KR101499776B1 - 차량용 디스크 브레이크 - Google Patents

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KR101499776B1
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구병춘
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Abstract

본 발명에서는 디스크와 패드의 마찰열을 분산시켜 열적 충격 및 열응력을 줄일 수 있는 디스크 브레이크가 개시된다.
일 예로, 차량에 적용되는 디스크 브레이크에 있어서, 원판으로 형성되는 제동 디스크; 및 상기 제동 디스크에 접촉하여 제동을 수행하는 제동 패드를 포함하고, 상기 제동 패드는 상기 제동 디스크의 제동을 수행하는 내경으로부터 외경까지의 영역에 상기 제동 디스크의 중심을 기준으로 서로 다른 거리로 형성된 복수개의 마찰재를 포함하는 디스크 브레이크가 개시된다.

Description

차량용 디스크 브레이크{Disc Brake For Vehicle}
본 발명은 디스크와 패드의 마찰열을 분산시켜 열적 충격 및 열응력을 줄일 수 있는 디스크 브레이크에 관한 것이다.
철도 등 차량의 경우, 차륜에 제동 디스크를 형성하고, 차량의 제동시 제동 디스크에 제동 패드를 접촉하여 마찰력을 통해 제동을 수행하는 디스크 브레이크 방식이 널리 사용되고 있다.
그런데 이러한 디스크 브레이크는 기계적 마찰력을 이용한 제동 방식이기 때문에, 디스크 브레이크의 접합면에서 필연적으로 열이 발생하게 되고, 이러한 열은 열크랙을 발생시키고 재료의 열화를 촉진하여 제동 디스크의 수명에 영향을 주게 된다.
보다 구체적으로, 제동 패드는 돌출된 마찰재가 제동 디스크와 직접적으로 접촉하게 되고, 특히 제동 디스크는 마찰재와 접촉하는 국부 영역에 마찰열이 응집하게 되어 열응력이 집중되므로, 제동 디스크의 수명이 단축될 수 있다.
본 발명은 디스크와 패드의 마찰열을 분산시켜 열적 충격 및 열응력을 줄일 수 있는 디스크 브레이크를 제공한다.
본 발명에 따른 디스크 브레이크는 차량에 적용되는 디스크 브레이크에 있어서, 원판으로 형성되는 제동 디스크; 및 상기 제동 디스크에 접촉하여 제동을 수행하는 제동 패드를 포함하고, 상기 제동 패드는 상기 제동 디스크의 제동을 수행하는 내경으로부터 외경까지의 영역에 상기 제동 디스크의 중심을 기준으로 서로 다른 거리로 형성된 복수개의 마찰재를 포함할 수 있다.
여기서, 복수개의 상기 마찰재는 상기 내경으로부터 외경까지의 영역을 등간격을 이루면서 배치될 수 있다.
그리고 상기 마찰재는 상기 제동 패드가 상기 제동 디스크에 접촉하는 면에 돌출되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 마찰재는 상기 제동 디스크에 접촉하는 영역의 형상이 원형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 마찰재는 상기 제동 디스크에 접촉하는 영역의 형상이 다각형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제동 패드는 상기 제동 디스크의 일면에 대해 일부 영역을 차지하는 면적으로 형성되고, 복수개의 상기 마찰재는 상기 제동 패드의 영역 내에 상기 제동 디스크의 중심으로부터 거리를 달리하도록 배치될 수 있다.
본 발명에 의한 디스크 브레이크는 제동 패드에 형성된 복수개의 마찰재를 제동 디스크의 내경으로부터 외경의 사이에 제동 디스크의 중심을 기준으로 서로 다른 간격을 갖도록 구비함으로써, 마찰열을 골고루 분산시켜 열응력을 감소시키고 재료의 열화를 감소시켜 제동 디스크의 수명을 늘리고 안정된 마찰력을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크의 구성을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크에서 제동 패드의 마찰재가 위치한 거리를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크 브레이크를 도시한 구성도이다.
도 4는 종래 디스크 브레이크에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크의 구성을 도시한 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크에서 제동 패드의 마찰재가 위치한 거리를 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크(100)는 제동 디스크(110)와 제동 패드(120)를 포함하여 구성된다.
상기 제동 디스크(110)는 원판의 형태로 구비되고, 통상적으로 철도 차량의 차륜 등에 결합되어 구비된다. 상기 제동 디스크(110)는 보통 주철 등의 재질로 구비되며, 상기 제동 패드(120)와의 마찰력을 통해 제동 동작을 수행하게 된다.
상기 제동 패드(120)는 백플레이트(121), 마찰재(122), 방진재(도시되지 않음) 등으로 구성되어 캘리퍼에 장착되며, 제동시 제동 디스크(110)와 마찰재(122)의 접촉에 의한 마찰력을 통해 제동 동작을 수행하게 된다.
상기 제동 패드(120)의 마찰재(122)는 상기 제동 디스크(110)와 직접 접촉하여 상기 제동 디스크(110)의 회전을 멈추게 하고, 운동 에너지를 열에너지로 바꾸는 것으로, 단면이 원형 혹은 다각형 모양인 봉 형태로 소결하여 백플레이트에 고정된 것이 일반적이다.
상기 제동 패드(120)는 주행시 상기 제동 디스크(110)의 일면에 이격되어 위치한다. 따라서, 상기 제동 디스크(110)는 차륜에 제동력을 인가하지 않기 때문에, 철도 등 차량이 주행하도록 한다.
한편, 상기 제동 패드(120)는 정지시 상기 마찰재(122)가 상기 제동 디스크(110)의 면에 밀착하도록 가압된다. 상기 마찰재(122)는 상기 제동 디스크(110)에 마찰력을 가하여, 상기 제동 디스크(110)의 회전을 정지시킴으로써, 차량이 정지할 수 있도록 한다.
이를 위해, 상기 제동 패드(120)는 상기 제동 디스크(110)와 접하는 면에 형성된 복수개의 마찰재(122)를 포함한다. 상기 마찰재(122)는 구리, 황동, 청동, 흑연, 실리카 등의 분말을 혼합하고 소결하여 단면이 원형 혹은 다각형 모양인 봉 형태로 제작될 수 있다.
상기 마찰재(122)는 상기 백 플레이트(121)로부터 돌출되어 형성되며, 제동시 상기 제동 디스크(110)의 면에 직접적으로 접촉한다. 상기 마찰재(122)는 9개가 구비된 것으로 도시되어 있으나, 상기 개수로서 본 발명의 내용을 한정하는 것은 아니며, 당업자의 필요에 따라 적절한 개수로 변경되는 것이 가능하다.
도 2를 참조하면, 복수개의 상기 마찰재(122)는 상기 제동 디스크(110)의 중심을 기준으로, 반경 방향으로 상호간에 다른 거리(r)를 갖도록 배치된다. 즉, 상기 마찰재(122) 각각이 상기 제동 디스크(110)의 중심으로부터 이격된 거리(r)는 모두 다르다. 여기서, 도 2에서 보듯이, 상기 거리(r)는 상기 제동 디스크(110)의 중심으로부터 상기 마찰재(122) 각각의 중심까지의 거리로 정의된다. 보다 상세히, 이러한 배치는 상기 제동 디스크(110)의 제동을 수행하기 위한 내경으로부터 외경의 영역 중, 중심으로부터 가장 가까운 것부터 가장 먼 것까지의 거리를 등간격으로 나누고, 여기에 상기 마찰재(122)의 중심을 배열함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 제동 디스크(110)가 상기 마찰재(122)와 접촉하여 마찰하는 영역은 각 마찰재(122)별로 중복을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 마찰재(122)들이 상기 제동 디스크(110)에 균일하게 마찰되도록 함으로써, 마찰열의 분포를 균일하게 하여 제동 디스크(110)에 국부적으로 열 하중이 집중되는 것을 방지하여 열크랙의 발생을 억제하고 제동 디스크(110)의 열화를 방지하여 수명을 늘리고 안정된 마찰력을 확보할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제동 패드의 구성을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크 브레이크를 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크 브레이크(200)는 제동 디스크(110)와 제동 패드(220)를 포함한다. 여기서, 상기 제동 디스크(110)는 앞서 설명한 실시예와 동일하다.
상기 제동 패드(220)는 백 플레이트(121)와 다각형으로 형성된 마찰재(222)를 포함하여 구성된다. 상기 마찰재(222)는 보다 구체적으로 사각형의 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 다각형의 형상은 원형에 비해 상기 마찰재(222)가 상기 제동 디스크(110)에 접촉하는 면적을 증가시켜 제동력을 보다 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 제동 패드의 효과를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 종래 디스크 브레이크에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 종래의 디스크 브레이크는 제동 패드에 마찰재들이 적어도 2개가 중복되도록 형성되어 있다. 보다 상세하게, 종래의 디스크 브레이크 중에서 가장 널리 많이 사용되는 형태인, 마찰재를 제동 디스크의 중심에 가까운 것을 1번, 가장 먼 것을 9번으로 하여, 9개의 마찰재를 배치하되, 2번과 3번, 4번과 5번, 7번과 8번이 대략 동심원 상에 위치하도록 배치한 디스크 브레이크로서 실험을 진행하였다.
실험의 조건으로는 제동 디스크의 외경 640[mm], 내경 350[mm], 마찰재의 직경 40[mm], 길이 20[mm]로 구비하였다. 또한, 차량 속도 약 80[km/h]에 대응되도록 제동 디스크의 회전 속도를 50[rad/s]로 진행하였고 마찰재의 표면 압력은 2[MPa]로서 진행하였다.
도 4는 이러한 조건에서 제동을 수행한 후, 5초 후에 제동 디스크 표면을 중심으로부터 거리를 달리하여 31개 지점에서 온도를 측정한 것이다.
도 4를 참조하면, 최고 온도는 약 288[℃]까지 올라간 것을 확인할 수 있고, 이에 따라 제동 디스크에 국부적인 열 응집이 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크(100)에서 동일한 조건으로 실험을 수행한 결과이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크(100)의 사용시, 최고 온도는 약 19% 감소한 약 230[℃]로 나타나서, 제동 디스크(110)의 온도가 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 5의 결과는 도 4와 비교하면, 제동 디스크(110)의 표면 온도간 편차가 도 4에 비해 작게 형성되고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 이를 통해 비교할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크 브레이크(100)가 종래의 구성에 비해 제동 디스크(110)의 마찰열을 분산시켜, 열적 충격을 줄이고 열응력을 낮추어 열크랙의 발생을 억제하여 수명을 연장시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 디스크 브레이크를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100, 200; 디스크 브레이크 110; 제동 디스크
120, 220; 제동 패드 121; 백 플레이트
122, 222; 마찰재

Claims (6)

  1. 차량에 적용되는 디스크 브레이크에 있어서,
    원판으로 형성되는 제동 디스크; 및
    상기 제동 디스크에 접촉하여 제동을 수행하는 제동 패드를 포함하고,
    상기 제동 패드는 상기 제동 디스크의 제동을 수행하는 내경으로부터 외경까지의 영역에 상기 제동 디스크의 중심을 기준으로 서로 다른 거리로 형성된 복수개의 마찰재를 포함하되,
    상기 마찰재가 형성된 거리는 상기 제동 디스크의 중심으로부터 상기 마찰재 각각의 중심까지의 거리로 정의되고,
    복수개의 상기 마찰재는 각각의 거리가 상기 제동 디스크의 내경으로부터 외경까지의 영역을 등간격으로 이루도록 배치되어 상기 제동 디스크와 접하는 전체 면적에서 균일하게 접촉하는 디스크 브레이크.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰재는 상기 제동 패드가 상기 제동 디스크에 접촉하는 면에 돌출되어 형성된 디스크 브레이크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰재는 상기 제동 디스크에 접촉하는 영역의 형상이 원형으로 형성된 디스크 브레이크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마찰재는 상기 제동 디스크에 접촉하는 영역의 형상이 다각형으로 형성된 디스크 브레이크.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제동 패드는 상기 제동 디스크의 일면에 대해 일부 영역을 차지하는 면적으로 형성되고,
    복수개의 상기 마찰재는 상기 제동 패드의 영역 내에 상기 제동 디스크의 중심으로부터 거리를 달리하도록 배치된 디스크 브레이크.
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Citations (4)

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