KR20100127513A - 자동차용 브레이크 디스크 - Google Patents
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Abstract
탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크의 교환시기를 미리 예측할 수 있도록 해주는 것으로, 원형의 양 측면을 갖는 베이스부(110); 상기 베이스부(110)의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 마찰부(120); 상기 마찰부(120) 상에 내측 깊이방향으로 마련되며, 상기 마찰부(120)와 육안 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖는 마모표시부(130);를 포함하는 자동차용 브레이크 디스크가 소개된다.
자동차, 브레이크 디스크, 탄소, 세라믹, 마찰부, 마모표시부
Description
본 발명은 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크의 교환시기를 미리 예측할 수 있도록 해주는 자동차용 브레이크 디스크에 관한 것이다.
최근 차량의 고속화, 고급화 및 대형화 경향에 따라 고성능 브레이크 시스템이 요구되고 있는바, 이에 따라 브레이크 신소재 개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 브레이크 디스크는 주철 재료를 이용하여 제작되고 있으나, 최근 고성능 및 고급 차량에 적용하기 위해 소재 자체의 경량 효과가 크고 제동 안정성 및 내마모성, 내부식성 등의 제동 특성이 우수한 탄소-세라믹 복합재료를 이용한 브레이크 디스크가 주목받고 있다.
브레이크 디스크에 사용되는 탄소-세라믹 복합재료는 탄소 섬유로 이루어진 탄화체를 이용하여 고온 액상 규소의 침투를 통해 탄화규소로 반응시켜 제조된다. 탄소-세라믹 복합재는 세라믹 소재인 탄화규소를 형성시킴으로써 세라믹의 장점인 탁월한 내마모성을 지니고 있으며, 또한 세라믹 기지에 탄소 섬유가 보강재로 강화되어 세라믹의 단점인 취성을 보완함으로써 내구성을 겸비한 차세대 자동차용 브레 이크 디스크 재료로 주목받고 있다.
탄소-세라믹 복합재는 크게 탄화규소(SiC), 탄소(C), 규소(Si)의 3가지 상으로 구성되어 있으며 조성비에 따라 상이한 미세조직을 나타낸다.
현재 개발되고 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크는 마찰부의 존재 여부에 따라 2가지 형태로 구분되는데, 하나는 열적변화와 기계적 하중에 대한 내구성을 가져야 하는 베이스부로만 구성된 것(즉, 마찰부가 없는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크)이고, 다른 하나는 베이스부의 양 측면에 제동 특성을 향상시키기 위한 기능성 재료인 마찰부가 존재하는 것(즉, 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크)이다.
마찰부가 없는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크는 마찰부가 존재하지 않는 관계로 제조상 공정 및 시간이 단축되는 장점이 있지만, 약 650℃ 이상의 제동 온도에서 연속적이고 반복적인 사용에 따라 브레이크 디스크의 마찰 부분에 열화현상이 급속히 발생하여 불안정한 제동과 함께 마모의 증가 및 마찰계수의 감소 현상을 나타낼 수 있으므로 극심한 제동조건을 만족해야 하는 고성능 차량에서는 제약을 받고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 도1 및 도2에 나타낸 바와 같은 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크가 사용된다.
도1은 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크를 나타낸 사시도 이고, 도2는 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크를 나타낸 단면도로서, 여기에 도시된 바와 같이 마찰부(120)는 베이스부(110)의 양 측면에 일정한 두께로 각각 결합되어 차륜과 함께 회전한다.
마찰부(120)는 베이스부(110)에 비해 약 2배 이상의 열용량과 열충격성을 가지기 때문에 열적 안정성이 상대적으로 우수하며, 열화 현상에 대한 저항성이 높아 고온에서 반복적으로 사용하여도 열적 변형이 거의 발생하지 않고 마모에 의한 무게 변화가 미소하다는 장점이 있다. 또한 제동시 마찰계수(μ)는 0.4 이상의 값을 지속적으로 유지할 수 있으며 연속적이고 안정적인 제동 성능을 나타낼 수 있다.
그러나, 상기 탄소-세라믹 복합재료로 된 브레이크 디스크는 우수한 특성을 지니고 있는 반면에, 종래 소재인 주철재에 비해 제조비용이 고가이므로 그 마모 수명을 정량적으로 예측하여 재활용이 가능하도록 설계할 필요성이 있다.
브레이크 디스크의 마모 정도를 파악하는 방법으로는 광학 센싱(Sensing) 기술을 이용한 비접촉식 또는 민감도가 우수한 센싱 팁(Tip)을 이용한 접촉식 등과 같은 방법이 고려될 수 있으나, 운동에너지의 약 95 % 정도가 열에너지로 변환될 때 발생되는 마찰열을 고려해 볼 때 고온 환경에서 센서(Sensor)의 불안정성과 마찰에 의한 이물질(異物質) 유착으로 인한 오작동의 문제점을 결코 배제할 수 없어 비현실적이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 운전자의 운전습관, 지역특성, 외부환경 등에 따라 상이하게 마모되어 수명을 예측하기 어려운 브레이크 디스크에서 육안 관찰만으로 디스크의 교환시점을 용이하게 파악할 수 있도록 함에 있다.
또한, 또 다른 목적은 브레이크 디스크의 마모량을 정량적으로 알 수 있도록 하여 수명을 예측할 수 있도록 하며 이에 따라 사용하던 브레이크 디스크 전체를 폐기하지 않고 마찰부만 교체하여 궁극적으로 고가의 브레이크 디스크를 재활용할 수 있도록 함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,
차륜과 함께 회전되는 것으로, 원형의 양 측면을 갖는 베이스부; 상기 베이스부의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 마찰부; 상기 마찰부 상에 내측 깊이방향으로 마련되며, 상기 마찰부와 육안 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖는 마모표시부;를 포함하는 자동차용 브레이크 디스크를 제공한다.
상기 마모표시부는, 상기 마찰부와 조직 차이가 나도록 상기 마찰부보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는, 상기 마찰부 전체 두께에 대하여 80 ~ 90 %의 길이로 이 루어진 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는, 상기 마찰부 표면에 적어도 1개 이상으로 마련되며, 2개 이상일 경우 일정간격 이격되게 배치된 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는, 마모량의 정량 예측을 위하여 상기 마찰부의 표면에서 내부로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 작아지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는, 마모량의 정량 예측을 위하여 상기 마찰부의 표면에서 내부로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 커지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명은 차륜과 함께 회전되는 것으로, 원형의 양 측면을 갖는 베이스부; 상기 베이스부의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 마찰부; 상기 마찰부의 마모 한계에 속하는 상기 베이스부와의 경계영역에 일정두께로 마련되며, 상기 마찰부와 육안 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖는 마모표시부;를 포함하는 자동차용 브레이크 디스크를 제공한다.
상기 마모표시부는, 상기 마찰부와 조직 차이가 나도록 상기 마찰부보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는 상기 마찰부 전체 두께에 대하여 10 ~ 20%의 두께로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 마모표시부는, 적어도 1개 이상으로 마련되며, 2개 이상일 경우 일정간 격 이격되게 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 브레이크 디스크의 마찰부에 마모표시부가 마련되어 있기 때문에 별도의 센서 및 마모측정장치를 이용하지 않더라도 육안으로 마모표시부의 유무 확인을 통해 교환시기를 알 수 있는 장점이 있다.
또한, 마모량에 따라 크기(직경, 길이)가 달라지는 마모표시부를 통해 교환시기를 미리 예측할 수 있고, 이로 인해 디스크 베이스부의 손상없이 마찰부만 교체할 수 있기 때문에 브레이크 디스크의 재활용도가 매우 높아진다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 브레이크 디스크를 나타낸 정면도이고, 도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 브레이크 디스크를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 베이스부(110)와 마찰부(120)와 마모표시부(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 베이스부(110)는 차륜과 함께 회전되는 구성으로 그 양 측면은 원형을 이루고 있는데, 상기 베이스부(110)에는 열적 변화와 기계적 하중에 대한 내구성이 요구된다.
참고로, 상기 베이스부(110)는 탄소섬유로 강화되어 있고, 그 탄소섬유(검정색) 주변 첫 번째 층은 탄소 성분(검정색)의 기지상, 두 번째 층은 세라믹 탄소규소 성분(밝은 회색)의 기지상, 그리고 최외곽층은 소량 실리콘 성분(흰색)의 기지상으로 구성된 다층 탄소-세라믹 복합재료로서, 고온에서의 열적, 기계적 응력에 대한 내구성이 아주 우수하다.
또한, 상기 마찰부(120)는 상기 베이스부(110)의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 구성으로, 상기 마찰부(120)는 주성분인 세라믹 탄화규소 성분(밝은 회색)과 규소 성분(흰색), 그리고 미량의 탄소 성분(검정색)으로 이루어진 탄소-세라믹 복합재료이다.
여기서, 상기 베이스부(110)와 마찰부(120)는 모두 탄소-세라믹 복합재료이지만 마찰부(120)의 경우 내마모성 향상 및 마찰력 증진을 위해 세라믹 성분이 베이스부(110)에 비해 다량 함유되어 있는데 반해, 상기 베이스부(110)의 경우에는 기지 강화를 통한 내구성 향상을 위해 탄소섬유 조직이 다량 함유되어 있다.
한편, 상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120) 상에서 내측 깊이방향을 따라 마련되는 것으로, 상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120)와 육안으로 구별이 가능하도록 마찰부(120)와는 다른 색이나 무늬를 갖도록 구성된다.
상기 마모표시부(130)가 상기 마찰부(120)와 육안 구별되도록 하는 것은 마 찰부(120)에 비해 상대적으로 면적이 작은 상기 마모표시부(130)가 눈에 잘 띄도록 하여 그 마모표시부(130)의 존재 유무나 크기를 보고 상기 마찰부(120)의 마모량을 예측하기 위함이다.
여기서, 상기 마찰부(120)는 앞에서 설명한 바와 같이 주성분이 세라믹 탄화규소 성분으로 이루어져 있어 밝은 회색을 띄고 탄소 성분은 상대적으로 적은 바, 상기 마모표시부(130)는 마찰력에 영향을 미치지 않도록 마찰부(120)와 동일 종류의 재료인 탄소-세라믹 복합재를 적용하되 육안 구별이 용이하도록 하기 위해 상기 마찰부(120)와 상이한 미세 조직을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서는 상기 마모표시부(130)가 상기 마찰부(120)와 조직 차이가 나도록 상기 마찰부(120)보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유가 함유되도록 하였는데, 이는 상기 마찰부(120)에 탄소 성분이 상대적으로 매우 적기 때문에 이 탄소 성분을 증가하면 외부적으로 색깔의 차이가 현저하게 나고 조직이 달라져 외부적으로 표출되는 무늬에 차이가 생긴다.
여기서, 상기 마모표시부(130)의 탄소섬유가 상기 마찰부(120)보다 40배를 초과하면 강성유지가 어려운 문제점이 있고 탄소섬유가 마찰부(120)보다 10배 미만이 되면 상기 마찰부(120)와 큰 차이가 없어 육안으로 크게 구별이 되지 않는다.
또한, 상기 마모표시부(130)에 포함된 탄소섬유의 길이는 기지 강화에 연관성이 있는바, 상기 마모표시부(130)의 탄소섬유의 길이는 1 ~ 10mm로 설정되는 것이 바람직한데, 상기 탄소섬유의 길이가 10mm를 초과하면 탄소섬유끼리 뭉치기 쉬워 마모표시부(130)에서 균일하게 분포되도록 하는 것이 어렵고 이에 따라 전체적 인 강화력이 저하된다.
상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120) 표면에 적어도 1개 이상 마련될 수 있는데, 상기 마모표시부(130)가 2개 이상으로 마련되는 경우 마모표시부(130)간에 일정한 간격이 유지되도록 이격되게 배치되는 것이 바람직한 바, 본 발명의 실시예에서는 도3에 나타낸 바와 같이 상기 마모표시부(130)가 3개로 마련되면서 120도의 위상각을 갖도록 배치되었으나, 반드시 여기에 국한될 필요는 없다.
또한, 도4에서 보면 상기 마모표시부(130)가 상기 마찰부(120) 외표면에서부터 내측 깊이방향으로 소정길이만큼 형성되는데, 이때 상기 마찰부(120) 전체 두께와 동일한 길이로 형성되는 것이 아니라 상기 마찰부(120) 전체 두께에 대하여 80 ~ 90%의 길이로 이루어진다.
이것은, 제동시 상기 마모표시부(130)가 상기 마찰부(120)와 함께 마모되다가 더 이상 상기 마모표시부(130)가 나타나지 않으면 상기 마찰부(120)가 마모 한계치에 도달했다는 것을 사용자에게 알리기 위한 것으로, 사용자는 마찰부(120) 상에서 상기 마모표시부(130)가 나타나지 않으면 마찰부(120)가 전체 두께의 10 ~ 20%밖에 남아 있지 않다는 것을 인지하고 브레이크 디스크를 교환하거나 마찰부(120)만 교환할 수 있다.
상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120) 외표면에서 내부 깊이방향으로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 작아지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이렇게 형성되면 어느 정도 마모가 진행된 시점에서 상기 마찰 부(120)와 동일 평면상에 있는 상기 마모표시부(130)의 직경이나 변의 길이를 보고 마모량을 정량적으로 예측할 수 있게 된다.
즉, 아래의 표와 같은 마모량 대비표를 미리 제작하여 마모표시부(130)의 크기의 측정만으로 마모량을 예측할 수 있다.
| 마모량 (mm) |
원뿔 직경 (mm) |
각뿔 변길이 (mm) |
||
| 대→소 | 소→대 | 대→소 | 소→대 | |
| 0 | 7.0 | 5.2 | 5.0 | 3.2 |
| 0.1 | 6.8 | 5.4 | 4.8 | 3.4 |
| 0.2 | 6.6 | 5.6 | 4.6 | 3.6 |
| 0.3 | 6.4 | 5.8 | 4.4 | 3.8 |
| 0.4 | 6.2 | 6.0 | 4.2 | 4.0 |
| 0.5 | 6.0 | 6.2 | 4.0 | 4.2 |
| 0.6 | 5.8 | 6.4 | 3.8 | 4.4 |
| 0.7 | 5.6 | 6.6 | 3.6 | 4.6 |
| 0.8 | 5.4 | 6.8 | 3.4 | 4.8 |
| 0.9 | 5.2 | 7.0 | 3.2 | 5.0 |
상기 표를 참조하면, 상기 마모표시부(130)가 원뿔로 이루어져 있고 마찰부(120)의 외표면에서 내부로 들어갈수록 직경이 작아지는 경우를 예로 들면, 마모량이 0mm일 때 상기 마모표시부(130)의 직경은 7.0mm로 설정되어 있는데, 마모가 어느 정도 진행된 후 상기 마모표시부(130)의 직경을 측정하였더니 5.4mm였다면 상기 마찰부(120)의 마모량이 0.8mm로 수명이 한계치에 도달했음을 예측할 수 있다.
한편, 상기 마모표시부(130)는 마모량의 정량 예측을 위하여 상기 마찰부(120) 표면에서 내부로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 커지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어질 수도 있다. 위 표에서와 같이 원뿔인 경우 마모량이 0mm 일 때 마찰부(120) 외표면에서의 마모표시부(130)의 직경은 5.2mm가 된다.
여기서, 상기 표의 수치는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 반드시 여기에 국한될 필요는 없다.
지금까지 설명한 본 발명의 실시예는 상기 마찰부(120)의 외표면에서부터 마찰부(120)의 깊이방향으로 마모표시부(130)가 형성되어 있는 것인바, 이에 의하면 상기 마모표시부(130)가 더 이상 나타나지 않으면 상기 마찰부(120)가 마모한계치에 도달했다는 것을 의미하고 또한 마모표시부(130)를 보고 현재의 마모 진행 상태를 예측할 수 있도록 한다.
한편, 도5는 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도5에서 보면 상기 마모표시부(130)가 상기 마찰부(120)의 마모 한계에 해당하는 상기 베이스부(110)와의 경계영역에 일정두께로 마련된다.
상기 마찰부(120)는 마모가 진행되어 그 두께가 점차 얇아지다가 그 외표면이 상기 베이스부(110)와의 경계영역에 도달하면 더 이상 제 기능을 하지 못하므로 교환되어야 하는바, 상기 마찰부(120)의 마모 한계치는 전체 두께에 대하여 10 ~ 20%정도로 설정된다.
따라서, 상기 마모표시부(130)는 마찰부(120) 전체 두께에 대하여 10 ~ 20%의 두께로 이루어지는 것이 바람직하며, 이에 의하면 마모 한계치에 도달하기 전에는 상기 마찰부(120) 외표면에서 상기 마모표시부(130)가 나타나지 않다가 마찰부(120)의 수명이 다하여 교환시기가 되면 상기 마모표시부(130)가 표출된다.
물론, 이때에도 상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120)와 육안으로 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖도록 형성되는 것이 바람직한데, 앞에서 설명한 것처럼 상기 마찰부(120)보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유가 마모표시부(130)에 포함되도록 하여 상기 마찰부(120)와 조직상 차이가 나도록 한다.
그리고, 상기 마모표시부(130)는 상기 마찰부(120) 외표면에 적어도 1개 이상 마련될 수 있는데, 상기 마모표시부(130)가 2개 이상으로 마련되는 경우 마모표시부(130)간에 일정한 간격이 유지되도록 이격되게 배치되는 것은 앞에서와 동일하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.
도1은 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크를 나타낸 사시도,
도2는 마찰부가 있는 탄소-세라믹 복합재 브레이크 디스크를 나타낸 단면도,
도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 브레이크 디스크를 나타낸 정면도,
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동차용 브레이크 디스크를 개략적으로 나타낸 단면도,
도5는 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 베이스부
120 : 마찰부
130 : 마모표시부
Claims (10)
- 차륜과 함께 회전되는 것으로, 원형의 양 측면을 갖는 베이스부(110);상기 베이스부(110)의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 마찰부(120);상기 마찰부(120) 상에 내측 깊이방향으로 마련되며, 상기 마찰부(120)와 육안 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖는 마모표시부(130);를 포함하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마모표시부(130)는,상기 마찰부(120)와 조직 차이가 나도록 상기 마찰부(120)보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 2에 있어서, 상기 마모표시부(130)는,상기 마찰부(120) 전체 두께에 대하여 80 ~ 90 %의 길이로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 3에 있어서, 상기 마모표시부(130)는,상기 마찰부(120) 표면에 적어도 1개 이상으로 마련되며, 2개 이상일 경우 일정간격 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 4에 있어서, 상기 마모표시부(130)는, 마모량의 정량 예측을 위하여 상기 마찰부(120)의 표면에서 내부로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 작아지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 4에 있어서, 상기 마모표시부(130)는, 마모량의 정량 예측을 위하여 상기 마찰부(120)의 표면에서 내부로 들어갈수록 직경 또는 변의 길이가 커지는 원뿔 또는 사각뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 차륜과 함께 회전되는 것으로, 원형의 양 측면을 갖는 베이스부(110);상기 베이스부(110)의 양 측면에 일정두께로 각각 결합되는 마찰부(120);상기 마찰부(120)의 마모 한계에 속하는 상기 베이스부(110)와의 경계영역에 일정두께로 마련되며, 상기 마찰부(120)와 육안 구별이 가능하도록 다른 색이나 무늬를 갖는 마모표시부(130);를 포함하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 7에 있어서, 상기 마모표시부(130)는,상기 마찰부(120)와 조직 차이가 나도록 상기 마찰부(120)보다 10 ~ 40배 많은 탄소섬유를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 8에 있어서, 상기 마모표시부(130)는상기 마찰부(120) 전체 두께에 대하여 10 ~ 20%의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
- 청구항 9에 있어서, 상기 마모표시부(130)는, 적어도 1개 이상으로 마련되며, 2개 이상일 경우 일정간격 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 자동차용 브레이크 디스크.
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