KR101897367B1 - 브레이크 디스크 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 브레이크 디스크는, 자동차용 브레이크 디스크로서, 중앙에 삽입공간이 형성된 원판 형상의 디스크부, 상기 삽입공간에 배치되고 그 외주면에 홈이 형성된 허브부 및 상기 디스크부와 상기 허브부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부는, 상기 디스크부의 내주면으로부터 연장 형성되고 양측면이 곡면으로 형성된 곡선구간과, 상기 곡선구간으로부터 연장 형성되고 양측면이 평면으로 형성되어 상기 홈에 삽입되는 직선구간으로 구분되되, 상기 곡선구간 및 상기 직선구간은 상기 허브부에 가까워질수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

브레이크 디스크 {BRAKE DISK}

본 발명은 브레이크 디스크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종 재질을 결합시켜 제조한 브레이크 디스크에 관한 것이다.

자동차에 적용되는 브레이크 디스크는 크게 구동축과 연결되는 허브부와, 마찰재와 접촉하는 디스크부를 포함하여 구성된다.

이 중에서 디스크부는 실질적으로 마찰력을 발생시켜 운동에너지를 열에너지로 변환시키기 때문에 높은 내열성과 내마모성 등의 물성이 요구되는데, 이를 위해서는 주철 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

그러나 주철은 철을 기반으로 하기 때문에 밀도가 높고, 이에 따라 중량이 크게 늘어나는 문제가 있었다.

따라서 브레이크 디스크를 경량화시키기 위해, 직접적으로 마찰이 발생하는 디스크부는 주철 재질을 유지하면서, 이를 구동축과 연결시키는 허브부의 재질을 알루미늄 합금으로 교체하여 경량화하는 기술이 개발되었다.

그러나 주철과 알루미늄 합금은 용접 등에 의한 면접합이 어렵기 때문에, 돌출부와 홈을 이용하여 구조적으로 결합시키는 방법이 사용되고 있다.

즉, 예를 들어 주철 재질의 디스크부를 고리 형상으로 제조하고, 디스크부의 내주면에서 돌출된 연결부를 감싸도록 알루미늄 용탕을 주입하여 허브부를 형성시킴으로써, 이종재질로 형성된 디스크부와 허브부를 일체로 결합시킬 수 있는 것이다.

종래의 디스크부와 허브부의 결합 구조가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 디스크부(10)의 내주면에서 연결부(30)가 돌출되어 허브부(20)의 홈(21)에 삽입됨으로써 디스크부(10)와 허브부(20)가 한몸으로 회전 가능하게 설치된다.

이때, 연결부(30)는 디스크부(10)의 내주면에서 연장되는 곡선구간(31)과, 곡선구간(31)의 단부에서 연장되는 평행구간(32)과, 평행구간(32)의 단부에서 연장되는 경사구간(33)으로 구분된다.

이때, 곡선구간(31)과 경사구간(33)은 허브부(20)에 가까워질수록 점차 폭이 좁아지는 형태로 형성되고, 평행구간(32)은 폭이 일정하게 형성되어 허브부(20)의 홈(21) 내측면에 맞닿게 설치된다.

이러한 구조로 디스크부(10)와 허브부(20)를 연결시킬 경우, 제동시 마찰열에 의한 열팽창 및 열응력이 발생하더라도 디스크부(10)과 허브부(20)의 결합을 안정적으로 유지시킬 수 있다.

그러나 주철과 알루미늄 합금은 열팽창율에 차이가 있고, 디스크부(10)에서 발생된 열이 허브부(20)로 전달되면서 순간적으로 디스크부(10)가 수축하면서 허브부(20)가 팽창되면, 디스크부(10)와 허브부(20) 사이의 응력에 의해 마찰가진(Stick-Slip)이 발생하면서 소음이 발생하게 된다.

마찰가진은 응력(N) X 마찰계수차{정지마찰계수(μ_s) - 운동마찰계수(μ_k)}에 의해 계산되는 가진력에 비례하여 커지고, 이에 따라 소음이 커지게 되는바, 이러한 소음을 감소시키기 위해서는 디스크부와 허브부 사이의 응력을 감소시켜야 하는 것이다.

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.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 마찰가진에 의해 발생하는 소음을 감소시킬 수 있는 브레이크 디스크를 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크는, 자동차용 브레이크 디스크로서, 중앙에 삽입공간이 형성된 원판 형상의 디스크부, 상기 삽입공간에 배치되고 그 외주면에 홈이 형성된 허브부 및 상기 디스크부와 상기 허브부를 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 연결부는, 상기 디스크부의 내주면으로부터 연장 형성되고 양측면이 곡면으로 형성된 곡선구간과, 상기 곡선구간으로부터 연장 형성되고 양측면이 평면으로 형성되어 상기 홈에 삽입되는 직선구간으로 구분되되, 상기 곡선구간 및 상기 직선구간은 상기 허브부에 가까워질수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 직선구간의 양측면으로부터 각각 연장된 가상의 연장선이 교차하는 지점과 상기 연결부 사이의 거리는, 상기 허브부의 중심점과 상기 연결부 사이의 거리 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 곡선구간과 상기 직선구간이 접하는 지점을 직선구간의 기점으로 하고, 상기 직선구간이 하기 식 1을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

식 1: 0.2≤R/L≤1

(단, R은 허브부의 중심점과 직선구간의 기점 사이의 거리, L은 직선구간의 양측면으로부터 각각 연장된 가상의 연장선이 교차하는 지점과 직선구간의 기점 사이의 거리이다.)

상기 곡선구간은, 상기 연결부가 상기 디스크부로부터 상기 허브부에 가까워질수록 폭이 점차 완만하게 좁아지도록 오목하게 굴곡진 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 홈은, 그 양측면이 상기 직선구간의 양측면이 이루는 각도와 대응되는 각도의 빗면을 이루도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 허브부의 홈과 상기 연결부의 직선구간 사이의 좌우 방향 결합 응력은 20~350MPa인 것을 특징으로 한다.

상기 곡선구간과 상기 직선구간 사이에는, 상기 연결부의 폭이 좁아지지 않고 일정하게 유지되는 별도의 구간이 형성되지 않은 것을 특징으로 한다.

상기 디스크부는 주철 재질로 형성되고, 상기 허브부는 알루미늄 합금 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 브레이크 디스크에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 이종 재질의 결합부에서 발생하는 마찰가진을 감소시켜 소음 발생을 억제할 수 있다.

둘째, 소음 발생을 억제할 수 있을 정도로 접촉응력을 감소시키면서도, 디스크부와 허브부의 결합 상태를 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 브레이크 디스크의 단면도,
도 2는 종래의 브레이크 디스크의 A 부분 확대 단면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크의 B 부분 확대 단면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 디스크의 직선구간 형성 각도를 설명하기 위한 도면이다.

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 디스크에 대하여 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브레이크 디스크는 크게 디스크부(100), 허브부(200) 및 연결부(300)로 형성되어 있다.

디스크부(100)는 마찰재(미도시)와 접하여 마찰되면서 운동에너지를 열에너지로 변환시키면서 자동차를 제동시키는 구성이다. 디스크부(100)는 높은 내열성 및 내마모성을 나타낼 수 있는 주철 재질로 형성되는 것이 바람직할 것이다.

디스크부(100)는 원판 형태로 형성되는데, 그 중앙부가 두께 방향으로 통공되어 후술할 허브부(200)가 배치될 공간이 마련된다. 즉, 디스크부(100)의 상면 또는 하면에는 마찰재가 접하여 마찰되고, 내주면 방향에 허브부(200)가 배치되는 것이다.

허브부(200)는 자동차의 휠 및 구동축과 한몸으로 회전할 수 있도록 설치된 구성이다. 이를 위해 중심점(C)을 따라 휠 또는 구동축과 연결될 수 있는 구조가 형성될 수 있다.

디스크부(100)와 허브부(200) 자체는 종래의 브레이크 디스크와 유사하므로, 그 역할 등에 대한 더 자세한 설명은 생략하도록 한다.

연결부(300)는 본 발명의 핵심적인 구성으로서, 구체적으로는 곡선구간(310)과 직선구간(320)으로 구분되어 디스크부(100)의 내주면으로부터 돌출 형성되고, 그 단부가 허브부(200)에 형성되어 있는 홈(210)에 삽입된다.

이때, 연결부(300)는 디스크부(100)로부터 허브부(200)로 향하면서 점차 폭이 좁아지도록 형성되어 있다.

도 1 및 2에 도시되어 있는 종래의 연결부(30)는 그 양측면의 형상이 세 부분으로 구분될 수 있지만, 본 발명에 따른 연결부(300)는 그 양측면의 형상이 두 부분으로 구분되어 있다.

구체적으로, 연결부(300)는 디스크부(100)의 내주면으로부터 허브부(200) 방향으로 순차적으로 형성된 곡선구간(310)과 직선구간(320)으로 구분되어 있는데, 곡선구간(310)은 그 폭이 좁아지는 정도가 점차 완만해지도록 양측면이 오목한 형태의 곡면을 이루고 있고, 직선구간(320)은 그 폭이 좁아지는 정도가 일정하도록 양측면이 평면을 이루고 있다.

즉, 연결부(300)의 양측면은 서로 대칭되는 형상으로 형성되는데, 곡선구간(310)은 y축을 중심으로 하는 코사인 곡선과 같이 대칭적인 오목한 곡선 형태를 이루고 있고, 직선구간(320)은 곡선구간(310)의 단부가 이루는 최종 각도를 따라 연장된 평면 형상으로 형성된다.

중요한 것은, 곡선구간(310)과 직선구간(320) 사이에 종래의 평행구간(도 2, 32)과 같이 폭이 변하지 않는 구간이 없어야 하는 것이다. 즉, 연결부(300)에서 폭이 변하지 않는 구간이 홈(210)에 삽입되어 고정될 경우, 결합 응력이 지나치게 높아져 마찰가진에 의해 소음이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 연결부(300)는 곡선구간(310)과 직선구간(320) 모두 점차 폭이 좁아지는 형태로 구성되어야 하는 것이다.

연결부(300) 중 곡선구간(310)의 곡면 반지름, 길이 등은 디스크부(100)와 허브부(200) 사이의 갭(G)의 크기나 브레이크 디스크 전체 크기 등에 따라 달라질 수 있다.

연결부(300) 중 직선구간(320)이 이루는 각도는, 연결부(300) 양측면에 각각 형성된 직선구간(320)을 따라 허브부(200) 방향으로 연장된 가상의 선이 서로 교차하는 지점이 허브부(200)의 중심점이거나, 연결부(300)에서 허브부(200)의 중심점보다 먼 지점인 것이 바람직하다.

즉, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 직선구간(320)에서 연장된 가상의 연장선(L)이 서로 교차하는 지점은, 허브부(200)의 중심점(C)과 동일하거나, 연결부(300)에서의 이격 거리가 허브부(200)의 중심점(C)까지의 거리보다 크게 형성되어야 한다.

더 구체적으로는, 한 쌍의 직선구간(320)의 기점, 즉 곡선구간(310)과 접하는 지점에서 연장된 연장선(L)의 길이와, 한 쌍의 직선구간(320)의 기점에서 허브부(200)의 중심점(C) 사이를 잇는 가상선(R)의 길이가 식 1을 만족하도록 형성되어야 한다.

식 1: 0.2≤R/L≤1

	평행구간 길이(mm)	오프셋(R/L)	결합력(Kgf)		평균 응력(MPa)
			상하	좌우	상하	좌우
비교예 1	5.5	0	2782	3530	105	403
비교예 2	0	1.11	1783	-	68	-
비교예 3	0	0.13	2526	3401	97	388
실시예 1	0	1	1839	240	70	28
실시예 2	0	0.91	1908	638	73	74
실시예 3	0	0.27	2006	1265	76	146
실시예 4	0	0.40	2222	2677	85	305

본 발명에 따라 제조된 브레이크 디스크의 실시예와, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예에 대해 디스크부(100) 및 허브부(200)의 결합력과 평균 응력을 측정한 결과가 표 1에 나타나 있다.

비교예 1은 도 1 및 2에 도시되어 있는 종래의 브레이크 디스크로서, 연결부(30)의 양측면이 세 구간으로 나누어져 있고, 이 중에서 평행구간(32)이 5.5mm의 길이만큼 형성되어 홈(21)에 삽입되게 된다.

비교예 1은 결합력과 평균 응력이 모두 높게 측정되어, 디스크부(10)와 허브부(20)가 견고하게 결합될 수는 있지만, 마찰가진에 의한 소음이 발생하는 문제가 있다.

비교예 2는 평행구간을 삭제하였지만, 상술한 식 1에 의해 계산된 오프셋값이 1을 초과하였고, 이는 직선구간(320)이 이루는 각도가 급한 것, 즉 직선구간(320)의 연장선이 교차하는 지점이 허브부(200)의 중심점(C)보다 가까운 경우를 의미한다.

비교예 2는 결합력 및 평균 응력이 크게 감소하여 마찰가진이 발생하지 않게 되었지만, 결합 강도가 너무 낮기 때문에 연결부(300)가 허브부(200)의 홈(210)으로부터 이탈되어 좌우 방향 결합력 및 평균 응력을 측정할 수 없었다.

비교예 3은 평행구간을 삭제하였지만 상술한 식 1에 의해 계산된 오프셋값이 0.2를 미달하였고, 이는 직선구간(320)이 이루는 각도가 완만한 것, 즉 한 쌍의 직선구간(320)이 평행에 가깝게 형성되는 것을 의미한다.

비교예 3은 결합 강도에는 문제가 없었지만, 결합력 및 평균 응력이 비교예 1과 크게 다르지 않기 때문에 마찰가진에 의한 소음이 발생하는 문제가 여전히 발생하였다.

이에 비해, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4는 모두 평행구간이 존재하지 않고, 상술한 식 1에 따라 계산된 오프셋 값이 0.2~1의 범위를 만족하여, 비교예 1 및 비교예 3에 비해 낮은 결합력 및 평균 응력을 나타내 소음 발생을 억제하였고, 비교예 2와 같이 결합이 해제되는 문제 또한 발생하지 않았다.

이렇게 마찰가진에 의한 소음을 억제하면서 안정적인 결합력을 유지할 수 있도록, 허브부(200)의 홈(210)과 연결부(300)의 직선구간(320) 사이의 좌우 방향 평균 응력은 20~350MPa의 범위를 만족해야 한다. 또한, 직선구간(320)이 이루는 각도와, 홈(210)이 이루는 측면 각도는 서로 대응되게 형성되어 직선구간(320)과 홈(210)이 밀착할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 도 5에는 연결부(300), 중심점(C), 직선구간(320)의 연장선(L)이 교차하는 지점이 같은 선상에 위치하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 직선구간(320)의 연장선(L)이 교차하는 지점이 연결부(300)와 중심점(C)을 잇는 선상에서 벗어나게 배치될 수도 있다.

즉, 한 쌍의 직선구간(320)이 이루는 각도가 완벽히 대칭을 이루지 않고, 결과적으로 한 쌍의 연장선(L)의 길이가 서로 다를 수 있다. 이때, 각각의 연장선(L)과 그에 대응되는 가상선(R)의 길이는 앞서 설명한 오프셋(R/L)의 범위를 만족해야 한다.

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: (종래) 디스크부 20: (종래) 허브부
30: (종래) 연결부 31: (종래) 곡선구간
32: (종래) 평행구간 33: (종래) 경사구간
100: 디스크부 200: 허브부
210: 홈 300: 연결부
310: 곡선구간 320: 직선구간
C: 중심점

Claims (8)

1. 자동차용 브레이크 디스크로서,
   중앙에 삽입공간이 형성된 원판 형상의 디스크부;
   상기 삽입공간에 배치되고 그 외주면에 홈이 형성된 허브부; 및
   상기 디스크부와 상기 허브부를 연결하는 연결부;를 포함하고,
   상기 연결부는, 상기 디스크부의 내주면으로부터 연장 형성되고 양측면이 곡면으로 형성된 곡선구간과, 상기 곡선구간으로부터 연장 형성되고 양측면이 평면으로 형성되어 상기 홈에 삽입되는 직선구간으로 구분되되, 상기 곡선구간 및 상기 직선구간은 상기 허브부에 가까워질수록 폭이 좁아지도록 형성되며,
   상기 곡선구간과 상기 직선구간이 접하는 지점을 직선구간의 기점으로 하고, 상기 직선구간이 하기 식 1을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   식 1: 0.2≤R/L≤1
   (단, R은 허브부의 중심점과 직선구간의 기점 사이의 거리, L은 직선구간의 양측면으로부터 각각 연장된 가상의 연장선이 교차하는 지점과 직선구간의 기점 사이의 거리이다.)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 직선구간의 양측면으로부터 각각 연장된 가상의 연장선이 교차하는 지점과 상기 연결부 사이의 거리는, 상기 허브부의 중심점과 상기 연결부 사이의 거리 이상인 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 곡선구간은, 상기 연결부가 상기 디스크부로부터 상기 허브부에 가까워질수록 폭이 점차 완만하게 좁아지도록 오목하게 굴곡진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 홈은, 그 양측면이 상기 직선구간의 양측면이 이루는 각도와 대응되는 각도의 빗면을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 허브부의 홈과 상기 연결부의 직선구간 사이의 좌우 방향 결합 응력은 20~350MPa인 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 곡선구간과 상기 직선구간 사이에는, 상기 연결부의 폭이 좁아지지 않고 일정하게 유지되는 별도의 구간이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 디스크부는 주철 재질로 형성되고, 상기 허브부는 알루미늄 합금 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는, 브레이크 디스크.
   

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