JP3394778B2 - ディスクブレーキ用摩擦パッド - Google Patents

ディスクブレーキ用摩擦パッド

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ブレーキアッセンブリ（brake assembly）
に使用するための摩擦パッドに関する。
本発明は特に、非常に性能のよいディスクブレーキ装
置（disc brake system）で使用するための摩擦パッド
（friction pad）に関する。そのディスクブレーキ装置
では、多くの場合、大きな質量、例えば高速旅客列車
を、比較的大きい速度から停止させる必要がある。
高性能ブレーキ装置、特定の鉄道ブレーキは通常、二
つの基本的カテゴリーに分類される。一つのカテゴリー
には、ブレーキ質量が小さく、かつ使用頻度が比較的少
ない、高速装置が含まれる。フランスのTGV装置は、こ
のカテゴリーに分類され、一般的パラメータは速度300k
m/時間及びブレーキ質量（制動されるべき質量）4000kg
である。所要ブレーキ時間は、ディスクではピークブレ
ーキ力730kw/m2で、パッドでは6Mw/m2で約78秒であり、
吸収される全エネルギーは14メガジュールである。他の
カテゴリーは、制動質量が大きく適用頻度の多い低速装
置を含む。軽レール及び路面電車はこのカテゴリーに分
類され、一般的パラメータは速度80km/時間及びブレー
キ質量9000kgである。ピークブレーキ力は、ディスクで
770kw/m2で、パッドで３〜5Mw/m2であり、吸収される全
エネルギーは2.3メガジュールである。このカテゴリー
のための典型的停止時間は、約23秒である。
ディスクブレーキで使用する摩擦パッドは通常、実質
的に平面状の受け板（backing plate）の形態を取る。
摩擦材パッド（pad of friction material）は、その受
け板に固定される。可働中、摩擦材パッドは、摩擦によ
るかみ合いを生じさせるブレーキディスク（brake dis
k,制動板）に逆らって動かされる。その作用によって、
加えたブレーキ圧力が増大する。その結果、摩擦材料と
ディスクとは熱せられる。摩擦によるかみ合いが大き
く、かつパッド上のディスクの相対回転速度も大きい場
合、パッド材料は早期にすり減る恐れがある。摩擦パッ
ドとブレーキディスクとの間のインターフェース（inte
rface）における物理的／化学的な不安定な相互作用に
よって、ホットスポット（hot spots,過熱点）が生じる
場合は特に、ブレーキディスクの一連の加熱と冷却とに
よる応力亀裂（stress cracking）等の損傷が生じる。
これは、ディスク、パッド及び装置の設計に依存する。
更なる要因は、ブレーキディスク自体の摩耗率である。
摩擦材料を再度系統立てて計画しパッドの摩耗率を低減
しようとする試みによって、ブレーキディスクの摩耗率
を大幅に増大化する効果がしばしば得られている。これ
は特に、その系統的計画ニ、パッドの寿命を増大させる
べく研磨材のレベルを増加させることが含まれる場合で
ある。従って、ブレーキディスクの大面積上に発生する
熱を放散させ、かつ、このようにして、ホットスポット
及びそれに伴う応力亀裂を低減するべく、セラミック表
面を有するブレーキディスクを利用することを提案され
てきた。かかるブレーキディスクの一つは、公開済みPC
T特許明細書WO92/08909に開示されている。
DE−11−9114265号明細書には、非アスベすト摩擦材
料製剤の成分して、40重量％以下の鉄と共に、粉末状の
酸化マグネシウム及びバライト（barytes）を使用する
ことも知られている。
この種のセラミック表面を有するブレーキディスク
は、熱的−機械的疲労亀裂の欠陥に関し、従来の鋼及び
（又は）焼結済みブレーキディスクと比較して、ブレー
キディスクの性能を高め、しかも、既知の摩擦パッドは
それと一緒に使用することができ、かかる既知の摩擦パ
ッドは早期に摩減する傾向があり、更に、かかる摩擦パ
ッドと、平面状鋼又はアルミニウム金属のマトリックス
複合材料のディスクとの間のインターフェース温度と比
べて、摩擦パッドと、ディスクのセラミック表面との間
のインターフェースで温度が上昇するため、望ましい性
能は提供されない。
本発明の特別の目的は、ディスクブレーキアッセンブ
リに使用するための摩擦パッドを提供することにある。
ここに、ブレーキディスクはセラミック材のブレーキ表
面を有し、摩擦パッドは、パッドの寿命及びセラミック
表面のブレーキディスク上の摩擦把持（frictional gri
p）に関し、性能を改善する。
本発明による、ブレーキアッセンブリに使用するため
の摩擦パッドは、前記摩擦パッドに固定された受け板
と、少なくとも50重量％のセラミック材料を含む摩擦材
パッドとから成る。
本発明の特に好ましい具体例の、ブレーキアッセンブ
リに使用するための摩擦パッドは、前記摩擦パッドに固
定された受け板と、粒径0.3mm〜4mmの比較的粗い粒子の
形態で存在する少なくとも50重量％のセラミック材料
と、合成樹脂の結合剤と、少量の黒鉛潤滑剤と、粒径範
囲１〜30μｍの比較的微細な粒子の形態の少量のセラミ
ック材料とから成る。
本発明の摩擦パッドは、このように炭素を含有し、炭
素含有量は好ましくは、パッドの５〜20重量％の範囲で
あり、炭素含有量15重量％は特に好ましい。
本発明の好ましい具体例では、セラミック材料は、好
ましくは金属酸化物のセラミックであるセラミック酸化
剤から成る。
また、摩擦材パッドの組成物には、少量のポリイミド
樹脂、ピッチ及び（又は）ビチューメン材料から成る樹
脂改質剤を更に含ませてセラミック構造の空隙率を低減
し、かなりの柔軟性を与える。そうすることによって、
摩擦材パッドは、ブレーキ状態時、わずかに変形し、そ
のエッジ（edges）は剪断変形しない。樹脂改質剤は、
靭性を与え、著しい支持力（extra support）及びエネ
ルギー吸収能力を与え、樹脂の酸化保護を改善し、炭素
を固定する。黒鉛を酸化から一層保護するためには、酸
素に対する親和力が比較的大きい金属化合物及び金属等
の酸化防止材料を少量含有させるのが好都合であること
が分かった。好ましい材料の例は、アルミニウム、ケイ
素、マグネシウム、クロム、モリブデン、それらの合
金、及び金属炭化物である。黒鉛潤滑材料は好ましく
は、フレークとして存在する。これら黒鉛フレークは少
なくとも、摩擦パッドとブレーキディスクとの間に潤滑
性を与える。
使用中、セラミックブレーキディスクの表面に黒鉛の
潤滑層が形成されることが分かった。この層は非常に速
く形成され、かつ本質的に独立している（self−sustai
ning）。この層は初め、パッドとディスクとの間にブレ
ーキ力を加えた後、かなり均一な摩擦係数を維持する上
で、非常に重要な役割を果たすようである。
特定の装置のための、ブレーキディスク表面の最大温
度での、摩擦パッドのための望ましい完全性と摩擦効率
とを保持すべく、樹脂の結合剤を選定する。その樹脂結
合剤は、ブレーキディスクと摩擦パッドとのインターフ
ェース温度の影響によって、終局的には劣化する。劣化
は、パッドの作用面（working face）からその厚さを通
って進行的に生じ、可動効率の激しさ（運転条件）に依
存する。しかし、摩擦パッド表面の樹脂は完全に劣化す
るかも知れないが、酸化物マトリックス及び下の樹脂は
依然として一体構造を取り、そのため、摩擦パッドはそ
の摩擦能力を維持する。黒鉛潤滑材層の形成は、本文脈
では非常に重要である。
本発明で使用するのに適した摩擦材パッドは主に、セ
ラミック材料としての酸化マグネシウムを含有する。場
合によっては、微量の不可避な他の種々の金属酸化物セ
ラミックを一緒に含有する。本発明のかかる構成は典型
的には、重量％の範囲で与えられる次のセラミックから
成る。即ち、 MgO …94.6 ％〜97.2 ％ CaO … 1.9 ％〜 2.5 ％ Al2O3… 0.2 ％〜 0.6 ％ Mn3O4… 0.03％〜 0.07％ Fe3O4… 0.2 ％〜 1.0 ％ 前述の通り、セラミック材料は、かなり粗い粒子とし
て存在するが、少量のセラミック材料は微細粒子とし
て、典型的には１〜30μｍの範囲で含有される。粗い粒
子として酸化マグネシウムを使用するとき、好ましく
は、その微細粒子も酸化マグネシウムであるが、他の酸
化物が少量存在していても良い。微細粒子材料が存在す
ることによって、パッドの空隙率が最小となり、そうす
ることによって、パッドの強度及び（又は）完全性が改
善される。バライト（barytes）（硫酸バリウム）等、
他の微細な粉末材料も、微細粉末化済み成分として、又
はその一部として使用できる。
好ましい結合材樹脂には、ビスマレイミド（bismalei
mide）等のポリイミド樹脂、フェノール樹脂、及びフラ
フール又はフラフールアルコールで造ったフラン樹脂が
含まれる。これらは、1600℃以下のブレーキディスク表
面温度で有用であることが分かった。
本発明は、ディスクブレーキアッセンブリに使用する
ための長寿命摩擦パッドを提供する。この摩擦パッド
は、セラミック表面を有するブレーキディスクを補足し
（完全な物にし）、ブレーキディスクの寿命及び性能、
並びにそれと関連して使用される摩擦パッドの性能及び
磨耗率を最適化する。
更に、本発明により構成される摩擦パッド、及び前記
に詳述した好ましい具体例は、従来言及されていた高性
能ブレーキの少なくとも２倍の効率で可働されるブレー
キ装置に使用し得る。例えば、本発明の摩擦パッドは、
速度350km/時間、質量5000kgかつ目標ブレーキ時間84秒
で可働させることができ、ピークブレーキ力は、ディス
クで1.2Mw/m2、パッドで6.7Mw/m2であり、吸収済み全エ
ネルギーは38メガジュールである。実際、本発明の摩擦
パッドは、50メガジュールの大きさの過負荷容量（over
load capability）を与えることができる。
例 次いで、本発明が一層理解されるように、その好まし
い具体例を実施例によって説明する。
次の成分を化合させて摩擦材料を造り、ディスクブレ
ーキパッドを造った。
フェノール樹脂 ６重量％ 鉱物繊維 ４重量％ 粗いMgO 52重量％ 合成黒鉛 １重量％ フレーク黒鉛 ９重量％ 微細粉末化セラミック 20重量％ （主としてMgO） 金属繊維 18重量％ 約85MN/m2（5.5tsi）の圧力、周囲温度で、この材料
を圧縮成形し、ブレーキパッドにした。このパッドは、
比較的低い圧力138KN/m2（20psi）の下、200℃で３時間
加熱することによって養生した。鋼の受け板（backing
plates）への結合は、パッドを各々受け板に固定すべく
接着剤結合と機械的固定との組合わせを使用しながら、
圧縮成形の段階で行った。
一組のパッドと受け板とをブレーキアッセンブリに取
り付け、セラミック表面を持つブレーキロータ（brake
rotor）（ディスク）の反対面を走らせた。周囲条件及
びブレーキ条件の下、ロータ表面の温度をモニターすべ
く器械類を備えた。
運転中、初めてブレーキをかけるのとほとんど同時
に、光沢があり滑らかな黒色膜が、ロータ表面に形成さ
れた。この時点の摩擦係数は、約0.3で安定化し、ま
た、ブレーキを繰り返し可働させ、ディスクの表面温度
は1000℃を越えたにもかかわらず、比較的一定になっ
た。
本発明は、ディスクブレーキアッセンブリでの使用に
特に関連させ説明したが、本発明は更に、他のブレーキ
装置、特に、通常のブレーキ装置に使用するためのブレ
ーキブロック（brake blocks）にも適用し得ることが認
識される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 テイラー，アルフレッド ジェームズ イギリス国ビー47 ６エィチビー ウオ ーセスターシャー，ウィサール，ザ ス ピニィ ７ (72)発明者 テイラー，スーザン ケイト イギリス国 ビー91 １エイビー ウエ スト ミッドランズ，ソリフル，ウオリ ック ロード 610 (72)発明者 ハバード，デビッド アンドリュー イギリス国 エル48 ６イーティー マ ーセイサイド，ウィラール，ウエスト カービィ，グランジ マウント 25 (72)発明者 ロトフィポアー，マモウド イギリス国 エスケイ２ ５エックスピ ー ストックポート，オファートン，ウ ェンロック クロース 28 (56)参考文献 米国特許4722950（ＵＳ，Ａ) 英国特許出願公開2268502（ＧＢ，Ａ) 英国特許出願公開1206339（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C08J 5/14 ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ブレーキアッセンブリに使用するための摩
    擦パッドにおいて、受け板とそれに固定された摩擦材パ
    ッドとを有し、該摩擦材は、粒径0.3mm〜4mmの比較的粗
    い粒子の形態で存在する少なくとも50重量％のセラミッ
    ク材料と、合成樹脂の結合剤と、黒鉛潤滑剤と、粒径範
    囲１〜30μｍの比較的微細な粒子の形態のセラミック材
    料とを含む、ブレーキアッセンブリに使用するための摩
    擦パッド。
  2. 【請求項２】摩擦材が、５〜20重量％の範囲の炭素含有
    量を有する、請求項１に記載の摩擦パッド。
  3. 【請求項３】炭素含有量が15重量％である、請求項２に
    記載の摩擦パッド。
  4. 【請求項４】摩擦材が、ポリイミド樹脂、ピッチ及び
    （又は）ビチューメンから成る樹脂改質剤を更に含む、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の摩擦パッド。
  5. 【請求項５】セラミック材料が、主に酸化マグネシウム
    から成る、請求項１〜４のいずれか１項に記載の摩擦パ
    ッド。
  6. 【請求項６】セラミック材料が、酸化カルシウム（Ca
    O）、アルミナ（Al2O3）、酸化マンガン（Mn3O4）、酸
    化鉄（Fe3O4）及び硫酸バリウム（BaSO4）の一種以上を
    更に含有する、請求項５に記載の摩擦パッド。
  7. 【請求項７】黒鉛潤滑剤が片状黒鉛である、請求項１〜
    ６のいずれか１項に記載の摩擦パッド。
  8. 【請求項８】酸化防止剤を更に含有する、請求項７に記
    載の摩擦材料。
  9. 【請求項９】ブレーキアッセンブリが、ディスクブレー
    キアッセンブリである、請求項１〜８のいずれか１項に
    記載の摩擦パッド。
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