JP5708646B2 - ブレーキディスク - Google Patents

Description

本発明は、自動二輪車用として好適に利用可能なブレーキディスクに関する。

一般に、自動二輪車のブレーキディスクとして、ホイールへの取付部と、ブレーキパッドとの摺動部とを有し、１枚物の金属板をプレス成形してなるブレーキディスクや、ブレーキパッドが圧接される摺動部を有する環状の摺動ディスクと、摺動ディスクの内側に装着されるハブディスクと、両ディスクをフローティング状態に連結する複数の連結手段とを有する、所謂フローティングブレーキディスクが広く実用化されている。

また、ブレーキディスクとして、全体的な重量軽減と、摺動部における放熱性の向上と、ブレーキパッドのクリーニングなどを目的として、摺動部に複数の軽減孔を所定の配置で形成したものも広く採用されている（例えば、特許文献１、２参照。）。

更に、制動時におけるノイズの発生を防止するため、ブレーキパッドとの摺動部に１乃至複数の溝部を形成したブレーキディスクも提案され、実用化されている（例えば、特許文献３〜５参照。）。

特開２００３−３０１８７４号公報 特開２００３−７４６０４号公報 特開２００２−２９５５４９号公報 実開昭６３−１９６８４３号公報 実開昭６３−４９０３１号公報

前記特許文献１、２記載の発明のように軽減孔を形成すると、ブレーキディスクの重量を軽減できるとともに、摺動部における放熱性を向上でき、しかも軽減孔の開口縁でブレーキパッドの表面をクリーニングできるので、ブレーキパッドとの摺動面に異物が付着することを防止して制動性能の低下を防止できる。しかし、軽減孔が隣接して接近配置される孔間部分では、他の部分よりもの熱容量が小さくなることから、該孔間部分における温度変動が他の部分よりも大きくなり、温度下降時に他の部分よりも先に冷えて収縮しようとする、所謂熱引けにより、該孔間部分が破損するという問題がある。特に、レース用の自動二輪車に搭載されるブレーキディスクでは軽量化に対する要求から、摺動部を幅狭に構成して、軽減孔間の距離が小さくなる傾向にあることから、熱引けによる問題の発生が重要な課題の１つになっている。

本発明の目的は、ブレーキパッドの消耗を抑え、制動性能を高め、軽減孔間における熱引けの発生を防止可能なブレーキディスクを提供することである。

本発明に係るブレーキディスクは、ブレーキパッドとの摺動部に重量軽減用の複数の軽減孔を形成した自動二輪車用のブレーキディスクであって、前記摺動部の少なくとも一方の摺動面に、隣接する複数の軽減孔を通過するように複数の溝部を周方向に設定間隔おきに形成したものである。

このブレーキディスクでは、摺動部に複数の軽減孔を形成しているので、ブレーキディスクの重量を軽減できるとともに、摺動部における放熱性を向上でき、しかも軽減孔の開口縁でブレーキパッドの表面をクリーニングできるので、ブレーキパッドとの摺動面に異物が付着することによる制動性能の低下を防止できる。また、摺動部を横断するように溝部を形成しているので、溝部によっても、ブレーキディスクの軽量化と、摺動部における放熱性の向上と、ブレーキパッド表面のクリーニング効果を向上できる。加えて、軽減孔が隣接して接近配置される孔間部分では、他の部分よりもの熱容量が小さくなることから、該孔間部分における温度変動が他の部分よりも大きくなろうとするが、本発明では、該孔間部分に溝部が形成され、該孔間部分がブレーキパッドに直接的に接触することによる、ブレーキパッドとの摩擦熱が発生しないので、孔間部分におけるヒートスポットの発生を抑えて、孔間部分における熱引けを防止して、熱引けにより孔間部分が破損するという問題を効果的に防止することができる。

前記溝部を、隣接する軽減孔間のうちの熱引けの発生し易い部位とその両側に配置される軽減孔を通過するように形成することが好ましい実施の形態である。このように構成すると、熱引けの発生を防止しつつ、溝部の面積を極力少なくして、ブレーキパッドとブレーキディスクの接触面積が小さくなることによる制動性能の低下を極力抑制することができる。

前記溝部は、軽減孔の配置に応じて、例えば、前記摺動部の内周部と外周部とにわたって直線状又は湾曲状に形成したり、摺動部の半径方向や、摺動部の半径方向に対して一方向に角度を付けて傾斜状に形成したりすることができる。

また、前記溝部の内周側が外周側よりもブレーキディスクの回転方向の前側に位置するように、前記溝部を傾斜状に形成することが好ましい実施の形態である。前記溝部の内周側が外周側よりもブレーキディスクの回転方向の後側に位置するように、前記溝部を傾斜状に形成することも可能であるが、本発明のように形成することで、溝部に侵入した異物がブレーキパッドとの接触によりブレーキディスクの外周側へ案内されて、外部へ効率的に排出できるので好ましい。

前記溝部の少なくとも外周側端部を開放することも好ましい実施の形態である。このように構成すると、溝部に溜まった異物部をブレーキディスクの遠心力により外周側端部から効率的に外部へ排出することができる。

前記溝部を角溝状に形成することも好ましい実施の形態である。このように構成すると、摺動部が磨耗しても、溝部の開口幅が変化しないので、摺動部の磨耗によりブレーキの操作感が微妙に変動することを防止でき、安定した操作感が得られるので好ましい。

前記溝部の幅を軽減孔の直径と同じ寸法或いはそれ以上の寸法に設定し、前記軽減孔を含むように溝部を形成することも好ましい実施の形態である。溝部の幅を軽減孔の直径よりも小さい寸法に設定することもできるが、このように構成すると、溝部と軽減孔の交差部に軽減孔に臨む角部が形成され、該角部が欠け易くなるという問題があるので、本発明のように構成することで、該角部をなくして、ブレーキディスクの耐久性を向上できるので好ましい。

本発明に係るブレーキディスクによれば、摺動部に複数の軽減孔を形成しているので、ブレーキディスクの重量を軽減できるとともに、摺動部における放熱性を向上でき、しかも軽減孔の開口縁でブレーキパッドの表面をクリーニングできるので、ブレーキパッドとの摺動面に異物が付着することによる制動性能の低下を防止できる。また、摺動部を横断するように溝部を形成しているので、溝部によっても、ブレーキディスクの軽量化と、摺動部における放熱性の向上と、ブレーキパッド表面のクリーニング効果を向上できる。加えて、軽減孔が隣接して接近配置される孔間部分では、他の部分よりもの熱容量が小さくなることから、該孔間部分における温度変動が他の部分よりも大きくなろうとするが、本発明では、該孔間部分に溝部が形成され、該孔間部分がブレーキパッドに直接的に接触することによる、ブレーキパッドとの摩擦熱が発生しないので、孔間部分におけるヒートスポットの発生を抑えて、孔間部分における熱引けを防止して、熱引けにより孔間部分が破損するという問題を効果的に防止することができる。

ブレーキディスクの正面図 摺動ディスクの斜視図 摺動ディスクの正面図 図１のIV-IV線断面図 図１のV-V線断面図 図１のVI-VI線断面図 実施例２のブレーキディスクの正面図 比較例のブレーキディスクの正面図 台上試験機の概略説明図 磨耗量のグラフ 摩擦係数のグラフ

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１〜図６に示すように、フローティングブレーキディスク１は、自動二輪車用のブレーキディスクであり、平板環状の摺動ディスク１０と、摺動ディスク１０の内側に所定の隙間をあけて内嵌装着したハブディスク２０と、摺動ディスク１０とハブディスク２０とをフローティング状態に連結する複数の連結手段３０とを備えている。ただし、本発明は、自動二輪車以外のブレーキディスクに対しても適用できるし、一枚物の金属板からなるブレーキディスクに対しても適用できる。

摺動ディスク１０は、耐熱性に優れたステンレス鋼や炭素鋼からなる平坦な金属板を環状の摺動ディスク１０の形状に加工した後、ブレーキパッド２が摺接される環状の摺動部１１を熱処理して製作されている。摺動ディスク１０の寸法は、例えば外径２００ｍｍ、厚さ５ｍｍに設定したものを採用できる。

ハブディスク２０は、例えば軽量化を図るために、アルミニウム合金等の軽金属材料で構成されている。ハブディスク２０は、平坦な円板状に形成され、ハブディスク２０の中央部にはホイールハブ（図示略）の端部が挿通する取付孔２１が形成されるとともに、取付孔２１を取り囲むようにホイールハブへの取付用の複数のボルト挿通孔２２が形成されている。

図１〜図６に示すブレーキディスク１では、摺動ディスク１０とハブディスク２０とを同一平面内に配置したが、車体側の構成に応じて、摺動ディスク１０とハブディスク２０とを、ブレーキディスク１の厚さ方向（軸心方向）に一定間隔をあけた平行な平面内に配置することも可能である。また、両ディスク１０、２０の厚さは、同じに設定することもできるし、異なる厚さに設定することもできる。尚、本発明は、摺動ディスク１０に特徴を有するものであり、ハブディスク２０の構成に関しては、既存の任意の構成のものを採用することができる。

連結手段３０は、摺動ディスク１０とハブディスク２０間に円周方向に一定間隔おきに設けられている。図１では、８個の連結手段３０で摺動ディスク１０とハブディスク２０とをフローティング状態に連結したが、８個以外の個数の連結手段３０で両ディスク１０、２０をフローティング状態に連結することも可能である。

連結手段３０について説明すると、図１〜図４に示すように、連結手段３０の配設位置において、摺動ディスク１０の内周部には半円形の制動側連結凹部１５が形成され、ハブディスク２０の外周部には半円形のハブ側連結凹部２５が制動側連結凹部１５と対向状に形成され、両ディスク１０、２０を組み合わせた状態で、両ディスク１０、２０間には連結凹部１５、２５により略円形の連結穴３１が形成される。連結穴３１には連結ピン３２が装着され、この連結ピン３２より両ディスク１０、２０の相対回転及び軸方向への相対移動が規制される。連結ピン３２には皿バネからなるバネ部材３３と該バネ部材３３を受け止める座金３４とが外装され、両ディスク１０、２０はバネ部材３３により同一平面内に位置するように常時付勢されて、フローティング状態に支持されている。なお、連結手段３０としては、図示した以外の構成のものを採用することも可能である。

摺動部１１には、ブレーキディスク１の放熱性を向上するとともに重量を軽減し、しかもブレーキパッド２の摺動面１１ａを清掃することを目的として、複数の軽減孔１２が所定の配置で形成されている。軽減孔１２の配置は、放熱性及び重量軽減の効果が、ブレーキディスク１の全周にわたって一様に得られるように、摺動部１１に対して一様に分散配置することが好ましい。また、制動時に、ブレーキパッド２がブレーキディスク１の摺動面１１ａ上を一定角度回転することで、軽減孔１２の口縁でブレーキパッド２の摺動面１１ａの全面を清掃できるように、周方向及び半径方向に間隔をあけて配置することが好ましい。具体的には、周方向に設定間隔おきの半径方向の線分上に、半径方向に間隔をあけて複数の軽減孔１２を形成したり、周方向に設定間隔おきの、半径方向に対して角度を付けた直線上に、半径方向に間隔をあけて複数の軽減孔１２を形成したり、周方向に設定間隔おきの、半径方向に対して角度を付けた曲線上に、半径方向に間隔をあけて複数の軽減孔１２を形成したりすることができる。例えば、図１に示すブレーキディスク１では、周方向に７．５°おきの、半径方向に対して２５°の角度を付けた４８本の直線Ｌ上に、半径方向に間隔をあけて配置した、３個、２個、３個、２個、２個、２個の計１４個を１組とし、周方向に８組、計１１２個の軽減孔１２を形成している。軽減孔１２の直径は、ブレーキディスク１の機械的強度及び制動性能を十分に確保するため、４〜１０ｍｍに設定することが好ましく、図１に示すブレーキディスク１では直径５ｍｍに設定している。ただし、軽減孔１２としては、図１〜図３に示すような丸孔以外に細長いスリット状の長孔を形成することも可能で、軽減孔１２の形状や寸法や個数や配置は、ブレーキディスク１の機械的強度や制動性能、意匠性や放熱性などを考慮して適宜に設定することができる。

前記摺動部１１には、複数の溝部１３が、隣接する複数の軽減孔１２を通過するように、周方向に設定間隔おきに形成され、これら複数の溝部１３は、摺動部１１の内周部と外周部とにわたって、摺動部１１を横断するように、直線状又は湾曲状に形成されている。より具体的には、これら複数の溝部１３は、軽減孔１２を通過する、前記周方向に設定間隔おきに配置される半径方向の線分上や、周方向に設定間隔おきに配置される半径方向に対して角度を付けた直線上や、周方向に設定間隔おきに配置される半径方向に対して角度を付けた曲線上に、摺動部１１を横断するように形成されている。全ての軽減孔１２を通過するように溝部１３を形成することも可能であるが、このように構成すると、ブレーキディスク１とブレーキパッド２との接触面積が少なくなって、制動性能が低下するので、隣接する軽減孔１２間のうちの熱引けの発生し易い部位とその両側に配置される軽減孔１２を通過するように形成することが好ましい。つまり、隣接する軽減孔１２間の距離が、隣接する他の軽減孔１２間の距離よりも小さくなる孔間部分においては、熱引けが発生し易いので、該孔間部分とその両側の軽減孔１２を通過するように溝部１３を形成して、該孔間部分がブレーキパッド２に直接的に接触することによる温度上昇を抑制することで、熱引けを防止することが好ましい。例えば、図１に示すように、溝部１３は、半径方向に対して２５°の角度を付けた直線Ｌ上に３つの軽減孔１２が連接される部分にのみ、該軽減孔１２を通過するように、摺動部１１の片面に対して１６本、両面に計３２本だけ形成することになる。

また、溝部１３は、摺動部１１の両面における制動性能を一様に設定するため、摺動部１１の両面に形成することが好ましいが、片面にのみ形成することも可能である。摺動部１１の両面に形成する場合には、摺動部１１の両面の同じ位置に形成することが好ましいが、異なる位置に形成することも可能である。また、溝部１３の本数は、摺動部１１の両面に同じ本数だけ形成することが好ましいが、異なる本数だけ形成することも可能である。例えば、図１において、隣接配置される８組の２本の溝部１３のうちの一方を摺動部１１の一方の面に形成し、他方を他方の面に形成し、摺動部１１の両面に８本の溝部１３をそれぞれ形成することができる。

溝部１３の外周端部には外側へ向けて開口する開口部１３ａが形成され、溝部１３内に侵入した異物は、ブレーキディスク１の回転による遠心力で、溝部１３の外周部側へ移動して、開口部１３ａから外部へ排出されるように構成されている。また、溝部１３を半径方向に対して角度を付けた直線状や、曲線状に形成する場合には、図１に示すように、溝部１３の内周側が外周側よりもブレーキディスク１の回転方向（図１に矢印Ａで図示）の前側に位置するように、溝部１３を半径方向に対して傾斜状に形成することが好ましい。このように構成すると、制動時におけるブレーキパッド２との接触により、溝部１３内に侵入した異物をブレーキディスク１の外周側へ案内して、より一層効率的に異物を外部へ排出できる。

溝部１３の長さ方向と直交方向の断面形状は、任意に設定可能であるが、長方形や正方形などの角溝状に形成して、溝部１３の内側面を摺動部１１の厚さ方向に形成すると、ブレーキディスク１が磨耗しても、溝部１３の開口幅が変化しないので、摺動部１１の磨耗によりブレーキの操作感が微妙に変動することを防止でき、安定した操作感が得られるので好ましい。

溝部１３の深さはブレーキディスク１の必要な機械的強度を確保可能な任意の深さに設定することができ、摺動部１１の厚さ方向に占める溝部１３の割合は、７０％以下、好ましくは５％〜６０％に設定することになる。摺動部１１の同じ位置に溝部１３を形成する場合には、表裏２本の溝部１３の深さの和を摺動部１１の厚さの７０％以下、好ましくは５％〜６０％に設定することになり、摺動部１１の異なる位置に溝部１３を形成する場合には、１本の溝部１３の深さを摺動部１１の厚さの７０％以下、好ましくは５％〜６０％に設定することになる。図１に示すブレーキディスク１では、溝部１３の深さを摺動部１１の厚さの１０％（０．５ｍｍ）に設定した。

溝部１３の幅は、軽減孔１２の直径よりも小さい寸法に設定することも可能であるが、このように構成すると、溝部１３と軽減孔１２の交差部に軽減孔１２に臨む角部が形成され、該角部が欠け易くなるので、軽減孔１２の直径と同じ寸法或いはそれ以上の寸法に設定し、軽減孔１２を含むように溝部１３を形成することが好ましい。また、溝部１３として、異なる幅や異なる深さの溝部を混在させることも可能であるし、長さ方向の途中部において幅や深さを変更した溝部１３を形成することも可能である。

次に、溝部を形成したブレーキディスクの評価試験について説明する。
実施例１として、図１に示すように、摺動ディスクとして、厚さ５ｍｍ、直径２００ｍｍのステンレス鋼板からなり、摺動部１１に直径５ｍｍの丸孔からなる軽減孔１２を図１に示す配置で１１４個形成し、軽減孔１２と通るように周方向に設定間隔おきに配置した半径方向に対して２５°の角度を付けた４８本の直線Ｌのうちの、３つの軽減孔１２を通るように配置した１６本の直線Ｌ上に、幅５ｍｍの溝部１３を両面に形成した摺動ディスク１０を用いたブレーキディスク１を製作した。また、実施例２として、図７に示すように、溝部１３を逆向きに傾斜状に形成した以外は実施例１と同じ構成の摺動ディスク１０Ａを用いたブレーキディス１Ａを製作した。また、比較例として、図８に示すように、溝部１３を省略した以外は実施例１と同じ構成の摺動ディスク１０Ｂを用いたブレーキディスク１Ｃを製作した。

（効力試験）
試験機として、図９に示すような台上試験機４０を用いた。この台上試験機４０は、ベルト４１及びイナーシャ４２を介してブレーキディスク１を回転駆動する交流モータ４３と、交流モータ４３の回転数を制御する図示外のインバータと、試験ディスク１に対して制動力を付与するためのキャリパ４４と、キャリパ４４へのブレーキ液圧を供給するマスターシリンダ４５と、キャリパ４４と同軸で取り付けたアーム４６を介して制動時に発生するブレーキトルクを測定するロードセル４７と、交流モータ４３とマスターシリンダ４５を制御する制御手段４８とを備えている。そして、インバータにより交流モータ４３を制御してブレーキディスク１の回転数を制御するとともに、マスターシリンダ４５によりキャリパ４４へのブレーキ液圧を制御して、キャリパ４４の１対の焼結パッドからなるブレーキパッド２でブレーキディスク１を挟持しながら、そのときのブレーキトルクをロードセル４７により測定できるように構成した。

実施例１，２及び比較例のブレーキディスク１，１Ａ，１Ｂを台上試験機４０にセットして、表１に示す試験条件で、１０回の摺り合せを行った後、制動開始時点でのブレーキパッドの温度を１００℃に設定した場合と、２００℃に設定した場合の２種類の本試験をブレーキディスク１，１Ａ，１Ｂに対してそれぞれ３回行った。そして、試験前後におけるブレーキパッドの厚さを測定して、ブレーキパッドの磨耗量を測定し、表２及び図１０に示す結果を得た。また、次式で制動部の摩擦係数を演算して、表２及び図１１に示す結果を得た。

摩擦係数＝（Ｔ／Ｐ）×（１／（Ｒ×Ｓ））×（１／２）×（１／１００）
Ｔ：アーム４６の長さと、ロードセル４７の測定値の積から求めたトルク[Ｎｍ]
Ｐ：キャリパ４４への液圧[ＭＰａ]
Ｒ：ブレーキ有効半径[m]
Ｓ：キャリパ４４のピストン径から求めたシリンダ面積[cm²]

表２及び図１０から、溝部１３を形成した実施例１、２は、溝部１３を有さない比較例よりもブレーキパッドの磨耗量が少なく、ブレーキパッドの耐用年数を長くできることが判る。また、表２及び図１１から、溝部１３を形成した実施例１、２は、溝部１３を有さない比較例よりも摩擦係数が大きく、制動性能が高くなっていることが判る。また、実施例１は実施例２よりもブレーキパッドの磨耗量が多くなるが、摩擦係数が大きくなって制動性能が高くなるのでより好ましいことが判る。

（熱引け確認試験）
実施例１，２及び比較例のブレーキディスク１，１Ａ，１Ｂを台上試験機４０にセットして、摺動ディスク１０の温度を測定しながら、摺動ディスク１０の素材の耐熱温度以下の設定温度、例えばＪＦＥスチール株式会社製のステンレス鋼、ＪＦＥ４１０ＤＢＳＲ＊ＡＮ−Ｕ（耐熱温度６５０℃）からなる摺動ディスクでは、６００℃±２０℃の設定温度に収束するように、０．２Ｇの減速度で制動力を作用させた制動状態と、制動力を作用させない冷却状態とを繰り返し、例えば制動状態と冷却状態を１０回繰り返して行っても、摺動ディスク１０の最高温度が設定温度の範囲内に略一定に維持されるまで、制動状態と冷却状態を繰り返し行った後、ブレーキディスクを台上試験機４０から取外して、摺動ディスク１０における熱引けの発生を目視にて確認した。

その結果、溝部１３を有さない比較例では、軽減孔１２間に熱引けが発生し、溝部１３を形成した実施例１、２では熱引けが発生しておらず、溝部１３を形成したことにより、軽減孔１２における熱引けを防止できることが判った。

１ ブレーキディスク ２ ブレーキパッド
１０ 摺動ディスク １１ 摺動部
１１ａ 摺動面 １２ 軽減孔
１３ 溝部 １３ａ 開口部
１５ 制動側連結凹部
２０ ハブディスク ２１ 取付孔
２２ ボルト挿通孔 ２５ ハブ側連結凹部
３０ 連結手段 ３１ 連結穴
３２ 連結ピン ３３ バネ部材
３４ 座金
４０ 台上試験機 ４１ ベルト
４２ イナーシャ ４３ 交流モータ
４４ キャリパ ４５ マスターシリンダ
４６ アーム ４７ ロードセル
４８ 制御手段
１Ａ ブレーキディスク １０Ａ 摺動ディスク
１Ｂ ブレーキディスク １０Ｂ 摺動ディスク

Claims (7)

1. ブレーキパッドとの摺動部に重量軽減用の複数の軽減孔を形成した自動二輪車用のブレーキディスクであって、
   前記摺動部の少なくとも一方の摺動面に、隣接する軽減孔間のうちの熱引けの発生し易い部位とその両側に配置される軽減孔を通過するように複数の溝部を周方向に設定間隔おきに形成した、
   ことを特徴とするブレーキディスク。
2. 前記溝部を、前記摺動部の内周部と外周部とにわたって直線状又は湾曲状に形成した請求項１記載のブレーキディスク。
3. 前記溝部を、前記摺動部の半径方向に対して一方向に角度を付けて傾斜状に形成した請求項１又は２記載のブレーキディスク。
4. 前記溝部の内周側が外周側よりもブレーキディスクの回転方向の前側に位置するように、前記溝部を傾斜状に形成した請求項１〜３のいずれか１項記載のブレーキディスク。
5. 前記溝部の少なくとも外周側端部を開放した請求項１〜４のいずれか１項記載のブレーキディスク。
6. 前記溝部を角溝状に形成した請求項１〜５のいずれか１項記載のブレーキディスク。
7. 前記溝部の幅を軽減孔の直径と同じ寸法或いはそれ以上の寸法に設定し、前記軽減孔を含むように溝部を形成した請求項１〜６のいずれか１項記載のブレーキディスク。

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