JP2009168251A - 重量トラックおよび車両用のディスクブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】好適な重量車両用ディスクブレーキを提供すること。
【解決手段】重量車両用ディスクブレーキは、鋳鉄合金からなるディスク形状ローターと、ブレーキング中に該ローターに対して押し付けられるように意図されたブレーキの内面をサポートするキャリパーとを備える。ブレーキングの際にローターおよびブレーキライニングが１２〜２５ｋＮｍのブレーキングトルクに対応するブレーキパワーを吸収するように配置され、その際にブレーキライニングが放射状範囲Ｂを有する、キャリパーとを備える、６〜１４トンの車軸圧を有する重量車両用のディスクブレーキであって、ライニングの放射状範囲Ｂとローターの半径Ｒとの間の比Ｂ／Ｒが０．３８よりも小さくなることを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、鋳鉄合金からなるディスク形状ローターを有するディスクブレーキと、ブレーキング中に該ローターに対して押し付けられるように意図されたブレーキの内面をサポートするキャリパーとを含む。より詳細には、本発明は、１２ｋＮｍ以上のブレーキングトルク（特に、１２ｋＮｍ〜２５ｋＮｍのブレーキングトルク）を吸収するように意図されるディスクブレーキに関する。これらのブレーキは、重量車両（５トンを超える車軸圧を有する車両（特に、６〜１４トンの車軸圧を有する車両）のことを指す）用に意図される。

ディスクブレーキは、重量車両用にますます頻繁に使用されている。重量車両用のディスクブレーキの２つのタイプには、違いを引き出すことができる。第一は、ハット形状ブレーキディスクであり、放射状の広がりを持つディスクがホイール軸を締め付けるように意図される円柱状の凸部が中心方向に位置され、軸方向に走らせるように構成されている。第二のブレーキディスクは、ブレーキディスクの回転軸を通って直角に走る面に関して実質的に対称であり、ホイールハブを締め付けるように意図される中央ブッシングを有する。ハット形状ブレーキディスクの１つの問題は、ハット形状ブレーキディスクがブレーキディスクの回転軸を通って直角に走る面に関して実質的に対称でないことである。これにより、ブレーキディスクが熱せられた場合にディスクが歪曲する。この効果は、ブレーキライニングからの圧力がブレーキ上で均一に分散しないことであり、それ故、ブレーキディスクは、クラッキングの危険が増す。ディスク破砕の危険を減少させるために、ブレーキディスクは、ブレーキディスクの回転軸を通って直角に走る面に関して実質的に対称であり、ホイールハブを締め付けるように意図される中央ブッシングを有するように製造されている。このようなブレーキディスクは、ＥＰ ６２１ ８２９において示される。これらのディスクのベアリング表面は、加熱中でも平らなままであり、従って、ブレーキライニングからの圧力は、さらに平均的に分散され、クラッキングの危険が減少する。

ブレーキディスクの使用に伴なうさらなる問題は、バンド形状の摩耗の発生である。バンド形状の摩耗は、完全に平らでないライニングとローターとの間の接触表面の結果として生じる現象である。この現象は、図１ａ〜１ｄに関連して以下により詳細に説明される。図１ａは、ディスクブレーキ１を断面で示しており、ディスクブレーキ１は、ブレーキライニング３２およびディスク形状ローター８を備える。ブレーキライニング３２は接触表面３８を有しており、接触表面３８はローター８の対応する接触表面３９と向かい合う。図１ａは、完全に平らな表面を有するディスクブレーキを示す。しかし、全ての摩擦対はいくらかの凹凸を有する。図１ｂは、凹凸を有するブレーキライニングおよびローターを誇張スケールで示し、接触は第１の領域４０で生じる。領域はディスクの周囲に走るバンドを形成する。ブレーキングが起こるとき、より高い圧力がこの領域内で生成され、故に、ブレーキングエネルギーの大部分が領域内に吸収される。このことは、その領域が隣接する領域以上に加熱されることを意味する。これによる影響は、図１ｃに示されるように、それ以上に高い圧力が生み出されるとすぐに、ライニングおよびローターが膨張され、凹凸が拡大されることになる。しかし、第１にこの領域で摩擦対が温められ、第２に接触圧力がより深刻になるため、第１の領域は、周囲の領域よりも非常に大きい摩耗を被る。これにより、凹凸は擦り減らされ、図１ｄに示されるように、接触個所は、ブレーキディスク上の別の場所にシフトされる。

バンドの存在は、局所的な可塑性ゾーンの形成を引き起こし、それによって、クラッキングの危険性を増大させる。ディスクの中央および末梢へのバンドの形成、およびその逆のバンドの連続的な形成は、負担の変化を絶えず生じる結果として、疲労破壊の危険性を引き起こす。同じブレーキングサイクル中でさえも、ディスクの外部エッジと中央部分との間で、バンドが１回以上移動し得ることが示されている。

発明の１つの目的は、ディスククラッキングの発生を減少したブレーキディスクを提供することである。発明の別の目的は、ブレーキディスクにおいて異なるバンドモード間の変化の頻度が減少したブレーキディスクを提供することである。

（発明の開示）
発明の該目的は、特許請求の範囲１〜９の特徴とする部分によるブレーキディスクを有する発明の第１の実施形態により達成される。

発明の理解を手助けするために、以下の理論的背景が提供される：
異なる比率のブレーキディスクおよびブレーキライニングのテスト台において、ブレーキテストを伴なう試行が行われている。観察は、小さい放射状の広がりを有するブレーキライニングＢがクラッキングしにくいということを示している。これは、放射状範囲におけるブレーキライニングの内部エッジから放射状範囲におけるブレーキライニングの外部エッジまでのブレーキライニングの幅と、ディスクおよびライニングの両方の凹凸が元で形成された接触バンドとの間の関係にはより多くの利点があるという説明である。つまり、ディスクブレーキへの正確なレベルのエネルギー入力に関して、前記の接触または摩耗バンドの幅とブレーキライニングの放射状範囲Ｂとの間に任意の関係がある。放射状範囲とは、ここでは、放射状範囲のブレーキライニングの内部エッジから外部エッジまでの間隔のことを意味する。

本発明者らは、関係式γ＝Ｂ／Ｒを導入する。ここでＢはブレーキライニングの放射状範囲、Ｒはディスク半径として構成される。テストは、広いライニングに対してはγ＝０．４２、狭いライニングに対してはγ＝０．３７で実施されている。テストで明らかになったことは、狭いライニングは、ディスクが３．８ｋｇ軽くなった（ディスクが暖かくなるのでクラッキングの局面から言うとネガティブである）という事実にもかかわらず、３３％長い動作寿命を得たことである。

テストは、ディスククラッキングの発生が、バンド形状の磨耗の上述の現象によって部分的に説明され得ることを示す。ブレーキライニングの範囲内で起きるそれぞれの個々のバンドモードに関して生じる応力により、クラックが形成される。通常、中央に位置したバンドで摩耗が生じる場合、中央モードが形成され、ライニングのエッジに密接して摩耗が生じる場合、周辺モードが形成される。これら２つのモードによる応力は、正反対に向かい合って、故に、方向的に交替する負荷を生じ得る。長いブレーキングサイクル中でさえも、モードの変化は生じる。故に、疲労故障の危険は高くなる。従って、本発明の１つの目的は、生じている２つの個々のブレーキモードの尤度が減少されるように、ブレーキライニングの幅を減少することである。ライニングの放射範囲がバンドと同様の規模のオーダーである場合、２つの分離したバンドモードの発生の危険は減少される。一方、ブレーキライニングの放射範囲が小さくなり過ぎると、ライニングおよびブレーキディスク上の摩耗は、非常に大きくなり、動作寿命に不利な影響を及ぼす。

従って、本発明の１つの目的は、ブレーキディスク上のクラッキングの発生を減少する。これは、複数のモードで生じるバンド形状の摩耗の尤度を減少することによって実行される。これは、ブレーキライニングの放射状範囲Ｂに関連してバンド形状の摩耗ゾーンの幅を最大にすることによって達せられる。バンド形状の摩耗ゾーンの幅ｗを最大にすることは、幅から派生した時間を最大にすることと同等である。従って、本発明者らは、以下の２つの式を有する：
１） ｍａｘ（ｗ／Ｂ）
２） ｍａｘ（（δｗ／δｔ）／Ｂ）
バンド形状の摩耗ゾーンの幅ｗは、以下の材料パラメータに依存する：
ライニングの係数Ｅ、ライニングおよびディスクの熱膨張、ライニングおよびディスクの熱伝導、ならびに、ライニングおよびディスクの摩耗抵抗。以下の解析中、ライニングおよびディスクの幾何学指数は詳細に調べられており、これらのパラメータは、一定を保ち続ける。

所与の材料に関し、バンド形状の摩耗ゾーンの幅ｗは、ブレーキディスクの所与の半径におけるディスクブレーキへの供給されたエネルギーの関数である。解析では、以下の２つの仮説を活用する：
バンドの成長率は、パワー入力に比例する：
Ｈ１） δｗ／δｔ〜Ｐ
ライニングとブレーキディスクとの間で接触する活性領域Ａ_ａｃｔの成長率は、パワーに比例する：
Ｈ２） δＡ_ａｃｔ／δｔ〜Ｐ
本発明者らは、活性領域およびバンド幅との間に以下の関係を有する：
３） Ａ_ａｃｔ＝２πｒｗ
従って本発明者らは、以下を得る：
４） δＡ_ａｃｔ／δｔ＝２πｒδｗ／δｔ
ここで、
５） δｗ／δｔ〜Ｐ／Ｒ
上述した仮説の結果として、本発明者らは、ブレーキパワーが一定ならば、等式２）ｍａｘ（（δｗ／δｔ）／Ｂ）、および仮説Ｈ１を共に得る：
６） ｍａｘ（１／Ｂ）
仮説Ｈ２と共に、本発明者らは、
７） ｍａｘ（１／ＲＢ）
を得る。

分析により、従って、仮説Ｈ１によると、バンドモード間の変化の発生の最小限の危険性を得るために、ライニングの放射状範囲Ｂができる限り小さくなる必要があり、仮説Ｈ２に関して、ライニング放射状半径Ｂおよびブレーキディスクの半径Ｒはできる限り小さくなる必要がある。

ブレーキディスクは、ブレーキング中に発生した熱を吸収し、うまく処理し得るように構成される。これは、ブレーキディスクの容積は、車両の車軸圧に実質的に比例することを意味する。これは、より低い車軸圧のために、より小さいディスクが要求され、減少した車軸圧のために、バンド形状の摩耗ゾーンの幅ｗが減ることを意味する。
（項目１）
鋳鉄合金からなり、半径Ｒを有するディスク形状ローター（８）と、
ブレーキング中に該ローター（８）に押し付けられるように意図されたブレーキライニング（３２）をサポートするキャリパー（３２）であって、ブレーキングの際に該ローター（８）および該ブレーキライニング（３２）が１２〜２５ｋＮｍのブレーキングトルクに対応するブレーキパワーを吸収するように配置され、その際に該ブレーキライニング（３２）が放射状範囲Ｂを有する、キャリパー（３２）と
を備える、６〜１４トンの車軸圧を有する重量車両用のディスクブレーキであって、
該ライニング（３２）の放射状範囲Ｂと該ローター（８）の半径Ｒとの間の比Ｂ／Ｒが０．３８よりも小さくなることを特徴とする、ディスクブレーキ。
（項目２）
前記ブレーキライニング（３２）が、２５ｋＮｍに達するブレーキングトルクに対応するブレーキパワーを吸収するように設計され、該ブレーキライニング（３２）が８０ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目１に記載のディスクブレーキ。
（項目３）
前記ブレーキライニング（３２）が、２０ｋＮｍに達するブレーキングトルクに対応するブレーキパワーを吸収するように設計され、該ブレーキライニング（３２）が７５ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目１に記載のディスクブレーキ。
（項目４）
前記ブレーキライニング（３２）が、１６ｋＮｍに達するブレーキングトルクに対応するブレーキパワーを吸収するように設計され、該ブレーキライニング（３２）が７０ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目１に記載のディスクブレーキ。
（項目５）
前記ローター（８）が、回転軸を介して直角に動作する平面に関して実質的に対称的な構成からなり、ホイールの車軸（６）に固定するように意図された中央のバッシング（１２）を有し、該ブレーキディスクの摩耗表面が熱せられたとき平らなままであることを特徴とする、項目１〜４のいずれか１つに記載のディスクブレーキ。
（項目６）
前記ローター（８）の半径が１８５ｍｍよりも大きいことを特徴とする、項目１〜５のいずれかに記載のディスクブレーキ。
（項目７）
前記ブレーキライニング（３２）が、室温で２ＭＰａの接触圧で４００ＭＰａよりも大きい接線方向の弾性率Ｅを有するように構成されることを特徴とする、項目１〜６のいずれか１つに記載のディスクブレーキ。
（項目８）
前記キャリパー（３０）は、前記ローターに対して前記ブレーキライニングを押し付けるように意図される２つのブレーキシリンダーをサポートすることを特徴とする、項目１〜７のいずれか１つに記載のディスクブレーキ。
（項目９）
鋳鉄合金からなり、半径Ｒを有するディスク形状ローター（８）を有するディスクブレーキと、
ブレーキング中に該ローター（３２）に押し付けられるように意図され、ブレーキングの際に該ブレーキライニング（３２）が放射状範囲Ｂを有するブレーキライニング（３２）をサポートするキャリパー（３０）と
を備える、６〜１４トンの車軸圧を有する車両であって、
該ライニング（３２）の放射状範囲Ｂと該ローター（８）の半径Ｒとの間の比Ｂ／Ｒが０．３８よりも小さくなることを特徴とする、車両。
（項目１０）
前記車軸圧が１１〜１４トンに達し、前記ブレーキライニング（３２）が８０ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目９に記載の車両。
（項目１１）
前記車軸圧が８．５〜１１トンに達し、前記ブレーキライニング（３２）が７５ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目９に記載の車両。
（項目１２）
前記車軸圧が６〜８．５トンに達し、前記ブレーキライニング（３２）が７０ｍｍよりも小さい放射状範囲を有することを特徴とする、項目９に記載の車両。

添付の図面を参照して、以下により詳細に本発明が説明される。

図１ａは、完全に平らな表面を有するブレーキディスクおよびブレーキライニングの断面を表す概略図を示す。 図１ｂは、初期の接触が生じる凹凸を有するブレーキディスクおよびブレーキライニングの断面を表す概略図を示す。 図１ｃは、ディスクおよびライニングの熱膨張中に凹凸の成長を表す概略図を示す。 図１ｄは、凹凸領域で擦り減らされたバンド形状を表す概略図を示す。 図２は、ハブおよびブレーキディスクデバイスを有するホイールスピンドルの部分的な切断面を示す。 図３は、図２におけるブレーキディスクの端面図を示す。 図４は、ハブの一部の端面図およびディスクの放射状内部を概略的に示す。 図５は、ライニングおよびブレーキディスクの端面図を概略的に示す。

（本発明を実行するためのモード（単数または複数））
添付の図面に示される例示の実施形態に関連した本発明の好適な実施形態を図２〜４に示す。図２は、本発明によるハブおよびブレーキディスクデバイスを有するホイールスピンドルの部分的な接断面を示し、図３は、図２におけるブレーキディスクの端面図を示し、図４は、一部のハブおよびディスクの放射状の内部部分の概略的な端面図を示す。

図２において、１は貨物自動車の硬いフロント車軸の外端を示す。車軸端部は、円錐形ボア２を有し、ここでキングピン３が固定される。スピンドルユニット４は、キングピン３に旋回可能に取り付けられる。スピンドルユニット４は、車軸ジャーナルユニット５を備え、車軸ジャーナルユニット５上にホイールハブ６がユニットベアリング７を介して取り付けられる。ハブ６はブレーキディスク８をサポートし、スピンドルユニット４はブレーキキャリパー３０をサポートする。ブレーキキャリパー３０は、型式が従来のものであり、ブレーキライニング３２およびブレーキディスクにブレーキライニング３２を当てるための部材３４を備える。これらの部材は、例えば、ブレーキライニングのバックプレートに対して直接作動する油圧式駆動ブレーキシリンダーまたはブレーキライニングのバックプレートに対して作動する偏心カムといった、当業者に精通した方法で構成される。

ブレーキディスクは、動作直径Ｄを有し、これは、ブレーキディスクの中心から、その中心から最も離れた位置にあるライニングとディスクブレーキとの間の接触点まで伸縮する。ブレーキライニングは、放射状範囲Ｂを有し、これは、中心から最も近い位置にあるライニングとディスクとの間の接触点から、中心から最も遠くにある接触点までの距離である。ブレーキライニングの放射状範囲Ｂを決定する際に、角度方向φにおけるブレーキライニングの範囲の５０％に沿ってライニングの内外放射状外周３６、３７の間の距離の平均値として、この測定値が定義される。

ディスクをハブ上のフランジにネジで取り付けることによってブレーキディスクをハブに固定する代わりに、通常通り、図２〜４に示される実施形態による構成において、ディスク８は、ポジティブロッキングによってハブ６に接続される。この目的のため、ハブ６は、規則的なサイクルからそれる断面を有する中央部分で構成される。さらに詳細には、その断面は隆起（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）１０および溝１１で構成され、これらは交互に密接に続いて、Ｖ字型である。ブレーキディスク８の放射状の内部ハブ部分１２は、対応する溝１３および隆起１４で構成され、これらは、ハブの隆起１０および溝１１に一致する。

図３から特に示され得るように、溝１１、１３の深さは、隆起１０、１４の最も高い部分よりも幾分大きくなっている。溝は丸みのある底面１５を有し、一方で、隆起はその平らな側面１７ににつながる平らな最上面１６を有する。この構造の結果として、表面の接触は、隆起側面の表面全体一面に確保される。無圧力状態において、０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの隙間がディスクおよびハブの両方で協同する側面１７間で得るように、ディスク８およびハブ６は寸法が合わされる（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｅｄ）。例示の実施形態において、ハブおよびディスクの各々は、１８の溝および隆起を有する。溝の深さは、ディスク開口部１６の半径の約１５％に達する。溝および隆起の数が３０個である場合、溝の深さはその半径の５％に達する。行われた試行は、側面の角度βの範囲４２°〜５５°内で、隆起１０、１４上の曲げ応力および剪断応力が最小になることを明らかにしている。例えば、β＝３０°の応力はβ＝４２°〜５２°の応力より約３０％大きく、β＝１０°の場合は約２００％大きくなるように、側面の角度βが４２°より下がると、応力は徐々に増加する。

図２および３に示される実施形態において、ブレーキディスク８は、車軸ボア１８で構成され、車軸ボア１８は、全ての他の溝１３内に放射状に位置され、内部溝１３それぞれの底面１５において放射状に開口するスロット１９を併合する。図示されるディスクは、いわゆる通気型タイプのディスクであり、スロット１９を有するボア１８は、ディスクにおいて隣接する通風ダクトと連絡する。ボア１８の間には車軸ボア２１が作られるが、車軸ボア２１は、スロット１９に一致しない。ボアおよびスロットの上記の配置は、ディスクの摩擦部分２２がブレーキングにより生じる放射状に内部のハブ部分よりも熱くなった場合に破裂するディスクのハブ部分の危険を減少する作用を有する。ディスクから実際のハブよりも熱伝導のよい他のコンポーネント（例えば、ベアリング７）に熱が移動することを制限するために、ブレーキディスク８が熱くなると、片面に開かれた環状ダクト２３は、隆起１０の内部に放射状にハブ６で構成される。その結果、ディスク８からベアリング７上にしっかりと押し付けられたハブ部分２４へのハブ材料を介する熱移動のパスが広げられる。

図２および３から明らかなように、ディスク８は、完全に対称である。隆起１０にある溝２４で作られたロッキングリング２５によってハブ６に固定され、スプリングワッシャー２６およびロッキングリング２８は、ハブの内縁にある溝２７で作られる。スプリングワッシャーがハブ上で可能である動きと共に、対称的な構成および対称的な締め付けは、ディスクの摩擦表面の擦り減り、ブレーキングトルク変動の少しの危険性、単純なアセンブリ、およびクラッキングの少しの危険性でさえも、対称的な熱変形を生じる。後者は、スロット１９を有するボア１８によってさらに強化される。

図５は、ブレーキディスク８およびブレーキライニング３２の概略的な説明部分について示す。ブレーキディスク８は、アクティブ半径Ｒを有し、これは、ブレーキディスクの中心Ｃから、中心Ｃから最も離れているライニングとブレーキディスクとの間の接触部分まで伸縮する。ブレーキライニング３２は、放射状範囲Ｂを有し、これは、中心から最も近くにあるライニングとディスクとの間の部分から、中心から最も離れているライニングとディスクとの間の部分までの距離である。ブレーキライニングの放射状範囲Ｂを決定する際に、この寸法は、角度方向にあるブレーキライニング範囲の５０％に沿ってある放射状の内周３６と外周３７との間の距離の平均値として定義される。

重量車両について、複数のモードにおけるバンド形状の摩耗の形成をサポートするために、放射状範囲の以下の寸法が適することが示されている：

重量車両（例えば、１２〜２５ｋＮｍのブレーキングトルク、および／または６〜１４トンの車軸圧を有する車両）について、ブレーキライニングの放射状範囲とブレーキディスクの半径Ｒとの間の関係Ｂ／Ｒは、０．３８よりも小さい。

ブレーキディスクは、便宜上、以下の表に従った大きさになる。

標準的なブレーキディスク構成により、ブレーキディスクの重さは、車軸の負担に比例する必要がある。

ブレーキライニングは、好ましくは、２０〜２５ｋＮｍのブレーキングトルクであるように意図されたブレーキディスクに対して、２ＭＰａの接触圧および室温でＥ＝６００ＭＰａの接線方向の弾性率、１６〜２０ｋＮｍのブレーキングトルクであるように意図されたブレーキディスクに対して、２ＭＰａの接触圧および室温でＥ＝５００ＭＰａの接線方向の弾性率、および１２〜１６ｋＮｍのブレーキングトルクであるように意図されたブレーキディスクに対して、２ＭＰａの接触圧および室温でＥ＝４００ＭＰａの接線方向の弾性率を有する固い材料で構成される。

ブレーキディスクは、好ましくは、３７０ｍｍよりも大きい直径を有する。

ブレーキディスクは、好ましくは、以下の係数を有する材料から構成される：

ブレーキは、車両速度８５ｋｍ／ｈで４０秒の長いブレーキングサイクル中に温度が７００℃に達しないために、以下の表に従ったディスク重量で構成される。

本発明は、上述の詳細な実施形態に限定されないが、広範なタイプのディスクブレーキ（例えば、ローターの中心が軸方向に動作する円筒形の突起物によってホイールの車軸に固定されるブレーキディスク（すなわち、トップはと形状のブレーキディスク））と関連した使用に適している。

Claims (1)

1. 本願明細書に記載のディスクブレーキ。

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