KR20230140527A - 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼 및 캘리퍼의 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼에 대한 것으로서, 캘리퍼는, · 피스톤을 홀딩하기 위한 캐비티를 갖는 하우징 부분으로서, 상기 피스톤은 제1 브레이크 패드와 맞물리도록 구성되는, 상기 하우징 부분, · 제2 브레이크 패드를 홀딩하도록 구성된 카운터 부분, · 상기 하우징 부분과 상기 카운터 부분을 연결하는 브리지 부분을 포함하며, 상기 캘리퍼는 적어도 하나의 돌출부 또는 적어도 하나의 리세스를 포함하는 냉각 특징부들을 포함하고, 상기 냉각 특징부들은 상기 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽 상에 또는 상기 브리지 부분 상에 제공될 수 있다.

Description

디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼 및 캘리퍼의 설계방법{Caliper for a disk brake system and method for designing a caliper}

본 발명은 기계 공학 분야에 관한 것이다. 본 발명은 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼(caliper) 및 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼를 설계하기 위한 방법에 관한 것이다.

제동 동안, 차량의 운동 에너지는 브레이크 디스크에 의해 흡수되는 열 에너지로 변환된다. 브레이크 디스크의 열은 디스크 회전 동안 브레이크 디스크의 환경으로 전달된다. 열 중 일부는 공기를 통해 캘리퍼로 전달되며, 열 중 일부는 브레이크 패드들을 통해서 그리고 브레이크 패드로부터 피스톤 및 브레이크액으로 또는 캘리퍼 핑거(finger)로 전달된다.

디스크 온도는, 자동차의 크기 및 디스크 유형에 의존하여 800°C에 도달할 수 있다. 캘리퍼의 온도는 성능의 감소를 야기할 수 있는 400°C에 도달할 수 있으며, 여기서 특히 브레이크액의 성능이 영향을 받는다.

본 발명의 목적은 중요한 부분들이 과열되는 것을 방지함으로써 브레이크 시스템의 성능을 개선하는 것이다.

이러한 목적은 제1항에 따른 캘리퍼에 의해 또는 제4항에 따른 캘리퍼를 설계하기 위한 방법에 의해 달성된다. 유익한 실시예들이 종속항들에서 그리고 다음의 설명 및 도면들에서 주어진다.

상응하게, 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼는 피스톤을 홀딩(hold)하기 위한 캐비티를 갖는 하우징 부분을 포함하며, 피스톤은 제1 브레이크 패드와 맞물리도록 구성된다. 캘리퍼는 제2 브레이크 패드를 홀딩하도록 구성된 카운터 부분을 포함한다. 캘리퍼는 하우징 부분과 카운터 부분을 연결하는 브리지 부분을 더 포함한다. 캘리퍼는 적어도 하나의 돌출부 및/또는 적어도 하나의 리세스(recess)를 포함하는 냉각 특징부들을 포함하며, 냉각 특징부들은 캐비티를 획정(delimit)하는 캐비티 벽 상에 및/또는 브리지 부분 상에 제공된다. 냉각 특징부들은 따라서 기하학적 냉각 특징부들로 지칭될 수 있다.

특히, 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽 상에 제공된 냉각 특징부들은 브레이크액 및 밀봉부의 온도를 감소시킬 수 있다. 마찬가지로, 브리지 부분 상의 냉각 특징부들은 하우징 부분의 가열을 방지하고 그에 따라 브레이크액의 가열을 방지하는 것을 돕는다. 예를 들어, 돌출부들은 립(rib)들로서 실시될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 브리지 부분 및 카운터 부분은 플로팅 캘리퍼(floating caliper)의 캘리퍼 핑거를 형성할 수 있다. 대안적으로, 카운터 부분은 고정된 캘리퍼의 추가적인 하우징 부분일 수 있다. 이 경우에, 추가적인 하우징 부분은 이상에서 언급된 하우징 부분과 동일한 방식으로 설계될 수 있으며, 즉, 추가적인 하우징 부분은 선택적으로, 제1 하우징 부분의 냉각 특징부와 동일하거나 또는 유사할 수 있거나 또는 제1 하우징 부분의 냉각 특징부과는 상이할 수 있는 냉각 특징부들을 또한 포함할 수 있다.

일 예에서, 냉각 특징부들은 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽의 부분 상에 제공되며, 캘리퍼 벽의 상기 부분은, 캘리퍼가 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하도록 구성된다.

본 명세서에 도시되고 설명되는 캘리퍼의 설계는 본 명세서에 도시되고 설명되는 방법의 결과일 수 있다. 방법과 함께 도시된 특징들이 캘리퍼에 대해 청구될 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼를 설계하기 위한 방법은 컴퓨터 보조 최적화(computer aided optimization; CAO)를 사용한다. 방법은 기계적 속성들의 시뮬레이션 및 열적 속성들의 시뮬레이션을 포함한다.

여기서, 기계적 속성들 및 열적 속성들은, 초기 패키지 볼륨을 갖는 캘리퍼의 제1 모델에 대해 결정된다.

제약들의 세트가 기계적 속성들에 대해 결정된다.

기계적 속성들 및 열적 속성들은 캘리퍼의 추가적인 모델들에 대해 결정되며, 추가적인 모델들은 캘리퍼의 미리 결정된 섹션들 내에 냉각 특징부들을 가지고, 냉각 특징부들은 적어도 하나의 돌출부 및/또는 적어도 하나의 리세스를 포함한다.

최종 설계는, 다음의 조건들:

(a) 최종 설계의 모델이 기계적 속성들에 대한 제약들을 충족시킨다는 조건, 및

(b) 최종 설계의 모델이 추가적인 모델들 중에서 환경으로의 가장 높은 열 전달을 보여주거나 및/또는 캘리퍼의 미리 선택된 영역에서 가장 낮은 피크-온도를 보여준다는 조건에 기초하여 추가적인 모델들 중에서 선택된다.

예를 들어, 기계적 속성들에 대해 제약들의 세트는,

- 최종 설계에 대해 희망되는 최소 강성 및/또는

- 최종 설계에 대해 희망되는 최소 강도 및/또는

- 최종 설계에 대해 희망되는 동적 거동 및/또는

- 최종 설계에 대해 희망되는 최소 내구성 및/또는

- 최종 설계에 대해 희망되는 최소 및/또는 최대 중량과 관련될 수 있다.

이러한 속성들은 시뮬레이션에서 모델링될 수 있다. 캘리퍼의 기능 또는 안전성에 관련된 기계적 측면들이 충족된다는 것을 보장하기 위해, 제약들이 이러한 파라미터들 중 하나 이상에 대해 정의된다는 것이 구상될 수 있다.

제약들은 상한 경계 및/또는 하한 경계를 포함할 수 있다. 제약들은 제1 모델의 기계적 속성들에 기초하여 정의될 수 있다.

기계적 속성들의 시뮬레이션은,

강성의 시뮬레이션, 특히 편향 계산, 및/또는

강도의 시뮬레이션, 특히 응력 및/또는 변형 계산, 및/또는

동적 거동의 시뮬레이션, 특히 고유 진동수 계산, 및/또는

내구성의 시뮬레이션, 특히 피로 값 계산, 및/또는

중량의 시뮬레이션, 특히 질량 및/또는 볼륨 계산을 포함할 수 있다.

시뮬레이션은 주파수 영역 및/또는 시간 영역에서의 유한 요소 알고리즘을 이용할 수 있다.

시뮬레이션은 초기 조건들을 포함할 수 있다. 초기 조건들은, 온도 분포, 특히 브레이크 디스크 및/또는 브레이크 패드들을 포함하는 브레이크 시스템의 온도 분포를 포함할 수 있다. 브레이크 디스크 및/또는 브레이크 패드들에 대해 정의된 온도 분포는 제동으로 인한 가능한 온도 분포에 대응한다.

열적 속성들의 시뮬레이션은 전도 및/또는 대류 및/또는 복사의 시뮬레이션을 포함한다. 여기서, 브레이크 디스크 및/또는 브레이크 패드들로부터 환경으로의, 특히 주변 공기로의 그리고 브레이크액을 포함하는 주변 구성요소들로의 열 전달이 모델링될 수 있다.

열적 속성들의 시뮬레이션은 환경으로의 열 전달의 시뮬레이션을 포함할 수 있다. 즉, 캘리퍼로부터 주변 공기로의 열 전달(캘리퍼의 냉각을 가져옴)이 모델링될 수 있다.

이상에서 설명된 초기 조건들로부터 시작하여, 모든 구성요소들의 온도 분포와 전도, 대류 및 복사와 같은 열역학 프로세스를 고려하는 것은, 예를 들어, 주어진 캘리퍼 설계에 대한(즉, 제1 모델에 대한 그리고 추가적인 모델들에 대한) 시간의 경과에 따른 온도 분포와 같은 모든 관련 열적 속성들의 시뮬레이션을 가능하게 하여 캘리퍼의 재료 분포의 최적화를 가능하게 한다. 다시 말해서, 추가적인 모델들에 존재하는 냉각 특징부들의 주어진 세트에 대한 효과가 분석되고 수량화될 수 있다.

컴퓨터 보조 최적화는 최적 재료 분포의 선택, 즉 냉각 특징부들의 최적 설계의 선택을 가능하게 한다.

제1 모델은 최대 패키지 공간을 갖는 최대-모델이라는 것이 구상될 수 있다. 이는, 브레이크 시스템 내의 최대 이용가능 공간에 대응할 수 있다. 추가적인 모델들은 제1 모델에 비해 감소된 볼륨을 갖는다. 냉각 특징부는, 최대-모델에 비해 캘리퍼의 미리 결정된 섹션들에서 재료를 생략함으로써 생성된다.

그러나, 재료가 선택적으로 초기 모델에 추가된다는 것이 또한 구상될 수 있다. 그러면, 추가적인 모델들은 특정 영역들에서 초기 모델을 넘어 확장될 수 있으며, 그들의 총 볼륨은 추가적인 모델의 총 볼륨보다 더 작거나 또는 더 크다.

경계는 추가적인 모델들의 중량에 부과될 수 있다. 예를 들어, 상한 경계는 초기 모델의 중량의 +5% 또는 +3% 또는 +0%로 주어질 수 있다. 하한 경계는, 예를 들어, 초기 모델의 -15% 또는 -10% 또는 -5%로 주어질 수 있다.

다양한 추가적인 설계들에 따라 재료가 추가되거나 또는 제거됨에 따라, 이는 기계적 속성들의 변경을 가져올 수 있다.

이상에서 언급된 바와 같이, 기계적 속성들에 대한 제약들은, 예를 들어, 제1 모델의 기계적 속성들에 기초하여 정의될 수 있다. 일부 경우들에서, 기계적 속성들과 열적 속성들 사이에 트레이드-오프가 존재할 수 있다.

따라서, 열역학 및 기계적 측면들을 고려하는 다중-목적 최적화가 수행된다.

예를 들어, 냉각 특징부들을 형성하기 위해, 재료의 제거 또는 추가가 연속적으로 이루어진다. 결과적으로, 열적 속성이 변경되고, 예를 들어, 미리 선택적 영역 내의 희망되는 열 분포 또는 최대 열이 접근된다. 기계적 속성들이 제약들 내에 있는 한, 재료의 제거 또는 추가는, 희망되는 열적 속성들이 달성될 때까지 계속될 수 있다.

예를 들어, 희망되는 출력은 미리 선택된 영역에 대한 특정 온도 분포일 수 있다. 이는, 초과되지 않아야 하는, 미리 선택된 영역 내의 하나 이상의 미리 선택된 위치들에서의 피크 온도의 정의를 포함할 수 있다.

제약들은, 예를 들어, 초과되지 않을 수 있는 항복 강도 및 강성과 같은 기계적인 속성들에 대한 상한 및/또는 하한 경계 조건들일 수 있다.

방법 내에서, 캘리퍼는 피스톤을 홀딩하기 위한 캐비티를 갖는 하우징 부분을 포함하며, 피스톤은 제1 브레이크 패드와 맞물리도록 구성되고, 카운터 부분은 제2 브레이크 패드를 홀딩하도록 구성되며,

그리고 브리지 부분은 하우징 부분과 카운터 부분을 연결하고,

여기서, 냉각 특징부들이 제공되며 특히 재료가 생략되는 미리 결정된 섹션들은 브리지 부분 및/또는 하우징 부분의 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽이다. 냉각 특징부들을 설계하는 것은 이러한 미리-결정된 섹션들 중 하나 또는 둘 모두를 사용하는 것으로 제한될 수 있으며, 이는, 이러한 미리-결정된 섹션들이 온도 분포에서 양호한 영향을 보여주는 것이 입증되었으며 재료 제거가 전형적으로 허용가능하기 때문이다.

냉각 특징부들이 제공되며 특히 재료가 생략되는 미리 결정된 섹션은, 캘리퍼가 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하도록 구성된 캘리퍼 벽의 일 부분일 수 있거나 또는 이를 포함할 수 있다.

방법은 캘리퍼의 추가적인 모델들을 최적화하는 단계들을 포함할 수 있다. 최적화하는 단계는, 냉각 특징부들의 최적 위치를 식별하기 위한 토폴로지컬(topological) 최적화를 포함할 수 있다. 특히, 냉각 특징부들이 이상에서 식별된 미리-결정된 섹션들 중 하나 또는 둘 모두에 제공되어야 하는지 여부가 결정될 수 있다.

방법은 냉각 특징부들의 최적 유형을 식별하기 위한 토포그래피컬(topographical) 최적화를 포함할 수 있다. 예를 들어, 돌출부들은 립들로서 형성될 수 있다. 립들은 축 방향으로 및/또는 축 방향에 수직으로 연장될 수 있다.

방법은 냉각 특징부들의 최적 형상을 식별하기 위한 형상 최적화를 포함할 수 있다. 형상 최적화는 열적 측면들을 고려할 수 있으며, 형상 최적화는, 예를 들어, 3D 프린팅과 같은, 적층 제조 및/또는 주조를 포함할 수 있는, 제조의 유형에 의존하여 생성될 수 있는 이용가능한 형상들을 고려할 수 있다.

최종 설계는, 추가적인 모델들 중에서 가장 유리한 열적 속성들을 갖는 모델로서 선택될 수 있다. 이러한 선택은 캘리퍼 벽 상의 위치에서의 피크 온도에 기초하여 이루어질 수 있다. 특히, 피스톤에 대해 캐비티를 제한하는 캘리퍼 벽의 표면의 일 부분에서의 온도가 고려될 수 있다. 이러한 표면은 브레이크액과 접촉할 수 있으며, 따라서 낮게 유지되어야 하는 브레이크액의 바람직하지 않은 가열에 기여할 수 있다.

예를 들어, 캘리퍼 벽의 표면에서의 목표 온도는 160°C 미만으로 또는 150°C 미만으로 선택될 수 있다.

방법은, 캘리퍼를 제조하기 위한 방법 외에, 캘리퍼를 설계하기 위한 이상에서 설명된 방법을 포함할 수 있다.

이하에서, 캘리퍼 및 방법이 첨부된 도면들을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 디스크 브레이크 시스템 내에서의 열 전달을 예시한다.
도 3는 캘리퍼 내의 제1 수정 섹션을 나타낸다.
도 4는 축 방향을 따른 캘리퍼 내의 온도 분포를 도시한다.
도 5 내지 도 10는 축 방향으로의 감소된 열 전달을 갖는 캘리퍼에 대한 설계 옵션들을 도시한다.
도 11는 캘리퍼 내의 제2 수정 섹션을 나타낸다.
도 12 내지 도 18는 캘리퍼의 브리지 부분을 통한 감소된 열 전달을 갖는 캘리퍼에 대한 설계 옵션들을 도시한다.
도 19 내지 도 21는 캘리퍼에 대한 설계 프로세스를 예시한다.

도 1 및 도 2는 캘리퍼(1) 및 브레이크 디스크(5)를 갖는 디스크 브레이크 시스템을 도시한다. 도 1는, 브레이크 시스템의 축(A)에 평행한 평면에서 브레이크 시스템을 통한 절단도를 개략적으로 도시한다. 도 2는 축(A)에 직각인 평면에서 브레이크 시스템을 통한 절단도를 개략적으로 도시한다.

캘리퍼는 피스톤(2)을 홀딩하기 위한 캐비티(1.2)를 갖는 하우징 부분(1.1)을 포함한다. 피스톤(2)은 제1 브레이크패드(3)와 맞물린다. 하우징은, 제2 브레이크 패드(4)를 홀딩하는 카운터 부분(1.3), 및 브레이크 디스크(5)의 외부 둘레 주위로 연장되고 하우징 부분(1.1)과 카운터 부분(1.3)을 연결하는 브리지 부분(1.4)을 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 캘리퍼(1)는 플로팅(floating) 캘리퍼이며, 브리지 부분(1.4) 및 카운터 부분(1.3)은 캘리퍼 핑거를 형성한다. 대안적으로, 카운터 부분(1.3)은 고정된 캘리퍼의 추가적인 하우징 부분을 구성할 수 있다.

제동 동안, 브레이크 패드들(3, 4)은 브레이크 디스크(5)에 대해 눌리며, 이동하는 차량의 운동 에너지는 열로 변환된다. 브레이크 디스크(5) 및 브레이크 패드들(3, 4)은 마찰로 인해 가열되며, 열은, 대류, 전도 및 복사를 통해 브레이크 시스템의 추가적인 구성요소들로 전달된다. 도 1 및 도 2에서 화살표들에 의해 표시된 바와 같이, 브레이크 디스크로부터의 열은 브리지 부분(1.4)으로 복사된다. 또한, 도 1에서 화살표들에 의해 표시된 바와 같이, 열은 제1 브레이크 패드(3)로부터 피스톤(2)으로 그리고 캐비티(1.2) 내로 전달된다. 캐비티(1.2) 내의 브레이크액 및 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7)이 이러한 프로세스로 인해 가열된다. 특히, 브레이크액의 가열은 제동 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있다.

캘리퍼의 가열을 제한하기 위해, 도 3 내지 도 18을 참조하여 추가로 설명될 바와 같이, 기하학적 냉각 특징부들이 캘리퍼 상에 제공된다. 특히, 캘리퍼에 대한 설계 프로세스에 대해, 미리 결정된 섹션들(I, II)이 정의되며, 이러한 섹션들에 냉각 특징부들이 제공될 수 있다. 이러한 미리 결정된 섹션들(I, II)은, 하우징 부분(1.1)의 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7)을 포함하는 제1 수정 섹션(I)을 포함한다. 또한, 미리 결정된 섹션들(I, II)은, 브리지 부분(1.4)를 포함하는 제2 수정 섹션(II)을 포함한다.

냉각 특징부들은 이러한 섹션들(I, II) 중 하나에 또는 둘 모두에 제공될 수 있다. 냉각 특징부들의 위치 및 그들의 설계 세부사항들은 캘리퍼를 설계하기 위한 방법에서 결정된다. 이러한 방법은 컴퓨터 보조 최적화(computer aided optimization; CAO)를 이용하며, 기계적 속성들의 시뮬레이션 및 열적 속성들의 시뮬레이션을 포함한다. 기계적 속성들 및 열적 속성들은, 도 1 및 도 2에 도시된, 초기 패키지 볼륨을 갖는 캘리퍼의 제1 모델에 대해 결정된다. 최종 설계에 존재해야 하는 캘리퍼(1)에 대한 최소 요건들을 반영하는 기계적 속성들에 대한 제약들의 세트가 결정된다.

캘리퍼의 추가적인 모델들이 제1 설계로부터 도출된다. 추가적인 모델들의 예들은, 이하에서 설명될 바와 같이, 도 5 내지 도 10 및 도 12 내지 도 18로부터 도출될 수 있다.

기계적 속성들 및 열적 속성들은 캘리퍼(1)의 각각의 추가적인 모델들에 대해 수치적으로 결정되며, 여기서 추가적인 모델들은 캘리퍼(1)의 미리 결정된 섹션들(I, II) 내에 냉각 특징부들을 가지고, 냉각 특징부들은 적어도 하나의 돌출부 및/또는 적어도 하나의 리세스를 포함한다.

최종 설계는, 다음의 조건들:

(a) 최종 설계의 모델이 기계적 속성들에 대한 제약들을 충족시킨다는 조건, 및

(b) 최종 설계의 모델이 추가적인 모델들 중에서 환경으로의 가장 높은 열 전달을 보여주거나 및/또는 캘리퍼의 미리 선택된 영역에서 가장 낮은 피크-온도를 보여준다는 조건에 기초하여 추가적인 모델들 중에서 선택된다.

미리 선택된 영역이 미리 결정된 섹션들(I, II)들 중 하나 내에 있을 수 있지만 반드시 그래야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 특정 온도가 초과되지 않아야 하는 미리 선택된 영역은 캐비티 내에 있을 수 있거나 또는 캐비티를 제한하는 표면일 수 있다. 이는, 브레이크액에 대한 주어진 온도가 초과되지 않아야 할 때 방법 내의 전형적인 선택을 나타낸다.

상이한 예들에 따르면, 그런 다음 냉각 특징부들은, 도 3 내지 도 18 을 참조하여 이제 설명될 바와 같이, 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7) 상에 및/또는 브리지 부분(1.4) 상에 제공된다. 도 3 내지 도 18의 냉각 특징부들이 서로 조합될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 3 내지 도 10는 캘리퍼(1)의 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7) 상에 냉각 특징부들(1.5)을 제공하는 것에 초점을 맞춘다.

도 3는, 브레이크 시스템의 축(A)에 평행한 평면에서 브레이크 시스템을 통한 절단도를 다시 한 번 도시한다. 도 1와 관련하여 언급된 바와 같이, 열은 브레이크 디스크(5) 및 브레이크 패드(3)로부터 브레이크 시스템의 나머지 부분들로 전달된다. 특히, 열은 캘리퍼(1)의 캐비티(1.2) 내로 그리고 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7)으로 전달된다. 축(A)을 향해 반경 방향으로 안쪽으로 향하는 캐비티(1.2)의 하단 측면 상에서, 캘리퍼 벽(1.7)의 일 부분이 캐비티(1.2)를 획정한다. 캘리퍼(1)가 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하는 캘리퍼 벽(1.7)의 이러한 부분은 복사, 전도 및 대류로 인해 가열된다. 화살표를 따른 캘리퍼 벽(1.7)의 이러한 부분을 따른 온도 분포는 도 4에 도시된다. 여기에서 커브 i)은 도 3의 화살표를 따른, 즉, 캐비티(1.2)를 획정하는 표면의 라인 상의 초기 온도 분포를 도시한다. 초기 온도 분포 i)은, 냉각 특징부들을 갖지 않는 캘리퍼(1)의 제1 모델에 대해 계산된다. 이러한 초기 온도 분포는, 방지되어야 하는 캐비티(1.2) 내에 포함된 브레이크액의 강한 가열을 야기한다. 따라서, 화살표를 따른 축 방향으로의 열 전달이 최소화되어야 한다. 예를 들어, 캐비티(1.2)를 획정하는 표면의 상기 라인을 따른 목표 열 분포는 커브 ii)에 의해 주어진다. 여기서, 브레이크 디스크(5)로부터 축 방향으로 떨어진 벽(1.7)의 부분으로의 열 전달이 억제된다. 이는, 미리 결정된 수정 섹션(I) 내에서 이러한 벽(1.7)에서 기하학적 냉각 특징부들(1.5)을 가짐으로써 달성될 수 있다. 벽(1.7)의 하단 상의 백색 박스에 의해 표시된 재료는 기하학적 냉각 특징부들(1.5)을 제공하기 위한 최대 이용가능 설계 공간을 표시한다. 즉, 설계 절차 동안, 다양한 추가적인 설계들에 따라, 재료는 냉각 특징부들(1.5)을 형성하기 위해 백색 박스에 의해 표시된 영역으로부터 생략된다. 냉각 특징부들(1.5)의 특정 구성을 갖는 각각의 추가적인 설계에 대해, 열적 속성들 및 기계적 속성들은, 목표 온도 분포 ii)에 접근함에 따라 기계적 제약들이 충족된다는 것을 보장하기 위해 다시 한 번 모델링된다. 열적 모델링은 전도, 대류 및 복사의 시뮬레이션을 포함한다. 도 4의 예에서, 커브 ii)의 끝에서 캘리퍼 벽의 표면에서의 목표 온도는 150°C 미만으로 설정된다.

도 5 내지 도 10의 추가적인 모델들의 각각에 대해, 냉각 특징부들(1.5)은 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7)의 부분 상에 제공되며, 캘리퍼 벽(1.7)의 상기 부분은, 캘리퍼(1)가 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하도록 구성된다.

도 5 내지 도 10의 추가적인 모델들의 각각은 도 3의 제1 모델에 비해 감소된 볼륨을 가지며, 여기서 냉각 특징부들은, 캘리퍼의 미리 결정된 섹션(II)에서, 즉, 백색 박스에 의해 표시된 영역으로부터 재료를 생략함으로써 설계된다.

도 5는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향을 따라 연장되는 하나 이상의 립들을 포함하고, 하나 이상의 립들은 브레이크 디스크(5)로부터 멀어지는 축 방향을 따라 감소하는 두께를 갖는 모델을 도시한다.

도 6는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향에 직각으로 연장되는 3개의 립들을 포함하며, 제1 및 제3 립은 중심 립보다 더 높은 모델을 도시한다. 립들 사이의 리세스들이 보일 수 있다.

도 7는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향을 따라 연장되는 일정한 높이의 하나 이상의 립들을 포함하는 모델을 도시한다.

도 8는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향에 직각으로 연장되는 다양한 두께의 4개의 립들을 포함하는 모델을 도시한다.

도 9는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향에 직각으로 연장되는 5개의 립들을 포함하며, 립들의 높이들은 서로 상이하고 축 방향으로 감소하는 모델을 도시한다.

도 10는, 냉각 특징부들(1.5)이 축 방향에 직각으로 연장되는 3개의 리세스들을 포함하는 모델을 도시한다.

단지 방법을 예시하기 위한 예로서, 도 3 내지 도 10 모두를 참조하면, 주어진 재료에 대해, 예를 들어, 시뮬레이션 동안, 모델 5 내지 10 중에서, 모델 7 및 모델 10는 커브 ii)에 대한 열적 요건들을 충족시키지 않는다는 것이 결정될 수 있으며, 모델 6, 모델 8 및 모델 9는 기계적 요건들을 충족시키지 않으며, 반면 모델 5는 열적 및 기계적 요건들 둘 모두를 충족시키고 결과적으로 선택된다는 것이 결정될 수 있다.

도 11 내지 도 18는 캘리퍼(1)의 브리지 부분(1.4) 상에 냉각 특징부들(1.5)을 제공하는 것에 초점을 맞춘다.

도 11는, 브레이크 시스템의 축(A)에 평행한 평면에서 브레이크 시스템을 통한 절단도를 다시 한 번 도시한다. 도 1와 관련하여 언급된 바와 같이, 열은 브레이크 디스크(5) 및 브레이크 패드(3)로부터 브리지 부분(1.5)을 포함하는 브레이크 시스템의 나머지 부분들로 전달된다.

여기에 도시된 방법의 일 예에 따르면, 제2 수정 섹션(II)은 브리지 부분(1.5) 상에 구상될 수 있다. 브레이크 캘리퍼(1)의 추가적인 모델들에서, 냉각 특징부들(1.6)은 제2 수정 섹션(II)에 제공되며, 도 3 내지 도 10의 경우에서와 같이, 기계적 및 열적 속성들에 대한 그들의 영향이 모델링되고 최종적으로 추가적인 모델들 중 하나가 선택된다.

도 12는 브레이크 시스템의 축(A)을 따른 도면을 도시하며, 여기서 제2 수정 섹션(II)이 상이한 투시화법(perspective)으로부터 보일 수 있다. 따라서, 기하학적 냉각 특징부들(1.6)은 브리지 부분의 양측 상에 제공될 수 있다.

도 13 내지 도 18는, 도 11에도 도시된 투시화법으로 냉각 특징부들(1.6)을 다시 도시한다. 각각의 경우의 냉각 특징부들(1.6)은 수평 및/또는 수직 방향으로 연장되는 립들을 포함한다. 도 17는, 예를 들어, 수평 및 수직 립들 둘 모두를 도시하며, 이러한 모델의 수평 립들이 또한 도 12에 도시된다.

도 19 내지 도 20를 참조하여, 시뮬레이션의 측면들이 추가로 논의된다. 도 19는 시뮬레이션에서 사용되는 3D-설계 공간을 도시하며, 도 20 및 도 21는 고려 중인 2D 설계 영역들을 도시한다. 도 19의 풀 3D 모델은 캘리퍼(1)를 설계하기 위해 이용가능한 최대 패키지를 나타낸다. 열적 및 기계적 속성들은 수치적으로 결정되고 도 20 및 도 21의 평면들에서 관찰되며, 도 3 내지 도 18에 표시된 바와 같은 냉각 특징부들(1.5, 1.6)을 갖는 다양한 추가적인 모델들의 적합성을 결정한다. 이상에서 설명된 바와 같이, 냉각 특징부들(1.5, 1.6)이 제공되는 미리 결정된 섹션들(I, II)은 하우징 부분(1.1)의 캐비티(1.2)를 획정하는 캘리퍼 벽(1.7) 및 브리지 부분(1.4)이다.

다중 목표 최적화에서, 캘리퍼(1)에 대한 최적 설계가 결정된다.

환경으로의 열 전달, 예를 들어, 캘리퍼 설계들의 표면들을 통한 열 플럭스는 모델의 적합성을 결정하기 위해 모델링될 수 있다.

또한, 기계적 속성들의 시뮬레이션은 강성의 시뮬레이션, 특히 편향 계산, 및/또는 강도의 시뮬레이션, 특히 응력 및/또는 변형 계산, 및/또는 동적 거동의 시뮬레이션, 특히 고유 주파수 계산, 및/또는 내구성의 시뮬레이션, 특히 피로 값 계산, 및/또는 중량의 시뮬레이션, 특히 질량 및/또는 볼륨 계산을 포함한다.

방법은 캘리퍼(1)의 추가적인 모델들을 최적화하는 단계들을 더 포함한다. 최적화하는 단계들은, (예컨대 브리지(1.4) 상의 및/또는 캘리퍼 벽(1.7) 상의) 냉각 특징부들의 최적 위치를 식별하기 위한 토폴로지컬 최적화, 냉각 특징부들의 최적 유형(리세스들 및/또는 돌출부들)을 식별하기 위한 토포그래피컬 최적화, 냉각 특징부들의 최적 형상(예를 들어, 원형 에지들 등과 같은 상세 특징부들)을 식별하기 위한 형상 최적화를 포함한다.

최종 설계는, 피스톤(2)에 대해 캐비티(1.2)를 제한하는 캘리퍼 벽(1.7)의 표면의 미리 결정된 부분들에서의 피크 온도 및 온도 분포에 기초하여 다양한 추가적인 모델들 중에서 선택된다.

1 캘리퍼
1.1 하우징 부분
1.2 캐비티
1.3 카운터 부분
1.4 브리지 부분
1.5, 1.6 냉각 특징부들
1.7 캘리퍼 벽
I 제1 수정 섹션
II 제2 수정 섹션
2 피스톤
3 제1 브레이크 패드
4 제2 브레이크 패드
5 디스크
6 캐리어
A 축

Claims (13)

1. 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼로서,
   · 피스톤을 홀딩하기 위한 캐비티를 갖는 하우징 부분으로서, 상기 피스톤은 제1 브레이크 패드와 맞물리도록 구성되는, 상기 하우징 부분,
   · 제2 브레이크 패드를 홀딩하도록 구성된 카운터 부분,
   · 상기 하우징 부분과 상기 카운터 부분을 연결하는 브리지 부분을 포함하며,
   상기 캘리퍼는 적어도 하나의 돌출부 또는 적어도 하나의 리세스를 포함하는 냉각 특징부들을 포함하고,
   상기 냉각 특징부들은
   상기 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽 상에 또는 상기 브리지 부분 상에 제공되는, 캘리퍼.
2. 제1항에 있어서,
   상기 브리지 부분 및 상기 카운터 부분은 플로팅 캘리퍼의 캘리퍼 핑거를 형성하거나 또는 상기 카운터 부분은 고정된 캘리퍼의 추가적인 하우징 부분인, 캘리퍼.
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 특징부들은 상기 캐비티를 획정하는 상기 캘리퍼 벽의 부분 상에 제공되며,
   상기 캘리퍼 벽의 상기 부분은, 상기 캘리퍼가 상기 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하도록 구성되는, 캘리퍼.
4. 컴퓨터 보조 최적화(computer aided optimization; CAO)를 사용하여 디스크 브레이크 시스템에 대한 캘리퍼를 설계하는 설계방법으로서,
   · 상기 설계방법은 기계적 속성들의 시뮬레이션 및 열적 속성들의 시뮬레이션을 포함하며,
   · 상기 기계적 속성들 및 상기 열적 속성들은, 초기 패키지 볼륨을 갖는 상기 캘리퍼의 제1 모델에 대해 결정되고,
   · 제약들의 세트가 상기 기계적 속성들에 대해 결정되며,
   · 상기 기계적 속성들 및 상기 열적 속성들은 상기 캘리퍼의 각각의 추가적인 모델들에 대해 결정되고, 상기 추가적인 모델들은 상기 캘리퍼의 미리 결정된 섹션들 내에 냉각 특징부들을 가지며, 상기 냉각 특징부들은 적어도 하나의 돌출부 또는 적어도 하나의 리세스를 포함하고,
   최종 설계는:
   (a) 상기 최종 설계의 모델이 상기 기계적 속성들에 대한 제약들을 충족시킨다는 조건, 및
   (b) 상기 최종 설계의 모델이 상기 추가적인 모델들 중에서 환경으로의 가장 높은 열 전달을 보여주거나, 또는 상기 캘리퍼의 미리 선택된 영역에서 가장 낮은 피크-온도를 보여준다는 조건,
   에 기초하여 상기 추가적인 모델들 중에서 선택되는, 설계방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 추가적인 모델들은 상기 제1 모델에 비해 감소된 볼륨을 가지며, 상기 냉각 특징부들은 상기 캘리퍼의 상기 미리 결정된 섹션들에서 재료를 생략함으로써 설계되는, 설계방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 열적 속성들의 상기 시뮬레이션은 전도, 대류 및 복사 중 어느 하나의 시뮬레이션을 포함하는, 설계방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 열적 속성들의 상기 시뮬레이션은 환경으로의 열 전달의 시뮬레이션을 포함하는, 설계방법.
8. 제4항에 있어서,
   상기 기계적 속성들의 시뮬레이션은,
   강성의 시뮬레이션으로서, 편향 계산과,
   강도의 시뮬레이션으로서, 응력 또는 변형 계산과,
   동적 거동의 시뮬레이션으로서, 고유 진동수 계산과,
   내구성의 시뮬레이션으로서, 피로 값 계산, 및
   중량의 시뮬레이션으로서, 질량 또는 볼륨 계산 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 설계방법.
9. 제4항에 있어서,
   상기 캘리퍼는,
   · 피스톤을 홀딩하기 위한 캐비티를 갖는 하우징 부분으로서, 상기 피스톤은 제1 브레이크 패드와 맞물리도록 구성되는, 상기 하우징 부분,
   · 제2 브레이크 패드를 홀딩하도록 구성된 카운터 부분, 및
   · 상기 하우징 부분과 상기 카운터 부분을 연결하는 브리지 부분을 포함하며,
   상기 냉각 특징부들이 제공되며 특히 재료가 생략되는 상기 미리 결정된 섹션들은 상기 하우징 부분의 상기 캐비티를 획정하는 캘리퍼 벽 또는 상기 브리지 부분인, 설계방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각 특징부들이 제공되는 상기 미리 결정된 섹션(I)은, 상기 캘리퍼가 상기 디스크 브레이크 시스템에 장착될 때 반경 방향으로 안쪽으로 향하도록 구성된 상기 캘리퍼 벽의 부분이거나 또는 이를 포함하는, 설계방법.
11. 제4항에 있어서,
    상기 캘리퍼의 상기 추가적인 모델들을 최적화하는 단계들은,
    · 상기 냉각 특징부들의 최적 위치를 식별하기 위한 토폴로지컬(topological) 최적화,
    · 냉각 특징부들의 최적 유형을 식별하기 위한 토포그래피컬(topographical) 최적화,
    · 상기 냉각 특징부들의 최적 형상을 식별하기 위한 형상 최적화를 포함하는, 설계방법.
12. 제4항에 있어서,
    상기 최종 설계는, 상기 피스톤에 대해 상기 캐비티를 제한하는 상기 캘리퍼 벽의 표면의 부분에서의 피크 온도에 기초하여 상기 추가적인 모델들 중에서 선택되는, 설계방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 캘리퍼 벽의 상기 표면에서의 목표 온도는 160°C 미만인, 방법.

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