(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪踏面の局所的磨滅（タイヤフラット）の発生を検知する検知手段と、
車輪のタイヤフラット部がレールと接する時点でブレーキ力を一時的に弱めるブレーキ力制御手段と、
を具備し、
ブレーキ力制御手段により、フラット部分がレール面に合致する直前に、フラット部分の再滑走を防止する程度にブレーキを緩め、フラット部分がレール面から離れるときに再度ブレーキを強めるブレーキ制御を、輪軸１軸ごとに行うことを特徴とする鉄道車両用ブレーキ装置。
【請求項２】
上記検知手段が、
車軸箱の加速度を検出する加速度センサと、
車輪の回転角度を検出する回転角度センサと、
車輪がある回転角度位置のときに、所定以上の加速度が同期的に発生することを以って、該位置にタイヤフラットが発生したと判定するタイヤフラット判定部と、
を有することを特徴とする請求項１記載の鉄道車両用ブレーキ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪踏面のある位置に発生した小さなタイヤフラットが、同タイヤフラット部における再滑走により、冗長して大きなタイヤフラットとなるのを防ぐ鉄道車両用ブレーキ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
鉄道車両において、車両走行中にブレーキをかけた際に、車輪とレールの接触部分で局所的な粘着力の低下が生じる場合がある。粘着力の低下は、降雨初期、降霜時あるいは降雪時に著しい。粘着低下が生じてブレーキ力が粘着力を上回ると、車輪が一時的に回転停止してレール上を滑走する。このとき、状況によっては、車輪踏面が局所的に平坦に磨滅し、タイヤフラットが発生する。タイヤフラットが発生すると、いびつな形になった車輪が回転することとなるので、騒音や振動が発生する。このため、当然のこととして乗り心地も低下する。騒音や振動の発生は、磨滅の度合いが大きいほど顕著であり、最悪の場合は軌道破壊や輪軸破壊の原因ともなる。
【０００３】
タイヤフラットが発生しても、車輪が回転することによりフラット部分の角が潰され、騒音や振動は軽微になってゆく傾向がある。しかしながら、図５（Ａ）に示すような、車輪１にタイヤフラットの発生していない正常状態から、図５（Ｂ）に示すように小さなタイヤフラット１ｘが発生すると、再ブレーキ時にフラット部分１ｘで車輪が停止し易くなって、図５（Ｃ）に示すように大きなタイヤフラット１ｙになる可能性がある。
【０００４】
ブレーキ時の再滑走は、フラット部分において起こり易いことが確認されている。これは、フラット部分がレールと接触するときの衝撃や、一時的な輪重減少（フラット部分の面圧が下がること；これを輪重抜けという）により、ブレーキ力が粘着力を上回り易いためであると考えられる。フラット部分が大きいほど、ブレーキ時の再滑走が起こり易い傾向もある。
なお、実際には、１個の車輪で複数箇所にタイヤフラットが発生する例は非常に少ない。したがって、実例からも、小さなフラット部分でブレーキ時に再滑走が起こり、大きなタイヤフラットへと冗長されていくものであるといえる。
【０００５】
大きなタイヤフラットが発生した車輪を使用し続けると、運用上の問題（上記騒音・振動、軌道破壊や輪軸破壊、乗り心地の低下等）が引き起こされる。このため、従来は、急遽車輪削正を行うようにしている。この車輪削正は、電車区等に設けられた車輪旋盤、在姿フライスあるいは円周ガイド等を用い、フラット部分を削って修正する作業である。
【０００６】
ところが、車輪旋盤を用いる場合は、車輪を一旦台車から取り外す大作業が必要である。
一方、在姿フライスを用いる場合は、車輪の外周を専用のフライス盤である径の円となるように削っていくので、車輪を取り外す必要はない。しかしながら、軸箱端部の分解作業等を行わなければならないので、この場合も大作業が必要となる。
円周ガイドを用いる場合は、車輪の最外周の鍔部を受けた状態で、車輪を回しながら車輪踏面を削るので、大きなフラットを削る際に真円度の確保が難しい。このように、いずれの場合も莫大な労力と費用がかかっていた。しかも、車輪削正を行うと、大きなフラットほど切り込み量も多いので、車輪の寿命が短くなり不経済である。
【０００７】
一方、タイヤフラット防止のための他の対策としては、車両に滑走防止機構等を装着する方法がある。ところが、滑走防止機構は、全ての車両に搭載されてはいない。また、搭載されている車両であっても、予想外の急ブレーキ時等においてはタイヤフラットが発生する可能性がある。したがって、結局上記車輪削正作業を行う以外には方法はなかった。このように、一旦発生したタイヤフラットを走行中に除去することは困難であり、大きなフラットへの成長を抑制する対策は現在のところ行われていない。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小さなタイヤフラット部分の再滑走を防ぎ、大きなタイヤフラットとなるのを防ぐ全く新しい方式の鉄道車両用ブレーキ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明のベースとなる鉄道車両用ブレーキ装置は、車輪踏面の局所的磨滅（タイヤフラット）の発生を検知する検知手段と、  車輪のタイヤフラット部がレールと接する時点でブレーキ力を一時的に弱めるブレーキ力制御手段と、  を具備する。
【００１０】
検知手段により、車輪踏面のタイヤフラットを検知する。これは、例えば車軸箱の振動加速度と車輪の回転周期からタイヤフラットの位置を検出することにより行う。検知手段の検知結果に基づき、ブレーキ力制御手段により、フラット部分がレール面に合致する直前に、フラット部分の再滑走を防止する程度に僅かにブレーキを緩め、フラット部分がレール面から離れるときに再度ブレーキを強める。なお、ブレーキ制御は、輪軸１軸ごとに行う。
【００１１】
ブレーキ力を緩めることで、ブレーキ距離が長くなることが懸念される。しかし、実際にはタイヤフラットが発生した場合の方がブレーキ距離は長くなる（動摩擦になるため）。このため、結果的にはフラット部分での滑走再発が起きた場合よりもブレーキ距離を短縮することができる。なお、本発明は、前進安定性の確保を目的とするもの（例えば自動車のアンチロックブレーキシステム等）ではなく、車輪とレール間の粘着力の確保を目的としたものである。
【００１２】
本発明のブレーキ装置用のブレーキとしては、応答性の良い電磁式ブレーキ等の非空気式ブレーキが、俊敏な制御が可能であるため最も好ましい。但し、空気式や油圧式ブレーキでも、ブレーキ力を瞬時に微少に増減できれば用いることが可能である。この場合、ブレーキシリンダ近傍に吐出弁を設けて制御してもよいし、油圧による制御でもよい。さらに、踏面方式あるいはブレーキディスク方式にも適用することが可能である。応答性の高い機械ブレーキ装置を用いることにより、車輪１回転毎に一瞬（フラット部分の転がり時）だけブレーキを緩める制御ができ、フラット部分の再滑走を防止することができる。
【００１３】
本発明の鉄道車両用ブレーキ装置においては、  上記検知手段が、  車軸箱の加速度を検出する加速度センサと、  車輪の回転角度を検出する回転角度センサと、  車輪がある回転角度位置のときに、所定以上の加速度が同期的に発生することを以って、該位置にタイヤフラットが発生したと判定するタイヤフラット判定部と、  を具備することができる。
【００１４】
タイヤフラットが発生すると、車輪１回転につき１度大きな振動波形が発生する。タイヤフラット判定部は、車輪がある回転角度位置で所定以上の加速度が同期的に発生したとき、その回転角度位置にタイヤフラットが発生したと判定する。そして、次回に大きな振動波形が発生する直前に、ブレーキ力制御手段により僅かにブレーキ力を減圧する。これにより、フラット部分でのブレーキ力が過大（瞬時の輪重減少）にならないようにできるので、フラット部分の成長を防止できる。なお、レール継ぎ目等の断続的な振動と、タイヤフラットに起因する周期的な振動とを見分けるには、加速度センサの波形発生周期と、回転角度センサのパルスとを照査することにより判別できる。
【００１５】
このように、本発明では、降雨時等の粘着力低下時に発生したタイヤフラットが大きくならないようにブレーキ力を制御するため、振動や沿線騒音が防止される、あるいは軌道破壊、輪軸の破壊を回避することができる。このため、乗り心地の著しい低下も防止することができる。フラット部分が大きくならなければ、車輪削正量も減り、車輪の寿命を延長することができ、経済性も向上する。さらに、本発明を既存のブレーキシステムに適用する際には、僅かな追加工事でよく、大掛かりな改造・設計変更は不要である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ説明する。
｛第１実施例｝
図１は本発明の第１実施例に係る鉄道車両用ブレーキ装置を示す図であり、（Ａ）は模式的な構成図、（Ｂ）は作動説明図である。図２（Ａ）は図１の鉄道車両用ブレーキ装置をより具体的に示す図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の詳細図である。図３は同鉄道車両用ブレーキ装置のブレーキシリンダ近傍の構成を示す概念図である。
【００１７】
図１に示すように、この例の鉄道車両用ブレーキ装置は、車輪１の踏面を挟んで両側（図では片側のみを示す）に、制輪子３を備えている。制輪子３は、鋳鉄等からなるブレーキパッドである。制輪子３は、図３に最も良く示すように、ブレーキシリンダ５のロッド５ａに取り付けられている。このブレーキシリンダ５は、電気式のアクチュエータである。ブレーキシリンダ５の内部には、復元ばね７が装備されている。復元ばね７は、ロッド５ａの退避の駆動力として作用する。
【００１８】
なお、車輪踏面に制輪子を押し付ける方式のブレーキ装置には、両抱式（両側から２つの制輪子を押し付ける方式）と、片押し式（片側から１つの制輪子を押し付ける方式）がある。本実施例ではいずれも適用できるが、以下、１つの制輪子３についてのみ説明することとする。
【００１９】
ブレーキシリンダ５は、制御装置１０に接続されている。この制御装置１０には、車両の運転台に設置されている逆転ハンドル（前後進ハンドル）１３と、ブレーキ装置１５が接続されている。逆転ハンドル１３は、前位置、中立、後位置の３ポジションを有する手動ハンドルである。
【００２０】
一方、ブレーキ装置１５は、２ハンドル方式の電気指令式のブレーキ装置である。日本の車両（電車・気動車）では、一般に、運転台の右側に設置されており、新幹線・機関車では左側に設置されている。ブレーキ装置１５は、ハンドル１５ａを備えている。同ハンドル１５ａを回すことにより、ブレーキ装置１５が作動する。ハンドル１５ａの回転角度に応じたブレーキ力を得ることができ、マスコンとブレーキが一体となったワンハンドル式も同様である。
【００２１】
図１及び図２に示すように、車輪１の軸箱２には、加速度センサ（振動加速度計）１７が取り付けられている。加速度センサ１７は、車両の各車軸毎（１軸毎）に取り付けられている。各加速度センサ１７は、制御装置１０に接続されている。加速度センサ１７は、車軸を支持する軸箱２の加速度を検出し、その検出結果を制御装置１０に送出する。
【００２２】
さらに、車輪１には回転角度センサ（車輪回転パルス発生器）１９も取り付けられている。回転角度センサ１９は、上記振動加速度計１７と一体で各車軸毎に取り付けられているものと、振動加速度計１７とは別体のもの（簡略タイプ）とがある。簡略タイプの場合は、１両の車両につき４個ずつ取り付けられている。回転角度センサ１９は、車輪１の回転角度を検出し、その検出結果を制御装置１０に送出する。車輪１回転（円周約３ｍ）に相当するパルス数は、６００パルス程度である。なお、回転角度センサ１９は、動力を有する歯車付き車軸の場合には歯数センサやモータ内蔵のエンコーダで代用してもよい。
【００２３】
制御装置１０は、車輪１がある回転角度位置のとき（回転角度センサ１９により検出される）に、所定以上の加速度（加速度センサ１７により検出される）が同期的に発生する場合、この位置にタイヤフラットが発生したと判定する。そして、車輪１のフラット部分がレール面と接する時点で、ブレーキシリンダ５の電磁力を一時的に弱めるとともに、フラット部分がレール面から離れるときに再度ブレーキシリンダ５の電磁力を強めるように制御する。なお、このようなブレーキシリンダ５の電磁力可変制御は、各輪軸毎に個別に行う。
【００２４】
なお、制御装置１０において、加速度センサ１７の波形発生周期と、回転角度センサ１９のパルスとを照査することにより、レール継ぎ目等の断続的な振動（レール長さ２５ｍに依存する振動）と、タイヤフラットに起因する周期的な振動（車輪周長（半径）比例の振動）とを見分けることができる（詳しくは後述する）。
【００２５】
次に、上記の構成からなる鉄道車両用ブレーキ装置の作用について説明する。タイヤフラットが発生すると、車輪１回転につき１度大きな振動波形αが発生する。制御装置１０においては、加速度センサ１７と回転角度センサ１９の照査により、この振動波形αをタイヤフラット発生と判定する。
【００２６】
すなわち、制御装置１０は、加速度センサ１７による速度の検出値と、回転角度センサ１９による車輪回転数（車輪回転角度位置）の検出値とを照査して、車輪１回転（円周約３ｍ）に１度の振動波形が発生した場合に、タイヤフラット発生と判定する。または、決まった間隔で振動波形αが複数回検出されたような場合に、タイヤフラット発生と判定してもよい。
【００２７】
ここで、加速度センサ１７と回転角度センサ１９を各車軸毎に設置している場合は、図２に示すように、車輪１回転当たりのパルス数（例えば６００パルス程度）から、次回のフラット部分の到来（振動波形α）を事前に予測する。そして、フラット部分αが到来する直前に、制御装置１０によりブレーキシリンダ５の電磁力を弱めて、制輪子３の押し付け圧力が小さくなるように制御する。これで、ブレーキ力が少し緩められる。フラット部分αを通過した後は、瞬時にブレーキシリンダ５の電磁力を強めて、制輪子３の押し付け圧力が復帰するように制御する。この制御は、図１（Ｂ）に示すように、車両が停止するまで繰り返す。
【００２８】
一方、簡略タイプ（各軸毎に回転角度センサ１９を設置していないもの）の場合は、振動加速度計１７の検出結果に基づく波形発生周期と、列車速度（他の車軸のパルス）を照査する。この場合、ほぼ車輪１回転と振動波形が一致したとき、制御装置１０により振動波形間隔を記憶し、次回振動波形が出る直前に瞬時のブレーキ緩めを行う。振動波形を通過した後は、瞬時にブレーキシリンダ５の電磁力を強めて、制輪子３の押し付け圧力が復帰するように制御する。
【００２９】
上記タイヤフラット発生の判定においては、レール継ぎ目等の断続的な振動と、タイヤフラット（つまり車輪回転数）に起因する周期的な振動を見分ける必要がある。これは、加速度センサ１７による速度の検出値と、回転角度センサ１９による車輪回転数の検出値とを照査することにより判別される。すなわち、図２（Ａ）に示すように、フラット部分に対応した振動波形αは、車輪１回転につき度検出されるが、レール継ぎ目に対応した振動波形βは、レール長さ（例えば２５ｍ）につき１度検出される。このような振動波形βは、タイヤフラットに伴う振動波形とは見做さないようにする。
【００３０】
なお、列車編成全体で考えた場合は、ブレーキ力制御の際、タイヤフラットが発生した車輪のブレーキ力を他の車輪より低減（例えば８０％）させることも有効である。
【００３１】
｛第２実施例｝
以下、本発明の第２実施例について説明する。
図４（Ａ）は本発明の第２実施例に係る鉄道車両用ブレーキ装置のブレーキシリンダ近傍の構成図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の詳細図であり、図４（Ｃ）は作動説明図である。
【００３２】
この第２実施例は、ブレーキシリンダが油圧式のブレーキシステムとなっているものである。このブレーキシステムは、油圧源２１に配管２２を介して接続された油圧シリンダ２３を備えている。油圧シリンダ２３の側壁の一部には、小型の圧力増減シリンダ２５が組み込まれている。この油圧シリンダ２３のロッド２３ａの先端には、ブレーキ制輪子３が取り付けられている。
【００３３】
このような油圧シリンダ２３は、圧力増減シリンダ２５がこまめに動作することで、図４（Ｃ）に示すように内部の油圧の微調整を行うことができる。したがって、特にブレーキ力を瞬時に微少に増減することができるので、第１実施例と同様に、車輪１回転毎に一瞬（フラット部分の転がり時）だけブレーキを緩める等の制御が可能である。また、このような油圧シリンダ２３は、ディスクブレーキ方式にも適用できる。
なお、この種のブレーキシステムとしては、本出願人が先に出願した特願平９−９２７９１号等で提案されているシステムを用いることもできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、小さなタイヤフラット部分の再滑走を防ぎ、大きなタイヤフラットとなるのを防ぐことができる。このため、特に以下の効果を得ることができる。
（１）振動・沿線騒音が防止される、あるいは軌道破壊、輪軸の破壊を回避することができる。
（２）乗り心地の著しい低下を防ぐことができる。
（３）フラット部分の車輪削正量が減り、車輪の寿命を延長することができるので、経済性が向上する。
（４）既存のブレーキシステムに適用する際には、僅かな追加工事でよく、大掛かりな改造・設計変更が不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施例に係る鉄道車両用ブレーキ装置を示す図であり、（Ａ）は模式的な構成図、（Ｂ）は作動説明図である。
【図２】図２（Ａ）は図１の鉄道車両用ブレーキ装置をより具体的に示す図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の詳細図である。
【図３】同鉄道車両用ブレーキ装置のブレーキシリンダ近傍の構成を示す概念図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明の第２実施例に係る鉄道車両用ブレーキ装置のブレーキシリンダ近傍の構成図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の詳細図であり、図４（Ｃ）は作動説明図である。
【図５】タイヤフラットの発生過程を説明する図であり、（Ａ）は正常時、（Ｂ）は小フラット発生時、（Ｃ）は大フラット成長時を示す図である。
【符号の説明】
１    車輪                            ２    軸箱
３    制輪子                          ５    ブレーキシリンダ
１０    制御装置                      １３    逆転ハンドル
１５    ブレーキ装置                  １７    加速度センサ
１９    回転角度センサ                ２１    油圧源
２３    油圧シリンダ                  ２５    圧力増減シリンダ
【図１】
0004491092.tif 000002
【図２】
0004491092.tif 000003
【図３】
0004491092.tif 000004
【図４】
0004491092.tif 000005
【図５】
0004491092.tif 000006