JPH07501873A - 軽量・高熱伝導性ブレーキローター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 軽量・高熱伝導性ブレーキローター 本発明は、＋５−８０容量パーセントの炭化けい素、および８　５−２　０容量 パーセントの鉄合金の複合材料で作られたブレーキローターに関する。複合材料 中の炭化けい素はブレーキ作用中、第１摩擦面と第２摩擦面と、キャリパに位置 決めされたブレーキバットとの間に発生した熱エネルギーを取り除《高熱伝導特 性を有する。。

車両の全体的な燃料効率を高める努力をする１−で、ここしばらくの間、車両の 全体の重量を減じている。虫垂を軽くする１つの方法としては、鋳鉄製ブレーキ ローターをアルミニラｌ３、または他の軽鍛金属製のブレーキローターに変える ことである。残念ながら、アルミニウムは、通常、磨耗に弱い。その結果、アル ミニウムを使用するときは、米国特許第４，２９０．５１０号に開示されたタイ プの、耐磨耗性表面被覆材を、摩擦係合面に付けなければならない。アルミニウ ム製ローターのこのような保護は、ブレーキ作用中に発生する熱エネルギーが９ ００°Ｆ、すなわち、４８０゜Ｃ以下である限り、適している。しかし、多くの 場合、発生した熱エネルギーはアルミニウムの融点を越え、その結果、ローター が軟化する。従って、ブレーキ作用中の高温下においても、固さ、強さのような 機械的性質を良好に維持しつつ、磨耗面から熱エネルギーを伝導する能力を有す るローターを開発することが必要である。

クロム銅合金製のローターは、鋳鉄製に比べて、約６倍の熱伝導率を有し、満足 な性能を示してきた。残念ながら、そのようなクロム銅製ローターの密度は、鋳 鉄ローグーの密度以上であり、その結果、車両の全体の重量の増加により、望む ように燃費の改善を図ることができない。

多くの組成物を評価した後、１９９１年６月２Ｈ］ｉこ出願された米国特許出願 第７２２．０４３号に開示された炭化銅けい素合金複合材料が、ブレーキロータ ー用として開発された。そのような炭化銅けい素合金複合材料製ローターは、熱 伝導率が鋳鉄の約１．　５倍であり、密度の比が、鋳鉄の３分の２であり、ほと んどのブレーキの応用に適当な方法で作動する。

材料のコストは、ブレーキローターの製造上の重要な考慮点であるので、鉄合金 ／炭化けい素金属マトリックス複合［オもまた、炭化銅けい素合金複合材料を越 える全体の重量軽減を達成するとおもに、鋳鉄よりも高熱伝達率と、高温でより 大きい全体の強度とを有ずる。発明ｔは、ｌ　５−８　０容暇バーセントの炭化 けい素、および８５−２０容暇パーセントの鉄合金から選択された組成物からな る、金属合金金属マトリックス複合材料を開発した。炭化けい素の粉体を成形型 に詰め、鉄合金を、詰めた炭化けい素に浸透させて、一体のブレーキローターを 形成する。ブレーキローターは、ホイールとともに回転する車両の中軸に取付け るための、複数の開１１部をヒ｛Ｉえたハブと、ハブから環状ヘット部分に゛１ ′径方向に延びるスポークまたは中実のディスクとをイｔずる。ヘソｌ・部分は 、ブレーキの作用中、ブレーキに係合する第１摩擦面と第２摩擦面とを有する。

ブレーキローターは、４、０から６．　４ｇ／ｃｍ３の密度と、ｌ　７　１Ｗ／ ｍＫまでの熱伝導率を有する。

本発明の目的は、ブレーキローター用の、炭化けい素および鉄合金組成物を提供 することにある。

本発明は、さらに、ブレーキ作用中に発生する熱エネルギーに、劣化することな く耐える、ブレーキローター用の、高熱伝導率の、比較的軽蟻な組成物を提供す ることにある。

本発明は、また、鋳鉄の約７％の密度を有し、広範囲の操作にわたってブレーキ 装置の有効性を維持するため、高熱伝達率を有する炭化けい素および鉄合金から なるブレーキローター用の複合材料を提供することにある。

これらの目的、および利点は、図面を参照しつつ、本明細書を読むことにより明 らかとなろう。

図１は、本発明によるローターが、キャリパにより支持された摩擦バットの間に 位置決めされているところを示す、ブレーキ装置の概略図である。

図２は、図１に示すローターの側面図である。

図３は、図１に示すローター用の様々な複合材料の物理的および熱特性を示す表 である。

図１に示す、車両のホ・ｒ−ル用のブレーキ装置では、キャリパス１０が、図３ に示す組成物から選択された合金で作られたローター１２と係合するための、ブ レーキバット３４および３６を｛Ｖ持する。

ローター１２は、ハブ２６をイｆし、このハブには、車両の車軸２７に取り付け るだめに位置決めされた、複数の開１１部２５．２５°　・・・２５″が設けら れている。ローター１２はホイールとバに回転し、また、ローター１２は、＋ｉ ｉｆ記ハブから、環状ヘット部分１４、ずなわら中実の中央ディスクまで、ｌＦ 、径方向に延び、かつ、ハブ２６と環状ヘット部分１４とを連結するスポーク２ ９．２９′　・・・２９″を有する。しかし、スポーク２９．２９′　・・・２ ９′のほうが、周囲環境に熱を発散させる性質がより大きいため、なｒましい。

ヘット部分１べには、゛ｂ径方向に延び、間隔を隔てた複数のウェブ２４により 互いに連結された、一対の摩擦面１６および１８が形成されている。ウェブ２４ は係合面１６および１８を平行に保ち、それらの間の空間により、ウェブの間の 冷却空気の流れが、ローター１２の冷却を促進する。更に、スポーク２９．２９ °　・・・２９′の間の空間により、一定量の空気の流れが、これもまた、ロー ター１２を冷却する。

キャリパ２８が車両にトｒ置決めされ、このキャリパ２８は、ローター１２の而 １６および１８と、間隔を隔てた平行関係で位置決めされた一対の脚部３０およ び３２を有する。摩擦ライニング３８および支持板４０を有するブレーキパッド ３４および３６が、キャリパ２８に位置決めされ、これらは、流体モータ４２の チャンバ４１に供給されるＩＩ−油に応答して、ローター１２の回転面にほぼ垂 直の、軸線方向に移動するようになっている。

流体モータ４２は、キャリパ２８の脚部３２により支持され、円筒状ボア４６内 に位置決めされたピストン４４を有する。可撓性ブーツ、すなわちンール４８は 、一端部がキャリパに固定され、池端部がピストン４４に固定されており、チャ ンバ４１を密封して、−Ｌ埃、水、また池の汚染物がボア４６に入るのを防止す る。

ブレーキの作用中、圧ｉ＋ｈがチャンバ４１に供給され、ピストン４４およびブ レーキバット３４をローター１２の面１８に向かって移動させ、同時に、脚部３ ２は、ウェブ３１および脚部３０を介して、ブレーキバット３６をローター１２ の而１６に向かって引く。ブレーキバット３４および３６の摩擦材料３８が、１ ｍ而面６および１８に係合するど、熱エネルギーが生じる。４００°Ｆ、すなわ ち、２０５”Ｃ以丁の温度ては、摩（阜（４料の磨耗率は、主として摩擦材料の 摩擦調節剤の選ＩＲによって、調整され、４００″Ｆ、すなわち２０５°Ｃ以上 の温度では、磨耗率は、摩擦材料の結合剤の熱劣化により、温度の４−昇ととも に、指数関数的に増大する。従って、ブレーキ作用中に発生した熱エネルギーを 、できるだけ早（、摩擦材料から奪い去ることが重要である。

ローター１２が製造される種々の鉄合金材料の特性を、図３に示す。

実験により、鋳鉄で作られた典型的なローター１２は、約１２ボンド、すなわち 、約５．５キログラムの重さである。この種のローターは、４６Ｗ／ｍＫの熱エ ネルギーを１５Ｍ２／５ｅｃｘｌｏ−’の率で、摩擦パッド３４および３６がら 奪い去る。ブレーキ作用中に発生した温度が、１６００°Ｆ、すなわち、８７０ ０Ｃ以下である限り、この種のローターは、満足する方法で作動する。

車両の総重量を軽くするため、ローターの鋳鉄を、２ｏ容量パーセントの炭化け い素を含むアルミニウム金属７トリックス複合材料で置き換えることが提案され ている。この複合材料製のローター１２は、約４．６ボンド、すなわち、２．１ キログラムの暇さを有する。従って、アルミニウム合金複合材料の使用で、ロー ターの重量のかなりの軽減を図ることが容易である。更に、理論上は、そのよう なローターの熱エネルギーの伝導率は、３．５倍に増加し、その結果、摩擦材か らの拡散が約５倍になる。ブレーキの作用中に発生した熱エネルギーが、９００ °Ｆ、すなわち、４８０°Ｃ以上゛である限り、この種のアルミニウム複合材料 製のローターは、満足な方法で作動する。残念ながら、米国運輸省（ｔｈｅ　１ ＪｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ａｔｉｏｎ）により制定された、現在のブレーキ基準に合致するには、発生した 熱エネルギーが、ブレーキライニングおよびアルミニウム複合材料製ローターの 制動面を劣化させる、９００°Ｆ、すなわち、４８０℃を越える可能性が高い。

従って、ブレーキローターの耐熱性を増す必要がある。

ブレーキローター１２は、米国特許出願第７２２，０４３に開示されているよう に、クロム銅合金製である。理論」二は、クロム銅合金等でできたローターは、 同様な鋳鉄製ローターと比べて、約６倍の熱伝導率および拡散率を有する。残念 ながら、そのようなローターの重さは、約１５．２ポンｉ・、すなわち６．９キ ログラムに増加し、その結果、車両の総重量が増大する。しかし、クロム銅合金 の熱特性の改良が、本発明のブレーキローター用の鉄合金材料の開発のヘースと して使用された。

本明細書で用いられているように、［鉄合金Ｊの用語は、下記の成分を有する材 料を意味する。

暫叩　実測値 ＴＣ：　４．０重量パーセント以内　（３，３８）。

Ｓｉ・　１８，０重量パーセント以内　（２，０５）；Ｘ：　１０．０重量パー セント以内　（１，５１）；およびＦｅ　混合物の残部　（９３，０６）；合計 　１００．００ ここで、Ｘは、Ｃｒ　（０，１３）、Ｍｏ　（０，０８）、Ｃｕ　（０，２８） 。

Ｍｎ　（０，７５）、　Ｎｉ　（０，１３）、　Ｐ　（０，０６）およびＳ　（ ０，０８）からなる群から選択された合金用調整剤である。

クロム銅合金の代わりに鉄合金が用いられたのは、１５６０°Ｆ、すなわち８５ ０℃以上の温度において、鉄合金が有する高い強度、低密度、および低い材料コ ストのためである。図３に示すＡ、Ｂ、　Ｃ，Ｄ、および、Ｅの特定の組成物を 開発して、ブレーキローターに鉄合金を使用する範囲を評価した。

約２０容量パーセントの炭化けい素と８０容量パーセントの鉄合金とからなる組 成物で作られたブレーキローター１２は、ｌ０１８ポンド、すなわち４．９キロ グラムの重さを有し、鋳鉄製ローターよりも約１１％軽い。組成物へで作られた ローター１２は、図３に示すように、伝導率および熱拡散率の両者の改善を有し ている。

約３０容量パーセントの炭化けい紫と７０容量パーセントの鉄合金を有する組成 物Ｂて作られたブレーキローター１２は、約１０．０ポンド、すなわち、４．６ キログラムの重さを有し、鋳鉄製ローターより、約１７％軽い。組成物Ｂ製のロ ーターも、また、図３に示す伝導率および熱拡散率の両者の改善を有している。

約５０容量パーセントの炭化けい素と５０容喰パーセントの鉄合金からなる組成 物Ｃて作られたブレーキロークー１２は、約８．６ポンド、すなわち、約３．９ キログラムの重さを有し、鋳鉄製ローターよりも２８％軽い。組成物Ｃで作られ たローター１２も、また、図３に示す伝導率および熱拡散率の両者の改善を有し ている。

約７０容量パーセントの炭化けい素と３０容量パーセントの鉄合金からなる組成 物りで作られたブレーキローター１２は、約７．３ボンド、すなわち、約３．３ キログラムの暇さを有し、鋳鉄製ローターよりも３９％軽い。組成物Ｃで作られ たローター１２も、また、図３に示す伝導率および熱拡散率の両者の改善を有し ている。

約８０容量パーセントの炭化けい素と２０容量パーセントの鉄合金からなる組成 物Ｅで作られたブレーキローター１２は、約６．７ボントすなわち、約３．１キ ログラムの重さを有し、鋳鉄製ローターよりも４４％軽い。組成物Ｅで作られた ローター１２も、また、図３に示す伝導率および熱拡散率の両者の改善を有して いる。

組成物Ａ、Ｂ、　Ｃ，Ｄ、またはＥで作られたローター１２の製造中、成形型の 中に置かれた炭化けい素の粉体に、約２１９０−２７３０°Ｆ、すなわち、＋２ ００−１５００°Ｃの溶融鉄合金を浸透させた。−炭化けい素の融、ヴ以下のこ の温度は、鉄合金を流れさせ、できたローター１２用の相互連結されたマトリ・ ソクスを作るのに十分である。

フロントページの続き （７２）発明者　リー　セオン　クワンアメリカ合衆国　ミシガン州　４８１６ ７　リーズヴィル　サマーサイド　レーン

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．キャリパブレーキ手段用のローターであって、車両の車軸に取り付けるため の複数の開口部を有するハブを有し、前記ハブは前記車両のホイールと共に回転 し、 前記ハブから半径方向に延びるスポークと、前記スポークに取付けられた環状ヘ ッド部分とを有し、前記ヘッド部分は、ブレーキ作用を行うために、前記キャリ パを作動させたときに、ブレーキパッドと係合する第１摩擦面と第２摩擦面とを 有し、前記ローターは、１５−８０容量パーセントの炭化けい素と８５−２０容 量パーセントの鉄合金とからなる組成物でつくられ、前記組成物は、１７１Ｗ／ ｍＫ以下の熱伝導率を有することを特徴とするローター。
2. ２．前記組成物が、４．４ｇ／ｃｍ３の密度を有する、７０容量パーセントの炭 化けい素と、３０容量パーセントの鉄合金からなることを特徴とする請求項１に 記載のローター。
3. ３．前記鉄合金が、前記ブレーキパッドと係合したとき前記第１摩擦面および第 ２摩擦面から、熱エネルギーを均一に奪い去るマトリックスを形成することを特 徴とする請求項２に記載のローター。
4. ４．前記組成物が、４．０ｇ／ｃｍ３の密度を生じさせるために、８５容量パー セントの炭化けい素と１５容量パーセントの鉄合金とからなることを特徴とする 請求項１に記載のローター。
5. ５．キャリパブレーキ手段用のローターであって、ホイールと共に回転するため に車両の車軸に取り付けるための複数の開口部を有するハブと、 前記ハブから半径方向に延びる環状ディスクと、前記環状ディスクに取付けられ た環状ヘッド部分とを有し、前記ヘッド部分は、ブレーキ作用を行うために、前 記キャリパを作動させたときに、ブレーキパッドと係合する第１摩擦面と第２摩 擦面とを有し、前記ローターは、１５−８０容量パーセントの炭化けい素と８５ −２０容量パーセントの鉄合金とからなる組成物で作られ、前記組成物は、１７ １Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有し、４．０から６．４（Ｋｇ／ｍ３）の密度を存 することを特徴とするローター。
6. ６．前記鉄合金は、前記ブレーキパッドと係合したときに前記第１摩擦面と第２ 摩擦面から、熱エネルギーを均一に奪い去るマトリックスを形成することを特徴 とする請求項５に記載の口ークー。
7. ７．前記ヘッドからの前記熱エネルギーが、周囲環境に拡散させるために前記環 状ディスクに伝逹されることを特徴とする請求項６に記載のローター。