KR100825369B1 - 디스크 브레이크 로우터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각성능이 우수하고, 무게가 가벼우며, 차량에 장착되는 부분이 노후되어도 교체할 수 있도록 디스크허브가 구비되며, 통기구조가 우수할 뿐만 아니라 열안정성이 뛰어난 디스크브레이크로우터에 관한 것으로, 이 장치는 중심이 개방되고, 복수개의 통공 a, 체결홀 d가 형성된 제 1 원형판 11과, 중심이 개방되고 복수개의 통공 a가 형성된 제 2 원형판 12와, 상기 제 1 원형판 11과 제 2 원형판 12 사이에 위치하여 외측에서 중심으로 포물선을 그리면서 형성된 복수개의 리브 13을 가진 원형디스크; 중심 b가 개방되고, 그 중심 둘레를 따라 자동차의 차체에 고정시키기 위한 복수개의 체결홀 c가 형성되며, 상기 체결홀 d에 대응된 체결홀 e가 외측 둘레를 따라 형성되며, 상기 원형디스크와의 체결시 상기 원형디스크에 접촉되는 지지면 f와 통기를 위한 통기면 g가 둘레를 따라 교대로 형성된 디스크허브 14; 체결홀 d,e에 삽입되어 상기 디스크허브 14를 제 1 원형판 11에 체결시키는 너트 15a 및 볼트 15b를 포함하는 것을 특징으로 한다.

디스크브레이크로우터

Description

디스크 브레이크 로우터{Disc Brake Rotor}

본 발명은 디스크브레이크로우터에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉각성능이 우수하고, 무게가 가벼우며, 차량에 장착되는 부분이 노후되어도 교체할 수 있도록 디스크허브가 구비되며, 통기구조가 우수할 뿐만 아니라 열안정성이 뛰어난 디스크브레이크로우터에 관한 것이다.

일반적으로, 디스크브레이크(Disc Brake)는 디스크휠과 함께 회전하는 원판디스크, 원판디스크에 밀착되어 마찰력을 일으키는 패드(Pad), 유압이 작용하는 피스톤(Piston), 피스톤이 들어있는 캘리퍼(Caliper) 등으로 구성된다.

종래의 디스크브레이크에 대한 선행기술을 살펴보면 다음과 같다.

특허출원번호 10-1996-0029825호(자동차용 브레이크디스크)의 공개공보를 살펴보면, 중앙의 돌출된 중앙플랜지(30)에 다수개의 설치구멍(32)이 형성되어 있고, 이 플랜지(30)의 주연부에 마찰패드에 직접 닿게 되는 디스크면(34) 위에 다수개의 공기유통수단이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 디스크를 이루는 상부원판과 하부원판(18)(20) 사이에는 방사상으로 뻗어나오는 형태의 리브(22)가 형성되어 있고, 마찰패드가 직접 접촉되는 상기 디스크상에는 소정깊이로 패여진 나선형상의 그루브 또는 딤플이 형성된다고 개시된 바 있다.

본원발명의 출원인인 주)케이지씨금강의 재직중인 대표이사 노재원이 출원한 특허출원번호 10-2003-0061558호의 공개공보를 살펴보면, 제 1 드럼바디와 제 2 드럼바디와 상기 제 1 및 제 2 드럼바디 사이에 위치한 복수개의 장방형홈으로 이루어진 자동차의 디스크드럼에 있어서, 소정량의 풍향을 일으키도록 상기 제 1 및 제 2 드럼바디의 표면상에 스크래치방식으로 복수개의 곡선홈이 형성되고, 환기를 목적으로 상기 제 1 및 제 2 드럼바디를 관통하여 상기 곡선홈 사이에 위치한 복수개의 냉각홀이 형성되며, 상기 장방형홈과 제 1 및 제 2 드럼바디가 일체로 성형된다고 개시되었다.

그러나, 종래의 디스크브레이크로우터는 상부원판 및 하부원판의 재질이 무거워서 열적 안정성이 저하되고 최근 자동차의 경량화를 방해하는 문제점이 있으며, 리브의 배열도 방사상으로 뻗어나오도록 형성하여 실제적인 통기흐름에 적합하지 않아 통기성 측면에서 좋지 않은 문제점이 있다.

더욱이, 자동차의 연식이 오래되면 디스크브레이크로우터에 있어서 차량의 장착 위치가 노후되어도 디스크브레이크 모두를 교체하여야 하는 단점이 있게 된 다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 자동차의 경량화를 도모하고, 열적 안정성을 증대시키며, 실제적인 통기흐름에 적합하며, 차량에 장착되는 위치 부분을 언제나 착탈 가능하도록 한 디스크브레이크로우터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 제 1 특징은 중심이 개방되고, 복수개의 통공 a, 체결홀 d가 형성된 제 1 원형판 11과, 중심이 개방되고 복수개의 통공 a가 형성된 제 2 원형판 12와, 상기 제 1 원형판 11과 제 2 원형판 12 사이에 위치하여 외측에서 중심으로 포물선을 그리면서 형성된 복수개의 리브 13을 가진 원형디스크; 중심 b가 개방되고, 그 중심 둘레를 따라 자동차의 차체에 고정시키기 위한 복수개의 체결홀 c가 형성되며, 상기 체결홀 d에 대응된 체결홀 e가 외측 둘레를 따라 형성되며, 상기 원형디스크와의 체결시 상기 원형디스크에 접촉되는 지지면 f와 통기를 위한 통기면 g가 둘레를 따라 교대로 형성된 디스크허브 14; 체결홀 d,e에 삽입되어 상기 디스크허브 14를 제 1 원형판 11에 체결시키는 너트 15a 및 볼트 15b를 포함하는 것이다.

바람직한 실시예로서, 상기 원형디스크는 선철에 탄소가 함유되고, 코발트, 구리, 인, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 규소, 텅스텐, 몰리브덴, 망간, 바나듐, 크롬, 황중 선택된 원소성분이 첨가된 탄소합금강이다.

바람직한 실시예로서, 상기 원형디스크의 재질인 탄소합금강의 제조공정에서 용선로를 이용해서 용해할 때 흑연화(黑鉛化) 즉, 선철 및 그 밖의 합금의 조직에서 탄소 원자가 흑연으로 결정화하는 현상을 촉진(促進)할 뿐만 아니라 크기가 큰 코발트, 구리, 인, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 규소 순으로 용해하며, 흑연화를 방해하는 텅스텐, 몰리브덴, 망간, 바나듐, 크롬, 황은 나중에 차례로 용해한다.

바람직한 실시예로서, 상기 원형디스크의 재질인 탄소합금강의 제조공정에서 기포나 기공이 발생하는 것을 방지하도록 제강(製鋼) 공정시 보다 망간, 규소 등의 탈산제를 이용하여 3회 이상 산화시켜 불순물을 제거하고, 주조온도는 1500~1550℃, 수축률은 2%로 유지한다.

바람직한 실시예로서, 상기 원형디스크의 표면에 크롬(Cr)박층을 형성시키는 크롬 표면처리를 수행하고, 이 크롬표면처리는 크롬산에 황산근과 같이 산근을 가한 용액을 사용하여 전기도금을 하고, 전기도금시, 양극에는 크롬의 금속은 사용하지 않고 납과 같이 황산에 침전되지 않는 것을 사용하며 액중의 크롬의 감소분은 크롬산으로 보충하면서

~

mm의 두께까지 전착(電着)시킨다.

바람직한 실시예로서, 상기 디스크허브는 알루미늄합금으로 이루어지고, 이 알루미늄합금은 구리 2% 중량, 니켈 1.5 중량%, 마그네슘 1.5 중량%, 알루미늄 95 중량%으로 제조되며, 인장강도는 20 ㎏/㎡, 연율은 1.5%이다.

바람직한 실시예로서, 상기 디스크허브는 알루미늄 산화 피막처 리(anodizing)를 하고, 상기 알루미늄 산화 피막 처리는 알루미늄합금 표면에 적어도 30㎛ 두께의 인공적인 산화피막을 전기 화학적으로 형성시킨다.

상술한 본 실시예의 바람직한 양태에 따르면, 종래의 디스크브레이크로우터에 비해서 열적안정성을 가지므로 냉각성능이 우수한 장점을 가지고, 재질이 가볍고 튼튼하여 동일한 조건에서 연료를 절감하면서 내구성이 뛰어난 장점을 제공한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 디스크브레이크로우터의 외관을 나타낸 사시도로서, 디스크브레이크로우터(Disc Brake Rotor; 10)는 공기통로가 되는 복수개의 통공(通功; a)이 형성된 제 1 원형판(11) 및 제 2 원형판(12), 제 1 원형판(11)과 제 2 원형판(12) 사이에 형성된 복수개의 리브(rib; 13)로 이루어진 원형디스크, 자동차의 차체에 장착하기 위한 디스크허브(14), 상기 원형디스크에 디스크허브(14)를 체결하는 체결수단(15)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 디스크허브(14)에는 중심이 개방(開放)된 하나의 홀(b)이 형성되고 상기 개방된 홀(b)의 둘레를 따라 형성되어 자동차의 차체에 장착하기 위한 체결홀(c), 상기 디스크허브가 상기 원형디스크에 체결되기 위한 체결수단(15)이 삽입되는 홀(미도시)이 구비된다.

한편, 상기 원형디스크를 측면에서 절개하여 상기 리브(13)의 형상을 살펴본다.

도 2는 본 발명에 따른 디스크브레이크로우터의 원형디스크 일부를 절개한 정면도로서, 상기 원형디스크는 제 1 원형판(11) 및 제 2 원형판(12), 그 사이에 외측에서 중심 방향으로 비스듬한 포물선을 그리며 형성된 복수개의 리브(13)로 이루어진다. 여기서, 참조부호 d는 체결홀이다.

이러한 디스크 브레이크 로우터 전 구성요소를 모두 분리하여 전체적인 구조를 살펴본다.

도 3은 본 발명에 따른 디스크브레이크로우터의 분리사시도로서, 디스크브레이크로우터(10)는 중심이 개방되고, 복수개의 통공(a), 상기 디스크허브(14)의 체결홀(c)에 대응된 체결홀(d)이 형성된 제 1 원형판(11)과, 중심이 개방되고 복수개의 통공(a)이 형성된 제 2 원형판(12)과, 상기 제 1 원형판(11)과 제 2 원형판(12) 사이에 위치하여 외측에서 중심 방향으로 포물선을 그리면서 형성된 복수개의 리브(13)가 구비된다.

또한, 중심(b)이 개방되고, 그 중심 둘레를 따라 자동차의 차체에 고정시키기 위한 복수개의 체결홀(c)이 형성되며, 상기 체결홀(d)에 대응된 체결홀(e)이 외측 둘레를 따라 형성되며, 상기 원형디스크와의 체결시 상기 원형디스크에 접촉되는 지지면(f)과 공기통로가 되는 통기면(g)이 둘레를 따라 교대로 형성된 디스크허브(14)와, 체결홀(d)(e)에 삽입되어 상기 디스크허브를 제 1 원형판에 체결시키는 너트(15a) 및 볼트(15b)를 포함하여 구성된다.

상술한 디스크브레이크로우터의 구성요소를 중심으로 그 재질과 제조방법을 살펴본다.

1)원형디스크

원형디스크은 선철(銑鐵)에 탄소(炭素)를 비롯한 미량의 성분을 첨가시켜 강도, 내열성, 내부식성, 내마모성 등을 개선한 탄소(炭素)합금강으로 이루어지고, 선철을 제외한 비율을 살펴보면 표 1과 같고, 이중 탄소비율은 0.3 ~ 1.0 중량%이지만 0.31 ~ 0.34 중량%가 가장 바람직하다.

탄소(C)	0.3 ~ 1.0 중량% (0.31 ~ 0.34 중량%가 최적)
규소(Si)	2.6 중량% 이하
망간(Mn)	0.85 ~ 0.9 중량%
인(P)	0.19 중량% 이하
황(S)	0.1 중량% 이하
크롬(Cr)	0.25 ~ 0.35 중량%
몰리브덴(Mo)	0.1 중량% 이하
구리(Cu)	0.45 ~ 0.65 중량%
주석(Sn)	0.03 중량% 이하
비스무트(Bi)	0.1 중량% 이하

표 1을 참조하면, 용선로를 이용해서 용해할 때 흑연화(黑鉛化) 즉, 선철 및 그 밖의 합금의 조직에서 탄소 원자가 흑연으로 결정화하는 현상을 촉진(促進)할 뿐만 아니라 크기가 큰 코발트, 구리, 인, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 규소 순으로 용해하며, 흑연화를 방해하는 텅스텐, 몰리브덴, 망간, 바나듐, 크롬, 황은 나중에 차례로 용해한다.

기포나 기공이 발생하는 것을 방지하도록 제강(製鋼) 공정시 보다 망간, 규소 등의 탈산제를 이용하여 3회 이상 산화시켜 불순물을 제거하고, 주조온도는 1500~1550℃, 수축률은 2%로 유지하고 양질의 주물을 얻기 위하여 각이진 부분을 라운딩 처리하여 균열을 방지하도록 한다.

표 2를 참조하면, 합금원소의 배합비율에 따른 인장강도는 몰리브덴, 크롬, 구리, 니켈, 망간 순으로 증가되었다.

한편, 마찰열로 인해서 녹이 슬어서 미관이 좋지 않고, 수명이 단축되는 것을 방지하기 위하여 원형디스크의 표면에 크롬(Cr)박층을 형성시키는데, 이러한 크롬 표면처리는 크롬산에 황산근과 같이 산근을 가한 용액을 사용하여 전기도금을 한다. 전기도금시, 양극에는 크롬의 금속은 사용하지 않고 납과 같이 황산에 침전되지 않는 것을 사용하며 액중의 크롬의 감소분은 크롬산으로 보충하면서

~

mm의 두께까지 전착(電着)하면 내마모성, 내열성, 내식성, 내구성이 향상되는 것으로 실험되었다.

2)디스크허브

디스크허브는 알루미늄합금으로 이루어지고, 이 알루미늄합금은 구리 2% 중량, 니켈 1.5 중량%, 마그네슘 1.5% 중량, 알루미늄 95% 중량으로 제조되고, 이때 인장강도는 20 ㎏/㎡, 연율은 1.5%가 되도록 하여, 내열성이 우수하고 비틀림에 대한 저항이 좋아지도록 한다.

이러한 디스크허브도 알루미늄 산화 피막처리(anodizing)를 하여 사용중 알루미늄 금속 자체가 산화되어 알루미나 세라믹으로 변화되면서 알루미늄 표면의 성질을 철강보다 강하고 경질 크롬도금 보다 내마모성이 우수하도록 한다.

이러한 알루미늄 산화 피막 처리는 알루미늄합금 표면에 적어도 30㎛ 두께의 인공적인 산화피막을 전기 화학적으로 형성시킴으로써 내구성 및 내마모성을 강화시킨다.

3)볼트 및 너트

상기 원형디스크와 상기 디스크허브를 체결시키는 볼트 및 너트는 고온에 강하고 산화성이 적으며 내식성이 우수하도록 1000℃~1250℃의 고온에서 열간단조(hot forging)시킨 스테인리스 스틸을 사용한다.

한편, 본원발명의 발명자는 상술한 디스크브레이크로우터를 일반적인 디스크브레이크로우터와 비교하는 실험을 실시하였다.

1)실험대상

실험에 사용된 디스크는 현재 양산되어 시판중인 벤틸레이티드(ventilated)형 디스크브레이크로우터(이하, 기존 디스크)와 본원발명에 따른 디스크브레이크로우터(이하, 발명 디스크)이다.

가)기존디스크 외관

나)발명디스크 외관

2)무게

벤틸레이티드형 디스크브레이크로우터의 무게는 9,200g이고, 본원발명에 따른 디스크브레이크로우터의 무게는 6,005g이므로, 3,195g 만큼 경량화된 것을 알 수 있었다.

3)브레이크 성능

본 실험에서는 브레이크 다이나모메터를 사용하여 기존디스크와 발명디스크를 대상으로 브레이크성능을 측정하는 실험을 실시하였다.

가)기존 디스크

나)발명 디스크

상기 사진에서와 같이, 다이나모메터에 기존디스크와 발명디스크, 캘리퍼를 장착하였고, 마찰시 발생하는 열에 의한 온도상승을 측정하기 위해서 시료 중심표 부분에 표면으로부터 3.2mm 크기로 드릴링하여 관통된 구멍을 형성하고 마찰재 중앙에 2mm 깊이의 열전대를 심어놓았으며 디스크는 런아웃(run out) 5/100 mm로 셋팅하였다.

본 실험은 표 3에 나타낸 순서대로 진행되었고, 1효력 실험 후에 버니싱(burnishing)을 200회한 후의 2효력부분에서와 그리고 페이드(fade) 후에 3효력의 마찰계수변화를 살펴보고, 1차 페이드 및 회복에 의하여 열적이력이 작용하여 마찰계수와 마찰재 물성치 등이 변화된 상태에서 버니싱을 실시하여 2차 페이드 및 회복에 기준하여 열전대 온도변화에 따른 마찰계수의 값을 얻고자 한다. 실험에 사용된 차량의 조건을 살펴보면, 관성(inertia)은 10.4 kgms², 타이어반경은 0.365m, 휠 실린더 면적은 31.81m²으로 실제 차량에 근접하게 적용하였다. 그리고, 0℃~700℃ 까지 온도변화에 따른 패드의 안쪽, 바깥쪽 마모량과 무게를 측정하여 패드의 열적현상을 파악하고자 하였다.

브레이크 다이나모메터로 실험할 때, 디스크브레이크 작동시 나타나는 온도변화, 토크, 그리고 압력등을 측정하였고, 디스크브레이크 작동시 나타나는 마찰계수 μ는 수학식 1과 같이 계산된다.

μ=×××

여기서, T는 브레이크 작동시 토크(kg.m), P는 브레이크 작동시 압력(kg/cm²), B.E.R은 브레이크 유효 반경(m), 그리고 A는 휠 실린더 면적(cm²)이다.

페이드율(ratio of fade)의 평가방법으로는 최소 페이드율(minimum ratio of fade)은 수학식 2, 최대 페이드율(maximum ratio of fade)은 수학식 3과 같이 계산 된다.

Fade_min = ×100(%)

Fade_max = ×100(%)

여기서, 1stP는 페이드실험시 첫번째 압력, FPmin은 페이드실험시 최소압력, FPmax는 페이드실험시 최대압력을 나타낸다.

RE_min = ×100(%)

RE_max = ×100(%)

페이드 실험후 회복율(ratio of recovery)을 평가하기 위해 최소 회복율을 수학식 4로 최대회복율을 수학식 5로 계산하고, 그 결과값이 60~130% 이내여야 바람직하다.

여기서, B.L.P는 베이스라인(Base Line) 실험시 압력, RPmin은 회복실험시 최소압력, RPmax는 회복실험시 최대압력을 나타낸다.

버니쉬(burnish) 200회 수행시 표 4와 같이 마찰계수의 변화가 발생하였고, 기존 디스크에 비해서 발명 디스크가 설계기준에 근접하였으며, 표 5와 같이 200회 제동시 마찰계수가 일정하게 분포되었으며, 내구성도 뛰어남을 알 수 있다.

특히, 제 1 페이드실험시 35초 간격으로 연속 10회 브레이크를 작동하였는데 온도와 마찰계수의 변화가 표 5에서와 같이 기존디스크에 비해서 발명디스크가 냉각효과 면에서도 우수한 것을 알 수 있다.

제 1 페이드실험 후에 회복하는 실험을 실시하여 120초 간격으로 15회 브레이크를 작동하여 온도와 마찰계수를 나타내었는데, 회복율 실험에서도 기존디스크에 비해서 발명디스크가 냉각성능면에서 우수하다는 점을 확인할 수 있다.

표 6에 나타낸 바와 같이, 제 2 페이드실험은 35초 간격으로 15회 제동하는 것으로 매우 가혹한 상태에서도 기존 디스크에 비해 발명디스크가 냉각효과면에서 우수한 것을 알 수 있으며, 성능도 정상상태와 근접하다는 것을 알 수 있다.

전술한 내용을 토대로 실험결과를 요약하면 표 7과 같다.

표 7에 나타낸 바와 같이, 발명디스크는 페이드율, 회복율, 효력 그리고 최대온도 등에서 기존디스크에 비해서 우수한 성능을 보여주고 있으며, 특히 냉각성능 뿐만 아니라 마찰재의 마모량 까지도 기존디스크에 비해서 우수한 성능을 나타내었다.

도 1은 본 발명에 따른 브레이크디스크로우터의 외관을 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 브레이크디스크로우터의 일부를 절개한 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 브레이크디스크로우터의 내부 구조를 설명하기 위한 분해사시도.

Claims (7)

1. 중심이 개방된 제 1 및 제 2 원형판으로 이루어진 원형디스크, 상기 제 1 및 제 2 원형판 사이에 형성된 복수개의 리브, 상기 원형디스크에 고정된 디스크허브로 이루어진 디스크브레이크로우터에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 원형판(11)(12)에는 통기를 위한 복수개의 통공(a)이 일정간격을 두고 형성되고,

   상기 복수개의 리브(13)는 상기 원형디스크의 외측에서 상기 원형디스크의 중심 방향으로 포물선을 그리면서 균일한 높이와 두께로 형성되되, 원형디스크의 중심에 근접하는 형상과 원형디스크의 중심으로부터 일정거리 만큼 떨어진 형상이 교대로 반복되도록 형성되며,

   상기 제 1 원형판(11)의 개방된 중심 둘레를 따라 형성된 체결홀(d)이 형성되고, 상기 디스크허브(14)의 테두리 둘레를 따라 형성된 체결홀(e)이 형성되며, 상기 각 체결홀(d)(e)에 삽입되어 상기 제 1 원형판(11)과 상기 디스크허브(14)를 체결시키는 볼트 및 너트(15b)(15a)가 구비되며,

   상기 디스크허브(14)는 중심이 개방되고, 그 중심 둘레를 따라 형성된 체결홀(c)이 차체에 고정시키기 위해 구비되며, 상기 제 1 원형판(11)과 접촉되는 지지면(f)과 통기를 위한 통기면(g)이 상기 디스크허브(14)의 테두리 둘레를 따라 교대로 반복되도록 형성된 것을 특징으로 하는 디스크브레이크로우터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 디스크허브는 알루미늄합금으로 이루어지고, 이 알루미늄합금은 구리 2% 중량, 니켈 1.5 중량%, 마그네슘 1.5 중량%, 알루미늄 95 중량%으로 제조되며, 인장강도는 20 ㎏/㎡, 연율은 1.5%인 것을 특징으로 하는 디스크브레이크로우터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 디스크허브는 알루미늄 산화 피막처리(anodizing)를 하고, 상기 알루미늄 산화 피막 처리는 알루미늄합금 표면에 적어도 30㎛ 두께의 인공적인 산화피막을 전기 화학적으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 디스크브레이크로우터.
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