KR20150011343A

KR20150011343A - 브레이크들을 위한 맞춰진 마찰

Info

Publication number: KR20150011343A
Application number: KR1020147029277A
Authority: KR
Inventors: 타하니 이브라힘 엘-워대니; 웨이드 알. 슈미트; 시아오동 루오; 앤쏘니 쿠니; 존 티. 피츠
Original assignee: 오티스엘리베이터캄파니
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2015-01-30
Also published as: IN2014DN08953A; GB2516596A; GB201421118D0; CN104271485A; WO2013165339A1; US20150083533A1; GB2516596B

Abstract

마찰 물질을 포함하는 브레이크 요소가 제공된다. 마찰 물질은 복수의 섬유들을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 포함한다. 복수의 섬유들은 제동 방향에 일정 각도로 배치된다.

Description

브레이크들을 위한 맞춰진 마찰{Customized friction for brakes}

예시적인 실시예들은 일반적으로 예를 들어, 과속 상태에서, 엘리베이터 카(elevator car) 또는 균형 추(counterweight)를 감속 및/또는 정지시키는데 사용된 것과 같은 제동(braking) 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 실시예들은 복합 마찰 표면을 갖는 엘리베이터 안전 브레이크 시스템에 관한 것이다.

기존의 안전 제동 시스템은 엘리베이터 카에 부착되고, 실질적으로 평평하거나 그루브형(grooved) 마찰 표면을 갖는 한 쌍의 웨지-형태(wedge-shaped)의 브레이크 슈들(brake shoes)을 포함한다. 이들 마찰 표면들은 엘리베이터 승강로 벽 상에 지지된 T-형태의 가이드 레일의 스템 부분의 대향 측부들 상에 통상적으로 위치된다. 이들 웨지-형태의 브레이크 슈들은 가버너 메커니즘(governor mechanism)에 의해 작동되는데, 이러한 가버너 메커니즘은 인접한 가이드 슈 조립체를 따라 웨지-형태의 브레이크 슈들에 힘을 가하고, 이러한 인접한 가이드 슈 조립체는 다시 브레이크 슈들의 마찰 표면들에 힘을 가하여, 차를 감속 또는 정지시키기 위해 가이드 레일과 접촉한다.

매우 고층 빌딩들이 건설될 때, 고속 및 고 부하의 엘리베이터들은 그러한 빌딩들에서 다수의 층들을 편리하게 하기 위해(service) 필요하게 되었다. 그러한 엘리베이터들의 안전 제동 요건들은 점점 더 요구되어 왔다. 종래의 주철은 슬라이딩 동안 과도한 열 생성으로 인해 그러한 현대의 엘리베이터 시스템들에 의해 요구된 고속 및 고 부하에서 일정한 마찰 물질로서 바람직하지 않다. 이에 따라, 종래의 주철은 높은 마찰 가열에 의해 야기된 마찰 계수의 불안정성 및 과도한 마모와 같은 문제점들을 가질 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따라, 마찰 물질을 포함하는 브레이크 요소가 제공된다. 마찰 물질은 복수의 섬유들을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 포함한다. 복수의 섬유들은 제동 방향에 일정 각도로 배치된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 브레이크 요소는, 복수의 섬유들이 약 90도의 각도에 있을 때 0.3보다 큰 마찰 계수를 갖는다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 브레이크 요소는 브레이크 슈 상의 삽입부(insert)이다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 브레이크 요소는 하나 이상의 다른 브레이크 요소들과 조합하여 사용된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 브레이크 요소들 중 하나는 다른 브레이크 요소와 상이한 길이 또는 폭을 갖는다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 하나 이상의 브레이크 요소들은 균일하고 동일한 두께를 갖는다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 마찰 물질은 브레이크 슈의 표면에 기계적으로 부착된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 마찰 물질은 브레이크 슈의 표면에 화학적으로 부착된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질은 실리콘 카바이드 상(silicon carbide phase), 실리콘 옥시카바이드 상(silicon oxycarbide phase), 및/또는 탄소 상(carbon phase)의 매트릭스 상(matrix phase)을 포함한다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질은 실리콘 카바이드 및/또는 탄소의 강화 상(reinforcement phase)을 포함한다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 브레이크 요소는 엘리베이터 카 또는 균형 추를 정지시키기 위한 엘리베이터 안전 브레이크 시스템의 부분이다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따라, 브레이크 요소를 제작하는 방법이 제공되고, 마찰 물질을 제공하는 단계를 포함한다. 마찰 물질은 복수의 섬유들을 갖는 폴리머 계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 포함한다. 복수의 섬유들은 제동 방향에 일정 각도로 배치된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질은 실리콘 카바이드 상, 실리콘 옥시카바이드 상, 및/또는 탄소 상의 매트릭스 상을 포함한다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 마찰 물질은 제 1 표면 상의 삽입부이다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질은 실리콘 카바이드 및/또는 탄소의 강화 상을 포함한다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 복수의 섬유들은, 마찰 물질이 원하는 마찰 계수를 제공하도록 하는 각도를 선택함으로써 배치된다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 각도는 90도이다.

대안적으로, 본 발명의 이러한 또는 다른 양상들에서, 바람직한 마찰 계수는 0.3 이상이다.

본 발명으로서 간주된 주제는 특히 본 명세서의 결론에서 청구항들에 지시되고 별개로 청구된다. 본 발명의 이전 및 다른 특징들, 및 장점들의 실시예들은 첨부도들과 연계하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 명백해진다.

도 1은 승강로에서 기계의 적은 공간의 엘리베이터 시스템의 단면도.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 엘리베이터 브레이크 슈의 측면도.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 예시적인 엘리베이터 브레이크 슈들의 정면도.

상세한 설명은 첨부도들을 참조하여 예로서 장점들 및 특징들과 함께 본 발명의 실시예들을 설명한다.

이제 도 1을 참조하면, 엘리베이터 안전 브레이크 시스템(10)의 간략한 개략도가 도시된다. 브레이크 시스템(10)은 한 쌍의 엑추에이터들(actuators)(20)을 포함하고, 한 쌍의 엑추에이터들(20)은 엘리베이터 승강로(미도시)에 지지된 가이드 레일(14)의 대향 측부들 상에서 엘리베이터 카(12)에 부착된다. 각 엑추에이터(20)는 가이드 레일(14)에 일반적으로 수직 방향으로 하우징(22) 내에서 이동가능한 웨지-형태의 가이드 슈(26)를 포함한다. 가이드 슈(26)는 코일 스프링(24)에 의해 가이드 레일(14) 방향으로 편향된다. 가이드 레일(14)을 향하는 가이드 슈(26)의 표면(28)은 경사진다. 엑추에이터(20)는 가이드 슈(26)의 경사진 표면(28)에 상보적인 유사한 경사진 표면(32)을 갖는 웨지-형태의 브레이크 슈(30)를 더 포함한다. 브레이크 슈(30)는 또한 표면(34)을 구비하고, 이러한 표면(34)은 경사진 표면(32)에 마주보고, 가이드 레일(14)을 향한다. 브레이크 슈(30)는 가이드 슈(26)와 가이드 레일(14) 사이에 위치된다. 높은 마찰 물질을 갖는 브레이크 패드(36)는 가이드 레일(14)을 향하는 브레이크 슈(30)의 표면(34)에 부착된다. 복수의 롤러들(40)은 가이드 슈(26)의 경사진 표면(28)과 브레이크 슈(30)의 상보적인 경사진 표면(32) 사이에 위치된다. 롤러들(40)은 각각 가이드 슈(26) 및 브레이크 슈(30)의 인접한 경사진 표면들(28, 32) 사이에 낮은 마찰 접촉을 제공한다. 스프링(24)에 의해 편향된 가이드 슈(26)는 롤러들(40)을 통해 브레이크 슈들(30) 상에서 가이드 레일(14)의 방향으로 법선력(normal force)(F2)을 인가한다.

브레이크 시스템(10)의 인가가 바람직한 응급 상황에서, 엘리베이터 카의 방향으로의 힘(F1)은 브레이크 슈들(30)의 바닥에 인가되어, 이들 브레이크 슈들(30)이 엘리베이터 카(12)로 이동하도록 한다. 일 실시예에서, 이러한 힘은 가버너(미도시)에 연결된 로프, 케이블, 또는 기계적 링크 장치에 의해 인가될 수 있다. 가이드 슈들(26) 및 브레이크 슈들(30)의 경사진 표면들(28, 32)은, 브레이크 패드(36)가 가이드 레일(14)의 표면과 접촉할 때까지 브레이크 슈들(30)이 레일 방향으로 이동하도록 한다. 당업자가 인식하는 바와 같이, 브레이크 패드(36)는 스프링(24)에 의해 공급된 법선력(F2)으로 레일(14)에 붙여진다. 브레이크 슈(30)에 의해 가이드 레일(14)에 인가된 제동력의 양은 브레이크 패드(36)에 사용된 높은 마찰 물질과 레일(14)의 물질 사이의 마찰 계수에 실질적으로 정비례한다. 제동이 발생할 때, 브레이크 패드(36)에서 생성된 열은 브레이크 패드(36)와 레일(14) 사이의 마찰 계수에 악영향을 준다. 과도한 열 아래에서, 높은 마찰 물질의 경도(hardness) 및 변형에서의 상당한 감소가 발생할 수 있어서, 궁극적으로 브레이크 장애를 초래한다. 이전 출원들에서, 마찰 표면을 제공하기 위해 브레이크 시스템(10)에 사용된 브레이크 패드(36)는 회색 주철로 형성되었다. 저속, 낮은 부하의 상태에 적합한 회색 주철은 고속 및 높은 부하 상태들에서 일정한 마찰 물질로서 동작할 수 없다. 다른 출원들에서, 더 높은 비용의 물질들은, 더 높은 부하를 갖고 더 높은 속도에서 진행하는 엘리베이터 시스템들을 위한 삽입부들로서 사용된다. 전술한 엘리베이터 안전 브레이크 시스템(10)은 예시적이고, 다른 안전 브레이크 시스템들은 본 발명의 범주 내에서 고려된다. 더욱이, 안전 브레이크 시스템(10)은 엘리베이터 시스템의 균형 추 상에서 추가로 또는 대안적으로 사용될 수 있다.

이제 도 2를 참조하면, 예시적인 브레이크 슈(30)가 도시된다. 일실시예에서, 레일(14)(도 1)을 향하는 브레이크 슈(30)의 표면(34)에 부착된 브레이크 패드 또는 마찰 물질 삽입부(36)의 적어도 일부분은 세라믹 매트릭스 복합재(ceramic matrix composite, 이하 CMC)를 포함한다. 예시적인 CMC는 예를 들어 스타파이어 시스템들(Starfire Systems)에 의해 제조된 폴리머-세라믹 복합재[(PTCC)^TM] 물질과 같은 폴리머-계의 탄소-세라믹 복합 마찰 물질을 포함한다. CMC의 마찰 계수는 일반적으로 약 0.15 내지 약 0.5의 범위에 있다. CMC의 마찰 특성들은 매트릭스의 구성을 조정함으로써 변경될 수 있다. 일실시예에서, CMC의 매트릭스 상은 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 옥시카바이드(SiOC), 및/또는 탄소(C) 계의 상들을 포함하고, 및/또는 CMC의 강화 상은 실리콘 카바이드(SiC) 및/또는 탄소(C)를 포함한다.

CMC 물질의 마찰 계수는 또한 예를 들어, 매트릭스 내에서, 탄소 섬유들과 같은 섬유들의 배향(orientation)에 의해 영향을 받는다. 실험 결과들은, 섬유 배향의 각도와 슬라이딩 방향 사이에 비선형 관계가 존재한다는 것을 나타낸다. 마찰 물질 삽입부(36)가 레일(14)과 슬라이딩 맞물림 상태에 있을 때, 접착, 가소성 변형, 주름짐(plowing), 및/또는 절단을 포함하는 다수의 마찰 메커니즘들이 존재할 수 있다. 섬유들의 방향은, 이들 슬라이딩 메커니즘들 중 얼마나 발생하는지와, 이들 메커니즘들의 크기(magnitude)를 제어할 것이다. 예를 들어, 섬유들이 화살표 (A) 방향으로 표시된 슬라이딩 방향에 평행할 때, 이들 마찰 메커니즘들의 단지 일부만이 적용되고, 마찰 계수는 최소화된다. 하지만, 섬유들이 도 2에 도시된 바와 같이, 슬라이딩 방향에 수직으로 위치될 때, 더 많은 마찰 메커니즘들이 존재하고, CMC의 마찰 계수는 최대화된다. 중간 배향(예를 들어, 슬라이딩 방향에 30도로 배치된 섬유들)은 수직 배향과 동일한 마찰 메커니즘들을 갖지만, 수직 배향보다 더 낮은(평행한 배향보다 더 큰) 마찰 계수를 제공한다. 그러므로, 예를 들어 0.3 이상과 같이 더 큰 마찰 계수가 바람직하면, 섬유들은 슬라이딩 방향에 일정 각도(최대 수직)로 배치되어야 한다. 일실시예에서, 매트릭스에서의 섬유들의 배향은, 일반적으로 일정한 마찰 계수를 유지하고 일정한 마모를 보장하기 위해 레일(14)과 접촉하는 표면이 아니라, CMC의 전체 두께에 걸쳐 제어된다.

마찰 물질 삽입부(36)의 두께는 일정할 수 있고, 안전 브레이크 시스템(10)의 동작 동안 변형을 방지할 정도로 충분히 커야 한다. 일실시예에서, 마찰 물질 삽입부(36)의 두께는 약 0.25 인치 이상이다. 이제 도 3a를 참조하면, 예시된 마찰 물질 삽입부(36)는 단일의 CMC 삽입부(38)로 구성될 수 있다. 대안적으로, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 마찰 물질 삽입부(36)는 임의의 수의 CMC 삽입부들(38)로 구성될 수있다. 브레이크 슈(30)의 표면(34)에 부착된 복수의 CMC 삽입부들(38)은 동일할 수 있거나, 대안적으로, 각 CMC 삽입부는 상이한 길이, 폭 및 두께를 가질 수 있다. 각 CMC 삽입부(38)의 치수들은 계산된 접촉 압력, 접촉 영역, 접촉 전단 응력 및 마찰력으로부터 결정될 수 있다. 브레이크 슈(30)에 부착된 모든 CMC 삽입부들(38)은 복수의 삽입부들 양단의 동일한 마모를 촉진시키기 위해 균일한 두께를 가질 수 있다. 일실시예에서, CMC 삽입부들(38)은 브레이크 슈(30)의 전체 레일을 향하는 표면(34)을 커버한다. 대안적으로, CMC 삽입부들(38)은 레일(14)을 향하는 브레이크 슈들(30)의 표면(34)의 일부분만을 커버할 수 있다. CMC 삽입부들(38)이 커버할 필요가 있는 표면(34)의 양은 CMC 삽입부들(38)과 레일(14) 사이의 접촉 압력과, 또한 시스템에서의 소실된 에너지에 따라 좌우된다. 일실시예에서, 접촉 압력은 엘리베이터의 속도 및 진행 속도(trip speed)의 손실의 함수로서 추정된다.

CMC 삽입부들(38)은 알려진 기계적 또는 화학적 방법들을 이용하여 브레이크 슈(30)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 삽입부들(38)은 직접 기계적 패스너(50)를 통해 브레이크 슈에 부착될 수 있거나, 대안적으로 땜납 물질 표면(미도시)에 의해 브레이크 슈(30)에 부착될 수 있다. 본 발명에 사용될 수 있는 땜납 물질은 분말 또는 포일 형태로 3개 이상의 금속들을 함유하는 낮은 용융 합금을 포함한다. 땜납 합금은 CMC 삽입부들(38) 및 브레이크 슈(30)를 습식으로 할 능력과, 브레이크의 동작 상태들을 견딜 수 있는 능력에 기초하여 선택될 수 있다. 대안적으로, 접착제와 같은 화학적 방법들은 CMC 삽입부들(38) 및 브레이크 슈(30)를 부착하는데 사용될 수 있다. 접착제는 예를 들어 내열성 실리콘과 같은 내열성 고무형 물질일 수 있다. CMC 삽입부들이 종래의 높은 마찰 물질들과 유사한 방식으로 브레이크 슈(30)에 부착되기 때문에, CMC 삽입부들(38)은 이전에 존재하는 브레이크 슈들(30)을 갖는 개정 및 현대화 응용들에 사용될 수 있다.

레일(14)을 향하는 브레이크 슈(30)의 표면(34) 상의 CMC 삽입부들(38)을 이용함으로써, 안전 시스템(10)의 내구성 및 성능이 개선된다. CMC 삽입부들은 넓은 온도 범위에 걸쳐 고온 안정성 및 안정된 마찰 성능을 가져, 이들 CMC 삽입부들을 최대 약 20m/s의 속도를 갖는 엘리베이터 응용들에 대한 종래의 높은 마찰 물질들보다 더 양호하게 만든다. CMC 삽입부들은 생성된 열의 빠른 소실을 추가로 허용하는 적절한 물질들 및 처리 방법들을 선택함으로써 안정된 마찰 계수를 갖도록 맞춰질 수 있다. 안전 브레이크 시스템(10)의 효율을 개선함으로써, 브레이크 슈들(30)은 현재 시스템들에 비해 크기 면에서 감소될 수 있다. 더욱이, CMC 삽입부들(38)을 이용함으로써, 안전 브레이크 시스템(10)의 제조비 및 교체비가 감소된다.

본 발명이 한정된 수의 실시예들과 연계하여 구체적으로 설명되었지만, 본 발명이 그러한 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 쉽게 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 이전에 설명되지 않지만, 본 발명의 사상 및 범주에 상응하는 임의의 수의 변동들, 변경들, 교체들 또는 동등한 장치들(arrangements)을 병합하도록 변형될 수 있다. 추가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 양상들이 설명된 실시예들의 일부만을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 이전 설명에 의해 한정되는 것으로 볼 수 없고, 첨부된 청구항들의 범주에 의해서만 한정된다.

Claims

브레이크 요소로서,
복수의 섬유들을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 포함하는 마찰 물질을 포함하고,
상기 복수의 섬유들은 제동 방향에 일정 각도로 배치되는, 브레이크 요소.
청구항 1에 있어서, 상기 브레이크 요소는 약 0.3 이상의 마찰 계수를 갖고, 상기 복수의 섬유들의 각도는 약 90도인, 브레이크 요소.
청구항 1에 있어서, 상기 브레이크 요소는 브레이크 슈(brake shoe) 상의 삽입부(insert)인, 브레이크 요소.
청구항 3에 있어서, 하나 이상의 브레이크 요소들과 조합되는, 브레이크 요소.
청구항 4에 있어서, 상기 브레이크 요소들 중 적어도 하나는 다른 브레이크 요소와 상이한 길이 및/또는 폭을 갖는, 브레이크 요소.
청구항 4에 있어서, 상기 하나 이상의 브레이크 요소들은 균일하고 일정한 두께를 갖는, 브레이크 요소.
청구항 3에 있어서, 상기 마찰 물질은 브레이크 슈의 제 1 표면에 기계적으로 부착되는, 브레이크 요소.
청구항 3에 있어서, 상기 마찰 물질은 브레이크 슈의 제 1 표면에 화학적으로 부착되는, 브레이크 요소.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질은 실리콘 카바이드 상(silicon carbide phase), 실리콘 옥시카바이드 상(silicon oxycarbide phase), 및/또는 탄소 상(carbon phase)의 매트릭스 상(matrix phase)을 포함하는, 브레이크 요소.
청구항 1에 있어서, 상기 폴리머-계의 세라믹 매트릭스는 실리콘 카바이드 및/또는 탄소의 강화 상(reinforcement phase)을 포함하는, 브레이크 요소.
청구항 1에 있어서, 상기 브레이크 요소는 엘리베이터 카(elevator car) 또는 균형 추(counterweight)를 정지시키기 위한 엘리베이터 안전 브레이크 시스템의 부분인, 브레이크 요소.
브레이크 요소를 제작하는 방법으로서,
복수의 섬유들을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 포함하는 마찰 물질을 제공하는 단계와;
제동 방향에 일정 각도로 상기 복수의 섬유들을 배치하는 단계를
포함하는, 브레이크 요소를 제작하는 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 제공 단계는 실리콘 카바이드 상, 실리콘 옥시카바이드 상, 및/또는 탄소 상의 매트릭스 상을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 브레이크 요소를 제작하는 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 제공 단계는 실리콘 카바이드 및/또는 탄소의 강화 상을 갖는 폴리머-계의 세라믹 매트릭스 복합 물질을 제공하는 단계를 포함하는, 브레이크 요소를 제작하는 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 배치 단계는, 상기 마찰 물질이 원하는 마찰 계수를 제공하도록 하는 상기 각도를 선택하는 단계를 포함하는, 브레이크 요소를 제작하는 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 각도는 약 90도인, 브레이크 요소를 제작하는 방법.
청구항 15에 있어서, 상기 원하는 마찰 계수는 약 0.3 이상인, 브레이크 요소를 제작하는 방법.