JP5356035B2 - 液圧ブレーキ用ピストン及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形工程において金属製の出発材料（Ａusgangswerkstoff）から、特に平らな薄板金から製造され、長手方向軸線と壁部と底部とを有する片側が開口した鉢として構成され、さらにブレーキパッドに当接するように移動可能な軸方向当接面を有するエッジによって開口端面で画定される液圧ブレーキ用のピストンに関する。

国際公開第０１／０２７４５Ａ１号パンフレットは、この種類のピストンを開示している。ピストンは、有利には深絞り法で製作される冷間成形されたピストンである。上記のピストンは、鋳造ピストンと比較して、壁部が比較的薄く、また出発材料、壁部及び底部は同様に薄い壁厚を有する。加圧流体が底部に加えられたときに当該底部の変形を防止するために、当該底部はピストン外面に対し凸状の湾曲を有し、その結果、応力により圧縮歪みが底部に生じる。底部のこの安定した構造設計により、大きな隙間容積がピストンと関連のブレーキシリンダとの間に生じる。さらに、底部に対し作用する力は、ピストンの壁部に伝達され、底部と壁部との間の移行部領域に増加応力が生成される。応力を補償するために、材料はこの箇所で数回折り曲げられる。この点に関し、材料の折り曲げが構造に関して特に複雑であり、特に製造工具に関し高価であることが不利であることが判明している。

欧州特許第１４１４６１３Ｂ１号明細書は、次のステップ、すなわち、規定厚さの出発材料から円盤状の丸いブランク、特に一片の薄板金を打ち抜くステップと、プレスダイ及びスタンプによって鉢状の中空シリンダにブランクを形成するステップと、規定の壁厚を有する底部と、規定の壁厚を有する円筒状壁部とを形成するために、鉢状の中空シリンダを圧縮成形するステップとを含む液圧ブレーキ用のピストンを製造する方法を開示している。実施される成形工程の結果、ピストンの壁厚は、特に底部及び壁部の移行部において、出発材料と比較して大幅に低減される。十分なピストン壁厚、すなわち安定性及び剛性を達成するために、比較的厚い出発材料を選択することが必要であるが、これによって、より高い製造コストが生じる。

本発明の１つの目的は、改良された液圧特性を有しかつ応力が最適化された構造に基づくピストンを提供することであり、一方、他の目的は、応力が最適化された適切な構造特徴を提示できるピストンを有利に製造する方法を開示することである。

本発明によれば、上記目的は、底部が本質的に平らな外面を有し、底部の壁厚が壁部の最小壁厚よりも厚く、底部と壁部との間の１つの移行領域において、壁部の壁厚が底部に向かって連続的に増大し、それにより、壁部が傾斜して底部内に移行する請求項１の特徴部分に記載の特徴により達成される。平らな外面のため、隙間容積はブレーキシリンダ内に生じず、その結果、液圧作動の周期における流体量が低減され、これによって、作動周期の堅牢性及び動的特性が相当改善される。好ましい構造の特徴により、加圧時の変形に対し底部が保護され、また底部の引張応力及び曲げ応力のピストンの壁部内への圧縮歪みへの好ましい伝達が達成される。傾斜部は、底部の機械的応力を大きな断面にわたって壁部内に均一に分散させることができ、これによって、応力集中が回避されるという効果を有する。

本発明の有利な改良形態では、長手方向軸線に突出する傾斜部の長さは、底部の２倍の壁厚よりも小さい。この幾何学的な制限により、一方で、ピストン内の好ましい応力案内が達成されるので、壁部の不必要な材料肉厚によるピストン重量の過度の増加が防止される。

傾斜部と壁部との間の移行を応力に従って表すために、傾斜部は、１°よりも大きな角度αでピストンの長手方向軸線に対し傾斜している。

本発明の他の実施形態では、丸みをもった凹部が傾斜部と底部との間に設けられる。この措置は、応力に対応するようにピストンを構成するために役立つ。この場合、丸みをもった凹部が少なくとも部分的に底部の材料内の凹部として設計され、この結果、底部の壁厚がこの箇所で低減される場合、特に好ましい。特に、傾斜部と底部との間の移行部の底部の壁厚の低減により、表面の近くの引張応力が底部の構成要素の断面全体に分布され、これによって、傾斜部の歪みが緩和されることが達成される。

この効果は、丸みをもった凹部がある半径を有することと、この半径が底部の壁厚よりも小さいという事実によって高められる。

製造コストが低減されるが、この理由は、底部の壁厚が、成形工程の結果、出発材料の厚さの１．１倍を超えて増大するからである。これにより、小さな厚さの出発材料の使用が可能になる。さらに、出発材料は比較的軟質であることができるが、その理由は、底部が成形工程の結果、冷間硬化（wear-hardening）に供されると、そこで底部は出発材料の強度の１．３倍超になるからである。両方の特徴は、製造コスト及び工具コストの低下をもたらす。

ピストンの前部開口側面の変形と過負荷を防止するため、エッジの当接面は、本発明の他の実施形態の壁部の最も薄い箇所の断面積よりも大きい。

ピストンを製造するための方法は、次のステップ、すなわち、
−円盤状の丸いブランクを、長手方向軸線を有する鉢状の中空シリンダに形成するステップであって、中空シリンダの一方の端面が、凸状に湾曲した底部によって閉じられるステップと、
−凸状に湾曲した底部が平らにされかつ底部材料が据込み作業によって厚くされるように、１つ以上の成形ステップにおいて中空シリンダの長手方向軸線において前記中空シリンダを据込みし、その結果、製造された底部の壁厚が出発材料に対し１．１倍を超えて増大するステップとを含む。

この方法を使用した場合、中空シリンダ全体を実質的に含めることなく、底部を据込みすることによって底部の壁厚が増大されることが有利に達成される。底部、及び底部から壁部への移行領域は、成形作業の結果として冷間硬化に供される。これによって、出発材料の厚さを低減することができ、その結果原材料の浪費が低減され、したがって、製造コストが低下する。

この方法は、１つ以上のしごき加工成形ステップにより、据込み底部のフリンジ領域が壁部内に移行し、その結果壁部が移行領域で厚くされる場合、特に好ましい。

本発明のさらなる詳細は、説明により図面から理解することができる。

図１は、本発明のピストン１の長手方向断面図を示している。長手方向軸線２を中心に対称的に回転するように設計されるこのピストン１は、壁部３と底部４とを有する片側が開口した鉢として構成され、鉢は、開口端面で、ブレーキパッド（図示せず）に当接するように移動可能な軸方向当接面Ａを有するエッジによって画定される。エッジ５は、壁部３に一体成形され、当接面Ａは壁部３の最も弱い箇所における断面積Ｑよりも大きい。さらに、周方向溝６が、エッジ５の近くのピストン１の外面８内にローラ成形され、溝は、その装着状態でリングシール（図示せず）を収容するために使用される。ローラ成形された溝の輪郭は、壁部３の断面全体を通して継続し、このように、ピストン１の内面９に肩部７を生成する。この肩部７において、図示していないブレーキパッドの背板のパッド保持ばねが適所に固定され、これによって、ブレーキパッドがピストン１に固定される。最小隙間容積が底部４の平らな外面２０に刻印され、その結果、液圧システムの通気が改善される。

壁部３が底部４内に移行する箇所において、図２に拡大図で示した移行領域１０が設けられる。壁部３の材料肉厚部１１が、移行領域１０のピストン１の内面９に設けられる。肉厚部１１は、この箇所で、壁部３の壁厚Ｓ_ｕｅが底部に向かって連続的に増大し、したがって、傾斜部１２を有する壁部３が底部４内に移行するように設計される。ピストン１の長手方向軸線２に対する傾斜１２は、１°よりも大きな角度αをとる。これから生成される材料肉厚１１及び傾斜部１２は、移行領域１０における応力変化を最適化するために役立つので、不必要な材料使用の結果としてのピストン１の重量の増加を防止するために、傾斜部２の大きさを移行部領域１０に制限することが適切である。

したがって、長手方向軸線２に突出する傾斜部の長さＬは、底部４の壁厚Ｓ_ｂの２倍よりも小さく、底部４の壁厚Ｓ_ｂの寸法であることが最適である。さらに、底部４の材料内の凹部１４として部分的に設計される丸みをもった凹部１３が、傾斜部１２と底部４との間に設けられる。ピストン底部内へのこの刻印は、結果として、壁厚Ｓ_ｂと対照的に低減される底部４のこの箇所で、壁厚Ｓ_ｒが支配することをもたらす。詳しくは、丸みをもった凹部１３が半径Ｒを有し、この半径Ｒは底部４の壁厚Ｓ_ｂよりも小さい。しかし、凹部なしにかつ可変の半径により、傾斜部から底部内への移行部を設計することも実行可能である。

成形工程の結果、底部の壁厚は、有利には出発材料の厚さｓ_０の約１．１〜１．６倍増加し、底部は、出発材料に対しほぼ１．３倍強度を増す。成形工程に応じて、底部はまた、成形工程の後に、より大きな強度、特に出発材料の１．３〜２．５倍を示すことができる。

この種類のピストン１は、液圧ブレーキシステムに使用され、またピストンは、ブレーキキャリパの孔に軸方向に変位可能に装着され、一方、液圧流体は孔内のピストン底部に印加することができる。ブレーキがかけられると、ピストンは加圧のため変位して、ブレーキパッドをブレーキディスクに向かってシフトさせる。これにより、ブレーキディスクとブレーキパッドとの間に垂直力、ならびに摩擦力が発生される。

当該ピストンの製造は、成形工程、特に冷間成形作業によって実行される。成形工程全体の最も重要なステップが図３ａ〜図３ｆに示されている。円盤状のブランク１６は、有利には薄板金及び大部分転造されたストリップである出発材料から打ち抜かれる。ブランク１６の厚さＳ_０は、出発材料の厚さに等しい（図３ａ）。

１つ以上の深絞り作業で、外径Ｄ１を有する鉢状の中空シリンダ１５は、円盤状のブランク１６から形成され、シリンダは、端面で、凸状に湾曲した半球形底部４’によって閉じられる。この構成では、中空シリンダ１５の壁厚Ｓ_ｗは、ブランク１６の厚さＳ_０に略等しく、外径Ｄ_１は製造されたピストン１の外径Ｄ_２よりも大きい（図３ｂ）。

図３ｃ、図３ｄと図３ｅは、概略的に、凸状に湾曲した半球状の底部４’の成形工程及び肉厚化作業が行われる方法を示している。これは、底部４’それ自体を据込みすることによって達成される。材料は、底部領域でこのように蓄積される。壁厚Ｓ_ｂ’を有する底部４’は平坦にされるが、なお平らではない。外径Ｄ_１は、しごき加工作業の結果Ｄ’_２に減少する。これにより、未加工の底部４’の半径方向のフリンジ領域１８は、壁部内に移行して、材料肉厚部１１を生成する。さらに較正及びしごき加工成形ステップで、ピストン１は、外径Ｄ_２、壁部３の壁厚Ｓ_ｗ及び平坦な底部４の壁厚Ｓ_ｂを有するその最終平面形状を得る。さらに、適切な追加の成形ステップにより、Ｓ_ｗの壁厚を低減し、これによって、壁部をピストンの要件に適合させることが可能である。

本発明のピストンの断面図である。 図１のピストンの拡大断面図である。 成形工程全体の最も重要なステップａ）の図面である。 成形工程全体の最も重要なステップｂ）の図面である。 成形工程全体の最も重要なステップｃ）の図面である。 成形工程全体の最も重要なステップｄ）の図面である。 成形工程全体の最も重要なステップｅ）の図面である。 成形工程全体の最も重要なステップｆ）の図面である。

符号の説明

１ ピストン
２ 長手方向軸線
３ 壁部
４ 底部
４’ 底部
４” 底部
５ エッジ
６ 溝
７ 肩部
８ 外面
９ 内面
１０ 移行領域
１１ 材料肉厚部
１２ 傾斜部
１３ 丸みをもった凹部
１４ 凹部
１５ 中空シリンダ
１６ ブランク
１７ 外面
１８ 半径方向フリンジ領域
１９ 隙間容積
２０ 外面
Ａ 当接面
Ｌ 傾斜１２の突出長さ
Ｑ 断面積
Ｄ_１ 未加工のピストンの外径
Ｄ’_２ 未加工のピストンの外径
Ｄ_２ ピストンの外径
Ｒ 傾斜部と底部との間の移行部の半径
Ｓ_０ 出発材料の厚さ
Ｓ_ｗ 壁部の壁厚
Ｓ_ｂ 底部の壁厚
Ｓ’_ｂ 未加工の底部の壁厚
Ｓ_ｒ 底部の低減壁厚
Ｓ_ｕｅ 移行領域の壁部の壁厚
α 角度

Claims (9)

1. −成形工程において金属製の出発材料から、平らな薄板金から製造され、
   −長手方向軸線と壁部と底部とを有する片側が開口した鉢として構成され、
   −ブレーキパッドに当接するように移動可能な軸方向当接面を有するエッジによって開口端面で画定される、
   液圧ブレーキ用のピストンであって、
   −底部（４）が本質的に平らな外面（２０）を有し、
   −前記底部（４）の壁厚（Ｓ_ｂ）が、前記壁部（３）の最小壁厚（Ｓ_ｗ）よりも厚く、
   −前記底部（４）と前記壁部（３）との間の移行領域（１０）で、前記壁部（３）の壁厚（Ｓ_ｕｅ）が前記底部（４）に向かって連続的に増大し、この結果、傾斜部（１２）を有する前記壁部（３）が前記底部（４）内に移行し、丸みをもった凹部（１３）が前記傾斜部（１２）と前記底部（４）との間に設けられるとともに、前記傾斜部（１２）が、１°よりも大きな角度（α）で前記ピストン（１）の長手方向軸線（２）に対し傾斜していることを特徴とする液圧ブレーキ用のピストン。
2. 前記長手方向軸線（２）に突出する前記傾斜部（１２）の長さ（Ｌ）が、前記底部（４）の２倍の壁厚（Ｓ_ｗ）よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
3. 前記丸みをもった凹部（１３）が、前記底部（４）の材料の凹部（１４）として部分的に設計され、この結果、前記底部（４）の壁厚（Ｓ_ｂ）がこの箇所で低減されることを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
4. 前記丸みをもった凹部（１３）が半径Ｒを有することと、この半径Ｒが前記底部（４）の壁厚（Ｓ_ｂ）よりも小さいことを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
5. 前記底部（４）の壁厚（Ｓ_ｂ）が、成形工程の結果、前記出発材料（１６）の厚さ（Ｓ_０）の１．１倍を超えて増大することを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
6. 前記底部（４）が、成形工程の結果、冷間硬化に供され、前記出発材料（１６）の強度の１．３倍超になることを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
7. 前記当接面（Ａ）が、前記壁部（３）の最も薄い箇所における断面積（Ｑ）よりも大きいことを特徴とする、請求項１記載の液圧ブレーキ用のピストン。
8. 特に請求項１から７までのいずれか１項記載の液圧ブレーキ用のピストンを製造するための方法であって、
   次のステップ、すなわち、
   −円盤状の丸いブランク（１６）を、長手方向軸線（２）を有する鉢状の中空シリンダ（１５）に形成するステップであって、前記中空シリンダ（１５）の一方の端面が、凸状に湾曲した底部（４’）によって閉じられるステップと、
   −前記凸状に湾曲した底部（４’、４”）が平らにされかつ前記底部材料が据込み作業によって厚くされるように、１つ以上の成形ステップにおいて前記中空シリンダ（１５）を、その長手方向軸線（２）において据込みし、その結果、製造された底部（４）の壁厚（Ｓ_ｂ）が、出発材料（１６）に対し１．１倍を超えて増大するステップと、
   を特徴とする方法。
9. １つ以上の成形ステップにより、前記据込み底部（４’）の半径方向のフリンジ領域（１８）が前記壁部（３）内に移行し、これによって、前記壁部（３）が移行領域（１０）で厚くされることを特徴とする、請求項８記載の方法。

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