JP2015059627A - ブレーキディスクロータ - Google Patents

Abstract

【課題】鋳造されるベンチレーテッド型ブレーキディスクロータの冷却効率を、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さや数を最適化することによってさらに高め、同時に良好な生産性も確保することを課題としている。【解決手段】軸方向に離間して配設された左右の摺動部間に通風路と多数の放熱フィンが設けられたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータについて、前記放熱フィンを、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの２者で構成し、それらの放熱フィンを放射状に配設し、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比について、外周側放熱フィンの長さを１Ｘとしたときに内周側放熱フィンの長さが０．６０Ｘ〜０．７５Ｘとなるように設定した。【選択図】図２

Description

この発明は、車両などに利用されるブレーキ用のディスクロータ、特に、冷却性能に勝れたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータに関する。

軸方向に離間して配設された左右（インナ側とアウタ側）の摺動部間に通風路と多数の放熱フィンが設けられたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

同文献に記載されたブレーキディスクロータは、左右の摺動部間に放熱フィン（隔壁と称している）と通風路を放射状に配列して設けている。また、放熱フィンは、外周側放熱フィンとその外周側放熱フィンよりも長さの短い内周側放熱フィンに分け、その２者の間にロータ回転方向前後の通風路（放熱フィンを間に挟む通路）を連通させる連通口を設けている。

特許第３１７０７６３号公報

特許文献１のブレーキディスクロータは、通風路の入口開口から流入する冷却風の流れを内周側放熱フィンでコントロールして外周側放熱フィンの負圧面側の流れを滑らかにする。これにより、外周側放熱フィンの負圧面側における流れのよどみの領域を狭くし、通風路内における冷却風の流れの圧力損失を低減させて送風・冷却効率を高め、冷却面積も拡大して放熱性を向上させている。

しかしながら、このように、放熱フィンを外周側放熱フィンと内周側放熱フィンに分け、その外周側放熱フィンと内周側放熱フィン間に連通口を設けるブレーキディスクロータについては、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さや数を適切に設定することで、特許文献１が提案している構造よりもさらに冷却効率などが高まることを本願発明者らは見出した。

この発明は、鋳造されるベンチレーテッド型ブレーキディスクロータの冷却効率を、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さや数を最適化してさらに高め、同時に良好な生産性も確保することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明は、軸方向に離間して配設された左右（インナ側とアウタ側）の摺動部間に通風路と多数の放熱フィンが設けられたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータを以下の通りに構成した。

即ち、前記放熱フィンを、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの２者で構成し、それらの放熱フィンを放射状に配設した。また、この発明を特徴づける構成として、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比について、外周側放熱フィンの長さを１Ｘとしたときに内周側放熱フィンの長さが０．６０Ｘ〜０．７５Ｘとなるように設定した。

一般的なベンチレーテッド型のブレーキディスクロータは、鋳造して作られる。その鋳造法で製造されるブレーキディスクロータは、放熱フィンの厚みを通常、４〜８ｍｍに設定したうえで、製造条件（鋳造用砂型の必要強度確保など）として放熱フィン間の間隔を所定以上確保している。また、その間隔には、摺動部にブレーキパッドの押圧に耐える強度を持たせるために放熱フィンの厚みを考慮した上で上限を設定している。

なお、この様な設計がなされた一般的なベンチレーテッド型のブレーキディスクロータは、冷却風の入口開口から通風路への流入角αが４０°〜５０°になることが知られている。

この発明のブレーキディスクロータも、放熱フィンの厚みや放熱フィン間の間隔については、従来の設計思想に基づく設定がなされる。即ち、放射状に配置する放熱フィンを外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの２者に分け、内周側放熱フィンの長さを外周側放熱フィンの長さの０．６０〜０．７５倍にしたことがこの発明の工夫点である。

この発明のブレーキディスクロータは、上記に加えてさらに、前記外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比について、外周側放熱フィンの総数を１Ｙとしたときに内周側放熱フィンの総数が０．６０Ｙ〜０．７５Ｙ（両者の比が１Ｙ：０．６０Ｙ〜０．７５Ｙ）となるように設定するとより良い効果を期待できる。

なお、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比を、１Ｘ：０．６０Ｘ〜０．７５Ｘに設定することに代えて、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比について、上記の比、即ち、１Ｙ：０．６０Ｙ〜０．７５Ｙとなるように設定することのみでも、冷却効率の向上と良好な生産性の確保を実現することができる。

この発明のブレーキディスクロータは、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比を、１Ｘ：０．６０Ｘ〜０．７５Ｘに設定したことによって、高い冷却効率と良好な生産性を両立させることができる。

上記特許文献１は、内周側放熱フィンの長さを外周側放熱フィンの長さの半分以下にすることを述べているが、内周側放熱フィンの長さは外周側放熱フィンの長さの半分よりも大きいほうがよい。内周側放熱フィンの長さの比を小さい状態から徐々に増加させていくと、内周側放熱フィンの長さが外周側放熱フィンの長さの０．７５倍となったときに熱伝達率が飽和することを実験によって解明した。

図８は、外周側放熱フィンの長さを１Ｘとしたときの内周側放熱フィンの長さと熱伝達率との関係を示す特性線図である。

この図８からわかるように、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比が１Ｘ：０．７５Ｘに至るまでは内周側放熱フィンの長さの単位増加量当たりの熱伝達率の増加量が大きいが、上記の比に至った後はその熱伝達率の増加が頭打ちになって極端に小さくなる。このために、この発明においては、内周側放熱フィンの長さの上限を０．７５Ｘに設定した。

また、内周側放熱フィンの長さの下限は、以下の理由によって０．６０Ｘとした。即ち、ブレーキディスクロータを鋳造する際には周方向に隣り合う放熱フィン間が砂型（鋳型）によって区画される。ロータの内周側と外周側には周長差があるため、内周側放熱フィン間の間隔（通風路の幅）は、外周側放熱フィン間に形成される通風路に比べて狭くなりがちである。

その幅が狭いと砂型の通風路成形部の周方向厚みが薄くなる。こうした状況でも内周側放熱フィンの長さが短ければ砂型の必要剛性を確保して生産性を良くすることができる。

この点を考えれば、内周側放熱フィンの長さは短いほどよいが、特許文献１に開示されたブレーキディスクロータと比較して同等以上の放熱性能を得るために、後述する理由から内周側放熱フィンの長さは、下限を０．６０Ｘとした。

上記の長さの比を有することに加えて、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比を１Ｙ：０．６０Ｙ〜０．７５Ｙに設定したものは、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの位置が周方向にずれるため、内周側放熱フィンの回転方向前方の面（圧力面）に沿って流れる冷却風が外周側放熱フィンの負圧面側に流れ込み易くなってよどみの領域が狭くなる。

そのために、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比が１：１であり、なおかつ、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンが同数で同一線上にあるものに比べて、圧力損失の低減と、送風効率の向上が図られ、これにより、放熱性能がさらに高まる。

また、外周側放熱フィン間の間隔が内周側放熱フィン間の間隔よりも大きくなるので、内周側放熱フィンと外周側放熱フィンの双方に関して、周方向前後の放熱フィン間の間隔を砂型の必要剛性を確保する上での適正値に設定することも可能になる。上述したように、外周側放熱フィンは内周側放熱フィンよりも長いため、砂型の必要剛性を確保するためには外周側放熱フィン間の周方向間隔を内周側放熱フィン間の周方向間隔よりも大きくする必要があり、その要求にも応えることができる。

外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比のみを１Ｙ：０．６０Ｙ〜０．７５Ｙに設定したものも、放熱フィンの表面積が増加し、また、通風路の入口開口から流入した冷却風が全ての放熱フィンに効率よく当たる。また、先に述べた理由から砂型の剛性確保に必要な放熱フィン間の間隔設定も適正化でき、これにより、冷却効率の向上と良好な生産性の確保を実現することができる。

この発明のブレーキディスクロータの一例を示す断面図である。 図１のII-II線に沿った断面図である。 図１のブレーキディスクロータの放熱フィンと通風路の一部を破断して示す斜視図である。 この発明のブレーキディスクロータの他の例を示す断面図である。 図４のブレーキディスクロータの放熱フィンと通風路の一部を破断して示す斜視図である。 性能の比較試験に用いた従来のブレーキディスクロータの軸直角断面図である。 性能の比較試験に用いた参考例のブレーキディスクロータの軸直角断面図である。 外周側放熱フィンの長さを１Ｘとしたときの内周側放熱フィンの長さと熱伝達率との関係を示す特性線図である。

以下、この発明のベンチレーテッド型のブレーキディスクロータの実施の形態を添付図面の図１〜図５に基づいて説明する。

図１に示すように、この発明のブレーキディスクロータ１は、車両の車軸に固定されるハット部２の外周に摺動板３を一体に形成してなる。

ベンチレーテッド型ブレーキディスクロータの摺動板３は、軸方向に離間して配設された左右（インナ側とアウタ側）の摺動部４，５間に、通風路（ベンチホール）６と多数の放熱フィン７を設けて構成されている。

摺動部４，５は、インナ側とアウタ側のブレーキパッド（どちらも図示せず）を摺接させる摺動面４ａ、５ａを有している。４ａがインナ側、５ａがアウタ側の各摺動面である。

摺動部４、５は、それぞれの軸方向厚みをディスクの内周側に向かって薄くしている。これにより、放熱フィン７のディスク軸方向寸法がディスクの内周側で大きくなってその放熱フィン７の表面積が増加し、冷却性能が向上する。ただし、これは前掲の特許文献１にも開示された構造であり、この発明を特徴づけるものではない。

放熱フィン７は、ディスクロータの内周側に配置される内周側放熱フィン７ａとディスクの外周側に配置される外周側放熱フィン７ｂの２者に分けられている。

その内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂは、どちらも放射状に配置されている。また、内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂとの間に放熱フィンのディスクロータ回転方向前後の通風路６、６を連通させる連通口８を設けている。

そしてさらに、内周側放熱フィン７ａは、外周側放熱フィン７ｂの長さを１Ｘとしたときに０．６０Ｘ〜０．７５Ｘとなるようにその長さを設定している。

外周側放熱フィン７ｂの長さに対して内周側放熱フィン７ａの長さの割合の上限を０．７５Ｘとしたのは、図８の実験データを得たからである。

各放熱フィンの厚みや放熱フィン間の間隔については、従来と同じ設計思想に基づく設定がなされる。内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂの長さの比が従来品と異なる。

例えば、図２のブレーキディスクロータ１に関しては、寸法諸元が以下の通りに設定されている。
・図１に示す摺動部４の内径Ｄ１＝φ１３０ｍｍ〜φ２５０ｍｍ
・ディスクロータ外径Ｄ２＝φ２３０ｍｍ〜φ４００ｍｍ
・ディスクロータの径方向外端での摺動部４、５の厚みｔ１＝５ｍｍ以上
・ディスクロータの径方向外端での摺動部４、５間の距離Ｗ＝６ｍｍ〜１８ｍｍ
・内周側放熱フィン７ａの長さＬ１＝１６．５ｍｍ〜２７ｍｍ
・外周側放熱フィン７ｂの長さＬ２＝２２ｍｍ〜３６ｍｍ
（Ｌ２：Ｌ１＝４：３）
・連通口８のディスクロータ径方向寸法（内周側放熱フィン７ａの径方向外端と外周側放熱フィン７ｂの径方向内端間の距離）Ｌ３＝６ｍｍ〜１０ｍｍ
放熱フィンの厚み：４ｍｍ〜８ｍｍ

図２のブレーキディスクロータ１は、外周側放熱フィン７ｂと内周側放熱フィン７ａの総数が同じであって、その特徴は、両放熱フィンの長さの比が１Ｘ：０．６０Ｘ〜０．７５Ｘに設定されたことのみにある。

これに対し、図４、図５のブレーキディスクロータ１は、外周側放熱フィン７ｂと内周側放熱フィン７ａの長さの比を１Ｘ：０．６０Ｘ〜０．７５Ｘに設定し、さらに、内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂの総数についても、外周側放熱フィン７ｂの総数を１Ｙとしたときに内周側放熱フィン７ａの総数が０．６０Ｙ〜０．７５Ｙになる設定にしている。

内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂは、それぞれが周方向に定ピッチで配列されている。内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂの周方向の位置関係は、特に一定している必要はない。

この形態では、外周側放熱フィン７ｂに比べてフィン間の間隔が狭くなりがちな内周側放熱フィン７ａの総数が外周側放熱フィンの総数よりも少なくなる。これにより、内周側放熱フィン７ａと外周側放熱フィン７ｂの総数が等しいものに比べると内周側放熱フィン７ａ間の周方向間隔が広がって砂型の剛性確保が容易になる。

また、内周側放熱フィン７ａ間の周方向間隔が両フィンの総数が等しいものと同一である場合には、外周側放熱フィンの総数が増加して放熱フィンの表面の面積が増加し、それにより、より良い冷却性能が望める。

図４のブレーキディスクロータ１は、外周側放熱フィン７ｂの総数と、内周側放熱フィン７ａの総数との比が１Ｙ：０．７５Ｙとなっている。図４のブレーキディスクロータ１のその他の寸法諸元は、図２のブレーキディスクロータ１と同じである。

下記Ｉ〜IVのブレーキディスクロータについて、冷却性能と熱伝達率を、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）で計算して求めた。試験条件は、車速１００ｋｍ／ｈとした。
・ロータＩ：放熱フィンが摺動板の内周側から外周側に向けてストレートに伸びた図６の従来品のブレーキディスクロータ。
・ロータII：内周側放熱フィンの長さをそれと同数の外周側放熱フィンの長さの０．８５倍にしたブレーキディスクロータ（図２と類似したもの。図示せず）。
・ロータIII：放熱フィンを３列にして２列目の放熱フィンは円柱フィンにした図７の参考品の各ブレーキディスクロータ（内周側放熱フィンの長さは外周側放熱フィンの長さよりも長い）。
・ロータIV：先に述べた寸法諸元の図４のブレーキディスクロータ（内周側放熱フィンの長さが外周側放熱フィンの長さの約０．７５倍、内周側放熱フィンの総数が外周側放熱フィンの総数の０．７５倍）。

上記ロータＩは、放熱フィンの内周側の先端における熱伝達率が高いが、外周側ほど熱伝達率が低い。

また、上記ロータIIは、内周側放熱フィンと外周側放熱フィンの間に連通口があることで、内周側放熱フィンの内周側の先端部で熱伝達率が高く、外周側に行くに従いその熱伝達率が低下するが、外周側放熱フィンの内周側先端で再度熱伝達率が高くなり、これにより熱伝達率の低下が抑えられて冷却性が向上する。このロータIIは、ロータＩに比べて放熱フィンの表面積も増加し、熱伝達率、冷却性能がロータＩに勝る。

上記ロータIIIは、内周側放熱フィンと外周側放熱フィンの内周側の先端部だけでなく、円柱フィンの熱伝達率が高くなるため、放熱フィンの内周側から外周側に向かっての熱伝達率の低下が抑制されて冷却性が向上する。

一方、上記ロータIVは、内周側放熱フィンと外周側放熱フィンの内周側の先端部での熱伝達率が高く、内周側から外周側に向かっての熱伝達率の低下を防ぐだけでなく、内周側放熱フィンと外周側放熱フィンの周方向位相のずれによって外周側放熱フィンの負圧面側での冷却風のよどみが抑制されるため、冷却性能がさらに向上する。

この評価により、ロータＩに対してロータIIは冷却性能が約４％、ロータIIIは約６％、ロータIVは約９％向上することを確認した。

ロータIIIは、ロータIIに比べて、ロータＩに対する放熱フィンの表面積の増加率が高いが、放熱フィンの表面の流速が低く、冷却性能がロータIVに比べて低い。つまり、この発明の要件を満たしたロータIVが最も冷却性能に優れている。

また、ベンチレーテッド型ブレーキディスクロータの鋳造に利用される砂型は、所定の間隔を保った２箇所の摺動部形成空間に対してその摺動部形成空間の外周に配置された堰の位置から湯（溶融金属）を流し込む。その湯は、片方の摺動部形成空間から２箇所の摺動部形成空間の間に配置された外周側放熱フィンの形成空間と内周側放熱フィンの形成空間を通ってもう一方の摺動部形成空間に流入する。

このとき、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比を１Ｘ：０．６０Ｘ〜０．７５Ｘに設定したロータは、外周側放熱フィンの形成空間の容積が大きいために（外周側放熱フィンは内周側放熱フィンよりも長いので外周側放熱フィンの形成空間の容積は大きくなる）外周の堰から流し込まれた湯が片方の摺動部形成空間から外周側放熱フィンの形成空間に進入したときに空間の容積増加によって湯の流速が低下し易くなる。

これにより、湯による砂型表面の浸食が抑制され、砂型の剛性維持が良好になされる。

１ ブレーキディスクロータ
２ ハット部
３ 摺動板
４，５ 摺動部
４ａ，５ａ 摺動面
６ 通風路
７ 放熱フィン
７ａ 内周側放熱フィン
７ｂ 外周側放熱フィン
８ 連通口
α 冷却風の流入角

Claims (3)

1. 軸方向に離間して配設された左右の摺動部間に通風路と多数の放熱フィンが設けられたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータであって、前記放熱フィンが、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの２者で構成され、それらの放熱フィンが放射状に配設され、さらに、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの長さの比について、外周側放熱フィンの長さを１Ｘとしたときに内周側放熱フィンの長さが０．６０Ｘ〜０．７５Ｘとなるように設定されたブレーキディスクロータ。
2. 上記に加えてさらに、前記外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比について、外周側放熱フィンの総数を１Ｙとしたときに内周側放熱フィンの総数が０．６０Ｙ〜０．７５Ｙとなるように設定された請求項１に記載のブレーキディスクロータ。
3. 軸方向に離間して配設された左右の摺動部間に通風路と多数の放熱フィンが設けられたベンチレーテッド型のブレーキディスクロータであって、前記放熱フィンが、外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの２者で構成され、その外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの各々が放射状に配設され、さらに、前記外周側放熱フィンと内周側放熱フィンの設置総数の比について、外周側放熱フィンの総数を１Ｙとしたときに内周側放熱フィンの総数が０．６０Ｙ〜０．７５Ｙとなるように設定されたブレーキディスクロータ。

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