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特集論

空圧キャリパを用いたオイルレスな新幹線ブレーキシステムの開発

文

Development of Oil-Free Brake System for
Shinkansen Using Pneumatic Brake Caliper
森田昇三古谷英樹

佐 々 木 浩 一白石仁史

鉄道車両のブレーキ方式には，車輪とレール間の粘着力を利用する粘着方式と粘着力に依存しない非粘着方式がある．
現在，新幹線営業車両に使用されているブレーキは粘着方式のみであり，電気ブレーキ（回生ブレーキ）と機械ブレーキ（ブレーキキャリパ）を併用し，走行車両の運動エネルギーを電流と熱に変換し制動力を得ている．また，安全と信頼性から制動源には空圧が使用され，フェールセーフ機構となっている．1964 年（昭和 39 年）の東海道新幹線開業から機械ブレーキには，油圧方式が用いられている．本報では，ブレーキシステムの基幹構成要素である新幹線用空圧式ブレーキキャリパの開発について報告する．

1．はじめ

きの空圧シリンダ，台車へ締結するためのブラケット及びラにイニング受けからなる．ブレーキアームの中央を支点とし，鉄道ブレーキは，安全の信頼性，列車運転の円滑化，新技

空圧シリンダの出力をテコ倍してライニング受けに取り付け術の導入（メンテナンスの省力化，小型軽量化）に留意しなたブレーキライニングでブレーキディスクを挟みこむものでがら開発や改良が行われ，近代高速化の発展に寄与している．

ある．シリンダ径とてこ比の最適化により油圧と同等の出力

現在の新幹線のブレーキシステムは，空気圧を油圧に変換し性能を得た．また，表１に１次試作と２次試作の主要諸元を油圧キャリパを動作させる示す．

空油変換方式が用いられている．この方式では空気圧を油圧に変換するための増圧シリンダが必要になる．一方，空気圧のみのブレーキシステムにすブラケット

揺動装置

ると増圧シリンダが不要となり，ブレーキ部品を削減できる．
これは，安全性信頼性の向上及びメンテナンスの省力化に大きく寄与し，LCC（Life Cycle Cost）の低減につながる．

2．新幹線用空圧キャリパの開発目標
空圧キャリパ（Pneumatic Brake Caliper）の開発では，形状及び質量について次の開発目標を定めた．
形状については，体現在の油圧キャリパのスペースで台車に取付け可能なことをブレーキアーム目標とした．新幹線では車輪の両側面にボルトで締結された車輪ディスクが用いられる．このため，ブレーキキャリパの隙間調整機構付空圧シリンダアームは車輪のフランジに干渉してはならない．また，車輪

図１と駆動装置間，車輪とモータ間のスペースは非常に小さくな

ライニング受け開発した空圧キャリパ（２次試作）っているため，ブレーキキャリパのライニング受けとライニ
表１ングの厚みなどに制約がある．小型化と同時に，軽量化につ

１次試作

２次試作

総質量
（ブレーキライニングを除く） （kg）

166

80

全 長

項

いても，増圧シリンダ＋油圧キャリパの質量よりも軽くなる
90 kg 以下を目標とした．

3．開発した空圧キャリパ

主要諸元の比較

目（mm）

660

634

ブレーキライニング部最大幅 （mm）

315

315

シリンダ部最大幅（mm）

401

401

作の空圧キャリパを示す．開発した空圧キャリパはテコ方式シリンダ径（mm）

200200で，２本のブレーキアーム，支点となる体，隙間調整機構付

テコ比（片側）2.9（1.45）

2.9（1.45）

空圧キャリパは，１次試作により基本特性の確認を行った
後，２次試作により小型化と軽量化を行った．図１に２次試

三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

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35100
目標機械効率：90％

2.07

80
：キャリパ出力（kN）：公称キャリパ出力（kN）
理論無効圧力＝34kPa：機械効率（％）［上げ特性］

25201570
60
504030

10A：キャリパ初動圧力 ＝40kPa
B：ライニング戻し圧力＝25kPa

5B

0100

200

A

300

400

500

600

700

機械効率（％）

キャリパ出力（kN）

30

1.04

1.35

90

3.0

1.52

3.89

3.67
5.46

20100800

1.67
5.93

BC圧力（kPa）

1.24

5.93図２空圧キャリパの機械効率

3.92
3.45

10.95

4．試

験3.30

図３

１次試作した空圧キャリパにおいて，特性の確認試験と回空圧キャリパの応力測定個所と安全率転試験装置を用いた初速 320 km/h からのブレーキ制動試験を行った．特性の確認試験では，機械効率の測定を行った．

安全率である．また，空圧シリンダの見直し及びブレーキア試験では，E2 系新幹線の非常ブレーキ相当のブレーキシリームの長さを短くするなどして小型化を行った．この結果，ンダ圧（以下，BC 圧： Brake Cylinder Pressure）で空圧キ２次試作では質量を 80 kg と目標の 90 kg 以下にできた．まャリパを動作させ，ロードセルを挟むことによりブレーキのた，台車との取合いを図面上で検討した結果，現在の油圧キ上げ特性及び下げ特性について押付力と BC 圧力の関係を得ャリパのスペースに取付け可能であることを確認した．

た．
ブレーキ制動試験では，空圧キャリパの強度確認を目的と7．まとめし，E2 系新幹線の BC 圧パターンにより初速 320 km/h から本開発により，空気圧式新幹線ブレーキシステムの根幹を停止までのブレーキを行い，各部の応力を測定し FEMなすブレーキキャリパの開発ができ，油圧キャリパと同等の（Finite Element Method）解析と実測値とを突き合わせて設性能をもつことが確認できた．また，現在の油圧キャリパの計安全率の確認を行った．試験の荷重条件は，E2 系新幹線スペースに取付け可能な小型化を行った．油圧を使わないこ

満車質量に慣性質量として空車の 10 ％を加えた輪重（14.67 t）とでメンテナンスの省力化が期待できる．
今後は，開発した空圧キャリパの耐久性を確認していくととした．

5．試

験

結

ともに，空圧システムに適したブレーキ制御及び車輪踏面と果レール間の粘着力低下（すべり）によるブレーキ距離延伸を機械効率の測定結果を図２に示す．また，測定した結果をキシステム全体でのコストダウン及びメンテナンスの省力化

基に式（1）により機械効率を求めた．
実測押し付け力
機械効率＝−−−−−−−−−−−−−−−×100（％）
設計押し付け力防止するための滑走再粘着制御の開発を進めていき，ブレー（1）を検討していく．

この結果，機械効率は 90 ％以上であることを確認した．
増圧シリンダと組み合わせた油圧キャリパの機械効率は約80 ％であり空圧キャリパの単体の方が効率が良い．これは参 考 文 献（1）内田清五，新幹線のブレーキシステム（2001）増圧シリンダ分の機械損失が低減したことによる．
走行速度 320 km/h からのブレーキ制動試験は，あらかじめ FEM を用いて応力測定箇所を選定した．図３に主要測定箇所の安全率を示す（囲み無し）．これより，安全率で 2.0 以上の箇所について，再度 FEM 解析を用い２次試作ではさら森田昇三

古谷英樹

機械事業本部 プラ
ント・交通システム
事業センター 交通システム・機械技術部空制装置設計課長

機械事業本部 プラ
ント・交通システム
事業センター 交通システム・機械技術部空制装置設計課佐々木浩一

白石仁史

東日本旅客鉄道株式会社
JR 東日本研究開発センター担当課長

東日本旅客鉄道株式会社
JR 東日本研究開発センター主席に軽量化を実施した．

6．空圧キャリパ（２次試作）
１次試作の結果より安全率の大きい箇所を選び，形状の見直しを実施し軽量化を行った．図３の囲み文字が軽量化後の三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）