Vehicular caliper braking device

本発明は、車輪と共に回転するディスクを挟んで摩擦力を付与する車両用キャリパブレーキ装置の改良に関するものである。

一般に、鉄道車両の油圧ブレーキは空気圧源から供給される空気圧を油圧に変換する空油変換器を搭載し、この空油変換器から油圧配管を介して供給される油圧により油圧ブレーキを作動させるようになっている。

近年、鉄道車両に空気圧源から供給される空気圧により作動する空気圧ブレーキを搭載して、上記の空油変換器と油圧配管を廃止することが望まれている。

特許文献１、２には、油圧シリンダに供給される油圧によって制輪子を押圧作動する鉄道車両用ブレーキ装置が開示されている。

特許文献３には、エアチャンバを用いたアクチュエータに供給される空気圧によって制輪子を押圧作動する鉄道車両用ブレーキ装置が開示されている。

特開平８−２２６４６９号公報

特開平８−２２６４７１号公報

特開平１１−１９３８３５号公報

しかしながら、このような従来の鉄道車両用ブレーキ装置にあっては、油圧シリンダまたはアクチュエータが制輪子全体を押圧するのではなく、制輪子の一部を押圧するため、この押し付け反力によってキャリパ本体が撓んだり、ディスクの回転面に変形が生じた場合に、制輪子の局部的な温度上昇が生じることによって制輪子の摩擦係数が低下し、制輪子本来の制動力を発揮できず、制輪子の偏摩耗が生じるという問題点があった。

また、特許文献３の図６に示されるテコ式空気圧ブレーキの場合は、テコの軸受部に働く摩擦力等の影響により制輪子をディスクと平行に押すことが困難であり、制輪子の偏摩耗が生じるという問題点があった。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、制輪子本来の制動力を発揮できる車両用キャリパブレーキ装置を提供することを目的とする。

本発明は、車両用キャリパブレーキ装置において、車輪と共に回転するディスクと、このディスクを挟んで摩擦力を付与する左右の制輪子と、車体に支持されるキャリパ本体と、制輪子をディスクに押し付けるアクチュエータとを備え、このアクチュエータは、キャリパ本体に取り付けられる弾性膜と、この弾性膜によって画成され制動時に流体圧が供給される弾性膜室と、弾性膜と制輪子の間に介装される押圧ピストンとを備え、キャリパ本体に押圧ピストンを摺動可能に支持するシリンダを形成し、制動時に弾性膜室に導かれる流体圧により弾性膜が膨らんで押圧ピストンが制輪子をディスクに押し付ける構成としたことを特徴とする。

本発明によると、アクチュエータはキャリパ本体の限られたスペースにおいて弾性膜の受圧面積を十分に確保し、制輪子のディスクに対する面圧が均一化されることにより、制輪子の摩擦係数が高く保たれ、制輪子本来の制動力が発揮されるとともに、制輪子やディスクの局部的な温度上昇が抑えられることによって制輪子やディスクの偏摩耗が生じることを防止できる。

図１、図２に本発明が適用可能なキャリパブレーキ装置の一例を示す。

図１はキャリパブレーキ装置１の平面図である。 ここで、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚの３軸を設定し、Ｘ軸が水平横方向、Ｙ軸が鉛直方向、Ｚ軸が水平前後方向に延びるものとし、キャリパブレーキ装置１の構成を説明する。

キャリパブレーキ装置１は、対の制輪子７の間に車輪５のディスク６を挟持し、車輪５の回転を制動するものである。

図１において、２０は鉄道車両の図示しない台車上に固定される支持枠である。 図３に示すように、キャリパブレーキ装置１はキャリパ本体１０がこの支持枠２０に上下スライドピン３０、３２によってＸ軸方向に摺動可能にフローティング支持される。

図２は上スライドピン３０まわりの断面図である。 この図２に示すように、キャリパ本体１０の各ブラケット部１５、１６に上スライドピン３０の両端部が支持され、上スライドピン３０と支持枠２０との間にゴム製のブッシュ３３が介装され、支持枠２０に対してキャリパ本体１０をＸ軸方向に摺動可能にフローティング支持するとともに、支持枠２０に対してキャリパ本体１０をＺ軸まわりに揺動可能に支持する。 これにより、キャリパ本体１０は台車に対する車輪５の揺動に追従し、各制輪子７が車輪５のディスク６に平行に対峙する。

各ブラケット部１５、１６と支持枠２０との間にはゴム製のブーツ３４が介装され、このブーツ３４によって上下スライドピン３０、３２の露出部がダストから保護される。

キャリパ本体１０は、車輪５のディスク６に跨るようにして延びる第一、第二キャリパアーム１２、１４と、この第一、第二キャリパアーム１２、１４を結ぶヨーク部１３とを有する。

第一キャリパアーム１２の上下端部にアジャスタ４１がアンカボルト４２を介してそれぞれ締結され、このアジャスタ４１から突出するアンカピン４３を介して制輪子７の両端部が支持される。

図３は本発明の実施の形態をに示すキャリパブレーキ装置１の側面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

制輪子７は、ディスク６に摺接するライニング９と、このライニング９の背部が取り付けられるライニング背板９７とを備える。

各アンカピン４３には環状溝８６が形成され、ライニング背板９７の上下端部にはこの環状溝８６に係合する係合部８５が形成される。 ライニング背板９７の上下端部が各アジャスタ４１から突出するアンカピン４３に係合することにより、制輪子７の制動反力が支持される。

制輪子７はこの各係合部８５が各アンカピン４３の環状溝８６に係合することにより、ディスク６に対して進退可能に支持される。

アジャスタ４１はアンカピン４３を介して制輪子７をディスク６から離す方向に付勢する戻しバネ４４と、制動解除時に制輪子７とディスク６の隙間を略一定に調整する隙間調整機構４５を備える。 ブレーキ解除時に制輪子７は戻しバネ４４の付勢力によってディスク６から離され、隙間調整機構４５によってディスク６との隙間が略一定に調整される。

なお、図１に示すように、制輪子７は案内板８を介して各アンカピン４３に連結する構造としても良い。 この場合、案内板８を介してアンカピン４３に制輪子７を支持する剛性を高められるとともに、制輪子７を着脱する作業が案内板８を介して容易に行える。

図３、図４に示す本発明の実施の形態では、制輪子７は、案内板８を廃止して構造の簡素化がはかれるとともに、キャリパ本体１０をＸ軸方向について小型化することができる。 さらに、制輪子７の剛性が低下することにより、ライニング９がディスク６の表面形状や変形に追従して作動することが可能となる。

第一キャリパアーム１２に制輪子７をディスク６に押圧するアクチュエータ６０が設けられる。

図４に示すように、アクチュエータ６０は、第一キャリパアーム１２のキャリパ部１２ｆに形成されるシリンダ８０と、このシリンダ８０に取り付けられる弾性膜７５と、シリンダ８０に締結されるカバー９２と、シリンダ８０とこの弾性膜７５とこのカバー９２の間に画成される弾性膜室６３とを備え、この弾性膜室６３に導かれる空気圧により弾性膜７５が制輪子７をＸ軸方向に押圧し、制輪子７をディスク６に押し付ける。

アクチュエータ６０は、各アジャスタ４１の間に配置される。 第一キャリパアーム１２の上下端部にはアジャスタ４１が介装されるアジャスタ取付凹部１２ａ、１２ｂが形成され、シリンダ８０はこのアジャスタ取付凹部１２ａ、１２ｂの間に形成される。

シリンダ８０は弾性膜室６３に沿ってＸ軸方向に延びる筒面状のシリンダ側壁８２と、弾性膜７５の周縁部７６が取り付けられる環状の取付座８１とを有する。 取付座８１はＹ軸とＺ軸方向に延びる平面状に形成される。

板状のカバー９２は取付座８１と同じく略長円形の外形を有し、取付座８１と同じく制輪子７の中心線Ｏｚについて対称的に形成される。

取付座８１には複数のネジ穴が所定の間隔を持って形成され、各ネジ穴に螺合するボルト８４を介してカバー９２が締結される。 取付座８１とカバー９２との間に弾性膜７５の周縁部７６が挟持される。

図３に示すように、キャリパ本体１０のシリンダ側壁８２は、制輪子７のライニング９に沿って湾曲して延びる前後の湾曲壁部８２ｃ、８２ｄと、この前後の湾曲壁部８２ｃ、８２ｄを結んで円弧状に延びる上下の円弧状壁部８２ａ、８２ｂとを有する。 これにより、シリンダ側壁８２の内側に弾性膜７５によって画成される弾性膜室６３は制輪子７のライニング９に対して広い範囲で対峙している。

前後の湾曲壁部８２ｃ、８２ｄは弾性膜室６３に対して凹状に湾曲し、両者は互いに制輪子７の中心線Ｏｘについて対称的に形成される。

上下の円弧状壁部８２ａ、８２ｂは弾性膜室６３に対して凹状に湾曲し、両者は互いに制輪子７の中心線Ｏｚについて対称的に形成される。

弾性膜７５は樹脂製弾性材によって形成され、取付座８１とカバー９２との間に挟持される周縁部７６と、シリンダ側壁８２に沿って伸縮するベローズ部７７と、制輪子７に対峙する押圧部７９とを有する。 弾性膜室６３に導かれる空気圧力によってベローズ部７７が伸張して押圧部７９が制輪子７を押圧するようになっている。

なお、弾性膜７５は樹脂製弾性材に例えばカーボン繊維、ケブラー繊維等の強化材を複合したものを用いてベローズを形成しても良い。 また、弾性膜を金属薄板からなるベローズやゴム製チューブやダイヤフラムを用いて形成しても良い。

弾性膜７５の押圧部７９と制輪子７の間に押圧ピストン６５が介装され、この押圧ピストン６５はシリンダ８０に摺動可能に支持され、押圧ピストン６５が弾性膜７５の動きを制輪子７に伝達する構成とする。

中空筒状の押圧ピストン６５は、シリンダ８０のシリンダ側壁８２に摺動可能に嵌合するピストン嵌合部６６と、シリンダ８０のシリンダ側壁８２に対して間隙を持って延びる筒状のピストン側部６７と、このピストン側部６７の基端部から延びる板状のピストン端板部６８とを有する。

ピストン嵌合部６６とピストン側部６７とは互いに段差を持ってＸ軸方向に延びる筒状に形成される。 弾性膜７５のベローズ部７７は、シリンダ側壁８２とピストン側部６７の間に設けられる間隙に収められ、シリンダ側壁８２に沿って伸縮するようになっている。

ピストン端板部６８はＹ軸とＺ軸方向に延びる板状に形成される。 弾性膜７５の押圧部７９はピストン端板部６８に当接し、弾性膜室６３に導かれる空気圧力によって押圧部７９がピストン端板部６８を押圧するようになっている。

なお、これに限らず、弾性膜７５の押圧部７９をピストン端板部６８に接着または締結等により固着しても良い。

押圧ピストン６５の先端部には断熱プレート７０が設けられ、この断熱プレート７０が制輪子７に当接する。 断熱プレート７０は断熱材によって形成され、制輪子７の熱が押圧ピストン６５と弾性膜７５に伝達されることを抑制する。

断熱プレート７０は押圧ピストン６５の段部６９に着座して取り付けられる。 断熱プレート７０はピストン嵌合部６６の先端面を間隙を持って覆うフランジ部７１を有する。 断熱プレート７０は、制輪子７のライニング９に対して広い範囲で対峙している。

押圧ピストン６５と断熱プレート７０の間には断熱空間７２が設けられる。 断熱空間７２によって制輪子７の熱が押圧ピストン６５と弾性膜７５に伝達されることを抑制する。

キャリパ本体１０には通孔７９が形成され、この通孔７９は図示しない配管を介して鉄道車両の空気圧源に連通する。 この空気圧源からの加圧空気は図示しない切換弁を介して弾性膜室６３に供給される。 図示しないコントローラからの指令に応じて切換弁は制動時に空気圧源からの加圧空気を弾性膜室６３に導く一方、非制動時に大気圧を弾性膜室６３に導く。

以上のようにキャリパブレーキ装置１は構成され、制動解除時に弾性膜室６３に大気圧が導かれており、アジャスタ４１に備えられる戻しバネ４４の付勢力によって制輪子７がディスク６から離れる。 このとき、弾性膜７５は制輪子７に追従して収縮する。

制動時に弾性膜室６３に導かれる空気圧により弾性膜７５が膨らみ、弾性膜７５が押圧ピストン６５を介して制輪子７をディスク６に押圧し、制輪子７がディスク６に摩擦力を付与し、車輪の回転を制動する。

図５の（ａ）は従来の油圧式ピストン型キャリパブレーキ装置を示し、油圧室４８に導かれる作動油圧により対のピストンが制輪子７をディスクに押し付けるものである。

この従来の油圧式ピストン型キャリパブレーキ装置は、シリンダ４７の寸法と油圧室４８に導かれる最大油圧力が以下のように設定され、必要な押圧力として約２０ｋＮが得られる。 なお、図５の（ａ）において、油圧室４８が形成される部位に斜線を入れて示している。
シリンダ４７の直径：φ３８ｍｍ×２個シリンダ４７の断面積（ピストンの受圧面積）：２２６８ｍｍ ²
油圧力：９ＭＰａ
押圧力＝２２６８×９＝約２０ｋＮ
図５の（ｂ）は本発明の空気圧式弾性膜型キャリパブレーキ装置１を示し、シリンダ８０の断面積と弾性膜室６３に導かれる最大空気圧力が以下のように設定され、従来の油圧式ピストン型キャリパブレーキ装置と同等以上の押圧力が得られる。
シリンダ８０の断面積（弾性膜７５の受圧面積）：３００００ｍｍ ²
空気圧力：０．７５ＭＰａ（７００ｋＰａ）
押圧力＝３００００×０．７５＝２２．５ｋＮ
このように、アクチュエータ６０は弾性膜７５の受圧面積を十分に確保し、要求される押圧力を制輪子７に付与することが可能となる。

アクチュエータ６０は鉄道車両に搭載される空気圧源からこの弾性膜室６３に供給される空気圧によって弾性膜７５が押圧ピストン６５を介して制輪子７を押圧作動するため、鉄道車両に搭載される空油変換器（油圧源）や油圧配管が不要になり、鉄道車両の軽量化がはかれる。

なお、弾性膜型キャリパブレーキ装置は、これに限らず、油圧式アクチュエータを設け、弾性膜室に油圧を導く構成としてもよい。 この場合、従来の油圧式ピストン型キャリパブレーキ装置に比べてアクチュエータの受圧面積が拡大するため、低い油圧でアクチュエータに必要な押圧力を確保でき、空油変換器による増圧が不要になり、空油変換器の小型化がはかれる。

本実施の形態では、車輪５と共に回転するディスク６と、このディスク６を挟んで摩擦力を付与する左右の制輪子７と、台車（車体）に支持されるキャリパ本体１０と、制輪子７をディスク６に押し付けるアクチュエータ６０とを備え、このアクチュエータ６０は、キャリパ本体１０に取り付けられる弾性膜７５と、この弾性膜７５によって画成され制動時に空気圧（流体圧）が供給される弾性膜室６３と、弾性膜７５と制輪子７の間に介装される押圧ピストン６５とを備え、キャリパ本体１０に押圧ピストン６５を摺動可能に支持するシリンダ８０を形成し、制動時に弾性膜室６３に導かれる空気圧（流体圧）により弾性膜７５が膨らんでこの押圧ピストン６５が制輪子７をディスク６に押し付ける構成とした。

上記構成に基づき、アクチュエータ６０はキャリパ本体１０の限られたスペースにおいて弾性膜７５の受圧面積を十分に確保し、制輪子７のディスク６に対する面圧が均一化されることにより、制輪子７の摩擦係数が高く保たれ、制輪子７本来の制動力が発揮されるとともに、制輪子７やディスク６の局部的な温度上昇が抑えられることによって制輪子７やディスク６の偏摩耗が生じることを防止できる。

他の実施の形態として、弾性膜７５と制輪子７の間に介装される押圧ピストンを複数に分割しても良い。 この場合、弾性膜７５が膨らんで複数の押圧ピストンが制輪子７をディスク６に押し付ける構成のため、この押し付け反力によってキャリパ本体１０が撓んだり、ディスク６の回転面に変形が生じた場合に、各押圧ピストンが追従して制輪子７をディスク６の回転面に対して平行に押し付ける。 これにより制輪子７やディスク６の偏摩耗が生じることを防止できる。

本実施の形態では、キャリパ本体１０に制輪子７を支持する対のアンカピン４３を備え、弾性膜室６３をこの各アンカピン４３の間に配置したため、弾性膜７５が膨らんで制輪子７をディスク６に押し付ける動きが各アンカピン４３を介して円滑に行われるとともに、各アンカピン４３に挟まれるスペースにおいて弾性膜７５の受圧面積を十分に確保し、要求される押圧力を制輪子７の広い範囲に付与することが可能となる。

本実施の形態では、アクチュエータ６０を挟むように配置される対のアジャスタ４１を備え、このアジャスタ４１は、アンカピン４３を介して制輪子７をディスク６から離す方向に付勢する戻しバネ４４と、制動解除時に制輪子７とディスク６の隙間を略一定に調整する隙間調整機構４５とを備えたため、弾性膜７５が膨らんで制輪子７をディスク６に押し付ける動きが各アジャスタ４１を介して円滑に行われるとともに、各アジャスタ４１に挟まれるスペースにおいて弾性膜７５の受圧面積を十分に確保し、要求される押圧力を制輪子７の広い範囲に付与することが可能となる。

本実施の形態では、シリンダ側壁８２は、ライニング９に沿って湾曲して延びる一方の湾曲壁部８２ｃと、この湾曲壁部８２ｃと対称的に湾曲して延びる他方の湾曲壁部８２ｄと、この各湾曲壁部８２ｃ、８２ｄを結んで円弧状に延びる上下の円弧状壁部８２ａ、８２ｂとを有したため、キャリパ本体１０の限られたスペースにおいて弾性膜７５の受圧面積を十分に確保するとともに、弾性膜７５はシリンダ側壁８２に沿って屈曲する部位が生じることなく、弾性膜７５の耐久性を確保できる。

本実施の形態では、弾性膜７５はシリンダ８０と押圧ピストン６３の間で拡縮するベローズ部７７を有し、キャリパ本体１０はこのベローズ部７７を囲んで筒面状に延びるシリンダ側壁８２を有したため、制動時に弾性膜室６３に導かれる空気圧により弾性膜７５のベローズ部７７がディスク６と平行方向（Ｙ軸とＺ軸を含む方向）に膨らむことがシリンダ側壁８２によって規制され、弾性膜７５が制輪子７を押圧するのに必要な空気流量を低減し、弾性膜７５が制輪子７を押圧して車輪５を制動する応答性を高められる。

本実施の形態では、キャリパ本体１０は弾性膜７５の周縁部７６が取り付けられる環状の取付座８１を有し、取付座８１との間に弾性膜７５の周縁部７６を挟持するカバー９２を備え、このカバー９２と弾性膜７５との間に弾性膜室６３を画成したため、アクチュエータ６０をキャリパ本体１０内にコンパクトに収められ、キャリパ本体１０の大型化が避けられる。

本実施の形態では、押圧ピストン６５に断熱プレート７０を取り付け、この断熱プレート７０が制輪子７に当接するため、制輪子７の熱が弾性膜７５に伝達されることを抑制し、樹脂製弾性材からなる弾性膜７５の耐熱性を確保できる。 また、断熱プレート７０を設けることにより、押圧ピストン６５を例えば金属によって形成することが可能となる。

なお、必要に応じて断熱材を溶射したプレートを断熱プレート７０として用いても良い。

また、押圧ピストン６５のピストン端板部６８と弾性膜７５の押圧部７９の間に断熱プレートを介装しても良い。 この場合も、制輪子７の熱が弾性膜７５に伝達されることを抑制し、樹脂製弾性材からなる弾性膜７５の耐熱性を確保できる。

本実施の形態では、押圧ピストン６５に断熱プレート７０を取り付け、押圧ピストン６５と断熱プレート７０の間に断熱空間７２を設けたため、断熱空間７２によって制輪子７の熱が押圧ピストン６５と弾性膜７５に伝達されることを抑制し、樹脂製弾性材からなる弾性膜７５の耐熱性を高められる。

本実施の形態では、キャリパ本体１０が上下スライドピン３０、３２を介して摺動可能にフローティング支持される構造のため、ディスク６に跨るようにして延びる第一キャリパアーム１２と第二キャリパアームのうち、第一キャリパアーム１２のみにアクチュエータ６０を設けることが可能となり、キャリパブレーキ装置１の大型化が避けられる。

なお、これに限らず、第一キャリパアーム１２と第二キャリパアームの両方にアクチュエータ６０を設けてもよい。 この場合、キャリパ本体１０をＸ軸方向に摺動可能にフローティング支持する必要がなく、キャリパ本体１０は台車（車体）に対して固定される。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明が適用されるキャリパブレーキ装置の平面図。

同じく上スライドピンまわりの断面図。

本発明の実施の形態を示すキャリパブレーキ装置の側面図。

同じく図３のＡ−Ａ線に沿う断面図。

同じく制輪子等の側面図。

符号の説明

１ キャリパブレーキ装置５ 車輪６ ディスク７ 制輪子９ ライニング１０ キャリパ本体１２ 第一キャリパアーム４３ アンカピン６０ アクチュエータ６３ 弾性膜室６５ 押圧ピストン７０ 断熱プレート７２ 断熱空間７５ 弾性膜７７ ベローズ部８０ シリンダ８１ 取付座８２ シリンダ側壁９２ カバー