KR20080105170A - 액체 냉각식 디스크 브레이크 - Google Patents

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KR20080105170A
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로버트 윌리엄 톰슨
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키네티큐 리미티드
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Abstract

액체 냉각식 브레이크 디스크는 물 또는 기타 액체의 순환을 위한 내부 챔버(17)를 갖는 중심 고정식 알루미늄 냉각판과, 제동될 샤프트 상의 디스크에 의해서 지탱되는 종래 브레이크 마찰 재료에 의해서 접촉하기 위하여 플레이트의 대향측 상에 설치된 일련의 주철 섹터들(20)을 포함한다. 냉각판(14) 및 섹터들(20)은 얇은 에어 갭(20) 또는 다른 열 절연층에 의해서 분리된다. 사용할 때, 섹터들(20)은 비교적 짧은 주기에 대해서 제동에 의해서 발생된 열을 저장하는 충분한 열 수용 능력을 가지며, 상기 열은 그 후에 에어 갭의 전도성에 의해서 결정된 속도에서 비교적 긴 주기에 대해서 냉각제로 전달된다. 특히, 이러한 형태의 구성은 흡수되어서 냉각제의 체적 비등 없이 제동열을 발산시킬 수 있다.
Figure P1020087025617
마찰 재료, 디스크, 냉각 액체, 챔버, 열 전달 속도, 열 절연층

Description

액체 냉각식 디스크 브레이크{Liquid-cooled disc brakes}
본 발명은 디스크 브레이크에 관한 것이며, 특히 건식 마찰에 대한 내부 액체 냉각식 디스크 브레이크 및 이 브레이크에 대한 새로운 형태의 액체 냉각식 디스크에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디스크 통합형 브레이크는 다양한 차량 적용분야 또는 동력계(dynamometer)를 포함하는 다른 기계류에서 브레이크 축, 샤프트, 휠 등에 유용한 것으로 확인되었지만, 무장한 군사용 차량 또는 대형 상품 수송용 차량과 같은 고하중 차량에 특히 유용한 것으로 확인되었다. 하나의 접근방안은 WO 02/083483호 또는 WO 2006/021745호에 기재된 전투용 탱크, 불도저 또는 기타 스키드(skid) 조정 차량에 대한 구동 구성의 브레이크를 포함한다.
차량에 대해서 가장 일반적으로 사용되는 제동 시스템은 건식 마찰의 외부 공냉식 디스크 브레이크를 사용한다. 이러한 유형의 브레이크는 허용가능한 온도 상승을 갖는 제동 듀티 사이클(duty cycle)을 충족시키는데 필요한 에너지를 흡수하고 합리적인 시간 척도(scale)에서 제동에 의해서 발생된 열을 주위 공기를 분산시키기에 충분한 표면적을 구비하도록, 충분히 큰 브레이크 디스크를 가지는 지에 따라서 좌우된다. 디스크들이 휠 허브(wheel hub)에 설치되는 대부분의 도로 주행용 차량에는 브레이크가 필요한 성능을 충족시키는데 필요한 충분한 공간 및 공기 흐름이 제공된다. 그러나, 브레이크에 대해서 사용가능한 공간이 작고 예를 들어 브레이크가 차량 내부에 설치되어서 냉각을 위하여 사용가능한 공기 흐름이 불충분한 경우에, 외부 공냉식 브레이크는 필요한 성능을 제공할 수 없다. 브레이크와 같은 성능에 대한 주요 제한 사항은 달성할 수 있는 냉각 속도이다. 공기는 밀도가 낮고 디스크 표면에서 공기로의 열 전달 속도가 낮기 때문에 비교적 불량한 냉각 매체이다. 이러한 냉각 제한은 액체 냉각 방식을 사용하여 극복될 수 있다.
따라서, 일부 차량들은 습식 마찰 브레이크들을 사용한다. 이러한 유형의 브레이크는 냉각 오일이 순환 펌프에 의해서 공급되는 통상적으로 액슬 케이싱(axle casing) 또는 기어박스 내부에 설치된 마찰 재료 및 브레이크 디스크를 구비하고, 일반적으로 덤프 트럭과 같은 비포장 도로 차량에 사용된다. 습식 브레이크는 트랜스미션 케이싱 내에 수용되어서 외부 환경으로부터 잘 오염되지 않는 장점을 가진다. 그러나, 고속 적용에서 습식 브레이크는 디스크(들) 및 마찰 재료 사이의 오일의 점성 마찰로 인하여 제동되지 않을 때, 잠재적으로 큰 동력 손실이 있는 단점을 가진다. 이것은 단지 브레이크가 작동할 때에만 냉각 오일을 공급함으로써 극복할 수 있지만, 시스템의 복잡성이 증가한다. 다른 단점은 고성능의 차량에 대해서 브레이크 디스크 표면 온도가 사용된 오일의 작용 온도를 초과하여, 오일의 오염을 유발시킬 수 있다는 것이다. 또한, 임의의 브레이크 마모가 오일의 오염을 유발시키고, 이것은 트랜스미션의 베어링 및/또는 기어들을 윤활시키는 것이 요구될 수 있다.
건식 마찰 재료에 작용하는 내부 액체 냉각식 디스크를 포함하는 다른 유형 의 브레이크가 공지되어 있다. 보기가 미국 특허 US 5358077호에 제시되어 있고, 상기 미국 특허에는 일반적인 종래의 디스크 브레이크 구성에서 마찰 재료가 장착된 회전 디스크 및 관련 캘리퍼(callipers)가 있지만, 엔진 냉각 시스템으로부터의 물이 디스크 내에서 순환한다. 복수의 래디얼 튜브들은 디스크의 허브의 입구에서 디스크 내의 복수의 냉각 셀로 물을 취하고 가열된 액체 및/또는 증기는 디스크의 허브의 출구를 통해서 빠져나간다. 수냉식 디스크 자체는 단일 부재의 금속 케이싱, 양호하게는 실리콘 탄화물 입자들로 보강된 알루미늄이다. 디스크는 조립체의 회전 부품이지만, 이것은 냉각 액체를 디스크로 그리고 냉각 액체를 디스크로부터 운반하기 위하여 두개의 마찰 밀봉부(rubbing seals)를 갖는 회전식 조인트를 필요로 하지만, 이것은 잠재적인 누출 원인이 된다.
또다른 보기가 미국 특허 US 6491139호에 제시되어 있으며, 상기 미국 특허에는 제동될 샤프트에 의해서 지탱되는 마찰 재료로 커버된 회전 디스크의 각 측부에 하나씩 할당된 두개의 비회전식 내부 액체 냉각식 디스크와 제동력이 인가될 때 전체 조립체를 함께 체결하는 캘리퍼가 있다. 이것은 냉각식 디스크들이 필수적으로 고정되어 있으므로, 냉각제 입구 및 출구 파이프 연결부의 밀봉부를 단순화시켰다는 점에서 미국 특허 US5358077호의 조립체에 대해서 장점을 가진다.
사용할 때, 회전식 또는 고정식이든지, 상기 브레이크의 액체 냉각식 구조체들의 목적은 제동하는 동안 마찰에 의해서 발생된 열을 상기 디스크를 관통하여 흘러서 열을 라디에이터 등을 통하여 발산시키도록 열을 운반하는 물 또는 다른 액체로 전달한다. 여기서, 종래 기술의 디스크들은 통상적으로 제동력이 인가될 때, 상보적인 마찰 재료에 의해서 외측면에 접촉하고 유동 냉각제에 의해서 내측면에 접촉하는 단일 금속벽을 포함한다. 본 발명자들은 그러나 수 메가와트의 최대 제동력들을 포함할 수 있는 특히 무거운 차량의 액체 냉각식 브레이크 디스크의 성능에 가장 적합한 열적 특성들의 조합이 종래 기술의 디스크들에 의해서는 용이하게 달성될 수 없다는 것을 발견하였다.
다시 말해서, 제동할 때 마찰 재료에 의해서 접촉되는 디스크의 구조의 외면 부분이 과도한 표면 온도를 피하기 위하여 충분한 열 전도성을 갖는 것이 중요하다. 동시에, 디스크를 통한 냉각 액체로의 열 전달 속도가 너무 빠르면, 결과적으로 디스크 내에서 액체의 체적비등(bulk boiling)을 발생시켜서, 시스템의 과도한 압축 및 가능한 냉각제 손실을 유발할 수 있다.
상술한 배경에서, 본 발명의 일 형태는 액체 냉각식 브레이크 디스크에 있으며, 이 브레이크 디스크는 마찰 재료 또는 디스크가 회전하는 부재를 제동시키기 위하여, 상기 마찰 재료와 접촉하도록 구성된 외면을 포함하고, 제동하는 동안 발생된 열의 소정 열 흡수 용량 및 소정의 열 전도성을 갖는 제 1 부분; 냉각 액체의 순환을 위해 챔버를 형성하는 제 2 부분; 및 상기 제 1 부분에서 상기 냉각 액체로 열 전달 속도를 제어하기 위한, 상기 제 1 부분 및 제 2 부분 사이의 열 절연층을 포함한다.
본 발명에 따른 디스크를 사용하면, 개별적인 제동 시의 에너지는 비교적 짧은 주기(말하자면 5초)에 대해서 디스크의 제 1 (외부) 부분의 열로서 저장되어서 상기 열 절연층의 전도성에 따른 속도에서 비교적 긴 주기(말하자면 30초)에 대해서 냉각 액체로 열 발산될 수 있다. 이 과정에서, 디스크를 통과하는 단지 완만한 액체 유동 속도가 필요하고 외부 부분의 열 용량이 과도한 온도 상승 없이 제동 시의 열을 흡수하기에 충분하다면, 디스크 내의 액체 체적 비등의 가능성이 감소된다.
일 실시예에서, 디스크의 제 1 부분은 요구대로 작용하기 위하여 충분히 높은 열 전도성, 특정 열 용량 및 용융점을 갖는 사용가능한 제동 마찰 재료와 표면 접촉하도록 선택된 재료[예를 들어, 주철, 강 또는 알루미늄 금속 복합 재료(aluminium metal matrix composite)]이고, 냉각 액체의 순환을 위한 챔버를 형성하는 디스크의 제 2 부분은 냉각제에 대해서 부식 저항성 및 효율적인 열 전도성을 위해서 선택된 재료(예를 들어, 알루미늄 또는 스테인레스 강)이고, 이들 부분은 제 1 부분에서 제 2 부분으로 열 전달 속도를 조절하기 위하여, 얇은 열 절연층(예를 들어, 세라믹 디스크 또는 간단히 에어 갭)에 의해서 분리된다.
본 발명에 따른 디스크를 통과하여 순환하는 액체는 물 또는 예를 들어 오일일 수 있다. 물은 양호한 냉각제이지만, 오일은 높은 작동 온도까지 사용될 수 있다. 낮은 대기 온도 조건에서 작동하기 위하여, 물은 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜 또는 다른 종래의 항동결제와의 일정 비율로 사용되거나 또는 순수 글리콜이 매우 낮은 온도 성능에 대해서 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 형태는 상술한 적어도 하나의 액체 냉각식 브레이크 디스크를 포함하는 브레이크 조립체에 있으며, 상기 브레이크 조립체는 상기 브레이크 디스크(들)의 상기 외면 또는 각 상기 외면과 접촉하기 위한 적어도 하나의 마찰면을 구비한 하나 이상의 마찰 디스크들; 및 상기 마찰멸 또는 각 상기 마찰면(들) 및 상기 외면 또는 각 상기 외면(들) 사이의 접촉을 실행하는 수단을 포함한다.
상기 조립체의 양호한 실시예는 상기 챔버의 대향측 상에 배치된 각 상기 외면을 구비한 비회전식의 상기 냉체 냉각식 브레이크 디스크; 및 제동될 부재와 함께 회전할 수 있는 두개의 상기 마찰 디스크들로서, 하나의 마찰 디스크가 상기 비회전식 디스크의 각 측부에 배치된 두개의 상기 마찰 디스크들을 포함한다.
본원, 특히 첨부된 청구범위에 기재된 모호성을 피하기 위하여, 용어 "디스크"는 반드시 완전한 회전 몸체만을 함축하는 것이 아니라 본문에서 허용되는 하나 이상의 섹터 형태의 구조체를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 형태들은 첨부된 도면을 참조하여 보기를 통해서 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 브레이크 조립체가 사용될 수 있는 스키드 조정 차량에 대한 구동 구성의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 브레이크 조립체의 일 실시예의 도면.
도 3은 도 2의 조립체에 사용되는 본 발명에 따른 액체 냉각식 브레이크 디스크의 일 실시예의 도면.
도 4는 도 3의 브레이크 디스크의 측면도.
도 5는 도 4의 라인 V-V에 따른 단면도.
도 6 및 도 7은 상기 디스크의 두 보기에 대한 제동시의 시뮬레이션 온도 곡선을 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따른 브레이크 조립체 및 디스크들이 특히 유용한 것으로 확인되는 일 형태의 구동 구성을 도시하며, 상기 구성은 WO 02/083483호 또는 WO2006/021745호에 따른 스키드 조정 차량에 대한 트랙 구동 장치이다. 그러나, 본 발명은 내부 액체 냉각이 바람직할 수 있는 임의의 환경에서 액슬, 샤프트, 휠 등의 제동 시에 더욱 일반적으로 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1에서, 횡방향 구동 장치는 구동 샤프트(3a,3b)를 회전시키는 관련 기어 변속 유닛(2a,2b)을 갖는 두개의 전기 추진 모터(1a,1b)를 포함한다. 상기 유닛의 외장에는, 트랜스미션이 각 경우에 차량의 대향측에서 각 트랙 구동 스프로켓(6a,6b)으로 안내되는 차체 내에 모두 동봉된 최종 구동 기어 감속부(5a,5b) 및 브레이크(4a,4b)를 포함한다. 내장 구동 샤프트(3a,3b)는 WO 02/083483호 또는 WO2006/021745호에 기재된 차량의 조정 제어를 위하여 전기 조정 모터(8)에 의해서 구동되는 제어 차동장치(7)에 결합된다.
도 2는 회전가능한 샤프트(도시생략)를 제동시키기 위한, 본 발명에 따른 조립체의 일 실시예를 도시한다. 도 1에 있어서, 이러한 종류의 조립체는 각 구동 샤프트(3a,3b)에 작용하는 브레이크(4a,4b)로서 트랜스미션의 각 측부에 사용된다. 상기 조립체는 사용할 때 (차량에 대해서) 필수적으로 고정되어 있고 틈새를 가지고 제동될 샤프트를 둘러싸는 하기에 더욱 상세하게 기술되는 중심 복합 브레이크 디스크(9)를 포함하며, 약간 축방향으로 뜬 상태에서 디스크의 외부 플랜지(11)의 구멍(10)을 통해서 연장되는 고정 핀(도시생략)에 설치된다. 고정 디스크의 양 측부에는, 함께 회전하기 위하여 샤프트 상으로 각각 스플라인(spline)되고 디스크(9)의 대향 주요면에 인접한 종래 마찰 재료의 패드(12)의 각 세트를 지탱하는 한쌍의 회전 디스크가 있다. 패드(12)는 분리된 섹터 형태이지만, 다른 방안으로는 완전한 디스크 형태이다. 제동력이 인가될 때, 공동 계류중인 영국 특허 제 0620577.7호에 기재되고 제어 브레이크 디스크(13)를 포함하지만 그 상세 구성이 도 2에 다른 방식으로 도시되지 않은 액추에이터가 디스크 지지 패드(12)를 샤프트를 따라서 서로를 향하여 축방향으로 가압하므로, 패드들(12) 사이에 고정 디스크(9)를 체결하고 디스크(9)의 대향면 및 패드들(12) 사이의 마찰 접촉면에 의해서 샤프트를 제동시킨다.
특히 도 3 내지 도 5에 있어서, 디스크(9)는 두개의 알루미늄 디스크(15,16)로 구성된 중심 환형 냉각 플레이트(14)를 포함하고(도 5), 상기 두개의 알루미늄 디스크(15,16)는 입구(18) 및 출구(19)로부터 액체 냉각제의 순환을 위하여, 상기 디스크들 사이에 내부 챔버(17)를 형성한다(도 3에는 단지 입구 및 출구만 도시됨). 도시된 실시예에서, 입구 및 출구는 디스크를 가로질러 직경방향으로 대향하게 위치하고 냉각제는 상기 입구 및 출구 사이에서 챔버(17)의 각 반-원주방향 브랜치 를 통해서 개별 스트림으로 유동한다. 다른 방안으로, 각 단부에서 서로 인접하게 위치한 입구 및 출구를 갖는 단일 원주방향 챔버를 통과하여 흐르는 단일 방향의 냉각제 유동이 있을 수 있다. 사용할 때, 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각제는 디스크(9)로부터 냉각제에 의해서 흡수된 열이 방출하는 라디에이터 또는 열 교환기를 포함하는 폐쇄 회로를 통해서 펌프에 의하여 순환된다.
플레이트(14)의 각 측부에 대해서, 디스크(9)는 마찰 패드(12)에 의해서 접촉하는 디스크의 대향 외면을 집합적으로 한정하는 8개의 주철 섹터(20)의 조립체를 포함한다. 각 섹터(20)는 갈라짐(cracking) 없이 섹터들의 열 팽창을 허용하기 위하여, 각 섹터 및 그 인접부들 사이 및 각 핀과 섹터 사이의 틈새를 갖는 각 디스크(15,16)로부터 돌출하는 4개의 핀(21)에 설치된다. 관련 심(shim)들 또는 구성요소들의 단순한 표면 조도로 인해서 섹터들(20)의 각 세트 및 플레이트(4) 사이에 0.1mm 이하의 영역에서 작은 에어 갭(22)이 세팅된다(도 5).
디스크의 디자인은 개별 제동 시에 발생한 에너지는 먼저 주철 섹터(20)의 온도 상승으로서 저장되고 그 다음 장기간 주기에 걸쳐 플레이트(14)를 통하여 액체 냉각제로 완만하게 전달됨으로써 제거될 수 있도록 구성된다. 섹터(20)로부터 플레이트(14)로 그리고 냉각제로의 열 전달 속도는 열 전도성이 분리된 금속 요소들보다 낮은 에어 갭(22)을 개재함으로써 효과적으로 결정된다. 특히, 갭(22)의 두께는 챔버(17) 내의 액체 체적 비등이 피해지는 것을 보장하도록 세팅된다(단지, 디스크를 빠져 나오는 유동으로 거품이 응축된 상태에서 챔버벽의 표면에서 액체의 일부 비등이 허용될 수 있고 비정상적인 냉각제 유동 속도 없이 원하는 냉각 속도 를 촉진시킬 수 있다).
도 6 및 도 7은 도 3 내지 도 5를 참조하여 상술한 브레이크 디스크의 두개의 통상적인 보기에 대한 최대 제동 속도 영향의 시뮬레이션에서 얻어진 온도 곡선이다. 각각의 경우에, 상기 온도 곡선은 디스크 내의 여러 위치들, 말하자면, 주철 섹터(20)의 각 외면 및 내면과, 알루미늄 냉각 플레이트(14)의 각 외면 및 내면에서의 제동 적용 시로부터 1분 주기에 대한 온도 프로파일 및 챔버(17)로부터의 출구(19)의 냉각제 체적 온도를 나타낸다. 챔버(17) 내의 작용 압력에서 (물/프로필렌 글리콜 혼합물로 추정되는) 냉각제의 비등 온도는 150℃에서 점선으로 표시된다. 시뮬레이팅 조건들은 두 도면 사이에서 섹터들(20) 및 냉각 플레이트(14) 사이의 에어 갭(22)의 폭 만큼 제공된 열 절연의 유효 정도에서만 차이가 나고, 이것은 도 6(0.02mm 갭 폭) 보다 도 7(0.1mm의 갭 폭)에 대해서 더욱 크다.
상기 도면들에서, 각 경우에 주철 섹터들(20)이 제동력이 인가될 때, [외면에서 최대 약 700℃까지의] 초기 및 신속한 온도 상승을 겪게 되고, 열이 냉각 플레이트(14)를 통해서 유동 냉각제로 발산될 때 더욱 온도 감소가 뒤따르며, 대체로 디스크에 대한 냉각 속도는 도 6보다 도 7에서 더욱 느리다는 것을 명확하게 알 수 있다. 도 7에서, 냉각 플레이트(14)의 내면의 온도가 항상 냉각제의 비등 온도 밑에 있다는 것을 알 수 있다. 도 6에서는, 냉각 플레이트의 내면 온도는 주기(T)에 대한 냉각제 비등 온도 이상으로 상승하며, 이것은 비록 출구의 냉각제 체적 온도가 아직은 전체적으로 비등점 밑에 있다는 것을 알 수 있지만, 표면에서 일부 비등이 발생한다는 것을 의미한다.
비록 고정 액체 냉각식 디스크 및 회전 마찰 디스크들을 갖는 브레이크 조립체의 관점에서 기술하였지만, 본 발명의 범주 내에는 마찰 디스크(들)이 고정되고 액체 냉각식 디스크가 회전하는 것도 포함된다. 또한, 예시된 실시예는 액체 냉각식 디스크의 양 측부 상에 마찰 디스크들을 갖지만, 단지 하나의 마찰 디스크 및 하나의 액체 냉각식 디스크를 갖는 실시예도 가능하다. 제동력이 인가될 때, 전체적으로 함께 체결하기 위하여 액추에이터 및 마찰 디스크들이 교대되는 둘 이상의 액체 냉각식 디스크들을 갖는 실시예도 동일하게 가능하다.

Claims (8)

  1. 마찰 재료 또는 디스크가 회전하는 부재를 제동시키기 위하여, 상기 마찰 재료와 접촉하도록 구성된 외면을 포함하고, 제동하는 동안 발생된 열의 소정 열 흡수 용량 및 소정의 열 전도성을 갖는 제 1 부분;
    냉각 액체의 순환을 위해 챔버를 형성하는 제 2 부분; 및
    상기 제 1 부분에서 상기 냉각 액체로 열 전달 속도를 제어하기 위한, 상기 제 1 부분 및 제 2 부분 사이의 열 절연층을 포함하는, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 절연층은 에어 갭인, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 주철, 강 또는 알루미늄 금속 복합 재료인, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부분은 알루미늄 또는 스테인레스 강인, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 독립적인 열 팽창을 위하여 각각 자유롭게 설치된 복수의 섹터들로 구성되는, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부분의 대향측에 배치된 절연층 및 상기 제 1 부분들을 각각 포함하는, 액체 냉각식 브레이크 디스크.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 액체 냉각식 브레이크 디스크를 포함하는 브레이크 조립체로서,
    상기 브레이크 디스크(들)의 상기 외면 또는 각 상기 외면과 접촉하기 위한 적어도 하나의 마찰면을 구비한 하나 이상의 마찰 디스크들; 및
    상기 마찰면 또는 각 상기 마찰면(들) 및 상기 외면 또는 각 상기 외면(들) 사이의 접촉을 실행하는 수단을 포함하는 브레이크 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 챔버의 대향측 상에 배치된 각 상기 외면을 구비한 비회전식의 상기 냉체 냉각식 브레이크 디스크; 및
    제동될 부재와 함께 회전할 수 있는 두개의 상기 마찰 디스크들로서, 하나의 마찰 디스크가 상기 비회전식 디스크의 각 측부에 배치된 두개의 상기 마찰 디스크들을 포함하는 브레이크 조립체.
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