JP5163497B2 - 外周波型ブレーキディスク - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車用のブレーキディスクに好適な外周波型ブレーキディスクに関する。

自動二輪車用のブレーキディスクとして、車輪に固定されるハブディスクと、ハブディスクの外側に同心状に配置される制動ディスクと、ハブディスクと制動ディスクをフローティング状態に連結する連結ピンとを備えたフローティングブレーキディスクが広く実用化されている。また、このようなフローティングブレーキディスクとして、外周を円形に構成した外周円型ブレーキディスク以外に、外周に周方向に間隔をあけて複数の外周凹部を形成して外周部を波形状となした外周波型ブレーキディスクが、軽量で泥はけ特性が良く、意匠性が高いため、オフロード用バイクだけでなく、オンロード用バイクにも搭載されつつある（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ディスクブレーキ装置の制動時における振動として、高周波領域のブレーキ鳴き以外に、低周波領域におけるブレーキジャダが知られている。ブレーキジャダとは、制動時における異常振動で、ドライバはハンドルやブレーキレバーの異常振動をブレーキジャダとして感じることになる。未熟なドライバが初めてブレーキジャダに遭遇すると、ハンドル操作やブレーキ操作を誤ることが懸念されるので、車両の安全性を向上するため確実に防止することが要望されている。

外周円型ブレーキディスクにおけるブレーキジャダ現象は、ブレーキディスクの板厚精度やブレーキディスクの平面度などブレーキディスクの製作精度に起因して、ブレーキトルクやブレーキ液圧が変動することにより発生することが知られている。このため、外周波型ブレーキディスクにおいても、ブレーキディスクの製作精度を高めることで、ブレーキジャダを防止するように設計されている。

国際公開第２００４／０４２２４７号パンフレット

しかし、外周波型ブレーキディスクでは、ブレーキディスクの製作精度を外周円型ブレーキディスクと同等に高めても、ブレーキジャダが発生することがあり、その際には、ブレーキディスクの各部の寸法を変更するなどの試行錯誤による設計変更を行って、ブレーキジャダが発生しないようなブレーキディスクを製作しているのが実情で、ブレーキジャダの発生原因を究明して、ブレーキジャダを確実に防止できるようなブレーキディスクが求められていた。尚、上記のような試行錯誤による設計の結果、外周凹部が２４個、連結ピンが７個、取付孔が５個で、これらの個数が互いに素に設定されたフローティングブレーキディスクは実用化されている。

本発明の目的は、ブレーキジャダを効果的に防止可能な外周波型ブレーキディスクを提供することである。

本発明に係る外周波型ブレーキディスクは、車輪に固定されるハブディスクと、ハブディスクの外側に同心状に配置される制動ディスクと、ハブディスクと制動ディスクをフローティング状態に連結する連結ピンとを備え、制動ディスクの外周に周方向に間隔をあけて複数の外周凹部を形成して外周部を波形状となした外周波型ブレーキディスクであって、前記制動ディスクの外周円からの外周凹部の深さを２ｍｍ以上、７ｍｍ以下に設定し、前記外周凹部の数と、車輪への取付孔の数と、連結ピンの数とが互いに素の関係であり、且つ、前記外周凹部の数を３〜２３、取付孔の数を３〜７、連結ピンの数を５〜１２に設定したものである。

このように、外周凹部の深さを既存の外周波型ブレーキディスクよりも浅く設定すると、制動時におけるブレーキトルクの変動を少なくして、ブレーキジャダを効果的に防止できる。外周凹部の深さを浅くすることで、ブレーキトルクの変動を少なくできるメカニズムは、次のように推測できる。即ち、制動時には、１対のブレーキパッドが制動ディスクの両面に圧接されて、ブレーキパッドと制動ディスク間における摩擦抵抗により、制動力が得られることになるが、ブレーキパッドの外周部が外周凹部に対面すると、ブレーキパッドの外周部が制動ディスクで受け止められなくなり、ブレーキパッドの摩擦材の圧縮弾性変形が部分的に開放されて、摩擦材が外周凹部へ落ち込み、またブレーキパッドの外周部が隣接する外周凹部間の外周凸部に対面したときには、外周凹部に落ち込んでいた摩擦材が、再度、圧縮弾性変形を起こして、その抵抗力で両ブレーキパッドを押し返すことになり、このようなブレーキパッドの摩擦材の圧縮弾性変形の開放と再変形とが繰り返されることで、ブレーキトルクの変動が発生するものと推測できる。本発明では、外周凹部の深さを浅く設定することで、ブレーキパッドの圧縮弾性変形の再変形時における前記抵抗力を小さく設定して、ブレーキトルクの変動を少なくし、これによりブレーキジャダを防止することになる。

また、前記外周凹部の深さは、７ｍｍを超えると、ブレーキトルクの変動が大きくなり、ブレーキジャダが発生し易くなるので、外周凹部の深さは７ｍｍ以下に設定することが好ましい。特に、２ｍｍ以上、６ｍｍ以下に設定することが、外周凹部を設けることによる、重量軽減、泥はけ特性の向上、放熱性能の向上、意匠性の向上などを十分に確保しつつ、ブレーキジャダを効果的に低減できるので好ましい。

更に、前記外周凹部の数と、車輪への取付孔の数と、フローティングピンの数とを互いに素の関係に設定しているので、外周凹部と取付孔とフローティングピンの数を互いに素に設定することで、制動時におけるブレーキディスクの振動形態を調整して、ブレーキジャダを効果的に防止できる。

更にまた、前記外周凹部の数を３〜２３、取付孔の数を３〜７、フローティングピンの数を５〜１２に設定しているので、ブレーキジャダを防止可能な実用に即した外周波型ブレーキディスクを実現できる。

前記制動ディスクと、制動ディスクに圧接されるブレーキパッドとの接触面積の最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．８６以上に設定することも好ましい実施の形態である。制動ディスクとブレーキパッドとの接触面積の最大値と最小値の面積比が大きくなると、ブレーキトルクの変動が大きくなって、ブレーキジャダが発生し易くなるので、面積比Ｓｂ／Ｓａを０．８６以下に設定することが好ましい。特に、前記最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．９０以上、１．０以下に設定することが、ブレーキジャダを低減する上で望ましい。

前記面積比Ｓｂ／Ｓａの調整は、前記外周凹部の深さと、外周凹部の制動面側への開口形状と、外周凹部の周方向長さと、制動ディスクの制動面における貫通孔の配設位置と、該貫通孔の制動面側への開口形状と、該貫通孔の個数と、該貫通孔の開口面積の中から選択される１種又は２種以上を調整して、前記面積比Ｓｂ／Ｓａを前記範囲に設定できる。

前記制動ディスクの外周長を、前記外周凹部を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定することも好ましい実施の形態である。制動ディスクの外周長が長くなると、外周凹部の深さが深くなったり、外周凹部の個数が増えたりして、ブレーキジャダが発生し易くなるので、制動ディスクの外周長は、外周凹部を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定することが好ましい。

前記制動ディスクの周方向の設定角度θ毎における、制動ディスクと、制動ディスクに圧接されるブレーキパッドとの接触面積の最大変化率Ｓｖａと最小変化率Ｓｖｂとの差を接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）とし、この接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定することも好ましい実施の形態である。接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）が大きくなると、外周凹部の深さが深くなったり、外周凹部が矩形に近くなったりして、ブレーキジャダが発生し易くなるので、変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）は１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定することが好ましい。

前記制動ディスクの周方向の設定角度θ毎における、ブレーキパッドに対する制動ディスクの接触部位の重心位置と、制動ディスクの中心間の距離ｃｏｇ（θ）の最大値Ｇａと最小値Ｇｂの差を重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）とし、この重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）を前記制動ディスクの半径の０．４％以下に設定することも好ましい実施の形態である。重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）が大きくなると、ブレーキトルクの変動が大きくなって、ブレーキジャダが発生し易くなるので、重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）は、制動ディスクの半径の０．４％以下に設定することが好ましい。

本発明に係る外周波型ブレーキディスクによれば、外周凹部の深さを既存の外周波型ブレーキディスクよりも浅く設定するという簡単な構成により、ブレーキジャダを効果的に防止することができる。しかも、ブレーキディスクの設計段階から、ブレーキジャダを防止し得るブレーキディスクを設計できるので、ブレーキディスクの生産性を格段に向上できる。また、外周凹部の個数と、車輪への取付孔の個数と、フローティングピンの個数とを互いに素の関係に設定したり、制動ディスクと、制動ディスクに圧接されるブレーキパッドとの接触面積の最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．８６以上に設定したり、制動ディスクの外周長を、前記外周凹部を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定したり、制動ディスクとブレーキパッドとの接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定したり、ブレーキパッドに対する制動ディスクの接触部位の重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）を、制動ディスクの半径の０．４％以下に設定したりする、などの構成を任意に組み合わせると、相乗効果により、ブレーキジャダの発生を一層効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
先ず、ブレーキディスク１の基本構成について説明する。図１、図２に示すブレーキディスク１は、フローティングブレーキディスクで、ブレーキキャリパのブレーキパッド２に対面する外周側の制動ディスク３と、車輪に固定される中央部側のハブディスク４と、両ディスク３、４を連結する連結ピン５とを備え、連結ピン５を用いて両ディスクをフローティング支持したものである。

制動ディスク３は、耐熱性及び耐摩耗性に優れたステンレス鋼板や炭素鋼板で構成され、制動ディスク３の表裏面における耐磨耗性を向上するために高周波焼入れ等の熱処理が施されている。制動ディスク３の半径方向の途中部には、制動性能の向上や安定化、冷却性能やウォーターリカバリー性の向上、重量軽減などを目的として、複数の貫通孔６が所定の配列で形成されている。制動ディスク３の外周には、重量軽減、泥はけ特性の向上、放熱性能の向上、意匠性の向上などを目的として、周方向に間隔をあけて複数の外周凹部７と外周凸部８とが交互に形成され、外周凹部７と外周凸部８とで波型形状に形成されている。制動ディスク３の内周には複数の連結部９が周方向に間隔をあけて内側へ向けて突出状に形成され、各連結部９には内側へ向けて開口する半円形状の外側連結凹部１０が形成されている。制動ディスク３の寸法は、外径Ｄ１が３００ｍｍ、連結部９を除く内径Ｄ２が２２８ｍｍ、厚さが６ｍｍに設定されている。

制動ディスク３の両側には図示外のブレーキ装置のブレーキパッド２がそれぞれ配置され、両ブレーキパッド２間に制動ディスク３を挟持することで、ブレーキディスク１に対して制動力を作用させるように構成されている。ブレーキパッド２の外周縁は制動ディスク３の外周縁に沿って配置され、ブレーキパッド２の内周縁は、制動ディスク３の内周縁よりもやや外側に配置され、ブレーキパッド２の全面が制動ディスク３の制動面上を摺動するように構成されている。

ハブディスク４は、軽量化を主目的として熱膨張率が比較的大きいアルミニウム合金で構成されている。ハブディスク４の中央部には車軸が挿通する開口部１１が形成され、開口部１１付近には図示外の車輪への固定用の複数の取付孔１２が周方向に一定間隔おきに形成され、ハブディスク４の半径方向の途中部には複数の軽減孔１３が形成されている。ハブディスク４の外周部には制動ディスク３の外側連結凹部１０に対応させて外側へ向けて開口する半円形状の内側連結凹部１４が形成されている。

連結ピン５は、耐摩耗性に優れたステンレス鋼や炭素鋼からなる中空の筒部材で構成され、連結ピン５の一端部には環状のフランジ部１５が形成されている。そして、制動ディスク３とハブディスク４とは、外側連結凹部１０と内側連結凹部１４とを組み合わせて形成される連結孔１６に連結ピン５を挿入し、皿バネ１７及び座金１８を連結ピン５に外嵌させ、連結ピン５の他端部をかしめることで、フローティング状態に連結されている。

本発明の第１の特徴的な構成は、前述のような基本構成のブレーキディスク１において、制動ディスク３の外周円Ｃからの外周凹部７の深さを既存の波型制動ディスクより浅く設定した点にあり、具体的には、外周凹部７の深さｄを７ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以上、６ｍｍ以下に設定した点にある。

外周凹部７の深さｄは、７ｍｍを超える場合には、制動時におけるブレーキトルクの変動が大きくなり、ブレーキジャダが発生し易くなるので、７ｍｍ以下、より好ましくは６ｍｍ以下に設定することが望ましい。また、外周凹部７の目的としての、重量軽減、泥はけ特性の向上、放熱性能の向上、意匠性の向上などを図るため、外周凹部７の深さｄは２ｍｍ以上に設定することが好ましい。

本発明の第２の特徴的な構成は、外周凹部７の個数と、車体への取付孔１２の個数と、連結ピン５の個数とが互いに素になるように設定した点にある。

外周凹部７の個数と、車体への取付孔１２の個数と、連結ピン５の個数とは、互いに素になるように設定されていれば、任意の個数に設定することができるが、外周凹部７の個数は、３個未満の場合には、十分な重量軽減ができず、２３個を超える場合には、ブレーキジャダが発生し易くなるので、３〜２３個に設定することになる。また、取付孔１２の個数の個数は、車輪への取付強度を考慮して３〜７個に設定でき、連結ピン５の個数は、制動ディスク３とハブディスク４との連結強度を十分に確保できるように５〜１２個に設定できる。

本発明の第３の特徴的な構成は、制動ディスク３と、制動ディスク３に圧接されるブレーキパッド２との接触面積の最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを、０．８６以上、好ましくは最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．９０以上、１．０以下に設定した点にある。

本発明の第４の特徴的な構成は、制動ディスク３の外周長を、外周凹部７を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定した点にある。

本発明の第５の特徴的な構成は、制動ディスク３の周方向の設定角度θ毎における、制動ディスク３と、制動ディスク３に圧接されるブレーキパッド２との接触面積の最大変化率Ｓｖａと最小変化率Ｓｖｂとの差を接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）とし、この接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定した点にある。

本発明の第６の特徴的な構成は、制動ディスク３の周方向の設定角度θ毎における、ブレーキパッド２に対する制動ディスク３の接触部位の重心位置と、制動ディスク３の中心間の距離ｃｏｇ（θ）の最大値Ｇａと最小値Ｇｂの差を重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）とし、この重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）を制動ディスク３の半径の０．４％以下に設定した点にある。

面積比Ｓｂ／Ｓａ、制動ディスク３の外周長の比率、接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）、制動ディスク３の半径に対する重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）の比率は、外周凹部７の深さと、外周凹部７の制動面側への開口形状と、外周凹部７の周方向長さと、制動ディスク３の制動面における貫通孔６の配設位置と、該貫通孔６の制動面側への開口形状と、該貫通孔６の個数と、該貫通孔６の開口面積の中から選択される１種又は２種以上を調整することによって、前記範囲に設定できる。例えば、図３（ａ）〜（ｉ）に示す制動ディスク３０ａ〜３０ｉのように、貫通孔６の形状や寸法に応じて、外周凹部７の底面に各種形状の凹部や凸部を形成した外周凹部７ａ〜７ｉを形成し、面積比Ｓｂ／Ｓａを０．８６以上、好ましくは０．９０以上、１．０以下に設定したり、制動ディスク３の外周長を、外周凹部７を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定したり、接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定したり、重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）を制動ディスク３の半径の０．４％以下に設定したりすることもできる。

これら６つの特徴的な構成は、ブレーキディスク１に対して、それぞれ独立に備えさせることも可能であるし、任意に組み合わせて備えさせることもできる。任意に組み合わせた場合には、相乗的なブレーキジャダの低減効果が期待できる。

次に、ブレーキジャダ低減可能なブレーキディスクの構成を見出すために行った制動試験について説明する。

ブレーキジャダ現象は、ブレーキトルクの変動や液圧の変動として計測できるので、次のような試験用ブレーキディスク１を製作し、制動試験を行ってブレーキトルクを測定した。

（第１試験ディスク）
外周凹部の個数（波数）がブレーキトルクの変動に及ぼす影響を明らかにするため、外周凹部の個数を変更した複数種類の第１試験ディスクを製作した。図４、図５に示すように、この第１試験ディスクは、図１に示すブレーキディスク１の制動ディスク３における外周凹部７と貫通孔６の構成を部分的に変更したもので、その他の構成に関してはブレーキディスク１と同様に構成したものである。より具体的には、制動ディスクとして、ブレーキディスク用マルテンサイトステンレス鋼（ＳＵＳ４１０ＤＢ）からなり、外径Ｄ１が３００ｍｍ、板厚が５ｍｍで、貫通孔６に代えて、連結ピン５に対応する位置において回転対称にそれぞれ５個、計４０個の丸孔からなる直径７ｍｍの貫通孔６Ａを形成し、外周凹部７に代えて、半径Ｒが１５ｍｍの円弧状で、ブレーキディスク１の中心Ｐから円弧の中心Ｐ１までの長さＬが１５４ｍｍの外周凹部７Ａを、外周部に円周方向に等間隔に１３個、１５個、１６個、１７個、１９個形成した５種類の制動ディスク３Ａ〜３Ｅを製作した。また、外周凹部７Ａの有無による影響を明らかにするため、外周凹部７Ａを形成していない制動ディスク３Ｆを製作した。そして、これら６種類の制動ディスク３Ａ〜３Ｆを、５個の取付孔１２を形成したハブディスク４に、８個の連結ピン５でフローティング状態にそれぞれ連結して、５種類の第１試験ディスク１Ａ〜１Ｆを製作した。尚、図４は、外周部に１９個の外周凹部７Ａを円周等間隔に設けた制動ディスク３Ｅを組み付けた第１試験ディスク１Ｅを示すものである。他の第１試験ディスク１Ａ〜１Ｄ、１Ｆについては、外周凹部７Ａの配設ピッチのみを変更したり外周凹部７Ａを省略した制動ディスク３Ａ〜３Ｄ、１Ｆを組み付けただけのものであるので、その詳細な図面は省略した。

（第２試験ディスク）
外周凹部の深さがブレーキトルクの変動に及ぼす影響を明らかにするため、外周凹部７の深さを変更した複数種類の第２試験ディスクを製作した。具体的には、図１、図６に示すように、制動ディスク３として、ブレーキディスク用マルテンサイトステンレス鋼（ＳＵＳ４１０ＤＢ）からなり、外径が３００ｍｍ、板厚が５ｍｍ、各連結ピン５に対応させて回転対称に外周側へ向けて広がる略ハ字状の細長い２個の貫通孔６をそれぞれ形成した。そして、外周凹部７として、制動ディスク３の半径１６０．６ｍｍの位置から半径１８．６ｍｍと半径２１．６ｍｍで、外周円からの深さが８ｍｍ、１１ｍｍの外周凹部（以下、深さ１１ｍｍの外周凹部と称する。）７Ｊを、周方向に等間隔おきに交互に８個ずつ、計１６個形成した制動ディスク３Ｊと、外周凹部７Ｊの底部を残して、外周円からの深さｄが５ｍｍ、７ｍｍの外周凹部（以下、深さ７ｍｍの外周凹部と称する。）７Ｋを周方向に等間隔おきに１６個形成した制動ディスク３Ｋと、外周凹部７Ｊの底部を残して、外周円からの深さが２ｍｍ、３ｍｍの外周凹部（以下、深さ３ｍｍの外周凹部と称する。）７Ｌを周方向に等間隔おきに１６個形成した制動ディスク３Ｌと、外周凹部７の深さ０ｍｍ、即ち外周凹部７を形成していない制動ディスク３Ｍを製作した。そして、これら４種類の制動ディスク３Ｊ〜３Ｍを、５個の取付孔１２を形成したハブディスク４に、８個の連結ピン５でフローティング状態にそれぞれ連結して、４種類の第２試験ディスク１Ｊ〜１Ｍを製作した。尚、図１は、外周凹部７の深さを７ｍｍに設定して制動ディスク３Ｋを組み付けた第２試験ディスク１Ｋを示すものである。他の第２試験ディスク１Ｊ、１Ｌ、１Ｍについては、外周凹部７の深さのみを変更した制動ディスク３Ｊ、３Ｌ、３Ｍを組み付けただけのものであるので、その詳細な図面は省略した。

（制動試験機）
試験機としては、図７に示すような台上試験機２０を用いた。この台上試験機２０は、ベルト２１及びカップラ２２を介してブレーキディスク１を回転駆動する交流モータ２３と、交流モータ２３の回転数を制御する図示外のインバータと、試験ディスク１に対して制動力を付与するためのスーパースポーツ用対向４ポットラジアルマウントキャリパ２４と、キャリパ２４へのブレーキ液圧を制御するエアハイドロブースター２５と、キャリパ２４と同軸で取り付けたアーム２６を介して制動時に発生するブレーキトルクを測定するロードセル２７と、交流モータ２３とエアハイドロブースター２５を制御する制御手段２８とを備えている。そして、インバータにより交流モータ２３を制御して試験ディスク１の回転数を制御するとともに、エアハイドロブースター２５によりキャリパ２４へのブレーキ液圧を制御して、キャリパ２４の１対の焼結パッドからなるブレーキパッド２で試験ディスク１を挟持しながら、そのときのブレーキトルクをロードセル２７により測定できるように構成した。

（制動試験条件）
本試験では、所定の車両速度相当の回転数を試験ディスク１に与えた後、所定のブレーキ液圧を与えながら引き摺り制動を行うことによって、定常的にブレーキトルクを測定することとした。車両速度は、２０ｋｍ／ｈ、ブレーキ液圧は、１．０ＭＰａに設定した。６秒間の引き摺り制動を行った後、試験ディスク１を６０秒間空転することによって制動部分を冷却し、熱間での試験ディスク１の変形が生じないように、常にディスク温度が１２０℃以下となるように冷却条件を設定した。

前記制動試験条件で、外周凹部７Ａの個数（波数）を変更した第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅに対して制動試験を行った。そして、ブレーキトルクの測定結果について、ＦＦＴ解析を行い、回転次数比分析を行った。その結果を図８〜図１１に示す。尚、図８、図９に示すグラフは、１００回以上の制動試験を行った後の第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅと、１００回以上の制動試験を行った後のブレーキパッド２を用いた場合のグラフである。また、図１０、図１１に示すグラフは、１００回以上の制動試験を行った後の第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅと、新品のブレーキパッド２を用いた場合のグラフである。また、図８は図９（ａ）〜（ｅ）のグラフを纏めて描いたグラフであり、図１０は図１１（ａ）〜（ｅ）のグラフを纏めて描いたグラフである。

図８〜図１１から、ブレーキトルクは、第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅのそれぞれの波数に相当する次数にピークを示した。尚、１次にピークが発生する原因は、板厚及びひずみによるもので、外周凹部を形成していないブレーキディスクと外周凹部を形成したブレーキディスクの板厚のバラツキとひずみ精度を三次元測定機を用いて測定し、板厚及びひずみの様相について回転次数比例分析を行ったところ、１次にのみピークを有していたことから、図８〜図１１において、１次にピークが発生した原因は、板厚及びひずみによるものと推定できる。

第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅとブレーキパッド２の摺り合わせが十分になされている場合には、図８、図９に示すように、外周凹部７Ａの個数が増加するにしたがって、外周凹部７Ａの個数に相当する次数のブレーキトルクが増大する傾向を示した。

また、第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅとブレーキパッド２の摺り合わせが十分になされていない場合には、図１０、図１１に示すように、外周凹部７Ａの個数が１５個及び１６個のブレーキディスク１Ｂ、１Ｃが高くなり、外周凹部７Ａの個数が１３個、１７個、１９個のブレーキディスク１Ａ、１Ｄ、１Ｅの場合に低くなった。第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅでは、外周凹部７Ａの個数だけでなく、取付孔１２や連結ピン５の個数による振動の重ね合わせが発生していると考えられ、この第１試験ディスク１Ａ〜１Ｅでは、取付孔１２の個数が５個で、連結ピン５の個数が８個であることから、外周凹部７Ａの個数と、取付孔１２の個数と、連結ピン５の個数とが互いに素でない場合、即ち公約数を持つ場合に、外周凹部７Ａの個数に相当する次数のブレーキトルクが大きくなり、互いに素の場合に外周凹部７Ａの個数に相当する次数のブレーキトルクが小さくなっているものと推定できる。

このことから、外周凹部の個数を少なくすることで、ブレーキジャダの発生を抑制でき、またブレーキディスクとブレーキパッドの摺り合わせが十分になされるまでの期間においては、外周凹部の個数と、取付孔の個数と、連結ピンの個数とを互いに素に設定することでブレーキジャダを軽減できることが分かる。このため、外周凹部の個数は、３個未満の場合には、十分な重量軽減ができず、２３個を超える場合には、ブレーキジャダが発生し易くなるので、３〜２３個に設定することが好ましい。

次に、前記制動試験条件で、外周凹部７の深さを変更した第２試験ディスク１Ｊ〜１Ｍに対して制動試験を行った。そして、ブレーキトルクの測定結果について、ＦＦＴ解析を行い、回転次数比分析を行った。その結果を図１２、図１３に示す。図１２は図１３（ａ）〜（ｄ）のグラフを纏めて描いたグラフである。

図１２、図１３から、外周凹部７の個数に対応する１６次のブレーキトルクは、外周凹部７の深さが１１ｍｍ、７ｍｍ、３ｍｍと浅くなるにしたがって小さくなっているが、深さ０ｍｍの場合、即ち外周凹部７を形成しない場合には、深さを７ｍｍに設定した場合と同程度のブレーキトルクとなった。このことから、外周凹部７の深さは７ｍｍ以下に設定することが好ましく、２ｍｍ以上、６ｍｍ以下に設定することが特に望ましいことが分かる。尚、外周凹部７の深さが０ｍｍの場合に、ブレーキトルクが大きくなる原因として、１６次のブレーキトルクが、外周凹部７の個数だけではなく、貫通孔６（個数：１６個）の影響を受けているものと推定できる。

以上のことから、外周波型ブレーキディスクにおけるブレーキジャダ発生のメカニズムは、次のように推測できる。即ちブレーキパッドが外周凹部に差し掛かった時、ブレーキパッドの外周部は制動ディスクに支持されず、摩擦材の圧縮弾性変形が部分的に開放されることによって摩擦材が外周凹部に落ち込む。そして、更にブレーキディスクが回転して、ブレーキパッドが外周凸部を通過した時は、ブレーキパッドが外周凸部に乗り上がるため、ブレーキパッドの落ち込んでいた部分が、再度、圧縮弾性変形を起こし、その抵抗力がブレーキパッドを押し返す。このようなブレーキパッドの圧縮弾性変形の開放と再変形（ブレーキパッドの落ち込みと乗り上げ）を繰り返すことによって、ブレーキトルクの変動が発生したものと推測される。外周凹部の深さを変更した第２試験ディスク１Ｊ〜１Ｍを用いた制動試験において、外周凹部７の深さが浅くなるほど１６次のブレーキトルクが小さくなったことも同様のメカニズムで説明できる。即ち、外周凹部７の深さが浅いと、外周凹部７の面積が小さくなり、外周凹部７に差し掛かった際におけるブレーキパッド２の落ち込む量が小さくなる。そのため、外周凸部８に乗り上げた際にブレーキパッド２が受ける抵抗力が小さくなり、ブレーキトルクの変動が小さくなったと考えられる。

次に、制動ディスク３とブレーキパッド２との接触面積がブレーキトルクの変動に及ぼす影響を調べるため、ブレーキパッド２に対する制動ディスク３Ａ〜３Ｅ、３Ｊ〜３Ｍとの接触面積を円周３度毎に３Ｄ−ＣＡＤを用いて求めた。その結果を図１４、図１５に示す。

図１４から、外周凹部の個数（波数）が増えるにしたがって、接触面積の最大値と最小値の最大変動幅が大きくなり、ブレーキジャダが発生し易くなっていることが推測できる。また、図１５から、外周凹部７の深さに関しては、深さが０ｍｍの場合でも、接触面積の最大変動幅が大きくなって、ブレーキトルクの変動が大きくなったものと考えられる。図１６は、接触面積の最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａとブレーキトルクの変動幅の関係を示すもので、面積比Ｓｂ／Ｓａは０．８６以上、より好ましくは、０．９０以上、１．０以下に設定することが望ましいことが分かる。

次に、制動ディスク３の外周長がブレーキトルクの変動に及ぼす影響を調べるため、外周凹部７を有さない同径の制動ディスク３Ｆの外周長を基準とした場合における、制動ディスク３Ａ〜３Ｅの外周長の比率をそれぞれ求めた。その結果を図１７に示す。

図１７から、外周長の比率が大きくなるにしたがって、外周凹部７の個数（波数）が増えるとともに、ブレーキトルクの変動幅が大きくなって、ブレーキジャダが発生し易くなることが分る。また、ブレーキトルクの変動幅を３（Ｎｍ）以下に抑えて、ブレーキジャダの発生を抑制するには、外周長の比率を１１０％以下に設定する必要があることが分る。

次に、制動ディスクの周方向の設定角度θ毎における、制動ディスク３とブレーキパッド２との接触面積Ｓの変化率ｄＳ／ｄθが、ブレーキトルクの変動に及ぼす影響を調べるため、制動ディスク３Ａ〜３Ｅについて、制動ディスクの周方向の設定角度θ=０．５°毎における、接触面積Ｓの変化率ｄＳ／ｄθを下記数式（１）で求め、その最大変化率Ｓｖａと最小変化率Ｓｖｂの差を、接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）としてそれぞれ求めた。その結果を図１８に示す。

図１８から、接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）が増えるにしたがって、外周凹部７の個数（波数）が増えるとともに、ブレーキトルクの変動幅が大きくなって、ブレーキジャダが発生し易くなることが分る。また、ブレーキトルクの変動幅を３（Ｎｍ）以下に抑えて、ブレーキジャダの発生を抑制するには、接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定する必要があることが分る。

次に、制動ディスク３の周方向の設定角度θ毎における、ブレーキパッド２に対する制動ディスク３の接触部位の重心位置の変動が、ブレーキトルクの変動に及ぼす影響を調べるため、制動ディスク３Ａ〜３Ｅについて、制動ディスク３の周方向の設定角度θ=０．５°毎における、接触部位の重心位置と制動ディスク３の中心間の距離ｃｏｇ（θ）を下記数式（２）で求め、その最大値Ｇａと最小値Ｇｂの差を、接触部位における重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）とし、制動ディスク３の半径に対する重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）の比率をそれぞれ求めた。その結果を図１９に示す。尚、接触部位の重心位置と制動ディスク３の中心間の距離ｃｏｇ（θ）は、パッド接触部分の一次モーメントを接触面積で除して求めた。

図１９から、接触部位における重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）の比率が増えるにしたがって、外周凹部７の個数（波数）が増えるとともに、ブレーキトルクの変動幅が大きくなって、ブレーキジャダが発生し易くなることが分る。また、ブレーキトルクの変動幅を３（Ｎｍ）以下に抑えて、ブレーキジャダの発生を抑制するには、重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）の比率を０．４％以下に設定する必要があることが分る。

（ａ）は外周凹部の深さを７ｍｍに設定した外周波型ブレーキディスクの正面図、（ｂ）は同外周波型ブレーキディスクの外周凹部付近の拡大図 図１のII-II線断面図 他の構成の制動ディスクの正面図 （ａ）は外周凹部の１９個に設定した外周波型ブレーキディスクの正面図、（ｂ）は同外周波型ブレーキディスクの外周凹部付近の拡大図 （ａ）〜（ｆ）は、外周凹部の個数を変更して制動試験を行った６つの制動ディスクの正面図 （ａ）〜（ｄ）は外周凹部の深さを変更して制動試験を行った４つの制動ディスクの正面図 台上試験機の概略構成図 一定期間使用したブレーキディスク及びブレーキパッドを用いた場合における、第１試験ディスクの回転次数とブレーキトルクの関係を纏めたグラフ 同第１試験ディスクのそれぞれの回転次数とブレーキトルクの関係を示すグラフ 一定期間使用したブレーキディスクと新しいブレーキパッドを用いた場合における、第１試験ディスクの回転次数とブレーキトルクの関係を纏めたグラフ 同第１試験ディスクのそれぞれの回転次数とブレーキトルクの関係を示すグラフ 第２試験ディスクの回転次数とブレーキトルクの関係を纏めたグラフ 同第２試験ディスクのそれぞれの回転次数とブレーキトルクの関係を示すグラフ 第１試験ディスクの制動ディスクとブレーキパッドの接触面積変化を円周３度毎に３Ｄ−ＣＡＤで解析したグラフ 第２試験ディスクの制動ディスクとブレーキパッドの接触面積変化を円周３度毎に３Ｄ−ＣＡＤで解析したグラフ 第１及び第２試験ディスクの接触面積の最大値と最小値の面積比とブレーキトルクの変動幅の関係を示す説明図 第１試験ディスクの外周長の割合とブレーキトルクの変動幅の関係を示す説明図 第１試験ディスクのブレーキパッドとの接触面積の変化率最大幅とブレーキトルクの変動幅の関係を示す説明図 第１試験ディスクのブレーキパッドとの接触部位における重心位置の最大変動幅の制動ディスクの半径に対する比率とブレーキトルクの変動幅の関係を示す説明図

符号の説明

１ ブレーキディスク ２ ブレーキパッド
３ 制動ディスク ４ ハブディスク
５ 連結ピン ６ 貫通孔
７ 外周凹部 ８ 外周凸部
９ 連結部 １０ 外側連結凹部
１１ 開口部 １２ 取付孔
１３ 軽減孔 １４ 内側連結凹部
１５ フランジ部 １６ 連結孔
１７ 皿バネ １８ 座金
２０ 台上試験機 ２１ ベルト
２２ カップラ ２３ 交流モータ
２４ キャリパ ２５ エアハイドロブースター
２６ アーム ２７ ロードセル
２８ 制御手段
１Ａ〜１Ｆ 第１試験ディスク ３Ａ〜３Ｆ 制動ディスク
６Ａ 貫通孔 ７Ａ 外周凹部
８Ａ 外周凸部 ７Ｊ〜７Ｌ 外周凹部
１Ｊ〜１Ｍ 第２試験ディスク ３Ｊ〜３Ｍ 制動ディスク
３０ａ〜３０ｉ 制動ディスク ７ａ〜７ｉ 外周凹部

Claims (7)

1. 車輪に固定されるハブディスクと、ハブディスクの外側に同心状に配置される制動ディスクと、ハブディスクと制動ディスクをフローティング状態に連結する連結ピンとを備え、制動ディスクの外周に周方向に間隔をあけて複数の外周凹部を形成して外周部を波形状となした外周波型ブレーキディスクであって、
   前記制動ディスクの外周円からの外周凹部の深さを２ｍｍ以上、７ｍｍ以下に設定し、
   前記外周凹部の数と、車輪への取付孔の数と、連結ピンの数とが互いに素の関係であり、且つ、前記外周凹部の数を３〜２３、取付孔の数を３〜７、連結ピンの数を５〜１２に設定した、
   ことを特徴とする外周波型ブレーキディスク。
2. 前記制動ディスクと、制動ディスクに圧接されるブレーキパッドとの接触面積の最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．８６以上に設定した請求項１記載の外周波型ブレーキディスク。
3. 前記最大値Ｓａと最小値Ｓｂの面積比Ｓｂ／Ｓａを０．９０以上、１．０以下に設定した請求項２記載の外周波型ブレーキディスク。
4. 前記外周凹部の深さと、外周凹部の制動面側への開口形状と、外周凹部の周方向長さと、制動ディスクの制動面における貫通孔の配設位置と、該貫通孔の制動面側への開口形状と、該貫通孔の個数と、該貫通孔の開口面積の中から選択される１種又は２種以上を調整して、前記面積比Ｓｂ／Ｓａを前記範囲に設定した請求項２又は３記載の外周波型ブレーキディスク。
5. 前記制動ディスクの外周長を、前記外周凹部を有さない同径の制動ディスクの外周長の１１０％以下に設定した請求項１〜４のいずれか１項記載の外周波型ブレーキディスク。
6. 前記制動ディスクの周方向の設定角度θ毎における、制動ディスクと、制動ディスクに圧接されるブレーキパッドとの接触面積の最大変化率Ｓｖａと最小変化率Ｓｖｂとの差を接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）とし、この接触面積の変化率最大幅（Ｓｖａ−Ｓｖｂ）を１００（ｍｍ²／ｄｅｇ）以下に設定した請求項１〜５記載の外周波型ブレーキディスク。
7. 前記制動ディスクの周方向の設定角度θ毎における、ブレーキパッドに対する制動ディスクの接触部位の重心位置と、制動ディスクの中心間の距離ｃｏｇ（θ）の最大値Ｇａと最小値Ｇｂの差を重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）とし、この重心位置の最大変動幅（Ｇａ−Ｇｂ）を前記制動ディスクの半径の０．４％以下に設定した請求項１〜８のいずれか１項記載の外周波型ブレーキディスク。

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