JP3807573B2 - ディスクブレーキ用パッド - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両や機械の回転を制御するディスクブレーキに用いられるパッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ディスクブレーキパッドは、自動車や鉄道もしくは機械の速度制御に用いられるディスクブレーキの摩擦部材として用いられる。その摩擦部材は、ディスクブレーキのピストンを受ける裏金とディスクに摺接する摩擦材から成り立っている。特に使用条件において摩擦材の負荷が大きい場合、もしくは摩擦材の性能を改善する必要から、裏金と摩擦材との間に緩衝材を必要とすることがある。
【0003】
緩衝材の使用目的は大きく分けて主に3つある。その第一は、摩擦によって発生する熱がブレーキピストンに伝わることを防ぐためである。第二は、摩擦材の性能を重視するため、裏金との密着性が悪化するのを防止するためである。第三は、摩擦材の振動によるノイズの発生を緩衝するためである。
【0004】
このような目的から、緩衝材に用いられる材料は摩擦材料であることの他に断熱効果をもち、裏金との密着性もよく、かつ正規の摩擦材における性能の弱点を補強するものが好ましい。
【0005】
特に高負荷に耐える摩擦材として、スチールの繊維または粒状物を多く用いたセミメタリックパッドと呼ばれる摩擦材が知られている。この摩擦材を用いる場合、その配合組成から熱伝導性が大きく裏金に摩擦によって発生した熱を伝えやすいため、緩衝材を用いて熱伝導を防止し、断熱材としての機能を持たせることがよく行われている。
【0006】
この場合、摩擦面で発生した熱がディスクとパッドの双方に拡散されるのであるが、パッドの熱伝導性が大きいと、界面で発生した熱の分配において、必要以上にパッドに熱が吸収される。パッドの熱伝導性が小さいと発生した熱の大部分がディスクに伝わり、ディスクの回転で冷却される。すなわち、緩衝材があることにより、パッドの熱伝導性を小さくし、発生した熱をディスクの回転による放熱に向けることになる。
【0007】
緩衝材の役割として、さらには裏金との密着性がある。繰り返される熱履歴の中で強固な密着性を持つには、摩擦材に近い配合組成をもち、摩擦材との馴染みも必要である。
【0008】
緩衝材の主な組成としては繊維状の素材とバンイダー、および粉末、粒状物のフィラーであり、特に摩擦材にセミメタリック材が使われる場合は、繊維状素材にスチールファイバを用いると馴染みがよい。
【0009】
また、緩衝材の配合組成には、バインダーとして摩擦材に用いられるフェノール樹脂系と同じバインダーを用い、さらに摩擦振動を吸収する目的から、クッション効果をもつカシューダストやゴム粉を用いることがある。これらの有機物は熱伝導率が小さく、かつ比重が小であることから、熱容量も小であり、緩衝材の熱伝導性を小さくする効果を併せもつ。その他、摩擦時のディスク面と裏金の間に発生するせん断力に対する補強から繊維状素材を用い、熱に対する補強として無機フィラーが使用される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
緩衝材は前述したように種々の目的を持ち、それぞれ目的にあった素材を用い配合されているものである。しかし、特に高負荷条件、例えば車両が長い坂道を下るときにブレーキの頻度が増し、充分な放熱ができずにブレーキを使うと、発生する摩擦熱がディスクやパッドに蓄積し、相当の高温になることがある。長時間または繰り返しこのような状態があると、緩衝材に配合された有機物の劣化が進行し、極端な場合には炭化し、熱伝導性が上昇して振動吸収の効果も失われることになる。
【0011】
従って、本発明の主目的は、緩衝材としての耐熱性を改善することにより、より高負荷のディスクブレーキに安心して用いられるパッドを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解消するもので、その特徴は、緩衝材の配合に溶融温度が常圧で200℃以上の直鎖状または分岐状樹脂の粉末もしくは粒状物を含むことにある。
【0013】
用いる直鎖状または分岐状樹脂の耐熱性は熱分解特性にも影響し、好ましくは熱天秤を用いて測定条件が大気中、10℃/分の昇温で試料10〜15mgのときに450℃での加熱減量が50%以内のものがよい。しかし、三次元架橋された高分子であると、いくら耐熱性が良くても緩衝効果を発揮する弾力性に乏しい。
【0014】
このような直鎖状または分岐状樹脂には、ポリアリレンスルホン、ポリアリレンスルフィド、液晶ポリマー(LCP)、非晶質ポリアリレートから選ばれる1種以上、もしくはこれらを含むポリマーアロイであることが好ましい。これらの樹脂は溶融することによる融解熱を利用すると共に、分解ガス化を防ぐ目的もある。そして、この材料を活かす配合組成は、成分として、スチールファイバおよび銅もしくは銅合金のファイバ、有機ファイバ、無機ファイバから選ばれる1種以上を含むことが好ましい。本発明ブレーキパッドにおける緩衝材は特にスチールファイバを含む摩擦材と組み合わせて使用するのが、そのパッドの性能を充分に生かす意味で特に好ましい。
【0015】
さらには、用いる緩衝材を複数層にし、摩擦材側の緩衝材と裏金側の緩衝材の配合を変えることにより緩衝効果を高めることも、特に高負荷使用の場合に効果的である。
【0016】
緩衝材の耐熱性を上げるために配合する樹脂の耐熱性を上げるのは常套手段であるが、その樹脂の特性として直鎖状または分岐状樹脂を選定したことに本発明の特徴がある。直鎖状または分岐状樹脂は、ポリエチレン、塩化ビニル、ナイロンのように融解点を持っており、且つ分解する前に溶融し、融解熱を周囲から吸収する。溶融することにより周囲のファイバやフィラーと密着し、より強固なマトリックスを形成する。これらの直鎖状または分岐状樹脂の選定には、特殊エンジニアリング・プラスチックに属する樹脂や、超耐熱性樹脂から選択するのがよく、非晶性の樹脂があっても構わない。
【0017】
緩衝材に含まれる樹脂は、配合時に分散させるには粉末状のものが良いが、粒状物であっても混合手段により分散させることができる。混合手段さえ適宜なものを選択すれば、繊維状やペレットであっても構わない。
【0018】
溶融点が常圧で200℃以上の直鎖状樹脂は、エンジニアリング・プラスチックと称される樹脂で、ナイロン系の樹脂(6ナイロン、66ナイロン)、ポリ塩化ビニル(塩ビ)、ポリエステル系樹脂のポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、フロロカーボン系樹脂のポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)等がある。そして、特殊エンジニアリング・プラスチックと呼ばれる樹脂で、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、芳香族ポリエステル(ユニチカ製の商品名:Uポリマー、エコノール)が該当する。また超耐熱樹脂の芳香族ポリイミド、ポリアミドイミドもある。さらには、これらの樹脂を混合したポリマーアロイを用いることも可能である。一般にアロイ化することで融点の前に熱軟化する温度の低下があり、ダンピング特性をより効果的に利用できる。また、一般に架橋型と称されるPPSは高温で酸化されると分枝状に一部反応し、本件の用途での耐熱性が融点のイメージより大きく好ましいものの一つである。
【0019】
これらの樹脂の中で、ハロゲン(F、Cl,Br,I)元素を含まないものが材料の熱分解や使用後のパッドの処理時の加熱などで問題にならず好ましい。また、耐熱性から見て、特殊エンジニアリング・プラスチックに属するポリアリレンスルホン(ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリルスルホン、ポリイミドスルホンなど)、ポリアリレンスルフィド(ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドーケトンなど)、液晶ポリマー(例えばデュポン社の商品名:ベクトラなど)、非晶質ポリアリレートから選ばれる1種以上、もしくはこれらを含むポリマーアロイであることが望ましい。
【0020】
さらには、緩衝材に用いるバインダーとしてフェノール樹脂もしくはその変性物があるが、これらの樹脂との相溶性があると、粉末または粒子が成型時に固定されるので好ましい。
【0021】
前記樹脂の粉末化は、機械的な冷凍粉砕が妥当であるが、一旦溶剤に溶かして液状にしてそれを分散剤中に噴霧する等の方法でも良い。粉末および粒子の大きさは、混合時に均一に混ざる大きさの範囲であればよく、数ミクロンから2mm程度のものであればよい。好ましくは0.1〜0.5mmの粒子状のものがよい。
【0022】
このような緩衝材の配合組成には、前記した樹脂粉末もしくは粒状物の特性を充分に生かせる配合が好ましく、その配合の中にスチールファイバおよび銅もしくは銅合金のファイバ、有機ファイバ、無機ファイバから選ばれる1種以上を含んでいるとその効果が特に生きてくる。前記ファイバは材料の骨格であり、強度のせん断力に耐え、また2種以上の組み合わせをすると骨格が緻密化される効果を引出し、かつ該樹脂が溶融した際、これらのファイバで樹脂を担持するのでより好ましい。
【0023】
そして、前記樹脂の配合量は、緩衝材の出来上がり時点で0.5〜10重量%含むのが良い。0.5重量%未満では緩衝材のダンピング効果が不十分であり、10重量%を越えると、緩衝材に含まれる有機物量が多くなり、熱劣化しやすくなる。また、複数の緩衝材を用いる場合は、使用範囲はさらに広がり、0.5〜20重量%の範囲で使用可能である。但し、摩擦材に近い緩衝材は前記単層の緩衝材の条件と同等である。
【0024】
このように緩衝材は、特に高負荷の場合、複層の緩衝材を用い、摩擦材側の緩衝材Aと裏金側の緩衝材Bを、さらにはその中間の緩衝材Cを設けることにより、熱および振動の緩衝効果を高めることも可能である。この場合、緩衝材の配合内容を摩擦材に密着する方から順次摩擦材の配合内容に緩衝材に必要な特性を加えるにように配合を変化させることで、摩擦材と緩衝材の境界面における材料の違いを減らすものである。特に高負荷で使用される場合には、熱膨張や熱伝導率の違いから境界面での温度差や熱歪みによるストレスの集中が問題になる。複数層にして順次配合を変えることにより、各境界面での温度差や熱歪みの集中は緩和される。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す。ただし、本発明はこの具体例に限定されるものではない。
【0026】
(実施例1〜6)
中型トラック仕様のディスクブレーキのパッドを作製した。この仕様においてパッドの摩擦面積は、フロント仕様が90cm2 であり、リヤ仕様が112cm2 、裏金の厚みは8mm、パッドの厚みは14mmである。摩擦面の材料にはセミメタリック仕様である表1の材料を用いている。これに緩衝材としての材料を表2の配合で準備した。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
配合組成物の混合は、アイリッヒミキサーを用い均一に混合した。この混合物を秤量し、予備成型機を用いて2層の固形物の形状に固めた。裏金の処理は、脱脂洗浄後、フェノール樹脂系の接着剤を塗布乾燥し準備した。
【0030】
その後、加熱成型機を用い、160℃にセットした金型で裏金と予備成形体とを併せて加熱加圧し、成形した。後硬化は230℃で4時間行い、化粧塗装を施した後、摩擦面を所定の厚みに研磨した。出来上がり時の緩衝材の厚みは3mmに設定しているが、ほぼ設計通りにできていた。
【0031】
また、比較例として表3に示す従来の緩衝材の配合を用い、摩擦材の配合は実施例と同じ表1の配合の組み合わせで同様にパッドを作製した。
【0032】
【表3】
【0033】
(実施例7,8)
次に、2層の緩衝材を使用するパッドを実施例1と同様の工程で作製した。摩擦材は実施例1で用いた表1の配合を、緩衝材は表4と表5に示す2種類の配合を作製し、それぞれが仕上げ厚み1.5mmになるように秤量値を設定した。まず緩衝材Bを予備成形機の金型に入れ、次に緩衝材Aを入れて、その上に摩擦材を入れて加圧成形した。
【0034】
【表4】
【0035】
【表5】
【0036】
(走行劣化試験)
このパッドを中型4トン積み仕様の車両に装着し、定量積載として走行試験を行った。試験条件は次の通りである。
ブレーキ条件:初速度50km/Hから停止まで制動し、停止後直ちに加速。20秒間隔で繰り返し50回。これを1サイクルとして120サイクル繰り返す
ブレーキ温度:常温からスタートし、50回目のブレーキ後、ディスク温度が
495〜505℃になるように冷却風を調整する
走行中のブレーキングによる昇温調整は、あらかじめ現用品を用いてテストを繰り返し、冷却風の調整をしておいた。
【0037】
テスト後、ディスクパッドを取り出し、裏金と緩衝材、緩衝材と摩擦材の各境界における変化を調べた。その結果を表6に示す。従来の緩衝材を用いた比較例1のパッドは、摩擦材と緩衝材のと境界面でパッドの全周に近い範囲で亀裂が見られた。緩衝材と裏金との接着面では、亀裂が0.2mmのシックネスゲージで5mm以上侵入するような亀裂が有った。また、比較例2では摩擦材との界面の亀裂が激しく、120サイクルのテストに耐えられないと判断し、80サイクルでテストを打ち切った。一方、実施例1〜6には裏金との接着面,摩擦材との境界面ともに目で見える亀裂が発生しているものが多かったが、実施例7,8には亀裂はほどんど見られなかった。このテストは実使用の限界に近い条件を用いているので、大きな差が見られた。結果として本発明は従来のものより熱履歴における耐久性が十分にあることを示している。
【0038】
【表6】
【0039】
(鳴き試験)
次に同じ車両と同じ条件で、ディスクパッドと相手材のディスクをも入れ替えて鳴き試験を行った。試験条件は次の通りである。
鳴き試験条件:前記走行試験の第3,第15サイクル後に以下の試験を実施
車両条件:4トン定積載
ブレーキ条件:初速度30km/Hから停止まで制動し、減速度0.05g,0.1g,0.15g,0.2g,0.25g,0.3g,0.35g,0.4g(gは重力加速度:9.8m/sec2)で各1回
ブレーキ制動前温度:50,100,150,200,250℃で上記ブレーキを1回ずつ
【0040】
実施例1,3,5,7,8および比較例1の試験結果を表7に示す。種々の条件での鳴き率も比較例に比べ各実施例は減少しているが、特に高温での鳴きにおいて大きな差が見られ、本発明の効果が顕著に示されている。
【0041】
【表7】
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明ディスクパッドによれば、特に高温時の使用において、その鳴き特性を改善し、且つ高温で長時間の劣化にも耐えることができ、高負荷のディスクパッドとして有用である。
Claims (6)
- 金属製の裏金と、ディスクと接する摩擦材と、裏金と摩擦材との間に介在する緩衝材とを一体にしたディスクブレーキ用パッドにおいて、
この緩衝材は溶融温度が常圧で200℃以上の直鎖状または分岐状樹脂の粉末もしくは粒状物を含むことを特徴とするディスクブレーキ用パッド。 - 前記直鎖状または分岐状樹脂の粉末もしくは粒状物が、450℃に加熱した際の加熱減量が50%以内であることを特徴とする請求項1記載のディスクブレーキ用パッド。
- 前記直鎖状または分岐状樹脂の粉末もしくは粒状物が、ポリアリレンスルホン、ポリアリレンスルフィド、液晶ポリマー、非晶質ポリアリレートから選ばれる1種以上、もしくはこれらを含むポリマーアロイであることを特徴とする請求項1または2に記載のディスクブレーキ用パッド。
- 前記緩衝材の配合組成中に、スチールファイバおよび銅もしくは銅合金のファイバ、有機ファイバ、無機ファイバから選ばれる1種以上を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のディスクブレーキ用パッド。
- 前記摩擦材の配合にスチールファイバが用いられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のディスクブレーキ用パッド。
- 前記緩衝材が配合を変えた複数層で構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のディスクブレーキ用パッド。
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