JP2008309319A - 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】ブレーキ操作中の熱エネルギーを効果的に分散させる。
【解決手段】摺動面２ａより内周側に備えられた締結孔部にて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アルミニウム基複合材製ブレーキディスク２の摺動面２ａ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１である。ブレーキディスク２の摺動面２ａに押付けられる摩擦部材１ａａ，１ａｂと、ブレーキキャリパに取付けられ、摩擦部材１ａａ，１ａｂを支持する裏板１ｂを備える。摩擦部材１ａａ，１ａｂ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、ブレーキキャリパからブレーキライニング１に作用する押付け荷重が、前記摩擦部材１ａａ，１ａｂの、外周側に比べて内周側の方が大きくなるようにした。
【効果】アルミニウム基複合材製ブレーキディスクの最高温度が効果的に低減され、ブレーキディスクの熱変形及びき裂の発生を軽減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にアルミニウム基複合材製ブレーキディスクとブレーキライニング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ことが可能な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、車軸又は車輪に取付けたブレーキディスクの摺動面に、ブレーキキャリパによってブレーキライニングを押付けることで制動力を得、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、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、より高速或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。

従来型の鉄道車両用ディスクブレーキとして、図４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４（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４（ｂ）は（ａ）図のＡ−Ｂ断面図である。

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、図示省略したリベットによって裏板１ｂに取付けた構成である。このブレーキライニング１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１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、空圧式などがある。ブレーキキャリパからブレーキライニング１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１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４に示すように押付け荷重の中心位置３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。

前記のように、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１の一部分にのみ作用する。このため、ブレーキライニング１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１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、ブレーキディスク２の熱変形、き裂の発生、ブレーキライニング１とブレーキディスク２の摩耗量増加などの原因となり得る。従って、ブレーキライニング１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様々なブレーキディスクが用いられる傾向にある。
例えば特許文献１には、アルミニウム基複合材製のブレーキディスクが開示されている。
特開２００２−３６４６８６号公報

しかしながら、アルミニウムは熱伝導率が高く、摩擦による熱エネルギーの分布によっては、ブレーキディスクの最高温度が大きく変化するので、従来の鍛鋼製のものより摩擦による熱エネルギーをより効果的に分散する必要がある。

このブレーキディスクとブレーキライニングの耐久性向上を目的として、特許文献２が提案されている。この特許文献２は、摩擦部材を複数個に分割し、ブレーキキャリパからの押付け力を、それぞれの摩擦部材に均等に負荷する構造により、ブレーキライニングとブレーキディスクの接触面圧を低減するものである。
特表平１０−５０７２５０号公報

しかしながら、この特許文献２の方法では、ブレーキディスクの厚さが厚く熱容量の大きい部分と、厚さが薄く熱容量の小さい部分に、同じ熱エネルギーが与えられることになる。したがって、アルミニウム基複合材製ブレーキディスクのように熱伝導率の高いブレーキディスクでは、熱容量の小さい部分の温度が上昇してしまうことになる。つまり、特許文献２の技術では、アルミニウム基複合材製ブレーキディスクの温度上昇を抑制可能な熱エネルギー分布を必ずしも実現できるものではない。

本発明が解決しようとする問題点は、アルミニウム基複合材製ブレーキディスクの場合、従来の技術では、摩擦による熱エネルギーを効果的に分散して、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が難しいという点である。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングは、
摺動面より内周側に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるアルミニウム基複合材製ブレーキディスクの前記摺動面に、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、
ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重が、前記半径方向に分割された摩擦部材の、外周側に比べて内周側の方が大きくな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、厚さが厚く熱容量の大きい部分に摩擦による熱エネルギーをより多く与えることにより、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、ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重が、ブレーキディスクの半径方向に分割された摩擦部材の、外周側に比べて内周側の方が大きくなるようにするには、
例えばブレーキディスクの摺動面の半径方向長さをＴ、ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重の中心位置と、ブレーキディスクの摺動面の最内周位置との距離をＰとした場合に、Ｐ／Ｔを０．２０〜０．４７となるように構成すれば良い。

その際、さらに、前記分割された摩擦部材のうち、ブレーキディスクの内周側と相対する位置に配置した摩擦部材の半径方向中央線と、ブレーキディスクの摺動面の最内周位置との距離をＭとした場合に、Ｍ／Ｔが０．２〜０．３となるように構成すれば、より効果的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。

本発明の鉄道車両用ディスクブレーキは、
摺動面より内周側に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるアルミニウム基複合材製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、アルミニウム基複合材製ブレーキディスク、ブレーキライニングとも十分な耐久性確保が可能になる。

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が均等に分散して熱伝導率の高いアルミニウム基複合材製ブレーキディスクの最高温度が効果的に低減されるので、ブレーキディスクの熱変形及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するので、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アルミニウム基複合材製ブレーキディスクの耐久性が向上し、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。

アルミニウム基複合材のように熱伝導率の高い材料で製作したブレーキディスクでは、熱容量の大きい部分（板厚の厚い部分）に摩擦による熱エネルギーが大きくなるようにすると、ブレーキ操作中のブレーキディスク温度を効果的に下げることが可能である。

特に車輪の側面に取付けるブレーキディスク（側ディスク）の場合、形状の制約から外周部の厚さが薄くなって熱容量が小さくなるので、内周部で熱エネルギーが大きくなるようにするとよい。

また、車軸に取付けたディスク体に締結されるブレーキディスク（軸マウントディスク）のように、形状の制約を受けない場合でも、内周側より外周側の方が回転中の周速が速いので、ブレーキディスクとブレーキライニングの接触面圧が同じ場合、外周部の熱エネルギーの方が大きくなる傾向にある。

以上のことから、外周部に比べて内周部の接触面圧を意図的に大きくすると、ブレーキ中のブレーキディスク温度を低減できると考えられる。但し、特定の部分の熱エネルギーが大きくなり過ぎると、逆に当該特定の部分の温度が上昇し過ぎてしまう。

従って、ある程度熱エネルギーを分散できるように、ブレーキライニングの摩擦部材の配置や、ブレーキキャリパからブレーキライニングに負荷される押付け位置を検討する必要がある。また、ブレーキディスクの熱変形に対して摩擦部材が追従して動くような構造も効果的である。

以上の考え方を基に、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に、発明者らは有限要素解析を行った。

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側から、ブレーキキャリパからの押付け力相当の荷重を与えた。その際、ブレーキライニングに負荷する押付け位置を変化させた。

図１は有限要素解析を行った発明例のブレーキライニングを説明する図で、（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。

この発明例のブレーキライニング１の構造を、以下のように定義する。
・ブレーキキャリパからの押付け位置
ブレーキディスク２の摺動面２ａの半径方向長さをＴ、ブレーキキャリパからブレーキライニング１に作用する押付け荷重の中心位置３と、ブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離をＰとする。

・摩擦部材１ａａ，１ａｂの配置位置
裏板１ｂの、ブレーキディスク２の内周側と相対する位置に配置する摩擦部材１ａａの半径方向中央線４と、ブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離Ｍを３５mmとした。

また、裏板１ｂの、ブレーキディスク２の外周側と相対する位置には、前記内周側との相対位置に配置した摩擦部材１ａａと、ブレーキディスク２の摺動面２ａの半径方向中央線５と線対称となるように、摩擦部材１ａｂを配置した。

・摩擦部材１ａａ，１ａｂの大きさと個数
摩擦部材１ａａ，１ａｂの半径方向長さＬを５０mmとした。また、摩擦部材１ａａ，１ａｂの半径方向における分割数を２、周方向における分割数は、内周側を５、外周側を７とした。

・摩擦部材１ａａ，１ａｂの裏板１ｂへの取付け構造
摩擦部材１ａａ，１ａｂと裏板１ｂの間に、ばね部品１ｃ（皿ばね、あるいは半径方向にアーチ型の板ばね）を挿入する。

上記した構造の発明例のブレーキライニング１を、下記表１に示した各種寸法について有限要素解析を行った。また、比較として従来型のブレーキライニングや、摺動面全体にほぼ均等に入熱されるブレーキライニングについても有限要素解析を行った。これらの比較例ではアルミニウム基複合材製のブレーキディスクだけでなく、鍛鋼製のブレーキディスクも対象とした。なお、ブレーキディスクのモデルは、摺動部より内周側でボルト締結する構造のブレーキディスクを想定した。

有限要素解析を行った発明例及び比較例は、共通して新幹線用のブレーキライニング１を対象とし、ブレーキライニング１の長手方向長さは４００mm、幅方向長さは１３０mmとした。ブレーキライニング１を構成する材料は、裏板１ｂが鉄鋼材料、摩擦部材１ａ，１ａａ，１ａｂは銅焼結合金とした。また、ブレーキ条件は、３００km／hからの非常ブレーキ相当で、押付け力は２０kNとした。

有限要素解析に使用したブレーキディスク２は、アルミニウム基複合材製、鍛鋼製ともに内径が３１０mm、外径が７２０mmであり、ブレーキライニング１と接触する摺動面２ａの内径は４６５mm、外径は７２０mmである。なお、それより内周側はボルト締結するための領域である。ブレーキディスク２の摺動面２ａにおける最も厚さが薄い位置（最薄位置）は最外周位置、この最薄位置に対して最も遠くなる位置は摺動面２ａの最内周位置であり、両者の距離Ｔは１２７．５mmである。

本発明の目的は、ブレーキディスク２とブレーキライニング１の耐久性を向上させることにある。

そこで、発明者らは、有限要素解析で求めた発明例と比較例のブレーキライニング１とブレーキディスク２の接触面圧分布から、摩擦による単位面積あたりの平均的な熱エネルギーを算出し、そのときのブレーキディスク２の最高温度を評価した。またブレーキディスク２とブレーキライニング１の摩耗は、両者の接触面圧と相関があるため、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２とブレーキライニング１の耐久性は、ブレーキディスク２の最高温度が低く、最大接触面圧が小さいほど向上する。特に、耐久性に大きく影響するブレーキディスク２の熱変形やき裂の発生を軽減するため、ブレーキディスク２の最高温度を抑制することが重要である。

下記表２に、発明例と比較例のブレーキディスク２の最高温度、最大接触面圧をそれぞれ示す。

表２より、外周側の押付け荷重が大きくなる比較例１１、従来型のブレーキライニングである比較例１２、さらに摺動面全体にほぼ均等に入熱される比較例１３と比べ、発明例はいずれもブレーキディスクの最高温度が低くなって、ブレーキディスクの熱変形やき裂の発生が軽減され、耐久性が向上することが分かる。さらに発明例では、最大接触面圧も従来型のブレーキライニングである比較例１２より低く、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。

また表２の比較例１４〜１９の結果に示されるように、熱伝導率が比較的低い鍛鋼製ブレーキディスクに対しては、発明例と同様に押付け位置を変化させてもブレーキディスクの最高温度に大きく影響しないことが分かる。

図２に、発明例１〜５（●印）および比較例１１（○印）について、ブレーキディスクの最高温度とＰ／Ｔの関係を示す。アルミニウム基複合材は温度が４００℃を超えると強度が大きく低下するため、ブレーキディスクの耐久性を確保するのが難しくなる。したがって、図２より、Ｐ／Ｔが０．２０〜０．４７の場合に、ブレーキディスクの最高温度は４００℃より低減できること、特にＰ／Ｔが０．３〜０．４でその効果が大きくなることが分かる。

本発明は、発明者らが行った上記の有限要素解析より得られた結果に基づいてなされたもので、摺動面２ａの内周側に締結孔を備え、熱伝導率の高いアルミニウム基複合材を用いたブレーキディスク２に押し付ける本発明のブレーキライニング１は以下のように構成される。

すなわち、本発明の鉄道車両用ブレーキライニング１は、前記ブレーキディスク２の摺動面２ａに押付ける摩擦部材と、ブレーキキャリパに取付けられて前記摩擦部材を支持する裏板１ｂを備えている。

そして、本発明では、このうちの摩擦部材を、前記ブレーキディスク２の半径方向に、２個以上に分割配置し、ブレーキキャリパからブレーキライニング１に作用する押付け荷重が、前記分割した摩擦部材の、外周側に比べて内周側の方が大きくなるようにしている。

具体的には、ブレーキディスク２の半径方向に、２個以上に分割配置する摩擦部材は、例えば以下のように構成し、配置する。

・ブレーキキャリパからの押付け位置
ブレーキディスク２の摺動面２ａの半径方向長さＴと、ブレーキキャリパからブレーキライニング１に作用する押付け荷重の中心位置３と、ブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離Ｐとの比Ｐ／Ｔを０．２０〜０．４７、好ましくは０．３〜０．４とする。

Ｐ／Ｔがこの範囲内となるようにすることにより、ブレーキディスク２の熱容量の大きい内周側に確実に熱エネルギーが与えられ、ブレーキディスク２の温度を低減することができる。

この押付け荷重の中心位置３は、周方向に２箇所以上あることが好ましく、その場合、同じ半径上の均等位置にあることが好ましい。

また、押付け荷重の中心位置３は、図３に示すように、半径方向に複数個あってもよい。この場合の押付け荷重の中心位置３と、ブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離Ｐは、次のように定義される。

例えば押付け荷重の中心位置３がｋ個ある場合（図３ではｋ=６）、各中心位置とブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離をＰi、各中心位置３での荷重の値をＱiとすると、Ｐ、Ｐi、Ｑiの間には次の数式１の関係が成立つ。

したがって、上記数式１で求めたＰを、Ｔで除したＰ／Ｔが０．５より小さければ、外周側に比べ内周側の方が押付け荷重は大きくなり、ブレーキディスク２の温度を低減することが可能となる。

・摩擦部材の配置
熱容量の大きいブレーキディスク２の摺動面２ａの内周側に大きな熱エネルギーを与えるためには、内周側に配置する摩擦部材の位置を考慮する必要がある。このとき内周側に配置する摩擦部材１ａａの半径方向中央線４と、ブレーキディスク２の摺動面２ａの最内周位置との距離をＭとすると、確実にブレーキディスク２の摺動面２ａの内周側に熱エネルギーを強く与えるには、Ｍ／Ｔを０．２〜０．３とするのが好ましい。

すなわち、Ｍ／Ｔが０．２未満になると、極端に内周側に大きな熱エネルギーが与えられ過ぎて、ブレーキディスク２の内周側の温度が上昇し過ぎてしまうおそれがある。また、Ｍ／Ｔが０．３を超えると、ブレーキディスク２の摺動面２ａの内周側に熱エネルギーを強く与えることができなくなる可能性があるからである。

この場合、ブレーキディスク２の摺動面２ａの半径方向中央線に対して対称となるように外周側の摩擦部材１ａｂを配置するのがよい。また、周方向にも複数個配置するのが好ましい。

・摩擦部材の大きさ
摩擦部材１ａａ，１ａｂ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１ａａ，１ａｂの半径方向長さＬは４０mm以上とすることが好ましい。また、摩擦部材１ａａ，１ａｂの周方向長さは、半径方向長さＬとほぼ等しくなるようにするのが好ましい。

・摩擦部材を裏板に取付ける構造
摩擦部材１ａａ，１ａｂがブレーキディスク２の変形に追従して動くためには、摩擦部材１ａａ，１ａｂと裏板１ｂの間に皿ばねあるいは半径方向にアーチ型の板ばね等のばね部品１ｃを挿入するのが良い。また摩擦部材１ａａ，１ａｂが十分に動くためには、そのばね定数を６〜１２kN／mmとするのが好ましい。ばね定数が６kN／mmより小さいと、ばねの耐久性を十分に確保できず、１２kN／mmより大きいと摩擦部材が十分に動くことができない。さらに好ましくは、ばね定数を８〜１０kN／mmとするのがよい。

なお、本発明のブレーキライニング１の摩擦部材１ａａ，１ａｂ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１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。

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。

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の最高温度とＰ／Ｔの関係を表した図である。 本発明のブレーキライニングの他の実施形態を示す図１（ａ）と同様の図で、押付け荷重が半径方向に複数ある場合の説明図である。 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 ブレーキライニング
１ａ，１ａａ，１ａｂ 摩擦部材
１ｂ 裏板
１ｃ ばね部材
２ ブレーキディスク
２ａ 摺動面
３ 押付け荷重の中心位置
４ 内周側摩擦部材の半径方向中央線

Claims (5)

1. 摺動面より内周側に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるアルミニウム基複合材製ブレーキディスクの前記摺動面に、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、
   ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重が、前記半径方向に分割された摩擦部材の、外周側に比べて内周側の方が大きくな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. 前記ブレーキディスクの摺動面の半径方向長さをＴ、
   ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重の中心位置と、ブレーキディスクの摺動面の最内周位置との距離をＰとした場合に、
   Ｐ／Ｔが０．２０〜０．４７となるように構成することで、ブレーキキャリパからブレーキライニングに作用する押付け荷重が、前記半径方向に分割された摩擦部材の、外周側に比べて内周側の方が大きくなるようにした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. 前記分割された摩擦部材のうち、ブレーキディスクの内周側と相対する位置に配置した摩擦部材の半径方向中央線と、ブレーキディスクの摺動面の最内周位置との距離をＭとした場合に、
   Ｍ／Ｔが０．２〜０．３となるように構成し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１〜３の何れかに記載の鉄道車両用ブレーキライニング。
5. 摺動面より内周側に締結孔を備え、当該締結孔部にて車軸に取付けたディスク体又は車輪にボルト締結されるアルミニウム基複合材製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１〜４の何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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