましい。

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内であれば、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。

以上の本発明は、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。

本発明のブレーキライニングの一実施形態を示す図で、（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。 図１に示した本発明例のブレーキライニングについて、有限要素解析で得られたブレーキディスク最高温度とＲi／Ｒoの関係を表した図である。 側ディスクの概略説明図である。 軸マウントディスクの概略説明図である。 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。

符号の説明

１ 車輪
２ ブレーキディスク
３ 車軸
４ ディスク体
５ ブレーキライニング
５ａ 摩擦部材
５ｂ 裏板
６ 押付け荷重の中心位置
７ 摩擦部材の半径方向中央線
８ 接続部品

Claims (4)

1. 摺動面に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体または車輪にボルト締結される鉄道車両用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に２個以上に分割配置され、
   これら分割配置されたそれぞれの摩擦部材は、前記締結孔の中心を通る同心円上を避けて配置されており、かつこれらそれぞれの摩擦部材の前記半径方向における中央線と、前記締結孔の外形線が、ブレーキ操作中に交わらないように前記摩擦部材が形成されていることを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニング。
2. 前記摩擦部材は、
   ブレーキディスクの周方向にも２個以上に分割配置されてい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. 前記中央線と前記締結孔の外形線との最短距離Ｄが１０mm以上であり、
   かつ前記中央線と前記ブレーキキャリパから作用する押付け荷重の中心位置との距離のうち、内周側の距離をＲi、外周側の距離をＲoとしたとき、Ｒi／Ｒoが０．８〜２．２の範囲内にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
4. 摺動面に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体または車輪にボルト締結されるブレーキディスクと、
   ブレーキキャリパに取付けられた請求項１〜３のいずれかに記載のブレーキライニングを備えたことを特徴とする鉄道車両用ディスクブレーキ。

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