JP2009525917A - 冷却機構付きブレーキ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な冷却が可能であると共に、高い性能を長時間にわたって発揮可能なブレーキ装置を提供する。
【解決手段】ブレーキ装置は、車軸（２３）と、車軸に取り付けられた支持部材（２２）と、支持部材（２２）の周縁部に結合されたブレーキリング（３）と、ブレーキリング（３）に制動力を加えるためのブレーキキャリパ（２１）とを備える。ブレーキリング（３）は、ブレーキリング（３）から支持部材（２２）に熱を伝達するための熱伝達経路が形成されるように支持部材（２２）に結合される。また、支持部材（２２）を通過すると共に、ブレーキキャリパ（２１）が配設されている領域を通過して、還流によりブレーキリング（３）及びブレーキキャリパ（２１）から熱を移動させる空気流路が設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明はブレーキ装置に関し、より詳しくは、限定的ではないが車輪用のブレーキ装置に関する。

一般的に車輪のブレーキ装置は、高摩擦係数の面を備えたブレーキ装置を用い、機械エネルギを熱エネルギに変換することにより車輪を減速するように機能する。発生した熱を消散させることができなければ、ブレーキ装置の制動効果が徐々に低下し、最終的にはいわゆるフェード現象によりブレーキがきかなくなるという問題がある。
特にドラムブレーキは、雰囲気への還流により熱を消散させる以上にシューの摩擦によってドラムが加熱されるので、フェード現象が生じやすい。

一般的にディスクブレーキは、ドラムブレーキのドラム内面に加えることが可能な圧力よりも大きな圧力で、ホイールハブに組み込まれたブレーキディスクに対し、キャリパがブレーキパッドを締め付けることができるので、ドラムブレーキより効果的である。従って、ディスクブレーキの摩擦パッドと、これに組み合わされたブレーキディスクとの間の接触による加熱の領域は、ブレーキシューとこれに組み合わされたドラムとで同じ制動力を得るようにした場合に比べ、大幅に減少させることが可能である。通常、ディスクブレーキにおけるディスク表面の２０％がディスクパッドによって激しく加熱され、ブレーキディスクの８０％については、車輪内の雰囲気中への還流によって熱を消散させることができる。

車両のブレーキ装置を改善しようという試みの中で、製造者は車両のホイールの内径を増大させることにより、径の大きいブレーキディスク及び大きいキャリパを装着することができるようにした。このようにブレーキディスクの径を増大させることにより、ブレーキ装置の制動力を増大させることが可能となった。しかしながら、ブレーキディスクの径を増大させることにより、これに組み合わされるキャリパは、ブレーキディスクの奥行きをカバーするために、通常の径の小さいブレーキディスクに用いられるものと比べ、かなり長大なものとなってしまうことになる。

径の大きいブレーキディスクと共に用いられる「ビームキャリパ」と呼ばれる長いキャリパは、通常４または６ポット構造を有しており、これによって構造がかなり複雑になると共に製造コストが大きく増大する。また、これらの部材によって、ホイール内の雰囲気への還流による冷却のために露出するブレーキディスクの面積が減少するのが一般的であり、ホイール内の空気の還流によってブレーキディスクを冷却するのに利用可能な空間が減少することにより、「閉塞」作用がひどくなる可能性がある。

従って、ドラムブレーキ装置及びディスクブレーキ装置の双方に内在する主たる問題点は、大気を介した還流による熱の消散のみでは、一般的にブレーキフェード現象を防止する上で不十分な点である。また、ブレーキ装置の設計そのものも、ブレーキ装置の表面を流動してブレーキ装置の表面を冷却する空気の流動を妨げることによって冷却効果を減少させる傾向にある。

本発明の目的は、良好な冷却が可能であると共に、高い性能を長時間にわたって発揮可能なブレーキ装置を提供することにある。

本発明によれば、車軸と、上記車軸に取り付けられた支持部材と、上記支持部材の周縁部に結合されたブレーキリングと、上記ブレーキリングに制動力を加えるためのブレーキキャリパとを備え、上記ブレーキリングは、上記ブレーキリングから上記支持部材に熱を伝導するための熱伝導経路が形成されるように上記支持部材に結合されており、上記支持部材を通過すると共に、上記キャリパが配設された領域を通過して、還流により上記ブレーキリング及び上記ブレーキキャリパから熱を移動させるための空気流路を備えるブレーキ装置が提供される。

ブレーキリングから支持部材への熱の伝導と、支持部材、ブレーキリング及びブレーキキャリパを冷却する還流との両方でブレーキ装置の冷却を行うことにより、制動が長引いた場合にも良好な冷却と高い制動能力が得られるブレーキ装置を提供することが可能となる。
このブレーキ装置は、例えば自動車などの乗り物に適用してもよく、車輪はハブ及び支持部材を有していてもよい。この支持部材は、ハブからブレーキリングへと延設されていてもよい。ブレーキリングは、車輪のリムの一部を形成していてもよいし、車輪のリムに結合されていてもよい。

還流又は他の要素によって生成された冷却空気流を用いることは、本発明の範囲に含まれるものであるが、上記ブレーキ装置は、上記空気流路に沿って空気の流動を発生生成する空気流生成手段を備えるのが好ましい。例えば、上記空気流路に沿って空気の流動を生成するためにベーンが設けられてもよい。このベーンは、上記支持部材の一部を形成していてもよい。本発明の一態様として、上記ベーンは車輪のハブに設けられていてもよい。或いは、本発明の別の態様として、上記ベーンは車軸から外方に延設された支持部材に設けられていてもよい。

支持部材を通過する効果的な空気流路を設けるため、上記支持部材は、その断面積の多くの部分を占める開口を有するのが好ましい。好ましくは支持部材の断面積の少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも４０％が、支持部材に空気流を通過させる１つ以上の開口からなる。
上記ブレーキリングは、着脱可能に上記支持部材に結合されていてもよいし、上記支持部材と一体に設けられていてもよい。いずれの場合においても、ブレーキリングから支持部材に熱を伝導するための良好な熱伝導経路が設けられる。従って、ブレーキリングと支持部材との接合部は、連続した環状の接合部であるのが好ましい。上記接合部は、上記接合部の直上流側におけるブレーキリングの断面積の少なくとも２０パーセント、好ましくは５０％を超える断面積を有しているのが望ましい。これにより、ブレーキリングから接合部に移動する熱に対し、熱の伝導に利用可能な断面積が５０％を超えて減少することがなくなる。

ブレーキリングは、上記支持部材の周縁部から径方向内方に向けて突設されるのが好ましい。この場合、ブレーキキャリパがブレーキリングの内側に配設されることにより、ブレーキリングの径を拡大することが可能となる。上記ブレーキリングは、平面状に形成され、回転中心軸に直交する平面に設けられるのが好ましい。
通常の空気還流による冷却だけではなく、ブレーキリング及び・又はブレーキキャリパの一部の周囲に、仕切られた領域を設け、この領域に対して流体を出し入れすることも、本発明の範囲に含まれる。このようにすることにより、循環される冷媒などのような流体との、より一層効果的な熱交換が可能となる。

上述したような本発明の特徴により、ブレーキ装置の好ましい形態が明らかとなった。しかしながら、上述した特徴とは異なる構成からなる発明によりブレーキ装置を提供することが可能である。より大きな観点での本発明によれば、車軸と、上記車軸に取り付けられた支持部材と、上記支持部材の周縁部に結合されたブレーキリングと、上記ブレーキリングに制動力を加えるためのブレーキキャリパとを備え、上記ブレーキ装置は更に以下の１つ以上の特徴を備える。

（ｉ） 上記ブレーキリングは、上記ブレーキリングから上記支持部材に熱を伝導するための熱伝導経路が形成されるように上記支持部材に結合され、
（ｉｉ） 上記支持部材を通過すると共に、上記ブレーキキャリパが配設されている領域を通過して、還流により上記ブレーキリング及び上記ブレーキキャリパから熱を移動させる空気流路を備え、
（ｉｉｉ） 上記支持部材は車輪の一部であって、
（ｉｖ） 上記ブレーキ装置は、上記空気流路に沿って空気の流動を生成する空気流生成手段を備え、
（ｖ） 上記ブレーキリングは上記支持部材と一体に設けられ、
（ｖｉ） 上記ブレーキリングは平面状に形成されると共に、上記車軸の回転中心軸に直交する平面に設けられ、
（ｖｉｉ） 上記ブレーキ装置は、上記ブレーキ装置を冷却するための冷媒装置を備える。

本発明のより大きな観点による上記ブレーキ装置は、上述した特徴とは別の特徴が更に組み込まれていてもよい。
上記ブレーキ装置は様々に適用することが可能であり、限定されるものではないが種々の乗り物に適用することができる。以下では、レーシングカーを含む自動車、鉄道車両、航空機を含む本発明の適用例について述べている。

例として、添付の概略図面に基づき、本発明の実施形態について以下に説明する。
図１に示される自動車の車輪用ホイールは概ね一般的なものであって、車両の車軸に固定するための取付孔１を備えると共に、空気タイヤ（図示せず）を支えるためのリム２を含む支持部材９を備えている。但し、このホイールは、リム２の環状凹部４に皿ボルト５を用いて固定された環状のブレーキリング３を備える点で一般的なホイールとは異なっている。また、ホイールの中心部分からリム２まで延設された支持部材９には多数の開口１０が設けられている。

車両のサスペンションに装着されたキャリパ６を用い、ブレーキリング３に制動力を加えることが可能であり、このキャリパ６は、液圧ホース（図示せず）を介して供給される液圧で従来と同様に作動することにより、液圧ピストンをブレーキパッド８に押し付け、ブレーキパッド８をブレーキリング３に摩擦係合させることが可能となっている。
ブレーキキャリパ６及びブレーキリング３を通過し、開口１０を通過する空気流を利用し、制動の際に発生した熱がこれらの部材から持ち去られる。また、ブレーキリング３に発生した熱は、リム２との接合部を介して支持部材９のリム部分に移動する。リム２へのブレーキリング３の結合は、間隔を置いて設けられたボルト５を用い、ホイールの全周にわたって行われる。従って、ブレーキリング３に対し、支持部材９への熱伝導経路が形成される。

例示した具体例において、ブレーキリングと支持部材９との接合部における断面積は、接合部の直上流側におけるブレーキリングの断面積と同等となっている。従って、ブレーキリング３及び支持部材９が熱伝導性のある材料で形成され、接合部において良好な熱的接触が得られていれば、ブレーキリング３から支持部材９に熱を伝導するための優れた熱伝導経路が形成される。図１に示される実施形態において、開口１０は支持部材９の断面積の約９０％を占めているので、支持部材９を通過すると共に、ブレーキキャリパ６が配設された領域を通過する空気流路が形成される。この結果、還流によってブレーキリング３及びブレーキキャリパ６からの熱の移動が促進される。必要であれば、強制的な還流によって還流を更に促進することも可能であり、例えば支持部材に設けたベーンにより空気流を開口１０に流動させるようにしてもよい。図１の実施形態は、このようにした場合を示すものであって、支持部材９はベーン１１を備えている。

車両からのホイールの取り外しや交換は、まずキャリパ６の一部を緩めてから図中に破線で示す位置まで移動するようにＡ−Ａ線周りに回転させ、次に車両の車軸にホイールを固定しているボルト及びナットを取り外した後、再び装着することにより、ほぼ従来と同様にして行うことができる。
本発明に係る車両用ブレーキ装置は様々な乗り物に使用することが可能であって、例えば、乗用車、バス、トラック、及びトレーラなどの路面走行車両に用いることができるほか、レール上や軌道上を走行する、例えば客車、貨車、及び路面電車など、及び航空機にも使用することが可能である。

図２は、図１に概ね類似した、ホイールの変形例を示すものであり、同様の構成部品については同じ番号で示されている。図２では、ブレーキリング３及びブレーキキャリパ６が示されておらず、図３に示されている。また、図２及び図３に示される支持部材９も、ホイールを通過する（図１に矢印で示されるような）空気の流動を生成するベーン１１を有している。

図２及び図３に示される実施形態において、支持部材９及びブレーキリング３はいずれも、熱伝導材料であるアルミニウムで形成されている。
ブレーキリング３を設けることによる利点は、ホイールの内側リムを補強して、ホイールの一部の厚みを減少することができることにある。
特に、高性能自動車においては、例えばレーザ温度計（図示せず）によりブレーキリング及び・又はブレーキパッドの温度の監視し、制動を制御するコントローラへの入力として温度信号を使用するのが望ましい場合がある。

図４は自動車における変形例を示すものであって、ブレーキ装置は車輪から離れて車両の後部車軸２３に取り付けられている。このブレーキ装置の変形例では、デファレンシャル或いは変速ユニット２０の両側方にブレーキ装置が取り付けられており、それぞれのブレーキ装置のブレーキキャリパ２１が、デファレンシャル或いは変速ユニット２０に取り付けられている。それぞれのブレーキ装置は、開口したベーン部材を有する支持部材２２を備えており、支持部材２２は対応する車軸２３に取り付けられて外に向けて延設され、その周縁部は、キャリパ２１が作用するブレーキリング３に結合されている。ベーンを有した支持部材２２は、フィン状の構造をなすことによりブレーキリング３及びキャリパ２１の領域において空気流を生成すると共に、支持部材を冷却する。図中の矢印は空気流の方向を示している。

図５は、図４に類似する構成を示すものであるが、レール２６上の車輪２５を有した鉄道車両の車軸に適用されるものである。図５において同様の部材に対しては、図４と同じ番号を用いて示している。
図６は、図４及び図５のブレーキ装置に液冷装置を設けたブレーキ装置の概略を示すものである。ブレーキ装置に近接して密封チャンバ３０が設けられており、冷媒がチューブ３１を介し、チャンバ３０と、冷媒を凝縮させて冷却するもう１つの熱交換ラジエータ３２との間で循環されるようになっている。なお、図６は概略を示すものであり、例えばチャンバ３０は、単にキャリパを包囲すると共に、密封された状態でブレーキリング３と接触するようにしてもよい。

一般的な自動車用の車輪に適用されたブレーキ装置の縦断面図である。 図１の車輪を変形した車輪のホイールを外側から見た斜視図である。 ブレーキリングが装着された図２のホイールを内側から見た斜視図である。 変形したブレーキ装置を備える自動車の車軸機構の断面図である。 ブレーキ装置を備える鉄道車両の車軸の透視図である。 冷媒装置を備えた乗り物用車輪のブレーキ装置の概略断面図である。

Claims (15)

1. 車軸と、
   上記車軸に取り付けられた支持部材と、
   上記支持部材の周縁部に結合されたブレーキリングと、
   上記ブレーキリングに制動力を加えるためのブレーキキャリパとを備え、
   上記ブレーキリングは、上記ブレーキリングから上記支持部材に熱を伝導するための熱伝導経路が形成されるように上記支持部材に結合されており、
   上記支持部材を通過すると共に、上記ブレーキキャリパが配設されている領域を通過して、還流により上記ブレーキリング及び上記ブレーキキャリパから熱を移動させる空気流路を備えることを特徴とするブレーキ装置。
2. 上記支持部材は、車輪の一部であることを特徴とする請求項１に記載のブレーキ装置。
3. 上記空気流路に沿って空気の流動を生成する空気流生成手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のブレーキ装置。
4. 上記支持部材は、上記空気流路に沿って空気の流動を生成するベーンを備えることを特徴とする請求項３に記載のブレーキ装置。
5. 上記ブレーキリングは、上記支持部材に着脱可能に結合されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のブレーキ装置。
6. 上記ブレーキリングは、上記支持部材と一体に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のブレーキ装置。
7. 上記ブレーキリングは、上記支持部材の周縁部から径方向内方に向けて突設されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のブレーキ装置。
8. 上記ブレーキリングは平面状に形成され、上記車軸の回転中心軸に対して直交する平面に設けられることを特徴とする請求項７に記載のブレーキ装置。
9. 車軸と、
   上記車軸に取り付けられた支持部材と、
   上記支持部材の周縁部に結合されたブレーキリングと、
   上記ブレーキリングに制動力を加えるためのブレーキキャリパとを備え、
   上記ブレーキ装置は、更に以下の１つ以上の特徴を備える。
   （ｉ） 上記ブレーキリングは、上記ブレーキリングから上記支持部材に熱を伝導するための熱伝導経路が形成されるように上記支持部材に結合され、
   （ｉｉ） 上記支持部材を通過すると共に、上記ブレーキキャリパが配設されている領域を通過して、還流により上記ブレーキリング及び上記ブレーキキャリパから熱を移動させる空気流路を備え、
   （ｉｉｉ） 上記支持部材は車輪の一部であって、
   （ｉｖ） 上記ブレーキ装置は、上記空気流路に沿って空気の流動を生成する空気流生成手段を備え、
   （ｖ） 上記ブレーキリングは上記支持部材と一体に設けられ、
   （ｖｉ） 上記ブレーキリングは平面状に形成されると共に、上記車軸の回転中心軸に直交する平面に設けられ、
   （ｖｉｉ） 上記ブレーキ装置は、上記ブレーキ装置を循環して冷却するための冷媒装置を備える。
10. 更に、上記ブレーキ装置を冷却するための冷媒装置を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のブレーキ装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載のブレーキ装置を備えることを特徴とする乗り物。
12. 上記乗り物は自動車であることを特徴とする請求項１１に記載の乗り物。
13. 上記乗り物は鉄道車両であることを特徴とする請求項１１に記載の乗り物。
14. 上記乗り物は航空機であることを特徴とする請求項１１に記載の乗り物。
15. 添付図面を参照して実質的にここに述べられると共に上記添付図面に示されたブレーキ装置。

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