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、制輪子を進退可能に支持するアンカピンと、アンカピンを貫通するロッドと、ロッドを制輪子の戻り方向に付勢するスプリングとを備える鉄道車両用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、シリンダ内の流体圧が上昇して制輪子をロータに押し当てて押圧する際に、アンカピンとロッドとの間の摺動抵抗や、ロッドを逆向きに付勢するスプリングの付勢力が抵抗となる。 そのため、キャリパブレーキ装置における制輪子の押圧力を向上することが困難であった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、キャリパブレーキ装置における制輪子の押圧力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、前記制輪子を作動流体の圧力によって前記ディスクに押圧する押圧機構と、前記制輪子を前記キャリパ本体に支持するアジャスタと、を備え、前記アジャスタは、前記キャリパ本体に対して進退可能に設けられ、前記制輪子を前記キャリパ本体に支持するアンカピンと、前記制輪子を前記ディスクから離間する方向に付勢する戻しばねと、前記アンカピンの背面に画成されて作動流体が導かれる背圧室と、を備えることを特徴とする。

本発明では、アンカピンの背面に画成される背圧室に作動流体が導かれる。 そのため、ブレーキの制動状態において、背圧室に導かれる作動流体によって、制輪子がディスクに近接する方向にアンカピンを押圧することができる。 したがって、制輪子を押圧する際におけるアンカピンの摺動抵抗や戻しばねの付勢力を打ち消すことができるため、キャリパブレーキ装置における制輪子の押圧力を向上できる。

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。

図３におけるＢ部の拡大図である。

本発明の実施の形態の変形例に係るキャリパブレーキ装置の断面図である。

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を圧縮空気の圧力（空気圧）によってディスク６に押圧する押圧機構としてのダイヤフラムアクチュエータ５０と、制輪子７をキャリパ本体１０に支持する一対のアジャスタ４０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上に設けられて車輪５とともに回転する。 ディスク６は、車輪５の表裏両面に一体に形成されている。 このようにディスク６を車輪５と一体に形成するのではなく、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、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、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、台車に対して軸方向への車輪５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。

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、その両端部がキャリパ本体１０のブラケット部１５に連結される。 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との軸方向に摺動自在に支持枠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、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、ダイヤフラムアクチュエータ５０による押圧力を受け、ディスク６に平行に押圧されて当接する。 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。 制輪子７の上下端は、後述するアジャスタ４０のアンカピン４３に固定されている。 また、制輪子７は、後述するアジャスタ４０の戻しばね４４によってディスク６から離間する方向へ付勢されている。

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。

ダイヤフラムアクチュエータ５０は、制輪子７をディスク６に押圧するピストン５２と、ピストン５２が内部を摺動するシリンダ５１と、シリンダ５１内に空気室５５を画成するダイヤフラム５３とを備える。

ダイヤフラムアクチュエータ５０は、空気室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の変形によってディスク６に制輪子７を押圧するものである。 ダイヤフラムアクチュエータ５０は、第一キャリパアーム１２側のみに設けられる。

シリンダ５１は、ピストン５２が摺動するシリンダ本体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、その背面を閉塞して空気室５５を画成するキャリパカバー５４とを備える。

ピストン５２は、制輪子７と当接してシリンダ５１内に設けられる。 ピストン５２は、背面に当接するダイヤフラム５３の変形によってシリンダ５１内を摺動する。 ピストン５２がシリンダ５１内を摺動することによって、制輪子７がディスク６に対して進退する。

ダイヤフラム５３は、周縁部５３ａとベローズ部５３ｂと押圧部５３ｃ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。 ベローズ部５３ｂは、空気室５５に供給される空気圧によって、折りたたまれた状態から伸長可能である。 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が伸長することで変位する。 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内を摺動する。

ダイヤフラム５３は樹脂製弾性材であり、例えばカーボン繊維，ケプラー繊維等の強化材を複合したものを用いてベローズ形成される。 また、ゴム製チューブや金属薄板からなるベローズであってもよい。

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に固定される。 キャリパカバー５４は、ダイヤフラム５３の周縁部５３ａをシリンダ本体５１ａとの間に挟持して固定する。 このとき、樹脂製弾性材であるダイヤフラム５３がパッキンの役割を果たすため、空気室５５の気密性が担保される。

空気室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。 空気室５５は、その容積の拡縮に伴って、ピストン５２を進退させる。 空気室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を介して供給される。

キャリパカバー５４には、後述するアジャスタ４０の背圧室４６に空気室５５の圧縮空気の一部を導く空気通路５４ｂが形成される。

空気通路５４ｂは、キャリパカバー５４におけるアジャスタ４０に臨む端面に開口して、空気室５５と後述するアジャスタ４０の背圧室４６とを連通する。 空気通路５４ｂにおけるアジャスタ４０に臨む面の開口部には、クイル４８が取り付けられる大径部５４ｃが形成される。 大径部５４ｃの内径は、クイル４８を収装可能な大きさに形成される。 クイル４８は、シリンダ５１と制輪子受４１との間に設けられ、空気室５５と背圧室４６とを連通させる中空軸である。 クイル４８については、後で詳細に説明する。

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、ダイヤフラムアクチュエータ５０の上下にそれぞれ配置される。 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の上下端部にそれぞれ締結される。

図４に示すように、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、アンカピン４３の背面に画成される背圧室４６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に係合する鍔部４３ｂを有する。 アンカピン４３は、その底部が制輪子受４１から突出して設けられ、鍔部４３ｂが制輪子７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、制動時にダイヤフラム５３が変形して制輪子７をディスク６に押圧する動きに追従し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は、開口端部付近の内周に平ワッシャ４３ａを有する。 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、隙間調整機構４５のカラー４５ｃに対して、アンカピン４３の平ワッシャ４３ａを軸方向に付勢する。 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、非制動時における制輪子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。

制輪子受４１は、アンカピン４３を進退可能に支持する。 制輪子受４１は、アンカピン４３の背面を閉塞して背圧室４６を画成する。 制輪子受４１は、クイル４８を介して空気室５５を背圧室４６と連通させる空気通路４１ａを有する。

背圧室４６は、制輪子受４１の内部とアンカピン４３の背面との間に画成される。 背圧室４６には、ダイヤフラムアクチュエータ５０における圧縮空気の一部が導かれる。 制動時に空気室５５から背圧室４６に圧縮空気が導かれると、背圧室４６の内圧が上昇する。 これにより、アンカピン４３は、制輪子７がディスク６に近接する方向に押圧される。

空気通路４１ａは、制輪子受４１におけるキャリパ本体１０に臨む端面に開口して、背圧室４６とキャリパ本体１０の空気室５５とを連通する。 空気通路４１ａにおけるキャリパ本体１０に臨む面の開口部には、クイル４８が取り付けられる大径部４１ｃが形成される。

空気通路４１ａの大径部４１ｃは、空気通路５４ｂの大径部５４ｃと同軸となるように開口して形成される。 大径部４１ｃは、大径部５４ｃと略同一の内径に形成される。 大径部４１ｃと大径部５４ｃとは、合計した軸方向の長さが、クイル４８の軸方向の長さと比較して大きくなるように形成される。

クイル４８は、内周に圧縮空気が通過可能な貫通孔４８ａを有する中空軸である。 クイル４８は、アジャスタ４０の空気通路４１ａとキャリパ本体１０の空気通路５４ｂとを連通させるものである。

クイル４８の外周は、制輪子受４１の大径部４１ｃとの間に設けられるＯリング４８ｂと、キャリパカバー５４の大径部５４ｃとの間に設けられるＯリング４８ｃとによって封止される。 Ｏリング４８ｂとＯリング４８ｃとは弾性を有するため、大径部４１ｃと大径部５４ｃとが完全に同軸でなくても、Ｏリング４８ｂとＯリング４８ｃとの弾性によって、互いの中心軸のずれを吸収可能である。 なお、Ｏリング４８ｂとＯリング４８ｃでなくても、クイル４８の外周を封止可能な封止部材であればよい。

アジャスタ４０とキャリパ本体１０との組み立ての際は、大径部５４ｃにクイル４８を嵌めて、大径部５４ｃがクイル４８に嵌まるようにアジャスタ４０を取り付け、アンカボルト４２を締結する。 これにより、アジャスタ４０とキャリパ本体１０とを組み立てる際に、同時に、キャリパ本体１０の空気室５５とアジャスタ４０の背圧室４６とを連通することができる。 よって、クイル４８を設けることによって、空気通路５４ｂと空気通路４１ａとを容易に連通させることができる。

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の戻し量を一定に調整する。 つまり、隙間調整機構４５は、非制動時における制輪子７とディスク６の間隔を常に一定に保つ。 隙間調整機構４５は、制輪子受４１に固定される固定ピン４５ａと、固定ピン４５ａに対して軸方向に移動可能に固定されるグリップ４５ｂと、グリップ４５ｂの移動に伴って固定ピン４５ａに対して軸方向に移動可能なカラー４５ｃとを備える。

グリップ４５ｂは、背圧室４６内の圧縮空気による押圧力でアンカピン４３が進出し、平ワッシャ４３ａがカラー４５ｃの段部４５ｄに当接して押圧することで、軸方向に移動可能である。 グリップ４５ｂは、戻しばね４４の付勢力によっては軸方向に移動できない大きさの力で固定ピン４５ａの外周を把持している。 そのため、制動時にアンカピン４３が進出する方向に移動したグリップ４５ｂは、制動解除時に戻しばね４４の付勢力によって戻されることはなく、その位置を維持する。

制輪子７の摩耗が小さいうちは、制動時におけるアンカピン４３のストローク量が小さい。 そのため、アンカピン４３が進出しても、平ワッシャ４３ａはカラー４５ｃの段部４５ｄには当接しない。 よって、制動解除時には、アンカピン４３は、制動前における元の位置まで戻ることとなる。

これに対して、制輪子７の摩耗が進行し、制動時におけるアンカピン４３のストローク量が大きくなった場合、アンカピン４３が進出すると、平ワッシャ４３ａが段部４５ｄに当接して押圧する。 平ワッシャ４３ａは、カラー４５ｃとともにグリップ４５ｂを引きずって移動させる。 これにより、制動解除時には、アンカピン４３は、カラー４５ｃの移動量と同じ分だけ進出した位置までしか戻らなくなる。 よって、非制動時における制輪子７の位置を、摩耗した厚さの分だけ前進させることができるため、非制動時における制輪子７とディスク６との間隔を常に一定に保つことができる。

以下では、本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００の動作について説明する。

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を介して空気室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。

ここで、従来のキャリパブレーキ装置では、アンカピン４３は、制輪子７の進退によって従動的に進退するものであった。 そのため、制動時にピストン５２が制輪子７を押圧するときに、アンカピン４３の摺動抵抗や戻しばね４４の付勢力が抵抗となっていた。

これに対して、キャリパブレーキ装置１００では、空気室５５内の圧縮空気の一部が、空気通路５４ｂと貫通孔４８ａと空気通路４１ａとを通じて、アンカピン４３の背面に画成される背圧室４６に導かれる。 制動時においては、アンカピン４３は、背圧室４６に導かれる圧縮空気によって、制輪子７がディスク６に近接する方向に押圧される。 したがって、制輪子７を押圧する際の抵抗を打ち消すことができるため、キャリパブレーキ装置１００における制輪子の押圧力を向上できる。

また、従来のキャリパブレーキ装置では、アンカピン４３の摺動抵抗や戻しばね４４の付勢力が抵抗となるため、アンカピン４３付近の押圧力が、ピストン５２に押圧される部分の押圧力と比較して小さかった。 よって、ライニング９の両端部が強く押圧されず、ライニング９のディスク６への折衝状態を一定とすることが困難であった。

これに対して、キャリパブレーキ装置１００では、制動時においては、アンカピン４３は、背圧室４６に導かれる圧縮空気によって、制輪子７がディスク６に近接する方向に押圧される。 そのため、アンカピン４３付近の押圧力を、ピストン５２に押圧される部分の押圧力と同等に大きくすることができる。 よって、制動時におけるライニング９の当接面積を増加するとともに、ライニング９のディスク６への折衝状態を一定とすることが可能である。

運転士の操作等によってブレーキによる車輪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、空気室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り、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。

以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。

ダイヤフラムアクチュエータ５０にて制輪子７をディスク６に押圧するための圧縮空気の一部が、アンカピン４３の背面に画成される背圧室４６に導かれる。 制動時には、アンカピン４３は、背圧室４６に導かれる圧縮空気によって、制輪子７がディスク６に近接する方向に押圧される。 したがって、制輪子７を押圧する際におけるアンカピン４３の摺動抵抗や戻しばね４４の付勢力を打ち消すことができるため、キャリパブレーキ装置１００における制輪子の押圧力を向上できる。

次に、図５を参照して、本発明の実施の形態の変形例に係るキャリパブレーキ２００について説明する。

キャリパブレーキ２００は、作動流体としての圧縮空気をダイヤフラムアクチュエータ５０の空気室５５とアジャスタ４０の背圧室４６とに供給する空気圧供給機構６０を備える。

空気圧供給機構６０は、外部の空気圧源に接続されるプラグ６１と、供給された圧縮空気を空気室５５に導く供給流路６２と、供給流路６２と空気室５５とを接続するプラグ６５と、供給された圧縮空気を各々の背圧室４６に導く一対の供給流路６３と、供給流路６３と背圧室４６とを各々接続する一対のプラグ６４とを備える。

キャリパブレーキ２００の制動時には、プラグ６１を介して供給された圧縮空気が、供給流路６２を通じて空気室５５に導かれる。 これにより、ダイヤフラム５３が変形してピストン５２をディスク６方向へ摺動させる。 このとき、プラグ６１を介して供給された圧縮空気の一部は、供給流路６３を介して各々の背圧室４６に導かれる。

これにより、アンカピン４３が、制輪子７がディスク６に近接する方向に押圧される。 したがって、制輪子７を押圧する際におけるアンカピン４３の摺動抵抗や戻しばね４４の付勢力を打ち消すことができるため、キャリパブレーキ装置１００における制輪子の押圧力を向上できる。

なお、プラグ６１を介して供給される圧縮空気を空気室５５と背圧室４６とに導くのではなく、空気室５５に導かれる圧縮空気と背圧室４６に導かれる圧縮空気との空気圧源を別々に設けてもよい。 この場合、ピストン５２を制輪子７を押圧する力と、アンカピン４３が制輪子７を押圧する力とを個別に調整することができる。

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。

例えば、キャリパブレーキ装置１００では、作動流体として圧縮空気を用いたが、これに限らず、作動流体として油を用いた油圧ブレーキであってもよい。

本発明は、鉄道車両等の車両のブレーキ装置として用いることができる。

１００ キャリパブレーキ装置５ 車輪６ ディスク７ 制輪子１０ キャリパ本体４０ アジャスタ４１ 制輪子受４１ａ 空気通路４３ アンカピン４４ 戻しばね４６ 背圧室４８ クイル４８ａ 空気通路５０ ダイヤフラムアクチュエータ（押圧機構）
５１ シリンダ５２ ピストン５３ ダイヤフラム５４ キャリパカバー５４ｂ 空気通路５５ 空気室