KR102383339B1 - 볼 스크루 타입 전동식 브레이크 - Google Patents

볼 스크루 타입 전동식 브레이크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동식 브레이크의 구동 유닛으로 비순환형 볼 스크루 방식을 적용하되, 패드 마모로 인한 볼의 위치 이동량을 자동으로 보상해줄 수 있는 전동식 브레이크를 제공하는 것에 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서, 볼 스크루와 함께, 압축 코일 스프링과 상기 압축 코일 스프링의 타측에 장착되는 볼 리테이너에 의해 패드 마모 보상이 이루지는 비순환형 볼 스크루 방식의 전동식 브레이크를 제공한다.

Description

볼 스크루 타입 전동식 브레이크 {Ball Screw Type Electro-Mechanical Brake}
본 발명은 전동식 브레이크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 볼 스크루가 적용된 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 스크루-너트 간의 나사 원리를 이용하여 모터의 회전력을 마찰패드를 가압하기 위한 직선력으로 변환시킨다.
이러한 스크루-너트를 구성함에 있어서, 너트와 스크루 사이에 볼을 채워 넣고 볼을 통해 힘이 전달되도록 하여 마찰 저항을 줄일 수 있는 볼 스크루가 적용될 수 있다.
볼 스크루는 볼이 순환하는 순환형과 볼이 순환하지 않는 비순환형 볼 스크루로 구분된다. 순환형은 작동 구간이 길고 연속적인 경우 적용이 가능하고, 비순환형의 경우, 너트의 외경을 줄일 수 있어 패키지에 유리하나, 작동 구간이 짧고 불연속적인 경우에 제한적으로 사용될 수 있다. 한편, 전동식 브레이크에서는 피스톤 이동량이 크지 않아 비순환형을 적용할 수 있다. 다만, 전동식 브레이크에서는 패드 마모에 따라 볼이 점차 이동하므로, 볼의 위치를 원복시켜 주기 위한 기술이 필요하다.
국제공개특허 WO 2015/081191 (2015.06.04.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 전동식 브레이크의 구동 유닛으로 비순환형 볼 스크루 방식을 적용하되, 패드 마모로 인한 볼의 위치 이동량을 자동으로 보상해줄 수 있는 전동식 브레이크를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 마찰패드를 가압할 수 있는 피스톤과 상기 피스톤을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서, 상기 구동유닛은, 상기 피스톤에 결합되어 축방향 이동력을 피스톤에 전달할 수 있도록 구성된 너트부재; 너트부재에 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 이동시키는 스크루; 상기 너트부재와 상기 스크루 사이에 삽입되어 상기 스크루의 회전력을 상기 너트부재로 전달하는 다수의 볼들; 상기 너트부재에 장착되는 압축 코일 스프링; 상기 압축 코일 스프링의 타측에 장착되는 볼 리테이너;를 포함하며, 상기 볼 리테이너는 상기 너트부재와 상기 스크루 사이에 삽입되는 볼들 중 최후단 볼에 인접하게 설치되고, 제동 가압 시 볼과 접촉하면서 상기 압축 코일 스프링을 가압할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 너트부재의 일측단부에는 피스톤의 내측단부를 가압할 수 있도록 형성된 헤드부가 형성되고, 상기 너트부재의 타측단부에는 상기 볼 리테이너 및 상기 압축 코일 스프링을 수용하기 위한 지지홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 지지홈에는 상기 볼 리테이너가 볼을 향해 이동하는 것을 구속하기 위한 지지단부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 압축 코일 스프링은 초기장착력을 가지도록 압축 상태로 상기 지지단부 상에 구속되게 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 볼 리테이너는 제동 가압 전에는 볼과 간극을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 제동 해제 후에도 상기 볼 리테이너는 볼과 간극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 볼 리테이너의 내측면에는 상기 볼들을 수용할 수 있도록 리테이너 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 볼 리테이너의 외측 둘레면에는 적어도 하나의 가이드 돌기가 형성되며, 상기 너트부재에는 상기 가이드 돌기의 축방향 이동을 안내할 수 있도록 축방향 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 너트부재의 내측면에는 적어도 하나의 가이드 돌기가 형성되며, 상기 가이드 돌기를 따라 축방향으로 상기 볼 리테이너가 안내될 수 있도록 상기 볼 리테이너의 외측 둘레면에는 축방향 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 볼 리테이너는 상기 너트부재의 내측면을 따라 축방향으로 이동가능한 실린더 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 리테이너 홈은 내측으로 굴곡진 곡면 또는 일정한 경사를 가지는 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
또한, 상기 너트부재는 상기 다수의 볼이 이동하기 위한 가이드 홈을 가지며, 상기 리테이너 홈의 내경은 상기 가이드 홈의 내경과 동일한 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크를 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 볼 스크루 방식으로 구동되는 전동식 브레이크를 구현할 수 있으므로, 마찰 저항 감소로 인해 작동 효율이 향상되고, 구동 유닛의 내구성능이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 비순환형 볼 스크루를 적용할 수 있어 소형화가 가능하므로, 패키징에 유리한 장점이 있다.
또한, 패드 마모로 인하여 볼이 이동하는 것을 자동으로 보상할 수 있으므로, 별도의 패드 마모 보상 없이 전동식 브레이크를 지속적으로 이용 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전동식 브레이크의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전동식 브레이크에서 주요 작동부를 나타내는 단면 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 주요 작동부 중 너트의 단면 사시도이고,
도 4a 내지 도 4d는 도 2에 도시된 주요 작동부 중 볼 리테이너의 예를 도시한 사시도이고,
도 5a 내지 도 5d는 스크루와 너트의 이동을 도시하고 있는 것으로, 도 5a는 볼 리테이너 접촉 전, 도 5b는 제동 가압 중, 도 5c는 제동 가압이 지속됨에 따라 패드 마모가 일어나는 상태, 도 5d는 제동 후를 각각 도시한 것이고,
도 6a 내지 도 6d는 볼 리테이너에 대한 볼의 움직임을 도시하고 있는 것으로, 도 6a는 볼 리테이너 접촉 전, 도 6b는 제동 가압 중, 도 6c는 제동 가압이 지속됨에 따라 패드 마모가 일어나는 상태, 도 6d는 제동 후를 각각 도시한 것이고,
도 7a 내지 도 7f는 볼 리테이너에 의해 패드 마모 보상이 이루어지면서 볼의 위치를 조정하는 것을 도시하고 있는 것으로, 도 7a는 볼 리테이너 접촉 전, 도 7b와 도 7c는 제동 가압 중, 도 7d는 제동 해제 중 스프링이 이완되는 것, 도 7e는 제동 해제 중 마모 보상이 이루어지는 것, 도 7f는 제동 해제가 완료된 후 볼이 원위치로 복귀한 것을 각각 도시한 것이고,
도 8a는 제동 전 볼-너트 마찰력 및 스프링 부재의 힘을 스크루 회전각에 따라 도시한 것이고,
도 8b는 마찰패드의 마모가 발생한 상태에서 볼 마찰력 및 스프링 부재의 힘이 변화하는 것을 도시한 것이다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전동식 브레이크는 제동력 발생을 위해 모터가 구동할 때 캘리퍼 하우징의 클램핑력이 작용함에 있어서, 모터의 구동력을 전달하는 구동 유닛을 비순환형의 볼 스크루 타입으로 구성한 것에 특징이 있다. 특히, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 볼 스크루 타입의 구동 유닛을 구성함에 있어서, 비순환형이면서 패드 마모로 인한 볼 위치 변위를 보상할 수 있도록 너트의 일측단부에 볼 리테이너가 제공되는 것에 또 다른 특징이 있다. 볼 리테이너는 패드 마모 방향으로 배열된 탄성 부재와 함께 설치되어, 탄성 부재의 복원력에 의해 패드 마모를 보상할 수 있도록 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 볼 스크루 타입 전동식 브레이크를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전동식 브레이크의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전동식 브레이크에서 주요 작동부를 나타내는 단면 사시도이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 주요 작동부 중 너트부재의 단면 사시도이고, 도 4a 내지 도 4d는 볼 리테이너를 도시한 것이다.
도 1에 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(126)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(126)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 휠이 회전하지 못하게 구속하려는 제동력이 발생한다.
여기서, 캘리퍼 하우징(120)의 피스톤(124)과 핑거부(126)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 구현예에 따른 전동식 브레이크(100)는 피스톤(124)을 동작시키기 위한 구동유닛을 포함한다. 구동유닛은, 캘리퍼 하우징(120)의 실린더(123) 내에 설치된 피스톤(124)에 결합되어 축방향 진퇴 이동(전후 직선 이동)함에 따라 피스톤(124)이 진퇴 이동되도록 하는 너트부재(131)와, 너트부재(131)와 결합되어 회전 시 너트부재(131)를 진퇴 이동(전후 직선 이동)시키는 스크루(132)를 포함한다. 또한, 본 구현예에서의 구동유닛은 제동력 발생을 위한 회전력을 제공하는 전기모터(140)와, 전기모터(140)의 회전축과 스크루(132) 사이에 구성되어 전기모터(140)의 회전력을 스크루(132)에 전달하는 기어 조립체(141)를 더 포함하는 개념으로 이해된다.
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 스크루(132)에 제공하게 된다.
전기모터(140)는 제어기(미도시)에 의해 구동이 제어되며, 이 제어기는 모터(140)의 정방향 및 역방향 구동을 제어하게 된다.
스크루(132)는 기어 조립체(141)의 출력기어(142)의 축에 결합되는데, 기어 조립체(141)는 모터(140)의 회전속도를 감속시킴과 더불어 모터(140)의 회전력을 증폭시켜 스크루(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 있다.
한편, 본 구현예에서의 구동유닛은 볼-스크루 타입으로 구성되며, 스크루(132)와 너트부재(131) 사이에 삽입되는 다수의 볼(134)들에 의하여 스크루의 회전 운동을 피스톤의 병진운동으로 전환하게 된다.
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.
도 3에 도시된 바와 같이, 너트부재(131)는 긴 원통형상을 가지며, 선단부에는 피스톤(124)의 중공부(125) 내측단부(124a)에 접촉하여 중공부(125) 내측단부(124a)을 가압하도록 된 헤드부(131d)가 형성되어 있다.
또한, 너트부재(131)의 내측면에는 그 내측면 둘레를 따라 나선형의 가이드 홈(131a)이 형성된다. 이 가이드 홈(131a)은 스크루와 너트부재(131) 사이의 볼의 움직임을 가이드하기 위한 것으로, 볼 스크루에 포함된 볼의 개수를 고려하여 볼의 움직임을 충분히 제어할 수 있는 정도의 길이를 갖도록 구성한다.
너트부재(131)는 스크루의 외측 둘레를 감싸도록 조립되고, 스크루의 외측면과 너트부재(131)의 내측면 사이에 삽입되는 다수의 볼들에 의하여, 스크루의 외측면을 따라 너트부재(131)가 이동하게 된다. 즉, 전기모터 구동에 따라 스크루가 회전하면 볼에 의하여 너트 부재 및 이에 연결된 피스톤(124)이 직선 이동하게 되는 구조이다.
이를 위해, 스크루에도 너트부재(131)의 가이드 홈(131a)에 대응되는 가이드 홈이 형성되고, 그 사이에 다수의 볼이 배열된다.
한편, 본 구현예에 따르면, 너트부재(131)의 타측 단부, 즉, 헤드부(131d)가 형성된 일측 단부의 반대측 단부에는 볼 리테이너(133)를 수용하고, 이를 지지하기 위한 원통형 지지홈(131b)이 형성된다. 도 2에서와 같이, 지지홈(131b)에는 볼 리테이너(133) 및 상기 볼 리테이너(133)를 탄성 지지하는 스프링 부재(135)가 삽입되고, 지지홈(131b)의 일측 단부는 볼 리테이너(133)를 구속하기 위한 지지단부(131c)가 형성된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 볼 리테이너(133)는 스크루의 외측 둘레를 따라 삽입될 수 있도록 링 형상을 가진다. 볼 리테이너(133)는 스프링 부재(135)에 의하여 탄성 지지되는데, 바람직하게는 스프링 부재(135)의 일측 단부는 너트 부재 상에 고정되고, 타측 단부는 볼 리테이너(133)에 고정되도록 구성할 수 있다. 다만, 본 구현예에서의 스프링 부재(135)는 압축가능한 코일 스프링이며, 축 방향 압축 및 복원이 가능한 형태라면 고정되지 않고 적용될 수도 있다. 다만, 미고정 구조로 인하여 스프링 압축 또는 복원 과정에서 볼 리테이너와 스프링 또는 다른 구성 간의 유격이 발생할 수 있고, 이는 구동 유닛 동작의 정확성에 부정적으로 작용할 수 있으므로, 볼 리테이너에 스프링 부재를 고정시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 구현예에 따른 스프링 부재(135)는 외력을 받으면 스크루의 축방향으로 압축되거나, 또는 볼 리테이너와 너트 간의 상대적인 움직임에 따라 복원될 수 있도록 구성된다.
도 2에 따르면, 볼 리테이너(133)는 스프링 부재(135)를 매개로 너트 부재 상에 장착되는 것이기 때문에, 볼리테이너와 너트 부재는 함께 이동한다. 다만, 볼 리테이너(133) 및 너트 간의 상대 움직임이 발생하는 특별한 경우, 스프링 부재(135)는 압축되고 볼에 대한 복원력을 제공하게 된다. 따라서, 이러한 스프링 부재(135)는 제동 해제 시 볼 위치를 원복시키기 위한 구성이다.
볼 리테이너의 구체적인 구성은 도 4a 내지 도 4d에 상세하게 도시되어 있는데, 도 4a 내지 도 4d는 각각 서로 다른 실시예에 따른 볼 리테이너를 나타내고 있다.
볼 리테이너(133)에는 볼을 지지하고, 볼에 의하여 인가되는 힘을 전달할 수 있도록 리테이너 홈(133a)이 형성된다. 리테이너 홈(133a)은 리테이너가 볼을 마주하는 측 단면에 형성되며, 도 4a 및 도 4b에서와 같이, 볼 리테이너 내측면 전체에 걸쳐 형성될 수 있다. 또한, 상기 리테이너 홈(133a)은 도 4a에서와 같이, 볼의 형상에 맞추어 내측으로 굴곡진 곡면 형상을 갖도록 구성할 수 있다. 한편, 상기 리테이너 홈은 도 4b의 예에서와 같이, 일정한 경사를 가지는 경사면으로 구성될 수도 있다.
따라서, 리테이너 홈(133a)의 볼 측 단부에서는 리테이너 측으로 이동하는 볼을 자연스럽게 수용하면서 볼의 후방 이동을 제한하면서 압축될 수 있다. 예를 들어, 볼이 볼 리테이너(133)를 가압한다면 스프링 부재(135)는 압축되고, 볼 리테이너(133)는 후방(도 2의 우측방향)으로 이동하게 된다.
볼 리테이너(133)는 스크루와 너트 사이에 위치하면서, 스크루의 축방향을 따라 직선 구동하는 부재이다. 따라서, 볼 리테이너(133)에는 도 4a에서와 축방향 이동을 보조하기 위한 가이드 돌기(133b)가 형성될 수 있다. 이러한 가이드 돌기(133b)는 볼 리테이너의 외측 둘레를 따라 형성되며, 바람직하게는 2 이상의 가이드 돌기(133b)가 대칭적으로 형성됨으로써 축방향 이동을 효과적으로 보조할 수 있도록 구성한다. 예를 들어, 도 4a에서와 같이, 4개의 가이드 돌기(133b)가 등간격을 이루며 볼 리테이너(133)의 외측에 형성될 수 있다. 이 경우, 이러한 볼 리테이너(133)의 가이드 돌기(133b)에 대응하여, 너트부재(131)에는 도 3에서와 같이 가이드 돌기를 위한 너트부재의 홈(131e)이 형성된다.
한편, 도 4c에서와 같이 축방향 이동을 보조하기 위하여 볼 리테이너(133) 외측 둘레면에 홈(133c)이 형성될 수 있으며, 이 경우에는 너트부재(131)의 내측면 상에 가이드 돌기가 축방향을 따라 길게 형성되어야 한다. 이러한 구조는 도 3 및 도 4a의 구조에 비하여, 홈과 돌기가 반대로 위치한다는 점을 제외하고는 동일하다.
도 4d는 볼 리테이너에 대한 또 다른 실시예로, 도 4d의 예에서는 스프링 부재가 볼 리테이너(133) 내부에 수납되면서 지지되는 한편, 볼 리테이너(133)의 외측 둘레가 밴드 형태와 같이 비교적 넓은 면적을 가지는 실린더 형상을 가지는 예이다. 이러한 예에서는 볼 리테이너(133)에는 홈이나 돌기와 같은 축 방향 이동을 보조하기 위한 구성은 제공되지 않으며, 단지 볼 리테이너(133)의 외측 둘레면이 너트 부재(131)의 내측면에 습동하면서 이동하게 된다.
리테이너 홈은 볼 스크루의 볼을 임시로 수납할 수 있도록 구성되는 것으로, 바람직하게는, 리테이너 홈의 내경은 너트 부재의 가이드 홈(131a)의 내경에 대응되도록 설정된다.
또한, 후술하듯이, 내부에 삽입되는 볼은 초기 상태를 기준으로 볼 리테이너(133)와 비접촉 상태를 유지할 수 있도록 세팅된다. 따라서, 볼 스크루의 최후단 볼과 볼 리테이너(133)는 비접촉 상태에서 스크루 회전에 따른 너트 병진 운동이 실시되며, 이를 통해 볼들이 비접촉 상태를 유지하면서 너트부재(131) 이동이 이루어질 수 있으며, 구동유닛의 효율이 향상된다. 또한, 도 2 및 도 3에서와 같이, 지지홈(131b)의 일측단부에는 지지단부(131c)가 형성되며, 스프링 부재(135)는 초기장착력(스프링 부재가 압축된 초기 상태를 가지기 위해 필요한 힘)을 가지도록 상기 지지단부(131c)에 의해 압축 지지되는 것이 바람직하다. 이와 같이 스프링 부재(135)에 초기장착력을 부여할 경우, 초기장착력으로 인해 제동이 해제되더라도 볼과 볼 리테이너(133)의 비접촉 상태를 유지할 수 있게 된다.
도 5a 내지 도 5d는 스크루와 너트의 이동을 도시하고 있는 것이고, 도 6a 내지 도 6d는 도 5a 내지 도 5d에 대응되는 상황에서 볼 리테이너(133)에 대한 볼의 움직임을 도시하고 있는 것이다.
본 구현예에서는 볼과 볼 리테이너(133)는 비접촉하도록 초기 설정이 세팅되어 있기 때문에, 볼 스크루의 동작이 시작되는 시점에서는 도 6a에서와 같이 볼과 볼 리테이너(133)가 접촉하지 않게 된다. 이 경우, 도 5a에서와 같이 디스크와 마찰패드는 비접촉 상태이고, 너트부재(131)는 전방으로 이동을 시작하게 된다.
도 5b는 제동 가압 중을 도시한 것으로, 제동 가압 중에는 디스크와 마찰패드가 접촉하면서 제동이 실시된다. 제동 가압 중에는 도 6b에서와 같이 제동 반력에 의해 볼이 후방으로 이동하면서 볼 리테이너(133)와 접촉을 시작한다.
도 5c는 제동 가압이 지속됨에 따라 패드 마모가 일어나는 상태로, 이 때는 도 5c에서와 같이 볼이 후방으로 이동하면서 볼 리테이너(133)의 리테이너 홈(133a) 측으로 완전히 이동하게 되고, 볼 리테이너(133)의 리테이너 홈(133a) 측을 가압하면서 스프링 부재를 압축하게 된다.
이후, 제동이 종료되면, 스크루의 회전에 따라 너트부재(131) 및 피스톤(124)은 후방으로 이동하게 된다. 도 5d는 제동 후를 도시한 것으로, 본 구현예에서는 제동 후에 스프링 부재(135)의 복원력에 의하여 마찰패드의 마모량만큼 피스톤(124) 및 너트가 전진하게 된다.
도 7a 내지 도 7f에서는 본 구현예에 따른 볼 스크루의 작동 메커니즘을 보다 상세하게 설명하고 있다.
먼저, 도 7a는 볼 리테이너(133) 접촉 전의 상태로 도 5a 및 도6a와 같은 상태이다. 각 볼들은 서로 비접촉 상태이며, 볼 간의 습동 저항이 없는 상태이다.
이 후, 마찰패드와 디스크가 접촉하여 제동 가압이 이루어지는 상황에서는, 도 7b에서와 같이, 볼은 너트 및 스크루와의 관계에서 마찰력이 형성되면서, 볼과 너트 간의 상대 움직임이 발생하게 된다. 이후, 도 7c에서와 같이, 볼과 볼 리테이너(133) 간의 간극이 사라지며 스프링 부재(135)의 압축이 시작된다.
한편, 제동이 해제되는 경우, 초기에는 볼의 마찰력이 스프링의 복원력 보다 큰 상태이기 때문에, 도 7d에서와 같이 볼이 이동함에 따라 볼이 이동한 거리만큼 스프링 이완이 발생한다.
반면, 도 8b에서와 같이, 마찰 패드 마모 시 볼과 너트 간의 마찰력 감소가 일어나고, 이로 인해 제동 해제가 진행됨에 따라, 볼의 마찰력이 스프링의 복원력 보다 작아지게 된다. 이러한 상태는 도 7e에 나타나 있으며, 스프링의 복원력이 볼의 마찰력 보다 더 큰 상태이기 때문에, 스프링 이완 중 볼 리테이너(133)가 볼을 밀면서 마모 보상이 이루어지게 된다. 따라서, 본 구현예에서는 볼 리테이너(133)에 장착된 스프링 부재(135)의 복원력에 의해 마찰패드의 마모량이 보상될 수 있다.
이와 관련, 도 8a는 제동 전 볼-너트 마찰력 및 스프링 부재의 힘을 스크루 회전각에 따라 도시한 것이고, 도 8b는 마찰패드의 마모가 발생한 상태에서 볼 마찰력 및 스프링 부재의 힘이 변화하는 것을 도시한 것이다. 특히, 도 8a 및 도 8b는 스프링 부재(135)에 초기장착력이 세팅된 예이고, 이와 같은 예에서는 너트부재(131)의 지지단부(131c)가 볼 리테이너(133)의 이동을 구속하기 시작한 시점에서(즉, 초기장착력으로 인해 완전한 힘의 평형 상태에 이르기 전으로, 도 8b의 녹색 실선과 청색 실선이 교차하는 지점), 너트부재(131)의 추가 이동이 가능하다. 따라서, 제동 해제 시, 볼 리테이너(133)가 정지한 이후에도 볼이 이동하게 되므로, 볼과 볼 리테이너(133) 간의 간극이 유지될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
1 : 디스크
100 : 전동식 브레이크 120 : 캘리퍼 하우징
121, 122 : 마찰패드 123 : 실린더
124 : 피스톤 124a : 가압단부
125 : 중공부 126 : 핑거부
131 : 너트부재 131a : 가이드 홈
131b : 지지홈 131c : 지지단부
131d : 헤드부 132 : 스크루
131e : 너트부재의 홈
133 : 볼 리테이너 133a : 리테이너 홈
131b : 볼 리테이너의 가이드 돌기 133c : 볼 리테이너의 홈
135: 스프링 부재 140 : 전기모터
141 : 기어 조립체

Claims (12)

  1. 마찰패드를 가압할 수 있는 피스톤과 상기 피스톤을 이동시키기 위한 동력을 제공하는 구동유닛을 포함하는 전동식 브레이크에 있어서,
    상기 구동유닛은,
    상기 피스톤에 결합되어 축방향 이동력을 피스톤에 전달할 수 있도록 구성된 너트부재;
    너트부재에 결합되어 회전 시 너트부재를 축방향 이동시키는 스크루;
    상기 너트부재와 상기 스크루 사이에 삽입되어 상기 스크루의 회전력을 상기 너트부재로 전달하는 다수의 볼들;
    상기 너트부재에 장착되는 압축 코일 스프링;
    상기 압축 코일 스프링의 타측에 장착되는 볼 리테이너;를 포함하며,
    상기 볼 리테이너는 상기 너트부재와 상기 스크루 사이에 삽입되는 볼들 중 최후단 볼에 인접하게 설치되고, 제동 가압 시 볼과 접촉하면서 상기 압축 코일 스프링을 가압할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 너트부재의 일측단부에는 피스톤의 내측단부를 가압할 수 있도록 형성된 헤드부가 형성되고, 상기 너트부재의 타측단부에는 상기 볼 리테이너 및 상기 압축 코일 스프링을 수용하기 위한 지지홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 지지홈에는 상기 볼 리테이너가 볼을 향해 이동하는 것을 구속하기 위한 지지단부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압축 코일 스프링은 초기장착력을 가지도록 압축 상태로 상기 지지단부 상에 구속되게 설치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼 리테이너는 제동 가압 전에는 볼과 간극을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제동 해제 후에도 상기 볼 리테이너는 볼과 간극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼 리테이너의 내측면에는 상기 볼들을 수용할 수 있도록 리테이너 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼 리테이너의 외측 둘레면에는 적어도 하나의 가이드 돌기가 형성되며, 상기 너트부재에는 상기 가이드 돌기의 축방향 이동을 안내할 수 있도록 축방향 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 너트부재의 내측면에는 적어도 하나의 가이드 돌기가 형성되며, 상기 가이드 돌기를 따라 축방향으로 상기 볼 리테이너가 안내될 수 있도록 상기 볼 리테이너의 외측 둘레면에는 축방향 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 볼 리테이너는 상기 너트부재의 내측면을 따라 축방향으로 이동가능한 실린더 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 리테이너 홈은 내측으로 굴곡진 곡면 또는 일정한 경사를 가지는 경사면을 가지는 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 너트부재는 상기 다수의 볼이 이동하기 위한 가이드 홈을 가지며,
    상기 리테이너 홈의 내경은 상기 가이드 홈의 내경과 동일한 것을 특징으로 하는 전동식 브레이크.
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