KR100924164B1 - 전기기계식 브레이크 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 2중 웨지 구조를 이용해 디스크에 추가적인 수직력과 마찰력을 인가함으로써 제동효율을 향상시킬 수 있는 전기기계식 브레이크를 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은 경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 1웨지(wedge); 상기 제1 웨지와 결합되며, 상기 제1 웨지에 가해지는 구동력에 의해 수평 및 수직방향 이동하는 제1 서포터; 경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 2웨지(wedge); 상기 제2 웨지와 결합되며, 상기 제2 웨지에 가해지는 외력에 의해 수직방향 이동하는 제2 서포터; 그리고, 상기 제1 서포터와 제2 웨지를 상호 연결시켜, 상기 제1 웨지를 통해 제1 서포터에 인가되는 수평방향 외력을 제2 웨지에 전달하는 커넥터를 포함하여 이루어지는 전기기계식 브레이크를 제공한다.
Figure R1020070140396
웨지, 전기기계식 브레이크, 제동효율

Description

전기기계식 브레이크{Electromechanical Brake}
본 발명은 전기기계식 브레이크에 관한 것으로서, 특히 2중 웨지 구조를 이용해 디스크에 추가적인 수직력과 마찰력을 인가함으로써 제동효율을 향상시킬 수 있는 전기기계식 브레이크에 관한 것이다.
근래 활발히 연구되고 있는 웨지를 이용한 전기기계식 브레이크는 자기 배력(Self Reinforcement) 효과를 이용하여 자동차의 제동효율을 크게 향상시켰다(참고문헌 : 특허 : Patent No. US 6,978,868 B2, 논문 : SAE Paper No. 2003-01-3331, SAE Paper No. 2007-01-0866).
이러한 전기기계식 브레이크의 원리 역시 종래 브레이크와 같이 브레이크 패드와 제동대상체인 디스크의 마찰을 이용해 자동차를 정지시키는 것이지만, 종래 브레이크는 유압식 실린더가 패드를 디스크에 밀착시켰던 반면에 전기기계식 브레이크는 전동모터와 연관된 시스템이 이러한 역할을 대신한다.
따라서, 상기 전기기계식 브레이크는 종래 브레이크 시스템과 달리 브레이크 라인과, 브레이크 액, 마스터 실린더, 캘리퍼 안쪽의 피스톤이 필요치 않게 되어 구조가 매우 단순해지는 장점을 가진다.
하지만, 이러한 전기기계식 브레이크는 제동에 필요한 모터 요구출력이 너무 크다는 문제점이 있었다. 이에 따라 대용량, 고전압, 고비용, 중량, 대형 모터가 필요하게 되어 실용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다.
본 발명의 과제는 2중 웨지 구조를 이용해 디스크에 추가적인 수직력과 마찰력을 인가함으로써 제동효율을 향상시킬 수 있는 전기기계식 브레이크를 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은 경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 1웨지(wedge); 상기 제1 웨지와 결합되며, 상기 제1 웨지에 가해지는 구동력에 의해 수평 및 수직방향 이동하는 제1 서포터; 경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 2웨지(wedge); 상기 제2 웨지와 결합되며, 상기 제2 웨지에 가해지는 외력에 의해 수직방향 이동하는 제2 서포터; 그리고, 상기 제1 서포터와 제2 웨지를 상호 연결시켜, 상기 제1 웨지를 통해 제1 서포터에 인가되는 수평방향 외력을 제2 웨지에 전달하는 커넥터를 포함하여 이루어지는 전기기계식 브레이크를 제공한다.
본 발명에 따른 전기기계식 브레이크는 2중 웨지 구조를 가지고, 제1 웨지에 가해지는 힘을 제2 웨지로 전달하여 디스크에 추가적인 수직력 및 마찰력을 인가함으로써 브레이크 제동효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 브레이크 제동효율을 향상시킴에 따라 전기기계식 브레이크에 사용되는 모터의 저용량, 저전압, 저비용, 경량, 소형화가 가능해진다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
이하, 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크는 크게 제1, 2 웨지(wedge)(120,220)와, 제1, 2 서포터(130,230) 그리고, 커넥터(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 웨지(120)는 경사각
Figure 112007094575731-pat00001
를 가지며, 제동대상체인 디스크(10)에 마찰력을 가하는 브레이크 패드(123)를 구비한다. 이러한 상기 제1 웨지(120)는 액츄에이터(actuator)(미도시)에 의해 구동력이 인가되면 웨지면(121 또는 122)을 따라 이동하여 브레이크 패드(123)가 디스크(10)에 접촉되도록 한다.
상기 제1 서포터(130)는 상기 제1 웨지(120)와 결합되며, 상기 제1 웨지(120)에 가해지는 구동력에 의해 수평 및 수직방향 이동한다. 여기서, 상기 제1 서포터(130)와 제1 웨지(120) 사이에는 원활한 상호 이동을 위해 롤러(미도시)가 설치됨이 바람직하다.
구체적으로, 상기 제1 서포터(130)의 수평방향 이동은 상기 제1 서포터(130)가 평판 플레이트(160)와 베어링(170)을 통해 연결됨으로써 이루어진다. 상술한 바와 같이 제1 웨지(120)에 구동력이 인가되면 제1 웨지(120)는 웨지면(121,122)을 따라 이동하며, 이때 제1 웨지(120)와 결합된 제1 서포터의 내면(131 또는 132)에 외력이 작용한다. 이러한 외력에 의해 제1 서포터(130)에 수평방향의 힘이 가해지면 제1 서포터(130)는 베어링(170)에 의해 평판 플레이트(160)를 따라 수평이동하게 된다. 이러한 제1 서포터(130)의 수평방향 이동을 위한 구조는 매우 단순한 구조로서 다양한 변형이 가능함은 물론이다.
또한, 상기 제1 서포터(130)의 수직방향 이동은 평판 플레이트(160)와 결합되는 제1 브레이크 캘리퍼(brake caliper)(140)에 의해 이루어진다. 구체적으로, 상기 제1 브레이크 캘리퍼(140)는 수직방향 이동 가능한 구조를 가지므로 제1 서포터(130)가 제1 웨지(120))에 의해 수직방향의 힘을 받으면 평판 플레이트(160)와 결합된 제1 브레이크 캘리퍼(140)가 수직방향으로 이동하고, 이에 따라 제1 브레이크 캘리퍼(140)와 결합된 제1 서포터(130)의 수직방향 이동이 이루어진다.
이러한 제1 브레이크 캘리퍼(140)의 일단에는 디스크(10)를 사이에 두고 대향 설치되는 제1 패드 플레이트(150)가 설치된다. 상기 제1 패드 플레이트(150)는 제1 웨지(120)와 같이 디스크(10)와 접촉하여 제동력을 인가하는 브레이크 패드(151)를 구비한다.
따라서, 상술한 바와 같이 제1 웨지(120)가 웨지면(121,122)을 따라 이동하여 제1 웨지(120)의 브레이크 패드(123)가 디스크(10)에 접촉하면, 제1 브레이크 캘리퍼(140)에 의해 제1 패드 플레이트(150) 역시 수직방향으로 이동하게 되어 제1 패드 플레이트(150)에 부착된 브레이크 패드(151)가 디스크(10)에 접촉하게 된다.
상기 제2 웨지(220)는 경사각 β를 가지며, 제1 웨지(120)와 같이 제동대상체인 디스크(10)에 마찰력을 가하는 브레이크 패드(223)를 구비한다. 상기 제2 웨지(220)는 이하 설명될 커넥터(300)에 의해 전달되는 수평방향 외력에 의해 웨지면(221 또는 222)을 따라 이동하여 브레이크 패드(223)가 디스크(10)에 접촉되도록 함으로써 디스크(10)에 제동력을 인가한다.
상기 제2 서포터(230)는 상기 제2 웨지(220)와 결합되며, 제2 웨지(220)의 이동시 가해지는 외력에 의해 수직방향 이동한다. 상기 제2 서포터(230)의 수직방향 이동은 제2 브레이크 캘리퍼(240)에 의해 이루어진다. 상기 제2 브레이크 캘리퍼(240)는 수직방향 이동 가능하게 제2 서포터(230)와 결합되어 있다. 따라서, 상기 제2 웨지(220)가 웨지면(221,222)을 따라 이동하면 제2 서포터(230)의 내면(231,232)에 수직방향 외력이 가해져 제2 브레이크 캘리퍼(240)가 수직방향으로 이동하고, 이에 따라 제2 브레이크 캘리퍼(240)와 결합된 제2 서포터(230)의 수직방향 이동이 이루어진다.
이러한 제2 브레이크 캘리퍼(240)의 일단에는 디스크(10)를 사이에 두고 제2 웨지(220)와 대향 설치되는 제2 패드 플레이트(210)가 설치된다. 상기 제2 패드 플레이트(220) 역시 제2 웨지(220)와 같이 디스크(10)와 접촉하여 제동력을 인가하는 브레이크 패드(211)를 구비한다.
따라서, 상술한 바와 같이 제2 웨지(220)가 웨지면(221,222)을 따라 이동하 여 부착된 브레이크 패드(223)가 디스크(10)에 접촉하면, 제2 브레이크 캘리퍼(240)에 의해 제2 패드 플레이트(210) 역시 수직방향으로 이동하여 부착된 브레이크 패드(211)가 디스크(10)에 접촉한다.
상기 커넥터(300)는 제1 서포터(130)와 제2 웨지(220)를 상호 연결시켜, 상기 제1 웨지(120)를 통해 제1 서포터(130)에 전달되는 수평방향 외력을 제2 웨지(220)에 전달한다.
구체적으로, 상기 커넥터(300)는 제1 서포터(130)에 결합되는 수평 바(bar)(310)와, 상기 수평 바(310) 및 제 2웨지(220)와 각각 결합되어 수평 바(310)를 통해 전달되는 외력을 제2 웨지(220)에 인가하는 수직 바(320)로 이루어진다.
상술한 바와 같이, 제1 웨지(120)에 인가되는 구동력에 의해 제1 서포터(130)의 내면에 외력이 인가되면, 제1 서포터(130)는 베어링(170)에 의해 평판 플레이트(160)를 따라 수평이동한다. 이때, 상기 제1 서포터(130)와 결합된 수평 바(310) 역시 수평이동하며 수직 바(320)에 외력을 가하게 된다. 이와 같이, 수직 바(320)에 외력이 전달되면 결국, 수직 바(320)와 결합된 제2 웨지(220)에 외력이 인가되어 제2 웨지(220)가 웨지면(221,222)을 따라 이동하여 브레이크 패드(223)가 디스크(10)와 접촉하게 된다.
여기서, 상기 제2 웨지(220)는 웨지면(221,222)을 따라 이동하기 때문에 제2 웨지(220)는 수평방향뿐만 아니라 수직 방향으로도 이동한다. 따라서, 상기 수직 바(320)는 상기 수평 바(310)와 베어링(330)에 의해 연결됨이 바람직하다.
이러한 구조의 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크에 의해 디스크에 제동력이 인가되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크에 의해 디스크에 제동력이 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 디스크(10)가 화살표 방향으로 회전할 때 제1 웨지(120)에 구동력 Fm이
Figure 112007094575731-pat00002
각도로 인가되면, 제1 웨지(120)는 웨지면(121)을 따라 디스크(10)로 이동한다. 이때, 제1 웨지(120)에 부착된 브레이크 패드(121)가 디스크(10)에 접촉하여 수직력 Fn1과 마찰력 Fb1을 인가한다. 여기서, μ1은 디스크(10)와 브레이크 패드(123,151)간의 마찰계수이다.
그리고, 제1 웨지(120)의 웨지면(121)과 제1 서포터(130)의 내면(131)은 롤러(미도시)를 사이에 두고 대면하기 때문에 제1 서포터(130)의 내면(131)은 웨지면(121)에 수직하게 반력 R1을 가한다. 상기 제1 웨지(120)에 대한 정역학 해석으로부터 수직방향으로는
Figure 112007094575731-pat00003
임을 알 수 있고 수평방향으로는
Figure 112007094575731-pat00004
임을 알 수 있다. 작용 반작용의 원리에 의해 제1 웨지(120)는 제1 서포터(130)에 수직방향으로 Fn1을 전달하며 이 전달된 Fn1은 베어링(170)을 통해 수평 플레이트(160)로 전달된다. 이에 따라 브레이크 캘리퍼(140)에 의해 제1 패드 플레이트(150)가 상승하여 디스크(10)로 이동한다. 따라서, 제1 패드 플레이트(150)에 부착된 브레이크 패드(151)와 디스크(10)사이에 수직력 Fn1이 발생하게 된다. 이로써 디스크(10)가 브레이크 패드(151)에 수직력 Fn1과 마찰력 Fb1을 가한다.
또한, 작용 반작용의 원리에 의해 제1 웨지(120)는 제1 서포터(130)에 수평방향으로 Fb1을 전달한다. 이에 따라 제1 서포터(130)는 베어링(170)에 의해 평판 플레이트(160)를 따라 수평방향으로 이동하며, 제1 서포터(130)에 전달된 수평방향 힘 Fb1은 수평 바(310)로 전달된다. 상기 수평 바(310)로 전달된 수평방향 힘 Fb1은 베어링(330)을 통해 수직 바(320)로 전달되며(도면 2의
Figure 112007094575731-pat00005
), 따라서 제2 웨지(220)에 수평방향 힘 Fb1이 전달된다. 이로써 제2 웨지(220)가 웨지면(221)을 따라 이동하여 제2 웨지(220)에 부착된 브레이크 패드(221)가 디스크(10)에 접촉하게 되면, 디스크(10)가 브레이크 패드(223)에 수직력 Fn2와 마찰력 Fb2를 가하게 된다. 여기서, μ2는 디스크(10)와 브레이크 패드(223,211)간의 마찰계수이다. μ1과 μ2는 각 브레이크 패드와 디스크(10) 사이에서 발생하는 열 등에 차이가 있음을 고려하면 일반적으로 다른 값을 가진다.
그리고, 상기 제2 웨지(220)의 웨지면(221)은 제2 서포터(230)의 내면(231)과 롤러(미도시)를 사이에 두고 대면하게 되어, 제2 서포터(230)의 내면(231)은 웨지면(221)에 수직방향으로 반력 R2를 가하게 된다. 상기 제2 웨지(220) 대한 수직방향 정역학 해석으로부터
Figure 112007094575731-pat00006
가 됨을 알 수 있다. 작용 반작용의 원리에 의해 제2 웨지(220)는 제2 서포터(230)에 수직방향으로
Figure 112007094575731-pat00007
를 전달하며, 이에 따라 제2 브레이커 캘리퍼(240)에 의해 제2 패드 플레이트(210)가 이동하여 브레이크 패드(211)와 디스크(10)사이에
Figure 112007094575731-pat00008
가 발생한다. 이로써 디스크(10)가 브레이크 패드(211)에 수직력
Figure 112007094575731-pat00009
와 마찰력
Figure 112007094575731-pat00010
를 가하게 된다. 물론, 제2 웨지(220)에서 제2 서포터(230)로 인가되는 수평방향 힘
Figure 112007094575731-pat00011
는 제2 브레이크 캘리퍼(240)에서 지탱되게 된다.
이 경우 제동효율을 출력/입력, 입력은 구동력
Figure 112007094575731-pat00012
으로 하고 출력은 디스크(10)의 한 면에서 발생하는 수직력 즉,
Figure 112007094575731-pat00013
로 정의한다. 이로서, 제1 웨지(120)에 대한 정역학 해석 그리고 제2 웨지(220)에 대한 정역학 해석으로부터 식 1와 같은 제동효율을 얻을 수 있다.
Figure 112007094575731-pat00014
(식 1)
도 3은 도 2의 디스크 회전방향과 반대방향으로 디스크가 회전하는 경우에 디스크에 제동력이 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 디스크(10)가 도 2와 반대방향 즉, 화살표 방향으로 회전할 때 제1 웨지(120)에 구동력 Fm이
Figure 112007094575731-pat00015
각도로 인가되면, 제1 웨지(120)는 웨지면(122)을 따라 디스크(10)로 이동한다. 이때, 제1 웨지(120)에 부착된 브레이크 패드(121)가 디스크(10)에 접촉하여 수직력 Fn1과 마찰력 Fb1을 가한다.
그리고, 제1 웨지(120)의 웨지면(122)과 제1 서포터(130)의 내면(132)은 롤 러(미도시)를 사이에 두고 대면하기 때문에 제1 서포터(130)의 내면(132)은 웨지면(122)에 수직하게 반력 R1을 가한다. 상기 제1 웨지(120)에 대한 정역학 해석으로부터 수직방향으로는
Figure 112007094575731-pat00016
임을 알 수 있고 수평방향으로는
Figure 112007094575731-pat00017
임을 알 수 있다. 작용 반작용의 원리에 의해 제1 웨지(120)는 제1 서포터(130)에 수직방향으로 Fn1을 전달하며 이 전달된 Fn1은 베어링(170)을 통해 수평 플레이트(160)로 전달된다. 이에 따라 수평 플레이트(160)와 결합된 브레이크 캘리퍼(140)의 수직이동에 의해 제1 패드 플레이트(150)가 디스크(10)로 이동하게 되어 제1 패드 플레이트(150)에 부착된 브레이크 패드(151)와 디스크(10)사이에 수직력 Fn1이 발생하게 된다. 이로써 디스크(10)가 브레이크 패드(151)에 수직력 Fn1과 마찰력 Fb1을 가한다.
또한, 작용 반작용의 원리에 의해 제1 웨지(120)는 제1 서포터(130)에 수평방향으로 Fb1을 전달한다. 제1 서포터(130)는 베어링(170)에 의해 평판 플레이트(160)를 따라 수평방향으로 이동할 수 있으며, 따라서 제1 서포터(130)에 전달된 수평방향 힘 Fb1은 수평 바(310)로 전달된다. 수평 바(310)로 전달된 수평방향 힘 Fb1은 베어링(330)을 통해 수직 바(320)로 전달되며(도면 3의
Figure 112007094575731-pat00018
), 따라서 제2 웨지(220)에 수평방향 힘 Fb1이 전달된다. 이로써 제2 웨지(220)가 웨지면(222)을 따라 이동하여 브레이크 패드(223)가 디스크(10)에 접촉함으로써 디스크(10)가 브레 이크 패드(223)에 수직력 Fn2와 마찰력 Fb2를 가하게 된다.
그리고, 상기 제2 웨지(220)의 웨지면(222)은 제2 서포터(230)의 내면(232)과 롤러(미도시)를 사이에 두고 대면하게 되어, 제2 서포터(230)의 내면(232)은 웨지면(222)에 수직방향으로 반력 R2를 가하게 된다. 상기 제2 웨지(220) 대한 수직방향 정역학 해석으로부터
Figure 112007094575731-pat00019
가 됨을 알 수 있다. 작용 반작용의 원리에 의해 제2 웨지(220)는 제2 서포터(230)에 수직방향으로
Figure 112007094575731-pat00020
를 전달하며, 제2 브레이커 캘리퍼(240)에 의해 제2 패드 플레이트(210)가 이동하여 브레이크 패드(211)와 디스크(10)사이에
Figure 112007094575731-pat00021
가 발생한다. 이로써 디스크(10)가 브레이크 패드(211)에 수직력
Figure 112007094575731-pat00022
와 마찰력
Figure 112007094575731-pat00023
를 가하게 된다. 물론, 제2 웨지(220)에서 제2 서포터(230)로 가해지는 수평방향의 힘
Figure 112007094575731-pat00024
는 제2 브레이크 캘리퍼(240)에서 지탱되게 된다.
이 경우 상술한 바와 같이 제동효율을 출력/입력, 입력은 구동력
Figure 112007094575731-pat00025
으로 하고 출력은 디스크(10)의 한 면에서 발생하는 수직력 즉,
Figure 112007094575731-pat00026
로 정의한다. 이로서, 제1 웨지(120)에 대한 정역학 해석 그리고 제2 웨지(220)에 대한 정역학 해석으로부터 식 2와 같은 제동효율을 얻을 수 있다.
Figure 112007094575731-pat00027
(식 2)
이와 같이 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크는 제1 서포터(130)가 베어링(170)을 통해 수평방향 운동을 할 수 있으며, 이로 인해 제1 서포터(130)에 가해진 수평방향 힘은 제1 서포터(130)에 결합된 커넥터(300)를 통해 커넥터(300)과 결합된 제2 웨지(220)에 전달된다. 따라서 추가적인 수직력
Figure 112007094575731-pat00028
와 마찰력
Figure 112007094575731-pat00029
가 디스크(10)의 양면에 작용하여 제동효율이 향상되게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기기계식 브레이크에 의해 디스크에 제동력이 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 디스크 회전방향과 반대방향으로 디스크가 회전하는 경우에 디스크에 제동력이 인가되는 상태를 나타내는 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 디스크 120 : 제1 웨지
121,122,221,222: 웨지면 123,151,211,223: 브레이크 패드
130: 제1 서포터 131,132: 제1 서포터 내면
140: 제1 브레이크 캘리퍼 150: 제1 패드 플레이트
160: 수평 플레이트 170,330: 베어링
220: 제2 웨지 230: 제2 서포터
231,232: 제2 서포터 내면 240: 제2 브레이크 캘리퍼
300: 커넥터 310: 수평 바
320: 수직 바

Claims (4)

  1. 경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 1웨지(wedge);
    상기 제1 웨지와 결합되어 상기 제1 웨지에 가해지는 구동력에 의해 수평 및 수직방향 이동하는 제1 서포터;
    경사각을 가지며, 디스크에 마찰력을 가하는 브레이크 패드를 구비하는 제 2웨지(wedge);
    상기 제2 웨지와 결합되어 상기 제2 웨지에 가해지는 외력에 의해 수직방향 이동하는 제2 서포터; 그리고,
    상기 제1 서포터와 제2 웨지를 상호 연결시켜, 상기 제1 웨지를 통해 제1 서포터에 인가되는 수평방향 외력을 제2 웨지에 전달하는 커넥터를 포함하여 이루어지는 전기기계식 브레이크.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 커넥터는 제1 서포터에 결합되는 수평 바(bar)와,
    상기 수평 바 및 제 2웨지와 각각 결합되어 수평 바에 의해 전해지는 외력을 제2 웨지에 전달하는 수직 바로 이루어지는 전기 기계식 브레이크.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 수평 바와 수직 바는 베어링에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계식 브레이크.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 서포터는 수평방향 이동 가능하도록 제1 서포터의 일측에 구비되는 수평 플레이트와 베어링을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기기계식 브레이크.
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