KR101654813B1 - 전동식 브레이크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 구동 모터를 채용하여 통상적인 저전압의 배터리를 사용하면서도 큰 제동력의 확보가 가능한 전동식 브레이크에 관한 것이다.
본 발명은 제동 작동과 관련된 정보를 입력받아 제동을 위한 제어 신호를 발생하는 ECU; 상기 ECU의 제어 신호에 의해 구동되어 동력을 발생시키는 복수의 모터; 상기 복수의 모터에 의해 발생되는 동력을 감속기를 통해 전달받아 브레이크 패드를 휠 디스크 측으로 가압하는 스핀들 피스톤; 원웨이 베어링에 의해 상기 복수의 모터의 회전축에 각각 결합되어, 상기 스핀들 피스톤이 상기 브레이크 패드를 가압할 수 있는 방향으로 상기 복수의 모터가 회전하는 경우에만 구동되는 복수의 기어를 포함하며, 상기 복수의 기어에 대한 상기 복수의 모터의 회전 방향이 상기 방향과 반대 방향인 경우 상기 모터의 동력이 상기 복수의 기어에 전달되지 않는다.

Description

전동식 브레이크{Electro-Mechanical Brake}

본 발명은 전동식 브레이크에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 복수의 구동 모터를 채용하여 통상적인 저전압의 배터리를 사용하면서도 큰 제동력의 확보가 가능한 전동식 브레이크에 관한 것이다.

자동차 산업의 급격한 발전과 더불어 자동차의 안전성을 향상시키기 위한 기술이 지속적으로 개발되고 있는 가운데, 자동차의 브레이크 시스템은 ABS(Antilock Brake System), EBD(Electronic Braking Force Distribution), TCS(Traction Control System) 및 ESP(Electronic Stability Program)과 같이 차량의 전자제어시스템(Elctronic Control System : ECU)과 결합된 기술이 개발되어 왔다.

최근 브레이크 시스템은 운전자의 브레이크 페달 작동을 복수개의 센서로 감지하여 ECU가 각 바퀴에 최적의 제동력을 발생하도록 제어하는 방식의 Brake-by-Wire(BBW) 기술로 발전하고 있다. BBW 시스템은 각 바퀴에 제동력을 전달하는 방법에 따라 전기유압식(Electro-Hydraulic)과 전기기계식(Electro-Mechanical)으로 구분된다. EHB 시스템은 여전히 유압 시스템을 사용하는 한계가 있으며, 복잡한 유압 시스템을 제거하기 위하여 EMB 시스템이 최근에 대두되고 있다.

통상적인 EMB 시스템은 브레이크 디스크의 양측에 구비된 마찰 브레이크 패드를 구동 모터에 의해 전후진 작동시킴으로써 제동이 수행되도록 한다. EMB 시스템에 있어서 운전자의 페달 작동에 따른 제어 신호는 전자제어장치(Electronical Control Unit : ECU)를 통해 구동 모터로 전달되고 구동 모터는 마찰 브레이크 패드를 전후진시키도록 구동된다.

그러나, 현재의 자동차는 통상적으로 12 내지 14V의 전압을 갖는 배터리를 사용한다. 통상적인 자동차용 배터리를 사용하는 경우 구동 모터에 의한 구동력이 충분치 않을 수 있다는 문제점이 존재하며 42V의 배터리를 채용하여야 하는 필요성이 존재한다. 그러나 42V의 배터리 및 모터를 사용하는 경우 브레이크 시스템의 전체적인 크기가 커지고 고전압 모터 적용에 따른 비용도 상승하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 한국 공개특허 제10-2005-0109706호의 경우에는 유성기어를 복수로 채용하여 구동 모터의 토크를 큰 감속비로 전달하도록 함으로써 낮은 용량의 모터를 사용하더라도 원하는 제동력의 발생을 가능하도록 하는 EMB 시스템을 개시한다. 그러나, 상기 EMB 시스템의 경우는 복수의 유성기어의 구성이 복잡하고 감속비를 크게 함에 따라 응답성이 저하된다는 단점이 있을 수 있다.

한편, 통상적인 EMB 시스템의 문제를 해결하기 위하여, 웨지(wedge)를 구동요소로 채택하여 자기 배력(self-energization 또는 self-reinforcement)이 가능하도록 하는 형태의 EWB(Electronic Wedge Brake) 시스템이 제시되었다. EWB는 웨지 원리를 적용하여 자기 배력이 가능하고 동적인 웨지 제어가 가능하며, 운동 에너지를 실제 제동력으로 사용할 수 있다는 등의 장점을 가진다. 이러한 EWB 시스템의 대표적인 예로서, 미국특허 제6318513호는 웨지를 이용한 브레이크 구동 기구를 제시한다.

현실적으로 자기 배력 구조를 채용한 EWB 시스템이 통상적인 저전압의 배터리를 사용하는 환경에서 적절한 선택일 수 있으나, EWB 시스템에 있어서의 웨지 잠김(locking) 현상 등의 문제점을 고려할 때 저전압 환경에서도 고출력 브레이크 제어가 가능한 EMB 시스템의 개선이 요구된다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저전압 모터를 사용하면서도 충분히 큰 제동력을 제공할 수 있는 전동식 브레이크를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 제동 작동과 관련된 정보를 입력받아 제동을 위한 제어 신호를 발생하는 ECU; 상기 ECU의 제어 신호에 의해 구동되어 동력을 발생시키는 복수의 모터; 상기 복수의 모터에 의해 발생되는 동력을 감속기를 통해 전달받아 브레이크 패드를 휠 디스크 측으로 가압하는 스핀들 피스톤; 원웨이 베어링에 의해 상기 복수의 모터의 회전축에 각각 결합되어, 상기 스핀들 피스톤이 상기 브레이크 패드를 가압할 수 있는 방향으로 상기 복수의 모터가 회전하는 경우, 상기 복수의 모터의 동력을 전달받아 구동되는 복수의 기어를 포함하며, 상기 복수의 기어에 대한 상기 복수의 모터의 회전 방향이 상기 방향과 반대 방향인 경우 상기 모터의 동력이 상기 복수의 기어에 전달되지 않는 전동식 브레이크를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 복수의 모터는 제1 모터 및 제2 모터로 이루어지며, 상기 복수의 기어는 제1 기어 및 제2 기어로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 바람직하게는, 상기 스핀들은, 감속기의 최종 출력을 통해 회전되는 스크류 축; 및 상기 스크류 축의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진되는 너트 피스톤;을 포함한다.

또한 상기 스핀들은 NSL(Non - Self Locking) 타입 스크류인 것이 바람직하며, 상기 NSL(Non - Self Locking) 타입 스크류는 볼 또는 롤러 타입인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 브레이크 패드에 구동력을 제공하는 모터가 복수로 구비됨으로써 저전압 모터를 사용하더라도 충분히 큰 제동력을 발생시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 복수의 모터가 서로 다른 회전 속도를 가지더라도 스핀들 피스톤을 구동시키는 종동 기어를 안정적으로 작동시킬 수 있는 장점이 있으며, 일부의 모터가 고장나더라도 나머지 모터에 의하여 제동 동작이 안정적으로 수행될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 브레이크의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 브레이크의 전체적인 구성을 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 브레이크의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 브레이크의 전체적인 구성을 도시하는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 브레이크는, 제동을 위한 제어 신호를 발생하는 ECU(1)와, ECU(1)에 의해 제어되어 동력을 발생하는 제1 모터(2) 및 제2 모터(3)와, 모터(2, 3)에 의해 발생된 동력에 의해 회전되는 감속기(9)와, 모터(2, 3)에 의해 발생되는 동력을 감속기(9)를 통해 전달받아 브레이크 패드(13)를 휠 디스크(14) 측으로 가압하는 스핀들 피스톤(12)과, 원웨이 베어링(4)에 의해 제1 모터(2) 및 제2 모터(3)의 회전축에 각각 결합되어, 스핀들 피스톤(12)이 브레이크 패드(13)를 가압할 수 있는 방향으로 제1 모터(2) 및 제2 모터(3)가 회전하는 경우, 모터(3)의 동력을 전달받아 구동되는 제1 기어(6) 및 제2 기어(8)를 포함하여 구성될 수 있다.

ECU(1)는 조작되는 브레이크 페달의 답입량 정보와 더불어, 차량에 장착된 요 모멘트 센서를 통한 차량 자세 정보 등을 제공받아 제동 시 요구되는 제동 신호를 발생한다.

모터(2, 3)는 ECU(1)로부터 전달되는 제어신호에 의해 정회전 또는 역회전 하도록 동작됨으로써 스핀들 피스톤(12)이 브레이크 패드(13)를 휠 디스크(14) 측으로 가압하는 동력을 제공한다. 본 실시예의 경우 모터(2, 3)는 DC 모터이며, 사용 전압은 12V이다.

모터(2, 3)의 구동은 브레이크 패드(13) 가압력의 최적화를 위해 ECU(1)를 통해 지속적으로 제어되는데, 일례로 ECU(1)는 브레이크 패드(13)가 가하는 가압력에 대한 정보를 지속적으로 확인하게 되고, 확인된 측정값이 원하는 값과 다를 때 지속적으로 모터(2, 3)에 의한 구동력을 변경시키는 제어를 수행하게 된다.

감속기(9)는 서로 맞물려 회전하는 제1 기어(6), 제2 기어(8) 및 종동 기어(7) 로 구성되며, 제1 기어(6) 및 제2 기어(8)는 후술할 원웨이 베어링(4)에 의해 각각 제1 모터(2) 및 제2 모터(3)의 회전축에 결합되어 회전되고, 종동 기어(7)는 스핀들 피스톤(12)을 회전시켜 주게 된다. 감속기(9)를 이루는 기어는 본 실시예와는 달리 보다 많은 수의 기어들로 구성될 수 있으며, 본 실시예의 경우 두 개의 모터(2, 3)를 이용할 경우의 최소한의 기어 구성을 도시한다. 이하에서는 모터(2, 3)가 일 방향으로 회전하여 이에 연결된 기어(6, 8)의 구동에 의해 종동 기어(7)가 회전하여 스핀들 피스톤(12)이 전진하는 경우 모터(2, 3)가 정회전 한다고 정의하며, 모터(2, 3)가 반대 방향으로 회전하는 경우 역회전 한다고 정의한다. 또한 본 실시예의 경우 종동 기어(7)를 구동시키기 위한 모터(2, 3)가 두 개 구비되나, 더 큰 제동력을 필요에 필요로 할 경우 모터(2, 3)의 개수는 더 늘어날 수 있다.

스핀들 피스톤(12)은 감속기(9)를 이루는 종동 기어(7)에 고정되어 회전되는 스크류 축(10)과, 스크류 축(10)의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진되는 너트 피스톤(11)으로 구성될 수 있다. 스크류 축(10)과 너트 피스톤(11)은 볼 또는 롤러 타입 스크류를 적용해 결합되도록 구성될 수 있고, 회전 시 및 축 방향 이동 시 마찰력을 최소화하기 위하여 NSL(Non - Self Locking) 스크류 타입으로 형성되는 것이 바람직하다.

브레이크 패드(13)는 휠 디스크(14)를 감싸도록 설치되는 캘리퍼 하우징(15) 내에 구비되어 모터(2, 3) 구동 시 휠 디스크(14) 측으로 가압하도록 이동됨으로써 제동 상태를 구현한다. 제동 시에는 ECU(1)의 제동 신호를 받은 모터(2, 3)가 구동되어 감속기(9)를 회전시켜 스핀들 피스톤(12)의 너트 피스톤(11)을 축 방향으로 이동시킴으로써, 브레이크 패드(13)가 휠 디스크(14)를 가압 해 제동력을 형성하게 된다.

원웨이 베어링(4)은 한쪽 방향으로의 동력만을 전달하는 베어링으로서, 모터(2, 3)의 회전축이 일 방향으로 회전할 때는 동력을 전달하지만 회전축이 그와 반대 방향으로 회전하면 회전축은 공회전한다. 따라서 원웨이 베어링(4)과 모터(2, 3)의 회전축은 일 방향으로는 일체로 회전하나 그 반대방향으로는 일체로 회전하지 않는다. 다시 말해, 원웨이 베어링(4)은 제1 모터(2) 및 제2 모터(3)의 회전축과 장착되어, 모터(2, 3)의 정회전 시 회전운동에 구속되어 모터(2, 3)의 회전축과 일체로 회전하며, 모터(2, 3)의 역회전 시 모터(2, 3)의 회전축은 원웨이 베어링에 대하여 자유 회전함으로써 모터(2, 3)의 동력이 기어(6, 8)에 전달되지 않도록 구성된다. 이에 따라 원웨이 베어링(4)에 고정되는 제1 기어(6) 및 제2 기어(8)는 모터(2, 3)의 정회전 시 원웨이 베어링과 일체로 회전하여 구동되며, 모터(2, 3)의 역회전 시 모터(2, 3)의 회전축에 의한 영향을 받지 않는다. 한편 기어(6, 8)에 대한 모터(2, 3)의 회전축의 회전 방향이 역회전 방향인 경우, 다시 말해 모터(2, 3)가 역방향 회전 하지 않더라도 모터(2, 3)의 회전축과 이에 결합되는 기어(6, 8) 사이의 상대적인 회전 속도가 차이나서 모터(2, 3)의 회전축이 기어(6, 8)에 대해 상대적으로는 역방향 회전하는 경우에는 원웨이 베어링(4)에 의하여 모터(2, 3)의 구동력이 기어(6, 8)에 전달되지 않는다.

상기와 같이 원웨이 베어링(4)을 이용하여 일정한 경우 모터(2, 3)의 동력이 기어(6, 8)에 전달되는 것을 차단함으로써 복수의 모터(2, 3)를 사용함으로써 발생될 수 있는 문제점이 방지된다. 하나의 종동 기어(7)를 구동시키기 위하여 복수의 모터(2, 3)를 사용할 경우 동일한 사양의 모터(2, 3)를 사용하더라도 각 모터(2, 3)에는 공차가 존재하며, 출력이 조금씩 다를 수 있다. 그러나 모터(2, 3)에 결합되는 기어(6, 8)들이 감속기(9)를 구성하여 유기적으로 연계됨으로써 원웨이 베어링(4)을 사용하지 않을 경우 각 모터(2, 3)는 강제적으로 같은 회전수를 같게 되며, 이 경우 출력이 작은 모터는 출력이 큰 모터에 대하여 부하로서 작용하게 된다. 따라서 이때는 출력이 큰 모터 하나만 사용하는 것보다 오히려 전류 소모량이 더 커진다. 그러나 본 발명에 의한 전동식 브레이크에는 모터(2, 3)의 회전축과 기어(6, 8) 사이에 원웨이 베어링(4)이 구비됨으로써 모터(2, 3) 사이의 출력이 차이가 나는 경우 모터(2, 3)의 회전력은 기어(6, 8)로 전달되지 않는다. 따라서 복수의 모터(2, 3)의 출력에 차이가 있더라도 하나의 모터(2, 3)가 다른 모터(2, 3)의 부하로 작용하는 상황이 발생되지 않으며, 각 모터(2, 3)는 동력 손실 없이 종동 기어(7)에 최대한의 회전력을 제공할 수 있다.

또한, 이러한 원웨이 베어링(4)을 이용한 구성은 복수의 모터(2, 3) 중 일부 모터(2, 3)에 이상이 발생하더라도 나머지 모터(2, 3)에 의하여 종동 기어(7)를 안정적으로 회전할 수 있도록 한다. 모터(2, 3)에 이상이 발생하는 경우 브레이킹 효과(Breaking effect: 모터 내부의 전자기적 힘에 의해 모터가 회전에 저항하여 브레이크와 같이 작용하는 현상)가 발생할 수 있는데 본 발명에 의할 경우 원웨이 베어링(4)에 의해 이상이 있는 모터가 회전에 저항하는 힘이 차단되므로 이상이 없는 나머지 모터에 의하여 종동 기어(7)를 안정적으로 구동할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 전동식 브레이크는 스핀들 피스톤(12)이 동력을 전달받아 축 방향으로 전진하여 브레이크 패드(13)를 휠 디스크(14) 쪽으로 이동시켜 제동을 구현하는 시스템에 있어서, 제동 동력을 발생하여 스핀들 피스톤(12)에 전달하는 모터(2, 3)가 복수로 구비됨으로써 제동 동력이 향상되며, 복수의 모터(2, 3) 중 회전 속도가 느린 모터의 회전력이 원웨이 베어링(4)을 통해 차단됨으로써 종동 기어(7)를 원활하게 구동시킬 수 있는데 특징이 있다. 이러한 구조적 특징으로 인하여 전동식 브레이크의 작동 시 저전압의 모터를 사용하더라도 충분히 큰 크기의 제동력을 제공할 수 있게 된다.

이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 실시예에 따른 전동식 브레이크의 작동과정을 설명한다.

본 발명의 전동식 브레이크의 제동 작동 시, ECU(1)가 제동 상태를 인식하도록 신호를 입력 받는데 일례로서, 운전석 부위에 마련되어 제동 신호를 ECU(1)쪽으로 발생시키는 브레이크 페달을 이용하게 된다. 제동 신호가 ECU(1)로 입력되면 ECU(1)의 제어에 의해 구동되는 모터(2, 3)에 의해 기어(6, 8)가 구동되어 종동 기어(7)를 회전시키게 된다. 종동 기어(7)의 구동에 의해 스크류 축(10)이 회전함으로써 너트 피스톤(11)이 축 방향으로 이동되어 브레이크 패드(13)를 휠 디스크(14) 쪽으로 밀어 제동력을 형성하게 된다.

이때 종동 기어(7)를 회전시키는 복수의 모터(2, 3)의 회전 속도가 다르게 형성되는 경우, 예컨대 제1 모터(2)의 회전 속도가 제2 모터(3)의 회전 속도보다 낮게 형성되는 경우 종동 기어(7)는 더 빨리 회전하는 제2 모터(3)의 구동력에 의해 회전하게 되며, 제1 기어(6)와 제2 기어(8)는 동일한 각속도로 회전하게 된다. 따라서 제1 모터(2)의 회전축의 각속도와 제1 기어(6)의 각속도가 차이가 생기게 되어 제1 모터(2)의 회전력이 제1 기어(6)에 전달되지 않는다.

그 후 제동 작동이 계속 진행되면 제2 모터(3)에 계속적으로 부하가 가해짐으로써 제2 모터(3)의 회전 속도가 낮아지게 되면 제1 기어(6)와 제1 모터(2)의 회전축의 각속도가 서로 일치하게 된다. 이 시점에서부터 다시 제1 모터(2)의 구동력이 제1 기어(6)에 전달되어 종동 기어(7)에는 제1 모터(2)와 제2 모터(3)의 구동력이 동시에 전달되어 회전하게 된다.

그 후 제동 해제신호에 의하여 제동 동작을 마치고자 할 경우 ECU(1)의 제어에 의해 모터(2, 3)의 동작이 정지되어 스핀들 피스톤(12)에 전달되는 동력이 차단된다. 이에 따라 브레이크 패드(13) 및 캘리퍼 하우징의 탄성력 등에 의해 브레이크 패드(13)는 후퇴하여 휠 디스크(14)로부터 이격된다. 이러한 작용은 본 발명의 스핀들 피스톤(12)이 NSL(Non - Self Locking) 스크류 타입으로 형성되기 때문에 더욱 원활하게 일어난다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : ECU 2 : 제1 모터
3 : 제2 모터 4 : 원웨이 베어링
6 : 제1 기어 7 : 종동 기어
8 : 제2 기어 9 : 감속기
10 : 스크류 축 11 : 너트 피스톤
12 : 스핀들 피스톤 13 : 브레이크 패드
14 : 휠 디스크 15 : 캘리퍼 하우징

Claims (5)

1. 제동 작동과 관련된 정보를 입력받아 제동을 위한 제어 신호를 발생하는 ECU;
   상기 ECU의 제어 신호에 의해 구동되어 동력을 발생시키는 복수의 모터;
   상기 복수의 모터에 의해 발생되는 동력을 감속기를 통해 전달받아 브레이크 패드를 휠 디스크 측으로 가압하는 스핀들 피스톤;
   원웨이 베어링에 의해 상기 복수의 모터의 회전축에 각각 결합되어, 상기 스핀들 피스톤이 상기 브레이크 패드를 가압할 수 있는 방향으로 상기 복수의 모터가 회전하는 경우, 상기 복수의 모터의 동력을 전달받아 구동되는 복수의 기어를 포함하며,
   상기 복수의 기어에 대한 상기 복수의 모터의 회전축의 회전 방향이 상기 방향과 반대 방향인 경우 상기 모터의 동력이 상기 복수의 기어에 전달되지 않는 전동식 브레이크.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 모터는 제1 모터 및 제2 모터로 이루어지며,
   상기 복수의 기어는 제1 기어 및 제2 기어로 이루어지는 전동식 브레이크.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스핀들은,
   감속기의 최종 출력을 통해 회전되는 스크류 축; 및
   상기 스크류 축의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진되는 너트 피스톤;을 포함하는 전동식 브레이크.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스핀들은 NSL(Non - Self Locking) 타입 스크류인 전동식 브레이크.
5. 제4항에 있어서,
   상기 NSL(Non - Self Locking) 타입 스크류는 볼 또는 롤러 타입인 전동식 브레이크.

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