JP6351415B2 - 制動部材 - Google Patents

Description

本発明は、制動部材に関し、例えば対向配置された一対のディスク間に複数のフィンを配置し放熱面積と通気路を確保したベンチレート式のブレーキディスクに代表される制動部材に関する。

車両における制動では、制動部材であるブレーキディスクを左右両側からブレーキパッドで挟み込み、パッドがディスクに摺接する際の摩擦力により運動エネルギーを熱エネルギーに変換し車輪を停止させる。前記ブレーキディスクには、放熱面積と通気路を確保することにより、制動によるガスや摩擦粉を排出するとともに放熱効果を有するベンチレート式のディスクがある。

図７に従来のベンチレート式のブレーキディスクを一部破断して示す。このブレーキディスク５０は、対向配置された内側ディスク５１及び外側ディスク５２と、それらディスク間において周方向に多数配置される複数のフィン５３とを備えている。各フィン５３は、ディスク中央に形成された開口部５５の内周面側に形成された通気口５６からディスク外周面側に形成された通気口５７まで、径方向に連通するガス流路を形成している。
また、ディスク中央の開口部５５の周辺には、複数のボルト孔５４が設けられ、それらボルト孔５４を用いてブレーキディスク５０が車輪（図示せず）に締結される。
一方向に回転するブレーキディスク５０に対しブレーキパッド（図示せず）が摺接すると、大気または摩擦熱により生じたガスが前記通気口５６からディスク間に流入し、ディスクを冷却しながら通気口５７から排出されるようになっている。

ところで、このブレーキディスク５０にあっては、制動による発熱と走行による冷却とを繰り返す熱疲労によってディスクの円周方向に膨張と収縮が繰り返されるため、制動部材としての機能が阻害され、寿命が低下するという課題がある。
前記課題に対し特許文献１では、図８に示す構造のブレーキディスク６０が開示されている。このブレーキディスク６０は、中央の開口部６４の周りに設けられた複数のボルト孔６９によって車輪（図示せず）に締結される。また、前記複数のボルト孔６９を囲むように円環状に一対のディスク６１が対向して設けられ、それらディスク６１間に配置された複数のフィン６５によって径内側の通気口６７と径外側の通気口６６とが挿通されたガス流路が複数形成されている。これら複数のガス流路により、少なくとも図７に示したブレーキディスク５０と同様の放熱効果が得られる。

さらに図８のブレーキディスク６０にあっては、一対のディスク６１の外側表面（摺接面）に多数の溝部６２が設けられ、各溝部６２の一端側に貫通孔６３が形成されている。
このような溝部６２と貫通孔６３とを設けることにより、制動時において大気または摩擦熱によって発生したガスが前記溝部６２を通り、さらに貫通孔６３を通って排出されるため、制動時の冷却性能が従来よりも格段に向上し、安定した摩擦特性が得られる。また、熱疲労による亀裂が発生し難いといった効果を得ることができる。

特開２０１２−１６７７４５号公報

ところで、昨今、車両のばね下重量低減による運転性能向上、燃費効率の向上による省エネルギー化を目的としてブレーキディスクをセラミック基複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＣＭＣ）により形成することが検討されている。
しかしながら、図８に示した特許文献１に開示されるブレーキディスク６０をセラミック基複合材料により形成した場合、セラミック基複合材料は、セラミックスを基質とする脆性材料であるため、制動時に締結部（ボルト孔６９周辺）に対し加わるせん断応力に耐えきれず、亀裂が生じる虞があった。
また、図７に示したブレーキディスク５０の構成であっても、ディスク中央の開口部５５の内周面に形成された通気口５６からディスク外周面側に形成された通気口５７にガス流路が形成されるため、ボルト孔５７周辺の肉厚が薄くなり、強度が不十分であるという課題があった。

本発明は、前記の技術的課題を解決するためになされたものであり、セラミック基複合材料により形成されるとともに、制動時に充分な耐久性を有し、かつ充分な冷却効果により安定した摩擦熱を得ることができる制動部材を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明に係る制動部材は、開口部が中央に設けられ円筒状に形成されると共に、前記開口部の周りの円筒状壁部に複数のボルト孔が形成された、セラミック基複合材料からなる締結部と、前記締結部を中心として該締結部の周囲に円板状に設けられるとともに軸方向に所定の間隔を空けて配置された一対のディスク部と、前記一対のディスク部に挟まれた空間内に、前記締結部の壁部外周面から径外方向に延びると共に一対のディスク部に当接して設けられ、かつ前記締結部の周方向に間隔を空けて設けられた複数のフィン部材と、前記ディスク部における、締結部の壁部外周面近傍であってかつ隣り合う前記フィン部材の間の位置において、前記一対のディスク部のそれぞれに形成された挿通孔と、前記一対のディスク部のそれぞれ形成された挿通孔と、前記締結部の壁部外周面、前記一対のディスク部、フィン部材によって囲まれた空間と、前記空間が一対のディスク部の外周面側に開口したガス排出口とを有するガス流路と、を備え、前記一対のディスク部が軸周りに回転することにより、前記ガス流路の挿通孔から前記囲まれた空間にガスが流入し、前記ガスは前記空間を流れてガス排出口から排出されることに特徴を有する。
このように構成することにより、本発明の制動部材を例えばブレーキディスクに適用した場合、制動時において回転する一対のディスク部に対しブレーキパッドが摺接すると、大気または摩擦熱によって発生したガスが前記挿通孔からガス流路に流入する。そして前記ガスは、隣り合うフィン部材の間を通ってディスク外周面側から排出される。これにより制動時においても充分にディスク冷却効果を得ることができ、安定した摩擦熱が得られ、熱疲労の発生を抑制することができる。

また、前記ガス流路にガスが流れ込む一対の前記挿通孔は、その周方向の長さが、前記隣り合うフィン部材間の周方向の距離寸法よりも小さく形成されるとともに、前記隣り合うフィン部材間において、周方向の位置が互いにずれて配置されていることが望ましい。
このように構成することにより、挿通孔からガス流路に流れ込んだガスは流路内壁にぶつかった後に排出されるため、ディスクの冷却効果をより得ることができる。

また、前記締結部と前記ディスク部と前記フィン部材がセラミック基複合材料により形成されていることが望ましい。
このように制動部材の形成材料にセラミックス基複合材料を用いることにより、軽量化することができ、車両のばね下重量が低減されて運転性能が向上し、燃費効率の向上により省エネルギー化の効果を得ることができる。
また、前記挿通孔（ガス流路）が締結部に形成されないため、ボルト孔周辺が肉厚となり、従来のようにディスク中央の開口部の内周面に通気口を設けた構造よりも強度を格段に向上することができる。即ち、本発明の制動部材をセラミックス基複合材料により形成しても、制動時に加わるせん断応力に対して充分に耐えることができる。

本発明によれば、セラミック基複合材料により形成されるとともに、制動時に充分な耐久性を有し、かつ充分な冷却効果により安定した摩擦熱を得ることができる制動部材を得ることができる。

図１は、本発明に係る制動部材をブレーキディスクに適用した第１の実施形態を模式的に示す正面図である。 図２は、図１のブレーキディスクのＡ−Ａ矢視断面図である。 図３は、図１のブレーキディスクに設けられるガス流路形状を模式的に示す斜視図である。 図４は、本発明に係る制動部材をブレーキディスクに適用した第２の実施形態を模式的に示す正面図である。 図５は、図４のブレーキディスクに設けられるガス流路形状を模式的に示す斜視図である。 図６は、本発明の実施例に用いた数値モデルの斜視図である。 図７は、従来のブレーキディスクの形状を示す斜視図である。 図８は、従来のブレーキディスクの他の形状を示す斜視図である。

以下、図面を用いながら、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る制動部材をブレーキディスクに適用した第１の実施形態を模式的に示す正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
図１に一部破断して示すベンチレート式のブレーキディスク１は、中央に車軸が挿通される円形の開口部２が形成された、円筒状の締結部９を有し、前記締結部９の円筒状壁部において前記開口部２の周りに複数のボルト孔３が等間隔に配置されている。前記複数のボルト孔３は、ブレーキディスク１を車輪（図示せず）に固定するために設けられている。

また、図２に示すように示すように前記締結部９よりも径外方向には、車輪側に面する円板状の内側ディスク４（ディスク部）と、この内側ディスク４と所定の間隔を空けて対向配置される円板状の外側ディスク５（ディスク部）とが前記締結部９を中心として拡がるように配置されている。
図１、図２に示すように内側ディスク４と外側ディスク５とに挟まれた空間には、前記締結部９の外周面から径外方向に延びて立設された板状のフィン６（フィン部材）が周方向に沿って複数配置されている。これら立設された板状のフィン６は、その上下端部が内側ディスク４と外側ディスク５の内側面に当接している。尚、高い強度を得るために、締結部９と内側ディスク４と外側ディスク５とフィン６とは一体成形されていることが望ましい。

また、内側ディスク４において、隣り合うフィン６の間の締結部９に近い位置（近傍）には、前後（図２では上下）に貫通する挿通孔７が設けられ、同様に外側ディスク５において、隣り合うフィン６の間の締結部９に近い位置（近傍）には前後（図２では上下）に貫通する挿通孔８が設けられている。これら挿通孔７、８の周方向の幅は、隣り合うフィン６間の幅寸法に一致して形成されている。

これにより１組の隣り合うフィン６の間には、ガス流路１０が形成され、このガス流路１０は、図３の斜視図に示すような形状となる。尚、各ガス流路１０においてディスク外周面側にはガス排出口１１が設けられる。即ち、ガス流路は、一対のディスク部のそれぞれ形成された挿通孔と、締結部の壁部外周面、前記一対のディスク部、フィン部材によって３方が囲まれた空間と、前記空間が一対のディスク部の外周面側に開口したガス排出口とを有している。この形状のガス流路１０が、各フィン６を挟んで周方向に複数配置されることになる。

また、このブレーキディスク１は、セラミック基複合材料（Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＣＭＣ）により形成されている。即ち、軽量化により車両のばね下重量が低減されて運転性能が向上し、燃費効率の向上により省エネルギー化の効果を得ることができる。
また、前記したようにガス流路１０にガスを流し込むための挿通孔７，８は、締結部９には形成されないため、ボルト孔３周辺が肉厚となり、従来のようにディスク中央の開口部の内周面に通気口を設けた構造よりも強度を格段に向上することができる。その結果、ディスクをセラミック基複合材料により形成しても、制動時に加わるせん断応力に対して充分に耐えることができる。

また、このように構成されたブレーキディスク１によれば、制動時に回転するブレーキディスク１に対しブレーキパッド（図示せず）が摺接すると、大気または摩擦熱によって発生したガスが挿通孔７、８からガス流路１０に流れ込む。そしてガスは、ガス流路１０を流れてディスク外周面側のガス排出口１１から排出される。
これにより制動時においても充分にディスク冷却効果を得ることができ、安定した摩擦熱が得られ、熱疲労の発生を抑制することができる。

続いて、図４、図５を用いて、本発明に係る制動部材の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明に係る制動部材をブレーキディスクに適用した第２の実施形態を模式的に示す正面図である。図５は、図４のブレーキディスクに設けられるガス流路の形状を模式的に示す斜視図である。尚、図４、図５においては、前記した本発明に係る第１の実施形態と同じ機能を有する部材は同じ符号を用い、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態においては、図４に示すように挿通孔７、８は、その周方向の幅寸法ｔ１が、隣り合うフィン６間の幅寸法ｔ２よりも小さく形成され、且つ前記隣り合うフィン６間において図５に示すように挿通孔７と挿通孔８の周方向の位置が互いにずれるように配置される。
これにより、挿通孔７、８から流入したガスは、それぞれガス流路１０内の壁にぶつかった後、ガス排出口１１から流出する。そのため、ブレーキディスク１に対する冷却効果をより効果的に得ることができる。

尚、前記第１、第２の実施の形態において、ディスク面に形成された挿通孔７、８の形状や外周面側に形成されたガス排出口１１の形状は矩形状としたが、それらの形状は特に限定されるものではない。
また、前記第１、第２の実施形態において、ブレーキディスク１の全体をセラミック基複合材料により形成するものとしたが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではなく、少なくとも締結部９がセラミック基複合材料により形成されていればよい。

また、前記第１、第２の実施形態においては、本発明に係る制動部材をブレーキディスクに適用して説明したが、本発明にあっては、それに限定されるものではない。
即ち、本発明に係る制動部材は、ブレーキディスクに限らず、回転軸に締結され、その回転により生じる強制対流によって冷却可能な回転体の構造に適用することができ、特にセラミック基複合材料のような脆性材料により形成された回転体において効果を奏する。

本発明に係る制動部材について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示したブレーキディスクの数値シミュレーションによる実験を行うことにより検証した。

[実施例１]
ディスク中央の開口部の径１００ｍｍ、外径３００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、ボルト孔２０個を中心から６５ｍｍ半径位置に等間隔に配置した図１に示した特徴を有するブレーキディスクの数値モデルを作製した。この数値モデルの斜視図を図６に示す。
この数値モデルにおいて、材料には、炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合材料を用いた。尚、この炭素短繊維強化炭化ケイ素系複合材料は、ヤング率は９３ＧＰａ、ポアソン比は０．３８であった。

数値解析により、速度を２００ｋｍ／ｈから１００ｋｍ／ｈに減速した際のブレーキディスクの温度を測定した。また、同減速条件で発生するブレーキディスクへの熱応力（ＭＰａ）を測定した。
実施例１の結果は、ブレーキディスクの温度は８７３℃であり、熱応力は１６２ＭＰａであった。

[比較例１]
比較例１として、図７に示した従来のブレーキディスクの数値モデルを作製し、シミュレーション解析を行った。その他の条件は、実施例１と同じに設定し、ブレーキディスクの温度と、ブレーキディスクへの熱応力を測定した。
比較例１の結果は、ブレーキディスクの温度は９１２℃であり、熱応力は１９０ＭＰａであった。

前記実施例１、比較例１の結果から、本発明に係る構成によれば、ブレーキディスクの温度は、従来の９１２℃から８７３℃に減少し、熱応力は、従来の１９０ＭＰａから１６２ＭＰａに低減することができた。
よって、本実施例において、本発明に係る制動部材によれば、セラミック基複合材料により形成しても、制動時に充分な耐久性を有し、かつ充分な冷却効果により安定した摩擦熱を得ることができることを確認した。

１ ブレーキディスク（制動部材）
２ 開口部
３ ボルト孔
４ 内側ディスク（ディスク部）
５ 外側ディスク（ディスク部）
６ フィン（フィン部）
７ 挿通孔
８ 挿通孔
９ 締結部
１０ ガス流路
１１ ガス流出口

Claims (3)

1. 開口部が中央に設けられ円筒状に形成されると共に、前記開口部の周りの円筒状壁部に複数のボルト孔が形成された、セラミック基複合材料からなる締結部と、
   前記締結部を中心として該締結部の周囲に円板状に設けられるとともに軸方向に所定の間隔を空けて配置された一対のディスク部と、
   前記一対のディスク部に挟まれた空間内に、前記締結部の壁部外周面から径外方向に延びると共に一対のディスク部に当接して設けられ、かつ前記締結部の周方向に間隔を空けて設けられた複数のフィン部材と、
   前記ディスク部における、締結部の壁部外周面近傍であってかつ隣り合う前記フィン部材の間の位置において、前記一対のディスク部のそれぞれに形成された挿通孔と、
   前記一対のディスク部のそれぞれ形成された挿通孔と、前記締結部の壁部外周面、前記一対のディスク部、フィン部材によって囲まれた空間と、前記空間が一対のディスク部の外周面側に開口したガス排出口とを有するガス流路と、
   を備え、
   前記一対のディスク部が軸周りに回転することにより、前記ガス流路の挿通孔から前記囲まれた空間にガスが流入し、前記ガスは前記空間を流れてガス排出口から排出されることを特徴とする制動部材。
2. 前記ガス流路にガスが流れ込む一対の前記挿通孔は、その周方向の長さが前記隣り合うフィン部材間の周方向の距離寸法よりも小さく形成されるとともに、前記隣り合うフィン部材間において周方向の位置が互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項１に記載された制動部材。
3. 前記締結部と前記ディスク部と前記フィン部材がセラミック基複合材料により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された制動部材。

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