成果報告書詳細
管理番号20120000000508
タイトル平成20年度~平成23年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/新幹線用ハイブリッドセラミックスディスクブレーキ部材開発(2)
公開日2012/6/1
報告書年度2008 - 2011
委託先名独立行政法人宇宙航空研究開発機構
プロジェクト番号P05023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約平成20?21年度は、現状のブレーキディスクに使用されている鍛鋼の材料定数を用いて二次元有限要素法解析モデルを作製し、新幹線の運動エネルギーが熱エネルギーに変換されたと仮定した場合の熱流束値の妥当性について検討した。また、実際に自動車用に販売されているC/SiC製ブレーキディスクの材料定数を用いて、鍛鋼からC/SiCに変更した際の内部応力分布および温度分布について検討し、各材料定数が内部応力分布に及ぼす影響についても検討した。これにより、解析条件の妥当性が示されたと同時に、ブレーキディスクの内部発生応力を低減するためには、熱膨張率および弾性率に関しては低くし、熱伝導率に関しては高くすれば良いことが明らかとなった。
平成22年度においては、3次元の有限要素法解析モデルを用いることにより、2次元モデルでは明らかに出来なかった、より詳細なディスク形状、ボルト穴の位置、材料定数の異方性の各設計因子が発生応力に及ぼす影響について検討を行った。ボルト穴の位置の検討に関しては、ボルト穴がディスクの内周側に位置する内周締結モデルと、ディスクの半径方向中央に位置する中央締結モデルを用いて検討を行った。内周締結モデル、中央締結モデルともに円周方向の引張応力が最も高い値となった。それらの値を比較すると、通常締結モデルの値は中央締結モデルよりも約4倍高かった。また中央締結モデルのディスク厚さを半分とした解析を行った結果、発生応力は約40%低減する事が明らかとなった。しかし、ディスクの最大温度は1.3倍になる事が明らかとなった。以上の結果より、中央締結にすることおよびディスク厚さを低減することにより発生応力を低減できることが明らかとなった。ただし、ディスク厚さの設計は、温度を考慮した上で行う必要がある事が示された。異方性の検討に関しては、ヤング率と熱伝導率に関して検討を行った。ヤング率の検討では、面外のヤング率を変化させることによる発生応力への影響はほとんど見られなかった。これより、面外のヤング率は考慮に入れず面内のヤング率を低減させることにより、発生応力を低減させることができることが明らかとなった。また、熱伝導率の検討では、面内の熱伝導率の変化が発生応力に及ぼす影響がないことがわかった。以上により、面内ではなく、厚さ方向の熱伝導率を積極的に向上させることにより、発生応力を低減させることができることが明らかとなった。
平成23年度は、ディスク背面に冷却フィンを設けた際に、そのフィン形状、フィン数が発生応力に対する影響について検討した。また、フィンによる冷却の影響を検討するため、熱伝達率を変化させた場合の影響についても検討した。フィンの幅に関しては、40mmから20mmと半分にすることにより、引張応力を約1/3に低減することが可能であることが示された。フィン高さに関しては、低くすることにより引張応力、圧縮応力双方の低減が見られた。しかし、熱容量が減少した影響で、最高温度が上昇した。フィンによる冷却効果に関して、熱伝達率を標準モデルの20→200W/(m2・K)に変化させて検討を行った結果、熱伝達率が大きくなることで、最高温度が100度以上低減することが確認できた。以上の結果より、ブレーキディスクにフィンを設けることにより最高温度の低減が可能である事が示された。また、発生応力に関してもフィン形状を工夫することにより設計可能なレベルにまで低減することが可能である事がわかった。
英文要約The thermal profile and stress distribution of time-series can be calculated from the analysis, and maximum tensile and compressive stress were clarified. In order to decrease the generated stress for the safety and optimum design of the brake disc, the effect of the shape, the position of the fixing bolts, and the cooling of the disc on the generated stress was investigated. From the results of the analysis, it was clarified that maximum tensile and compressive stress decreased by the cooling and the thinner disc shape. By changing the position of fixing bolts, the generated stress also decreased. Next, the effects of the change in material constants; the thermal expansion, thermal conductivity, and the Young’s modulus, on the generated stress were investigated. From this analysis, it was clarified that the generated stress and the material constants was in direct relation to each other, and thermal expansion and Young’s modulus should be lower and thermal conductivity higher for lower generated stress in brake disc.
FY2010
In this year, in order to investigate the decrease of the generated stress for the safety and optimum design of the brake disc, FEM analysis was conducted in more detail by using 3-dimensional models, and the effects of the anisotropic material constant, the shape of the disc, and the position of the bolt holes, on the generated stress were investigated. From the results, it was clarified that the generated stress in the model with bolt holes around inner circumference was much higher than that with the holes in the middle of friction part. By decreasing the thickness of the disc, the generated stress decreased. Next, the effects of the change in anisotropic material constants on the generated stress were investigated. The thermal conductivity decreased in thickness direction, and the Young’s modulus increased in in-plane direction considering the actual manufacturing process of a disc. From these analyses, the generated stress did not change. Therefore, Young’s modulus should be lower in in-plane direction and thermal conductivity should be higher in thickness direction for lower generated stress in the C/SiC brake disc. From the results in this year, the problem points, that couldn’t be indicated in the 2-dimensional analysis in last year, were clarified, and the optimum material design and the shape design of a brake disk were proposed.
FY2011
In this year, effects of dimension and number of cooling fins for a brake disc on generated stresses were investigated by using 3 dimensional models. Furthermore, cooling effects by the airflow between cooling fins were also estimated by changing heat-transfer coefficient. In the case of width for each fin, generated stresses decreased by decreasing the width. In the case of height of each fin, generated stresses decreased with decrease in the height. However, maximum temperature of the disc was increased by decreases of heat capacity. By increasing the heat-transfer coefficient, maximum temperature could decrease without increment of generated stress. From the results in this year, it is clarified that lower generated stresses and temperature than limiting value of C/SiC can be achieved by the optimum material design and the shape design of a brake disk with cooling fins.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る