KR101551969B1 - 이종재질의 브레이크 디스크 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종재질의 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰파트와 햇파트 간의 상이한 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 크랙 등의 문제를 해결하기 위해 주조성 및 응력을 고려하여 브릿지의 개수를 최적화시킨 이종재질의 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

이종재질의 브레이크 디스크 및 이의 제조방법{Brake Disc Using Different Materials and Method for Manufacturing The Same}

본 발명은 브레이크 디스크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종재질의 마찰파트와 햇파트가 결합되어 이루어진 브레이크 디스크의 내구성을 향상시키기 위한 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 브레이크 디스크는 차량을 감속 또는 정지시키기 위해 사용되는 장치로서, 차량에 필수적인 제동 시스템을 구성한다. 이러한 제동 시스템에 사용되는 브레이크 디스크는 마찰재와의 마찰을 통해 발생되는 마찰력을 이용하여 차량의 운동에너지를 열에너지 등으로 전환시킴으로써 차량의 제동을 수행한다.

종래 브레이크 디스크는 허브에 장착되기 위한 햇(HAT)파트 및 제동시 마찰이 이루어지는 마찰 파트까지 모두 편상 흑연 조직을 나타내는 회주철 단일 재질로 구성되어 진동 감쇄능, 댐핑성, 방열성 및 윤활 기능 등이 우수한 제동 특성을 나타낸다.

최근 들어 석유 에너지의 고갈 및 온실 가스 증대에 따른 기후 변화 문제로 전 세계 자동차 업체는 연비 향상을 위한 기술 개발에 총력을 기울이고 있으며, 그 중 연비 향상을 위한 기술로 성능 저하 없이 차량을 경량화하는 기술이 주목받고 있다.

차량의 하부에 있어서 중량의 감소는 차량의 성능 및 연비에 직접적인 영향을 주게 되는데, 휠 구동 부하와 직접적으로 연관되어 있는 언스프렁 매스(unsprung mass)의 저감은 연비 향상에 효율적이다.

특히, 브레이크 디스크의 경량화를 달성하기 위해 마찰파트는 회주철을 사용하되, 햇파트는 알루미늄을 사용하는 이종재질 브레이크 디스크가 적용되고 있다.

그러나, 상기 이종재질 브레이크 디스크의 경우 제동 속도 및 제동 하중이 가혹한 조건에 놓이는 경우(예를 들면, 마찰면의 온도가 800 ℃ 상당으로 상승하는 경우), 회주철로 이루어진 마찰파트(10)와 알루미늄 합금으로 이루어진 햇파트(20) 간의 열팽창 계수의 차이로 인해 마찰 파트에 크랙(30)이 발생되는 문제가 있었다.(도 1)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 마찰파트와 햇파트 간의 상이한 열팽창 계수 차이로 인해 발생되는 크랙 등의 문제를 해결하기 위해 주조성 및 응력을 고려하여 브릿지의 개수를 최적화시킨 이종재질의 브레이크 디스크 및 이의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이종재질의 브레이크 디스크는 중앙에 결합홀이 위치하며, 패드와 접촉하여 제동력이 발생되는 원판 형태의 회주철 마찰파트 및 상기 회주철 마찰파트의 일면에 결합된 알루미늄 햇 부를 포함하여 구성되는 브레이크 디스크에 있어서, 상기 마찰파트는 내측면으로부터 결합홀 방향으로 일정 간격을 가지며 돌출된 형상을 나타내는 브릿지의 개수(N)가 하기 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨(teeth) 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.

상기 브릿지는 결합홀을 중심으로 대칭 구조로 형성될 수 있으며, b는 3.55mm, T는 220 kgm, R은 94mm, l은 3mm, b는 10mm, t_w는 6.3mm, f_s는 1.25, σ_t는 4.5kgf/mm², F는 69.73 kgf일 때, 브릿지의 개수(N)가 35-84개이다.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법은 브릿지의 개수(N)가 하기 수식을 만족하는 회추철 마찰파트를 주조한 다음 예열하는 단계;

상기 예열된 마찰 파트를 금형 하형에 삽입하는 장착단계;

상기 금형 하형에 금형 상형을 결합하고 햇 부의 원료인 알루미늄 합금 용탕을 주입하는 주조단계; 응고 후 이형하고 후가공하는 완료단계;를 포함할 수 있다.

이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨(teeth) 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.

주조성 확보를 위해 상기 예열단계 전에, 30~100μm 입도의 모래 입자로 주조된 마찰파트를 샌드 블라스트 처리하는 전가공단계; 를 더 포함할 수 있으며, 상기 예열단계는 250~400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 브릿지의 파손을 방지하기 위해 상기 마찰파트의 브릿지 일면에 두께 3~10mm 의 링 형상의 보강부재를 접촉시켜 샌드블라스트 처리하는 것이 바람직하며, 상기 주조단계는 중력주조, 용탕단조, 저압주조 또는 고압 다이캐스팅 공법 등을 이용할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 효과는, 주조성과 응력 해석을 통해 이종재질 디스크에서의 최적화된 브릿지 개수를 제안함으로써, 종래 브릿지 수가 적은 디스크에서 발생하는 고온 가혹 조건에서의 크랙 현상을 방지할 수 있다.

또한, 브릿지의 수가 증가함에 따라 주조 과정에서 브릿지 사이에 용탕이 보다 잘 충진되는 방법을 제시하며, 탈사 과정에서 브릿지의 파손을 막기 위한 기술도 제공한다.

도 1 및 도 9는 각각 종래 이종재질의 브레이크 디스크와 본 발명의 이종재질의 브레이크 디스크를 가혹 조건에서 시험한 결과 사진이다.
도 2는 종래 일반적인 이종재질 브레이크 디스크의 평면도로, 브릿지의 결합 구조를 나타내기 위해 일부 구성을 개방한 도면이다.
도 3은 한 개의 브릿지를 나타낸 도면이다.
도 4는 표 1에 따른 1회부터 10회까지의 제동 시 온도 프로필을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 비교예로 브릿지 개수가 12개인 디스크의 마찰면이 고온(800 ℃) 급제동 시 응력 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예로 브릿지 개수가 48개인 디스크의 마찰면이 고온(800 ℃) 급제동 시 응력 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시예로 브릿지 개수가 증대된 디스크의 파손된 브릿지를 나타내는 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예로 링 형상 보강부재를 브릿지 일면에 설치한 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이종재질의 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

종래 주철재 단일 소재로 이루어진 브레이크 디스크의 경우, 패드와 접촉하여 제동력이 발생되는 마찰파트 및 상기 마찰파트의 일면에 결합된 햇 부 모두 회주철 소재로 구성되었는데, 자체 중량이 6 ~ 8 kg/개 정도로 높은 중량으로 인해 연비 및 승차감이 저하되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 상기 햇 부에 주철재보다 비중이 낮은 알루미늄 재질을 사용하여 브레이크 디스크의 전체 중량을 감소시키는 이종재질 브레이크 디스크에 대한 연구가 진행되고 있다.

도 2는 종래 일반적인 이종재질 브레이크 디스크의 평면도로, 브릿지의 결합 구조를 나타내기 위해 일부 구성을 개방한 도면이다.

도시된 바와 같이, 이종재질 브레이크 디스크는 중앙에 결합홀이 위치하며, 패드와 접촉하여 제동력이 발생되는 원판 형태인 주철 재질의 마찰파트 및 상기 주철 재질인 마찰파트의 일면에 결합된 알루미늄 재질인 햇 부를 포함하여 구성되며, 상기 마찰마트는 내측면으로부터 결합홀 방향으로 일정 간격을 가지며 돌출된 형상을 나타내는 다수의 브릿지가 형성된 것을 특징으로 한다.

종래에는 브릿지의 수가 12개인 브레이크 디스크를 적용하였는데, 전술한 바와 같이 가혹 조건에서 마찰파트와 햇 부의 접합부에 이종재질 간 열팽창 계수 차이로 인해 크랙이 발생하여 파손되는 문제가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 마찰파트와 햇 부의 접합부 구조를 변경하거나 새로운 구조를 적용하려는 시도가 계속 되고 있다.

그러나, 본 발명은 이종재질의 브레이크 디스크 구조에 있어서, 브릿지의 개수를 조절함으로써 크랙 문제를 해소하고자 하는 것으로, 단순히 실험적으로 최적 또는 호적의 브릿지 수 범위를 선택하려는 것이 아니라, 주조접합 공정 등을 통한 주조성을 고려하고, 브릿지에 가해지는 응력을 해석하여 브릿지의 개수를 최적화한 것에 특징이 있다.

즉, 종래 주철 재질의 마찰파트와 알루미늄 재질인 햇 부의 열팽창 계수 차이로 인해 고온 가혹 조건에서 브릿지나 마찰파트에 크랙이 발생되는 문제는 본 발명에 따라 브릿지의 수를 조절함으로써 해소되어 고온 조건에서도 브레이크 디스크의 내구성이 유지되는 현저한 효과가 구현된다고 볼 수 있다.

도 3은 한 개의 브릿지를 나타낸 도면인데, 이는 마찰파트가 800 ℃로 상승한 고온 제동시 브릿지 1개에 가해지는 응력 모델을 구현하기 위한 것으로 도시된 각 기호는 이하에서 언급된다.

F = 단위 브릿지에 부여되는 하중

θ = 하중이 부여되는 각도

t_w = 브릿지 두께

b = 브릿지 폭

l = 브릿지의 이빨(teeth) 길이(2l)의 1/2 의 길이

f_s = 안전 계수

σ_t = 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도

z = 면적 관성 모멘트

굽힘응력

압축응력

전단응력

등가응력

크랙 발생 방지 조건

한편, 회주철 및 알루미늄의 주조성 확보를 위해 브릿지 폭(b)의 길이가 중요하며, 브릿지 홈의 반경(중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리)이 R일 때 최대로 구현될 수 있는 브릿지의 개수(N)는 하기 수식 1과 같이 계산될 수 있다.

[수식 1]

또한, 제동 시 각 브릿지에 부여되는 하중을 F라고 하면, 하기 식을 만족한다.

(이 때, T는 최대 제동 토크)

등가응력을 F에 관하여 정리하면,

이 때, 하중 F가 원주 접선 방향으로 작용하므로 θ=1을 적용하고 이에 대하여 정리하면 다음과 같다.

이 때, N = T/{F(R-l)} 이므로, 최소로 요구되는 브릿지의 수(N)는 하기 수식 2와 같다.

[수식 2]

따라서, 본 발명은 주조성과 응력을 고려한 상기 수식 1 및 2에 의해 하기의 수식을 따른 브릿지의 개수(N) 범위를 제안한다.

이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨(teeth) 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

일반적으로 FC 및 알루미늄의 주조성 확보를 위해 브릿지 두께 및 폭은 최소 3.5 mm 이상이 요구되며, 브릿지 홈의 반경(중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리)이 94mm일 때 최대로 구현될 수 있는 브릿지의 개수(N)는 상기 수식 1에 의해 다음과 같이 계산될 수 있다.

N = π94/3.5 = 84.3

그러므로 주조성을 고려했을 경우 최대 브릿지의 개수는 84개이다.

한편, T는 220 kgm, R은 94mm, l은 3mm, b는 10mm, t_w는 6.3mm, f_s는 1.25, FC 재질 800 ℃에서 항복강도는 약 4.5kgf/mm² (45MPa), F는 69.73 kgf(800 ℃에서 브릿지 하나당 견딜 수 있는 하중)일 때, 최소 요구되는 브릿지의 개수(N)는 상기 수식 2에 의해 34.77이라는 결과를 얻을 수 있다.

상기 결과로부터 브릿지의 개수 범위는 35~84 개임을 얻을 수 있었으며, 결합홀을 중심으로 대칭 구조로 형성된 48개의 브릿지 수로 디스크를 제작하여 고온 제동 평가를 해본 결과 크랙이 발생하지 않음을 확인하였다.

800℃ 이상의 고온 상승이 동반되는 가혹한 제동 모드는 하기 표 1을 통해 설명한다.

구분	제동속도	감속도	횟수	제동간격	풍속
Snub	200->79kph	0.5g	9회	30 sec	11 m/s
Stop	200->0kph	1g	1회

상기 표 1에서 Snub이란 감속을 의미하여 Stop이란 정지를 의미한다.

시속 200kph의 고속에서 0.5g 상당의 고감속도로 제동을 30sec 간격으로 연속 9번 실시한 후 마지막 10회 제동을 시속 200kph에서 정지 상태로 1.0g 상당의 초고감속도로 급제동을 실시하여 정지한다. 1회부터 10회까지 제동시 온도 프로필은 도 4에 나타내었다.

도 5a 및 도 5b는 비교예로 브릿지 개수가 12개인 디스크의 마찰면이 고온(800 ℃) 급제동 시 응력 해석 결과를 나타낸 것이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예로 브릿지 개수가 48개인 디스크의 마찰면이 고온(800 ℃) 급제동 시 응력 해석 결과를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 종래 브레이크 디스크(N=12EA)는 브릿지 당 24.3MPa의 최대 응력이 가해지지만, 본 발명에 의한 일 실시예로 브릿지의 수를 48개로 제작한 경우 브릿지 당 가해지는 최대 응력은 6.86MPa로 브릿지에 가해지는 응력이 크게 감소되는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명의 브레이크 디스크를 제조하기 위한 제조방법은, 통상적인 주조 접합 공정 등을 참고할 수 있는데, 다만, 브릿지의 개수가 종래 일반적인 디스크보다 증대된 점을 고려하여야 한다.

먼저, 브릿지의 개수(N)가 하기 수식을 만족하는 회주철 재질의 마찰파트를 주조한다.

이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨(teeth) 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.

그 다음, 상기 마찰파트를 30~100μm 입도의 모래 입자를 활용한 샌드 블라스트 처리 등의 전가공을 실시하여 이물질을 제거한다. 바람직하게 표면거칠기가 6.3~25 Ra가 되도록 가공할 수 있는데, 거칠기의 단위 Ra는 ISO 4287:1997에서 정의된 산술평균 거칠기를 의미하는 것으로서, 해당 거칠기의 범위내에서는 적절한 마찰력을 갖기 때문에 주조에 의해 마찰파트와 햇파트는 마찰력을 지니면서도 상호 슬립이 적당히 일어날 수 있게 된다. 만약 거칠기가 너무 거칠 경우에는 슬립이 일어나지 않아 오히려 응력이 집중되며, 거칠기가 약할 경우에는 챔퍼를 형성한다고 하더라도 상호간의 결합력이 약해지는 단점이 있다.

이 때, 본 발명에 의한 마찰파트는 종래 마찰파트 대비 브릿지의 수가 증대되었기에, 도 7a 및 이를 확대한 도 7b에 나타난 바와 같이, 주조 후 탈사 공정(모래를 제거하는 공정) 시에 브릿지 부분이 파손될 수 있다.

이를 방지하기 위해, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 샌드 블라스트 처리 시 마찰파트의 브릿지 일면에 두께 3mm 이상, 바람직하게 3~10mm 의 링 형상의 보강부재를 접촉시켜 브릿지의 파손을 막을 수 있다.

그 후 예열을 실시하여 회주철 마찰파트의 수분 및 응력을 제거하는데, 250~400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 과정을 거치는 경우, 브릿지의 수가 증대되어도 알루미늄 용탕이 보다 잘 충진되게 되어 용탕 충진성을 높일 수 있다.

예열 후에는 상기 마찰 파트를 금형 하형에 삽입하고, 상기 금형 하형에 금형 상형을 결합한 다음 햇 부의 원료인 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 주조한다. 이러한 주조단계는 중력주조, 용탕단조, 저압주조 또는 고압 다이캐스팅 공법 등을 이용할 수 있으며, 햇파트의 원료인 알루미늄 합금 용탕을 650~750℃로 가열하여 주입할 수 있다.

응고 이후엔 이형하고 후가공하여 이종재질 디스크를 완성할 수 있다.

도 1 및 도 9는 각각 종래 이종재질의 브레이크 디스크와 본 발명의 이종재질의 브레이크 디스크(N = 48EA)를 고온 가혹 조건에서 시험한 결과 사진이다.

구체적으로, 마찰면의 온도가 800 ℃ 상당으로 상승되도록 브레이크 디스크를 고온 고속 제동 환경에 노출시켰는데, 도시된 바와 같이 종래 브레이크 디스크에는 크랙이 발생하였으나, 본 발명에 의한 브레이크 디스크는 증대된 브릿지의 수에 의해 응력이 완화되어 크랙이 발생되지 않았다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 마찰파트
20 : 햇 부
30 : 크랙
100 : 마찰파트
110 : 결합홀
150 : 브릿지
200 : 햇 부
300 : 링 형상의 보강부재

Claims (8)

1. 중앙에 결합홀이 위치하며, 패드와 접촉하여 제동력이 발생되는 원판 형태의 회주철 마찰파트 및 상기 회주철 마찰파트의 일면에 결합된 알루미늄 햇 부를 포함하여 구성되는 브레이크 디스크에 있어서,
   상기 마찰파트는 내측면으로부터 결합홀 방향으로 일정 간격을 가지며 돌출된 형상을 나타내는 브릿지의 개수(N)가 하기 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크.
   

   

   
   이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 브릿지는 결합홀을 중심으로 대칭 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크.
   
3. 제2항에 있어서,
   b는 3.55mm, T는 220 kgm, R은 94mm, l은 3mm, b는 10mm, t_w는 6.3mm, f_s는 1.25, σ_t는 4.5kgf/mm², F는 69.73 kgf일 때, 브릿지의 개수(N)가 35-84개인 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크.
   
4. 브릿지의 개수(N)가 하기 수식을 만족하는 회추철 마찰파트를 주조한 다음 예열하는 단계;
   상기 예열된 마찰 파트를 금형 하형에 삽입하는 장착단계;
   상기 금형 하형에 금형 상형을 결합하고 햇 부의 원료인 알루미늄 합금 용탕을 주입하는 주조단계;
   응고 후 이형하고 후가공하는 완료단계;를 포함하는 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법.
   

   

   
   이 때, T는 최대 제동 토크, f_s 는 안전 계수, l는 브릿지의 이빨 길이(2l)의 1/2 의 길이, z는 면적 관성 모멘트, t_w는 브릿지 두께, b는 브릿지 폭, σ_t는 재질 및 운전 조건하에서의 회주철 마찰파트의 항복 강도, R은 중앙의 결합홀에서 마찰파트의 내측면까지의 거리이다.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 예열단계 전에, 30~100μm 입도의 모래 입자로 주조된 마찰파트를 샌드 블라스트 처리하는 전가공단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 예열단계는 250~400 ℃의 온도에서 1~3 시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 마찰파트의 브릿지 일면에 두께 3~10mm 의 링 형상의 보강부재를 접촉시켜 샌드블라스트 처리하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 주조단계는 중력주조, 용탕단조, 저압주조 또는 고압 다이캐스팅 공법을 이용하는 것을 특징으로 하는 이종재질의 브레이크 디스크 제조방법.

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