KR101786337B1 - 전동식 브레이크 - Google Patents

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현동윤
정종윤
이중희
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 전동식 브레이크에 관한 것으로서, 정상적인 상황뿐만 아니라 전원의 고장 시에도 신속한 제동력 해제가 이루어질 수 있고, 차량의 제동성능을 향상시킬 수 있는 전동식 브레이크를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 피스톤을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서, 상기 구동유닛은, 캘리퍼 하우징에 설치된 피스톤에 결합되어 축방향 이동됨에 따라 피스톤이 진퇴 이동되도록 하는 너트부재; 너트부재에 나사 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 이동시키는 스핀들; 스핀들을 회전시키기 위한 동력을 제공하는 전기모터; 캘리퍼 하우징에 회전 가능하게 설치되고 스핀들이 접촉하여 마찰할 때 마찰력에 의해 스핀들과 함께 회전되는 마찰부재; 및 캘리퍼 하우징 측과 마찰부재 사이에 설치되어 제동 중 마찰부재의 회전 시 변형되어 탄성 에너지를 저장하고 제동 해제시 탄성 복원력을 마찰부재를 통해 스핀들에 역방향 토크로 제공하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.가 개시된다.

Description

전동식 브레이크{Electro-Mechanical Brake}
본 발명은 전동식 브레이크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정상적인 상황뿐만 아니라 전원의 고장 시에도 신속한 제동력 해제가 이루어질 수 있고, 차량의 제동성능을 향상시킬 수 있는 전동식 브레이크에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 브레이크 장치는 주행 중인 차량을 감속 또는 정지시키거나 차량의 정지상태를 유지하기 위한 제동력을 발생시키는 장치로서, 감속 시에 차량의 운동에너지가 기계적인 마찰에 의해 열에너지로 전환되고 그 마찰열이 대기 중에 방출됨으로써 제동이 이루어진다.
이러한 차량용 브레이크 장치에는 드럼식 유압 브레이크와 디스크식 유압 브레이크 등이 있는데, 이 중 디스크식 유압 브레이크는 드럼 대신에 휠과 함께 회전하는 디스크를 양쪽에서 마찰패드로 강하게 압박하여 제동력을 얻도록 되어 있다.
그러나, 유압 브레이크는 운전석의 브레이크 페달에 연결되는 기구적 요소, 유압 배관, 유압을 제어하기 위한 요소 등을 필요로 하여 구성이 복잡하며, 따라서 브레이크 장치의 구성을 단순화하기 위해 전동식 브레이크(Electro-Mechanical Brake, EMB)가 개발되어 사용되고 있다.
전동식 브레이크는 일반적인 유압 브레이크와는 달리 전기모터로 구동되는 기계적 메커니즘을 이용하여 마찰패드를 가압함으로써 제동력을 얻는 브레이크를 말한다.
통상의 전동식 브레이크는 제동(마찰패드 가압) 및 제동 해제(감압)를 위해 정회전과 역회전을 하는 전기모터를 포함하는 액츄에이터를 가지며, 제동 시에는 디스크를 압박하도록(디스크와 마찰되도록) 모터의 회전력을 이용하여 마찰패드를 가압하는 동작이 이루어진다.
이러한 전동식 브레이크는 유압 브레이크에 비해 구조가 간단하면서도 응답속도가 빠르고, 더욱 정밀한 제어가 가능하여 제동 안전성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 전동식 브레이크는 제동력 제어가 용이한 장점을 가지며, 브레이크-바이-와이어 시스템(Brake By Wire system, BBW)의 구현을 위해서는 필수적으로 사용된다.
한편, 전동식 브레이크는 전술한 바와 같이 모터와 기계적 전달 메커니즘을 이용하여 전기동력으로 제동력을 발생시키며, 이때 대다수의 전동식 브레이크에서는 볼트-너트의 나사 원리를 이용하여 모터의 회전력을 마찰패드를 가압하기 위한 직선력으로 변환시킨다.
선행기술문헌으로 등록특허공보 제10-1220405호(2013.01.03.)에는 모터의 회전력이 감속기어를 거쳐 피스톤에 나사 결합된 작동축에 전달되면 피스톤과 작동축 간의 나사 구조에 의해 회전력이 직선력으로 변환되도록 한 전동식 브레이크가 개시되어 있다.
이러한 전동식 브레이크에서는 피스톤의 가압 작동으로 클램핑력이 발생하며, 이 클램핑력에 의해 브레이크 디스크가 가압되어 제동력이 발생한다.
그러나, 종래의 전동식 브레이크에서는 모터에 작동 전력을 공급하는 전원의 고장 시 모터 코킹 토크, 내부 마찰 등으로 인하여 제동력 발생 후 제동력이 충분히 해제되지 않은 상태가 유지될 수 있다.
즉, 제동 중 전원 고장 시 캘리퍼 하우징의 클램핑력이 작용함에 따라 모터를 역방향으로 회전시키려는 토크가 발생하나, 이 역방향의 토크가 모터 코킹 토크, 감속기 내부 기어의 마찰, 작동축 마찰, 피스톤 마찰 등으로 인해 상쇄되어 제동력이 충분히 해제되지 않을 수 있다.
차량의 주행 중에 이러한 상황이 발생할 경우 편제동이 나타날 수 있으며, 결국 차량 스핀과 같은 위험한 상황이 초래될 수 있다.
따라서, 전동식 브레이크에 공급되는 전원이 고장 났을 때 차량의 거동 안정성이 저하되지 않도록 휠 잠김이 방지될 수 있고, 제동력을 신속히 해제할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 정상적인 상황뿐만 아니라 전원 고장 시에도 신속한 제동력 해제가 이루어질 수 있고, 차량의 제동성능을 향상시킬 수 있는 전동식 브레이크를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 제동 시 디스크를 가압하도록 설치된 한 쌍의 마찰패드, 캘리퍼 하우징에 진퇴 이동 가능하게 설치되고 제동 시 전진 이동하여 상기 한 쌍의 마찰패드 중 하나를 가압하는 피스톤, 및 상기 피스톤을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서, 상기 구동유닛은, 캘리퍼 하우징에 설치된 피스톤에 결합되어 축방향 이동됨에 따라 피스톤이 진퇴 이동되도록 하는 너트부재; 너트부재에 나사 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 이동시키는 스핀들; 스핀들을 회전시키기 위한 동력을 제공하는 전기모터; 캘리퍼 하우징에 회전 가능하게 설치되고 스핀들이 접촉하여 마찰할 때 마찰력에 의해 스핀들과 함께 회전되는 마찰부재; 및 캘리퍼 하우징 측과 마찰부재 사이에 설치되어 제동 중 마찰부재의 회전 시 변형되어 탄성 에너지를 저장하고 제동 해제시 탄성 복원력을 마찰부재를 통해 스핀들에 역방향 토크로 제공하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
이로써, 본 발명의 전동식 브레이크에서는 정상적인 상황뿐만 아니라 전원 고장 시에도 탄성부재에 저장된 탄성 에너지에 의해 신속한 제동력 해제가 이루어질 수 있는 이점이 있게 된다.
특히, 본 발명의 전동식 브레이크에 따르면, 모터에 전력을 공급하는 전원의 고장 시에 제동력을 신속히 해제시킬 수 있으므로 편제동 발생을 방지할 수 있고, 차량 스핀과 같은 위험한 상황을 방지할 수 있게 된다.
또한, ABS 작동 시에 제동력 해제를 신속하게 수행할 수 있으므로 휠 잠김을 방지하는 ABS(Anti-lock Brake System)의 작동이 원활해질 수 있고, 휠 속도가 급격하게 감소하지 않게 함으로써 제동거리를 짧게 할 수 있는 등의 ABS 작동성능 향상 및 차량 제동성능의 향상을 달성할 수 있게 된다.
또한, 제동력 해제를 위해 클램핑 작용에 따른 마찰력을 이용하므로 마찰패드의 마모에 대응하기 위한 별도의 장치가 불필요하여 원가 및 중량 측면에서 유리한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크에서 주요 작동부를 나타내는 단면 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 주요 작동부의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 주요 작동부의 작동 상태를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크는 제동력 발생을 위해 모터가 구동할 때 캘리퍼 하우징의 클램핑력이 작용함에 따른 마찰력에 의해 탄성부재에 탄성 에너지가 저장되고, 제동력 해제 시에 탄성부재에 저장된 탄성 에너지에 의해 제동력 해제를 위한 신속한 작동이 이루어지는 구성을 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크에서 주요 작동부를 나타내는 단면 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 주요 작동부의 분해 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크(100)는 차체에 고정 설치되는 캐리어(도시하지 않음)와, 캐리어에 진퇴 이동 가능하게 결합되는 캘리퍼 하우징(120)을 포함하며, 이 캐리어와 캘리퍼 하우징(120)은 차량의 휠에 설치된 디스크(1)를 일측에서 감싸는 형태가 되도록 배치된다.
캐리어 내에는 차량의 휠과 함께 회전하는 디스크(1)의 양면을 가압하는 한 쌍의 마찰패드(브레이크 패드)(121,122)가 진퇴 이동 가능하게 설치된다.
한 쌍의 마찰패드(121,122)는 서로 이격되게 설치되어 그 사이에 디스크(1)가 배치되도록 되어 있으며, 따라서 후술하는 피스톤(124)의 전진 작동 시 마찰패드(121)가 디스크(1)를 향해 이동하여 디스크와 마찰함과 동시에 디스크를 가압함으로써 제동이 이루어진다.
캘리퍼 하우징(120)은 캐리어에 슬라이드 이동 가능하게 설치되고, 피스톤(124)이 설치되는 실린더(123)를 가진다.
즉, 캘리퍼 하우징(120)의 일측에 중공의 실린더(123)가 형성되고, 이 실린더(123) 내에 피스톤(124)이 진퇴 이동될 수 있도록 설치되는 것이다.
피스톤(124)은 전진 이동하여 한 쌍의 마찰패드(121,122) 중 어느 하나의 마찰패드(121)를 디스크(1) 측으로 전진시켜 마찰패드(121)가 디스크(1)와 마찰하도록 한다.
또한, 캘리퍼 하우징(120)의 타측에는 다른 하나의 마찰패드(122)를 디스크(1) 측으로 전진시켜 마찰패드(122)가 디스크(1)와 마찰하도록 하는 핑거부(128)가 형성된다.
따라서, 제동을 위해 전달되는 힘에 의해 피스톤(124)이 마찰패드(121) 및 디스크(1) 측을 향해 전진하면서 일측의 마찰패드(121)를 디스크(1)에 가압시키고, 상기 피스톤(124)과 일측의 마찰패드(121) 사이에 작용하는 반력에 의해 캘리퍼 하우징(120)이 피스톤(124)의 이동방향과 반대방향으로 이동하게 되면서 캘리퍼 하우징(120)의 핑거부(128)가 타측의 마찰패드(122)를 디스크(1)에 가압시킨다.
이에 두 마찰패드(121,122)가 디스크(1)의 양면을 동시에 압착하게 된다.
이때, 두 마찰패드(121,122)와 디스크(1) 사이에 발생하는 마찰력에 의해 제동이 이루어지며, 상기 마찰력에 의해 휠을 회전되지 못하게 구속하려는 제동력이 발생한다.
여기서, 캘리퍼 하우징(120)의 피스톤(124)과 핑거부(128)가 마찰패드(121,122)를 통해 디스크(1)의 양면을 가압하는 힘을 캘리퍼 하우징(120)의 클램핑력이라 할 수 있으며, 제동 시(즉, 마찰패드 가압 시) 클램핑력 작용에 따른 반력이 마찰패드(121)로부터 피스톤(124)으로 작용하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크(100)는 피스톤(124)을 동작시키기 위한 구동유닛을 포함하며, 구동유닛은, 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내에 설치된 피스톤(124)에 결합되어 축방향 진퇴 이동(전후 직선 이동)됨에 따라 피스톤(124)이 진퇴 이동되도록 하는 너트부재(131)와, 너트부재(131)에 나사 결합되어 회전 시 너트부재(131)를 진퇴 이동(전후 직선 이동)시키는 스핀들(132)과, 제동력 발생을 위한 회전력을 제공하는 전기모터(140)와, 전기모터(140)의 회전축과 스핀들(132) 사이에 구성되어 전기모터(140)의 회전력을 스핀들(132)에 전달하는 기어 조립체(141)를 포함한다.
이와 함께 구동유닛은, 캘리퍼 하우징(120)에 고정 설치되어 너트부재(131)를 회전은 구속하면서 축방향 진퇴 이동되도록 가이드 하는 가이드부재(133), 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123)에 회전 가능하게 설치되고 스핀들(132)이 접촉하여 마찰할 때 마찰력에 의해 스핀들(132)과 함께 회전되는 마찰부재(134), 캘리퍼 하우징(120) 측과 마찰부재(134) 사이에 설치되어 마찰부재(134)의 회전 시 변형되어 탄성 에너지를 저장하는 탄성부재(135)를 더 포함한다.
먼저, 캘리퍼 하우징(120)의 피스톤(124)은 내측에 그 축방향(이 축방향은 피스톤 전후 이동방향과 일치함)을 따라 길게 연장 형성된 중공부(125)를 가지며, 이 피스톤(124)의 중공부(125) 내측에 너트부재(131)가 설치되어 결합된다.
너트부재(131)는 긴 원통형상을 가지는 것으로, 선단부에는 피스톤(124)의 중공부(125) 내측면에 접촉하여 중공부(125) 내측면을 가압하도록 된 헤드부(131a)가 형성되어 있다.
또한, 너트부재(131)의 외측면에는 그 길이방향(즉, 축방향)을 따라 길게 가이드돌기(131b)가 돌출 형성되고, 이 너트부재(131)의 가이드돌기(131b)는 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측면에 고정 설치된 가이드부재(133)의 가이드홈(133a)에 결합된다.
가이드부재(133)는 일측이 캘리퍼 하우징(120)에 고정됨과 더불어 타측이 피스톤(124)의 중공부(125)에 삽입되어 내측에 너트부재(131)를 수용하도록 되어 있다.
가이드부재(133)의 가이드홈(133a)은 가이드부재(133)의 내측면에 길이방향(축방향)을 따라 길게 형성되며, 가이드돌기(131b)가 가이드홈(133a)에 삽입된 상태로 너트부재(131)의 축방향 진퇴 이동(전후 직선 이동)이 가이드 된다.
또한, 가이드부재(133)가 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측면에 회전은 물론 전후 이동되지 않도록 완전히 고정되어 장착되므로, 가이드부재(133)의 가이드홈(133a)에 가이드돌기(131b)가 결합되어 있는 너트부재(131)는, 가이드부재(133)의 내측에서 축방향 진퇴 이동만 가능할 뿐, 회전방향에 대해서는 가이드부재(133)에 의해 구속되어 회전될 수 없게 되어 있다.
바람직한 실시예에서, 피스톤(124)과 너트부재(131) 사이에는 너트부재(131)의 헤드부(131a)가 피스톤(124)의 중공부(125) 내측면에 상시 접촉된 상태를 유지할 수 있도록 피스톤(124)의 중공부(125) 내측면을 너트부재(131)의 헤드부(131a)에 밀착시켜주기 위한 탄성 복원력을 제공하는 밀착 스프링(127)이 설치될 수 있다.
이때, 헤드부(131a)는 너트부재(131)의 선단부에서 반경방향으로 돌출된 형상을 가지며, 이러한 돌출된 형상에 의해 너트부재(131)의 헤드부(131a)에 밀착 스프링(127)을 지지할 수 있는 지지단(131c)이 마련된다.
또한, 피스톤(124)의 중공부(125) 내측면에 너트부재(131)의 헤드부(131a) 후방으로 배치되는 링 형상의 스프링 지지판(126)이 고정 설치되고, 너트부재(131)가 스프링 지지판(126)의 내측을 통과하도록 조립된 상태에서 너트부재(131)의 헤드부(131a)(보다 상세히는 헤드부(131a)의 지지단(131c))와 스프링 지지판(126) 사이에 밀착 스프링(127)이 설치된다.
이에 너트부재(131)의 헤드부(131a)와 스프링 지지판(126) 사이에 압축 상태로 개재된 밀착 스프링(127)의 탄성 복원력은 피스톤(124)의 중공부(125) 내측면을 너트부재(131)의 헤드부(131a)에 밀착시키는 힘으로 작용하게 된다.
너트부재(131)의 내주면에는 나사산이 가공되어 형성되는데, 스핀들(132)의 외주면에 너트부재(131)와 나사 결합될 수 있는 나사산이 가공되어 형성되고, 이에 스핀들(132)의 회전 시 너트부재(131)가 축방향 진퇴 이동할 수 있게 된다.
즉, 너트부재(131)의 내측으로 스핀들(132)이 나사 결합됨으로써 스핀들(132)의 회전력이 너트부재(131)의 전후 직선력으로 변환될 수 있는 것이다.
이러한 너트부재(131)는 축방향 진퇴 이동 시 가이드부재(133)에 의해 가이드 되어 축방향의 전후로 직선 이동하게 된다.
이러한 구성에서 캘리퍼 하우징(120)의 피스톤(124)은 마찰패드(121)와 너트부재(131) 사이에 설치되어 너트부재(131)의 직선력을 마찰패드(121)에 전달하게 된다.
스핀들(132)은 기어 조립체(141)의 출력기어(142)의 축(143)에 결합되는데, 이때 출력기어(142)의 축(143) 외주면에 스핀들(132)의 후단부 내주면이 스플라인 결합되며, 스핀들(132)의 후단부에는 반경방향으로 확장된 형상의 지지부(132a)가 돌출 형성된다.
상기 스플라인 결합은 출력기어(142)의 축(143)과 스핀들(132) 사이의 회전력 전달을 가능하도록 하면서 출력기어(142)의 축(143)에 대해 스핀들(132)의 상대적인 축방향 유동 또한 가능하게 해준다.
물론, 스핀들(132)이 실린더(123) 내에서 축방향으로 자유롭게 이동할 수 있는 것은 아니며, 스핀들(132)이 지지부(132a)를 통해 후방의 마찰부재(134)에 의해 지지되고 있으므로, 스핀들(132)의 회전시 마찰부재(134)를 함께 회전시킬 수 있을 정도의 마찰력이 발생하도록 스핀들(132)의 지지부(132a)가 마찰부재(134)를 가압 및 압착하는 수준의 유동만 나타내게 된다.
바람직한 실시예에서, 스핀들(132)의 지지부(132a)와 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측면 사이에는 캘리퍼 하우징(120)에서 스핀들(132)을 축방향으로 탄성 지지하는 지지 스프링(136)이 설치될 수 있고, 이 지지 스프링(136)은 일단부가 스핀들(132)의 지지부(132a)를 후방에서 지지하면서 타단부가 베어링부재(137)를 개재한 상태로 실린더(123) 내측면에 지지될 수 있다.
스핀들(132)이 마찰부재(134)의 내측을 통과하는 구조에서 상기한 지지 스프링(136) 또한 마찰부재(134)의 내측에 위치하도록 설치된다.
구동유닛의 전기모터(140)는 제동(가압) 및 제동 해제(감압)를 위한 구동력, 즉 회전력을 발생시키는 구동원으로서, 마찰패드 가압 시 정방향으로 회전되고, 마찰패드 감압 시에는 역방향으로 회전되는바, 정방향 회전력과 역방향 회전력을 발생시켜 기어 조립체(141)를 통해 스핀들(132)에 제공하게 된다.
전기모터(140)는 제어기(2)에 의해 구동이 제어되며, 이 제어기(2)는 모터(140)의 정방향 및 역방향 구동을 제어하게 된다.
기어 조립체(141)는 모터(140)의 회전속도를 감속시킴과 더불어 모터(140)의 회전력을 증폭시켜 스핀들(132)에 전달하는 구성요소로, 복수 개의 기어들이 조합된 기어 트레인으로 구성될 수 있다.
전기모터(140)와 기어 조립체(141)는 공지의 전동식 브레이크(100)에 기 적용되고 있는 것이 될 수 있으며, 다만 기어 조립체(141)에서 모터(140)의 회전력을 최종 출력하는 출력기어(142)의 축(143)에 스핀들(132)이 결합된다.
가이드부재(133)는 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측면에 완전히 고정되도록 설치되는 것으로, 전술한 바와 같이 너트부재(131)가 내측에 삽입된 상태에서 축방향으로 가이드 될 수 있도록 원통 형상을 가지며, 그 내측으로 너트부재(131)와 함께 너트부재(131)에 결합된 스핀들(132)이 통과하도록 되어 있다.
또한, 가이드부재(133)의 후단부에는 반경방향으로 확장된 원통 형상의 확장부(133b)가 형성되고, 이 확장부(133b) 내측에 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134), 탄성부재(135)가 위치된다.
이때, 가이드부재(133)의 확장부(133b)가 캘리퍼 하우징(120)의 실린더 내측면에 고정되고, 가이드부재(133)에서 확장부(133b) 전측의 부분이 피스톤(124)의 중공부(125) 내측으로 삽입되어 너트부재(131)의 외측면과 결합된다.
마찰부재(134)는 링 형상을 가지는 것으로, 스핀들(132)에서 지지부(132a) 후측 부분이 내측을 통과하도록 되어 있으며, 마찰부재(134) 내측으로 삽입된 상태의 스핀들(132)의 후단부가 기어 조립체(141)의 출력기어(142)의 축(143)에 결합되도록 되어 있다.
또한, 마찰부재(134)의 후단부에는 반경방향으로 확장된 판 형상의 확장부(134a)가 형성되어 있으며, 이 마찰부재(134)의 확장부(134a)와 가이드부재(133)의 확장부(133b) 사이에, 마찰부재(134)의 회전 시 변형되어 탄성 에너지를 저장하는 탄성부재(135)가 설치된다.
또한, 마찰부재(134)는 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측에 회전 가능하게 설치되는데, 실린더(123) 내측면과의 사이에 개재된 베어링부재(137)에 의해 회전 가능하게 지지되도록 설치될 수 있고, 스핀들(132)이 접촉하여 마찰할 때의 마찰력에 의해 스핀들(132)과 함께 회전되도록 되어 있다.
이때, 마찰부재(134)의 전단부 끝면에 스핀들(132)의 지지부(132a)가 접촉하여 마찰하게 되는데, 제동 시, 즉 마찰패드 가압 시 클램핑력 작용에 따른 반력이 전방의 마찰패드(121)로부터 피스톤(124)으로 작용하면, 이 반력은 피스톤(124)에서 너트부재(131)를 통해 후방의 스핀들(132)에 작용하게 되고, 이때 스핀들(132)의 지지부(132a)가 그 후방에 배치된 마찰부재(134)의 전단부 끝면에 접촉하여 마찰하게 된다.
결국, 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134)의 전단부 끝면 간에 일정 수준 이상의 마찰이 발생하면, 그 마찰력에 의해 스핀들(132)과 마찰부재(134)가 함께 회전되고, 이러한 마찰부재(134)의 회전에 의해 탄성부재(135)가 탄성을 가지도록 변형된다.
마찰패드 가압 시 일정 이상의 반력이 마찰패드(121)로부터 피스톤(124) 및 너트부재(131)를 통해 스핀들(132)에 가해지면, 이 반력은 스핀들(132)을 후방으로 미는 힘으로 작용하고, 결국 상기 반력에 의해 스핀들(132)의 지지부(132a)가 마찰부재(134)의 전단부 끝면과 접촉한 상태로 일정 수준 이상의 큰 마찰력을 발생시키는바, 이때의 마찰력에 의해 스핀들(132)과 마찰부재(134)가 함께 회전될 수 있게 된다.
상기 탄성부재(135)는 일단부가 마찰부재(134)의 확장부(134a)의 홀(134b)에 끼워져 결합되고 타단부가 가이드부재(133)의 확장부(133b)의 홀(133c)에 끼워져 결합되는 비틀림 스프링이 될 수 있다.
이에 스핀들(132)과 함께 마찰부재(134)가 회전되면, 탄성부재(135)가 비틀림 변형되면서 압축되어 탄성을 가지게 되고, 이렇게 압축 변형된 상태에서 탄성 에너지를 저장하게 된다.
이와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 브레이크의 구성에 대해 설명하였는바, 그 작동 상태에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 2에 도시된 주요 작동부의 작동 상태를 나타내는 도면으로, 스핀들과 마찰부재가 회전되어 탄성부재(비틀림 스프링)의 변형이 이루어지는 상태를 보여주고 있다.
도 4의 좌측 도면은 제동력이 해제된 경우의 상태를 나타내는 것으로, 제동력을 발생시키기 위해 마찰패드 가압이 이루어질 경우 도 4의 우측 도면에 나타낸 바와 같이 스핀들(132)과 마찰부재(134)가 함께 회전되어 탄성부재(비틀림 스프링)(135)가 압축 변형된다.
먼저, 마찰패드 가압 시에 대해 설명하면, 마찰패드 가압은 제동력이 발생하도록 피스톤(124)이 마찰패드(121)를 가압하고, 이와 더불어 한 쌍의 마찰패드(121,122)가 디스크(1)를 가압하는 상태라 할 수 있다.
이러한 마찰패드 가압을 위해 제어기(2)의 제어에 의해 전기모터(140)가 정방향으로 회전되고, 이때 모터(140)의 회전력이 기어 조립체(141)를 통해 스핀들(132)에 전달되어 스핀들(132)이 정방향으로 회전된다.
스핀들(132)이 정방향으로 회전되면, 스핀들(132)의 회전력이 나사 결합된 너트부재(131)의 직선력으로 변환되고, 이에 너트부재(131)가 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내측에 고정 설치된 가이드부재(133)에 의해 가이드 되면서 축방향으로의 직선 이동, 즉 전진 이동하게 된다.
이때, 피스톤(124)에 너트부재(131)가 결합되어 있으므로 전진 이동하는 너트부재(131)에 의해 피스톤(124)이 마찰패드(121)를 향해 이동하여 마찰패드를 가압하고, 마찰패드가 휠과 일체로 회전되고 있는 디스크(1)를 가압하게 된다.
물론, 한 쌍의 마찰패드(121,122)가 디스크(1)의 양면을 동시에 가압하여 제동력을 발생시키는데, 피스톤(124)이 마찰패드(121) 및 디스크(1) 측으로 전진하면서 일측의 마찰패드(121)를 디스크(1)에 가압시키고, 피스톤(124)과 일측의 마찰패드(121) 사이에 작용하는 반력에 의해 캘리퍼 하우징(120)이 피스톤(124)의 이동방향과 반대방향으로 이동하게 되면서 캘리퍼 하우징(120)의 핑거부(128)가 타측의 마찰패드(122)를 디스크(1)에 가압시킨다.
결국, 디스크(1)와 이를 가압하는 마찰패드(121,122) 사이의 마찰에 의해 제동력이 발생하게 된다.
또한, 이와 같은 마찰패드 가압 시에는 클램핑력이 작용함에 따라 클램핑력 작용에 따른 반력이 발생하여 마찰패드(121)에서 피스톤(124)으로 작용하고, 이 반력은 너트부재(131)를 통해 스핀들(132)에 전달된다.
상기 반력이 전달됨에 따라 스핀들(132)의 지지부(132a)가 마찰부재(134)의 전단부 끝면을 가압하게 되고, 이로써 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134) 사이에 일정 수준 이상의 마찰력이 발생하게 된다.
이때까지는 제동력 발생을 위해 스핀들(132)이 모터(140)의 회전력에 의해 회전되는 상태인데, 스핀들(132)의 지지부(132a)와의 사이에 발생한 마찰력에 의해 마찰부재(134)가 스핀들(132)과 함께 회전되고, 이 회전에 의해 마찰부재(134)와 캘리퍼 하우징(120)(가이드부재) 사이에 설치된 탄성부재(135)(비틀림 스프링)가 압축 변형되면서 탄성 에너지가 저장된다(도 4의 우측 도면 참조).
다음으로, 제동력 해제(가압 해제)가 이루어지는 마찰패드 감압 시에는 제어기(2)의 제어에 의해 전기모터(140)가 역방향으로 회전되고, 모터(140)의 회전력이 기어 조립체(141)를 통해 스핀들(132)에 전달되어 스핀들(132)이 역방향으로 회전된다.
스핀들(132)이 역방향으로 회전되면, 스핀들(132)의 회전력이 나사 결합된 너트부재(131)의 직선력으로 변환되고, 이에 너트부재(131)가 가이드부재(133)에 의해 가이드 되면서 축방향으로 후퇴 이동된다.
이때, 후퇴 이동하는 너트부재(131)에 의해 피스톤(124)이 마찰패드(121) 반대쪽으로 직선 이동되어 마찰패드를 감압시키면 디스크(1)와 마찰패드(121,122) 사이의 마찰력 및 제동력이 감소한다.
상기와 같은 마찰패드 감압 시작 후 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134)가 마찰 상태를 유지하는데, 스핀들(132)이 역방향으로 회전됨에 따라 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134) 사이의 마찰력에 의해 마찰부재도 역방향으로 회전된다.
이와 같이 마찰부재(134)가 역방향으로 회전되면 가압 시 압축되었던 탄성부재(135)가 탄성 복원되면서 그 탄성 복원력이 스핀들(132)에 작용하여 역방향 토크로 제공되고, 역방향 토크가 스핀들(132)에 작용하면 제동력 해제가 신속하게 이루어질 수 있다.
다음으로, 전원 고장 시를 살펴보면, 제동(마찰패드 가압) 중에, 스핀들(132)과 마찰부재(134)가 마찰에 의해 함께 회전되어 탄성부재(135)가 어느 정도 압축 변형된 상태에서, 전동식 브레이크(100)의 전원이 고장나면, 마찰패드 감압 시와 마찬가지로 가압 시 압축되었던 탄성부재(135)가 스핀들(132)에 역방향 토크를 제공한다.
이를 통해 스핀들(132)이 역방향으로 회전되도록 함으로써 제동력을 해제할 수 있게 된다.
다음으로, 마찰패드(121)가 어느 정도 마모된 상태에서 마찰패드 가압이 이루어질 경우, 마찰패드(121)가 마모된 만큼 너트부재(131)가 추가로 전진 이동하는 동안 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134) 사이에 수직력이 작으므로 탄성부재(135)(비틀림 스프링)의 압축이 이루어지지 않는다.
또한, 피스톤(124)이 마찰패드(121)에 접촉하고 난 이후부터 클램핑력이 생성되고, 그 반력에 의해 스핀들(132)의 지지부(132a)와 마찰부재(134) 사이에 마찰력이 증대된다.
이 마찰력에 의해 스핀들(132)과 마찰부재(134)가 함께 회전되면서 탄성부재(135)가 압축되어 탄성 에너지를 저장하게 되는데, 이에 실시예의 구성에 따르면 마찰패드의 마모에도 대응할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 디스크 2 : 제어기
100 : 전동식 브레이크 120 : 캘리퍼 하우징
121, 122 : 마찰패드 123 : 실린더
124 : 피스톤 125 : 중공부
126 : 스프링 지지판 127 : 밀착 스프링
128 : 핑거부 131 : 너트부재
131a : 헤드부 131b : 가이드돌기
131c : 지지단 132 : 스핀들
132a : 지지부 133 : 가이드부재
133a : 가이드홈 133b : 확장부
133c : 홀 134 : 마찰부재
134a : 확장부 134b : 홀
135 : 탄성부재 136 : 지지 스프링
137 : 베어링부재 140 : 전기모터
141 : 기어 조립체 142 : 출력기어
143 : 축

Claims (16)

  1. 제동 시 디스크를 가압하도록 설치된 한 쌍의 마찰패드, 캘리퍼 하우징에 진퇴 이동 가능하게 설치되고 제동 시 전진 이동하여 상기 한 쌍의 마찰패드 중 하나를 가압하는 피스톤, 및 상기 피스톤을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    캘리퍼 하우징에 설치된 피스톤에 결합되어 축방향 이동됨에 따라 피스톤이 진퇴 이동되도록 하는 너트부재;
    너트부재에 나사 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 이동시키는 스핀들;
    스핀들을 회전시키기 위한 동력을 제공하는 전기모터;
    캘리퍼 하우징에 회전 가능하게 설치되고 스핀들이 접촉하여 마찰할 때 마찰력에 의해 스핀들과 함께 회전되는 마찰부재; 및
    캘리퍼 하우징 측과 마찰부재 사이에 설치되어 제동 중 마찰부재의 회전 시 변형되어 탄성 에너지를 저장하고 제동 해제시 탄성 복원력을 마찰부재를 통해 스핀들에 역방향 토크로 제공하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캘리퍼 하우징에서 스핀들의 후방에 마찰부재가 배치되어, 제동 중 디스크를 가압하는 클램핑력에 대한 반력이 스핀들 전방의 마찰패드 및 피스톤, 너트부재를 통해 스핀들에 전달되면, 상기 스핀들이 후방의 마찰부재를 가압하여 상기 마찰력을 발생시키도록 된 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스핀들에 반경방향으로 확장된 형상의 지지부가 돌출 형성되고, 상기 마찰부재는 링 형상으로 형성되어 상기 지지부 후측의 스핀들 부분이 내측을 통과하도록 결합되며, 상기 스핀들의 지지부가 마찰부재를 가압하여 상기 마찰력을 발생시키도록 된 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 마찰부재의 후단부에 반경방향으로 확장된 확장부가 형성되고, 탄성부재가 캘리퍼 하우징 측과 상기 마찰부재의 확장부 사이에 설치되는 비틀림 스프링인 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 스핀들의 지지부와 캘리퍼 하우징 사이에 스핀들의 지지부를 후방에서 축방향으로 탄성 지지하는 지지 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 스핀들은 전기모터의 회전력을 전달하는 기어 조립체의 출력기어 축에 축방향 유동이 가능하도록 스플라인 결합되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 피스톤은 축방향을 따라 형성된 중공부를 가지며, 상기 피스톤의 중공부 내측을 따라 너트부재가 삽입되어 설치되고, 상기 너트부재의 선단부에는 피스톤의 중공부 내측면을 가압하는 헤드부가 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 너트부재의 헤드부가 피스톤의 중공부 내측면에 상시 접촉된 상태를 유지하도록 상기 피스톤과 너트부재 사이에는 피스톤의 중공부 내측면을 너트부재의 헤드부에 밀착시키는 밀착 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 피스톤의 중공부 내측면에 너트부재의 헤드부 후방으로 배치되는 링 형상의 스프링 지지판이 고정 설치되고,
    상기 너트부재가 스프링 지지판의 내측을 통과하도록 결합되며,
    상기 헤드부가 너트부재의 선단부에서 반경방향으로 돌출된 형상으로 형성되어, 전방의 헤드부와 후방의 스프링 지지판 사이에 상기 밀착 스프링이 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 캘리퍼 하우징에 너트부재의 회전은 구속하면서 너트부재를 축방향 진퇴 이동되도록 가이드 하는 가이드부재가 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 가이드부재는,
    원통 형상으로 형성되고,
    일측이 캘리퍼 하우징에 고정되며,
    타측이 피스톤의 중공부에 삽입되어 내측에 너트부재를 수용하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 너트부재에 축방향을 따라 길게 가이드돌기가 형성되고,
    상기 가이드부재에 축방향을 따라 길게 가이드홈이 형성되며,
    상기 가이드돌기가 가이드홈에 삽입된 상태로 가이드부재에서 너트부재의 축방향 이동이 가이드 되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 가이드부재의 후단부에 반경방향으로 확장된 원통 형상의 확장부가 형성되고, 상기 가이드부재의 확장부가 캘리퍼 하우징의 실린더 내측면에 고정되며, 가이드부재에서 확장부 전측의 부분이 피스톤의 중공부 내측으로 삽입되어 너트부재의 외측면과 결합되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 탄성부재가 가이드부재의 확장부와 마찰부재 사이에 설치되는 비틀림 스프링인 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성부재는 캘리퍼 하우징 측과 마찰부재 사이에 설치되는 비틀림 스프링인 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 마찰부재가 캘리퍼 하우징의 실린더 내측에 회전 가능하게 설치되고, 상기 실린더 내측면과의 사이에 개재된 베어링부재에 의해 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
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