KR20190027055A

KR20190027055A - 브레이크 디스크 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190027055A
Application number: KR1020170113501A
Authority: KR
Inventors: 정민균; 한재민; 이윤주; 이병찬; 이재영; 김윤철
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-14
Also published as: CN109420748A; EP3450793B1; US20190072145A1; CN109420748B; US20210190158A1; KR102507224B1; EP3450793A1

Abstract

본 발명에 의한 브레이크 디스크 및 그 제조방법은, 마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크로서, 상기 브레이크 디스크의 마찰면을 원주 방향으로 분할된 복수 개의 영역으로 구분하여 각 영역의 표면에 형성된 공정셀의 단위면적당 개수의 평균이 300 ea/cm² 이하인 것을 특징으로 한다.

Description

브레이크 디스크 및 그 제조방법 {BRAKE DISK AND MANUFACTURING METHOD FOR THEREOF}

본 발명은 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마찰면이 주철 재질로 형성되어 있는 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주행 중인 자동차를 제동시키기 위해서 브레이크를 사용하면, 브레이크 토크(Brake Torque)가 증가하면서 자동차의 속도가 감소하게 된다.

그러나 제동시 증가된 브레이크 토크가 일정한 수준을 유지하지 않고 증감을 반복하는 진동이 발생하면, 이러한 진동이 탑승자에게까지 전달되는 제동시 떨림(저더, Judder) 현상이 발생하게 된다.

도 1에 저더 현상의 원인이 되는 제동시 브레이크 토크의 진동 현상이 도시되어 있다. 최대 브레이크 토크 진동(Brake Torque Vibration, BTV)은 브레이크 토크의 최대점 근처에서 브레이크 토크가 증감을 반복하는 구간의 최상단과 최하단의 높이 차이로 정의된다.

이러한 최대 BTV 값이 클수록 탑승자에게 전달되는 진동의 크기가 커지고, 저더 현상이 더 심해지게 된다. 따라서, 저더 현상을 감소시키기 위해서는 최대 BTV 값을 감소시켜야만 한다.

종래에 최대 BTV 값을 감소시키기 위해 일반적으로 고려하였던 인자들은, 브레이크 디스크의 형상, 열용량, 경도 편차, 부식 여부나, 마찰재의 재질 등이었다. 그러나 다른 조건이 거의 동일하더라도, 브레이크 디스크의 주조방안이 달라지면 최대 BTV 값이 크게 달라지는 경우가 있었다.

따라서, 브레이크 디스크에서 발생되는 최대 BTV 값을 감소시킬 수 있도록 일관적인 물성 기준을 갖는 브레이크 디스크와, 이를 제조하기 위한 방법이 요구되고 있는 실정이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2006-0040391 A (2006.05.10.)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 높은 BTV(Brake Torque Vibration)에 의한 저더 현상을 저감시킬 수 있는 브레이크 디스크 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크는, 마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크로서, 상기 브레이크 디스크의 마찰면을 원주 방향으로 분할된 복수 개의 영역으로 구분하여 각 영역의 표면에 형성된 공정셀의 단위면적당 개수의 평균이 300 ea/cm² 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 복수 개의 영역에 각각 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수의 편차가 60 ea/cm² 이하인 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크 제조방법은, 마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로서, 상기 브레이크 디스크를 주조하는 단계; 및 상기 브레이크 디스크의 마찰면에 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수가 300 ea/cm² 이하가 되도록 상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계;를 포함한다.

상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계는, 상기 브레이크 디스크의 주조 과정 중 두께 방향으로 수축하는 평균 수축률이 1.5% 미만일 경우 상기 마찰면의 편측을 2mm 이상, 3mm 미만 연마하는 것을 특징으로 한다.

상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계는, 상기 브레이크 디스크의 주조 과정 중 두께 방향으로 수축하는 평균 수축률이 1.5% 이상일 경우 상기 마찰면의 편측을 3mm 이상 연마하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 비교적 간단한 공정을 통해 최대 BTV를 감소시켜 저더 현상을 저감시킬 수 있다.

둘째, 저더 현상의 저감을 통해 탑승자에 대한 감성 품질을 향상시킬 수 있다.

셋째, 저배율로 관측 가능한 공정셀의 면적당 개수를 기준으로 저더 현상의 발생을 예측할 수 있다.

도 1은 제동시 브레이크 토크의 진동이 발생하는 모습을 나타낸 그래프,
도 2는 브레이크 디스크의 표면에 형성되어 있는 공정셀 조직을 나타낸 사진,
도 3 및 도 4는 공정셀의 크기에 따라 철 탄화물의 생성량이 달라지는 모습을 나타낸 도면,
도 5는 단위면적당 공정셀 개수에 따른 마찰 계수의 변화를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 브레이크 디스크의 마찰면을 복수 개의 영역으로 구분한 도면,
도 7은 다른 주조 방안에 따라 제조된 브레이크 디스크 샘플들의 마찰면 수축률이 달라지는 것을 나타낸 그래프,
도 8은 주조 방안 및 가공량이 다른 브레이크 디스크 샘플들의 마찰면에 형성된 공정셀의 개수를 측정한 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 브레이크 디스크 및 그 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 브레이크 디스크에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 브레이크 디스크는, 마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크로서, 브레이크 디스크의 마찰면을 원주 방향으로 분할된 복수 개의 영역으로 구분하여 각 영역의 표면에 형성된 공정셀의 단위면적당 개수의 평균이 300 ea/cm² 이하로 형성된다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 주철 재질의 브레이크 디스크(10)에는 공정셀(100)이 형성되어 있다. 공정셀(100)은 판상의 그라파이트(110)가 복수 개 뭉쳐 전체적으로 구체 형상과 유사하게 성장되고 그 사이 공간에 페라이트가 형성되어 있는 조직으로서, 그 경계에는 Fe₃C 등의 철 탄화물(200)이 형성된다.

공정셀(100)은 일반적인 주조 공정을 통해 제조되는 주철 재질에 흔히 나타나는 조직이지만, 이 공정셀(100)의 크기, 달리 말해 단위면적당 개수의 차이에 의해 마찰계수가 크게 달라지게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 공정셀(100)의 단위면적당 개수가 증가함에 따라 마찰계수가 점차 증가하는데, 공정셀(100)의 개수가 300 ea/cm²를 기준으로 마찰계수가 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 공정셀(100)의 단위면적당 개수가 300 ea/cm²보다 낮을 경우 마찰계수가 전체적으로 낮고 변동폭이 크지 않지만, 그보다 높을 경우 마찰계수가 급격하게 증가하면서 편차가 커지게 된다.

공정셀(100)의 단위면적당 개수가 적을 때, 즉 공정셀(100)의 크기가 클 때에는 그라파이트(110)가 크게 성장하면서 브레이크 디스크(10)의 마찰면에 더 많은 윤활필름을 형성하게 되고, 공정셀(100)의 경계에 형성되는 철 탄화물(200)의 개수 및 총 면적이 감소하면서 연삭 마모를 덜 유발하게 되기 때문에, 전체적인 마찰계수가 감소하게 되는 것이다.

반면 공정셀(100)의 단위면적당 개수가 많을 때, 즉 공정셀(100)의 크기가 작을 때에는 그라파이트(110)가 크게 성장하지 않으므로 브레이크 디스크(10)의 마찰면에 형성되는 윤활필름이 적어지고, 공정셀(100)의 경계에 형성되는 철 탄화물(200)의 개수 및 총 면적이 증가하면서 연삭 마모를 유발하기 때문에, 전체적인 마찰계수가 증가하게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 브레이크 디스크(10)의 둘레를 여러 영역으로 구분한 후 이 영역들에서 각각 측정된 공정셀 개수의 평균이 300 ea/cm² 이하일 경우 마찰계수가 최소화될 수 있다.

이에 더해서, 브레이크 디스크(10)의 각 영역별로 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수의 편차가 60 ea/cm² 이하인 것이 바람직하다.

브레이크 디스크(10)에 형성되어 있는 공정셀 개수의 평균값이 300 ea/cm² 이하이더라도, 위치별 편차가 크다면 마찰계수의 편차가 높아질 수 있다. 따라서, 마찰계수의 편차를 최소화시키기 위하여 브레이크 디스크(10)의 위치별 공정셀 개수의 편차를 60 ea/cm² 이하로 제한하는 것이다.

브레이크 디스크(10)의 위치별 마찰계수의 편차가 감소하면, 이에 따라 마찰계수의 편차에 의해 발생되는 최대 BTV 역시 감소될 수 있다. 이를 통해 궁극적으로 저더를 저감시켜 제동시 발생되는 진동을 최소화시킬 수 있는 것이다.

상술한 브레이크 디스크(10)의 재질은 일반적으로 브레이크 디스크의 마찰파트에 적용되는 주철 재질이라면 어떤 것이든 적용할 수 있으므로 구체적으로 한정하지 않지만, 예를 들어, FC200 등의 상용 재질을 사용할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 브레이크 디스크의 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 브레이크 디스크 제조방법은, 주철 재질의 브레이크 디스크를 주조하는 단계와, 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하여 브레이크 디스크의 마찰면에 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수를 300 ea/cm² 이하로 조절하는 단계를 포함한다.

주철재를 주조할 때, 금형과 직접적으로 맞닿는 외곽 부분은 비교적 냉각이 빠르고, 금형과 거리가 먼 중심 부분은 비교적 냉각이 느리다. 그라파이트의 성장 크기는 냉각 속도와 반비례하므로, 외곽 부분은 공정셀의 크기가 작아지고, 중심 부분은 공정셀의 크기가 커지게 된다.

공정셀의 크기는 공정셀의 단위면적당 개수에 반비례하므로, 주철재의 외곽에서 중심으로 갈수록 공정셀의 단위면적당 개수가 적어지게 되므로, 주철재의 브레이크 디스크의 마찰면을 연마하면 점차 마찰면에 노출되는 공정셀의 단위면적당 개수가 감소하게 된다.

따라서, 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마 가공하면, 공정셀의 단위면적당 개수가 300 ea/cm² 이하로 감소되면서 저더 현상을 저감시킬 수 있는 것이다.

브레이크 디스크의 두께 방향 연마 가공량은 여러 조건에 따라 달라질 수 있지만, 특히 주조 과정 중 두께 방향의 수축률에 따라 조절될 수 있다.

도 7에 두 종류의 주조 방안으로 주조된 동일한 형상의 두 브레이크 디스크 샘플의 두께 방향 수축률이 나타나 있다. 가로축의 숫자는 도 6에 도시되어 있는 영역 구분에 해당하고, #1은 첫 번째 주조 방안으로 제조된 샘플, #2는 두 번째 주조 방안으로 제조된 샘플을 의미한다. 두 주조방안은 압탕 및 오버플로우의 위치, 크기, 형상 등이 상이하되 결과적인 주조물의 형상이 동일하도록 설정되어 있는 것으로서, 그 상세한 설명은 본 발명의 범위를 벗어나므로 생략하도록 한다.

두 주조 방안 모두 동일한 재질의 용탕을 투입하고, 용탕에는 래들에서 2회, 주입 스트림에 1회 총 3회의 접종을 실시하였고, 냉각 시간은 각 금형당 40분 이상 수행하였다.

두 주조 방안으로 제조된 최종 제품의 형상은 동일하지만, #1 샘플은 1% 미만의 매우 낮은 수축률을 나타내는 데 비해, #2 샘플은 1.5%를 초과하는 높은 수축률을 나타내었다. 이와 같이 주조물의 수축률은 주조 방안의 구체적인 구성에 따라 달라지게 된다.

금형에서 바로 탈거된 주조물은 그 표면이 고르지 않으므로 추가적인 연마가 필요한데, 종래에는 마찰면의 수축률에 반비례하도록 연마 가공량을 결정하였다.

즉 수축률이 낮은 #1 샘플은 가공량을 크게 하고, 수축률이 높은 #2 샘플은 가공량을 적게 하여, 결과적으로 두 금형에서 사출된 주조물의 형상을 동일하게 일치시키는 것이다. 이에 따라 #1 샘플은 두께 방향으로 2~2.5mm 정도의 가공을 수행하고, #2 샘플은 두께 방향으로 1.5~1.9mm 정도의 가공을 수행하였다.

도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 수축률이 낮은 #1 샘플의 경우, 공정셀의 단위면적당 개수가 300 ea/cm² 이하, 편차가 60 ea/cm² 이하를 나타내어 낮은 마찰계수 및 마찰계수 편차를 나타내므로 저더 발생을 최소화시킬 수 있다.

그러나 수축률이 높은 #2 샘플의 경우, 공정셀의 단위면적당 개수가 300 ea/cm² 초과, 편차가 60 ea/cm² 초과를 나타내어 높은 마찰계수 및 마찰계수 편차를 나타내므로 저더 발생이 증가되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 수축률에 비례하도록 연마 가공량을 결정함으로써 브레이크 디스크의 마찰면 표면에 형성되는 공정셀의 단위면적당 개수를 300 ea/cm² 이하로 조절하게 된다.

즉, 종래와 반대로 #1 샘플의 가공량에 비해 #2 샘플의 가공량을 더 크게 설정함으로써, 주조물의 중심 위치에 있는 더 큰 크기의 공정셀을 마찰면에 노출시키게 되는 것이다.

도 8에 도시되어 있는 #3, #4, #5 샘플은 각각 #2 샘플과 동일한 주조 방안으로 제조된 후, 브레이크 디스크의 편측 두께 방향 연마 가공량을 서로 다르게 한 것이다. 이때 #3은 2mm, #4는 2.5mm, #5는 3mm 만큼 각각 가공하였다.

그 결과, #3 샘플 및 #4 샘플은 #2 샘플과 크게 다르지 않은 공정셀 개수와 편차를 나타내어 저더 저감 효과를 기대할 수 없었지만, #5 샘플은 공정셀 개수와 편차가 크게 감소하여 #1 샘플과 유사한 수준까지 개선된 것을 알 수 있다.

이렇게 공정셀의 단위면적당 개수를 300 ea/cm² 이하, 편차를 60 ea/cm² 이하로 조절하기 위해서는, 브레이크 디스크의 두께 방향 수축률이 평균 1.5% 미만일 경우 편측 두께 방향 연마 가공량을 2mm 이상, 3mm 미만으로 조절하고, 브레이크 디스크의 두께 방향 수축률이 평균 1.5% 이상일 경우 편측 두께 방향 연마 가공량을 3mm 이상으로 조절해야 한다.

브레이크 디스크의 두께 방향 수축률이 작아지더라도, 금형과 직접적으로 맞닿는 부위의 연마 가공은 필수적이다. 이는 주조물의 표면 형상을 정리하기 위한 목적뿐 아니라, 공정셀의 단위면적당 개수를 감소시키기 위해 주조물 표면에 형성되는 작은 공정셀들의 영역을 제거하기 위해서이다.

따라서, 브레이크 디스크의 수축률과 무관하게, 브레이크 디스크의 편측 마찰면을 최소한 2mm 이상, 바람직하게는 2.5mm 이상 연마 가공해야 한다.

브레이크 디스크의 두께 방향 수축률이 1.5% 미만일 경우에는 브레이크 디스크의 편측 마찰면의 가공량을 최대 3mm 미만으로 제한하는 것이 바람직한데, 이는 그 이상 가공하더라도 단위면적당 공정셀의 개수를 크게 감소시킬 수 없기 때문이다.

한편, 브레이크 디스크의 두께 방향 수축률이 1.5% 이상일 경우에는 브레이크 디스크의 편측 마찰면을 3mm 이상 연마 가공해야 한다. 가공량이 3mm에 미달할 경우에는 도 8에 도시된 #2, #3, #4 샘플과 같이 단위면적당 공정셀의 개수가 증가하고 그 편차 또한 증가하여 저더를 감소시키는 본 발명의 목적을 달성할 수 없게 된다.

이러한 단위면적당 공정셀의 개수가 상이한 샘플들의 최대 BTV 값을 여러 조건, 즉 초기속도와 제동토크를 달리 하여 측정한 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 최대 BTV값의 단위는 제동 토크와 동일한 kgf이다.

도 8 및 표 1에 나타나 있는 바와 같이, 단위면적당 공정셀의 개수가 300 ea/cm² 이하이고 편차가 60 ea/cm² 이하인 #1 샘플과 #5 샘플은 최대 BTV의 평균값이 4 미만으로 매우 낮게 나타난 반면, 단위면적당 공정셀의 개수가 300 ea/cm² 초과이고 편차가 60 ea/cm² 초과인 #2, #3 및 #4 샘플은 최대 BTV의 평균값이 6 이상, 크게는 9 이상까지 매우 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

이렇게 최대 BTV값이 높을 경우, 제동시 저더 현상이 심하게 발생되어 탑승자의 안락감이 급격하게 저하되게 된다.

따라서, 제동시 저더 현상을 감소시키기 위해서는 상술한 바와 같이 공정셀의 단위면적당 개수 및 편차를 제한할 필요가 있는 것이다.

초기속도	제동토크			max BTV
(km/h)	(kgf)	#1	#2	#3	#4	#5
	17.8	3.607	5.963	5.938	5.337	2.155
	35.5	4.355	8.7	7.674	7.39	3.324
50	53.3	2.639	9.971	10.332	8.143	3.695
	71	2.268	9.541	11.496	9.541	4.614
	88.8	2.933	5.474	9.971	8.407	4.497
	평균	3.16	7.93	9.082	7.764	3.657
	17.8	2.737	5.122	5.367	3.861	1.32
	35.5	2.463	7.429	6.774	6.51	2.395
100	53.3	2.17	9.501	9.736	8.152	2.991
	71	2.19	8.759	10.557	8.211	4.379
	88.8	2.542	8.211	10.264	6.843	5.474
	평균	2.42	7.804	8.54	6.715	3.312
	17.8	2.796	7.634	6.774	3.333	2.151
	35.5	2.796	7.849	7.957	9.14	3.011
130	53.3	3.011	9.462	9.892	7.419	3.011
	71	3.226	8.71	10.538	7.312	4.086
	88.8	2.903	6.559	8.925	5.591	5.161
	평균	2.946	8.043	8.817	6.559	3.484

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 브레이크 디스크 20: 마찰재
100: 공정셀 110: 그라파이트
200: 철 탄화물

Claims

마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크로서,
상기 브레이크 디스크의 마찰면을 원주 방향으로 분할된 복수 개의 영역으로 구분하여 각 영역의 표면에 형성된 공정셀의 단위면적당 개수의 평균이 300 ea/cm² 이하인 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
청구항 1에 있어서,
상기 복수 개의 영역에 각각 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수의 편차가 60 ea/cm² 이하인 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
마찰면이 주철 재질로 형성된 브레이크 디스크를 제조하는 방법으로서,
상기 브레이크 디스크를 주조하는 단계; 및
상기 브레이크 디스크의 마찰면에 형성되어 있는 공정셀의 단위면적당 개수가 300 ea/cm² 이하가 되도록 상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계;를 포함하는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계는, 상기 브레이크 디스크의 주조 과정 중 두께 방향으로 수축하는 평균 수축률이 1.5% 미만일 경우 상기 마찰면의 편측을 2mm 이상, 3mm 미만 연마하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 브레이크 디스크의 마찰면을 두께 방향으로 연마하는 단계는, 상기 브레이크 디스크의 주조 과정 중 두께 방향으로 수축하는 평균 수축률이 1.5% 이상일 경우 상기 마찰면의 편측을 3mm 이상 연마하는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크 제조방법.