JP5908661B2 - 多孔質コアを含む機械的摩擦デバイス - Google Patents

Description

本発明は、多孔質コアを含む機械的摩擦デバイスに関する。特に、本発明は、２つの外側摩擦層の間に挟まれた多孔質層を含むブレーキディスク又はクラッチディスクに関するものであるが、これに限定されるものではない。

車両にはブレーキシステムが不可欠である。ブレーキシステムの中でも、ディスクブレーキは、ブレーキディスクとブレーキパッドとの間の接触界面で運動エネルギーを熱にして放散するために、広く採用されている。ディスクブレーキの動作に精通している人であれば、ブレーキ時に、機械的負荷及び熱的負荷の両方がブレーキディスクに同時に加わることを知っているであろう。従って、ブレーキディスクは、ブレーキパッドによりブレーキディスクに加えられる圧縮力に耐えることができるというだけでなく、ディスクとパッドとの間の摩擦力に起因する熱的負荷を処理できることを必要とされる。

ブレーキ時、連続的なクランプ力が、ブレーキパッドによりブレーキディスクに加わる。Ｍｅｒｃｅｄｅｓ−Ｂｅｎｚ Ａｔｅｇｏ等の中型貨物用車であれば、約１２０ｋＮのクランプ力がブレーキディスクに加わり、接触面積は約１９．４９×１０^−３ｍ^２（０．２１０７ｍ×０．０９２５ｍ）で、ディスクの全面積の約６分の１をカバーするものであると求められる。上記パラメータに基づき、約６ＭＰａの平均圧縮応力がブレーキパッド直下でブレーキディスク材料に加わる。

さらに、ブレーキディスクとパッドとの間の摩擦熱のために、Ｍｅｒｃｅｄｅｓ−Ｂｅｎｚ Ａｔｅｇｏ等の中型貨物用車のブレーキディスクに及ぼされる熱流束は、約０．２ＭＷ／ｍ^２のオーダーであると求められる。この値は、８０ｋｍ／ｈの一定の速度で３．５％の一定の傾斜を下降する車両に基づくものである。

数多くの研究がなされ、高い温度により、また高温部がブレーキディスク上に不均一に分布していることにより、ブレーキのフェード並びにディスク及びパッドの両方の摩耗増大がどのようにもたらされ得るのかが示されてきた。誘発された熱応力場により、ディスクの低サイクル疲労、クラッキング、さらには致命的な故障も起こり得る。全体の温度が過度に高い場合、ブレーキ流体がキャリパーシリンダー中で沸騰するおそれがあり、これにより「流体フェード」及び潜在的な危険のあるブレーキ力低下がもたらされ得る。

これらのブレーキの故障問題に対処するため、ブレーキディスクは、高レベルの熱流束を処理できなければならない。現在使用されている、高熱流束を処理する１つの方法は、ブレーキディスクに含まれる熱交換素子を用いて熱を除去することである。周知の解決方法は、スロット又はホールを含み、ディスクが回転すると当該スロット又はホールにおいて空気流の強制対流が引き起こされるように、ブレーキディスクを設計することである。知られている別の解決方法は、ディスクの本体部において、空気流チャンネル中に放射状の羽根、湾曲した羽根、及びピンフィン等の熱交換素子を含むことである。この種類のディスクブレーキは、業界では通常、ベント式（ｖｅｎｔｅｄ）ディスクブレーキ又はベンチレーテッド（ｖｅｎｔｉｌａｔｅｄ）ディスクブレーキと呼ばれる。ブレーキディスクが回転すると、冷却流が通気チャンネルへ引き込まれる。ある種のベンチレーテッドブレーキディスクは、それぞれが半径方向に延在する、環状に離間した複数のチャンネルを含む。別の種類のベンチレーテッドブレーキディスクは、使用時にブレーキパッドに係合する２つの外側ラビングディスク（ｒｕｂｂｉｎｇ ｄｉｓｃ）の間に配置された、単一の環状チャンネルを含む。いくつかの熱交換素子が、環状チャンネル中に配置され、２つの外側ラビングディスクの間で延在する。

その通気チャンネルに完全放射状の羽根が備え付けられた、ベンチレーテッドブレーキディスクの周りの速度場に関する研究により、冷却流は、通気チャンネルに入る前に、ブレーキディスク軸に関して逆回転方向に渦を巻くということが示されている。コリオリ力のために、羽根により形成される通路に対する流入角が大きくなり、これにより、流れが羽根の先端から分かれることになる。その結果、流れが大きく再循環される領域が各羽根の吸入側に形成され、これにより、通気チャンネル中の冷却流量が減少する。通気チャンネル中の冷却流を増加させるために、流れが分断されるのを抑制する湾曲羽根等、いくつかの改良された設計の羽根が考案されている。その結果、冷却流の質量流量及びこれに対応する冷却性能がさらに改善されたと報告されている。しかしながら、半径方向に分布した羽根によって熱伝達が非常に不均一なものとなることにより、羽根付近におけるディスクの温度勾配も大きくなる。これに対応して、熱応力のために、このようなブレーキディスクには、羽根に沿って熱疲労関連のクラッキングが生じる傾向がある。このため、このようなブレーキディスクは大型車両への利用が制限されている。ブレーキディスク内の大きな温度勾配を小さくする試みにおいて、通気チャンネル中で半径方向及び周方向の両方に分布したピンフィンを有するブレーキディスクが開発された。

羽根とピンフィンとを有するブレーキディスクの熱伝達性能は全体的に向上するということが示されているものの、当該ブレーキディスクの設計上の制約のため、これらの設計のあらゆる側面を同時に最適化することは困難である。ブレーキディスクの冷却能力だけでなく、ブレーキディスクの重量及び剛性をも最適化することが望ましい。このため、設計上の要請が競合することになる。

通常、ベンチレーテッドディスクチャンネル中の熱交換素子の設計の自由度は、当該熱交換素子が、ブレーキパッドとブレーキディスクとの間の強いクランプ力又は圧縮力に耐えられるように、十分な構造的一体性を有していなければならないという点で、制限されている。小型車及び大型車に使用されるベンチレーテッドブレーキディスクで、ブレーキディスクに対して垂直に突出する固体熱交換素子がベンチレーテッドディスクチャンネルの体積の３０％超を占めているのは、この理由による。この熱交換素子の構成に係る１つの課題は、ブレーキディスクの周方向に沿って熱拡散が起こらず、これにより、周方向に熱応力が誘起される点である。

熱的には、ベンチレーテッドブレーキディスクでは、第一に、ブレーキディスク及びパッドの温度を確実に低くすることが必要であり、第二に、半径方向及び周方向における温度勾配を確実に小さくすることが必要である。さらに、強制対流中で通気チャンネル及び熱交換素子から熱を除去する冷却流がブレーキディスクの遠心運動により引き寄せられるため、一般に、熱交換素子を通ることによる圧力降下は低いことが望ましい。

ブレーキディスク又はクラッチディスクといった従来の機械的摩擦デバイスで起こっている問題の少なくともいくつかを緩和することが、本発明の目的である。

従来の摩擦デバイスに代わる有用な代替物となるであろう機械的摩擦デバイス、特にブレーキディスク又はクラッチディスクを提供することが、本発明のさらなる目的である。

必要な強度、剛性、及び、既知のベンチレーテッドディスクブレーキと比較して改善された放熱特性を有しつつ軽量化された、ブレーキディスク又はクラッチディスク及び他の摩擦デバイス用の構造体を提供することが、本発明のさらに別の目的である。

本発明によると、２つの外側摩擦層の間に挟まれ且つ当該２つの外側摩擦層より高い多孔度を有する中央層を含む機械的摩擦デバイスであって、当該中央層は、ワイヤ・フレーム構造の形態で、外側摩擦層の摩擦面から熱を取り去り伝達する熱伝達手段として働くことを特徴とする機械的摩擦デバイスが提供される。

本発明の一実施形態では、当該ワイヤ・フレーム構造はＸ型格子サンドイッチ構造である。本発明の別の実施形態では、当該ワイヤ・フレーム構造は編みワイヤ・バルクダイアモンド（ｗｉｒｅ−ｗｏｖｅｎ ｂｕｌｋ ｄｉａｍｏｎｄ）構造である。

当該中央層の多孔度は少なくとも約４０％、好ましくは約９０％とすることができる。

当該中央層は、好ましくは鋼製である。

当該２つの外側摩擦層は、好ましくは鋳鉄製又は鋼製である。

当該摩擦デバイスは、ブレーキディスク又はクラッチディスクとすることができる。

本発明の第２態様によると、例えばブレーキディスク又はクラッチディスク等の機械的摩擦デバイスの放熱手段としてのワイヤ・フレーム構造の使用が提供される。

当該ワイヤ・フレーム構造は、Ｘ型格子サンドイッチ構造又は編みワイヤ・バルクダイアモンド構造の形態とすることができる。

当該ワイヤ・フレーム構造は、好ましくは２つの外側摩擦層の間に挟まれ、当該２つの外側摩擦層は、ワイヤ・フレーム構造より低い多孔度を有する。

以下、添付図面を参照し、単なる一例として、本発明をより詳細に説明する。

本発明に係るディスクブレーキアセンブリのブレーキディスクの形態の機械的摩擦デバイスの斜視図を示す。 図１のブレーキディスクの斜視図を示す。ワイヤ・フレーム構造を含む中央多孔質材料層を示すため、一部が切り取られている。 図１のブレーキディスクのワイヤ・フレーム構造として使用され得る、Ｘ型格子サンドイッチ構造のワイヤの構成を示す。 図１のブレーキディスクのワイヤ・フレーム構造として使用され得る、編みワイヤ・バルクダイアモンド構造のワイヤの構成を示す。 実験的試験において図１のブレーキディスクに使用するための、環状の編みワイヤ・バルクダイアモンド構造及びそのユニットセルを示す。 ベンチレーテッドブレーキディスクに組み込まれた、図５の編みワイヤ・バルクダイアモンド構造体を示す。 実験的試験中にリファレンスとして使用された、従来技術のピンフィン式ブレーキディスクの寸法を示す。 図６のブレーキディスクの流入パターンを示す。 図７のピンフィン式ブレーキディスクと比較した、図６のＷＢＤブレーキディスクの冷却性能についての、過渡的な局所的表面温度の比較を示す。 図７のピンフィン式ブレーキディスクと比較した、図６のＷＢＤブレーキディスクの冷却性能についての、過渡的な平均表面温度の比較を示す。 図６のＷＢＤブレーキディスクの半径方向の温度プロファイルを、図７のピンフィン式ブレーキディスクと比較して示す。これらの温度プロファイルは、図９において（ＩＩ）で示された破線から抽出されたものである。 ＩＲカメラにより捉えた、１０００ｒｐｍでの、図６のＷＢＤブレーキディスク上の代表的なディスク表面温度分布を、図７のピンフィン式ブレーキディスクと比較して示す。 ＲｅＤｈ＝１４４００での、図７のピンフィン式ディスクの静的冷却についての、ＩＲカメラにより測定された内側の翼端面（ｅｎｄｗａｌｌ）の温度マップを示す。 ＲｅＤｈ＝１４４００での、図６のＷＢＤディスクの静的冷却についての、ＩＲカメラにより測定された内側の翼端面の温度マップを示す。 図１３及び図１４のラインＩＩＩ（ａ）に沿って取得され、平均温度により正規化された、図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの、方位角方向の測定温度プロファイルを示す。 図１３及び図１４のラインＩＩＩ（ｂ）に沿って取得され、平均温度により正規化された、図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの、θ＝２２．５°における半径方向の測定温度プロファイルを示す。 図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの半径方向の測定流出速度プロファイルを示す。 図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの両方についての、静止状態における圧力降下対冷却剤流入速度のプロットを示す。 図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの両方についての、静止状態における摩擦係数対レイノルズ数のプロットを示す。 図６のＷＢＤブレーキディスク及び図７のピンフィン式ブレーキディスクの両方のポンプ能力を、ブレーキディスクの速度の関数として示す。

図面を参照すると、類似の番号は類似の特徴を示しており、本発明に係る機械的摩擦デバイスの非限定的な例が、概して参照番号１０で示されている。

添付図面には、機械的摩擦デバイスがディスクブレーキアセンブリのブレーキディスクとして図示されている。ブレーキディスク１０は、ハブ１２及びディスク１４を含む。ディスク１４は、ローターと呼ばれることも多い。ディスク１４は、当該ディスクの２つの外側部分１８．１及び１８．２の間に配置された環状の通気チャンネル１６を有する。外側部分１８．１及び１８．２は、ラビングディスクとも呼ばれる。使用時、ディスク１４の２つのラビングディスク１８．１及び１８．２は、ブレーキ時にブレーキパッド（添付図面には図示せず）に係合する。ディスクブレーキアセンブリは通常、２つのブレーキパッドを含み、当該２つのブレーキパッドは、ブレーキ時にその間でディスク１４を締め付け固定するということが理解されなければならない。言い換えれば、ラビングディスク１８．１及び１８．２の外側表面２０．１及び２０．２は、ブレーキ時にブレーキパッドと接触する。このため、ラビングディスク１８．１及び１８．２の外側表面２０．１及び２０．２は、ブレーキパッドとブレーキディスク１０との間の摩擦面又は界面として働く。従って、ラビングディスク１８．１及び１８．２は、外側摩擦層とも呼ばれる。

ディスク１４の平均圧縮応力は、ディスクとパッドとの界面からディスクの軸中心に向かって、即ちチャンネル１６の位置に向かって小さくなる。このように応力が小さくなることにより、ディスク１４の中心に多孔質材料層２２を含有することが可能になる。図示された実施形態において、中央多孔質材料層２２は、２つの外側ラビングディスク１８．１及び１８．２の間に挟まれるように、中央チャンネル１６に配置された軽量の高多孔質セル状構造からなる。中央多孔質材料層２２はブレーキ時に熱伝達手段として働くため、２つの外側摩擦層１８．１及び１８．２の間に挟まれた多孔質材料層２２を含有することにより、軽量化がもたらされるだけでなく、放熱性も向上する。これについて、以下でより詳細に説明する。

好ましい実施形態において、中央多孔質材料層２２の構造は、ワイヤ・フレーム構造の形態である。「ワイヤ・フレーム」とは、共通の結節点で接続された、又は共通の結節点で交差する細長いワイヤから構築された、任意の３次元構造を含むものとして定義されると解釈すべきである。ワイヤ・フレーム構造の２つの例が、図３及び図４に示されている。図３のワイヤ・フレーム構造はＸ型格子サンドイッチ構造３０と呼ばれ、図４の構造は編みワイヤ・バルクダイアモンド（ＷＢＤ：ｗｉｒｅ−ｗｏｖｅｎ ｂｕｌｋ ｄｉａｍｏｎｄ）構造４０と呼ばれる。その他の様々なワイヤ・フレーム構造の形態が使用可能であるが、本明細書では、Ｘ型格子サンドイッチ構造３０及びＷＢＤ構造４０のみが詳細に説明される。

図３を参照すると、Ｘ型格子サンドイッチ構造３０は、ピラミッド３４の形状に配置された千鳥状ストラット３２のグループ２つにより形成される。当該Ｘ型格子サンドイッチ構造３０は、オフセットされた結節点３６の列に沿ってエキスパンドメタルシートを折り畳み、その後、サンドイッチ構造を形成するために折り畳まれた構造体（これをコアとする）を上面シート及び底面シートとろう付けすることにより作製される。この構造は、軽量車のディスクブレーキへの使用に適するものと考えられている。

図４を参照すると、ＷＢＤ構造体４０は、螺旋状に形成された金属ワイヤ４２を編むことにより作製される。螺旋ワイヤ４２は、ダイアモンド様ユニットセルを有する多層の編みワイヤ・バルクダイアモンド構造を形成するように、６方向に組み立てられ、編まれる。図４は、八面体及び立方八面体のユニットセルから成る、多層の編みワイヤ・バルクダイアモンドセル状構造のレンダリングを図示する。Ｘ型格子サンドイッチ構造３０に対するＷＢＤ構造４０の相対的な密度、強度、及び剛性を考慮して、ＷＢＤ構造４０は、大型車両のディスクブレーキへの使用に適すると考えられている。

選択された３種類の細長比のＷＢＤ構造体４０の性質が、下記の表１に示されている。３つの例の多孔度はすべて９０％より大きい。

多孔率９０％超という上述のワイヤ・フレーム構造の相対密度レベルに基づき、中央多孔質材料層２２は、ベンチレーテッドディスクの従来の熱交換素子と比較して高多孔質であることがわかる。ここで、ベンチレーテッドディスクの従来の熱交換素子の最大相対密度レベルは、通常５０％程度である。ＷＢＤ構造体４０を使用した圧縮試験の結果から、相対密度が非常に低い当該多孔質セル状構造体は、ブレーキ時のクランプ力に起因する高圧縮応力に耐えることができるということが示された。

ブレーキディスクチャンネル１６に使用される材料が約３０％軽量化される（軽量車用のベンチレーテッドブレーキディスクの場合）ことに加えて、この中央高多孔質材料層２２が効率的な熱交換器として働くことがわかった。以下で詳細に論じられる実験結果によると、従来のベンチレーテッドブレーキディスクでは主として流れの２次元的混合が起こっていたのに対し、中央多孔質材料層２２内では流れの３次元的混合が起こったことが示されている。流れの３次元的混合の利点は、これにより半径方向及び周方向に熱拡散が起こり、その結果、半径方向及び周方向の温度勾配が最小化される点である。

中央高多孔質材料層２２を使用する別の利点は、ワイヤ・フレーム構造の薄い靭帯部により局所的な熱分散が増大するため、全体的な熱伝達が増進される点である。また、全体的な流れ抵抗が減少するため、ワイヤ・フレーム構造により、より多くの冷却流又はより大きな質量流量がベンチレーテッドディスクチャンネル１６に流入できるようになる。

ワイヤ・フレーム構造が、ブレーキ時にブレーキディスク１０に及ぼされる圧縮力及び熱的負荷に耐えられることに基づいて、当該ワイヤ・フレーム構造は、ベンチレーテッドブレーキディスクに使用するための良好な熱伝達手段になると考えられる。その構造的特性及び熱的特性に加えて、ワイヤ・フレーム構造は、軽量であるという利点も有する。この利点により、従来のディスクブレーキと比較して全体の軽量化がもたらされる。

本発明に係る中央高多孔質材料層２２を含むブレーキディスク１０により、ブレーキ時の作動温度が低くなり、また局所的な熱の不均一性が最小化される結果、ブレーキの寿命が延びると考えられる。さらに、より軽量のブレーキディスクによって燃料消費が低減されることが予想される。

［実験結果］
本発明に係るブレーキディスク１０においてワイヤ・フレーム構造を使用することの利点が、実験的試験において徹底的に調査された。ＷＢＤ構造の形態のワイヤ・フレーム構造が実験に使用された。

金属製、特に軟鋼製のＷＢＤ構造体、及び当該ＷＢＤ構造体が組み込まれたベンチレーテッドブレーキディスクが図５及び図６に示されている。まず、単層ＷＢＤ構造体が、直径ｄ_ＷＢＤの鋼ワイヤを使用して作製される。当該ワイヤは、４本のワイヤをピッチｌ_ｈで撚り合わせることにより、螺旋状に形成される。次いで、当該螺旋ワイヤは、特定のトポロジーを形成するように３次元的に組み立てられる。その後、当該組立体は、登録商標Ｃｕｂｏｎｄを付して販売されているＳＣＭ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ， Ｉｎｃ．製の１７ＬＲグレードの銅ペーストをスプレーされ、Ｈ_２−Ｎ_２混合物の脱酸素雰囲気下、１１２０℃でろう付けされる。ろう付けの結果、ワイヤ又は靭帯部はその接触点で互いに接続され、これにより、ろう付けされていないＷＢＤ構造体と比較すると、熱機械的性能が著しく改善され得る。次いで、単層ＷＢＤ構造体は環状の形状にカットされ、その後、図６に示されるような２つの軟鋼ラビングディスクに挟まれて、当該２つのラビングディスクにろう付けされる。

（試験用試料）
熱伝導度が約３２．３Ｗ／（ｍＫ）の鋳鉄から成る、市販のピンフィン式ブレーキディスクが、リファレンスとして試験された。ピンフィン式ブレーキディスク１００は、２つのラビングディスクの間に挟まれた４列のピンフィン１０２を含む。図７に示すように、中央２列のピンフィンは円形の断面を有するが、最も内側及び最も外側の列のピンフィンは平滑端を有する。全部で１２０のピンフィンが配列され、各列にはピンフィンが３０ずつ含まれる。ピンフィンは、通気チャンネルの全体積の約３０％を占めており、多孔度は約０．７である。ピンフィン配列の比表面積（ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｄｅｎｓｉｔｙ）は、約８１ｍ^２／ｍ^３と計算された。静的試験のために、内部ラビングディスクが翼端面の熱伝達測定用に取り外された。試験で使用されたピンフィン式ブレーキディスクの詳細な寸法が、下記の表２にまとめられている。

２つの別個のＷＢＤブレーキディスク１０が作製された。まず、環状のＷＢＤ構造体が、直径ｄ_ＷＢＤ＝１．５ｍｍの冷間圧延軟鋼ワイヤ（ＳＡＥ１００６Ｂ）を使用して作製された。回転試験において使用するために、１つのＷＢＤ構造体が２つの軟鋼ラビングディスクにろう付けされ、他方、静的試験において使用するために、第２の構造体が１つの軟鋼ラビングディスクにろう付けされた。ラビングディスクに使用された軟鋼（ＳＡＥ１００６）の熱伝導度は約６４．９Ｗ／（ｍＫ）である。ＷＢＤ構造体のユニットセルは、２種類の靭帯部、即ち、長さ９．５ｍｍ（＝０．５ｌ_ｈ）の靭帯部Ｉと、長さ１９ｍｍ（＝ｌ_ｈ）の靭帯部ＩＩと、から成る。ユニットセル全体の寸法は、Ｌ_ＷＢＤ＝１３．０ｍｍ、Ｗ_ＷＢＤ＝１３．０ｍｍ、及びＨ_ＷＢＤ＝１４．０ｍｍと測定された。その結果、このＷＢＤ構造体の多孔度及び比表面積は、次の式を用いて、それぞれ約０．９及び約３００ｍ^２／ｍ^３と計算された。

ここで、ε及びρ_ＳＡは、それぞれＷＢＤ構造体の多孔率及び比表面積である。ＷＢＤ構造体の等価降伏強度（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）、最大強度、及びヤング率は、それぞれ３．２ＭＰａ、４．８ＭＰａ、及び１．０８ＧＰａと測定された。ＷＢＤブレーキディスクの他の寸法は、ピンフィン式ブレーキディスクのものと同一である。

（試験）
３種類の異なる試験が実施された。第１試験は、圧力降下特性及び翼端面の局所的な熱伝達特性を明らかにする静的試験であった。第２試験は、過渡的冷却性能及び定常状態での冷却性能を調査するための回転試験であり、第３試験は、定常状態での熱流動特性及び冷却流量を調査するための回転試験であった。

［結果の考察］
（流入パターン）
ブレーキディスクが回転すると、冷却流が引き寄せられ、２つのラビングディスクの間に形成された通気チャンネルに流入する。ブレーキディスクの入口における流れパターンを理解するために、流入パターンが中立浮力を有するヘリウム気泡により視覚化され、その結果が図８に示されている。ヘリウム気泡は、ベンチレーテッドブレーキディスクの上流側で回転軸上に配置された発生器から放出されたものである。

ブレーキディスクの回転により、通気チャンネル中に遠心力が生じる。この遠心力が外向きの流体流れを起こし、通気チャンネルの入口において静圧を低下させる。その結果、外気がチャンネルへ（図８でパスラインＡ及びＢにより示されるように）吸引される。遠心力は、空気を通気チャンネル外へ継続的に押し出す。同様にして、ラビングディスクの外面付近の外気も、遠心力により半径方向外向きに（パスラインＣにより示されるように）押し出される。通気チャンネル内の流れ及びラビングディスクの外面上の流れの両方が、ブレーキディスクの冷却に寄与する。

（過渡的冷却性能及び定常状態での冷却性能）
ブレーキディスクの冷却性能を明らかにするため、車速４０ｋｍ／ｈ（即ち、２００ｒｐｍ）で、勾配２％の連続的な下り坂でブレーキを掛けた場合についてのシミュレーションによるブレーキ試験が実施された。シミュレーションによるブレーキ力は１．９ｋＷであった。これは、空の中型トラックの典型的な車輪荷重（９００ｋｇ）に相当する。図９は、それぞれのブレーキディスクについて予め較正したＩＲカメラにより捉えた、所定の時間間隔でのピンフィン式ブレーキディスク及びＷＢＤブレーキディスクの表面温度分布を定性的に比較したものである。ラビング（外側）ディスク上の表面温度分布が滑らかな円周状であるのは、ブレーキパッドとディスクとが良好に接触していることを示す。全体的に、ＷＢＤブレーキディスクの表面温度は、ピンフィン式ディスクの表面温度より低い。これは、ＷＢＤ構造体により、通気チャンネルにおいて冷却がより良好に行われていることを示す。ラビングディスク上の表面温度が時間と共にどのように変化するかを定量化するために、表面温度の面積平均（図９に示される領域（Ｉ））が、図９の画像を含む一連のＩＲ感熱画像から抽出された。結果は図１０にプロットされている。ブレーキが掛かり始めると、両ブレーキディスクの表面温度は急激に上昇するが、その上昇率は徐々に減少し、最終的にｔ＝４３００ｓ後に定常状態の値に達する。延性鋳鉄（ピンフィン式ブレーキディスク用）は、軟鋼（ＷＢＤブレーキディスク用）と同程度の密度及び比熱を有することに留意すべきである。定常状態領域、例えばｔ＞４３００ｓでは、ＷＢＤブレーキディスクは、ピンフィン式ブレーキディスクより大幅に低い、即ち約２４．０％低い表面温度を呈する。

次いで、両ブレーキディスク上の表面温度の半径方向の変化について検討する。図１１は、（ＩＩ）で表された図９の破線部から抽出された半径方向の表面温度プロファイルを示す。両ブレーキディスクとも、表面温度は、まず上昇し、ｒ／Ｒ_ｏ＝０．８で概ね最大となり、その後ｒ／Ｒ_ｏの増加と共に低下する。これは、ブレーキハブ付近で冷却がより良好に行われることを示している。これは、固体である当該ハブがさらなる拡大表面として働き、摩擦熱により発生した熱が当該ハブに伝導されることに起因する。ラビングディスクの最外部付近で表面温度が僅かに低下するのは、半径が大きいほど大きな遠心力が生じるため、せん断応力がより大きくなり、これによりラビング表面で局所的に熱伝達係数が大きくなることに起因するものである。ｒ／Ｒ_ｏ＞０．６８では、ＷＢＤブレーキディスクの表面温度は遥かに低い。例えば、ＷＢＤブレーキディスクの表面温度は、ｒ／Ｒ_ｏ＝０．８において約９０℃低い。

（定常状態での熱伝達特性）
ピンフィン構造を有する市販のベンチレーテッドブレーキディスク及び多孔質ＷＢＤ構造体を有するブレーキディスクの両方の、全体的な冷却挙動が、車速４０ｋｍ／ｈ（即ち、２００ｒｐｍ）、ブレーキ力１．９ｋＷで、勾配２％の連続的な下り坂でブレーキを掛けた場合についてのシミュレーションにより比較された。このような冷却性能が、車速（又はブレーキディスクの回転速度）等の作動条件によってどのように影響を受けるか実用上重要である。この目的を達成するために、１００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍという広範囲の回転速度における、定常状態での全体的な熱伝達特性を調べた。

図１２は、ＩＲカメラにより捉えた、１０００ｒｐｍでの両ブレーキディスク上の代表的なディスク表面温度分布を示す。結果は、ＷＢＤブレーキディスクが定常状態条件下でピンフィン式ブレーキディスクに比べて著しく低い表面温度を有するということを示しており、これは、ブレーキ試験の結果と合致する。対流の熱伝達（ヌセルト数）が、図１２に示された領域にわたる平均表面温度に基づいて計算された。１００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍの範囲の回転速度について、ヌセルト数を、次のように、回転レイノルズ数の関数として相関させた。

ここで、ピンフィン式ブレーキディスクについてはＣ＝０．８６０９、ｎ＝０．５８３６であり、ＷＢＤブレーキディスクについてはＣ＝０．５７７６、ｎ＝０．６４３１である。両ブレーキディスクについて、ヌセルト数は回転レイノルズ数に対して単調増加する。ＷＢＤブレーキディスクは、ピンフィン式ブレーキディスクより優れた性能を有しており、約１６％（１００ｒｐｍ）〜約３６％（１０００ｒｐｍ）だけ多くの熱を除去するものである。２００ｒｐｍでは、ＷＢＤ構造体は、ピンフィンにより実現可能なものより約２７％だけ多くの熱を除去することが示され、これは、図１０において観測された、ラビングディスク温度が２４％減少したことと良く合致する。

ＷＢＤ構造体は、ピンフィン配列の比表面積（約８１ｍ^２／ｍ^３）より遥かに大きな比表面積（約３００ｍ^２／ｍ^３）を有しており、このことが、部分的に、ＷＢＤブレーキディスクにおいて観測された全体的な熱伝達の大幅な増大に寄与している。

（熱の均一性）
ブレーキディスク表面上の熱の勾配を最小化すること、又は熱の均一性を最大化することは、重要な設計パラメータの１つとなっている。静的状態にある通気チャンネルの内側の翼端面上の詳細な局所的温度分布が、ＩＲカメラを使用してマッピングされた。

図１３は、ピンフィン構造を有する通気チャンネルの局所的温度マップを示す。温度分布が非常に不均一であることは明らかである。各ピンフィン上及び各ピンフィン周辺の局所的な翼端面温度は、ピンフィンへの熱伝導のため、他の領域より低くなっている。一方、ＷＢＤ構造体の交点部分は、遥かに小さく、また広範に広がっているが、ピンフィン式ディスクと同様に、各交点上及び各交点部分の周辺では、局所的な翼端面温度は他の領域より低くなっている（図１４）。従って、ＷＢＤ構造によって、半径方向及び周方向において、より均一な熱分布が得られる。

図１５及び図１６は、ＷＢＤ構造体を用いて実現可能な、ピンフィン構造より均一な温度分布を定量的に示す。ここで、局所的温度データは、方位角プロファイルについては図１３及び図１４のＩＩＩ（ａ）に沿って、半径方向プロファイルについては図１３及び図１４のＩＩＩ（ｂ）に沿って抽出された。方位角方向（図１５）については、ＷＢＤ構造体によって、局所的な翼端面温度の変動が、大きさ及び周波数の点でより小さくなることが示されている。ＷＢＤ構造体が最も開かれた流路を構成する領域（即ちθ＝０°）と最も閉じた流路を構成する領域（即ちθ＝２２．５°）との間で、翼端面温度の差が有意でないことがわかり、興味深い。半径方向（図１６）については、ピンフィン式ディスクの外面に向かって局所的温度が僅かに増加する傾向がある（冷却流が減速されるにつれて局所的にレイノルズ数が小さくなるため）が、ＷＢＤディスクからは、半径方向において、より均一様の分布が得られる。

ＷＢＤ構造体の形態に基づき、高い空気力学的異方性が予想される。図１７は、θ＝０°〜４５°の方位角をカバーするように、ＷＢＤディスクの出口において測定された速度プロファイルを示す。ここで、半径方向の速度（Ｕ_ｏ）は、平均流出速度Ｕ_ｏｕｔにより正規化されている。流出速度は非常に不均一であり、これは著しい空気力学的異方性があることを示す。通気チャンネルに流入する冷却流は均一であり得るが、当該冷却流は、チャンネル内の媒体の形態によりもたらされる流れ抵抗（又は妨害物）に従って再分配される。ＷＢＤ構造体では、冷却流がぶつかる流れ妨害物が最少となるのはθ＝０°であり、これは好ましい流路となるが、θ＝２２．５°では存在する妨害物が最多となり、この流路においては冷却流量が減少することになる。ピンフィンの空気力学的異方性は、ＷＢＤブレーキディスク（図１７）と比較すると無視できるものであることに留意すべきである。このような強い空気力学的異方性が存在するにもかかわらず、ＷＢＤディスク上の翼端面の熱伝達分布は非常に均一である。より開かれた流路に沿って移動する冷却流は、より大きな運動量を有すると考えられる。これは、局所的にレイノルズ数が増加することを示しており、より多くの熱が除去できるようになる。一方、より閉じた流路に沿って移動する、最小の運動量を有する冷却流は、ＷＢＤ靭帯部により著しい流れ混合が促進され、この流れ混合により熱が除去される。これらの２つの異なるメカニズムが組み合わされることにより、観測された均一様の翼端面の熱伝達（又は温度）分布が得られる。対流及び熱伝達はＷＢＤ構造体の形態に強く依存するため、このような熱流動特性は、回転する環境下で適用可能であると予想される。さらに、図１３〜図１６の翼端面の熱分布からも、ＷＢＤディスク表面上の局所的な温度勾配がより小さいことにより、熱応力が最小化されることが示唆される。

［ＷＢＤ構造体による熱伝達の増大］
（圧力降下及び吸引能力）
ベンチレーテッドブレーキディスクでは、ブレーキディスクが回転すると、強制対流中で放熱素子からの熱を除去する冷却流が遠心力により引っ張られる。より多くの冷却流を通気チャンネルへ引き込むためには、コア構造を通ることによる圧力降下は低い方が望ましい。静的状態のピンフィン式ブレーキディスク及びＷＢＤブレーキディスクを通ることによる圧力降下が、広範囲の質量流量に対して測定された。図１８は、各構造を通ることによる圧力降下が通気チャンネルの入口における冷却流速度に伴って変化する様子を示す。圧力降下が冷却流速度に対して単調増加すること、及び、全速度範囲においてピンフィン構造よりもＷＢＤ構造体から大きな圧力降下が生じることが認められる。通気チャンネルはｒ軸に沿って発散する（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ）ため、不可逆的圧力損失と逆の圧力回復が存在する。結果として、測定された圧力降下は、可逆的圧力成分及び不可逆圧力成分の両方を含む。

構造体を通ることによる真の圧力損失を求めるために、可逆的圧力回復が次のように見積もられる。

ここで、Ｒ_ｉｎ及びＲ_ｏｕｔは、それぞれ通気チャンネルの入口及び出口における２つの圧力タッピングの半径方向位置である。挿入されたコア構造がチャンネル中の同じ体積を占めるものと仮定すると、圧力回復は、両ブレーキディスクについて、測定圧力降下からの系統的なずれとして測定圧力降下に寄与するということが指摘されるべきである。両ブレーキディスクは異なる多孔率を有しており、即ち、ピンフィンが占める通気チャンネル中の体積は約２０％大きいが、簡単のため、この差は無視する。可逆的圧力回復の寄与は測定圧力降下の約２０％であり、これは、圧力損失を低減するのに有利に働いている。

測定圧力データが、図１９に無次元の摩擦係数で再プロットされている。ＷＢＤ構造体と類似したトポロジー及び多孔率を有する編みワイヤ・バルクカゴメ（ＷＢＫ）構造を通る層流についての摩擦係数が、比較用に含まれている。レイノルズ数の範囲及びＷＢＫ構造から区別可能な傾きに基づき、ＷＢＤブレーキディスクを通る冷却流は、乱流領域内にあることがわかる。従って、形状抗力が圧力損失を支配している。

検討しているレイノルズ数の全範囲において、ＷＢＤ構造体を通ることによる圧力降下は、ピンフィン構造を通る場合より約１５％〜３０％大きい。ピンフィンは通気チャンネルの全体積の約３０％を占めているが、ＷＢＤ構造体は全体積の約１０％を占めていることに留意すべきである。要約すると、所与の冷却流量に対して、ＷＢＤブレーキディスクは、流れチャンネルを占める材料がピンフィン式ブレーキディスクより約２０％少ないのにもかかわらず、ピンフィン式ブレーキディスクより大きな圧力降下をもたらす。この大きな圧力降下は、ＷＢＤ構造体の形態により構成された高度に曲がりくねった流路が、より著しい流れ混合を促進することに起因する。

ＷＢＤ構造体が、ブレーキディスクの所与の回転速度に対してより大きな遠心力を発生させるものでない限り、ＷＢＤ構造体におけるより大きな圧力降下は、冷却流の吸引を妨げるものと推論できる。図２０は、両ブレーキディスクの回転速度を変化させながら測定した、冷却流の質量流量を示す。驚くべきことに、冷却剤の質量流量と回転速度との間に両ブレーキディスクで同じ線形相関があるため、両ブレーキディスクは、ほぼ同じ量の冷却流を引き込むことになる。従って、一定の回転速度に対する冷却剤の質量流量について同じ結果が得られたことは、材料が約２０％少ないＷＢＤ構造体がより大きな遠心力を発生させることができ、この遠心力によって、ＷＢＤ構造体によりもたらされるより大きな圧力降下が克服され、その後圧力降下は拮抗する、ということを示すものであると結論付けることができる。

多数の研究により、通気チャンネル中に配置された「千鳥状」のピンフィン配列（静止した状態で見て）は、強いコリオリ力のため、回転する環境においては「インライン」のピンフィン配列として働くということが示されている。通常、千鳥状配列はインライン配列より大きな圧力降下をもたらし、円形のピンフィン配列では、圧力降下はインライン配列より約４０％大きい。従って、回転条件でのＷＢＤ構造体による遠心力は、静的条件において観測されるものより大きい可能性がある。一方、ＷＢＤ構造体の非常に複雑な３次元的性質のため、静的条件の場合と回転条件の場合との間の圧力降下の差は、有意なものとならない場合もある。

（流れの死領域（ｄｅａｄ ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｏｎｓ）の抑制）
通気チャンネルにおける千鳥状のピンフィン配列（静止した状態で見て）は、回転条件下では「インライン」のピンフィン配列として働く。流れが大きく分断されて再循環される領域が、太いピンフィンごとにその裏側に出ている。これらの有害な領域は、それほど相互作用せず、互いに分離している。しかしながら、ＷＢＤブレーキディスクでは、それぞれの薄い靭帯部の裏側の後部（ｗａｋｅ）領域は狭くなっている。ＷＢＤ構造体の３次元形態により促進される流れ混合は、これらの後部領域の間に強い相互作用を生じさせることができ、後部領域において流体を新しいものに入れ替える（ｕｐｄａｔｅ）役割を果たすため、ＷＢＤブレーキディスクにおいて観測された、全体的及び局所的な対流の熱伝達の増大がもたらされる。

（材料の熱伝導度）
ＷＢＤブレーキディスクの作製に使用される軟鋼の熱伝導度は約６４．９Ｗ／（ｍＫ）であるが、ピンフィン式ブレーキディスクに使用される延性鋳鉄は、３２．３Ｗ／（ｍＫ）と、より低い熱伝導度を有する。ＷＢＤ構造体によるより良好な冷却性能が観測されたが、これがより高い熱伝導度に起因するものではないということを確認するため、３次元複合流れ（ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｆｌｏｗ）及び熱伝達が、ソフトウェアパッケージＡＮＳＹＳ ＣＦＸ １４．５により、ピンフィン式ブレーキディスクについて数値的にシミュレーションされた。簡潔のため、その詳細は本明細書には記載しない。徹底的な実験的検証の後、ブレーキディスク材料（少なくとも２つの選択値、即ち軟鋼及び鋳鉄）の熱伝導度は、ベンチレーテッドブレーキディスクにおける局所的及び全体的な熱伝達を決定するのに何の役割も果たしていないことがわかった。最大回転速度において、ずれは２．５％未満であった。

上述の実験結果から、以下の結論が導かれる。
ｉ）連続的な下り坂でのブレーキ時、ラビングディスク表面温度の約２４％の大幅な低下が、ＷＢＤ構造体により実現される。
ｉｉ）定常状態でのブレーキにおいて、ＷＢＤ構造体により、全体的な冷却性能がピンフィン式ブレーキディスクより１６％〜３６％高いものとなる。ここで、対応する回転速度は１００ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍの範囲である。
ｉｉｉ）３次元的に構成されたＷＢＤ構造体の薄い靭帯部により、方位角方向及び半径方向の熱伝達がより均一なものとなる。
ｉｖ）高多孔質ＷＢＤ構造体は、ピンフィン構造より大きな圧力降下をもたらすが、ＷＢＤ構造体のより高い吸引能力により、所与のブレーキディスク回転速度に対する冷却剤流量は同じ結果となる。
ｖ）ＷＢＤ構造体では、熱伝達領域が拡大されることによって流れ混合がより著しいものとなり、これが熱伝達の増大に寄与する。

１０ 機械的摩擦デバイス、ＷＢＤブレーキディスク
１２ ハブ
１４ ディスク
１６ 通気チャンネル
２２ 多孔質層
３０ Ｘ型格子サンドイッチ構造
３２ 千鳥状ストラット
３４ ピラミッド
３６ 結節点
４０ ＷＢＤ構造体
４２ 金属ワイヤ、螺旋ワイヤ
１００ ピンフィン式ブレーキディスク
１０２ ピンフィン

Claims (11)

1. ２つの外側摩擦層の間に挟まれ且つ前記２つの外側摩擦層より高い多孔度を有する中央層を含む機械的摩擦デバイスであって、
   前記外側摩擦層は、前記外側摩擦層の間の通気チャンネルを画定するディスクの形態であり、
   前記中央層は、ワイヤ・フレーム構造から成る円形コアの形態であり、前記外側摩擦層の摩擦面から熱を取り去り伝達する熱伝達手段として働くように前記通気チャンネル中に配置されており、
   前記ワイヤ・フレーム構造とは、共通の結節点で接続された、又は共通の結節点で交差する細長いワイヤから構築された３次元構造であることを特徴とする機械的摩擦デバイス。
2. 前記ワイヤ・フレーム構造がＸ型格子サンドイッチ構造又は編みワイヤ・バルクダイアモンド構造であることを特徴とする、請求項１に記載の機械的摩擦デバイス。
3. 前記中央層の多孔度が少なくとも４０％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の機械的摩擦デバイス。
4. 前記中央層の多孔度が約９０％であることを特徴とする、請求項３に記載の機械的摩擦デバイス。
5. 前記中央層が鋼製であることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の機械的摩擦デバイス。
6. 前記２つの外側摩擦層が鋼製又は鋳鉄製であることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の機械的摩擦デバイス。
7. ディスクブレーキ又はクラッチディスクである、請求項１〜６の何れか一項に記載の機械的摩擦デバイス。
8. 使用時に、機械的摩擦デバイスの２つの外側摩擦層の摩擦面から熱を取り去り伝達するように、前記機械的摩擦デバイスの前記２つの外側摩擦層の間の通気チャンネル中に配置された放熱手段として使用される、共通の結節点で接続された、又は共通の結節点で交差する細長いワイヤから構築された３次元構造の形態の円形ワイヤ・フレームコア。
9. 前記ワイヤ・フレームコアがＸ型格子サンドイッチ構造又は編みワイヤ・バルクダイアモンド構造であることを特徴とする、請求項８に記載の円形ワイヤ・フレームコア。
10. 前記ワイヤ・フレームコアが、前記２つの外側摩擦層より高い多孔度を有すると共に、前記２つの外側摩擦層の間に挟まれていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の円形ワイヤ・フレームコア。
11. 前記摩擦デバイスがブレーキディスク又はクラッチディスクであることを特徴とする、請求項８〜１０の何れか一項に記載の円形ワイヤ・フレームコア。

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