本发明涉及铁道车辆用的制动摩擦衬片及采用该制动摩擦衬片的铁道车辆用盘形制动器。
背景技术：
近年来，随着铁道车辆的高速化，铁道车辆的制动装置大多使用盘形制动器。盘形制动器是利用制动盘与制动摩擦衬片的摩擦构件之间的摩擦而获得制动力的装置。
关于制动摩擦衬片，以往进行了各种各样的提案。例如日本特开2011－214628号公报(专利文献1)和日本特开2011－214629号公报(专利文献2)公开了一种铁道车辆用制动摩擦衬片。
图8a表示以往的制动摩擦衬片的一个例子的俯视图，图8b表示沿着图8a的线viiib－viiib的剖视图。图8a和图8b所示的制动摩擦衬片202包括多块宽度较宽的板状的摩擦构件203、固着于各摩擦构件203的背面的背衬204、以及从背面侧将各摩擦构件203与背衬204一同保持的基板206。利用未图示的铆钉将各摩擦构件203与背衬204一同牢固地安装于基板206。制动摩擦衬片202以各摩擦构件203的正面与制动盘201的滑动面201a相对的方式配置。
制动摩擦衬片202的基板206安装于未图示的制动钳。在制动时，制动钳将制动摩擦衬片202按压于制动盘201。通过使摩擦构件203与制动盘201相接触，从而对车辆进行制动。由于制动钳和制动摩擦衬片202的安装部的构造，自制动钳对制动摩擦衬片202赋予的按压力并不是均等地作用于制动摩擦衬片202的整个区域，而是集中地作用于某个特定的部分。
随着反复进行制动，盘形制动器的摩擦构件磨损。若在制动时没有对摩擦构件均匀地施加载荷，则摩擦构件的偏磨损变大。若摩擦构件的偏磨损变大，则制动摩擦衬片的性能和寿命下降。为了防止该偏磨损，优选的是，制动盘和所有的摩擦构件均匀地接触。此外，若在制动时摩擦构件与盘形制动器之间的接触面积较小，则制动的能力下降、偏磨损变大。因此，谋求摩擦构件与盘形制动器之间的接触面积较大。
在上述以往的制动摩擦衬片202中，板状的摩擦构件203牢固地固定于基板206。因此，在使用以往的制动摩擦衬片202的情况下，摩擦构件的偏磨损容易变大，并且在制动时有时摩擦构件与盘形制动器的接触面积变为不充分。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－214628号公报
专利文献2：日本特开2011－214629号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
在上述的状况下，本发明的目的之一在于提供一种在进行高速驾驶下的紧急制动时也能够抑制制动盘与摩擦构件的接触变为不均匀的情况以及能够抑制制动盘与摩擦构件之间的接触面积较大程度地减小的情况的制动摩擦衬片。
用于解决问题的方案
本发明的一个技术方案的制动摩擦衬片是为了实现铁道车辆的制动而被按压于与所述铁道车辆的车轮的车轴一同旋转的制动盘的铁道车辆用的制动摩擦衬片。该制动摩擦衬片包括基板、多个摩擦构件以及多个弹簧构件。所述多个摩擦构件包括至少1个第1摩擦构件和至少1个第2摩擦构件。在所述第1摩擦构件和所述基板之间配置有所述弹簧构件从而将所述第1摩擦构件弹性地安装于所述基板。所述第2摩擦构件固定于所述基板。在将所述多个摩擦构件与所述车轴的中心之间的最短距离设为r1，将所述多个摩擦构件与所述车轴的中心之间的最长距离设为r2时，中心存在于距所述车轴的中心的距离为{r1+(r2－r1)/3}～{r1+2×(r2－r1)/3}的范围内的所述第1摩擦构件有1个以上。所述第1摩擦构件的滑动面积的合计t1和所述第2摩擦构件的滑动面积的合计t2满足2/25≤t2/(t1+t2)的关系。
本发明的一个技术方案的盘形制动器是包括与铁道车辆的车轮的车轴一同旋转的制动盘和为了实现所述铁道车辆的制动而被按压于所述制动盘的制动摩擦衬片的铁道车辆用的盘形制动器。所述制动摩擦衬片是本发明的制动摩擦衬片。
发明的效果
根据本发明，能够获得一种在进行高速驾驶下的紧急制动时也能够抑制制动盘与摩擦构件的接触变为不均匀的情况以及能够抑制制动盘与摩擦构件之间的接触面积较大程度地减小的情况的制动摩擦衬片。
附图说明
图1是表示对紧急制动时的制动盘的位移进行解析而得到的结果的图表。
图2是示意地表示本发明的制动摩擦衬片的一个例子的图。
图3是示意地表示本发明的制动摩擦衬片所使用的第1摩擦构件(可动摩擦构件)的一个例子的剖视图。
图4是示意地表示本发明的制动摩擦衬片所使用的第2摩擦构件(固定摩擦构件)的一个例子的剖视图。
图5是用于说明摩擦构件的配置的图。
图6a是示意地表示发明例1的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6b是示意地表示发明例2的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6c是示意地表示发明例3的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6d是示意地表示发明例4的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6e是示意地表示发明例5的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6f是示意地表示发明例6的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6g是示意地表示发明例7的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6h是示意地表示发明例8的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6i是示意地表示发明例9的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6j是示意地表示发明例10的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图6k是示意地表示发明例11的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图7a是示意地表示比较例1的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图7b是示意地表示比较例2的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图7c是示意地表示比较例3的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置的俯视图。
图8a是示意地表示以往的制动摩擦衬片的一个例子的俯视图。
图8b是示意地表示沿着图8a的线viiib－viiib的截面等的图。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施方式。另外，在以下的说明中，举例说明本发明的实施方式，但本发明并不限定于以下说明的例子。在以下的说明中，存在例示出具体的数值、材料的情况，但只要能获得本发明的效果，就也可以应用其他的数值、材料。
本申请发明人等对各种各样的条件化的制动摩擦衬片的性能进行了评价。其结果，本申请发明人等发现，在以往的制动摩擦衬片中，存在摩擦构件与制动盘的接触不均匀，接触面积较大程度地减小的可能性。发明人等针对自360km/h的行驶状态施加紧急停止制动时的制动盘表面的位移进行了有限元解析。图1表示其结果。图1的横轴表示距车轴的中心的距离。横轴为235mm的位置是制动盘的内周端的位置。横轴为360mm的位置是制动盘的外周端的位置。在自该内周端到外周端之间的范围内，摩擦构件与制动盘相接触。图1的纵轴表示车轴的轴向上的位移，位移为零的位置表示制动前的新品的制动盘表面的位置。位移为正表示制动盘表面向制动摩擦衬片侧移动的情况。
如图1所示，在进行高速驾驶下的紧急制动的情况下，成为如下结果：根据制动盘上的不同位置而变形大不相同。具体地讲，制动盘的内周侧鼓起而向制动摩擦衬片侧接近，相反地，制动盘的外周侧向远离制动摩擦衬片的方向位移。基于该新的见解，发明人等对易于与制动盘均匀地接触且与制动盘接触的面积较大的制动摩擦衬片进行了研究，完成了以下的发明。
(制动摩擦衬片)
本发明的制动摩擦衬片是铁道车辆用的制动摩擦衬片。该制动摩擦衬片为了实现铁道车辆的制动而被按压于与铁道车辆的车轮的车轴一同旋转的制动盘。该制动摩擦衬片包含多个摩擦构件、多个紧固构件、多个弹簧构件、以及基板。
通过利用制动钳直接或间接地推压基板，从而使制动摩擦衬片的摩擦构件按压于制动盘，进行车辆的制动。在一个例子中，基板安装于引导板，通过利用制动钳推压该引导板，从而使摩擦构件按压于制动盘。
摩擦构件、紧固构件、弹簧构件以及基板并没有特别的限定，也可以使用公知的构件。摩擦构件的材料的例子包含铜系的烧结材料、树脂系材料。摩擦构件的平面形状的例子包含圆形和多边形(四边形和六边形等)。紧固构件的例子包含铆钉。弹簧构件的例子包含碟形弹簧、板簧以及螺旋弹簧。基板的例子包含金属板。
多个摩擦构件包含至少1个第1摩擦构件和至少1个第2摩擦构件。第1摩擦构件和第2摩擦构件既可以相同，也可以不同。在典型的一个例子中，第1摩擦构件和第2摩擦构件由相同的材料形成，且具有相同的平面形状。第1摩擦构件的数量和第2摩擦构件的数量没有限定，也可以分别处于1个～50个(例如2个～30个)的范围内。
在第1摩擦构件和基板之间配置有弹簧构件，从而将第1摩擦构件弹性地安装于基板。第1摩擦构件通常固着于背衬。在该情况下，在背衬和基板之间配置有弹簧构件，从而将第1摩擦构件弹性地安装于基板。为了将第1摩擦构件安装于基板，使用铆钉等紧固构件。第2摩擦构件固定于基板。与第1摩擦构件不同，第2摩擦构件没有借助弹簧构件地安装于基板。另外，第2摩擦构件固定于基板的形态的例子包含使用铆钉等紧固构件而将第2摩擦构件以能够旋转的方式固定于基板的形态。以下，有时将第1摩擦构件称作“可动摩擦构件”，将第2摩擦构件称作“固定摩擦构件”。
各摩擦构件的滑动面积既可以相同，也可以不同。在此，“滑动面积”是指摩擦构件的表面中的与制动盘相对的表面且是设计为与制动盘接触的表面的面积。在一个例子中，所有的摩擦构件(第1摩擦构件和第2摩擦构件)中的每1者的滑动面积相同。在典型的一个例子中，所有的摩擦构件都具有相同的平面形状。
由于第1摩擦构件弹性地安装于基板，因此其易于追随制动盘的位移。另一方面，第1摩擦构件借助弹簧构件安装于基板，因此使用第1摩擦构件的情况会导致制造工序的复杂化和制造成本的上升。因此，在经济性的方面，不优选将摩擦构件全部设为第1摩擦构件的情况。
在此，将多个摩擦构件与车轴的中心之间的最短距离设为r1。更具体地讲，将所有的摩擦构件的滑动面中的最接近车轴的中心的部分与车轴的中心之间的距离设为r1。此外，将所有的摩擦构件的滑动面中的最远离车轴的中心的部分与车轴的中心之间的距离设为r2。在此，“摩擦构件的滑动面”是指摩擦构件的表面中的设计为与盘形制动器接触的面。此外，“盘形制动器的滑动面”是指盘形制动器的表面中的设计为与摩擦构件接触的面。此外，“车轴的中心”是指存在于包含摩擦构件的滑动面在内的面上的车轴的中心。
在本发明的制动摩擦衬片中，中心存在于距车轴的中心的距离为{r1+(r2－r1)/3}～{r1+2×(r2－r1)/3}的范围内的第1摩擦构件有1个以上。并且，第1摩擦构件的滑动面积的合计t1和第2摩擦构件的滑动面积的合计t2满足2/25≤t2/(t1+t2)的关系。采用该结构，能够抑制制动盘与摩擦构件的接触不均匀的情况及制动盘与摩擦构件之间的接触面积较大程度地减小的情况。
在该说明书中，将配置多个摩擦构件的区域分为内周部s1、中央部s2及外周部s3这3个区域来考虑。内周部s1是距车轴的中心的距离处于r1～{r1+(r2－r1)/3}的范围内的区域。如上所述，中央部s2是距车轴的中心的距离处于{r1+(r2－r1)/3}～{r1+2×(r2－r1)/3}的范围内的区域。外周部s3是距车轴的中心的距离处于{r1+2×(r2－r1)/3}～r2的范围内的区域。
另外，在摩擦构件的平面形状是圆形的情况下，该圆形的中心是摩擦构件的中心。此外，在摩擦构件的平面形状是除圆形之外的形状(多边形等)的情况下，将该平面形状的重心的位置设为摩擦构件的中心。在摩擦构件的中心存在于彼此相邻的两个区域的分界线上的情况下，视为在这两个区域各存在0.5个中心。
将中心存在于上述的中央部s2的第1摩擦构件的滑动面积的合计设为t1(s2)，将中心存在于中央部s2的第2摩擦构件的滑动面积的合计设为t2(s2)。在本发明的制动摩擦衬片中，也可以是，t1(s2)和t2(s2)满足4/9≤t1(s2)/(t1(s2)+t2(s2))≤1。例如也可以是，中心存在于上述的范围(中央部s2)内的所有摩擦构件都是第1摩擦构件。
将中心存在于距车轴的中心的距离为r1～{r1+2×(r2－r1)/3}的范围(内周部s1和中央部s2)内的第1摩擦构件的滑动面积的合计设为t1(s1－s2)，将中心存在于该范围内的第2摩擦构件的滑动面积的合计设为t2(s1－s2)。在本发明的制动摩擦衬片中，也可以是，t1(s1－s2)和t2(s1－s2)满足9/17≤t1(s1－s2)/(t1(s1－s2)+t2(s1－s2))≤1。例如也可以是，中心存在于内周部s1和中央部s2的所有摩擦构件都是第1摩擦构件。
在典型的例子中，在内周部s1、中央部s2及外周部s3分别配置有多个摩擦构件的中心。例如配置于内周部s1的多个摩擦构件的中心配置在以车轴为中心的同一圆周上。同样，配置于中央部s2的多个摩擦构件的中心配置在以车轴为中心的同一圆周上。同样，配置于外周部s3的多个摩擦构件的中心配置在以车轴为中心的同一圆周上。此外，将连结配置有所有摩擦构件的区域的周向上的中心和车轴的中心的直线作为对称轴，摩擦构件的排列为左右对称(线对称)。也就是说，这些摩擦构件将连结基板的周向上的中心和车轴的中心的线作为对称轴地配置为线对称。在该情况下，容易进行制动摩擦衬片的组装。此外，摩擦构件与正转的制动盘接触的接触状态和摩擦构件与反转的制动盘接触的接触状态相同，制动摩擦衬片的性能稳定。
(盘形制动器)
本发明的盘形制动器包含制动盘和为了实现铁道车辆的制动而被按压于制动盘的制动摩擦衬片。制动摩擦衬片是本发明的制动摩擦衬片。由于在其他的部分对本发明的制动摩擦衬片进行了说明，因此省略重复的说明。
除了制动摩擦衬片之外的结构(制动盘、制动钳等)并没有特别的限定，也可以应用公知的结构。利用制动钳将制动摩擦衬片按压于制动盘，由此对车轮进行制动。制动盘是随着铁道车辆的车轮的车轴的旋转而旋转的盘构件。制动盘通常固定于车轮或车轴。圆板状或环状的制动盘的旋转中心与车轴的中心一致，因此在该说明书中，可以将“车轴的中心”替换为“制动盘的旋转中心”。
(实施方式)
在该实施方式中，说明本发明的制动摩擦衬片及盘形制动器的一个例子。图2表示从制动盘侧观察该实施方式的制动摩擦衬片10时的图。另外，为了进行参考，图2也图示了引导板101。制动摩擦衬片10包含基板20和多个摩擦构件。多个摩擦构件包括至少1个可动摩擦构件(第1摩擦构件)11和至少1个固定摩擦构件(第2摩擦构件)12。可动摩擦构件11和固定摩擦构件12分别具有在中央形成有贯通孔的圆板状的形状。图3表示可动摩擦构件11附近的剖视图。此外，图4表示固定摩擦构件12附近的剖视图。
可动摩擦构件11的背面固着于背衬11a。在可动摩擦构件11的中央和背衬11a的中央形成有供紧固构件14穿过的贯通孔。可动摩擦构件11利用紧固构件14以能够移动的方式安装于基板20。紧固构件14是铆钉。在背衬11a和基板20之间配置有弹簧构件13。因此，可动摩擦构件11弹性地安装于基板20，其能与对可动摩擦构件11施加的力相应地进行位移。
固定摩擦构件12的背面固着于背衬12a。背衬11a和背衬12a既可以相同，也可以不同。固定摩擦构件12以没有借助弹簧构件的方式非弹性地安装于基板20。如图4所示，固定摩擦构件12也可以利用紧固构件14固定于基板20。在该情况下，在固定摩擦构件12的中央和背衬12a的中央形成有供紧固构件14穿过的贯通孔。固定摩擦构件12以没有借助弹簧构件的方式固定于基板20，因此能够设为比可动摩擦构件11厚。
基板20被制动钳(未图示)支承。更具体地讲，基板20隔着引导板101被支承于制动钳，在制动时，该基板20被制动钳施加载荷。可动摩擦构件11和固定摩擦构件12以与制动盘103的滑动面103a相对的方式配置。该实施方式的盘形制动器包含制动摩擦衬片10、引导板101、制动钳以及制动盘103。另外，也可以是基板20没有隔着引导板101而直接被支承于制动钳。
参照图5说明上述的内周部s1、中央部s2及外周部s3。图5仅表示一部分摩擦构件。图5所示的摩擦构件是摩擦构件11和摩擦构件12中的任一者，在图5中未将它们区分开。
参照图5，将车轴的中心设为中心c。将摩擦构件11、12的滑动面中的最接近车轴中心c的部分与车轴中心c之间的距离设为r1。将摩擦构件11、12的滑动面中的最远离车轴中心c的部分与车轴中心c之间的距离设为r2。而且，根据距车轴中心c的距离将夹在r1和r2之间的区域3分割。具体地讲，内周部s1是距车轴中心c的距离处于r1～{r1+(r2－r1)/3}的范围内的区域。中央部s2是距车轴中心c的距离处于{r1+(r2－r1)/3}～{r1+2×(r2－r1)/3}的范围内的区域。外周部s3是距车轴中心c的距离处于{r1+2×(r2－r1)/3}～r2的范围内的区域。在本发明的制动摩擦衬片中，以摩擦构件11和摩擦构件12满足上述的条件的方式配置摩擦构件11和摩擦构件12。
【实施例】
利用实施例更详细地说明本发明。在以下的实施例中，利用有限元解析对本发明的制动摩擦衬片和比较例的制动摩擦衬片进行了评价。在解析中，使用热变形后的形状的盘构件作为制动盘。此外，将制动摩擦衬片的按压载荷设为7.2kn。
图6a～图6k表示发明例1～发明例11的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置。图7a～图7c示意地表示比较例1～比较例3的制动摩擦衬片的摩擦构件的配置。在这些图中，为了易于理解，对固定摩擦构件12施加阴影。此外，仅对图6a的发明例1的局部附上了附图标记。
各可动摩擦构件11和各固定摩擦构件12的材质及平面形状相同。因此，各摩擦构件的滑动面积相等。另外，在该实施例的有限元解析中，制作将图示的制动摩擦衬片分割为一半而成的模型，并使用该模型进行解析。即，该实施例的摩擦构件以对称轴为中心地配置为左右对称(线对称)。
针对发明例和比较例的制动摩擦衬片而言，表1示出了中心存在于内周部s1、中央部s2及外周部s3的摩擦构件的数量。具体地讲，表1示出了在各区域中的(中心存在于该区域的可动摩擦构件11的数量)/(中心存在于该区域的摩擦构件11、12的数量的合计)的比值。另外，由于各摩擦构件的滑动面积相等，因此表1的数量之比与滑动面积之比相等。
[表1]
在发明例1～发明例11的制动摩擦衬片中，中心存在于中央部s2的可动摩擦构件11有1个以上。并且，发明例1～发明例11的制动摩擦衬片满足2/25≤t2/(t1+t2)的关系。另一方面，在比较例1和比较例2的制动摩擦衬片中，中心存在于中央部s2的可动摩擦构件11的数量为零。此外，比较例3的制动摩擦衬片满足t2/(t1+t2)＝1/25的关系。
表2表示解析的结果。表2的接触面积表示制动时的摩擦构件与制动盘之间的接触面积。表2的标准偏差表示对25个摩擦构件施加的载荷的偏差的大小。从制动力的观点和防止偏磨损的观点出发，优选的是接触面积较大且标准偏差较小。
[表2]
如表2所示，与比较例1～比较例3的制动摩擦衬片相比，发明例1～发明例11的制动摩擦衬片的标准偏差较小。此外，与比较例1的制动摩擦衬片相比，发明例1～发明例11的制动摩擦衬片的接触面积较大。像这样地，发明例1～发明例11的制动摩擦衬片的接触面积较大且标准偏差较小。
中心存在于中央部s2的摩擦构件全都是可动摩擦构件11的发明例1～发明例5及发明例8的制动摩擦衬片表现出了标准偏差为215n以下这样的良好的结果。此外，中心存在于内周部s1和中央部s2的摩擦构件全都是可动摩擦构件11的发明例1～发明例4的制动摩擦衬片表现出了接触面积为1296mm2以上且标准偏差为215n以下这样的特别良好的结果。
利用本发明的制动摩擦衬片而获得良好的结果的原因目前并不明确。但是，如图1所示，制动盘中的与中央部s2相对应的部分的由热膨胀引起的位移较大且由位移引起的表面的倾斜较大。因此，可以认为在中央部s2配置可动摩擦构件11是很重要的。此外，制动盘中的与内周部s1相对应的部分的由热膨胀引起的位移特别大。因此，可以认为存在如下的可能性：通过在内周部s1和中央部s2这两处配置可动摩擦构件11，可获得更良好的特性。
产业上的可利用性
本发明能够应用于铁道车辆用的制动摩擦衬片及采用该制动摩擦衬片的铁道车辆用盘形制动器。
附图标记说明
10、制动摩擦衬片；11、可动摩擦构件(第1摩擦构件)；12、固定摩擦构件(第2摩擦构件)；13、弹簧构件；14、紧固构件；20、基板；100、盘形制动器；101、引导板；103、制动盘。