JP2010007689A - キャリパブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気圧キャリパブレーキ装置におけるダイヤフラムの押圧効率を向上させる。
【解決手段】車輪５と共に回転するディスク６と、ディスク６に当接して摩擦力を付与する制輪子７と、空気圧の変化によって変形し、制輪子７にディスク６への押圧力を印加するダイヤフラム７５と、制輪子７に対して垂直に、かつ並列に複数設けられ、ダイヤフラム７５の押圧力を制輪子に伝達するピストン５５と、を備え、ピストン５５は、前記ダイヤフラム７５の中央部と比して周縁部の方が、隣接するピストン５５の中心間距離が小さくされることで、ダイヤフラム７５の押圧面積を大きくすることができ、押圧効率が向上する。
【選択図】図２

Description

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

従来より、鉄道車両等には油圧ブレーキ装置が用いられており、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って油圧ブレーキを作動させている。

近年、空油変換器や油圧配管を廃止するために、油圧ブレーキに換えて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鉄道車両に搭載することが望まれている。

特許文献１には、ダイヤフラム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空気圧ブレーキ装置が開示されている。
特開平１１−１９３８３５号公報

しかしながら、このような従来のダイヤフラムを用いた鉄道車両用空気圧ブレーキ装置では、ダイヤフラムの受圧面積の全体で制輪子を押圧できずにダイヤフラムの押圧力の一部のみしか利用できないため、ダイヤフラムの受圧面積に対する押圧効率を向上させることができず、押圧力を大きくできなかった。

そこで本発明は、ダイヤフラムの受圧面積に対する押圧効率を向上させ、押圧力を増大することを目的とする。

本発明は、車輪と共に回転するディスクと、前記ディスクに当接して摩擦力を付与する制輪子と、空気圧の変化によって変形し、前記制輪子に前記ディスクへの押圧力を印加するダイヤフラムと、前記制輪子に対して垂直に、かつ並列に複数設けられ、前記ダイヤフラムの押圧力を前記制輪子に伝達する複数のピストンからなるピストンユニットと、を備え、前記ピストンユニットは、前記ダイヤフラムの中央部と比して周縁部の方が、隣接するピストンの中心間距離が小さくされることを特徴とする。

本発明によれば、ダイヤフラムの中央部と比して周縁部の方が隣接するピストンの中心間距離が小さくされることで、キャリパブレーキ装置の制動時のダイヤフラムの押圧有効面積が大きくなる。したがって押圧効率が向上し、押圧力を増大することができる。

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。図１は本発明の実施の形態に係るキャリパブレーキ装置１００の平面図、図２は図１における正面図である。

キャリパブレーキ装置１００は、車輪５に設けられたディスク６をその両面から一対の制輪子７で挟持し、車輪５と共に回転するディスク６とキャリパ本体１０に固定された制輪子７とが当接することで生じる摩擦力によって車輪５の回転を制動するものである。

キャリパブレーキ装置１００は、キャリパ本体１０を支持枠２０によって図示しない台車（車体）上に支持されて構成される。

キャリパ本体１０は、車輪５に設けられたディスク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、この第一，第二キャリパアーム１２，１４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ブラケット部１５，１６とを備える。キャリパ本体１０のブラケット部１５，１６には、キャリパ本体１０を支持枠２０に摺動可能に保持するための上スライドピン３０及び下スライドピン３２の両端部が支持される。

キャリパ本体１０は、上下スライドピン３０，３２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。これによって、キャリパ本体１０は図示しない台車に対する車輪５の相対移動に追従し、制輪子７は車輪５のディスク６に対して平行に対峙する。

キャリパ本体１０は、後で詳しく説明するダイヤフラムアクチュエータ６０を第一キャリパアーム１２側のみに備える。本実施形態のようにフローティング形式にする他、第一，第二キャリパアーム１２，１４の両側にダイヤフラムアクチュエータ６０を設け、対向ピストン形式にすることも可能である。

上スライドピン３０及び下スライドピン３２は、支持枠２０を貫通して設けられ、キャリパ本体１０のブラケット部１５，１６に接続される。キャリパ本体１０は上下スライドピン３０，３２によって、上下スライドピン３０，３２の軸方向に摺動自在に支持枠２０に支持される。上下スライドピン３０，３２の露出部はゴム製のブーツ３４によってダスト等から保護される。

制輪子７はライニング９を備え、車輪５と共に回転するディスク６に当接することで摩擦力を生じ、車輪５を制動する。また、制輪子７の上下端はアジャスタ４１のアンカピン４３に固定されている。制輪子７はアジャスタ４１の戻しばね４４によってディスク６から離す方向へ付勢されている。

ライニング９は、制輪子７のディスク６と当接する面に設けられる。ライニング９はピストンユニット５０を介してダイヤフラムアクチュエータ６０からの押圧力を受け、制輪子７を介してディスク６に平行に押圧されて当接することで摩擦力を発生させる。図２に二点鎖線で示した円弧は、制輪子７のライニング９と車輪５のディスク６とが当接する面のディスク６の径方向の中心である。ライニング９は、放射線状にいくつかの（本実施形態では６の）セグメントに分けられている。

ディスク６は車輪５上に設けられ、車輪５と共に回転する。回転するディスク６に制輪子７のライニング９が当接することで発生する摩擦力によって車輪５は制動させられる。本実施形態ではディスク６は車輪５の表面に一体となって構成されている。しかし、車輪５とは別個にディスク６を設けた場合にも同様の効果を奏するため、この構成に限られるものではない。

以下では、図３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は図２におけるＡ−Ａ断面図である。

制輪子７のディスク６に対する初期位置を調節するアジャスタ４１は、アンカボルト４２を介してキャリパ本体１０の上下端部にそれぞれ締結される。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。制輪子７は、アジャスタ４１によってディスク６と一定の間隔をもって対峙する。

アジャスタ４１は、ダイヤフラムアクチュエータ６０の上下にそれぞれ配置される。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。よって、アンカピン４３は制動時にダイヤフラム７５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変位する一方、制動が解除されると戻しばね４４によって制輪子７を戻すが、このとき隙間調整機構４５によって戻し量を一定に制御し、制輪子７とディスク６の間隔を常に一定に保つことが可能となる。

ダイヤフラムアクチュエータ６０は、内部にダイヤフラム７５を備え、空気圧を調整することでダイヤフラム７５を変形させ、ダイヤフラム７５の変形によってディスク６に制輪子７を押圧する。

ダイヤフラムアクチュエータ６０は、ダイヤフラム７５とキャリパカバー１１とによって区切られるダイヤフラム室６３を備える。ダイヤフラム室６３には通孔６９が設けられ、制動時にダイヤフラム７５を変形させるための空気圧が通孔６９から供給される。

ダイヤフラム７５は、周縁部７６とベローズ部７７と押圧部７９とから構成される。ダイヤフラム７５の押圧部７９は、折りたたまれていたベローズ部７７がダイヤフラム室６３に供給される空気圧によって伸長することで変位する。ダイヤフラム７５の押圧部７９はピストンユニット５０と当接し、押圧部７９の変位によってピストンユニット５０は押圧される。

ダイヤフラム７５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してもよい。また、ゴム製チューブや金属薄板からなるベローズでもよい。

キャリパカバー１１は複数のボルト６７によってキャリパ本体１０に固定される。キャリパカバー１１はダイヤフラム７５の周囲をキャリパ本体１０との間に挟持して固定する。樹脂製弾性材のダイヤフラム７５がパッキンの役割を果たすため、ダイヤフラム室６３の気密性を担保できる。

ピストンユニット５０は、複数の大径ピストン５５及び複数の小径ピストン５６との集合である。ピストンユニット５０の制輪子側は、ピストンガイドフレーム６５に設けられる対応するガイド穴６５ａに軸方向に摺動可能に保持される。

ピストンユニット５０は、ダイヤフラム７５の周縁部において大径ピストン５５の間に小径ピストン５６が設けられ、ダイヤフラム７５の中央部と比して隣接する大小径ピストン５５，５６の中心間距離を小さくしている。ライニング９のセグメントに合わせて大径ピストン５５のみを放射線状に設けた場合、ディスク６の外周側では隣接する大径ピストン５５の中心間距離が大きくなるためである。

ピストンユニット５０の大小径ピストン５５，５６はピストンガイドフレーム６５に対してそれぞれ個別に摺動可能である。よって、キャリパブレーキ装置１００の制動時にディスク６と制輪子７とが当接してディスク６が熱変形を生じても、ピストンユニット５０はその変形に追従することができる。

したがって、ピストンユニット５０は均等な押圧力で制輪子７をディスク６に押圧でき、その結果安定した制動が可能である。

ディスク６の熱変形は、ディスク６の締結方式の違いによって凹になるか凸になるかその変形の態様は異なるが、どちらの場合においても、ディスク６と制輪子７とが接する面の径方向の中央、即ち図２に二点鎖線で示す曲線部分を中心に変形する。つまり、ディスク６の内径側と外径側とが膨張して図２の二点鎖線を中心とした凹形状に変形するか、又はディスク６の内径側と外径側とが収縮して図２の二点鎖線を中心とした凸形状に変形するかのいずれかである。

ピストンユニット５０の大小径ピストン５５，５６のライニング９側の先端には断熱プレート６１が備えられる。断熱プレート６１は、制動時における制輪子７とディスク６との摩擦により発生する高熱が伝達されるのを防止し、ダイヤフラム７５を保護する。

ピストンガイドフレーム６５は、ダイヤフラム７５と制輪子７との間に設けられる。ピストンガイドフレーム６５は、複数のボルト６６によってキャリパ本体１０に固定される。ピストンガイドフレーム６５には、ピストンユニット５０に対応する数のガイド穴６５ａが形成される。

ガイド穴６５ａはピストンユニット５０に対応する位置に設けられ、ピストンユニット５０はこのガイド穴６５ａにそれぞれ軸方向に摺動可能に嵌合する。

以下では、図４から図８を参照してダイヤフラム７５の有効面積について説明する。図４はダイヤフラム７５の無加圧時の形状を示した図、図５は小径ピストン５６を備えない場合のダイヤフラム７５の加圧時の形状を示した図、図６は本発明の実施の形態に係るダイヤフラム７５の加圧時の形状を示した図、図７は同一径ピストンによる場合の無加圧時のダイヤフラムの形状を示した図、図８は同一径ピストンによる場合の加圧時のダイヤフラムの形状を示した図である。

図４における二点鎖線は、無加圧時のダイヤフラム７５の形状を示す。二点鎖線で囲まれたダイヤフラム７５の受圧面積は３５０平方センチメートルである。

図５，図６における破線は加圧時のダイヤフラム７５の形状を示す。ダイヤフラム７５に負荷がかかると図５のように大径ピストン５５間のダイヤフラム７５は内側へ入り込み、その結果ダイヤフラム７５の有効面積は２７３平方センチメートルになる。これは、ダイヤフラム７５の受圧面積に対して７８％でしかない。

大径ピストン５５の間に小径ピストン５６を配置した本実施形態によれば、大小径ピストン５５，５６のピッチが小さくなったことによって加圧時のダイヤフラム７５は大小径ピストン５５，５６間で内側に入り込む量が減少し、ダイヤフラム７５の有効面積は３１２平方センチメートルになる。これは、ダイヤフラム７５の受圧面積に対して８９％である。小径ピストン５６を備えることで、図５に示す小径ピストン５６を備えない場合と比して有効面積は１１％向上したことになる。

このように、ダイヤフラム７５の周縁部におけるピストンユニット５０の隣接する大小径ピストン５５，５６の中心間距離を小さくすることでダイヤフラム７５の有効面積を大きくでき、その結果押圧力も大きくできる。

図７，図８は、ダイヤフラム７５の中央部及び周縁部のどちらにも大径ピストン５５のみを用いて隣接する大径ピストン５５の中心間距離を小さくした実施形態である。

図７における二点鎖線は、無加圧時のダイヤフラム７５の形状を示す。二点鎖線で囲まれたダイヤフラム７５の受圧面積は２６８平方センチメートルである。

図８における破線は加圧時のダイヤフラム７５の形状を示す。ダイヤフラム７５に負荷がかかると図８のように大径ピストン５５間のダイヤフラム７５は内側へ入り込み、その結果ダイヤフラム７５の有効面積は２４７平方センチメートルになる。これは、ダイヤフラム７５の受圧面積に対して９２％である。

このように、大径ピストン５５のみを配置した場合にもダイヤフラム７５の有効面積を大きくでき、その結果押圧力も大きくできる。他にも、周縁部には小径ピストン５６のみを小さなピッチで並べて配置するなどの態様が考えられる。

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。

キャリパブレーキ装置１００を備える図示しない車両の走行時には、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が作動させられると、空気圧源の空気圧が通孔６９からダイヤフラム室６３内に送られ、ダイヤフラム７５を変形させる。すると、ダイヤフラム７５のベローズ部７７が伸長して押圧部７９が変位し、ピストンユニット５０をディスク６方向へ押圧する。

ダイヤフラム７５は車輪５方向へ変位し、ピストンユニット５０を車輪５に設けられたディスク６に押圧する。制輪子７とディスク６とが当接し、摩擦力が発生すると車輪５は制動され、速度が低下しやがて停止することとなる。

ダイヤフラム７５の有効面積は大径ピストン５５の間に設けられた小径ピストン５６によって大きくなり、大きな押圧力で制輪子７を押圧することができる。

その際、ディスク６は摩擦熱によって熱変形を生じる。熱変形の態様は、ディスク６と制輪子７とが当接する面の径方向の中央の円周、即ち図２に二点鎖線で示す曲線部分を中心に凹又は凸のいずれかである。

ディスク６に熱変形が生じると、ピストンユニット５０の備える大小径ピストン５５，５６はディスク６の変形に倣うようにその軸方向に摺動するため、制輪子７はディスク６の面の変形に対して追従でき、ピストンユニット５０が備えるそれぞれの大小径ピストン５５，５６は均等な押圧力で当接することができる。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ブレーキが解除されると、通孔６９から圧縮空気が排出されてダイヤフラム７５のベローズ部７７は制動前の折りたたまれた形状に戻り、押圧部７９は制動前の位置に戻る。すると、ピストンユニット５０も制動前の位置に戻り、アジャスタ４１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は当接した状態から解除され、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。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である。

以上の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。

ピストンユニット５０の周縁部の大径ピストン５５の間に小径ピストン５６を備えることで、ダイヤフラム７５の押圧面積を大きくすることができ、ダイヤフラム７５の押圧効率が向上する。よって、大きな押圧力で制輪子７をディスク６に押圧することができる。

また、ディスク６が制動によって熱変形した場合にも、大小径ピストン５５，５６が軸方向に摺動することで熱変形に追従することができる。よって、どの位置の大小径ピストン５５，５６においても押圧力を均等に保つことができ、制輪子７やディスク６の局部的な温度上昇を抑えられる。したがって、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、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。

本発明は、鉄道車両やバス，トラックなど大型車等の空気圧源を有する車両のブレーキ装置として用いることができる。

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。 ダイヤフラムの無加圧時の形状を示した図である。 小径ピストンを備えない場合のダイヤフラムの加圧時の形状を示した図である。 本発明の実施の形態に係るダイヤフラムの加圧時の形状を示した図である。 同一径ピストンによる場合の無加圧時のダイヤフラムの形状を示した図である。 同一径ピストンによる場合の加圧時のダイヤフラムの形状を示した図である。

符号の説明

１００ 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
１４ 第二キャリパアーム
２０ 支持枠
３０ 上スライドピン
５０ ピストンユニット
５５ 大径ピストン
５６ 小径ピストン
６３ ダイヤフラム室
６５ ピストンガイドフレーム
７５ ダイヤフラム

Claims (3)

1. 車輪と共に回転するディスクと、
   前記ディスクに当接して摩擦力を付与する制輪子と、
   空気圧の変化によって変形し、前記制輪子に前記ディスクへの押圧力を印加するダイヤフラムと、
   前記制輪子に対して垂直に、かつ並列に複数設けられ、前記ダイヤフラムの押圧力を前記制輪子に伝達する複数のピストンからなるピストンユニットと、
   を備え、
   前記ピストンユニットは、前記ダイヤフラムの中央部と比して周縁部の方が、隣接するピストンの中心間距離が小さくされることを特徴とするキャリパブレーキ装置。
2. 前記ピストンユニットの前記ダイヤフラムの周縁部に配置される前記複数のピストンは、前記ピストンに加えて径の小さな小径ピストンを更に備え、
   隣接するピストンの中心間距離が小さくされることを特徴とする請求項１に記載のキャリパブレーキ装置。
3. 前記ピストンユニットは、前記ダイヤフラムの中央部のピストンと比して周縁部の方がピストンの径を小さくすることで、隣接するピストンの中心間距離が小さくされることを特徴とする請求項１に記載のキャリパブレーキ装置。