Brake lining for rail vehicles

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、自身のみならずブレーキディスクの耐久性をも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。
以下、鉄道車両用のディスクブレーキを例にとって説明する。

ディスクブレーキは、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、車両の高速化に伴うブレーキ負荷の増大により接触面での温度が高くなっている。

また、従来型のディスクブレーキでは、ブレーキライニング１は、図６に示すように、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は、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、同様に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押付け荷重が負荷される。

このように、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ため、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り、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の、等面圧ライニングが必要とされる。
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て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となると、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で開示された技術は、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している。

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ことになる。

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ことについての配慮がなされてい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可及的に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可及的に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の、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可及的に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て等面圧機能を発揮する弾性部材を保護するとともに等面圧を維持するという目的を、摩擦部材の裏板と相対する面を凸湾曲状に形成し、重押付け時には、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によって実現した。

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、摩擦部材と裏板の間に介在される弾性部材が、長期間に亘って等面圧機能を維持するには、摩擦部材が高温となって弾性部材が降伏する重押付け時における弾性部材の使用を制限し、極度に変形すること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、十分等面圧を達成することが可能であることが判明した。

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つに分割すると共に、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くなる。

また、図１の例では、前記摩擦部材１１の裏板１２への取付けは、摩擦部材１１に設けた鍔部１１ｄに係合する押さえ板１４を、押さえ板１４と裏板１２を貫通するリベット１５により裏板１２側に引き寄せ、皿ばね１３を少し押し付けた状態にして取付けている。

以上の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には、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には、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で可及的に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ことになる。 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ことになる。 また、球面部１１ａが皿ばね１３より外縁側（外周側）に設けられていることから、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、荷重を外縁側に広く分散し、より等面圧とすることができる。

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、可及的に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