円盤状摩擦部材
【課題】本発明の課題は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材であって、従来のものよりも更に強度に優れた円盤状摩擦部材を提供することにある。
【解決手段】本発明は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備えるブレーキロータＲ１のロータ本体１（円盤状摩擦部材）であって、前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体１３を埋め込んで形成したことを特徴とする。このロータ本体１は、例えばハット部に締結するための締結部の強度が高められる。
【解決手段】本発明は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備えるブレーキロータＲ１のロータ本体１（円盤状摩擦部材）であって、前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体１３を埋め込んで形成したことを特徴とする。このロータ本体１は、例えばハット部に締結するための締結部の強度が高められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキロータ、クラッチディスク等に使用される円盤状摩擦部材に関し、特にＣ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｃ／ＳｉＣ複合材料（炭素／炭化ケイ素複合材料）で形成された円盤状摩擦部材を使用した自動車用のブレーキロータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この円盤状摩擦部材は、炭素繊維と有機バインダとを含む組成物を型内で成形してニヤネットシェイプの成形品を得、次いでこの成形品を焼成して炭素化したものに溶融Ｓｉを含浸させて、炭素を部分的にＳｉＣ化したものである。
この円盤状摩擦部材は、Ｓｉの溶融温度で炭素化物のＳｉＣ化が進行するのでその製造方法が容易であると共に、得られた円盤状摩擦部材は、Ｃ／Ｃ複合材料からなる円盤状摩擦部材よりも耐熱性及び耐摩耗性に一段と優れたものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５２２７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来のＣ／ＳｉＣ複合材料を円盤状摩擦部として使用したブレーキロータ（例えば、特許文献１参照）は、例えば円盤状摩擦部材を鋳造成形したブレーキロータと異なって、車輪のハブに円盤状摩擦部材を取り付けるためのハット部が別体となっている。そのため、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材には、その中心軸周りにハット部と締結するためのボルト挿入孔が設けられている。そして、従来のブレーキロータ（例えば、特許文献１参照）の円盤状摩擦部は、ブレーキパッドが摺接する制動時に、ボルト挿入孔が形成される締結部に多大な応力が集中する。したがって、制動時に多大な応力が締結部に集中した際に充分な強度を発揮する円盤状摩擦部が望まれている。
【０００５】
本発明の課題は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材であって、従来のものよりも更に強度に優れた円盤状摩擦部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決した本発明は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備える円盤状摩擦部材であって、前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体を埋め込んで形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材であって、従来のものよりも更に強度に優れた円盤状摩擦部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図２】図１（ａ）及び（ｂ）に示すII方向からブロック体の近傍を見た様子を示す部分斜視図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、制動時に、ロータ本体のブロック体に生起する熱応力を、シミュレーション試験を行って求めた結果を示す熱応力分布図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、制動時に、ロータ本体のブロック体に生起するトルク応力を、シミュレーション試験を行って求めた結果を示すトルク応力分布図である。
【図５】（ａ）は他の実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の円盤状摩擦部材は、例えばブレーキロータやクラッチディスク等に使用される円盤状摩擦部材に適用することができるが、本実施形態では自動車用のブレーキロータに使用する円盤状摩擦部材について説明する。
【００１０】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ブレーキロータＲ１は、本発明の円盤状摩擦部材としてのロータ本体１と、ハット部２とを備えている。なお、図１（ａ）中、ハット部２は仮想線で示し、ロータ本体１と、ハット部２とを締結する締結具は、作図の便宜上省略している。また、図１（ｂ）中、ハット部２及び締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）は仮想線で示している。
【００１１】
ロータ本体１は、平面視で略円形の中央孔１２を有し、Ｃ／ＳｉＣ複合材料で形成されている。
ロータ本体１には、中央孔１２を囲む縁部に沿って円筒形状のブロック体１３が等間隔に１０箇所配置されている。このブロック体１３は、後記するように、締結具３でハット部２と締結するための締結部を構成している。つまり、本実施形態でのロータ本体１は、その中心軸１４周りに複数のブロック体１３（締結部）を備えることとなる。
【００１２】
ブロック体１３は、炭素繊維を巻回したものであって、図２に示すように、ロータ本体１の厚さと同じ高さの円筒形状を呈している。本実施形態では、炭素繊維をテープ状に成形したテープ状繊維束１６を巻回してブロック体１３を形成しており、テープ状繊維束１６の幅はロータ本体１の厚さと略同じに設定されている。
【００１３】
このブロック体１３は、図１（ｂ）に示すように、炭素繊維の巻回軸１７がロータ本体１の中心軸１４に沿って配向するように配置されている。言い換えれば、巻回軸１７がロータ本体１の盤面に対して垂直となるように、ブロック体１３はロータ本体１に面一となるように埋め込まれて配置されている。
【００１４】
このブロック体１３は、炭素繊維の巻回軸１７を中心とする貫通孔１８（図１（ａ）参照）を有しており、貫通孔１８はボルト３ａ（図１（ｂ）参照）の挿入孔１９を形成している。つまり、ボルト３ａの挿入孔１９が形成されたブロック体１３は、ロータ本体１に埋め込まれることで特許請求の範囲にいう「締結部」を構成している。なお、本実施形態でのブロック体１３は、後記するように、炭素繊維の巻回軸１７（巻回中心）に貫通孔１８を穿って形成することで円筒形状としたものである。
【００１５】
ロータ本体１は、図１（ａ）に示すように、等間隔で隣接し合うブロック体１３同士の間を部分的に切り欠いた切欠部１１を有している。この切欠部１１には、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷却孔１５の一端が臨んでいる。
【００１６】
冷却孔１５は、ロータ本体１の厚さ方向の略中程を切欠部１１側からロータ本体１の外周面側に向かって延びると共に、外周面でその他端が開口している。本実施形態での冷却孔１５の断面形状は、図１（ｂ）に示すように、矩形を呈している。
【００１７】
冷却孔１５の延設方向は、図１（ａ）に示すように、ロータ本体１の遠心方向に対して所定の傾斜角θを成して傾斜している。このように冷却孔１５が傾斜して形成されることによって、ブレーキロータＲ１が回転する際の冷却孔１５内における空気の流通が促進されて、ロータ本体１に発生する摩擦熱は効率良く冷却されることとなる。
【００１８】
ハット部２は、図１（ｂ）に示すように、ロータ本体１の中央孔１２を片側から覆うように配置されてロータ本体１と締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）で締結される部材であって、ロータ本体１を車輪のハブ（図示省略）に取り付けるための部材である。
ハット部２は、図１（ａ）に示すように、平面視で略円形であり、図１（ｂ）に示すように、側断面視でハット形状を呈している。
【００１９】
このようなハット部２は、図１（ｂ）に示すように、ロータ本体１に締結されるフランジ部２１と、フランジ部２１から立ち上がる円筒部２２と、円筒部２２に接続されてロータ本体１の中央孔１２を覆うように配置されるハブ取付部２３とを備えている。なお、フランジ部２１には、ロータ本体１の挿入孔１９に対応する位置にボルト挿通孔２４が形成され、ハブ取付部２３には、車輪のハブ（図示省略）側と締結するためのボルト挿通孔２５が形成されている。
【００２０】
次に、ロータ本体１の製造方法について説明する。
この製造方法では、ブロック体１３の形状に対応するように、炭素繊維の巻回体を形成する。この巻回体を形成する炭素繊維は、前記したように、所定幅のテープ状に成形した炭素繊維（テープ状繊維束１６（図２参照））が望ましい。
【００２１】
炭素繊維をテープ状に成形する方法としては、例えば１２０００本から２４０００本の炭素繊維からなる繊維束をロールから繰り出して開繊し、次いで開繊してテープ状となった繊維束を合成樹脂液に浸漬した後に巻き上げることによって行われる。この際、テープ状繊維束１６（図２参照）を構成する各炭素繊維の表面は、合成樹脂で満遍なく被覆されることとなる。
【００２２】
前記合成樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙げることができる。中でもレゾール型のフェノール樹脂が望ましい。ちなみに、レゾール型のフェノール樹脂は、ｐＨを７．０〜１２．５に調整することによって水溶性とすることができるのでその取り扱いが容易になる。
【００２３】
本実施形態では、合成樹脂を含むテープ状の炭素繊維（繊維束）を円柱形状又は円筒形状に巻回し、その合成樹脂を硬化させて巻回体を形成する。この巻回体は、図２に示すブロック体１３の外形とニヤネットシェイプのものとする。この際、合成樹脂が熱硬化性樹脂の場合には所定の硬化温度で加熱し、熱可塑性樹脂の場合にはガラス転移温度以下にすることで合成樹脂を硬化させる。
【００２４】
次に、この製造方法では、巻回体をロータ本体１の型内で締結部に対応する位置に配置する。つまり、図１（ａ）に示すブロック体１３の位置に巻回体が配置される。
【００２５】
そして、この製造方法では、巻回体を配置したロータ本体１の型内に、合成樹脂で表面を被覆した炭素繊維の短繊維と有機バインダとを含む混合物を充填する。
【００２６】
炭素繊維の短繊維は、例えば、巻回体に使用した樹脂被覆の炭素繊維を１０ｍｍ以下に切断して作製することができる。
【００２７】
有機バインダとしては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂、ピッチ、有機ケイ素系ポリマー等が挙げられる。有機バインダは、固体又は流動体のいずれであっても良い。また、有機バインダとしては、熱分解後の炭素収率が高いものが好ましい。
【００２８】
また、前記混合物には、炭素繊維及び有機バインダの他に、例えば、粒状のグラファイト、炭化ケイ素、金属炭化物、金属窒化物等の添加物を更に加えることができる。
【００２９】
次に、この製造方法では、型内に配置した巻回体及び充填した混合物を、型内で所定の温度及び圧力の下に一体化させることによって、ロータ本体１の外形とニヤネットシェイプの成形体を得る。この際、有機バインダが熱硬化性樹脂の場合には所定の硬化温度で加熱する。
【００３０】
次に、この製造方法では、前記した成形体を焼成して巻回体の合成樹脂と有機バインダとを炭素化してＣ／Ｃ化物を形成する。この焼成工程は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中、９００℃程度で加熱するのが好ましい。
【００３１】
次に、この製造方法では、前記した焼成工程で得られたＣ／Ｃ化物を所定の炉内に配置し、その上に固形のＳｉを敷き詰める。固形のＳｉとしては、例えば、直径が１〜３ｍｍの粒状ものや、直径が１０〜３０ｍｍの塊状のものを好適に使用することができる。
【００３２】
そして、真空中、１４００℃以上で炉内を加熱することによって、固形のＳｉを溶融させると共に溶融したＳｉをＣ／Ｃ化物に含浸させる。この工程により、炭素化した有機バインダはＳｉと反応することでＳｉＣとなって、ＳｉＣのマトリックス中に炭素繊維の短繊維を含むＣ／ＳｉＣ複合材料が形成される。この際、前記した焼成工程で、炭素繊維の表面に形成された被覆樹脂（前記した合成樹脂）の炭素化物は、Ｃ／Ｃ物に含まれる炭素繊維の短繊維及びテープ状繊維束が溶融Ｓｉと接触してＳｉＣ化するのを防止する。次いで、超硬切削工具を使用してブロック体１３に前記したボルト３ａの挿入孔１９を形成すると共に必要に応じて外形形状を整えてロータ本体１（図１（ａ）参照）が得られる。
【００３３】
次に、本実施形態に係るロータ本体１（円盤状摩擦部材）の作用効果について説明する。
本実施形態に係るロータ本体１においては、自動車の車輪に制動力を加える際に、ロータ本体１の盤面に対して図示しないキャリパのブレーキパッドが圧接する。この際、ロータ本体１とハット部２とを締結する締結部、つまりボルト３ａの挿入孔１９が形成されたブロック体１３に多大な応力が集中する。
【００３４】
一方、ブロック体１３は、炭素繊維を円筒形状に巻回して形成しているので、制動時に多大な応力が集中しても充分な強度を発揮する。このことはボルト３ａからブロック体１３に負荷が入力された際に巻回する炭素繊維が負荷を効果的に分散するためと考えられる。
【００３５】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、テープ状に成形した前記炭素繊維の繊維束を巻回してブロック体１３を形成するので、円筒形状の周方向に沿って炭素繊維の配向が揃いやすい。したがって、ブロック体１３に入力された負荷の分散がより効果的に行われる。
【００３６】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、炭素繊維をテープ状に成形したテープ状繊維束１６を巻回してブロック体１３を形成するので、円筒形状を容易に形成することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、炭素繊維の巻回中心（巻回軸１７）に貫通孔１８を穿ってブロック体１３を形成するので、巻回中心を外れて貫通孔１８を穿ったものと異なって、炭素繊維が貫通孔１８で分断されることが避けられる。その結果、強度の高い締結部を構成することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係るロータ本体１の前記した作用効果を実証するシミュレーション試験を行ったので、その結果を以下に説明する。
このシミュレーション試験では、図１（ｂ）に示すブレーキロータＲ１と同様の形状を有するものを計算モデルとして使用して、制動時にブロック体１３に生起する熱応力及びトルク応力を求めた。
【００３９】
熱応力の計算は、このブレーキロータＲ１を装着した車両が１００ｋｍ／ｈで走行している際に、３．０ｍ／ｓ２で減速して９．３ｓで停止する制動条件を仮定し、初期熱流束を５．０７×１０５Ｗ/ｍ２に設定して行った。初期温度分布は、熱流体解析のフェード５回終了時の温度分布を単純化して使用した。また、空気への熱伝達は無いと仮定した。この熱応力の計算におけるボルト３ａの材料強度のデータは、一般に公開されているクロムモリブデン鋼の応力-ひずみ線図を用いた。
【００４０】
ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるブレーキロータＲ１の制動開始から３ｓ後の熱応力分布の計算結果を図３（ａ）に示し、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１の制動開始から３ｓ後の熱応力分布の計算結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ａ）及び（ｂ）中の矢印は、車両走行時のロータ本体１の回転方向を示し、符号１はロータ本体を示し、符号１３はブロック体を示している。
【００４１】
図３（ａ）に示すように、ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１の熱応力は最大値で２３ＭＰａであった。これに対して、図３（ｂ）に示すように、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１の熱応力は最大値で１９ＭＰａであった。
【００４２】
つまり、制動中に加わる熱応力及び熱ひずみは、ブロック体１３の直径が大きくなるほど小さくなることが確認された。言い換えれば、ブロック体１３の体積が増加するほど熱応力及び熱ひずみは小さくなることが確認された。
【００４３】
トルク応力の計算は、三倍トルクが付加した条件としてブレーキパッドのロータ本体１に対する押圧力を５．８９ＭＰａとし、ロータ本体１の周方向にせん断応力が２．６５ＭＰａの大きさで生起した場合を仮定した。このトルク応力の計算では、ハット部２の外径を１９４ｍｍとし、内径を１１０ｍｍとすると共に、ハット部２及びボルト３ａの材料強度のデータは、一般に公開されているクロムモリブデン鋼の応力-ひずみ線図を用いた。なお、ハット部２は弾性を示し、ボルト３ａは弾塑性を示すものと仮定した。解析には、ロータ本体１の全体の変形を求め、その変形の際の変位を部分モデルに対して境界条件として与えている。
【００４４】
ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１のトルク応力分布の計算結果を図４（ａ）に示し、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１のトルク応力分布の計算結果を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）中の矢印は、ロータ本体１の回転方向を示し、符号１はロータ本体を示し、符号１３はブロック体を示している。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１のトルク応力は最大値で２４０ＭＰａであった。これに対して、図４（ｂ）に示すように、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１のトルク応力は最大値で２００ＭＰａであった。
すなわち、制動中に加わるトルク応力及びひずみは、ブロック体１３の直径が大きくなるほど小さくなることが確認された。言い換えれば、ブロック体１３の体積が増加するほどトルク応力及びひずみは小さくなることが確認された。
【００４６】
以上のシミュレーション試験の結果から、炭素繊維を円筒状に巻回したブロック体１３を有するロータ本体１は、制動時に多大な応力が締結部に集中しても充分な強度を発揮することが確認された。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
ここで参照する図５（ａ）は、他の実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ−Ｖ断面図である。なお、図５（ａ）中、ハット部２は仮想線で示し、ロータ本体１と、ハット部２とを締結する締結具は、作図の便宜上省略している。また、図５（ｂ）中、ハット部２及び締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）は仮想線で示している。また、前記実施形態と同様の構成要素は同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ブレーキロータＲ２のロータ本体３１は、前記実施形態に係るロータ本体１と同様に、締結部となるブロック体１３がロータ本体３１の中心軸１４周りに複数埋め込まれて配置されている。
【００４９】
このロータ本体３１は、図５（ａ）に示すように、ブロック体１３よりも外側に位置するリング状の領域にブロック体３３が埋め込まれて配置されている。
【００５０】
このブロック体３３は、ロータ本体３１の中心軸１４が巻回中心となるようにテープ状に成形した炭素繊維（テープ状繊維束１６（図２参照））を巻回したものであって、図５（ｂ）に示すように、ロータ本体３１の盤面の表裏にそれぞれ配置されている。
つまり、ロータ本体３１には、ブレーキパッド（図示省略）が圧接する盤面部分にブロック体３３が配置されることとなる。
【００５１】
また、冷却孔１５は、図５（ｂ）に示すように、表裏のブロック体３３，３３の間でロータ本体３１内を延びることとなる。
【００５２】
このようなロータ本体３１によれば、ブレーキパッド（図示省略）が圧接する盤面部分にブロック体３３が配置されるので圧接部分の強度が一段と向上する。その結果、このロータ本体３１によれば、ブロック体１３によって締結部の強度が向上すると共に、ブロック体３３によって圧接部分の強度が一段と向上するので、ブロック体１３とブロック体３３との協働によって、より大きな制動力をロータ本体１に加えることができる。
【００５３】
また、前記実施形態では、テープ状の炭素繊維（繊維束）を円筒形状に巻回してブロック体１３を形成しているが、本発明は炭素繊維がヒモ状に束となった繊維束を円筒形状に巻回してブロック体１３を形成したものであっても良い。
【００５４】
また、前記実施形態では、ブレーキロータＲ１に使用されるロータ本体１（円盤状摩擦部材）について説明したが、本発明はクラッチディスクに使用される円盤状摩擦部材であっても良い。このような円盤状摩擦部材における締結部は、ボルト３ａの挿入孔１９を備える前記ブロック体１３と同様に構成されたものであっても良いが、凸となるスプライン部にブロック体１３を配置したものであっても良い。
【００５５】
また、前記実施形態では、切欠部１１を形成したロータ本体１について説明したが、本発明は切欠部１１を有しない、つまり中央孔１２が真円であるロータ本体１であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１ ロータ本体
２ ハット部
３ 締結具
３ａ ボルト
３ｂ ナット
１１ 切欠部
１２ 中央孔
１３ ブロック体
１４ 中心軸
１５ 冷却孔
１６ テープ状繊維束（炭素繊維）
１７ 巻回軸（巻回中心）
１８ 貫通孔
１９ 挿入孔
２１ フランジ部
２２ 円筒部
２３ ハブ取付部
２４ ボルト挿通孔
２５ ボルト挿通孔
３１ ロータ本体
３３ ブロック体
Ｒ１ ブレーキロータ
Ｒ２ ブレーキロータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーキロータ、クラッチディスク等に使用される円盤状摩擦部材に関し、特にＣ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｃ／ＳｉＣ複合材料（炭素／炭化ケイ素複合材料）で形成された円盤状摩擦部材を使用した自動車用のブレーキロータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この円盤状摩擦部材は、炭素繊維と有機バインダとを含む組成物を型内で成形してニヤネットシェイプの成形品を得、次いでこの成形品を焼成して炭素化したものに溶融Ｓｉを含浸させて、炭素を部分的にＳｉＣ化したものである。
この円盤状摩擦部材は、Ｓｉの溶融温度で炭素化物のＳｉＣ化が進行するのでその製造方法が容易であると共に、得られた円盤状摩擦部材は、Ｃ／Ｃ複合材料からなる円盤状摩擦部材よりも耐熱性及び耐摩耗性に一段と優れたものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５２２７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来のＣ／ＳｉＣ複合材料を円盤状摩擦部として使用したブレーキロータ（例えば、特許文献１参照）は、例えば円盤状摩擦部材を鋳造成形したブレーキロータと異なって、車輪のハブに円盤状摩擦部材を取り付けるためのハット部が別体となっている。そのため、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材には、その中心軸周りにハット部と締結するためのボルト挿入孔が設けられている。そして、従来のブレーキロータ（例えば、特許文献１参照）の円盤状摩擦部は、ブレーキパッドが摺接する制動時に、ボルト挿入孔が形成される締結部に多大な応力が集中する。したがって、制動時に多大な応力が締結部に集中した際に充分な強度を発揮する円盤状摩擦部が望まれている。
【０００５】
本発明の課題は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材であって、従来のものよりも更に強度に優れた円盤状摩擦部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決した本発明は、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備える円盤状摩擦部材であって、前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体を埋め込んで形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなる円盤状摩擦部材であって、従来のものよりも更に強度に優れた円盤状摩擦部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図２】図１（ａ）及び（ｂ）に示すII方向からブロック体の近傍を見た様子を示す部分斜視図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、制動時に、ロータ本体のブロック体に生起する熱応力を、シミュレーション試験を行って求めた結果を示す熱応力分布図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、制動時に、ロータ本体のブロック体に生起するトルク応力を、シミュレーション試験を行って求めた結果を示すトルク応力分布図である。
【図５】（ａ）は他の実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、（ｂ）は（ａ）のＶ−Ｖ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の円盤状摩擦部材は、例えばブレーキロータやクラッチディスク等に使用される円盤状摩擦部材に適用することができるが、本実施形態では自動車用のブレーキロータに使用する円盤状摩擦部材について説明する。
【００１０】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ブレーキロータＲ１は、本発明の円盤状摩擦部材としてのロータ本体１と、ハット部２とを備えている。なお、図１（ａ）中、ハット部２は仮想線で示し、ロータ本体１と、ハット部２とを締結する締結具は、作図の便宜上省略している。また、図１（ｂ）中、ハット部２及び締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）は仮想線で示している。
【００１１】
ロータ本体１は、平面視で略円形の中央孔１２を有し、Ｃ／ＳｉＣ複合材料で形成されている。
ロータ本体１には、中央孔１２を囲む縁部に沿って円筒形状のブロック体１３が等間隔に１０箇所配置されている。このブロック体１３は、後記するように、締結具３でハット部２と締結するための締結部を構成している。つまり、本実施形態でのロータ本体１は、その中心軸１４周りに複数のブロック体１３（締結部）を備えることとなる。
【００１２】
ブロック体１３は、炭素繊維を巻回したものであって、図２に示すように、ロータ本体１の厚さと同じ高さの円筒形状を呈している。本実施形態では、炭素繊維をテープ状に成形したテープ状繊維束１６を巻回してブロック体１３を形成しており、テープ状繊維束１６の幅はロータ本体１の厚さと略同じに設定されている。
【００１３】
このブロック体１３は、図１（ｂ）に示すように、炭素繊維の巻回軸１７がロータ本体１の中心軸１４に沿って配向するように配置されている。言い換えれば、巻回軸１７がロータ本体１の盤面に対して垂直となるように、ブロック体１３はロータ本体１に面一となるように埋め込まれて配置されている。
【００１４】
このブロック体１３は、炭素繊維の巻回軸１７を中心とする貫通孔１８（図１（ａ）参照）を有しており、貫通孔１８はボルト３ａ（図１（ｂ）参照）の挿入孔１９を形成している。つまり、ボルト３ａの挿入孔１９が形成されたブロック体１３は、ロータ本体１に埋め込まれることで特許請求の範囲にいう「締結部」を構成している。なお、本実施形態でのブロック体１３は、後記するように、炭素繊維の巻回軸１７（巻回中心）に貫通孔１８を穿って形成することで円筒形状としたものである。
【００１５】
ロータ本体１は、図１（ａ）に示すように、等間隔で隣接し合うブロック体１３同士の間を部分的に切り欠いた切欠部１１を有している。この切欠部１１には、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、冷却孔１５の一端が臨んでいる。
【００１６】
冷却孔１５は、ロータ本体１の厚さ方向の略中程を切欠部１１側からロータ本体１の外周面側に向かって延びると共に、外周面でその他端が開口している。本実施形態での冷却孔１５の断面形状は、図１（ｂ）に示すように、矩形を呈している。
【００１７】
冷却孔１５の延設方向は、図１（ａ）に示すように、ロータ本体１の遠心方向に対して所定の傾斜角θを成して傾斜している。このように冷却孔１５が傾斜して形成されることによって、ブレーキロータＲ１が回転する際の冷却孔１５内における空気の流通が促進されて、ロータ本体１に発生する摩擦熱は効率良く冷却されることとなる。
【００１８】
ハット部２は、図１（ｂ）に示すように、ロータ本体１の中央孔１２を片側から覆うように配置されてロータ本体１と締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）で締結される部材であって、ロータ本体１を車輪のハブ（図示省略）に取り付けるための部材である。
ハット部２は、図１（ａ）に示すように、平面視で略円形であり、図１（ｂ）に示すように、側断面視でハット形状を呈している。
【００１９】
このようなハット部２は、図１（ｂ）に示すように、ロータ本体１に締結されるフランジ部２１と、フランジ部２１から立ち上がる円筒部２２と、円筒部２２に接続されてロータ本体１の中央孔１２を覆うように配置されるハブ取付部２３とを備えている。なお、フランジ部２１には、ロータ本体１の挿入孔１９に対応する位置にボルト挿通孔２４が形成され、ハブ取付部２３には、車輪のハブ（図示省略）側と締結するためのボルト挿通孔２５が形成されている。
【００２０】
次に、ロータ本体１の製造方法について説明する。
この製造方法では、ブロック体１３の形状に対応するように、炭素繊維の巻回体を形成する。この巻回体を形成する炭素繊維は、前記したように、所定幅のテープ状に成形した炭素繊維（テープ状繊維束１６（図２参照））が望ましい。
【００２１】
炭素繊維をテープ状に成形する方法としては、例えば１２０００本から２４０００本の炭素繊維からなる繊維束をロールから繰り出して開繊し、次いで開繊してテープ状となった繊維束を合成樹脂液に浸漬した後に巻き上げることによって行われる。この際、テープ状繊維束１６（図２参照）を構成する各炭素繊維の表面は、合成樹脂で満遍なく被覆されることとなる。
【００２２】
前記合成樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリウレタン樹脂等を挙げることができる。中でもレゾール型のフェノール樹脂が望ましい。ちなみに、レゾール型のフェノール樹脂は、ｐＨを７．０〜１２．５に調整することによって水溶性とすることができるのでその取り扱いが容易になる。
【００２３】
本実施形態では、合成樹脂を含むテープ状の炭素繊維（繊維束）を円柱形状又は円筒形状に巻回し、その合成樹脂を硬化させて巻回体を形成する。この巻回体は、図２に示すブロック体１３の外形とニヤネットシェイプのものとする。この際、合成樹脂が熱硬化性樹脂の場合には所定の硬化温度で加熱し、熱可塑性樹脂の場合にはガラス転移温度以下にすることで合成樹脂を硬化させる。
【００２４】
次に、この製造方法では、巻回体をロータ本体１の型内で締結部に対応する位置に配置する。つまり、図１（ａ）に示すブロック体１３の位置に巻回体が配置される。
【００２５】
そして、この製造方法では、巻回体を配置したロータ本体１の型内に、合成樹脂で表面を被覆した炭素繊維の短繊維と有機バインダとを含む混合物を充填する。
【００２６】
炭素繊維の短繊維は、例えば、巻回体に使用した樹脂被覆の炭素繊維を１０ｍｍ以下に切断して作製することができる。
【００２７】
有機バインダとしては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂、ピッチ、有機ケイ素系ポリマー等が挙げられる。有機バインダは、固体又は流動体のいずれであっても良い。また、有機バインダとしては、熱分解後の炭素収率が高いものが好ましい。
【００２８】
また、前記混合物には、炭素繊維及び有機バインダの他に、例えば、粒状のグラファイト、炭化ケイ素、金属炭化物、金属窒化物等の添加物を更に加えることができる。
【００２９】
次に、この製造方法では、型内に配置した巻回体及び充填した混合物を、型内で所定の温度及び圧力の下に一体化させることによって、ロータ本体１の外形とニヤネットシェイプの成形体を得る。この際、有機バインダが熱硬化性樹脂の場合には所定の硬化温度で加熱する。
【００３０】
次に、この製造方法では、前記した成形体を焼成して巻回体の合成樹脂と有機バインダとを炭素化してＣ／Ｃ化物を形成する。この焼成工程は、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中、９００℃程度で加熱するのが好ましい。
【００３１】
次に、この製造方法では、前記した焼成工程で得られたＣ／Ｃ化物を所定の炉内に配置し、その上に固形のＳｉを敷き詰める。固形のＳｉとしては、例えば、直径が１〜３ｍｍの粒状ものや、直径が１０〜３０ｍｍの塊状のものを好適に使用することができる。
【００３２】
そして、真空中、１４００℃以上で炉内を加熱することによって、固形のＳｉを溶融させると共に溶融したＳｉをＣ／Ｃ化物に含浸させる。この工程により、炭素化した有機バインダはＳｉと反応することでＳｉＣとなって、ＳｉＣのマトリックス中に炭素繊維の短繊維を含むＣ／ＳｉＣ複合材料が形成される。この際、前記した焼成工程で、炭素繊維の表面に形成された被覆樹脂（前記した合成樹脂）の炭素化物は、Ｃ／Ｃ物に含まれる炭素繊維の短繊維及びテープ状繊維束が溶融Ｓｉと接触してＳｉＣ化するのを防止する。次いで、超硬切削工具を使用してブロック体１３に前記したボルト３ａの挿入孔１９を形成すると共に必要に応じて外形形状を整えてロータ本体１（図１（ａ）参照）が得られる。
【００３３】
次に、本実施形態に係るロータ本体１（円盤状摩擦部材）の作用効果について説明する。
本実施形態に係るロータ本体１においては、自動車の車輪に制動力を加える際に、ロータ本体１の盤面に対して図示しないキャリパのブレーキパッドが圧接する。この際、ロータ本体１とハット部２とを締結する締結部、つまりボルト３ａの挿入孔１９が形成されたブロック体１３に多大な応力が集中する。
【００３４】
一方、ブロック体１３は、炭素繊維を円筒形状に巻回して形成しているので、制動時に多大な応力が集中しても充分な強度を発揮する。このことはボルト３ａからブロック体１３に負荷が入力された際に巻回する炭素繊維が負荷を効果的に分散するためと考えられる。
【００３５】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、テープ状に成形した前記炭素繊維の繊維束を巻回してブロック体１３を形成するので、円筒形状の周方向に沿って炭素繊維の配向が揃いやすい。したがって、ブロック体１３に入力された負荷の分散がより効果的に行われる。
【００３６】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、炭素繊維をテープ状に成形したテープ状繊維束１６を巻回してブロック体１３を形成するので、円筒形状を容易に形成することができる。
【００３７】
また、本実施形態に係るロータ本体１は、炭素繊維の巻回中心（巻回軸１７）に貫通孔１８を穿ってブロック体１３を形成するので、巻回中心を外れて貫通孔１８を穿ったものと異なって、炭素繊維が貫通孔１８で分断されることが避けられる。その結果、強度の高い締結部を構成することができる。
【００３８】
次に、本実施形態に係るロータ本体１の前記した作用効果を実証するシミュレーション試験を行ったので、その結果を以下に説明する。
このシミュレーション試験では、図１（ｂ）に示すブレーキロータＲ１と同様の形状を有するものを計算モデルとして使用して、制動時にブロック体１３に生起する熱応力及びトルク応力を求めた。
【００３９】
熱応力の計算は、このブレーキロータＲ１を装着した車両が１００ｋｍ／ｈで走行している際に、３．０ｍ／ｓ２で減速して９．３ｓで停止する制動条件を仮定し、初期熱流束を５．０７×１０５Ｗ/ｍ２に設定して行った。初期温度分布は、熱流体解析のフェード５回終了時の温度分布を単純化して使用した。また、空気への熱伝達は無いと仮定した。この熱応力の計算におけるボルト３ａの材料強度のデータは、一般に公開されているクロムモリブデン鋼の応力-ひずみ線図を用いた。
【００４０】
ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるブレーキロータＲ１の制動開始から３ｓ後の熱応力分布の計算結果を図３（ａ）に示し、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１の制動開始から３ｓ後の熱応力分布の計算結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ａ）及び（ｂ）中の矢印は、車両走行時のロータ本体１の回転方向を示し、符号１はロータ本体を示し、符号１３はブロック体を示している。
【００４１】
図３（ａ）に示すように、ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１の熱応力は最大値で２３ＭＰａであった。これに対して、図３（ｂ）に示すように、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１の熱応力は最大値で１９ＭＰａであった。
【００４２】
つまり、制動中に加わる熱応力及び熱ひずみは、ブロック体１３の直径が大きくなるほど小さくなることが確認された。言い換えれば、ブロック体１３の体積が増加するほど熱応力及び熱ひずみは小さくなることが確認された。
【００４３】
トルク応力の計算は、三倍トルクが付加した条件としてブレーキパッドのロータ本体１に対する押圧力を５．８９ＭＰａとし、ロータ本体１の周方向にせん断応力が２．６５ＭＰａの大きさで生起した場合を仮定した。このトルク応力の計算では、ハット部２の外径を１９４ｍｍとし、内径を１１０ｍｍとすると共に、ハット部２及びボルト３ａの材料強度のデータは、一般に公開されているクロムモリブデン鋼の応力-ひずみ線図を用いた。なお、ハット部２は弾性を示し、ボルト３ａは弾塑性を示すものと仮定した。解析には、ロータ本体１の全体の変形を求め、その変形の際の変位を部分モデルに対して境界条件として与えている。
【００４４】
ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１のトルク応力分布の計算結果を図４（ａ）に示し、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１のトルク応力分布の計算結果を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）中の矢印は、ロータ本体１の回転方向を示し、符号１はロータ本体を示し、符号１３はブロック体を示している。
【００４５】
図４（ａ）に示すように、ブロック体１３の外径が１３ｍｍであるロータ本体１のトルク応力は最大値で２４０ＭＰａであった。これに対して、図４（ｂ）に示すように、ブロック体１３の外径が１８ｍｍであるロータ本体１のトルク応力は最大値で２００ＭＰａであった。
すなわち、制動中に加わるトルク応力及びひずみは、ブロック体１３の直径が大きくなるほど小さくなることが確認された。言い換えれば、ブロック体１３の体積が増加するほどトルク応力及びひずみは小さくなることが確認された。
【００４６】
以上のシミュレーション試験の結果から、炭素繊維を円筒状に巻回したブロック体１３を有するロータ本体１は、制動時に多大な応力が締結部に集中しても充分な強度を発揮することが確認された。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。
ここで参照する図５（ａ）は、他の実施形態に係る円盤状摩擦部材を使用したブレーキロータの平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＶ−Ｖ断面図である。なお、図５（ａ）中、ハット部２は仮想線で示し、ロータ本体１と、ハット部２とを締結する締結具は、作図の便宜上省略している。また、図５（ｂ）中、ハット部２及び締結具３（ボルト３ａ及びナット３ｂ）は仮想線で示している。また、前記実施形態と同様の構成要素は同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４８】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、ブレーキロータＲ２のロータ本体３１は、前記実施形態に係るロータ本体１と同様に、締結部となるブロック体１３がロータ本体３１の中心軸１４周りに複数埋め込まれて配置されている。
【００４９】
このロータ本体３１は、図５（ａ）に示すように、ブロック体１３よりも外側に位置するリング状の領域にブロック体３３が埋め込まれて配置されている。
【００５０】
このブロック体３３は、ロータ本体３１の中心軸１４が巻回中心となるようにテープ状に成形した炭素繊維（テープ状繊維束１６（図２参照））を巻回したものであって、図５（ｂ）に示すように、ロータ本体３１の盤面の表裏にそれぞれ配置されている。
つまり、ロータ本体３１には、ブレーキパッド（図示省略）が圧接する盤面部分にブロック体３３が配置されることとなる。
【００５１】
また、冷却孔１５は、図５（ｂ）に示すように、表裏のブロック体３３，３３の間でロータ本体３１内を延びることとなる。
【００５２】
このようなロータ本体３１によれば、ブレーキパッド（図示省略）が圧接する盤面部分にブロック体３３が配置されるので圧接部分の強度が一段と向上する。その結果、このロータ本体３１によれば、ブロック体１３によって締結部の強度が向上すると共に、ブロック体３３によって圧接部分の強度が一段と向上するので、ブロック体１３とブロック体３３との協働によって、より大きな制動力をロータ本体１に加えることができる。
【００５３】
また、前記実施形態では、テープ状の炭素繊維（繊維束）を円筒形状に巻回してブロック体１３を形成しているが、本発明は炭素繊維がヒモ状に束となった繊維束を円筒形状に巻回してブロック体１３を形成したものであっても良い。
【００５４】
また、前記実施形態では、ブレーキロータＲ１に使用されるロータ本体１（円盤状摩擦部材）について説明したが、本発明はクラッチディスクに使用される円盤状摩擦部材であっても良い。このような円盤状摩擦部材における締結部は、ボルト３ａの挿入孔１９を備える前記ブロック体１３と同様に構成されたものであっても良いが、凸となるスプライン部にブロック体１３を配置したものであっても良い。
【００５５】
また、前記実施形態では、切欠部１１を形成したロータ本体１について説明したが、本発明は切欠部１１を有しない、つまり中央孔１２が真円であるロータ本体１であっても良い。
【符号の説明】
【００５６】
１ ロータ本体
２ ハット部
３ 締結具
３ａ ボルト
３ｂ ナット
１１ 切欠部
１２ 中央孔
１３ ブロック体
１４ 中心軸
１５ 冷却孔
１６ テープ状繊維束（炭素繊維）
１７ 巻回軸（巻回中心）
１８ 貫通孔
１９ 挿入孔
２１ フランジ部
２２ 円筒部
２３ ハブ取付部
２４ ボルト挿通孔
２５ ボルト挿通孔
３１ ロータ本体
３３ ブロック体
Ｒ１ ブレーキロータ
Ｒ２ ブレーキロータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備える円盤状摩擦部材であって、
前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体を埋め込んで形成したことを特徴とする円盤状摩擦部材。
【請求項２】
前記ブロック体はテープ状に成形した前記炭素繊維の繊維束を巻回したことを特徴とする請求項１に記載の円盤状摩擦部材。
【請求項３】
前記ブロック体は前記炭素繊維の巻回中心に貫通孔を穿って形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の円盤状摩擦部材。
【請求項１】
Ｃ／ＳｉＣ複合材料からなり、中心軸周りに締結部を備える円盤状摩擦部材であって、
前記締結部は炭素繊維を円筒形状に巻回したブロック体を埋め込んで形成したことを特徴とする円盤状摩擦部材。
【請求項２】
前記ブロック体はテープ状に成形した前記炭素繊維の繊維束を巻回したことを特徴とする請求項１に記載の円盤状摩擦部材。
【請求項３】
前記ブロック体は前記炭素繊維の巻回中心に貫通孔を穿って形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の円盤状摩擦部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−９４７１３（Ｐ２０１１−９４７１３Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４９６６０（Ｐ２００９−２４９６６０）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００４４５５）日立化成工業株式会社 (4,649)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（０００００４４５５）日立化成工業株式会社 (4,649)
【Ｆターム（参考）】
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