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KR100674117B1 - 경사 기능 재료를 적용한 마찰식 브레이크 장치 - Google Patents

경사 기능 재료를 적용한 마찰식 브레이크 장치 Download PDF

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KR100674117B1
KR100674117B1 KR1020050088775A KR20050088775A KR100674117B1 KR 100674117 B1 KR100674117 B1 KR 100674117B1 KR 1020050088775 A KR1020050088775 A KR 1020050088775A KR 20050088775 A KR20050088775 A KR 20050088775A KR 100674117 B1 KR100674117 B1 KR 100674117B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rotating member
coating layer
friction
functional material
brake device
Prior art date
Application number
KR1020050088775A
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English (en)
Inventor
장용훈
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to KR1020050088775A priority Critical patent/KR100674117B1/ko
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    • F16D65/00—Parts or details
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    • F16D65/12—Discs; Drums for disc brakes
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
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    • F16D55/02—Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes with axially-movable discs or pads pressed against axially-located rotating members
    • F16D55/22—Brakes with substantially-radial braking surfaces pressed together in axial direction, e.g. disc brakes with axially-movable discs or pads pressed against axially-located rotating members by clamping an axially-located rotating disc between movable braking members, e.g. movable brake discs or brake pads
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Abstract

마찰식 브레이크 장치는, 회전 운동을 하는 회전 부재; 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및 상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며, 상기 마찰 부재와 접촉하는 상기 회전 부재의 상기 일부 표면에는 경사 기능 재료로 이루어지는 코팅층이 마련된다. 이 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 표면과 접촉된 코팅층의 내측 표면으로부터 코팅층의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 코팅층의 외측 표면에서는 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 코팅층의 내측 표면에서는 회전 부재를 이루는 재료와 동일한 물성을 가질 수 있다.
마찰식, 브레이크, 클러치, 경사 기능 재료, 세라믹

Description

경사 기능 재료를 적용한 마찰식 브레이크 장치{FRICTION BRAKE APPARATUS USING FUNCTIONALLY GRADED MATERIALS}
도 1은 차량에 적용되는 디스크 브레이크의 구조를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 마찰식 브레이크 장치의 거동을 해석하기 위한 기하학적 모델을 도시하는 도면,
도 3은 차량 클러치의 중심 스테이터의 표면에 한번의 마찰 구동으로 나타나는 열점을 도시하는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 기하학적 모델을 갖는 마찰식 브레이크 장치에서, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층의 탄성 분포를 도시하는 그래프,
도 5는 경사 기능 재료의 비균질계수가 달라질 때, 파수와 무차원 임계 속도의 관계를 도시한 그래프,
도 6은 파수가 달라질 때, 경사 기능 재료의 비균질계수와 무차원 임계 속도의 관계를 도시한 그래프,
도 7은 브레이크 디스크가 강으로 이루어진 경우, 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉면에서 압력 및 온도의 변화를 도시하는 그래프,
도 8은 브레이크 디스크가 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층을 구비하는 경우, 디스크와 브레이크 패드 사이의 접촉면에서 압력 및 온도의 변화를 도시하는 그래프,
도 9는 브레이크 디스크가 강으로 이루어진 경우, 브레이크 패드와 디스크 사이의 접촉면에서 폰 미제스 응력(von Mises stress)의 변화를 나타내는 도면, 및
도 10은 브레이크 디스크가 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층을 구비하는 경우, 디스크와 브레이크 패드 사이의 접촉면에서 폰 미제스 응력의 변화를 나타내는 도면.
본 발명은 마찰식 브레이크 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는, 차량 등에 적용되는 마찰식 브레이크 장치 또는 전동 클러치에서 마찰열로 인하여 발생하는 열탄성 변형을 줄이기 위하여 경사 기능 재료를 적용한 것에 관한 것이다.
차량 등에서 사용되는 마찰식 브레이크 장치는 탑승자의 안전 보장이라는 기본적인 기능을 수행한다. 최근에는 브레이크의 제동 기능의 향상을 위한 연구와 더불어 탑승자의 승차감 향상을 위한 소음, 진동의 감소에 대해서 연구가 집중되고 있다.
마찰식 브레이크의 제동시 또는 전동 클러치의 작동시 마찰에 의하여 열이 발생한다. 마찰열은 브레이크 디스크 또는 브레이크 드럼에 열탄성 변형을 발생시키며, 이러한 열탄성 변형은 접촉 압력 분포에 영향을 미친다. 미끄럼 속도가 증가하면 접촉 압력이 더 크게 변화하며 하중이 국부적으로 인가되고 열 발생도 일부에 집중되는 현상이 나타난다. 이러한 현상을 열탄성 불안정성(thermoelastic instability)이라고 한다.
열탄성 불안정성은 마찰식 클러치나 브레이크에 나타나는 열점(hot spot) 및 핫 저더(hot judder)의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 전술한 바와 같은 국부적인 열 발생 현상은 그 부분에 높은 응력을 형성시키며, 이에 의하여 소재가 열화되어 결국 파괴되기에 이른다.
이와 관련하여, 대한민국 특허출원 10-2002-0022672호에는 외기를 이용해 마찰열을 냉각시키는 구조를 갖는 자동차용 드럼 브레이크의 조립체가 개시되어 있다. 여기서는, 브레이크 드럼에 다수개의 마찰열 배출부가 외주면을 따라 등간격으로 형성되어, 제동시 발생되는 고온의 마찰열이 표면적이 확대된 마찰열 배출부에 의하여 냉각된다. 이로써, 브레이크 드럼의 열변형 현상을 방지하고, 제동시 발생되는 저더 현상도 줄이고자 하였다. 그러나, 저더의 발생 원인인 열탄성 불안정성은 미소한 열 발생으로도 일어날 수 있기 때문에, 구조 변경에 따른 노력에 비하여 저더 방지 효과가 미미할 수 있다.
대한민국 특허출원 10-2002-0069712에는 제동시 브레이크 디스크의 외측은 물론 내측에서 브레이크 디스크를 가압할 수 있는 메커니즘을 제공하고 있다. 이러한 구조에 의하여 브레이크 디스크의 열 변형을 최소화하고 안정된 제동 작용을 하고자 한 것이다. 그러나, 저더의 원인이 되는 열점의 발생은 불규칙 압력 변화에 의하여 발생하는데, 디스크의 내측과 외측을 가압하는 것 만으로는 접촉 압력을 균일하게 만들 수 없다. 즉, 압력 변화가 작은 경우에는 위 문헌에서 제안한 구조가 유효하게 적용될 수 있지만, 저더에서와 같이 압력 변화의 폭이 큰 경우에는 효과가 불확실하다.
대한민국 특허출원 10-2000-0081265호에는 차량용 잠금방지 제동장치(anti-lock brake system, ABS)의 브레이크 저더 저감장치가 개시되어 있다. 이 장치에서는 각 휠의 캘리퍼에 진동 감지 센서를 부착하여 진동을 측정하고, 제동중 저더로 판단되는 현상이 발생하면 해당 휠부의 솔레노이드 밸브를 개폐시켜 디스크와 패드를 떨어지게 하여 저더가 발생되지 않도록 한다. 그러나, 저더가 발생하더라도 계속해서 제동을 하여야 하는 경우에 디스크와 패드가 떨어지게 되면 안전상의 문제가 발생할 수 있다.
대한민국 특허출원 10-2000-0065587호에서는 열팽창계수가 서로 다른 합금을 이용하는 차량의 브레이크 패드를 제안하였다. 여기서는, 휠실린더의 피스톤에 연결되는 패드 플레이트와 브레이크 디스크에 마찰되는 패드 사이에 서로 다른 열팽창 계수를 갖는 소팽창합금과 대팽창합금으로 이루어진 변형 대응부가 마련된다. 이 장치는 마찰열에 의하여 브레이크 디스크가 열 변형되는 경우, 변형 대응부의 팽창 작용에 의하여 패드의 면이 브레이크 디스크에 균일하게 밀착된 상태에서 안정적으로 마찰작용이 일어나도록 하여 저더의 발생을 막고자 한 것이다. 그러나, 서로 다른 재료 상수를 갖는 2개의 재료를 접합하는 경우, 두 재료의 경계면에서 심각한 열응력 및 온도 차이가 유발된다. 또한, 높은 잔류응력과 열 피로하중에 의하여 경계면이 파괴될 수 있다.
전술한 문제점을 감안하여, 본 발명은 복합재료 중의 하나인 경사 기능 재료(functionally graded materials, FGM)를 사용하여 열 변형을 줄이면서도 기계적 특성이 뛰어난 마찰식 브레이크 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 마찰식 브레이크 장치로서, 회전 운동을 하는 회전 부재; 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및 상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며, 상기 마찰 부재와 접촉하는 상기 회전 부재의 상기 일부 표면에는 경사 기능 재료로 이루어지는 코팅층이 마련되는 것이 제공된다.
또한, 상기 회전 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료는 상기 회전 부재를 이루는 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료인 것이 좋다.
상기 회전 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 표면과 접촉된 코팅층의 내측 표면으로부터 코팅층의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 코팅층의 외측 표면에서는 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 코팅층의 내측 표면에서는 회전 부재를 이루는 재료와 동일한 물성을 가질 수 있다.
더 구체적으로, 상기 회전 부재의 코팅층의 물성은 아래와 같은 식, 즉,
P = Ps + (Ps - Pc)((t-y)/t)α, t < y < 2t
에 따라 변화한다. 여기서, P는 코팅층을 이루는 경사 기능 재료의 물성, Ps는 회전 부재를 이루는 재료의 물성, Pc는 세라믹 재료의 물성, α는 경사 기능 재료의 비균질계수, 그리고 t는 코팅층의 두께를 나타낸다. 또한, y = t는 회전 부재의 표면과 접촉한 코팅층의 내측 표면의 위치이며, y = 2t는 코팅층의 외측 표면의 위치를 나타낸다.
위 식에서, 상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 1보다 큰 것이 좋으며, 바람직하게는, α는 4에서 7 사이의 범위에서 정해지고, 더 바람직하게는, 상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 약 6이다.
한편, 상기 회전 부재를 이루는 재료는 금속 재료, 예를 들어, 강일 수 있다.
이러한 본 발명에 따르는 마찰식 브레이크 장치는 차량용 드럼 브레이크 또는 차량용 디스크 브레이크에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 회전 운동을 하며 경사 기능 재료로 이루어지는 회전 부재; 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 그 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및 상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하는 마찰식 브레이크 장치가 제공된다.
상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료는 금속 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료인 것이 좋다.
바람직하게는, 상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부 재의 중심부로부터 회전 부재의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 회전 부재의 외측 표면에서는 상기 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 회전 부재의 중심부에서는 상기 금속 재료와 동일한 물성을 갖는다.
상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 아래 식에 따라 변화할 수 있다:
P = Pm + (Pm - Pc)((t-y)/t)α, t < y < 2t
여기서, P는 회전 부재를 이루는 경사 기능 재료의 물성, Pm은 상기 금속 재료의 물성, Pc는 상기 세라믹 재료의 물성, α는 경사 기능 재료의 비균질계수, 그리고 t는 코팅층의 두께이다. 또한, y = t는 회전 부재의 중심부, y = 2t는 회전 부재의 외측 표면의 위치를 표시한다.
상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 1보다 큰 것이 좋으며, 바람직하게는, 상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 4에서 7 사이의 범위에서 정해지고, 더 바람직하게는, 상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 약 6이다.
상기 회전 부재를 이루는 상기 금속 재료는 강인 것이 좋다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 금속 재료로 이루어지며 회전 운동을 하는 회전 부재; 금속 재료와 세라믹 재료를 포함하는 경사 기능 재료로 이루어지며, 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 그 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및 상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하는 마찰식 브레이크 장치 이 제공된다.
여기서, 상기 마찰 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 마찰 부재의 중심부로부터 마찰 부재의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 형태에 따르면, 금속 재료로 이루어지며 회전 운동을 하는 회전 부재; 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및 상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며, 상기 마찰 부재의 표면에는 경사 기능 재료로 이루어지는 코팅층이 마련되는 마찰식 브레이크 장치가 제공된다.
여기서, 마찰 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료는 금속 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료인 것이 좋다.
바람직하게는, 마찰 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 표면과 접촉된 코팅층의 내측 표면으로부터 코팅층의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 코팅층의 외측 표면에서는 상기 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 코팅층의 내측 표면에서는 상기 금속 재료와 동일한 물성을 갖는다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 차량에 적용되는 캘러퍼형 디스크 브레이크의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
일반적으로 디스크 브레이크는 차량의 휠에 부착된 디스크(10), 디스크의 양쪽에 마련된 브레이크 패드(20), 브레이크 패드(20)와 연결된 피스톤(30), 및 피스톤(30)을 작동시키는 유압 시스템(40)을 포함한다. 디스크(10)는 차량의 휠에 연결되어 있으며, 차량이 진행하는 동안 회전 운동을 한다. 탑승자가 브레이크 페달을 밟으면, 유압 시스템(40)이 작동하여 피스톤(30)을 작동시키고, 피스톤의 전단부에 부착된 브레이크 패드(20)는 디스크(10)와 접촉함으로써 마찰력을 발생시켜 디스크의 회전 운동에 제동 작용을 한다. 이에 따라, 휠의 회전 운동에 제동이 걸리고, 차량의 이동 속도가 감소하거나 정지하게 된다. 차량용 브레이크 장치에서 디스크(10)는 주로 강으로 이루어지며, 브레이크 패드(20)는 마찰 재료로 이루어진다.
본 발명에 따른 디스크 브레이크에서는 브레이크 패드(20)와 접촉하는 디스크(10)의 표면에 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(도시되지 않음)이 마련된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 디스크(10)는 강으로 이루어지고, 경사 기능 재료는 강과 세라믹의 복합 재료로 이루어진다. 본 출원인은 디스크에 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층이 존재하는 경우에, 브레이크 장치에 나타나는 열탄성 불안정성이 관련된 현상에 대하여 연구하였다. 이하에서는, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층을 갖는 디스크 브레이크 장치에 대한 해석 과정 및 결과에 대하여 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 구조를 갖는 마찰식 브레이크 장치의 거동을 해석하기 위하여 본 출원인이 채택한 기하학적 모델이 도시되어 있다.
이 기하학적 모델에서, 마찰 패드를 나타내는 2개의 외부층(200)은 디스크를 나타내는 중간층(100)에 대하여 수평 방향으로 상대 미끄럼 속도 V로 이동한다. 외부층(200)은 마찰 재료로 이루어지며, 중간층(100)은 강으로 이루어진 코어부(110)와 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)을 구비한다. 코팅층(120)은 외부층(200)과 접촉하는 면에 마련된다. 외부층(200)의 두께는 각각 h이다. 중간층(100)은 코어부(110)의 두께가 2a이고, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)의 두께가 2t이며, 중간층(100) 전체로서는 두께가 2a + 2t이다. 이 모델은 y = h + a + t 축에 대하여 기하학적으로 대칭이다. 본 실시예에서는 코팅층(120)의 두께 t가 코어부(110)의 두께 2a에 대하여 10%의 두께를 갖는 경우에 대하여 검토한다. 한편, 본 실시예에서 검토된 모델은 코팅면이 양쪽에 마련된 디스크 브레이크 장치에 대한 것으로서 기하학적으로 대칭이므로, 드럼 브레이크와 같이 대칭이 아닌 경우에 적용되는 경우에는 본 실시예에서의 검토가 코팅층(120)의 두께가 코어부(110)의 20%인 경우에 적용될 수 있음을 알 수 있다.
열탄성 현상은 미끄럼 방향 x에 대하여 파장이 L = C/m인 주기적 대칭인 것으로 가정하였다. 여기서, C는 디스크의 외주 길이를 나타내며, m은 파수(wavenumber), 즉 원주를 따라 나타나는 파장의 개수이다. 실제 마찰 시스템에서도 열탄성 불안정성에 따른 현상은 대체로 주기적으로 나타난다. 도 3에는 자동차 클러치의 중심 스테이터 표면이 한번의 마찰 구동을 겪은 후 나타나는 열점이 도시되어 있다. 스테이터의 표면에서 어둡게 나타난 부분은 국부적인 고온의 열을 겪은 영역(열점)이다. 도 3으로부터 알 수 있듯이, 마찰에 의한 열탄성 불안정성은 대체 로 주기적으로 나타난다.
전술한 바와 같이, 도 2에 도시된 모델에서 외부층(200)은 주로 마찰 재료로 이루어지며, 중간층(100)에서 코어부(110)는 강으로 이루어지고 코팅층(120)은 강과 세라믹이 복합된 경사 기능 재료로 이루어진다. 표 1에는 본 출원인이 해석에 적용한 각 재료의 물성치가 나타나 있다.
마찰 재료 코어부 재료 (강) 세라믹 재료
탄성계수 (Elastic Modulus) 0.3 200 151
열팽창율 (Thermal Expansion) 1.4 1.2 1.0
열전달율 (Thermal Conductivity) 0.09 42 2.2
프와송 비 (Poisson's Ratio) 0.12 0.3 0.3
열확산율 (Thermal Diffusivity) 4.167 11.91 0.623
마찰 재료와 코어부의 강은 전체 부피에 걸쳐 균일한 물성을 가지며, 경사 기능 재료는 그 영역에서 높이가 변함에 따라 물성이 변화한다. 코팅층 내에서 경사 기능 재료를 형성하는 2개의 재료의 혼합 비율은 높이에 따라 연속적으로 변화하는 것으로 하였으며, 이에 따라 물성도 역시 연속적으로 변화한다. 즉, 물성은 높이의 함수이며 도 2에서 위쪽에 있는 코팅층의 물성 변화는 아래 식으로 주어질 수 있다:
Figure 112005053311428-pat00001
Figure 112005053311428-pat00002
여기서, P, Ps 및 Pc는 각각 경사 기능 재료, 강 및 세라믹의 물성이다. α는 경사 기능 재료의 비균질계수이다. 위 식 1은 탄성계수, 열팽창, 열전도, 및 열확산에 적용될 수 있다. 도 2에서 아래쪽에 있는 코팅층의 물성 변화는 위쪽 코팅층의 물성 변화에 대칭이다.
위 식 1로부터 알 수 있듯이, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)의 물성은 코어부(110)와 코팅층(120)의 경계면에서의 강의 물성과 동일하며 높이에 따라 점차적으로 변화하여 외측 표면에서는 세라믹의 물성과 동일하게 된다. 코팅층(120) 내부에서의 물성은 상수 α에 의하여 정해진다. 도 4에는 α가 3가지 값을 갖는 경우에 대하여 코팅층(120) 내부의 탄성 계수 및 열전도성의 변화를 도시하였다. 도시된 바와 같이, α = 1인 경우에는 코팅층(120) 내부의 경사 기능 재료의 물성이 선형으로 변화한다. α > 1인 경우는 코팅층(120)을 형성하는 경사 기능 재료에 세라믹의 함량이 상대적으로 많은 것을 의미(도 4에서는 “세라믹 FGM”이라고 표시함)하고, 0 < α < 1인 경우는 강의 함량이 상대적으로 많은 것을 의미(도 4에서는 “금속 FGM”이라고 표시함)한다.
도 5에는 경사 기능 재료의 비균질계수 α가 달라질 때, 파수와 무차원 임계 속도의 관계를 도시하였다.
본 발명에서 임계 속도(critical speed)라는 용어는 다음과 같은 의미로 사용된다: 즉, 브레이크 또는 클러치와 같이 2개의 면이 접촉하여 회전하거나 미끄러지는 시스템에서는 특정의 속도에서 마찰열에 의하여 접촉면의 불균일 온도와 열탄성 변형이 상승하고 국부적인 열 발생과 압력 집중이 야기되어 열점이 성장하게 되는데, 이 때의 속도를 임계 속도라고 한다. 따라서, 임계 속도가 크다는 것은 해당하는 브레이크 시스템의 열적 안정성이 높다는 의미를 갖는다. 이에 대한 이론적 배경은, J. R. Barber의 “Themoelastic instability in the sliding of conforming solids”, Proc. R. Soc. London, Ser. A. 312, pp. 381-394, 1969에서 처음으로 제시되었고, 최근에는 K. Lee and R. B. Dinwiddie의 “Conditions of frictional contact in disk brakes and their effects on brake judder”, SAE paper 980598, 1998 등에서 이에 대한 연구가 이루어졌다.
도 5에서는 코팅층(120)을 형성하는 경사 기능 재료에 세라믹의 함량이 많은 경우, 즉 비균질계수 α가 1보다 큰 경우를 주로 도시하였다. 대비를 위하여, 중간층(100)이 모두 강으로만 이루어진 경우(Lee & Barber의 해; K. Lee and J. R. Barber “Frictionally Excited Thermoelastic Instability in Automotive Disk Brakes”, Journal of Tribology, Vol. 115, pp. 605-614, 1993 참고)를 함께 도시하였다. 도 5로부터 알 수 있듯이, 코팅층(120)이 있는 경우에는 중간층(100)이 모 두 강으로만 이루어진 경우에 비하여 무차원 임계 속도, Vcr *가 증가한다. 구체적으로, 임계 속도는 비균질계수 α가 1로부터 증가함에 따라 증가하고, α가 대략 6인 경우 최대치를 가지며, α가 6보다 큰 경우에는 다시 감소한다. 이러한 현상은 파수가 변화할 때, 비균질계수와 무차원 임계 속도의 관계를 도시한 도 6에 더 명확하게 나타나 있다.
전술한 바로부터 알 수 있듯이, 중간층(100)이 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)을 구비하는 경우, 중간층(100)이 강으로만 이루어진 종래 기술에 비하여 열탄성 불안정성에 따른 변동이 억제된다.
본 발명에 따른 브레이크 장치의 작용을 구체적으로 확인하기 위하여 제동 작동시의 압력 및 온도 변화에 대하여 검토하였다. 도 7 및 8에는 외부층(200)과 중간층(100) 사이의 접촉면에서 시간에 따른 압력 및 온도 변화를 도시하였다. 도 7은 종래 기술에서와 같이 중간층(100)이 모두 강으로 이루어진 경우이고, 도 8은 본 발명에 따라 중간층(100)에 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)이 마련된 경우이다.
종래 기술에 따른 경우, t = 0.04s가 경과한 때 최초에는 크기가 작았던 압력 차이가 급격하게 증가하고, 접촉 분리가 발생한다. 접촉 분리가 일어나는 영역에서는, 마찰 재료로 이루어진 외부층(200)과 강으로 이루어진 중간층(100)의 경계면에서 온도가 불연속적으로 변화하며, 외부층(200)의 온도가 더 높게 나타난다. 또한, 온도는 국부적으로 급격하게 상승하여 접촉 분리를 촉진시킨다.
이와 달리, 본 발명에 따라 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(110)을 구비하는 경우, 접촉 분리가 발생하지 않는다. 또한, 평균 온도는 높지만 중간층(100)과 외부층(200)의 접촉 영역에서 온도차가 증가하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(110)이 접촉 영역에서 국부적인 온도차를 줄이고 평균 온도를 상승시킴을 알 수 있다. 국부적인 온도차가 발생하는 것은 열탄성 불안정성을 일으키는 주된 요인 중의 하나이기 때문에, 본 발명에 따라 중간층(100)이 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(110)을 구비하는 경우 열탄성 불안정성이 억제되고 임계 속도가 증가된다.
도 9 및 10에는, 각각 종래 기술에 따른 경우와 본 발명에 따른 경우의 열탄성 응력 변화가 도시되어 있다.
종래 기술에서와 같이 중간층(100)이 강으로만 이루어진 경우 국부적으로 온도가 상승하며 온도차도 역시 증가한다. 이에 따라, 접촉 분리가 발생하면 응력은 열점 영역에서 국부적으로 증가한다.
본 발명에 따라, 중간층(100)이 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(110)을 구비하는 경우, 접촉 영역에서의 응력은 높게 나타나지만 응력의 변화 범위는 매우 작다. 따라서, 본 발명에 따라 중간층(100), 즉, 디스크가 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(110)을 구비하는 경우, 브레이크 장치가 장기간 사용되더라도 크랙의 발생, 좌굴 등이 발생하지 않고 신뢰성이 유지될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 기초로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 점은 명백 하다. 본 명세서에 기재된 어떤 사항도 본 발명의 범위를 첨부된 특허청구의 범위보다 좁히려는 것은 아니다. 전술한 실시예들은 예시를 위한 것이며 이와 다른 실시 형태를 갖는 것을 배제하고자 하는 것은 아니다.
예를 들어, 위에서는 본 발명에 따른 실시예로서 차량에 적용되는 디스크 브레이크에 경사 기능 재료를 이용하는 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니며 널리 마찰을 이용하는 시스템, 예를 들어, 차량용 클러치의 스테이터 등에 적용될 수 있다는 점은 당업자에게 자명하다.
또한, 전술한 실시예에서는 중간층(100)의 코어부(110)가 강으로 이루어진 경우에 대해서만 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것은 아니며 중간층(100)의 재료는, 적절한 변형을 가한다면, 공업적으로 마찰을 이용하는 시스템에 사용되는 모든 재료가 이용될 수 있다.
나아가, 전술한 실시예에서는 기하학적으로 대칭이고, 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층(120)의 두께가 각각 코어부(110)의 두께의 10%인 경우를 예로서 설명하였지만, 코팅층(120)의 두께는 달라질 수 있다. 예를 들어, 중간층(100)은 코어부(110)와 코팅층(120)으로 구분되지 않고 전체가 경사 기능 재료로 이루어질 수도 있다.
한편, 전술한 실시예에서는 회전 운동을 하는 회전 부재가 경사 기능 재료로 이루어진 코팅층을 구비하는 경우에 대하여 설명하였지만, 이와 달리, 회전 부재는 금속 재료로 이루어지고 마찰 부재가 경사 기능 재료로 이루어진 코팅을 구비하거나 마찰 부재 전체가 경사 기능 재료로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 마찰 부재 는 세라믹 계열의 섬유상 소재와 금속 계열의 섬유상 소재를 혼합하여 만들어질 수 있다.
본 발명에 따라 복합재료 중의 하나인 경사 기능 재료를 사용하여 열 변형을 줄이면서도 기계적 특성이 뛰어난 마찰식 브레이크 장치를 제공할 수 있다.

Claims (24)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 회전 운동을 하는 회전 부재;
    상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및
    상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며,
    상기 마찰 부재와 접촉하는 상기 회전 부재의 상기 일부 표면에는 경사 기능 재료로 이루어지는 코팅층이 마련되며, 상기 회전 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료는 상기 회전 부재를 이루는 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료이고, 상기 회전 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 표면과 접촉된 코팅층의 내측 표면으로부터 코팅층의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 코팅층의 외측 표면에서는 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 코팅층의 내측 표면에서는 회전 부재를 이루는 재료와 동일한 물성을 갖는 마찰식 브레이크 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 회전 부재의 코팅층의 물성은 아래 식에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치:
    P = Ps + (Ps - Pc)((t-y)/t)α, t < y < 2t
    여기서, P는 코팅층을 이루는 경사 기능 재료의 물성, Ps는 회전 부재를 이루는 재료의 물성, Pc는 세라믹 재료의 물성, α는 경사 기능 재료의 비균질계수, 그리고 t는 코팅층의 두께이며, y = t는 회전 부재의 표면과 접촉한 코팅층의 내측 표면의 위치, y = 2t는 코팅층의 외측 표면의 위치를 나타냄.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 1보다 큰 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 4에서 7 사이의 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 약 6인 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 회전 부재를 이루는 재료는 금속 재료인 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 회전 부재를 이루는 재료는 강인 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  10. 청구항 3에 있어서,
    차량용 드럼 브레이크에 적용되는 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  11. 청구항 3에 있어서,
    차량용 디스크 브레이크에 적용되는 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 회전 운동을 하며 경사 기능 재료로 이루어지는 회전 부재;
    상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 그 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및
    상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며,
    상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료는 금속 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료이고, 상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 중심부로부터 회전 부재의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 회전 부재의 외측 표면에서는 상기 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 회전 부재의 중심부에서는 상기 금속 재료와 동일한 물성을 갖는 마찰식 브레이크 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 회전 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 아래 식에 따라 변화하는 것 을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치:
    P = Pm + (Pm - Pc)((t-y)/t)α, t < y < 2t
    여기서, P는 회전 부재를 이루는 경사 기능 재료의 물성, Pm은 상기 금속 재료의 물성, Pc는 상기 세라믹 재료의 물성, α는 경사 기능 재료의 비균질계수, 그리고 t는 코팅층의 두께이며, y = t는 회전 부재의 중심부, y = 2t는 회전 부재의 외측 표면의 위치를 표시함.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 1보다 큰 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 4에서 7 사이의 범위에서 정해지는 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 경사 기능 재료의 비균질계수 α는 약 6인 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 회전 부재를 이루는 상기 금속 재료는 강인 것을 특징으로 하는 마찰식 브레이크 장치.
  20. 삭제
  21. 금속 재료로 이루어지며 회전 운동을 하는 회전 부재;
    금속 재료와 세라믹 재료를 포함하는 경사 기능 재료로 이루어지며, 상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 그 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및
    상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며,
    상기 마찰 부재를 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 마찰 부재의 중심부로부터 마찰 부재의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하는 마찰식 브레이크 장치.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 금속 재료로 이루어지며 회전 운동을 하는 회전 부재;
    상기 회전 부재의 적어도 일부 표면과 접촉하여 상기 회전 부재에 마찰력을 인가함으로써 회전 운동을 감쇠시키는 마찰 부재; 및
    상기 마찰 부재를 상기 회전 운동을 하는 부재의 표면에 대하여 누르는 작동 유닛을 포함하며,
    상기 마찰 부재의 표면에는 경사 기능 재료로 이루어지는 코팅층이 마련되고, 상기 마찰 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료는 금속 재료와 세라믹 재료가 혼합된 재료이며, 상기 마찰 부재의 코팅층을 형성하는 경사 기능 재료의 물성은 회전 부재의 표면과 접촉된 코팅층의 내측 표면으로부터 코팅층의 외측 표면을 향하여 실질적으로 연속적으로 변화하며, 코팅층의 외측 표면에서는 상기 세라믹 재료의 물성과 동일한 물성을 갖고 코팅층의 내측 표면에서는 상기 금속 재료와 동일한 물성을 갖는 마찰식 브레이크 장치.
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