鉄道車両用ブレーキライニングおよびそれを備えたディスクブレーキ

本発明は、鉄道車両の制動装置としてフローティング式ブレーキキャリパを用いたディスクブレーキに関し、特に、車輪または車軸に固定されたブレーキディスクの摺動面に押し付けられる鉄道車両用ブレーキライニング、およびそれを備えた鉄道車両用ディスクブレーキに関する。

鉄道車両や自動車や自動二輪車などの陸上輸送車両においては、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ている。 ディスクブレーキは、ブレーキディスク（以下、単に「ディスク」ともいう）とブレーキライニング（以下、単に「ライニング」ともいう）との摺動による摩擦により制動力を得る装置である。 鉄道車両用のディスクブレーキの場合、ディスクを車輪または車軸に取り付けて固定し、このディスクの摺動面に、ブレーキキャリパ（以下、単に「キャリパ」ともいう）によってライニングを押し付けることで制動力を発生させる。 これにより、車輪または車軸の回転を制動し、車両の速度を制御する。

通常、ライニングの摩擦部材は、制動を繰り返すことにより次第に摩耗する。 ただし、摩擦部材が偏摩耗するとブレーキ性能が不安定になることから、偏摩耗を防ぐために、制動中は摩擦部材の全域にわたって均一に押付け荷重がかかるのがよい。

また、制動中、ライニングとディスクの摺動面は、摩擦熱により温度が上昇する。 この温度上昇は、ブレーキ負荷が大きくなる条件、具体的には、車両の走行速度が高速である条件や車両重量が大きい条件のときに著しくなる傾向にある。 実走行では、ライニングおよびディスクの熱的な損傷を防止し、耐久性を向上させることが望まれ、このためには、制動中のライニングとディスクの接触をできるだけ均一化し、発生する摩擦熱を低減する必要がある。

ここで、キャリパは、ディスクを跨ぐように延び出すキャリパアームを有し、キャリパアームにそれぞれライニングが保持されている。 キャリパは、主に、ライニングをディスクに押し付けるための駆動源である、例えばピストンやダイアフラム等の配置形態から、フローティング方式とオポーズド方式に大別される。 フローティング方式では、ライニングを保持するキャリパアームの片方だけにピストンやダイアフラム等の押付け駆動源が配設され、オポーズド方式では、キャリパアームの両方にピストンやダイアフラム等の押付け駆動源が配設される。

鉄道車両の場合、フローティング式キャリパを用いたディスクブレーキがよく用いられる。 以下では、フローティング方式のものに限定して説明する。

図１は、従来の鉄道車両用ディスクブレーキにおける押付け駆動源が配設されていない側の構成の一例を示す図であり、同図（ａ）はライニングを正面側から見たときの平面図を、同図（ｂ）はライニングを背面側から見たときの平面図を、同図（ｃ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面の拡大図を、同図（ｄ）は同図（ｃ）のライニングをキャリパアームから取り外した状態の断面図それぞれ示す。

図１に示す従来のライニング（以下、「従来型ライニング」という）１２は、ディスク１の摺動面１ａと対向する摩擦部材３と、厚みが一定で摩擦部材３を正面１４ａに保持する基板１４と、基板１４の背面１４ｂの中央に固設された案内板１５とから構成される。 図１では、複数の小塊の摩擦部材３を、ディスク１の径方向に２個、ディスク１の周方向に７個の合計１４個を配列したものを示している。 摩擦部材３は、それぞれリベット６によって基板１４に取り付けられている。 なお、摩擦部材３と基板１４の間にばね部材を配設する場合もある。

従来型ライニング１２は、キャリパアームに組み込まれたライニングホルダ（以下、単に「ホルダ」ともいう）に取り付けられ、各摩擦部材３の摺動面３ａがディスク１の摺動面１ａと平行に対向した状態とされる。 ここで、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、ピストン等の押付け駆動源が配設されていない側（以下、「反押付け駆動源側」ともいう）においては、ホルダ８がキャリパアーム７と一体的に組み込まれており、このホルダ８にはライニング１２の案内板１５を収容する凹部８ｂが形成されている。 ライニング１２の案内板１５は、その背面（ライニングを基準として背面側となる面）１５ａがホルダ８の凹部８ｂの底面（ライニングを基準として正面側となる面）８ｃに密接しつつ、その上下の各縁部１５ｂ、１５ｃがホルダ８の凹部８ｂの上下の各縁部８ｄ、８ｅと係合した状態にされる。 このような案内板１５とホルダ８の凹部８ｂとの強固な結合により、反押付け駆動源側のライニング１２は、キャリパアーム７に直接組み込まれたホルダ８に強固に保持される。

一方、押付け駆動源が配設されている側（以下、「押付け駆動源側」ともいう）においては、押付け駆動源にホルダが取り付けられ、このホルダに、反押付け駆動源側と同様の凹部が形成されている。 押付け駆動源側のライニング１２は、反押付け駆動源側と同様にして、案内板とホルダの凹部との強固な係合により、キャリパアームに押付け駆動源を介して組み込まれたホルダに強固に保持される。

このような構成の従来のディスクブレーキにおいて、制動時、押付け駆動源側では、押付け駆動源の作動により、押付け駆動源からの押付け力がライニング１２に負荷され、ライニング１２がディスクに押し付けられる。 一方、反押付け駆動源側では、図１（ｃ）に示すように、キャリパアーム７が押付け駆動源側での押付け力の反力を受けディスク１に向けてスライド移動し（図１（ｃ）中の白抜き矢印参照）、ライニング１２がディスク１に押し付けられる。 このとき、押付け駆動源側、反押付け駆動源側のいずれでも、ライニング１２に負荷される押付け力は、直接的には、キャリパアーム７のホルダ８を介してライニング１２の案内板１５に作用する。 すなわち、ライニング１２に負荷される押付け力は、キャリパアーム７へのライニング１２の取付け部の構造上、ライニング１２の基板１４に直接作用するわけではなく、ライニング１２の案内板１５に集中して作用する。

ところで、フローティング方式のキャリパを用いたディスクブレーキの場合、反押付け駆動源側では、制動時にライニング１２がディスク１に押し付けられることに伴って、キャリパアーム７が開くように撓む現象が生じる。 これにより、反押付け駆動源側の摩擦部材３には、ディスク１の内周側に対応する領域（以下、「内周側領域」ともいう）よりも、外周側に対応する領域（以下、「外周側領域」ともいう）に高い荷重が作用する傾向にある。 このため、特に摩擦部材３の外周側領域で摩耗が促進し、摩擦部材３の偏摩耗、さらにはディスク１の偏摩耗が助長される可能性がある。

このような問題に対し、近年、制動時のライニングとディスクの接触面圧を均一化することを目的として、構造を改良したディスクブレーキが種々提案されている。

例えば、特許文献１、２には、押付け駆動源であるピストンが配設されていない側で制動時にキャリパアームが開くように撓むことを見込み、予め、摩擦部材の摺動面をディスクの摺動面に対して所定の角度で傾斜させた状態で、摩擦部材をキャリパアームのホルダに取り付けたディスクブレーキが開示されている。 特許文献１の場合、ライニングの構造はそのままでホルダの形状を変更して摩擦部材の摺動面をディスクの摺動面に対して傾斜させている。 特許文献２の場合、ホルダの構造はそのままでライニングの摩擦部材の厚みを変更して摩擦部材の摺動面をディスクの摺動面に対して傾斜させている。 このようなディスクブレーキによれば、制動時に摩擦部材が内周側領域からディスクに接触し、さらに荷重の負荷に伴ってキャリパアームが撓むことにより、摩擦部材の摺動面とディスクの摺動面が実質的に平行な状態で接触し、その結果として、摩擦部材の全域にわたって等面圧となるとされている。

しかし、前記特許文献１、２に記載されるディスクブレーキでは、制動の初期に、摩擦部材の内周側領域がディスクに接触し、その外周側領域がディスクに接触しない。 このため、摩擦部材の偏摩耗は依然として起こり得る。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、フローティング式ブレーキキャリパを用いたディスクブレーキの反押付け駆動源側において、制動の初期から摩擦部材をブレーキディスクと全域にわたって接触させるとともに、制動時に摩擦部材の全域にわたって均一に押付け荷重を付与することが可能であり、その結果として耐久性を向上させることができる鉄道車両用ブレーキライニング、およびこれを備えた鉄道車両用ディスクブレーキを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の要旨は、下記（Ｉ）に示す鉄道車両用ブレーキライニング、および下記（II）に示す鉄道車両用ディスクブレーキにある。

（Ｉ）鉄道車両の車輪または車軸に固定されたブレーキディスクを跨ぐキャリパアームと、キャリパアームにそれぞれ保持されたブレーキライニングと、ブレーキライニングを保持するキャリパアームの片方のみに配設された押付け駆動源と、から成るフローティング式ブレーキキャリパを用いた鉄道車両用ディスクブレーキにおいて、
押付け駆動源が配設されていない側のキャリパアームに保持されるブレーキライニングは、
ブレーキディスクの摺動面と対向する摩擦部材と、摩擦部材を正面に保持する基板と、基板の背面の中央に固設され、キャリパアームの凹部に収容される案内板と、から構成され、
基板の正面が摩擦部材の摺動面と平行であり、基板の厚みが、ブレーキディスクの外周側に対応する側よりもブレーキディスクの内周側に対応する側で厚くなっており、案内板の厚みがキャリパアームの凹部の深さよりも薄くなっており、
摩擦部材の摺動面がブレーキディスクの摺動面と平行に対向した状態で、案内板がキャリパアームの凹部に遊嵌することを特徴とする鉄道車両用ブレーキライニングである。

上記（Ｉ）のブレーキライニングは、基板の背面が正面に対して傾斜した傾斜面であることが好ましい。

これらのブレーキライニングは、基板の厚みが、ブレーキディスクの外周側に対応する側よりもブレーキディスクの内周側に対応する側で０．２５〜２．０ｍｍ厚いことが好ましい。

これらのブレーキライニングにおいて、案内板がキャリパアームの凹部に遊嵌した状態では、案内板の背面とホルダの凹部との間に隙間が存在するとともに、基板の背面とキャリパアームとの間に隙間が存在する。

（II）請求項１〜４のいず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である。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングおよびディスクブレーキによれば、反押付け駆動源側において、摩擦部材の摺動面がディスクの摺動面と平行に対向配置されているので、制動の初期から摩擦部材を全域にわたってディスクに接触させることができる。 しかも、案内板とキャリパアームの凹部との遊嵌によりライニングがキャリパアームに対して可動自在となり、また、案内板の厚みがキャリパアームの凹部の深さよりも薄くなっているので、制動時に、反押付け駆動源側では、キャリパアームが撓むのに伴って基板とキャリパアームが広範に接触する。 これにより、ライニングに負荷される押付け力は、案内板に作用することなく、基板に直接作用し、摩擦部材の全域にわたって均一に押付け荷重を付与することができる。 したがって、摩擦部材の偏摩耗を防止でき、耐久性を向上させることが可能になる。

従来の鉄道車両用ディスクブレーキにおける押付け駆動源が配設されていない側の構成の一例を示す図である。

本発明の鉄道車両用ディスクブレーキにおける押付け駆動源が配設されていない側の構成の一例を示す図である。

本発明の鉄道車両用ディスクブレーキにおける押付け駆動源が配設されていない側の構成の変形例を示す図である。

以下に、本発明の鉄道車両用ブレーキライニングおよびディスクブレーキについて、その実施形態を詳述する。

図２は、本発明の鉄道車両用ディスクブレーキにおける押付け駆動源が配設されていない側の構成の一例を示す図であり、同図（ａ）は断面図を、同図（ｂ）は同図（ａ）のライニングをキャリパアームから取り外した状態の断面図をそれぞれ示す。 なお、図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ前記図１（ｃ）、（ｄ）に対応する図である。 本発明のディスクブレーキにおける反押付け駆動源側について、ライニングを正面側から見たときの構成は、前記図１（ａ）に示すものと同様であり、背面側から見たときの構成は、前記図１（ｂ）に示すものと同様である。

本発明のディスクブレーキは、ブレーキディスク１と、ブレーキライニングと、このライニングが取り付けられたブレーキキャリパと、を備える。 ディスク１はドーナツ形円盤状であり、図示しない車輪または車軸にボルトなどによって取り付けられ、強固に固定されている。

キャリパは、ディスク１を跨ぐように延び出すキャリパアームを有し、キャリパアームにそれぞれライニングが保持されている。 本発明で用いるキャリパは、フローティング方式であるので、ライニングを保持するキャリパアームのうち、図２に示していない片方のみにピストン等の押付け駆動源が配設されている。 押付け駆動源は、油圧や空気圧によって作動する。

押付け駆動源側においては、キャリパアームに組み込まれた押付け駆動源にライニングホルダが取り付けられ、このホルダに、前記図１に示す従来型ライニング１２と同じものが、従来と同様にして強固に保持されている。 一方、図２（ａ）に示すように、反押付け駆動源側においては、前記図１に示すものと同様に、ライニングホルダ８がキャリパアーム７と一体的に組み込まれている。 このホルダ８には、後述する本発明のブレーキライニング２の案内板５を収容する凹部８ｂが形成されている。

図２に示すように、反押付け駆動源側のキャリパアーム７に保持される本発明のライニング２は、ディスク１の摺動面１ａと対向する摩擦部材３と、摩擦部材３を正面４ａに保持する基板４と、基板４の背面４ｂの中央に固設された案内板５とから構成される。 図２では、図１に示すものと同様に、複数の小塊の摩擦部材３を配列したものを示している。

摩擦部材３は、銅焼結材や樹脂系材料などからなり、平面形状が円形で、その中心部に挿入されたリベット６によって基板４に取り付けられている。 摩擦部材３の平面形状は、円形に限らず、四角形や六角形などの多角形でも構わない。 摩擦部材３と基板４の間には、摩擦部材３を弾性的に支持するために、ばね部材を配設してもよい。 ばね部材としては、皿ばねを適用することができ、板ばねやコイルばねを適用することもできる。

基板４は、その正面４ａが摩擦部材３の摺動面３ａと平行になっている。 さらに、基板４は、その厚みが、ディスク１の外周側に対応する側（図２では上方側に相当し、以下、単に「外周側」ともいう）よりもディスク１の内周側に対応する側（図２では下方側に相当し、以下、単に「内周側」ともいう）で厚くなっている。

この基板４の背面４ｂは、実用性の観点から、その正面４ａに対して傾斜した傾斜面であることが好ましい。 また、基板４は、外周側の厚み４ｔｏと内周側の厚み４ｔｉの差が０．２５〜２．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。 より好ましくは、０．５〜１．０ｍｍである。 基板４の外周側と内周側の厚み差が０．２５ｍｍ未満では、後述するように、制動時に、摩擦部材３がディスク１に接触しつつ、キャリパアーム７が撓むことに伴って基板４の背面４ｂとホルダ８の正面８ａとが接触した場合、摩擦部材３の外周側領域に高い荷重が作用し易くなるからである。 一方、その厚み差が２．０ｍｍを超えると、逆に摩擦部材３の内周側領域に高い荷重が作用し易くなるからである。 このような基板４の厚み差の範囲は、基板４の正面４ａに対する背面４ｂの傾斜角度で言うと、０．１〜１．０°程度に相当する。

案内板５は、その厚み５ｔが、ホルダ８（キャリパアーム７）の凹部８ｂの深さよりも薄くなっている。 すなわち、案内板５の厚み５ｔは、前記図１に示す従来型ライニング１２の案内板１５の厚みよりも薄くなっている。 なお、図２では、案内板５の厚み５ｔが一定であって、案内板５の背面５ａが基板４の背面４ｂと平行である態様を示している。 ただし、案内板５の厚み５ｔがホルダ８の凹部８ｂの深さよりも薄くなっている限り、例えば、図３に示すように、案内板５の背面５ａと基板４の正面４ａが平行となるように、案内板５の厚み５ｔが外周側よりも内周側で薄くなっていても構わない。

このような構成のライニング２は、反押付け駆動源側において、各摩擦部材３の摺動面３ａがディスク１の摺動面１ａと平行に対向した状態で、案内板５の上下の各縁部５ｂ、５ｃのみが、キャリパアーム７のホルダ８に形成された凹部８ｂの上下の各縁部８ｄ、８ｅと係合している。 すなわち、反押付け駆動源側のライニング２は、案内板５がホルダ８の凹部８ｂに遊嵌し、これにより、キャリパアーム７に可動自在に取り付けられる。 この遊嵌状態では、案内板５の背面５ａとホルダ８の凹部８ｂの底面８ｃとの間に隙間ｃ１が存在するとともに、基板４の背面４ｂとホルダ８（キャリパアーム７）の正面８ａとの間に隙間ｃ２が存在している。 ホルダ８の正面８ａは、ディスク１の摺動面１ａと平行になっている。

このように、本発明のディスクブレーキは、反押付け駆動源側のキャリパアーム７に本発明のライニング２を備えるとともに、押付け駆動源側のキャリパアームに従来型ライニング１２を備える。 制動時、押付け駆動源側では、押付け駆動源の作動により、押付け駆動源からの押付け力がライニング１２に負荷され、ライニング１２がディスクに押し付けられる。

一方、反押付け駆動源側では、図２（ａ）に示すように、キャリパアーム７が押付け駆動源側での押付け力の反力を受けディスク１に向けてスライド移動し（図２（ａ）中の白抜き矢印参照）、ライニング２がディスク１に押し付けられる。 その際、摩擦部材３の摺動面３ａがディスク１の摺動面１ａと平行に対向配置されているので、摩擦部材３は、制動の初期より、内周側領域から外周側領域までの全域にわたってディスク１に接触する。 さらに、摩擦部材３がディスク１に押し付けられることに伴って、キャリパアーム７がその反力を受けて開くように撓む。

これに伴い、基板４の背面４ｂとホルダ８の正面８ａとの間の隙間ｃ２が閉ざされると同時に、案内板５の背面５ａとホルダ８の凹部８ｂの底面８ｃとの間の隙間ｃ１が狭まる。 これは、案内板５とホルダ８の凹部８ｂとの遊嵌によりライニング２がキャリパアーム７に対して可動自在であり、また、案内板５の厚み５ｔがホルダ８の凹部８ｂの深さよりも薄くなっているからである。

このようにして、制動時に、反押付け駆動源側では、案内板５の背面５ａとホルダ８の凹部８ｂの底面８ｃとが非接触の状態のままで、基板４の背面４ｂとホルダ８の正面８ａとが広範に接触することから、ライニング２に負荷される押付け力は、ライニング２の案内板５に作用することなく、ライニング２の基板４に直接作用する。 これにより、制動時に摩擦部材３の全域にわたって均一に押付け荷重を付与すること、すなわち等圧性を確保することが可能となる。 その結果、上記のとおりに、摩擦部材３が制動の初期から全域にわたってディスク１に接触することもあいまって、摩擦部材３の偏摩耗を防止でき、耐久性を向上させることができる。

本発明の効果を確認するため、下記のＦＥＭ解析（有限要素法解析）を実施した。

［解析の概要］
制動時に、反押付け駆動源側における摩擦部材の等圧性を評価するため、ＦＥＭ解析を行った。 解析では、キャリパアーム、ライニングおよびディスクを弾性体でモデル化し、キャリパアームに押付け力相当の荷重を与えた。 このときに摩擦部材に作用する荷重を評価した。 解析は、新幹線に使用されているディスクブレーキを対象とした。

［実施条件］
ＦＥＭ解析の主要な実施条件を下記の表１にまとめて示す。

ＦＥＭ解析では、前記図２に示すディスクブレーキを採用し、本発明例１〜３の３つの態様について解析を実施した。 いずれでも、基板の厚みを外周側よりも内周側で厚くし、その厚みの差は、本発明例１で１．０ｍｍ、本発明例２で０．７５ｍｍ、および本発明例３で０．５ｍｍと変更した。 また、いずれでも、ホルダの凹部の深さは７．８ｍｍ、案内板の厚みはホルダの凹部の深さよりも薄い７ｍｍとし、制動時に押付け荷重が基板に直接作用するようにした。

また、本発明例１〜３に共通して、基板の長手方向長さ（ディスクの周方向に相当する長さ）は４００ｍｍ、幅方向長さ（ディスクの径方向に相当する長さ）は１４１ｍｍとした。 ライニングを構成する各部材の材料について、摩擦部材は銅焼結材とし、それ以外はすべて鉄鋼材料とした。 摩擦部材は１４個とし、その平面形状は直径４５ｍｍの円形とした。 摩擦部材と基板の間には、ばね部材として皿ばねを配設した。 摩擦部材と基板、および基板と案内板は、それぞれリベットにより締結した。 ディスクは、内径４７６ｍｍ、外径７２４ｍｍの略円盤状とした。

そして、ＦＥＭ解析は、８ｋＮ、１０ｋＮ、および１２ｋＮの３条件の押付け力を与えて行った。

さらに、比較のために、比較例１〜３の３つの態様について解析を実施した。 比較例１では、本発明例１〜３と同様に、制動時に押付け荷重が基板に直接作用するようにしたが、本発明例１〜３とは異なり、基板の厚みを一定とした。 比較例２では、従来のディスクブレーキを想定し、基板の厚みを一定とするとともに、制動時に押付け荷重が案内板に作用するようにした。 比較例３では、本発明例１〜３と同様に、基板の厚みを外周側よりも内周側で厚くしたが、本発明例１〜３とは異なり、制動時に押付け荷重が案内板に作用するようにした。

［評価方法］
本発明の目的は、反押付け駆動源側における摩擦部材の等圧性を確保することにある。 このため、それに対応する指標として、ＦＥＭ解析により、個々の摩擦部材に作用する荷重を抽出し、抽出した各荷重値からその標準偏差を算出した。 そして、標準偏差が小さいほど、摩擦部材の等圧性が高いと評価した。

［結果］
ＦＥＭ解析の結果を下記の表２に示す。

同表に示す結果から、本発明例１〜３は、比較例１〜３と比べて、摩擦部材に作用する荷重の標準偏差が小さくなっており、基板の厚み形状、および案内板の厚み形状のいずれも変更することにより、等圧性が高くなることがわかる。

本発明の鉄道車両用ブレーキライニングおよびディスクブレーキは、あらゆる鉄道車両に有効に利用することができ、中でも、走行速度が低速から高速まで広範となる高速鉄道車両に有用である。

１：ブレーキディスク、 １ａ：摺動面、
２：ブレーキライニング、
３：摩擦部材、 ３ａ：摺動面、
４：基板、 ４ａ：正面、 ４ｂ：背面、
４ｔｏ：外周側の厚み、 ４ｔｉ：内周側の厚み、
５：案内板、 ５ｔ：厚み、 ５ａ：背面、
５ｂ：上縁部、 ５ｃ：下縁部、
６：リベット、 ７：キャリパアーム、
８：ライニングホルダ、 ８ａ：正面、 ８ｂ：凹部、 ８ｃ：底面、
８ｄ：上縁部、 ８ｅ：上縁部、
ｃ１：隙間、 ｃ２：隙間、
１２：従来型ブレーキライニング、
１４：基板、 １４ａ：正面、 １４ｂ：背面、
１５：案内板、 １５ａ：背面、 １５ｂ：上縁部、 １５ｃ：上縁部