キャリパブレーキ装置

本発明は、車輪とともに回転するディスクに摩擦力を付与して車輪の回転を制動するキャリパブレーキ装置に関するものである。

従来から、鉄道車両等の車両には、油圧や空気圧などの流体圧を利用して制動を行う流体圧ブレーキ装置が用いられている。 特許文献１には、流体圧力の変化に伴う押圧弾性膜の変形によって進退するピストンが制輪子をディスクに押圧するキャリパブレーキ装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載のキャリパブレーキ装置では、ピストンは、制輪子が取り付けられるガイドプレートに複数のボルトによって締結されている。 そのため、制輪子とディスクとの当接による摩擦熱が、ガイドプレートからピストンを介して押圧弾性膜に伝達されるおそれがあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、制輪子とディスクとの当接による摩擦熱の断熱性を向上することを目的とする。

本発明は、車輪とともに回転するディスクを挟んで摩擦力を付与するキャリパブレーキ装置であって、車体に支持されるキャリパ本体と、前記キャリパ本体に対して進退し、前記ディスクに摺接して摩擦力を付与可能な制輪子と、前記制輪子を支持するガイドプレートと、前記ガイドプレートを前記キャリパ本体に進退自在に支持するアンカピンと、前記キャリパ本体に対して進退し、前記ガイドプレートを介して前記制輪子を押圧可能なピストンと、前記ピストンの背面に当接するとともに前記キャリパ本体内に圧力室を画成し、当該圧力室内の作動流体の圧力によって弾性変形して前記ピストンを移動させる弾性膜と、前記ピストンを前記アンカピンに摺動自在に支持するピストンプレートと、を備え、前記ピストンは、前記ガイドプレートに向かって先端部が突出するように設けられる複数の小ピストンを有することを特徴とする。

本発明では、制輪子を支持するガイドプレートとピストンを支持するピストンプレートとが別体に形成される。 ガイドプレートは、アンカピンに支持されて進退し、ピストンプレートは、アンカピンに摺動自在に支持される。 よって、制動状態から非制動状態となったときに、ガイドプレートとピストンとの間に空隙を形成することができる。 したがって、制輪子とディスクとの当接による摩擦熱の断熱性を向上することができる。

本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置の平面図である。

図１における正面図である。

図２におけるＡ−Ａ断面図である。

（ａ）は、ピストン及びピストンプレートの正面図であり、（ｂ）は、図４（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。

（ａ）は、ピストン及びピストンプレートの変形例に係る正面図であり、（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。

本発明の実施の形態の他の変形例に係るキャリパブレーキ装置の側面の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００について説明する。

まず、図１及び図２を参照して、キャリパブレーキ装置１００の全体構成について説明する。

キャリパブレーキ装置１００は、作動流体として圧縮空気が用いられる鉄道車両用の空気圧ブレーキである。 キャリパブレーキ装置１００は、支持枠２０を介して図示しない台車（車体）に支持されるキャリパ本体１０と、キャリパ本体１０に対して進退しディスク６に摺接して摩擦力を付与可能な一対の制輪子７と、制輪子７を支持するガイドプレート８と、ガイドプレート８をキャリパ本体１０に進退自在に支持する一対のアンカピン４３と、制輪子７を圧縮空気の圧力によってディスク６に押圧する押圧機構５０とを備える。

キャリパブレーキ装置１００は、車輪５とともに回転するディスク６を挟んで摩擦力を付与するものである。 具体的には、キャリパブレーキ装置１００は、ディスク６をその両面から一対の制輪子７で挟持し、ディスク６と制輪子７との間の摩擦力によって車輪５の回転を制動する。

ディスク６は、車輪５の表裏両面に形成されて車輪５と一体に回転する。 ディスク６を車輪５と一体に形成する構成に代えて、車輪５とともに回転する別体のディスク６を設けてもよい。

キャリパ本体１０は、図１に示すように、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及び第二キャリパアーム１４と、第一キャリパアーム１２と第二キャリパアーム１４とを結ぶヨーク部１３と、キャリパ本体１０を台車上に支持するための一対のブラケット部１５とを備える。

キャリパ本体１０は、図２に示すように、上スライドピン３０と下スライドピン３２とによって支持枠２０に対して摺動可能にフローティング支持される。 これにより、キャリパ本体１０は、台車に対する車輪５の軸方向への相対移動に追従し、制輪子７が車輪５のディスク６に対して平行に対峙することとなる。

上スライドピン３０と下スライドピン３２とは、支持枠２０を貫通して設けられる。 上スライドピン３０と下スライドピン３２との両端部は、キャリパ本体１０のブラケット部１５に各々連結される。 キャリパ本体１０は、上スライドピン３０と下スライドピン３２との軸方向への相対移動が可能なように支持枠２０に支持される。 上スライドピン３０と下スライドピン３２との露出部は、図１に示すように、ゴム製のブーツ３４によって覆われ、ダスト等から保護されている。

制輪子７は、押圧機構５０による押圧力を受け、ディスク６に平行に当接して押圧される。 制輪子７は、車輪５とともに回転するディスク６に当接するライニング９を有する。 制輪子７のライニング９が設けられる面と反対側の背面は、ガイドプレート８に固定される。 制輪子７は、ライニング９とディスク６との当接によって発生する摩擦力によって、車輪５の回転を制動する。

ガイドプレート８は、長手方向に沿って形成され制輪子７の背面が係合するアリ溝８ａを有する。 ガイドプレート８は、長手方向の両端部が、一対のアンカピン４３によってキャリパ本体１０に支持される。 このアンカピン４３を有するアジャスタ４０については、あとで図３を参照しながら詳細に説明する。

次に、図３及び図４を参照して、キャリパ本体１０の内部構造について説明する。

図３に示すように、キャリパ本体１０には、長手方向の両端部に配置される一対のアジャスタ４０と、一対のアジャスタ４０の間に配置される押圧機構５０とが設けられる。

アジャスタ４０は、ディスク６に対する制輪子７の初期位置を調節するものである。 アジャスタ４０は、アンカボルト４２によってキャリパ本体１０の上下端部にそれぞれ締結される。

アジャスタ４０は、アンカボルト４２によってキャリパ本体１０に固定される制輪子受４１と、制輪子受４１に対して進退可能に設けられて制輪子７をキャリパ本体１０に支持するアンカピン４３と、制輪子７をディスク６から離間する方向に付勢する戻しばね４４と、制動解除時に制輪子７とディスク６との隙間を一定に調整する隙間調整機構４５とを備える。

アンカピン４３は、略有底円筒状に形成される。 アンカピン４３は、制輪子７の両端を支持するように一対設けられる。 アンカピン４３は、ガイドプレート８に係合する鍔部４３ｂを有する。 アンカピン４３は、その底部４３ａが制輪子受４１から突出して設けられ、鍔部４３ｂがガイドプレート８の両端部に嵌まることによって、制輪子７を支持する。

アンカピン４３は、制輪子７がディスク６に近接する際に、制輪子７とともに変位するガイドプレート８によって制輪子受４１から引き出されて軸方向に変位する。 アンカピン４３は、制輪子７がディスク６に摺接する制動時に、摩擦力によってディスク６が制輪子７を周方向に移動させようとするのに抗して、制輪子７を保持する。

アンカピン４３の内周には、戻しばね４４と隙間調整機構４５とが収装される。 アンカピン４３において摺動時に外部に露出する摺動部は、ゴム製のブーツ４７によって覆われ、ダスト等から保護されている。

戻しばね４４は、アンカピン４３の内周に圧縮して介装されるコイルばねである。 戻しばね４４は、制動状態から非制動状態になったときに、その付勢力によってアンカピン４３の鍔部４３ｂがガイドプレート８を介して制輪子７を押し戻し、制輪子７をディスク６から所定の距離だけ離間させるものである。 これにより、制動解除時における制輪子７とディスク６との距離を調整して、ディスク６の放熱性を良好にすることができる。

隙間調整機構４５は、制動解除時における戻しばね４４の付勢力による制輪子７の戻し量が常に一定となるように調整する。 つまり、隙間調整機構４５は、制動解除時における制輪子７とディスク６の間隔を常に一定に保つものである。

押圧機構５０は、キャリパ本体１０に形成されるシリンダ５１と、シリンダ５１に対して進退してガイドプレート８を介して制輪子７を押圧可能なピストン５２と、ピストン５２の背面５２ｃに当接するとともにキャリパ本体１０内に圧力室５５を画成し、圧力室５５内の圧縮空気の圧力によって弾性変形してピストン５２を移動させる弾性膜としてのダイヤフラム５３と、ピストン５２をアンカピン４３に摺動自在に支持するピストンプレート５８とを備える。

押圧機構５０は、圧力室５５における空気圧を調整することでダイヤフラム５３を変形させ、ダイヤフラム５３の変形によってピストン５２をシリンダ５１に対して進退させるものである。 押圧機構５０は、ピストン５２をシリンダ５１から退出させることによって、ガイドプレート８を介して制輪子７をディスク６に押圧するものである。

シリンダ５１は、内周をピストン５２が進退するシリンダ本体５１ａと、シリンダ本体５１ａとの間にダイヤフラム５３を挟み込んで固定し、シリンダ本体５１ａの背面を閉塞して圧力室５５を画成するキャリパカバー５４とを備える。

シリンダ本体５１ａは、ピストン５２の周囲を環状に囲むような楕円形の筒状に形成される。 シリンダ本体５１ａの内周には、ピストン５２の外周面に摺接してダスト等から保護するダストシール５１ｂが設けられる。

キャリパカバー５４は、シリンダ本体５１ａに対応する楕円形に形成される板材である。 キャリパカバー５４は、複数のボルト５４ａによってシリンダ本体５１ａの端面に固定される。

ダイヤフラム５３は、圧力室５５内の圧力によって弾性変形してピストン５２を移動させるものである。 ダイヤフラム５３は、最外周を形成する周縁部５３ａと、最内周に形成される押圧部５３ｃと、周縁部５３ａと押圧部５３ｃとの間に連続して形成されるベローズ部５３ｂとを有する。

周縁部５３ａは、シリンダ本体５１ａとキャリパカバー５４との間に挟まれて固定される。 このとき、周縁部５３ａがパッキンの役割を果たすため、圧力室５５の気密性が確保される。

ベローズ部５３ｂは、シリンダ本体５１ａの内周面とピストン５２の外周面との間に位置する。 ベローズ部５３ｂは、圧力室５５の圧力が上昇すると折りたたまれた状態（図３の状態）から伸長し、圧力室５５の圧力が下降すると折りたたまれた状態に戻る。 つまり、ベローズ部５３ｂは、圧力室５５に供給される空気圧によって、折りたたまれた状態と伸長した状態とに変形可能である。

押圧部５３ｃは、ピストン５２と当接しており、折りたたまれていたベローズ部５３ｂが伸長することによってピストン５２の退出方向に変位する。 押圧部５３ｃが変位することによって、ピストン５２は押圧されてシリンダ５１内を移動する。

圧力室５５は、シリンダ５１の内部に、ダイヤフラム５３とキャリパカバー５４とによって画成される。 圧力室５５は、その容積の拡縮に伴って、ピストン５２を進退させる。 圧力室５５には、通孔５６（図２参照）が設けられる。 制動時にダイヤフラム５３を変形させるための圧縮空気は、外部の空気圧源から通孔５６を通じて供給される。

ピストン５２は、ガイドプレート８の背面に当接する。 ピストン５２は、ダイヤフラム５３によってシリンダ５１内に保持される。

ピストン５２は、図４に示すように、惰円柱状に形成されるピストン本体５２ａと、前面５２ｂからガイドプレート８に向かって先端部が突出するように設けられる複数の小ピストンとしての断熱部材５９とを有する。

ピストン本体５２ａは、ガイドプレート８に臨む前面５２ｂと、前面５２ｂの反対側に形成されダイヤフラム５３と当接する背面５２ｃとを有する。 ピストン本体５２ａは、ピストンプレート５８と一体に形成されて支持される。

ピストン５２は、ピストン本体５２ａの背面５２ｃに当接するダイヤフラム５３の変形によってシリンダ５１内を進退する。 このように、ダイヤフラム５３は、楕円形に形成される背面５２ｃの全面を押圧するため、断熱部材５９を直接押圧する場合と比較して押圧効率を向上できる。

断熱部材５９は、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱が、ピストン本体５２ａを通じてダイヤフラム５３に伝達されるのを抑制するものである。 本実施の形態では、２１個の断熱部材５９が設けられる。

断熱部材５９は、円柱状に形成され、基端部がピストン本体５２ａに埋め込まれて固定される。 断熱部材５９をピストン本体５２ａに埋め込むのではなく、ピストン本体５２ａの前面５２ｂに貼り付けるなどして固定してもよい。 断熱部材５９がピストン本体５２ａに固定されることで、押圧されたときに断熱部材５９が傾動することがないため、押圧効率を向上できる。

断熱部材５９は、ピストン本体５２ａと比較して熱伝導性の低い材質で形成される。 断熱部材５９が設けられることで、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱のピストン５２への伝達を抑制することができる。

また、複数の断熱部材５９がガイドプレート８と当接することで、ダイヤフラム５３の変形による押圧力を伝達可能な面積が増加するとともに、摩擦熱などに起因するディスク６の変形への制輪子７の追従性を向上できる。

なお、図５に示すように、大径の断熱部材５９を二つ設けてもよい。 このように、断熱部材５９の個数は複数であればいくつであってもよい。

ピストンプレート５８は、図３に示すように、ガイドプレート８と平行に設けられる板材である。 ピストンプレート５８は、その端面がピストン本体５２ａの前面５２ｂと面一となるように設けられる。

ピストンプレート５８は、ピストン５２とともに変位して、ガイドプレート８に対して平行移動する。 ピストンプレート５８は、制動時にはガイドプレート８に近接し、制動解除時にはガイドプレート８から離間する。 ピストンプレート５８はピストン５２と一体に形成されるが、ピストンプレート５８をピストン５２と別体に形成し、ピストン５２をピストンプレート５８に固定して用いてもよい。

ピストンプレート５８は、長手方向の両端に、アンカピン４３が挿入される一対の摺動孔５８ａを有する。 ピストンプレート５８は、各々の摺動孔５８ａに挿入されるアンカピン４３に係合し、アンカピン４３の軸方向に摺動自在に設けられる。 ピストンプレート５８は、両端の摺動孔５８ａがアンカピン４３に係合することで、シリンダ５１内におけるピストン５２の位置を規定する。

一対の摺動孔５８ａのうち上側の一方は円形の孔状に形成され、下側の他方は切欠状に形成される。 これにより、一方の摺動孔５８ａにアンカピン４３を挿入した後、他方の摺動孔５８ａの下方からアンカピン４３を嵌めることで、ピストンプレート５８をキャリパ本体１０に取り付けることができる。 よって、ピストンプレート５８のキャリパ本体１０への取り付け性を良好にできる。

ピストン５２が制輪子７を押圧する制動状態にて、ガイドプレート８とピストンプレート５８との間には隙間５７が形成される。 この隙間５７が形成されることによって、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱がガイドプレート８からピストンプレート５８に直接伝達されることが防止される。

次に、主に図３を参照して、キャリパブレーキ装置１００の作用について説明する。

鉄道車両の走行時には、車輪５は高速で回転している。 ここで、運転士の操作等によってキャリパブレーキ装置１００が制動状態に切り換えられると、空気圧源から供給される圧縮空気が、通孔５６を介して圧力室５５内に送られ、ダイヤフラム５３を変形させる。 すると、ダイヤフラム５３のベローズ部５３ｂが伸長して、押圧部５３ｃがピストン５２をディスク６方向へ摺動させる。

ダイヤフラム５３の押圧部５３ｃは、車輪５方向へ変位し、ピストン５２を介して制輪子７を車輪５に設けられたディスク６に押圧する。 ダイヤフラム５３によって押圧された制輪子７とディスク６とが当接して摩擦力が発生すると、車輪５の回転は制動される。 これにより、鉄道車両は、速度が低下してやがて停止することとなる。

このとき、ピストン５２は、前面５２ｂから先端部が突出する断熱部材５９がガイドプレート８と当接している。 そのため、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱のピストン５２への伝達、即ちダイヤフラム５３への伝達が抑制される。

また、キャリパブレーキ装置１００が制動状態に切り換えられると、ディスク６は制輪子７との間の摩擦熱によって熱変形を生じるが、ピストン５２は複数の断熱部材５９を有するため、ディスク６の熱変形に追従して均等な押圧力で制輪子７を押圧することができる。 よって、安定した制動を行うことが可能である。

運転士の操作等によってキャリパブレーキ装置１００による車輪５の制動が解除されると、アジャスタ４０内部に設けられた戻しばね４４の復元力によって、制輪子７はディスク６に当接した状態から離間する。 また、圧力室５５内の圧縮空気は通孔５６から排出されて、ダイヤフラム５３のベローズ部５３ｂは制動前の折りたたまれた形状に戻り、押圧部５３ｃは制動前の位置に戻る。 すると、ピストン５２も制動前の位置に戻る。

これにより、ディスク６と制輪子７とは隙間調整機構４５によって再び一定の間隔をもって対峙することとなる。 よって、車輪５は、キャリパブレーキ装置１００の影響を受けることなく回転することが可能となる。

このとき、戻しばね４４の復元力によってガイドプレート８がディスク６から引き離されるのに伴い、ピストン５２は、その慣性力によってディスク６から更に引き離されることとなる。 よって、キャリパブレーキ装置１００が制動状態から非制動状態となったときに、ガイドプレート８と断熱部材５９との間、即ち、ガイドプレート８とピストン５２との間に空隙を形成することができる。 したがって、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱の断熱性を向上することができ、ダイヤフラム５３を高熱から保護することができる。

なお、図６に示す変形例のように、ガイドプレート８とピストンプレート５８との間の隙間５７に、制動解除時にガイドプレート８からピストンプレート５８を離間させるように付勢する付勢部材としての皿ばね６０を設けてもよい。

皿ばね６０は、アンカピン４３の外周形状に対応して環状に形成される。 皿ばね６０は、アンカピン４３の外周に嵌めて用いられる。 皿ばね６０に代えて、コイルばね等を付勢部材として用いてもよい。

この場合、キャリパブレーキ装置１００の制動解除時には、皿ばね６０が、その付勢力によってピストンプレート５８をガイドプレート８から強制的に離間させる。 よって、ガイドプレート８とピストン５２との間に形成される空隙を大きくすることができる。 したがって、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱の断熱性を更に向上することができる。

皿ばね６０の付勢力は、戻しばね４４の付勢力と比較して小さく設定される。 そのため、キャリパブレーキ装置１００の制動開始時には、まず、皿ばね６０が圧縮されてピストン５２の断熱部材５９がガイドプレート８に当接し、その後、ピストン５２が更にストロークすると、戻しばね４４が圧縮されて制輪子７がディスク６に当接することとなる。

一方、キャリパブレーキ装置１００の制動解除時には、まず、戻しばね４４が制動開始時の長さに戻って制輪子７がディスク６から離間し、その後、皿ばね６０が制動開始時の長さに戻ってガイドプレート８からピストンプレート５８を離間させることとなる。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

制輪子７を支持するガイドプレート８とピストン５２を支持するピストンプレート５８とは、別体に形成される。 そして、ガイドプレート８は、アンカピン４３に支持されて進退し、ピストンプレート５８は、アンカピン４３に摺動自在に支持される。 よって、制動状態から非制動状態となったときに、ガイドプレート８とピストン５２との間に空隙を形成することができる。 したがって、制輪子７とディスク６との当接による摩擦熱の断熱性を向上することができ、ダイヤフラム５３を高熱から保護することができる。

また、キャリパブレーキ装置１００が制動状態に切り換えられると、ディスク６は制輪子７との間の摩擦熱によって熱変形を生じるが、ピストン５２は複数の断熱部材５９を有するため、ディスク６の熱変形に追従して均等な押圧力で制輪子７を押圧することができる。 よって、安定した制動を行うことが可能である。

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。

１００ キャリパブレーキ装置５ 車輪６ ディスク７ 制輪子８ ガイドプレート１０ キャリパ本体４０ アジャスタ４１ 制輪子受４３ アンカピン４４ 戻しばね５０ 押圧機構５１ シリンダ５２ ピストン５３ ダイヤフラム（弾性膜）
５４ キャリパカバー５５ 圧力室５７ 隙間５８ ピストンプレート５８ａ 摺動孔５９ 断熱部材（小ピストン）
６０ 皿ばね（付勢部材）