JP2002372083A - 摩擦ディスク - Google Patents
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Abstract
機能が特に酸化損耗によって弱体化および悪化する前
に、光学や音響式の方式で使用者に気づかせるセンサ
を、摩擦ディスクに一体化する。かつセンサの一体化
を、摩擦ディスクを繊維強化セラミックス複合材料又は
C/SiCから製造する間に、安価な工程で行う。 【解決手段】 炭素繊維強化セラミックス複合材料Aか
ら成り、少なくとも片側面が摩擦面として形成された摩
擦ディスクの摩擦面の少なくとも一部を、異なる材料
B、特に炭素含有材料で作り、この異なる材料Bを、残
りの摩擦面および摩擦ディスクの支持領域における材料
Aよりも小さな摩耗・酸化強度とする。運転条件下で比
較的大きな摩耗が生じた際、光学や音響式の信号が生
じ、摩擦ディスクが寿命を超える前に、警報を発する。
Description
ミックス複合材料から成り、少なくとも片側面が摩擦面
として形成された摩擦ディスク、特にブレーキ又はクラ
ッチディスクに関する。
複合材料の利用は、航空機分野やレース用自動車の分野
で知られている。その材料は、極めて大きな負荷と温度
迄良好な摩擦学的特性を示す特長を持つ。この場合、炭
素繊維強化炭素材料(CFC)から成る材料が技術的に
実証されている。摩擦ディスクやブレーキディスク用の
最新世代の材料において、特に珪素、炭化珪素および炭
素を基礎とする母材から成る繊維強化セラミックス材料
又は他の母材材料との混合物が採用されている。炭化珪
素、珪素および炭素の混合物である母材材料と組み合わ
せて所謂「C/SiC材料」を生ずる炭素繊維や黒鉛繊
維の幅広い利用は、例えばドイツ特許出願公開第197
10105号明細書に記載されている。摩擦ディスクお
よび特にブレーキディスクは、一般に異なる要件により
規定された、異なる材料特性と組成を持つ2つの領域を
備える。C/SiC材料に対する適当な構造は、例えば
ドイツ特許出願公開第4438456号明細書に記載さ
れている。摩耗に曝される表面領域は所謂摩擦面であ
り、該摩擦面は特に優れた摩擦特性と摩耗特性を示す。
その下側に位置する材料は所謂支持領域を形成し、この
支持領域の目的は、主に摩擦力を受け、固定部(例えば
制動される車輪の車軸への組立個所)に伝達すること
と、摩擦又は制動エネルギを吸収して排出することとで
ある。C/SiC材料は、1000℃を越える温度に対
する耐熱性と大きな耐摩耗性を有する点で優れている
が、利用条件下での長期間の使用中に、酸化損耗(表面
および/又はその下側に位置する層の化学変化)および
摩擦学的摩耗が生ずる。
形状および/又は母材の形で炭素を含んでいる点で共通
している。その炭素は、利用条件下で連続使用中に生ず
る温度において、顕著な酸化作用に曝される。炭素の燃
焼によって組織が弱まり、強度が低下する。複合材料の
機械的特性はセラミックスに類似し、これは特に破壊靭
性の減少によって特徴づけられる。この弱体化は、特に
支持領域の機能にとって非常に不利である。ブレーキデ
ィスクや摩擦ディスクの固定部位における材料の損傷に
より構造物全体が損傷を蒙るからである。これは、セラ
ミックス材料が機械的過負荷の代表的な損傷パターンと
して脆性破壊性を有するだけに、なお一層重要である。
従って、過負荷時に、例えばねずみ鋳鉄製ブレーキディ
スクのような金属材料と異なり、塑性流れも変形も生ぜ
ず、破局的破損を生ずる。
ば米国特許第4298857号明細書に記述のように、
ブレーキディスクに対向して位置する摩擦ライニングに
設けた電子センサにより測定する。そこでは、摩擦面に
電気接点を一体に組み込み、この電気接点を材料損耗に
伴い破断させる。この方法の場合、センサを経済的に容
認できる経費で摩擦ディスク自体に一体化させ難いとい
う欠点がある。摩擦ディスクに生ずる1000℃超の使
用温度によっても、摩擦ディスクに電子および電気装置
を実装できない。摩擦面の摩耗を表示する別の方式で
は、例えばヨーロッパ特許出願公開第0985845号
明細書に記載のように、使用時生ずる摩擦面全体の材料
損耗に伴い認識不能となる窪みを摩擦面に設ける。これ
ら何れの方式も、摩擦領域の摩耗しか表示できず、支持
領域の酸化損耗の状態は表示不能であり、従って要求さ
れる装置の機械特性に関する表示には適用し得ない。
ディスクの摩耗状態を、その支持領域の機能が、特に酸
化損耗により弱体化および悪化する前に、光学式、音響
式又は別の方式で使用者に報知するセンサとも呼べる要
素を、摩擦ディスクに一体化することにある。またその
センサの一体化を、摩擦ディスクを繊維強化セラミック
ス複合材料又はC/SiCから製造する間に、安価な工
程で行おうとしている。
クの摩擦面又は他の適当な位置に、摩擦ディスクの摩擦
面の残り部位におけるよりも酸化損耗が速く進行する平
形要素又は平形センサをはめ込むことで解決される。平
形センサの摩耗は、光学式、音響式又は機械式に認識で
きる。そして摩擦ディスクは、それ自体が、即ち特に支
持領域が顕著な摩耗又は酸化損耗を示す前に、交換され
るか再加工される。その平形センサは、好適には、摩擦
面および支持領域よりも小さな酸化強度を有する炭素含
有材料および/又は黒鉛含有材料から成っている。制動
過程で生ずる摩擦ディスクの加熱は、酸化し易い材料、
特に炭素構造物(炭素繊維、炭素粒子又は母材における
炭素部位)を徐々に酸化する。これによって、平形セン
サの表面が壊れ、その外観が粗くなり、多孔質となり、
かつ孔が開く。その硬度および/又は表面形態の変化
は、例えば単純な視覚検査で検出できる。センサを摩擦
ディスクの内側面に設けた場合、例えば冷却通路内や単
純な視覚検査のために接近できない端面に設けたとき、
センサ体の完全な損壊を摩耗表示として用いる。その場
合のセンサは、センサ材料の完全な損壊によって摩擦デ
ィスクの内部に不均一な質量分布が発生するように設計
する。その不均一な質量分布は、アンバランス、運転の
乱れ又は振動により認識できる。センサ体の完全な損壊
による体積要素の欠落は、運転騒音やブレーキ騒音の変
化によっても認識できる。
とも呼ぶ)で強化したセラミックス複合材料Aから成
り、少なくとも片側面を摩擦面として形成した摩擦ディ
スク、特にブレーキ又はクラッチディスクであり、本発
明に基づく摩擦ディスクは、摩擦面の少なくとも一部
(平形要素)が、異なる材料B、特に炭素含有材料から
成り、この異なる材料Bが、残りの摩擦面および摩擦デ
ィスクの支持領域における材料Aより小さな摩耗および
酸化強度を有することで特徴づけられる。その母材の材
料Aは、炭化珪素、珪素および炭素の混合物であるとよ
い。
よび/又は支持領域の材料Aとの強度差は、センサとし
て作用する平形要素の範囲での摩耗が、支持領域を含む
残りの摩擦ディスクが認識可能な顕著な摩耗を示す前
に、運転中光学式、音響式又は別の方式で運転者が認識
できるように選定する。強度の小さな材料Bから成る平
形要素は、未摩耗状態でのアンバランスを防止するた
め、回転軸線に関し対称配置とするとよく、その場合、
少なくとも2つの平形要素を摩擦ディスクに一体に組み
入れる。平形要素は多角形、星形、楕円形又は特に円形
に形成する。
ィスクの製造工程中に行うとよい。
て、特に炭素含有材料に珪素を含浸して製造したC/S
iC材料並びに他の繊維強化セラミックス材料が適す
る。
特に有利な実施態様では、センサは珪素化前に、半製品
として摩擦ディスクに入れられ、摩擦ディスクと一緒
に、珪素化工程を受ける。センサの半製品に対する材料
として、種々の配列および種々の起源の炭素材料が使用
できる。炭素材料として、黒鉛、特に黒鉛微粒子、黒鉛
製品、織物、編物、フリース又はマットの形をしたC繊
維、CFC材料、木炭および石炭が優れている。特に、
黒鉛、C繊維マットおよびCFC材料が有利である。セ
ンサの半製品は別の成分として、炭素材料の珪素含浸お
よび利用上の酸化に対する反応に良好な影響を与える酸
化物、窒化物、珪化素および炭化物を含む。特に、窒化
硼素および酸化アルミニウムを含むとよい。本発明に基
づき、半製品の組成は、含浸後のセンサの材料Bが40
%、好適には60%、特に90%より高い炭素含有量
(質量比)を有するよう設定する。
料から摩擦ディスクを製造するために、センサの半製品
を、珪素を含浸して珪素化する前に、摩擦ディスクの炭
素繊維強化炭素含有半製品又はCFC形状に予め設けら
れた空所(凹所又は孔)の中に挿入又は接着する。接着
剤として、特に炭素材料と熱分解可能な結合剤から成り
珪素化可能な混合物を利用する。しかし原理的には、セ
ラミックスの接着に対して適用され且つ珪素化によって
接着作用が失われない他の適当な全ての接着剤が利用で
きる。その後、材料を液体珪素で含浸し、C/SiC材
料を得、センサ要素を摩擦ディスクに固着する。またセ
ンサの炭素材料は、部分的に珪素化し、部分的にSiC
に変わる。この結果、センサの摩耗性および酸化性も変
化する。
に、センサの摩耗強度および酸化強度が摩擦ディスクの
働きに合わせた強度より減少するように、センサに対す
る半製品の組成を適当に選定することにある。センサの
幾何学的形状に関し、原理的には、摩擦面および支持領
域並びに所望の表示機構の機能だけを、限られた要因と
して考慮するだけでよい。視覚検査を実施するため、純
粋に光学式に表示するセンサを利用するとき、このセン
サは、摩擦ディスクの摩擦面に収容せねばならない。こ
こで摩擦面とは、円柱状摩擦ディスクの表と裏の全表面
だけでなく、それに対向して位置する面も意味する。従
って、平形センサの本発明に基づく位置付けは、摩擦面
の摩擦に曝される領域に限定されない。本発明に基づ
き、センサの面は、摩擦面の摩擦作用を殆ど害さないよ
うな大きさと方法で形成する。センサとして作用する平
形要素の表面は、通常摩擦面の表面の0.1%、好適に
は1%より大きく、特に2〜20%である。その場合、
複数の同様の又は異なったセンサ要素を採用することも
でき、それに応じセンサの総面積が増大する。センサ面
の幾何学的形状は殆ど任意に選定でき、その場合、単に
視覚検査ができる程に十分大きな平面部位を生じさせる
ことに注意すればよい。通常、センサは円形、矩形又は
台形に形成される。文字や記号の形にしてもよい。セン
サ要素の厚さは、ほぼ支持領域の機能により定まる。支
持領域の強度分布が許するなら、センサは摩擦ディスク
の片側面から反対側面迄支持領域を突き通してもよい。
そのため本発明に基づき、平形ではなく、棒状のセンサ
を採用することもできる。通常、平形センサの厚さは、
摩擦ディスクの厚さの100%、好適には51%より小
さく、特に10%より小さい。摩擦層付き摩擦ディスク
において、センサの厚さは、通常摩擦層の厚さの0.1
〜10倍、好適には約1倍である。本発明の他の実施態
様において、摩擦ディスクの片側面から反対側面迄貫通
して延びる棒状センサが採用できる。棒状センサの長さ
は通常、摩擦ディスクの厚さの80〜100%、好適に
は90〜100%であり、特に約100%である。何れ
の場合も、センサ表面の損耗は少なくとも光学式に表示
される。
を摩擦ディスクに既に設けた空所内に挿入し、例えば接
着又はろう付けにより固定する。摩擦ディスクの材料と
してC/SiCを利用するとき、C/SiC摩擦ディス
クの製造後に初めて、即ち液体珪素化後に初めて、セン
サを表面に接着する。ここでは、センサに対して上述の
ように同じ材料を用い、センサ要素(材料B)はここで
も同様に好適には、少なくとも40%の炭素質量比を有
する。これは、センサを摩擦ディスクの半製品と一緒に
珪素化する場合と異なり、接着結合の強度がセンサ作用
の要件に簡単に適合するという利点を有する。接着剤と
して、特に炭素材料と熱分解可能な結合剤とから成る混
合物を用いる。しかし原理的には、セラミックスの接着
に利用可能な他の全ての接着剤が使える。本発明の特に
有利な実施態様において、接着結合は、表示すべき摩擦
ディスクの運転中に、センサが固定部から部分的に又は
完全に脱落するよう設計する。これによって、光学式表
示機能の他に、機械的作用も得られる。センサの適当な
大きさおよび位置付けに基づき、センサの破損によりア
ンバランスが生じ、このアンバランスは摩擦ディスクの
使用中に振動を発生する。本発明に基づき、センサの面
積を、摩擦面の摩擦作用を殆ど害さないように大きく選
定する。ここでもセンサの表面積は、通常摩擦面の表面
積の0.1%より大きく、好適には1〜5%、特に好適
には2〜15%である。ここでもセンサ要素の厚さは、
摩擦ディスクの厚さの数%、例えば摩擦ディスクの厚さ
の2〜100%である。この実施態様において、通常、
平形センサの厚さは、摩擦ディスクの厚さの100%よ
り小さく、好適には51%、特に10%より小さい。他
の実施態様では、ここでも棒状センサが利用でき、その
センサは摩擦ディスクの片側表面から反対側表面迄貫通
して延びている。棒状センサの長さは同様に、摩擦ディ
スクの厚さの通常80〜100%、好適には90〜10
0%、特に好適には約100%である。この本発明に基
づく形態は、勿論、C/SiC材料に限定されず、セン
サ要素の材料Bに対し、摩擦面又は支持領域の材料Aに
比べて小さな酸化強度又は摩耗強度の条件が満足される
限り、摩擦面および支持領域に対する材料Aとセンサ体
に対する材料Bとを任意に組み合わせることができる。
ディスクの内側面に存在する実施態様も含む。その場
合、酸化損耗を生じさせるべく支障のない空気通過が行
われ、センサの表示作用が生ずることのみが必要であ
る。ディスクの端面に、又は内部通風ディスクの内部に
センサを設ける場合、センサの光学式表示は目立たなく
なる。従って、補助的な表示機構として、センサの体積
と幾何学形状を、センサの摩耗が音響又は機械的に認識
可能なように選定する。これは、例えばセンサが表面上
だけでなく、完全に又は部分的に燃焼し、摩擦ディスク
の内部における体積分布から質量分布が変化することで
運転中に振動が発生するか、不均一な摩擦挙動を生じて
擦り付け騒音を発生することで達成される。この現象
を、センサの表示用に利用する。
ってセンサの質量が50%損失した際に発生する(静
的)アンバランスが、摩擦ディスクが一体化されている
装置のバランス性を、運転挙動の変化によって運転者が
認識できるほどに悪化させるように、摩擦ディスクに好
適な方法で設けられる。これは、センサ要素を回転軸線
に対しずらして配置し又は複数のセンサ要素を設けるこ
とで保障される。その質量を決定する際、センサの質量
が100%失われたときに、発生するアンバランスが装
置の機能性を害さないよう、注意せねばならない。
ンバランス/ロータ質量)×角速度で規定される。
の質量が約3kgの場合、約10〜12gであり、これ
は摩擦ディスクの質量の少なくとも約0.3%である。
明を詳細に説明する。
ディスク1の表面に種々のセンサ要素2a、2bをはめ
込みで、そして摩擦ディスク1の全厚みを貫通して棒状
のセンサ2c、2d、2eを、摩擦ディスク1の回転軸
線に対し平行に又は傾斜して配置しており、該センサ2
eは内部通風形ブレーキディスクの通路を突き抜けてい
る。これら両形式のセンサ要素は、上述の2方式で設け
る。即ち、一方では炭素含有セラミックスにセンサ半製
品を埋設し、次に一緒に液体珪素を含浸し、他方では、
例えば珪素化済み完成C/SiC摩擦ディスクにセンサ
を接着する。
hと、文字の形のセンサ要素2iとを備えた摩擦ディス
ク1を平面図で示す。勿論、実際には、複数のセンサの
マーク領域を、軸心を中心として回転対称(回転軸線と
して少なくとも二重対称軸)に配置していることに注意
されたい。平形センサは、摩擦ディスクの回転軸線に関
し、二重、三重、四重又は六重の対称軸を有する構造で
配置するとよい。
擦ディスク1を平面図で示す。
2h、2jの場合)、該センサは表面にしかはめ込まな
い。さもないと、図示の実施例の場合、摩擦ディスクを
単一品として作り得ない。2a〜2g、2iの種類のセ
ンサは、表面にはめ込んでも、摩擦ディスクに通し棒の
形で設けてもよい。
を備えた実施例において、各々2つのセンサを同じ材料
で作って並べて配置し、対向して位置する一対のセンサ
を第2の材料で作り、それらの異なった両センサ材料が
異なる酸化性又は摩耗性を有するとき、摩耗時の異なる
速度での崩壊により追加的なアンバランスが生じ、この
アンバランスを特に高速運転中に感知できる。
クを製造するため、外径350mmのブレーキディスク
の形をした多孔性CFC体を製造した。このブレーキデ
ィスク体には当初から略図2bに応じた平形センサ要素
を収容するための凹所を設けた。この凹所は、ブレーキ
ディスクの将来の外側面に、ブレーキライニングに対向
して位置する部位の中心に存在する。円形凹所は直径2
0mm、深さ4mmの寸法を持つ。該凹所内に密度1.
09g/cm3の黒鉛化CFC要素をはめ込んだ。そし
てブレーキディスク体を炉内に入れて珪素粒子で覆い、
真空内で1600〜1900℃に加熱した。その際、珪
素がブレーキディスク体に浸透し、センサをブレーキデ
ィスクに固着した。センサ要素は800℃の基準温度で
1時間内に65%の重量損失を生ずるよう、酸化速度の
差を設定した。その重量損失は、粗い多孔性の組織にお
いて顕著に認められた。これに対しセンサ要素なしの基
準ブレーキディスクの酸化重量損失は、同じ条件の下で
約12%であった。その表面はセンサ要素に比べてかな
り滑らかで密であった。
スクを製造するため、外径350mmのブレーキディス
クの形をした多孔性CFC体を製造した。ブレーキディ
スク体には、当初から略図2fに応じた平形センサ要素
を収容する2つの凹所を設けた。これら凹所は、摩擦ラ
イニングに対向して位置する領域外で、ブレーキディス
クの両側面に存在する。円形凹所は直径20mm、深さ
4mmの寸法を持っていた。このブレーキディスク体
を、例1で述べたようにして珪素化した。凹所内に密度
1.75g/cm3の黒鉛要素を接着した。
キディスクを製造するため、外径350mmのブレーキ
ディスク状の多孔性CFC体を製造した。このブレーキ
ディスクには内部通風用の通路を設けた。このブレーキ
ディスク体に黒鉛ピン2eを垂直に突き通した。従っ
て、黒鉛ピン2eは片側面から反対側面迄延び、内部通
風用の通路を横切っていた。黒鉛ピン2eは5.5mm
の直径を持っていた。黒鉛ピン2eはフェノール樹脂接
着剤で孔内に固定した。そして、ブレーキディスクの珪
素化を、例1で述べた方法で行った。800℃の基準温
度での酸化速度の差は、黒鉛ピンがその燃焼により約1
時間後にその係留点から外れるか崩壊するように設定し
た。これに伴い、予めバランスしていたディスクにアン
バランスが生じ、それは運転者が振動により認識可能で
あった。また黒鉛ピンの燃焼状態は、当該技術者により
光学的に検出可能であった。
図。
クの平面図。
図。
Claims (15)
- 【請求項1】 炭素繊維強化セラミックス複合材料Aか
ら成り、少なくとも片側面が摩擦面として形成された摩
擦ディスク、特にブレーキ又はクラッチディスクにおい
て、摩擦面の少なくとも一部が異なる材料B、特に炭素
含有材料から成り、この異なる材料Bが、残りの摩擦面
および摩擦ディスクの支持領域における材料Aより小さ
な摩耗および酸化強度を有し、その異なった材料Bから
成る要素の質量が50%失われたときの摩擦ディスクの
アンバランスが、バランス性を少なくとも5%低下させ
ることを特徴とする摩擦ディスク。 - 【請求項2】 炭素繊維強化セラミックス複合材料Aか
ら成り、少なくとも片側面が摩擦面として形成された摩
擦ディスク、特にブレーキ又はクラッチディスクにおい
て、摩擦面の0.1〜20%が異なる材料B、特に炭素
含有材料から成り、異なる材料Bが、残りの摩擦面およ
び摩擦ディスクの支持領域における材料Aより小さな摩
耗および酸化強度を有することを特徴とする摩擦ディス
ク。 - 【請求項3】 炭素繊維強化セラミックス複合材料Aか
ら成り、少なくとも片側面が摩擦面として形成された摩
擦ディスク、特にブレーキ又はクラッチディスクにおい
て、摩擦面の少なくとも一部が、異なる材料B、特に炭
素含有材料から成り、この異なる材料Bが、残りの摩擦
面および摩擦ディスクの支持領域における材料Aより小
さな摩耗および酸化強度を有し、異なる材料Bから成る
要素の厚さが、摩擦ディスクの厚さより小さいことを特
徴とする摩擦ディスク。 - 【請求項4】 支持領域および摩擦面における材料Aが
炭素繊維強化セラミックスであり、その母材が炭化珪
素、珪素および炭素を含むことを特徴とする請求項1か
ら3の1つに記載の摩擦ディスク。 - 【請求項5】 支持領域および摩擦面の材料Aが、炭素
繊維強化炭素体に液体珪素を含浸し、その珪素を母材の
炭素の少なくとも一部と反応させて炭化珪素にすること
により得られたことを特徴とする請求項4記載の摩擦デ
ィスク。 - 【請求項6】 材料Bにおける炭素の質量比が、40%
以上、好適には60%以上、特に90%以上であること
を特徴とする請求項1から3の1つに記載の摩擦ディス
ク。 - 【請求項7】 材料Bから成る少なくとも1つの要素
が、摩擦ディスクの総厚さにわたり延びることを特徴と
する請求項1又は2記載の摩擦ディスク。 - 【請求項8】 材料Bから成る要素が、摩擦ディスクに
回転対称に配置されたことを特徴とする請求項1から3
の1つに記載の摩擦ディスク。 - 【請求項9】 材料Bが炭素を、黒鉛、黒鉛微粒子、炭
素繊維マット、炭素繊維フリース、炭素繊維強化炭素
(CFC)および炭素から選択した形で含むことを特徴
とする請求項1から3の1つに記載の摩擦ディスク。 - 【請求項10】 材料Bが別の成分として、酸化物、窒
化物、珪化素および炭化物を含むことを特徴とする請求
項9記載の摩擦ディスク。 - 【請求項11】 材料Bが窒化硼素、炭化珪素、酸化ア
ルミニウムの少なくとも1つを含むことを特徴とする請
求項1から3の1つに記載の摩擦ディスク。 - 【請求項12】 摩擦ディスク全体の表および裏におけ
る材料Bから成る要素の表面積の比が、少なくとも1%
であることを特徴とする請求項1から3の1つに記載の
摩擦ディスク。 - 【請求項13】 摩擦ディスクにおける材料Bの質量比
が少なくとも0.3%であることを特徴とする請求項1
から3の1つに記載の摩擦ディスク。 - 【請求項14】 材料Aから成る摩擦ディスクの空所内
に、その空所に合わせて形成した材料Bから成る要素を
挿入し、固定することを特徴とする請求項1から3の1
つに記載の摩擦ディスクの製造方法。 - 【請求項15】 材料Bから成る要素の半製品を、珪素
を含浸させて珪素化する前に、摩擦ディスクの炭素繊維
強化炭素含有半製品に予め設けた空所(凹所又は孔)内
に挿入又は接着し、その後、材料を液体珪素で含浸し、
C/SiC材料を成生させ、センサ要素を摩擦ディスク
に固く結合することを特徴とする請求項5記載の摩擦デ
ィスクの製造方法。
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