JP5861687B2 - ブレーキディスクロータおよびディスクブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディスクブレーキ装置に設けられるブレーキディスクロータに関する。

従来から、ブレーキパッドの摩擦材が摺動する摺動面に、溝が形成されたブレーキディスクロータが知られている。ブレーキパッドの摩擦材は、ブレーキディスクロータとの間の摺動摩擦によって高温となる。このため、摩擦材の表面が変質するとともに、摩擦材に含まれている樹脂成分の一部が気化する。ブレーキディスクの摺動面に形成された溝は、この摩擦材の変質した部分を削り取って摩擦材の表面をリフレッシュさせるために設けられている。

このような溝を形成したブレーキディスクロータにおいては、溝の形状がブレーキパッドの摩擦材の摩耗の進行度合に影響を与える。このため、摩擦材の摩耗を均等にする溝形状が検討されている。例えば、特許文献１には、溝を曲線状に形成したブレーキディスクロータが提案されている。このブレーキディスクロータは、溝上の一点の接線が回転中心から当該溝上の一点に向かって引いた直線と成す角度の余弦と、当該溝上の一点と回転中心との距離の二乗との積が当該溝上のどの点でも一定になるように当該溝を形成した構成を採用している。

特開２０１３−４４３４２号公報

しかしながら、特許文献１に提案されたブレーキディスクロータにおいても、ブレーキパッドの摩擦材の摩耗が不均一となる、つまり、摩擦材の偏摩耗を生じる可能性がある。以下、この理由について説明する。

摩擦材の摩耗は、摩擦材に対する溝の進入角度と相関関係を有し、摩擦材のどの部分においても溝の進入角度が等しければ、摩擦材を全体にわたって均等に摩耗させることができる。一例として、図１０に示すように、径方向に対して傾斜した直線状の溝Ｓを有するブレーキディスクロータＤについて、摩擦材Ｆの任意の点Ｐ１と点Ｐ２とにおける摩耗の進行度合について考えてみる。ここで、ロータ回転中心Ｏから摩擦材Ｆの任意の点に向かって伸ばした半直線Ｌ０と、溝Ｓとの成す角度（鋭角側）を摩擦材Ｆに対する溝Ｓの平面進入角度と定義する。このように平面進入角度を定義した場合、平面進入角度が小さいほど、摩擦材Ｆの摩耗が促進される。図１０の例では、径方向外側の点Ｐ１における溝Ｓの平面進入角度α１は、径方向内側の点Ｐ２における溝Ｓの平面進入角度α２よりも小さくなる。従って、摩擦材Ｆは、径方向内側に比べて径方向外側において摩耗が促進される。

特許文献１に提案されたブレーキディスクロータは、溝上の一点の接線が回転中心から溝上の一点に向かって引いた直線と成す角度の余弦と、溝上の一点と回転中心との距離の二乗との積が溝上のどの点でも一定になるように溝を形成するものであるため、径方向位置に応じて溝の平面進入角度が異なる。このため、摩擦材の偏摩耗が生じる可能性がある。

摩擦材の偏摩耗については、上記の平面進入角度が摩擦材のどの部分においても等しくなるようにすることによって防止することができる。ただし、溝の断面形状によっては、摩擦材の摩耗量が不適切になる場合がある。摩擦材の摩耗量は、溝が摩擦材に進入する方向に切断した溝の断面形状と関係を有する。図９は、溝の断面状における進入角度（断面進入角と呼ぶ）を説明する図である。摩擦材はブレーキパッドに固定されて回転しないものであるため、実際には、摩擦材に対して溝が進入するものであるが、進入角度は、溝と摩擦材とにおける相対移動を考えれば良いため、ここでは、摩擦材の任意の点が溝に進入する角度を断面進入角度として説明する。溝に対する摩擦材の断面進入角度は、図９に示すように、摩擦材の任意の点Ｐが溝Ｓを通過する進路Ｑを通る面Ｒ（摺動面Ｍに対して直交する面）で切断した断面における溝Ｓの幅方向端部Ｅ（正確には、摩擦材の進行方向側の端部）の傾斜角度θｘを使って表すことができる。摩擦材の摩耗量は、この断面進入角度θｘによって決まる。

特許文献１においては、溝の断面形状について全く考察がされていない。例えば、図１１に示すように、Ｕ字状の溝Ｓを形成した場合、特に、溝Ｓの幅方向両端が摺動面Ｍに対して直交する縦壁Ｗとなっている場合には、溝Ｓの平面形状がどのようなものであろうと、摩擦材に対する溝Ｓの断面進入角度θｘは９０°となる。このため、摩擦材が縦壁Ｗに対して直角に当たるようになり、摩擦材に大きな剪断力が働く。この結果、摩擦材の摩耗量が過剰になり、摩擦材の交換時期が早まってしまう。

更に、Ｕ字状の溝Ｓは、内側に窪んだ湾曲壁面が形成されるため、ブレーキディスクロータの摺動面Ｍの摩耗によって、溝Ｓの幅方向両端Ｅにおける傾斜角度が変化してしまう。つまり、図１１に示すように、摺動面Ｍの摩耗が進むにつれて、溝Ｓに対する摺動面Ｍの相対位置が下がるため（ｈ１→ｈ２→ｈ３）、溝Ｓの幅方向両端Ｅにおける傾斜角度（断面進入角度）が変化する。このため、摩擦材の摩耗量が変化し、設計当初に狙ったリフレッシュ性能を維持することができなくなってしまう。

このような理由から、従来のブレーキディスクロータにおいては、摩擦材の摩耗を適切に行うことができなかった。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、ブレーキパッドの摩擦材の偏摩耗を抑制し（第１発明の目的）、さらに、摩擦材の摩耗量を適切にする（第２発明の目的）ことにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、ブレーキパッド（５１）の摩擦材（５２）が摺動する摺動面（２５）を備え、前記摺動面に曲線状に伸びる溝（３０）が形成されたブレーキディスクロータにおいて、前記溝の曲線形状は、ブレーキディスクロータの回転中心から前記摺動面に沿って伸ばした半直線と前記溝との成す角度が、前記半直線が前記溝と交差する位置に関わらず一定となる螺旋形状であることにある。

本発明では、ブレーキパッドの摩擦材が摺動する摺動面に曲線状に伸びる溝が形成されている。この溝の曲線形状は、ブレーキディスクロータの回転中心から摺動面に沿って伸ばした半直線と溝との成す角度が、半直線が溝と交差する位置に関わらず一定となる螺旋形状となっている。つまり、この溝の摺動面における平面形状は、ベルヌーイの螺旋で表される曲線形状となっている。

ブレーキ操作が行われると、ブレーキパッドの摩擦材がブレーキディスクロータの摺動面を押圧する。これにより、ディスクロータの回転を止めようとする摩擦制動力が発生する。このとき、摩擦材の表面を溝が通過することにより、溝が摩擦材の表面を削り取ってリフレッシュさせる。この場合、本発明では、上記のように溝を形成したことで、摩擦材に対する溝の平面進入角度が、摩擦材のどの部位においても一定となる。従って、摩擦材を均一に摩耗させることができる。つまり、摩擦材の偏摩耗を抑制することができる。これにより、ブレーキパッドの交換時期を遅らせることができる。

また、本発明の一側面は、前記溝の幅方向端部は、一定の傾斜角度で幅方向中心側に向かって下り傾斜する傾斜面を備えることにある。

本発明では、溝の幅方向端部に、一定の傾斜角度で幅方向中心側に向かって下り傾斜する傾斜面が形成されている。例えば、この溝の断面形状は、Ｖ字状となっている。このため、ブレーキディスクロータの摺動面が摩耗した場合であっても、摩擦材に対する溝の断面進入角度が変化しない。従って、溝の傾斜面の傾斜角度の設定により摩擦材の摩耗量を所望の値に調整することができる。これにより、摩擦材の摩耗量とリフレッシュ性能とをバランス良く調整することができる

また、本発明の一側面は、前記溝は、前記摺動面の回転方向に複数形成されるとともに、各溝は、前記摺動面と前記ブレーキパッドとの相対位置に関わらず、前記ブレーキパッドの摩擦材が前記摺動面を押圧する押圧領域からはみ出した部分が常に存在するように形成されたことにある。

本発明では、螺旋状の溝が、摺動面の回転方向に複数形成される。各溝は、摺動面とブレーキパッドとの相対位置に関わらず、ブレーキパッドの摩擦材が摺動面を押圧する押圧領域からはみ出した部分が常に存在するように形成されている。摩擦材は、摩擦熱によって高温となり高圧気体を発生する。この場合、溝が摩擦材によって密閉されてしまうと、高圧気体が溝に一時的に閉じ込められてしまい、溝が密閉状態から開放された瞬間において、高圧気体が溝から一気に放出されて異音を発生することがある。これに対して、本発明は、各溝のそれぞれがブレーキパッドの摩擦材によって密閉されることがないため、異音の発生を防止することができる。

尚、上記説明においては、発明の理解を助けるために、実施形態に対応する発明の構成に対して、実施形態で用いた符号を括弧書きで添えているが、発明の各構成要件は前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るブレーキディスクロータの正面図である。 車両用ディスクブレーキ装置の一部破断斜視図である。 ベルヌーイの螺旋を表す極座標を使った図である。 溝の平面進入角度αを説明する正面図である。 溝の断面図（図１のａ−ａ方向断面）である。 剪断力を説明する説明図である。 ブレーキパッドにおける摩擦材の位置（押圧領域）を表す正面図である。 押圧領域に対する溝の位置を表す正面図である。 断面進入角度を説明する説明図である。 従来例に係る直線状の溝が形成されたブレーキディスクロータの正面図である。 従来例に係るＵ字状の溝の断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るブレーキディスクロータについて図面を用いて説明する。図１は、実施形態に係る車両用ディスクブレーキ装置に設けられるブレーキディスクロータの正面図であり、図２は、車両用ディスクブレーキ装置の一部破断斜視図である。ディスクブレーキ装置１は、アクスルハブ（図示略）に固定され車輪とともに回転するブレーキディスクロータ１０（以下、ディスクロータ１０と呼ぶ）と、車輪を回転可能に支持するキャリア（図示略）に固定されるブレーキキャリパ５０（以下、キャリパと呼ぶ）とを備えている。キャリパ５０は、本体ケーシング５５内に、ディスクロータ１０の表面と裏面とに向かい合って設けられるブレーキパッド５１と、油圧が供給されてブレーキパッド５１を作動させるホイールシリンダ（図示略）とを備えている。ブレーキパッド５１は、ディスクロータ１０の表面と裏面とに向かい合う位置に摩擦材５２が設けられており、ホイールシリンダに液圧が供給されたときに、摩擦材５２でディスクロータ１０の表面と裏面とを挟圧することにより、ディスクロータ１０の回転を止めようとする摩擦制動力を発生させる。

ディスクロータ１０は、アクスルハブに固定される固定部１１と、固定部１１から径方向外側に拡がったリング状の摺動板部２０とを一体に備えている。摺動板部２０は、第１摺動板２１と、第２摺動板２２と、複数のフィン２３とにより一体に形成されている。第１摺動板２１と第２摺動板２２とは、車軸方向に離れて互いに平行に設けられる。この第１摺動板２１と第２摺動板２２との間に複数のフィン２３が配設され、各フィン２３の間に冷却通路が形成されている。第１摺動板２１と第２摺動板２２とにおける表面（第１摺動板２１と第２摺動板２２とが互いに向かい合わない面）が、ブレーキパッド５１の摩擦材５２が押されて摺動する面となる。以下、この面を摺動面２５と呼ぶ。第１摺動板２１と第２摺動板２２とにおける摺動面２５は、基本的に同じ構成であるため、以下、両者を区別せずに説明する。

摺動面２５には、複数の溝３０がディスクロータ１０の回転方向に等角度間隔の配置にて形成されている。本実施形態においては、溝３０は、ディスクロータ１０の回転中心を原点として６０°の位相差を持って６本配設されている。各溝３０は、全て同一形状である。まず、溝３０の平面形状から説明する。各溝３０は、図３に示すように、ベルヌーイの螺旋によって表される平面形状をなしている。このベルヌーイの螺旋は、極座標表示（ｒ、θ）を用いて、次式（１）にて表される。

ここで、ａは定数、ｅはネイピア数（２．７１８２８……）である。αは、原点Ｏから伸ばした半直線Ｌ０と螺旋Ｌとが成す角度（半直線と螺旋とが交差する点における接線と半直線との成す角度）を表している。

このベルヌーイの螺旋によれば、半直線Ｌ０と螺旋Ｌとが成す角度αは、半直線Ｌ０と螺旋Ｌとが交差する位置に関わらず一定となる。従って、ブレーキパッド５１の摩擦材５２においては、図４に代表的に例示した点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３で表されるように、摩擦材５２のどの点においても溝３０の平面進入角度αが一定となる。図中、矢印ｘはディスクロータ１０の回転方向を表す。

次に、溝３０の断面形状について説明する。図５は、溝３０の長手方向の軸に対して垂直に切断した断面（図１のａ−ａ方向断面）を表す。図示するように、溝３０は、幅方向の両端部に傾斜面３１が形成された断面Ｖ字状溝である。この傾斜面３１は、一定の傾斜角度βで幅方向中心側に向かって下り傾斜するように形成されている。一定の傾斜角度とは、溝の深さ方向、長手方向におけるどの位置においても溝中心に向かう傾斜角度が一定であることを意味する。溝３０は、刃具によって切削されて形成される。従って、この刃具の形状によって傾斜面３１の傾斜角度および溝底部３２の形状が決められる。溝底部３２については、Ｖ字状に形成する必要はない。

このように、溝３０の平面形状をベルヌーイの螺旋形状としたこと、および、溝３０の幅方向の両端部に一定の傾斜角度の傾斜面３１を形成したことにより、ブレーキパッド５１の摩擦材５２のどの点においても溝３０の断面進入角度を一定にすることができる。この結果、本実施形態のディスクロータ１０によれば、ブレーキパッド５１の摩擦材５２の摩耗を均一にすることができる。つまり、摩擦材５２の偏摩耗を抑制することができる。従って、ブレーキパッド５１の交換時期を遅らせることや、面圧不均一によるブレーキ鳴きを抑制することができる。また、溝３０を形成する刃具の選択によって傾斜面３１の傾斜角度を任意に設定することができるため、摩擦材５２の摩耗量とリフレッシュ性能とをバランス良く調整することができる。

ここで、比較例として、従来のディスクロータについて説明する。従来のディスクロータにおいては、図１１に示すように、断面Ｕ字状の溝Ｓが形成されることがある。このＵ字状の溝Ｓの場合には、溝Ｓの幅方向両端が摺動面Ｍに対して直交する縦壁Ｗとなっているため、溝Ｓの平面形状がどのようなものであろうと、摩擦材に対する溝の断面進入角度が９０°となってしまい、摩擦材に働く剪断力が大きくなってしまう。このため、摩擦材を過度に摩耗させてしまう。これに対して、本実施形態では、図６（図５の破線円で囲んだ拡大図）に示すように、溝３０の断面形状を上記のように傾斜面３１を有するＶ字状としているため、摩擦材５２に働く剪断力を低減することができ、摩擦材５２の摩耗を抑制することができる。

また、断面Ｕ字状の溝Ｓは、内側に窪む湾曲壁面が形成されるため、図１１に示すように、ディスクロータの摺動面Ｍの摩耗が進行するにつれて、溝Ｓに対する摺動面Ｍの相対位置が下がることから（ｈ１→ｈ２→ｈ３）、溝Ｓの幅方向両端における傾斜角度が少なくなるように変化する。このため、摩擦材に対する溝Ｓの断面進入角度が変化してしまい、設計当初に狙ったリフレッシュ性能が得られなくなる。これに対して、本実施形態では、溝３０の断面形状を上記のように傾斜面３１を有するＶ字状としているため、摺動面２５が摩耗しても、摩擦材５２に対する溝３０の断面進入角度が変化しない。これにより、設計当初に狙ったリフレッシュ性能を維持することができる。

次に、ディスクロータ１０のもう一つの特徴的な構成について説明する。本実施形態のディスクロータ１０に形成される溝３０は、回転方向に等角度間隔で複数設けられているが、各溝３０は、摺動面２５とブレーキパッド５１との相対位置に関わらず（つまり、ディスクロータ１０の回転位置に関わらず）、ブレーキパッド５１の摩擦材５２の押圧面からはみ出した部分が常に存在するように形成されている。図７は、ブレーキパッド５１、および、ブレーキパッド５１に設けられた摩擦材５２の正面外形ラインを表している。摩擦材５２の外形ラインで囲まれた領域が、摩擦材５２が摺動面２５を押圧する押圧面（押圧領域Ａ）となる。

各溝３０は、それぞれ、ディスクロータ１０の回転に伴って、全ての部位が押圧領域Ａを通過する位置に形成されているが、全ての部位が同時に押圧領域Ａに入ってしまう状況が存在しないような長さに設定されている。ここで、図８を用いて、摩擦材５２によって覆われている溝３０（ここでは溝３０Ａとする）について説明する。ディスクロータ１０は、矢印ｘ方向に回転しているものとする。また、溝３０Ａにおいて、ディスクロータ１０の回転方向側の端部を溝先端部３０ｆと呼び、ディスクロータ１０の反回転方向側の端部を溝後端部３０ｒと呼ぶ。溝３０Ａは、ディスクロータ１０の回転によって溝先端部３０ｆから先に押圧領域Ａに進入し、押圧領域Ａ内を回転方向に進行する。そして、溝先端部３０ｆから先に押圧領域Ａから抜け出るが、溝先端部３０ｆが押圧領域Ａから抜け出る瞬間においては、溝後端部３０ｒは、まだ押圧領域Ａに入っていなく、溝後端部３０ｒが押圧領域Ａに入った瞬間においては、溝先端部３０ｆはすでに押圧領域Ａから抜け出ているように形成されている。従って、溝３０Ａの全ての部位が同時に押圧領域Ａに入ってしまう状況が存在しなく、常に、少なくとも溝先端部３０ｆと溝後端部３０ｒとの一方が押圧領域Ａに入らないように各溝３０の長さが設定されている。このため、各溝３０は、摩擦材５２によって密閉されないようになっている。

仮に、溝３０が溝先端部３０ｆから溝後端部３０ｒまでの全域にわたって同時に押圧領域Ａに入ってしまうと、摩擦材５２に含まれる樹脂成分から発生したガス、および、熱で膨張した空気が溝３０内に閉じ込められてしまう。この場合、溝３０の一部が摩擦材５２から開放された瞬間、つまり、溝３０の一部が押圧領域Ａから抜け出た瞬間において、高圧気体が溝３０から一気に排出され、これに伴って異音（破裂音）が発生する。こうした問題に対して、本実施形態における各溝３０は、ディスクロータ１０の回転位置に関わらず、押圧領域Ａからはみ出した部分が常に存在するように形成されている。このため、常に、溝３０から気体を排出することができ、異音の発生を防止することができる。

以上、本実施形態のブレーキディスクロータについて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

１…ディスクブレーキ装置、１０…ブレーキディスクロータ、２０…摺動板部、２５…摺動面、３０…溝、３０ｆ…溝先端部、３０ｒ…溝後端部、３１…傾斜面、５０…ブレーキキャリパ、５１…ブレーキパッド、５２…摩擦材。

Claims (3)

1. ブレーキパッドの摩擦材が摺動する摺動面を備え、前記摺動面に曲線状に伸びる溝が形成されたブレーキディスクロータにおいて、
   前記溝の曲線形状は、ブレーキディスクロータの回転中心から前記摺動面に沿って伸ばした半直線と前記溝との成す角度が、前記半直線が前記溝と交差する位置に関わらず一定となる螺旋形状であるブレーキディスクロータ。
2. 請求項１記載のブレーキディスクロータにおいて、
   前記溝の幅方向端部は、一定の傾斜角度で幅方向中心側に向かって下り傾斜する傾斜面を備えるブレーキディスクロータ。
3. 請求項１または２記載のブレーキディスクロータを備えたディスクブレーキ装置であって、
   前記溝は、前記摺動面の回転方向に複数形成されるとともに、各溝は、前記摺動面と前記ブレーキパッドとの相対位置に関わらず、前記ブレーキパッドの摩擦材が前記摺動面を押圧する押圧領域からはみ出した部分が常に存在するように形成されたディスクブレーキ装置。

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