KR101972270B1 - 자동차용 방열 특성이 향상된 경량화 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법 - Google Patents

자동차용 방열 특성이 향상된 경량화 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 브레이크 디스크 보다 방열성능 향상되고 경량화 된 신개념 하이브리드 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마찰파트인 주철 소재로 이루어진 상판 및 하판; 그리고 상판 및 하판을 고정 시키기 위한 복수의 리브로 연결되며, 경량화와 방열특성 향상을 위해 용융된 알루미늄 합금을 마찰파트인 상판 및 하판 사이와 허브(hub)부분을 원심주조 공법을 활용하여 일체로 형성되는 일체형 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

자동차용 방열 특성이 향상된 경량화 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법{Intergral Type Hybrid Brake Disc of Lightweight with improved heat radiation characteristics for car and its manufacturing method}
본 발명은 자동차 제동장치에 사용되는 브레이크 디스크에 관한 것으로, 상세히는 열 방출 극대화와 차축 결합부를 일체형으로 한, 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
석유 에너지의 부족 및 기후 변화 문제로 전세계 자동차 업체는 연비 향상을 위한 기술개발에 총력을 기울이고 있다. 그 중 연비 향상을 위한 기술로 성능 저하 없이 차량을 경량화 하는 기술이 주목 받고 있다. 또한, 미래 자동차는 환경규제에서는 연비 및 배출 가스에 대한 규제가 강화 되지만 시장에서는 경량화에 역행하는 각종 편의 장치, 지능형 자율주행 보조 장치 및 충돌 안전성 확보에 대한 소비자의 요구가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 차량의 하부에 있어서 중량의 감소는 차량의 성능과 연비에 직접적인 영향을 주게 되는데, 휠 구동 부하와 직접적으로 연관되어 있는 언스프렁 매스(unsprung mass)의 저감은 연비 향상에 효율적이므로, 관련된 기술의 진보는 최근들어 매우 급진적이라고 할 수 있다. 이 중 언스프렁 매스(unsprung mass)의 주요 중량을 차지하고 있는 브레이크 디스크의 성능을 저하시키지 않고 경량화할 수 있는 방안으로서 알루미늄과 회주철을 혼합시켜 브레이크 디스크를 제작하는 기술이 각광받고 있다. 또한 브레이크 디스크의 문제점은 과도한 열을 받으면 크게 2가지 좋지않은 현상이 발생하며, 첫 번째로 페이드 현상 이며, 이 현상은 브레이크 로터와 패드 사이에서 일어나는 마찰열이 증가하여 마찰계수를 떨어뜨리는 현상을 말하는데, 페이드 현상이 일어나게 되면 마찰계수가 떨어지면서 브레이크가 밀리게 되는데 체감적으로는 브레이크 페달이 딱딱해지고 떨림현상이 동반되면서 제동이 안되고 밀리게 된다. 특히, 운동 에너지를 얼마나 신속하게 열에너지로 바꿀 수 있는지, 그리고 발생한 열에너지를 얼마나 효율적으로 제거할 수 있는지, 그리고 이 과정이 얼마나 빠르고 일정하게 일어나는지가 디스크 브레이크의 성능을 결정한다. 열에 의한 문제점 두번째로 베이퍼록 현상이 있는데 이 현상은 브레이크 액이 높은 온도에서 기화되는 현상을 말하는 것으로 브레이크액 라인에 생긴 기포나 가스들이 제동력을 반감시키게 되며, 여기서 제동력이란 진공 배력 장치에서 캘리퍼에 가해지는 압력을 말하며, 체감적으로는 페달이 힘없이 쑥 들어가면서 브레이크가 밀리는 현상을 느끼게 됨으로 캘리퍼의 피스톤까지 브레이크 포스가 잘 전달되지 못하는 것이다.
따라서, 이러한 특성을 저감시키기 위하여 회주철과 알루미늄의 이종 재질을 이용한 브레이크 디스크가 개발될 필요가 있었던 것이고, 두 이종의 재질을 기계적으로 완벽히 결합하여 내구성을 만족하면서도 방열성이나 변형 저항력 등의 성능요구사항을 만족시킬 수 있는 디스크 구조가 필요하였던 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기존 브레이크 디스크 보다 방열성능 향상되고 경량화 된 신개념 하이브리드 브레이크 디스크 및 이의 제조 방법의 제공으로서, 보다 상세하게는 마찰파트인 주철 소재로 이루어진 상판 및 하판; 그리고 상판 및 하판을 고정 시키기 위한 복수의 리브로 연결되며, 경량화와 방열특성 향상을 위해 용융된 알루미늄 합금을 마찰파트인 상판 및 하판 사이와 허브(hub)부분을 원심주조 공법을 활용하여 일체로 형성되는 일체형 브레이크 디스크 제공 및 이의 제조 방법 제공에 관한 것이다.
본 발명은,
주철로 제작된 마찰파트; 및
알루미늄을 주성분으로 한 알루미늄 합금 소재로 제작된 허브파트;를 포함하고,
상기 마찰파트는 고리형 상판;
상기 고리형 상판과 이격된 디스크형 하판; 및
상기 상판과 하판을 연결하는 브릿지 형태의 리브;를 포함하며,
상기 허브파트는 상기 마찰파트의 상판과 하판 사이 및 고리형 상판의 중심 개구부에 용탕으로 충진되어 마찰파트와 허브파트는 일체형으로 제작된 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
상기에 있어서, 마찰파트는 탄소(C):3.0~3.8중량%, 규소(Si):1.0~2.0중량%, 망간(Mn):0.5~1.0중량%, 인(P):0.01~0.10중량%, 황(S):0.02~0.10중량%, 구리(Cu):0.3~1.0중량%, 주석(Sn):0.05~0.1중량%, 크롬(Cr):0.1~0.5중량%, 몰리브덴(Mo):0~0.05중량% 그리고 잔부는 철을 포함하는 주철 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
상기에 있어서, 허브파트는 규소(Si): 4~15중량%를 포함한 알루미늄 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 허브파트는 중심부로부터 외측으로 뻗어 방사상으로 배열된 다수의 방열홀을 구비하며, 상기 방열홀의 직경은 중심부에서보다 외측에서 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 마찰파트의 상판과 하판의 외면부는 다수의 기울어진 선분 또는 호 형상의 홈 또는 슬릿을 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 마찰파트의 상판과 하판의 내면부는 다수의 결합돌기를 구비한 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기 마찰파트는 고리형 상판;
상기 고리형 상판과 이격된 디스크형 하판; 및
상기 상판과 하판을 연결하는 브릿지 형태의 리브;를 포함하여 주철로 구성된 마찰파트;를 하부금형에 안착하는 단계;
상기 하부금형에 대해 상부금형을 배치하는 단계;
금형전체를 회전시키면서 알루미늄 합금 용탕을 금형 내부에 주입하는 단계; 및
소정 시간이 지난 후 상부금형을 개방하고 마찰파트와 일체형으로 제작된 허브파트를 포함한 제1항의 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 꺼내는 단계;를 포함하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 제조방법을 제공한다.
상기에 있어서, 마찰파트와 알루미늄 합금의 허브파트 공극거리 최소화를 위해 금형 온도는 400~450℃로 하고, 용융된 알루미늄 합금 온도는 650~700℃로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 제조방법을 제공한다.
상기에 있어서, 공정 도중 마찰파트의 온도를 안정적으로 제어 하기 위해 별도의 가열로 장치를 적용하여 마찰파트의 온도를 450~500℃ 제어 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 방열성이 우수하고 가벼운 알루미늄 합금 재로 내부를 채우고 제동력이 우수한 주철로 마찰파트를 구성함으로써 안전성과 고 신뢰도의 브레이크 디스크를 제공할 수 있다.
또한, 원심 주조를 활용하여 알루미늄 합금 재를 주철로 된 마찰파트와 일체형으로 제작하여 이종 소재 간의 결합을 견고히 할 수 있다.
본 발명의 하이브리드 브레이크 디스크를 장착한 차량의 경우 제동거리가 줄어든다.
도 1은 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 형상을 보여주는 사시도이다.
도 2는 알루미늄 합금 원심 주조 공정 모식도이다.
도 3은 제작된 경량화 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 사진이다.
도 4는 온도 편차에 따른 이종 접합부 공극 거리 표이다.
도 5는 다이나모미터 성능테스트 제동 거리 분석 표이다.
도 6은 도 1의 브레이크 디스크 상하판 내측에 형성된 결합돌기를 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 자동차용 브레이크 디스크(100)는 도 1에 도시된 형상을 나타내며, 디스크 두께면에 다수의 방열구가 형상되어 있는 것을 볼 수 있다. 도 2에는 제조과정과 그에 따른 구체적인 구조를 보여준다.
브레이크 디스크의 경량화 및 방열특성 향상을 위해 마찰파트는 주철 소재로 만들고, 여기에 주축과 연결되는 허브 부분은 경량의 알루미늄으로 만들되, 두 가지 이종 소재를 일체형으로 만들기 위하여 원심 주조로 제작한다. 즉, 상판(10)과 하판(20) 그리고 도 1에서는 보이지 않지만 상판과 하판을 연결하는 리브가 다수 형성된 마찰파트를 먼저 주철로 주조한 다음, 이것을 금형에 안치하고 알루미늄 합금 용탕을 금형 내부에 주입하여 상판과 하판 사이에 알루미늄 합금으로 된 허브파트를 형성한다. 이러한 제조방법은 서로 다른 소재들을 완벽히 일체형으로 만들어 주어 물리적 분리 문제를 염려할 필요가 없으며, 주철의 안정적인 마찰제동력과 더불어 알루미늄 합금의 경량성과 높은 열 전도성을 모두 구비한 하이브리드 브레이크 디스크를 제공할 수 있다.
도 1과 도 2에 도시된 브레이크 디스크(100)는 상판(10)과 하판(20) 그리고 그 사이에 샌드위치된 알루미늄 합금 허브파트(30)를 구비하며, 상기 허브파트(30)는 고리형 상판(10)의 중심부를 메우기도 한다. 허브파트(30)는 브레이크 디스크 두께면에 다수의 홀(hole)(40)을 구비하며, 이들은 방열의 통로가 된다. 고리형 상판(10)의 중심부를 메우고 있는 허브파트(30)에도 연직방향으로 뚫린 홀이 다수 형성된다. 중심부를 메우고 있는 허브파트와 두께면을 채우고 있는 허브파트는 일체로 되어 있으며 이는 도 2에 보인 바와 같이 원심주조로 형성되기 때문이다.
도 2에는 상판(10)과 하판(20) 그리고 이들을 연결하는 리브(50)를 포함한 마찰파트(60)와 알루미늄 합금으로 된 허브파트(30)가 결합되는 원심 주조 공정이 도해되어 있다. 주철로 만들어진 마찰파트(60)를 하금형에 셋팅한 다음, 상금형을 하강시키고, 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 원심주조함으로써 일체형으로 된 하이브리드 브레이크 디스크가 완성된다.
즉, 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 제작하기 위해 마찰파트를 제작된 금형에 장착 후 금형 전체가 회전하고 있는 동안 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 원심력을 활용하여 허브(hub) 파트와 함께 일체형으로 형성되는 브레이크 디스크를 제작한다.
마찰파트와 알루미늄 합금의 공극거리 최소화를 위해 금형 온도는 400~450℃로 하고, 그에 따라 마찰파트 온도도 450~500℃로 유지된다. 용융된 알루미늄 합금 온도는 650~700℃로 온도변화(ΔT)를 최소화하도록 공정을 최적화한다.
상기에 있어서 공정 도중 마찰파트의 온도를 안정적으로 제어 하기 위해 별도의 가열로 장치를 활용하여 온도를 450~500℃ 제어 한다.
상기 브레이크 디스크(100) 구조는 도 2의 하단에 절단면도에 잘 나타나있다. 마찰파트 상판(10)은 고리형으로 구성되고 마찰력에 의해 정지력을 발휘하는 하판(20)은 디스크 형상으로 구성된다. 주철로 구성된 마찰파트를 금형에 넣은 후 알루미늄 합금 용탕을 부어 허브파트가 마찰파트와 결합 형성되도록 원심주조된 하이브리드 브레이크 디스크(100)는 경량성과 방열성이 우수한 알루미늄 소재로 채워지게 된다. 원심주조로 인해 허브파트(30)의 중심부에는 원형 개구부가 형성되며, 상판과 하판 사이를 채우는 부분은 방사상으로 관통되는 다수의 홀(40)을 구비한다. 상기 홀을 통해 제동과정에서 발생된 열을 신속히 배출하며, 알루미늄 자체가 열 전도율이 높아 허브 파트(30) 몸체 전체가 방열체가 될 수 있다. 허브 파트(30) 중심부는 마찰파트에 비해 상부로 솟아오른 형상을 나타내며, 여기에도 연직방향으로 뚫린 홀을 다수 구비하며, 솟아오른 몸체에도 방사상으로 관통된 홀을 구비할 수 있다. 상기 홀과 중심의 원형 개구부도 방열에 도움을 줄 수 있다.
즉, 방열 효과를 극대화 화기 위해 상판과 하판을 연결하는 리브 사이에 원형 또는 타원형(사이즈: 바깥쪽 지름(φ): 5~10mm, 안쪽 지름홈(φ): 3~5mm 이내)의 비대칭형 홀을 일정 간격으로 24~36개 정도 배열되게 한다. 이러한 방열 홀로 인해 신속하게 열이 방출되어 안전하고 고 신뢰도의 제동동작을 실시할 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따라 제작된 하이브리드 브레이크 디스크의 사진을 수록하였다. 방열 효과 및 분진 배출을 위해 디스크 상판과 하판 외면부에 호 형상의 무늬가 보이며, 이는 일정한 간격으로 방사형으로 배열하여 형성하되 폭:2~4mm, 깊이: 0.1~1mm 이내, 반지름에 대해 기울어진 기울기는 50~60°이내로 직선 또는 원호의 홈을 형성한 것이다. 홈 이외에 슬릿의 형태로 형성될 수도 있다. 상기 하이브리드 브레이크 디스크의 사이즈는 파이 사이즈로 280 내지 380mm(디스크 원주 길이)로 제작될 수 있다.
상기에 있어서, 마찰파트에 형성되는 상판, 하판, 그리고 복수의 리브는 탄소(C):3.0~3.8중량%, 규소(Si):1.0~2.0중량%, 망간(Mn):0.5~1.0중량%, 인(P):0.01~0.10중량%, 황(S):0.02~0.10중량%, 구리(Cu):0.3~1.0중량%, 주석(Sn):0.05~0.1중량%, 크롬(Cr):0.1~0.5중량%, 몰리브덴(Mo):0~0.05중량% 이하 및 잔부의 철을 포함하는 주철 소재로 형성된다.
또한, 마찰파트 상판 및 하판 사이에 충진된 부분을 포함한 허브(hub)파트는 알루미늄 합금으로 이루어지며, 특히, 규소(Si): 4~15중량%를 알루미늄과 함께 용융하여 원심주조된다.
상기 마찰파트의 상판과 하판이 서로 견고히 결합되고 안정성을 확보하기 위하여 배열되는 브릿지 형태의 리브는 그 사이즈가 폭:8~10mm, 길이: 30~35mm로 구성된다. 이러한 리브는 24~36개로 구성될 수 있다.
상기에 있어서, 상판 및 하판 사이에 알루미늄 합금의 밀착력 확보를 위하여 결합돌기(도 6 참조)를 형성할 수 있다. 즉, 상판과 하판이 서로 마주하는 각각의 내면부에 돌출상의 결합돌기(15)를 형성하여 알루미늄 합금과의 결합력을 강화한다.
도 4는 온도 편차에 따른 이종 접합부 공극 거리 표이다. 공극거리는 금형온도 450℃에서 단축되는 경향을 보임을 알 수 있다.
도 5는 다이나모미터 성능테스트 제동 거리 분석 표이다. 본 발명의 하이브리드 브레이크 디스크를 장착한 경우, 제동거리가 단축됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
브레이크 디스크(100)
상판(10)
하판(20)
결합돌기(15)
허브파트(30)
홀(40)
리브(50)
마찰파트(60)

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 고리형 상판;
    상기 고리형 상판과 이격된 디스크형 하판; 및
    상기 상판과 하판을 연결하는 브릿지 형태의 리브;를 포함하여 주철로 구성된 마찰파트;를 하부금형에 안착하는 단계;
    상기 하부금형에 대해 상부금형을 배치하는 단계;
    금형전체를 회전시키면서 알루미늄 합금 용탕을 금형 내부에 주입하는 단계; 및
    소정 시간이 지난 후 상부금형을 개방하고, 상기 마찰파트의 상판과 하판 사이 및 고리형 상판의 중심 개구부에 용탕으로 충진되어 마찰파트와 일체형으로 제작된 허브파트를 포함한 하이브리드 일체형 브레이크 디스크를 꺼내는 단계;를 포함하고,
    마찰파트와 알루미늄 합금의 허브파트 공극거리 최소화를 위해 금형 온도는 400~450℃로 하고, 용융된 알루미늄 합금 온도는 650~700℃로 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 공정 도중 마찰파트의 온도를 안정적으로 제어 하기 위해 별도의 가열로 장치를 적용하여 마찰파트의 온도를 450~500℃ 제어 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 일체형 브레이크 디스크 제조방법.
  9. 제7항의 방법으로 제조된 하이브리드 일체형 브레이크 디스크.















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