特表 2022-507887 全炭素セラミック軸付きブレーキディスク

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-18

(54)【発明の名称】全炭素セラミック軸付きブレーキディスク

(51)【国際特許分類】

   F16D 65/12 20060101AFI20220111BHJP

   F16B 5/02 20060101ALI20220111BHJP

   F16B 5/04 20060101ALI20220111BHJP

【ＦＩ】

F16D65/12 E

F16D65/12 B

F16D65/12 M

F16D65/12 R

F16D65/12 U

F16D65/12 X

F16B5/02 U

F16B5/04 A

F16B5/04 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021528860

(86)(22)【出願日】2018-12-26

(85)【翻訳文提出日】2021-06-11

(86)【国際出願番号】 CN2018123899

(87)【国際公開番号】W WO2020103282

(87)【国際公開日】2020-05-28

(31)【優先権主張番号】201811407595.7

(32)【優先日】2018-11-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521217921

【氏名又は名称】湖南世▲シン▼新材料有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】肖▲鵬▼

(72)【発明者】

【氏名】朱▲蘇▼▲華▼

【テーマコード（参考）】

3J001

3J058

【Ｆターム（参考）】

3J001FA02

3J001GA09

3J001GB01

3J001HA04

3J001HA07

3J001JA10

3J001JD04

3J001KA19

3J001KA21

3J001KB01

3J058AA41

3J058AA48

3J058AA53

3J058AA77

3J058BA37

3J058BA46

3J058BA64

3J058BA70

3J058CB12

3J058CB23

3J058CB25

3J058DD02

3J058DD20

3J058FA01

3J058FA21

(57)【要約】

全炭素セラミック軸付きブレーキディスクは、ディスクハブ（２）と、該ディスクハブに嵌着され同軸に積層された複数の摩擦ディスク（１）とを備え、複数の摩擦ディスクの間及び摩擦ディスクとディスクハブとの間は、接続構造により一体的にロックされている。摩擦ディスク（１）は、炭素セラミック複合材料であり、ディスク面（１０）及び径方向に沿って裏面に設けられた放熱補強筋（１１）から構成され、積層された摩擦ディスクの間における放熱補強筋（１１）が一対一で対応して接触する。放熱補強筋（１１）の両側に径方向放熱通路（１２）が形成され、放熱補強筋（１１）の間に両側の径方向放熱通路（１２）を連通させる連通溝（１３）が形成されている。本発明のブレーキディスクは、構造が簡単であり、放熱効果に優れ、接続が確実であり、構造強度が高く、メンテナンスに便利であり、重量が軽い等の利点を有し、ブレーキの信頼性を確保する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ディスクハブ（２）と、前記ディスクハブ（２）に嵌着され、同軸に積層された複数の摩擦ディスク（１）とを備え、複数の摩擦ディスクの間及び摩擦ディスク（１）とディスクハブ（２）との間は、接続構造により一体的にロックされ、前記摩擦ディスク（１）は、炭素セラミック複合材料であり、ディスク面（１０）及び径方向に沿って裏面に設けられた放熱補強筋（１１）から構成され、積層された摩擦ディスクの間における放熱補強筋（１１）が一対一で対応して接触し、
前記摩擦ディスク（１）は、前記放熱補強筋（１１）の両側に径方向放熱通路（１２）が形成され、前記放熱補強筋（１１）の間に両側の径方向放熱通路を連通させる連通溝（１３）が形成される、ことを特徴とする全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項2】

放熱補強筋（１１）の厚みは、摩擦ディスク（１）の厚みの１／３～３／５である、ことを特徴とする請求項１に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項3】

前記放熱補強筋（１１）は、ディスク面の円心を中心として対称に分布しており、前記放熱補強筋には２種類の補強筋が含まれ、
放熱補強筋（１１）において、摩擦ディスクのディスク体の外円周に沿って分布する放熱補強筋が第１種補強筋（１１ａ）として定義され、
放熱補強筋（１１）において、摩擦ディスクのディスク体の内円周に沿って分布する放熱補強筋が第２種補強筋（１１ｂ）として定義され、
第１種補強筋（１１ａ）と第２種補強筋（１１ｂ）とは、周方向に所定のずれ角度で互い違いに配置され、角度範囲が１０°～４５°であり、
隣接する第１種補強筋（１１ａ）の間には、径方向放熱通路（１２）の吸気口（１２ａ）を構成する隙間が設けられ、
前記第２種補強筋（１１ｂ）には、底部に切欠きが加工された窪み構造があり、前記切欠きは、径方向放熱通路（１２）の排気口（１２ｂ）を構成し、隣接する第２種補強筋（１１ｂ）の間には、径方向放熱通路（１２）に連通する連通溝（１３）が構成され、
前記径方向放熱通路（１２）は、外部に連通する、請求項１に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項4】

摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋（１１ａ）がなす投影の総面積は、摩擦ディスク（１）の投影面積の３０～４５％を占め、第２種補強筋（１１ｂ）がなす投影の総面積は、摩擦ディスク（１）の投影面積の１０～２５％を占める、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項5】

第１種補強筋（１１ａ）及び第２種補強筋（１１ｂ）の数が３～３０である、ことを特徴とする請求項１，３，４のいずれか一項に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項6】

摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋（１１ａ）における単一の補強筋がなす投影は、円弧形を呈し、円弧形の円心は、円弧中心線と摩擦ディスク（１）の外円周との交点であり、第１種補強筋（１１ａ）の径方向に沿う長さが摩擦ディスク（１）の半径の１／１０～１／６であり、
摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第２種補強筋（１１ｂ）における単一の補強筋がなす投影は、「Ｕ」形を呈し、前記「Ｕ」形の開口端は、摩擦ディスク（１）の投影円心に向かい、「Ｕ」形の閉口端は、外に向かい、第２種補強筋（ｌ１ｂ）は、両側が径方向に沿って対称であり、側辺と直径とがなす角が、１０°～２０°であり、「Ｕ」形の閉口端の円弧は、２つの側辺に接し、第２種補強筋（１１ｂ）の径方向に沿う長さが摩擦ディスク（１）の半径の１／８～３／８である、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項7】

第１種補強筋（１１ａ）には、ディスク面を貫通する貫通穴であるリベット穴（１５）と、深さが第１種補強筋（１１ａ）の厚み以下のブラインドビアである動バランス穴（１６）とが交互に設けられる、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項8】

前記吸気口（１２ａ）、連通溝（１３）及び排気口（１２ｂ）は、曲線形の異径通路を形成する、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項9】

前記連通溝（１３）は、摩擦ディスク（１）のディスク面の円心を中心として対称に分布しており、全ての連通溝（１３）の間には、波状の放熱通路（１４）が連なって形成される、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項10】

前記接続構造は、摩擦ディスク（１）の間の積層の周方向における位置決めのためのリベット（７）と、摩擦ディスク（１）とディスクハブ（２）とをロックするためのボルトアセンブリとを備え、
前記リベット（７）は、積層された摩擦ディスクの間におけるリベット穴（１５）内に固定挿着され、前記リベット（７）にフェルール（７１）が嵌着され、
前記ボルトアセンブリは、軸方向位置決めワッシャ（３）と、トルクピン（４）と、ボルト（５）と、ナット（６）と、鋼製スリーブ（８）とを備え、前記鋼製スリーブ（８）は、摩擦ディスク（１）のボルト穴に挿着され、前記ボルト（５）は、摩擦ディスク（１）及びディスクハブ（２）を貫通するボルト穴に挿着され、前記ナット（６）により締結接続され、前記軸方向位置決めワッシャ（３）は、それぞれ摩擦ディスクとディスクハブの外側であって、ナット（６）とボルト（５）のヘッド部との間に敷設され、前記トルクピン（４）は、軸方向位置決めワッシャ（３）とディスクハブ（２）との間に取り付けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項11】

前記リベットは、金属材料から製造され、リベットの長さは、ブレーキディスクの総厚みの１／１６～１／２であり、好ましくは、ブレーキディスクの総厚みの１／８～１／４であり、前記金属材料は、熱膨張係数が１０×１０^－６／Ｋ以下であり、引張強度が４００ＭＰａ以上である、ことを特徴とする請求項１０に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項12】

前記摩擦ディスク（１）は、密度が１．８～２．６ｇ／ｃｍ^３の炭素セラミック複合材料が用いられる、ことを特徴とする請求項１に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【請求項13】

前記摩擦ディスク（１）は、径方向に沿って分割された複数の別体式摩擦ディスク（１’）を接合してなるものであってもよく、積層された別体式摩擦ディスク（１’）の間及び別体式摩擦ディスク（１’）とディスクハブとの間のいずれにも、独立した接続構造が設けられている、ことを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の全炭素セラミック軸付きブレーキディスク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、輸送機関（列車、自動車及び大型トラックなどを含む）のブレーキ技術に属し、具体的には、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクに関する。

【背景技術】

【0002】

ブレーキディスクは、輸送機関の重要な部材であり、輸送機関の運転安全に関わり、その稼働環境が複雑で劣悪であり、メンテナンス及び取り替えが不便であるため、ブレーキディスク製品は、確実なブレーキ、便利なメンテナンス及び長い使用寿命を有しなければならないことが求められている。現在、輸送機関に使用されるブレーキディスクは、一般的には、鋳鋼（鉄）又は鍛鋼などの金属材料が用いられ、技術成熟度が高く、コストが低く、適用速度範囲が広いという特徴を有し、国内外で広く応用されている。しかし、従来の鋳鋼（鉄）又は鍛鋼ブレーキディスクは、重量が大きいため、取り付け及びメンテナンスが不便であるだけでなく、輸送機関のエネルギー消費を増加させる。また、ブレーキ過程において、巨大なブレーキ熱負荷により、ブレーキディスクに、非常に大きな熱応力を発生させ、不均一な温度場及び応力場の循環作用により、ブレーキディスクにマイクロクラックが発生しやすくなり、マイクロクラックがある程度まで広がった場合に、ブレーキディスクは、疲労破断することになる。特に、高速列車の分野では、列車の速度が絶えず増加するにつれて、その速度が３５０Ｋｍ／ｈひいてはそれより高ければ、ブレーキによる温度上昇は、急激に増加し、従来のブレーキディスク材料では、摩擦面のクラックが極めて生じやすく、ほぼ材料の限界に達していた。

【0003】

従来の金属ブレーキディスクの代わりに炭素セラミック複合材料ブレーキディスクを用いることは、輸送機関のばね下重量を低減させ、電力損失を低下させることができるとともに、摩擦性能に優れ、耐高温で、適用環境範囲が広い等の様々な利点があり、ブレーキディスク材料の将来の発展方向となっている。しかし、炭素セラミック複合材料の放熱性は、金属材料よりも低く、且つ、高速下で摩擦による熱がより多いため、構造上、放熱性がより優れた構造を設計してディスクの放熱効果を大幅に向上させる必要がある。また、炭素セラミック複合材料は、脆性が大きく、加工性能が低く、特に、軸付きブレーキディスクでは、ブレーキディスクの内部の放熱筋は、加工成形が困難である。そのほか、炭素セラミックブレーキディスクに対して、如何に輸送機関の接続口との接合を実現するとともに構造強度を確保するかも、考慮する必要がある。

【0004】

現在、ブレーキディスクの構造設計は、そのほとんどが金属ブレーキディスクに対してなされたものであり、その放熱構造は、通常、一体鋳造により製造されたため、炭素セラミックブレーキディスクに適応しない。炭素セラミックブレーキディスクに関する報道も、ディスクのプロセス製造過程に限られることが多く、具体的な構造設計について考慮していない。そのため、放熱効果に優れ、輸送機関の接続口との接合を実現するとともに、ブレーキディスクの構造強度を確保する全炭素セラミックブレーキディスクを如何に設計、製造するかは、依然として、早急に解決すべき難題（課題）である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】（特になし）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明が解決しようとする技術課題は、炭素セラミック複合材料の材料特性による輸送機関のブレーキへの応用課題に対して、新規な全炭素セラミック軸付きブレーキディスクを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、以下の技術方案を用いることで実現される。
本発明は、ディスクハブ（２）と、ディスクハブ（２）に嵌着され、同軸に積層された複数の摩擦ディスク（１）とを備え、複数の摩擦ディスクの間及び摩擦ディスク（１）とディスクハブ（２）との間は、接続構造により一体的にロックされ、前記摩擦ディスク（１）は、炭素セラミック複合材料であり、ディスク面（１０）及び径方向に沿って裏面に設けられた放熱補強筋（１１）から構成され、積層された摩擦ディスクの間における放熱補強筋（１１）が一対一で対応して接触する、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【0008】

前記摩擦ディスク（１）は、前記放熱補強筋（１１）の両側に径方向放熱通路（１２）が形成され、前記放熱補強筋（１１）の間に両側の径方向放熱通路を連通させる連通溝（１３）が形成されている。

【0009】

前記摩擦ディスクのディスク面の厚みは、摩擦ディスク（１）の厚みの２／５～２／３である。放熱補強筋（１１）の厚みは、摩擦ディスク（１）の厚みの１／３～３／５である。摩擦ディスクのディスク面の厚み＋放熱補強筋（１１）の厚み＝摩擦ディスク（１）の厚みである。

【0010】

前記放熱補強筋（１１）は、ディスク面の円心を中心として、対称に分布しており、前記放熱補強筋に、２種類の補強筋が含まれ、放熱補強筋（１１）において、摩擦ディスクのディスク体の外円周に沿って分布する放熱補強筋が第１種補強筋（１１ａ）として定義され、放熱補強筋（１１）において、摩擦ディスクのディスク体の内円周に沿って分布する放熱補強筋を第２種補強筋（１１ｂ）として定義され、第１種補強筋（１１ａ）と第２種補強筋（１１ｂ）とは、周方向に所定のずれ角度で互い違いに配置され、角度範囲が１０°～４５°である。

【0011】

隣接する第１種補強筋（１１ａ）の間には、径方向放熱通路（１２）の吸気口（１２ａ）を構成する隙間が設けられている。

【0012】

前記第２種補強筋（１１ｂ）には、底部に切欠きが加工された窪み構造があり、前記切欠きは、径方向放熱通路（１２）の排気口（１２ｂ）を構成し、隣接する第２種補強筋（１１ｂ）の間には、径方向放熱通路（１２）に連通する連通溝（１３）が構成され、前記径方向放熱通路（１２）は、外部に連通する。

【0013】

摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋（１１ａ）がなす投影の総面積は、摩擦ディスク（１）の投影面積の３０～４５％を占め、第２種補強筋（１１ｂ）がなす投影の総面積は、摩擦ディスク（１）の投影面積の１０～２５％を占める。第１種補強筋（１１ａ）及び第２種補強筋（１１ｂ）の数が３～３０個である。

【0014】

摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋（１１ａ）における単一の補強筋がなす投影は、円弧形を呈し、円弧形の円心は、円弧中心線と摩擦ディスク（１）の外円周との交点であり、第１種補強筋（１１ａ）の径方向に沿う長さが摩擦ディスク（１）の半径の１／１０～１／６である。

【0015】

摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、第２種補強筋（１１ｂ）における単一の補強筋がなす投影は、「Ｕ」形を呈し、前記「Ｕ」形の開口端は、朝摩擦ディスク（１）の投影円心に向かい、「Ｕ」形の閉口端は、外に向かい、補強筋（ｌ１ｂ）は、両側が径方向に沿って対称であり、側辺と直径とがなす角が、１０°～２０°であり、「Ｕ」形の閉口端の円弧は、２つの側辺に接し、第２種補強筋（１１ｂ）の径方向に沿う長さが摩擦ディスク（１）の半径の１／８～３／８である。好ましくは、摩擦ディスク（１）のディスク面に垂直に投影する場合に、単一の第２種補強筋がなす投影は、「Ｕ」形を呈し、Ｕ形の幅は、摩擦ディスク（１）の半径の１／１６～１／２であり、Ｕ形における閉口端から開口端までの長さは、摩擦ディスク（１）の半径の１／４～３／８である。

【0016】

第１種補強筋（１１ａ）には、ディスク面を貫通する貫通穴であるリベット穴（１５）と、深さが第１種補強筋（１１ａ）の厚み以下のブラインドビア（めくら穴）である動バランス穴（１６）とが交互に設けられる。

【0017】

好ましくは、本発明は、前記吸気口（１２ａ）、連通溝（１３）及び排気口（１２ｂ）が曲線形の異径通路を形成する、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【0018】

好ましくは、本発明は、前記連通溝（１３）が、摩擦ディスク（１）のディスク面の円心を中心として対称に分布しており、全ての連通溝（１３）の間には、波状の放熱通路（１４）が連なって形成される、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【0019】

好ましくは、本発明は、前記接続構造は、摩擦ディスク（１）の間の積層の周方向における位置決めのためのリベット（７）と、摩擦ディスク（１）とディスクハブ（２）とをロックするためのボルトアセンブリとを備える、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【0020】

前記リベット（７）は、積層された摩擦ディスクの間におけるリベット穴（１５）内に固定挿着され、前記リベット（７）にフェルール（７１）が嵌着される。

【0021】

前記ボルトアセンブリは、軸方向位置決めワッシャ（３）と、トルクピン（４）と、ボルト（５）と、ナット（６）と、鋼製スリーブ（８）とを備え、前記鋼製スリーブ（８）は、摩擦ディスク（１）のボルト穴に挿着され、ボルト（５）は、摩擦ディスク（１）及びディスクハブ（２）を貫通するボルト穴に挿着され、ナット（６）により締結接続され、軸方向位置決めワッシャ（３）は、それぞれ摩擦ディスクとディスクハブの外側、及びナット（６）とボルト（５）のナット（ヘッド部）との間に敷設され、前記トルクピン（４）は、軸方向位置決めワッシャ（３）とディスクハブ（２）との間に取り付けられる。

【0022】

好ましくは、本発明は、前記リベットは、金属材料から製造され、リベットの長さは、ブレーキディスクの総厚みの１／１６～１／２であり、好ましくは、ブレーキディスクの総厚みの１／８～１／４であり、前記金属材料は、熱膨張係数が１０×１０^－６／Ｋ以下であり、剪断引張強度が４００ＭＰａ以上である、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。工業的に応用するときに、前記低熱膨張係数の金属は、００Ｃｒ２７Ｍｏ、００Ｃｒ３０Ｍｏ、４Ｊ３６などから選ばれる少なくとも１種である。

【0023】

好ましくは、本発明は、前記摩擦ディスク（１）は、密度が１．８～２．６ｇ／ｃｍ^３の炭素セラミック複合材料が用いられる、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【0024】

好ましくは、本発明は、前記摩擦ディスク（１）は、径方向に沿って分割された複数の別体式摩擦ディスク（１’）から接合されてなるものであってもよく、積層された別体式摩擦ディスク（１’）の間及び別体式摩擦ディスク（１’）とディスクハブとの間のいずれにも、独立した接続構造が設けられている、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクである。

【発明の効果】

【0025】

本発明は、以下の有益な効果を有する。

【0026】

（１） 炭素セラミック複合材料の加工プロセス性に対して、ブレーキディスクを別体式構造（少なくとも２分割の別体式摩擦ディスク）に設計し、別体式の摩擦ディスクのそれぞれを単独で生産し、加工した後、積み重ねて組み立てる。先ず、ディスク全体の放熱構造設計に寄与し、非摩擦面にフライス削りを行うことによって所望の形状に加工することができ、放熱通路、補強筋の全体加工によるプロセス難点を回避することができる。次に、ブレーキディスクの２つの摩擦面の材料均一性に寄与し、ブレーキディスク全体のセラミック化過程における成分の不均一によるブレーキ過程中の偏摩耗を回避することができる。そして、ブレーキディスク全体の酸化防止性能の向上に寄与し、放熱構造によって、セラミック化過程において密接するＳｉＣコート層を形成することができ、後に別途酸化防止処理を行う必要がない。また、単一のブレーキディスクを別体式ブレーキディスクの組み立て方式により組み立てることができ、例えば、ブレーキディスクのある領域が損傷する場合、この領域が位置する別体式ブレーキディスクのみを取り替えてメンテナンスすることができ、ブレーキディスクの着脱及びメンテナンスの利便性をさらに向上させるとともに、使用コストを低減させる。

【0027】

（２） 放熱補強筋は、２種類の補強筋を用いて交互に及び／又は交差に設けられ、二者の相対的位置及び立体形状、投影面積を調整することにより、効率的な放熱を実現するとともに応力集中の分散に寄与し、炭素セラミック材料の低強度により放熱筋が破断しやすいという問題を回避し、炭素セラミックブレーキディスクの構造強度を確保する。検証したところ、得られた製品において、炭素セラミック放熱筋の最大剪断応力は、１ＭＰａよりも小さく、炭素セラミック材料の失効強度よりもかなり低い。このように、従来から、炭素セラミックブレーキディスクの放熱と強度とを両立できないという問題を解決する。本発明において、２種類の補強筋は、互い違いに配置され、波状の立体放熱通路が形成され、空気の流動に寄与し、対流放熱効果を向上させる。また、放熱補強筋の両側面が対称の曲面として加工され、このように、径方向放熱通路は、曲線形の異径通路に形成され、気流の可変断面通路での流速の変化により、空気の流動を加速させてより多くの熱をとり、放熱効率を向上させる。波状の立体放熱通路は、全ての径方向放熱通路を連通させて、ブレーキディスク全体を貫通する立体放熱システムを形成する。

【0028】

（３） 炭素セラミックブレーキディスクのボルト穴内に設けられた鋼製スリーブにより、２つの別体摩擦ディスクの間は、摩擦力により接続された以外、鋼製スリーブの剪断力を増加させることで、構造全体の接続強度の安定性を増加させ、ボルトがモーメント荷重を受けて偏心してブレーキディスクに大きな不均一の静圧を与えることを防止し、ボルト及びリベットに接続されるディスク体にかかる力を低減し、ボルト及びリベットの破断を防止する。

【0029】

（４） リベットは、熱膨張係数の低い金属材料から製造される。また、本発明は、接続強度を確保する前提で、炭素セラミック摩擦ディスクとリベットとの熱膨張係数の差に応じてリベットの長さを合理的に設計することにより、ブレーキ過程における温度上昇によりリベットが過度に伸長してブレーキディスクの軸方向の弛み現象が現れる確率を大幅に低下させ、製品の寿命を大きく高め、これは、予想を大きく上回った。

【0030】

（５） 炭素セラミックブレーキディスクは、密度が（従来の）ブレーキディスクの約１／３しかないのに硬度が高いため、従来の加工及び重量軽減の方法により動バランスを実現すれば、炭素セラミックブレーキディスクから除去する体積が多すぎて構造の完全性に影響を与え、且つ、加工強度を増大させる。本発明は、ブレーキディスク上に円周方向に沿って均一に分布する動バランス穴を設計し、動バランス穴内に密度の大きい金属ブロックを嵌めることができ、それにより、アンバランスのため、炭素セラミックブレーキディスクは後の加工及び重量軽減を行う必要があるという問題を巧みに解決する。

【0031】

以上をまとめると、本発明の軸付きブレーキディスクは、構造が簡単であり、放熱効果に優れ、接続が確実であり、構造強度が高く、メンテナンスに便利であり、重量が軽い等の利点を有し、ブレーキの信頼性を確保するとともに輸送機関（特に、高速、高荷重輸送機関）のエネルギー消費及びメンテナンスコストを低下させる。

【0032】

以下、図面及び具体的な実施形態により本発明をさらに説明する。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例における全炭素セラミック軸付きブレーキディスクの組み立て断面図である。

【図2】実施例における全炭素セラミック軸付きブレーキディスクの立体模式図（斜視図）である。

【図3】実施例における摩擦ディスクの正面図である。

【図4】リベット接続構造の部分図（部分断面）である。

【図5】ボルト接続構造の断面図である。

【図6】実施例における別体式摩擦ディスクの模式図（斜視図）である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

［実施例］

【0035】

図１及び図２を参照し、図示した全炭素セラミック軸付きブレーキディスクは、本発明の好ましい形態であり、具体的には、摩擦ディスク１と、ディスクハブ２と、軸方向位置決めワッシャ３と、トルクピン４と、ボルト５と、ナット６と、リベット７とを備える。そのうち、摩擦ディスク１は、炭素セラミック複合材料から加工されたリングであり、二枚の環状摩擦ディスク１は、同軸に積み重ねられてディスクハブ２上に固定嵌着され、ディスクハブ２により車軸に固定接続される。摩擦ディスク１の間は、リベット７により接続されて周方向に位置決めされ、摩擦ディスク１の内輪フランジ部分とディスクハブ２との間は、軸方向位置決めワッシャ３、トルクピン４、ボルト５及びナット６から構成される複数のボルトアセンブリによりロック接続される。本実施例は、ブレーキディスクの放熱構造及びディスクハブとの接続方式を具体的に説明することを目的とするため、ブレーキディスクに対して押出及び摩擦を行う摩擦ブレーキパッド及び油圧システムを省略する。そのうち、摩擦ブレーキパッドとして、ブレーキディスクと同じ炭素セラミック複合材料を用いることができ、油圧システムは、従来の軸付きブレーキと同じであるので、本実施例では、ここで説明を省略する。

【0036】

図３に示すように、摩擦ディスクの外側ディスク面は、摩擦ブレーキパッドとの接触に用いられ、平坦な表面に加工され、内側ディスク面は、摩擦ディスク１との積層・接触に用いられ、当該側のディスク面には、放熱通路を形成するための放熱補強筋１１が加工されている。摩擦ディスクのディスク面の厚みは、摩擦ディスク１の厚みの２／５～２／３であり、放熱補強筋１１の厚みは、摩擦ディスク１の厚みの１／３～３／５である。

【0037】

放熱補強筋１１は、ディスク面の円心を中心として、対称に分布しており、摩擦ディスクのディスク体の外円周に沿って分布する第１種補強筋１１ａと、摩擦ディスクのディスク体の内円周に沿って分布する第２種補強筋１１ｂとを含む。第１種補強筋１１ａと第２種補強筋１１ｂとは、周方向に所定のずれ角度で互い違いに配置され、（ずれ角度の）角度範囲が１０°～４５°である。摩擦ディスク１のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋１１ａがなす投影の総面積は、摩擦ディスク１の投影面積の３０～４５％を占める。第２種補強筋１１ｂがなす投影の総面積は、摩擦ディスク１の投影面積の１０～２５％を占める。第１種補強筋１１ａ及び第２種補強筋１１ｂの数は、３～３０個である。好ましくは、摩擦ディスク１のディスク面に垂直に投影する場合に、第１種補強筋１１ａにおける単一の補強筋がなす投影は、円弧形を呈し、円弧形の円心は、円弧中心線と摩擦ディスクの外円周との交点である。第１種補強筋１１ａの径方向に沿う長さは、摩擦ディスク１の半径の１／１０～１／６である。摩擦ディスク１のディスク面に垂直に投影する場合に、第２種補強筋１１ｂにおける単一の補強筋がなす投影は、「Ｕ」形を呈し、前記「Ｕ」形の開口端は、朝摩擦ディスク１の投影円心に向かい、「Ｕ」形の閉口端は、外に向かう。補強筋１１ｂは、両側が径方向に沿って対称であり、側辺と直径とがなす角が、１０°～２０°である。「Ｕ」形の閉口端の円弧は、２つの側辺に接する。第２種補強筋１１ｂの径方向に沿う長さは、摩擦ディスク１の半径の１／８～３／８である。このように、２種類の補強筋を用いて交互及び／又は交差に設け、二者の相対的位置及び立体形状、投影面積を調整することにより、効率的な放熱を実現するとともに応力集中の分散に寄与し、炭素セラミック材料の低強度により放熱筋が破断しやすいという問題を回避し、炭素セラミックブレーキディスクの構造強度を確保する。

【0038】

隣接する第１種補強筋１１ａの間には、径方向放熱通路１２の吸気口１２ａを構成する隙間が設けられている。第２種補強筋１１ｂには、底部に切欠きが加工された窪み構造があり、前記切欠きは、径方向放熱通路１２の排気口（１２ｂ）を構成する。隣接する第２種補強筋１１ｂの間には、径方向放熱通路１２に連通する連通溝１３が構成される。径方向放熱通路１２は、外部に連通する。このように、吸気口１２ａ、連通溝１３及び排気口１２ｂは、曲線形の異径通路に形成され、気流の可変断面通路での流速の変化により、空気の流動を加速させてより多くの熱をとり、放熱効率を向上させる。また、連通溝１３の間を連通させることにより形成された波状の立体放熱通路１４は、全ての径方向放熱通路１２を連通させて、ブレーキディスク全体を貫通する立体放熱システムを形成する。

【0039】

また、本実施例において、さらに第１種補強筋１１ａ上に動バランス穴１６が配置され、動バランス穴１６はブラインドビア（めくら穴）であり、深さが第１種補強筋１１ａの厚み以下であり、動バランス穴１６の内部に金属ブロックを嵌めることにより、ブレーキディスクの動バランスを調整するときに重量を増加させる。

【0040】

本実施例における全炭素セラミックとは、ブレーキディスク全体に密度１．８～２．６ｇ／ｃｍ^３の炭素セラミック複合材料が用いられることを意味し、内部で直接に材料を除去して加工することが困難であるという炭素セラミック複合材料の特徴にについて、直接に二つの摩擦ディスクを積層して全体を形成する。このように、各摩擦ディスクの一方の側のディスク面で単独で放熱補強筋１１及び連通溝１３などの構造のフライス加工を行うことができる。このように、生産効率を向上させ、生産コストを低下させる。

【0041】

再び、図１を参照し、この摩擦ディスク１の間及び摩擦ディスク１とディスクハブ２との間は、リベット７及びボルトアセンブリから構成される接続構造によりロック接続される。具体的には、摩擦ディスク１のディスク面の同一の円周にリベット穴１５がさらに貫通加工されている。リベットの取り付け信頼性を確保するために、リベット穴１５の全ては、放熱補強筋１１ａの実体部分に加工され、且つ、ブレーキディスクのそれぞれにおけるリベット穴の位置は、一対一で対応する。二つの摩擦ディスク１を積層する過程において、リベット穴を合わせ、そしてリベット７によりブレーキディスクの間に挿着され同軸に位置合わせされたリベット穴１５内に固定することによって、二つの摩擦ディスク１を初歩的に一体接続し、摩擦ディスクの間の回転を防止する周方向位置決めを行う。

【0042】

次いで、リベットが取り付けられた積層ブレーキディスク全体をディスクハブ２に嵌着し、摩擦ディスク１の内輪のボルト穴とディスクハブ２におけるボルト穴とを一対一で合わせ、ボルト５を摩擦ディスク１及びディスクハブ２を貫通するボルト穴と摩擦ディスク１及びディスクハブ２の外側にそれぞれ敷設された軸方向位置決めワッシャ３に挿着し、続いてナット６により締結接続し、摩擦ディスク１、ディスクハブ２及び軸方向位置決めワッシャ３を押し付けてロックする。そして、軸方向位置決めワッシャ３とディスクハブ２との間にトルクピン４を取り付けることで、ディスクハブとブレーキディスクとの間のトルク伝達能力を向上させ、一部のボルトが受けるトルクを分担することで、ボルトの接続信頼性を向上させる。

【0043】

図４及び図５に示すように、ブレーキ時に、リベット７の発熱膨張により摩擦ディスク１に大きな不均一の熱応力を与えることを低減させるために、摩擦ディスク１とリベット７の径方向との間にフェルール７１が取り付けられており、フェルール７１は、リベット７に嵌着され、摩擦ディスク１とリベット７とを隔てる。また、リベットでかしめるときに摩擦ディスク１に大きな不均一の静圧を与えることを防止するために、摩擦ディスク１とリベット７の軸方向との間にワッシャ７２が取り付けられている。さらに、ブレーキ時に、ボルト５の発熱膨張により摩擦ディスク１に大きな不均一の熱応力を与えることを低減させるとともに、ボルト５がモーメント荷重を受けて偏心して摩擦ディスク１に大きな不均一の静圧を与えることを防止するために、摩擦ディスク１とボルト５のスクリュー径方向との間に鋼製スリーブ８が取り付けられている。

【0044】

本実施例は、実際の応用において、二枚の図３に示す一体構造の摩擦ディスク１を積層して組み立てもよいが、ブレーキディスクの着脱利便性をさらに向上させるために、さらに図６に示す別体式摩擦ディスク１’を積層して組み立てもよい。このような別体式摩擦ディスク構造は、ブレーキディスクのある領域が破損する場合に、破損領域の別体式摩擦ディスクを単独で取り替えることができる。別体式摩擦ディスク１’は、図３に示す摩擦ディスクに沿って径方向に分割され、図６に示す半円形構造であってもよく、二枚以上の扇形円弧環状構造であってもよく、別体式摩擦ディスク１’によって組み立てられた全体リングの放熱構造及び接続構造は、一体式構造の摩擦ディスク１と同じであり、且つ、積層された各別体式摩擦ディスク１’及び各別体式摩擦ディスク１’とディスクハブ２との間に、いずれも独立した接続構造が設けられており、このように別体式摩擦ディスク１’のそれぞれを単独で着脱可能であることを確保することができる。本発明は、上記の改良によって得られる製品が従来の炭素セラミックディスクよりも放熱性能が少なくとも１０％向上し、使用寿命が２０％向上する。

【0045】

本発明の炭素セラミック軸ディスク及び従来の自動車炭素セラミックディスク構造に類似する軸ディスクに対して、ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ １８．１ソフトを用いて３５０ｋｍ／ｈの列車を緊急にブレーキする（テストを試みた）。結果として、本発明の炭素セラミック軸ディスクは、ブレーキの最高温度が７０２°Ｃであり、ディスク面の最大熱応力が６７ＭＰａであるのに対して、従来の自動車炭素セラミックディスク構造に類似する軸ディスクは、ブレーキの最高温度が７９１°Ｃであり、ディスク面の最大熱応力が８８ＭＰａである。これによって、本発明で得られる製品は、従来の炭素セラミックディスクよりも、放熱性能を明らかに向上させるとともに、応力集中を効果的に分散させ、製品の信頼性を大きく向上させることが示された。

【0046】

当該実施例において、全炭素セラミック軸付きブレーキディスクのサイズは、関連規格に応じて設定される。もちろん、本発明で設計される全炭素セラミック軸付きブレーキディスクの構造は、あらゆる輸送機関に適し、特に、高速列車に適する。以上の実施例は、本発明の基本的原理及び主な特徴並びに本発明の利点を説明したが、本分野の技術者であれば、本発明は、前記実施例によって制限されるものではなく、前記実施例及び明細書における説明は、本発明の具体的な稼働原理に対する説明に過ぎず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明は様々な変形及び改良があり、これらの変形及び改良は、いずれも保護を請求する本発明の範囲内に入っており、本願で保護を請求する範囲は、添付された特許請求の範囲及びその同等物により限定されることを理解すべきである。

【符号の説明】

【0047】

各図面における符号は以下のとおりである。
１ 摩擦ディスク
１’ 別体式摩擦ディスク
１１ 放熱補強筋
１１ａ 第１種放熱補強筋
１１ｂ 第２種放熱補強筋
１２ 径方向放熱通路
１２ａ 吸気口
１２ｂ 排気口
１３ 連通溝
１４ 平面放熱通路
１５ リベット穴
１６ 動バランス穴
２ ディスクハブ
３ 軸方向位置決めワッシャ
４ トルクピン
５ ボルト
６ ナット
７ リベット
７１ フェルール
７２ ワッシャ
８ 鋼製スリーブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】