KR101237265B1 - 유압 브레이크용 피스톤 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속 시작 재료, 특히 편평한 시트로부터 성형 프로세스에서 생성되는 유압 브레이크용 피스톤 (1) 으로서, 일 측이 개방되어 있고, 길이방향 축선 (2), 벽 (3) 및 저부 (4) 를 갖는 컵의 형태를 가지며, 브레이크 패드와 접촉하는 축선방향 접촉 표면 (A) 을 갖는 에지에 의해 개방된 전방면이 규정되는 유압 브레이크용 피스톤에 관한 것이다. 저부는 본질적으로 편평한 외부 표면을 갖고, 저부의 벽 두께 (S_b) 는 벽의 최소 두께 (S_w) 보다 더 두껍고, 저부와 벽 사이의 천이 영역에서, 벽 두께는 벽으로부터 저부까지 계속 증가하여, 벽은 한 각도로 저부로 이어진다. 또한, 본 발명은 디스크형 둥근 블랭크를 컵형상 중공 실린더로 성형하는 단계, 및 스웨이징 (swaging) 에 의해 모재가 두꺼워지도록 중공 실린더를 길이방향 축선을 따라 스웨이징하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

유압 브레이크용 피스톤

Description

유압 브레이크용 피스톤 및 그의 제조 방법{PISTON FOR A HYDRAULIC BRAKE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은, 유압 브레이크용 피스톤으로서, 금속성 모재, 특히 편평한 판금으로부터 성형 프로세스로 제조되고, 한 측이 개방되어 있고 길이방향 축선, 벽 및 저부를 갖는 보울 (bowl) 로서 구성되고, 브레이크 패드에 접하도록 이동가능한 축선방향 접경 표면을 갖는 림에 의해 개방 단부면이 한정되어 있는 유압 브레이크용 피스톤에 관한 것이다.

WO 01/02745 A1 에 이러한 종류의 피스톤이 개시되어 있다. 피스톤은 바람직하게는 딥드로잉 처리에서 제조된 냉간가공 피스톤이다. 주조 피스톤에 비해, 상기 피스톤은 비교적 벽이 얇고, 모재, 벽 및 저부가 동일한 얇은 벽 두께를 갖는다. 가압 유체가 가해져 저부가 변형되는 것을 막기 위해, 저부는 피스톤 외부 표면에 대해 볼록 곡률을 갖고, 그 결과 응력이 저부에 압축 변형을 야기한다. 저부의 이러한 안정적인 구조적 설계로 인해, 피스톤과 관련 브레이크 실린더 사이에 넓은 여유 체적이 형성된다. 더욱이, 저부에 작용하는 힘이 피스톤의 벽에 전달되고, 저부와 벽 사이의 천이 영역에서, 응력이 증가하게 된다. 응력을 상쇄하기 위해, 이 지점에서 재료가 여러 번 접힌다. 이러한 점에 있어 서, 특히 제조 공구와 관련하여 구성 및 비용-집중 측면에서 재료의 접힘이 특히 복잡한 것이 유리함이 밝혀졌다.

EP 1 414 613 B1 에는, 유압 브레이크용 피스톤의 제조 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은, 규정된 두께의 모재, 특히 한 조각의 판금으로부터 디스크형 둥근 블랭크를 펀치아웃 (punch out) 하는 단계, 그 블랭크를 프레스 다이와 스탬프를 이용하여 보울형 중공 실린더로 성형하는 단계, 및 규정된 벽 두께의 저부와 규정된 벽 두께의 원통형 벽을 성형하기 위해 보울형 중공 실린더를 압축 성형하는 단계를 포함하고 있다. 성형 프로세스의 실행 결과, 피스톤의 벽 두께가 특히 저부와 벽의 천이부에서 모재에 비해 크게 줄어든다. 피스톤 벽 두께의 충분한 비율, 즉 안정성과 강성을 얻기 위해, 상대적으로 두꺼운 모재를 선택해야 하고, 이로 인해 더 많은 제조 비용이 발생하게 된다.

본 발명의 일 목적은, 개선된 유압 특성을 가지며 응력-최적화 구성에 기초한 피스톤을 제공하는 것이고, 다른 목적은 바람직하게는 구성의 적절한 응력-최적화 특성을 나타낼 수 있는 피스톤의 제조 방법을 개시하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 1 의 특징부에 기재된 특징, 즉 저부는 본질적으로 편평한 외부 표면을 갖고, 저부의 벽 두께가 벽의 최소 벽 두께보다 더 두꺼우며, 저부와 벽 사이의 천이 영역에서, 벽의 벽 두께가 저부를 향해 연속적으로 증가하여, 벽이 경사부를 가지며 저부로 이어져 있는 것에 의해 달성된다. 편평한 외부 표면으로 인해 브레이크 실린더 내에 여유 체적이 전혀 발생하지 않고, 그 결과 유압 작동 순환에서의 유압 유체의 양이 감소하게 되어, 작동 순환의 강성 및 힘을 크게 향상시킨다. 바람직한 태양의 구성은 가압시 변형으로부터 저부를 보호하고, 저부의 인장 응력 및 굽힘 응력을 피스톤 벽의 압축 응력으로 바람직하게 전달한다. 경사부는, 저부의 기계적 응력이 넓은 단면에서 벽으로 균일하게 분산되어 응력 집중이 회피될 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 태양에서, 길이방향 축선에 투사된 경사부의 길이가 저부의 벽 두께의 2 배보다 더 작다. 이러한 기하학적 제한에 의하면, 피스톤에서의 바람직한 응력 전달이 달성되는 한편, 벽의 불필요한 재료 두께증대화로 인한 피스톤 중량의 과잉 증가가 회피된다.

경사부와 벽 사이의 천이부를 응력에 순응하도록 하기 위해, 경사부는 피스톤의 길이방향 축선에 대해 1°보다 큰 각도로 경사져 있다.

본 발명의 다른 실시형태에서는, 경사부와 저부 사이에 둥근 부분이 제공되어 있다. 이러한 조치는 피스톤을 응력에 응하도록 구성하는데 도움이 된다. 이러한 점에서, 둥근 부분이 부분적으로 저부의 재료의 리세스로 구성되어, 이 지점에서 저부의 벽 두께가 감소되어 있는 것이 특히 바람직하다. 특히 경사부와 저부 사이의 천이부에서 저부의 벽 두께가 감소하게 되면, 표면에 인접한 인장 응력이 저부의 전체 성분 단면에 배분되고, 이로써 경사부가 변형을 완화시킨다.

이러한 효과는, 천이부가 반경을 갖고 또 이 반경이 저부의 벽 두께보다 더 작다는 사실에 의해 강화된다.

성형 프로세스의 결과, 저부의 벽 두께가 모재의 두께의 1.1 배만큼 증가하기 때문에, 제조 비용이 줄어든다. 이로써 얇은 두께의 모재를 사용하는 것이 가능하다. 더욱이, 저부는 성형 프로세스의 결과 냉간 가공 경화 (cold working hardening) 되어, 모재의 강도의 1.3 배 이상의 강도를 갖기 때문에, 모재는 비교적 연성일 수 있다. 이들 두 특징으로 인해, 제조 비용과 공구 비용이 낮아지게 된다.

피스톤의 개방된 전방 측의 변형 및 과부하를 막기 위해, 본 발명의 다른 실시형태에서, 림의 접경 표면이 벽의 가장 얇은 지점에서의 단면적보다 더 넓다.

유압 브레이크용 피스톤의 제조 방법이,

- 디스크형 둥근 블랭크를, 길이방향 축선을 가지며 전방 단부가 볼록곡선형 저부에 의해 폐쇄되어 있는 보울형 중공 실린더로 성형하는 단계,

- 업세팅 (upsetting) 작업에 의해 볼록곡선형 저부가 편평하게 되고 저부 재료가 두꺼워지게 되어, 그 결과 이미 완성된 저부의 벽 두께가 모재에 대해 1.1 배만큼 증가하도록, 1 이상의 성형 단계에서 중공 실린더를 길이방향 축선을 따라 업세팅하는 단계를 포함한다.

이 방법을 채용하는 경우, 유리하게는, 저부를 업세팅함으로써 중공 실린더 전체를 본질적으로 포함시키지지 않으면서 저부의 벽 두께를 증가시킬 수 있다. 저부 및 저부에서 벽으로의 천이 영역은 성형 작업의 결과 냉간 가공 경화된다. 이로써, 모재의 두께는 감소될 수 있고, 그로부터 원료 낭비의 감소 및 제조 비용의 감소가 보장된다.

이러한 과정은, 1 이상의 아이어닝 (ironing) 성형 단계로 인해, 업세팅된 저부의 가장자리 영역이 벽에 포함되고, 그 결과 벽이 천이 영역에서 두꺼워지는 경우 특히 바람직하다.

본 발명의 더욱 상세한 내용은 상세한 설명을 통해 도면으로부터 알 수 있다.

도 1 은 본 발명의 피스톤의 단면도이다.

도 2 는 도 1 의 피스톤의 확대 단면도이다.

도 3a ∼ 도 3f 는 전체 성형 프로세스의 가장 중요한 단계를 보여준다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 피스톤 2 길이방향 축선

3 벽 4, 4', 4" 저부

5 림 6 홈

7 숄더부 8 외부 표면

9 내부 표면 10 천이 영역

11 재료 두께증대부 12 슬로프

13 둥근 부분 14 리세스

15 중공 실린더 16 블랭크

17 외부 표면 18 반경방향 가장자리 영역

19 여유 체적 20 외부 표면

A 접경 표면 L 경사부 (12) 의 투사된 길이

Q 단면적 D1 미완성 피스톤의 외경

D2' 미완성 피스톤의 외경 D2 피스톤의 외경

R 경사부와 저부 사이에 있는 천이부의 반경

S₀ 모재의 두께 S_w 벽의 벽 두께

S_b 저부의 벽 두께 S_b' 미완성 저부의 벽 두께

S_r 저부의 감소된 벽 두께

천이 영역에 있는 벽의 벽 두께

α 각도

도 1 은 본 발명의 피스톤 (1) 의 길이방향 단면도이다. 길이방향 축선 (2) 을 중심으로 회전방향 대칭인 이 피스톤 (1) 은, 한 측이 개방되어 있고 벽 (3) 과 저부 (4) 를 갖는 보울로서 구성되어 있으며, 보울의 개방된 전방 단부는 브레이크 패드 (도시 안 됨) 에 접하도록 이동가능한 축선방향 접경 표면 (A) 을 갖는 림 (5) 에 의해 한정되어 있다. 림 (5) 은 벽 (3) 에 일체로 형성되어 있고, 접경 표면 (A) 은 벽 (3) 의 가장 약한 지점에서의 단면적 (Q) 보다 더 넓다. 그리고, 외주 홈 (6) 이 림 (5) 의 근방에서 피스톤 (1) 의 외부 표면 (8) 에 롤러-버니싱 (roller-burnishing) 되어 있으며, 이 홈은 장착 상태에서 링 시일 (도시 안 됨) 을 수용하는데 사용된다. 롤러-버니싱된 홈의 윤곽은 벽 (3) 의 전체 단면에 걸쳐 형성되고, 따라서 피스톤 (1) 의 내부 표면 (9) 에 숄더부 (7) 가 생성된다. 이 숄더부 (7) 에서, 도시되지 않은 브레이크 패드의 배판 (back plate) 의 패드-홀딩 스프링이 제 위치에 고정되고, 이로써 브레이크 패드가 피스 톤 (1) 에서 고정된다. 저부 (4) 의 편평한 외부 표면 (20) 에 최소 여유 체적이 눌리게 되고, 그 결과 유압 시스템의 배기 (venting) 가 개선된다.

벽 (3) 이 저부 (4) 에 연결되는 곳에는, 천이 영역 (10) 이 제공되어 있으며, 도 2 에 확대도로 나타내었다. 벽 (3) 의 재료 두께증대부 (material thickening) (11) 가 천이 영역 (10) 에서 피스톤 (1) 의 내부 표면 (9) 에 제공되어 있다. 두께증대부 (11) 는 이 지점에서 벽 (3) 의 벽 두께 (

) 가 저부 (4) 를 향해 증가하여, 그 결과 경사부 (12) 를 갖는 벽 (3) 이 저부 (4) 에 연결되도록 설계되어 있다. 피스톤 (1) 의 길이방향 축선 (2) 에 대해 경사부 (12) 는 1°이상의 각도 (α) 를 갖는다. 재료 두께증대부 (11) 및 이 두께증대부에 형성된 경사부 (12) 가 천이 영역 (10) 에서의 응력 변화를 최대로 활용하는데 기여하므로, 재료의 불필요한 사용의 결과로 피스톤 (1) 의 중량이 증가하는 것을 막기 위해, 천이 영역 (10) 으로의 경사부 (12) 의 크기를 제한하는 것이 적절하다.

그러므로, 길이방향 축선 (2) 에 대해 투사된 경사부의 길이 (L) 는 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 의 2 배보다 작고, 최적의 방식에서 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 의 치수와 동일하다. 더욱이, 경사부 (12) 와 저부 (4) 사이에는 둥근 부분 (13) 이 제공되어 있는데, 이 둥근 부분의 일부는 저부 (4) 의 재료의 리세스 (14) 로서 구성되어 있다. 피스톤 저부로의 이러한 음형 (impression) 에 의해, 저부 (4) 의 이 지점에서 벽 두께가 벽 두께 (S_b) 에 비해 감소된 벽 두께 (S_r) 로 된다. 상세하게는, 이 둥근 부분 (13) 은 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 보다 더 작은 반경 (R) 을 갖는다. 그러나, 경사부로부터 저부로의 천이부를 리세스 없이 그리고 가변 반경을 갖도록 구성하는 것도 또한 가능하다.

성형 프로세스의 결과로서, 저부의 벽 두께는 바람직하게는 모재 두께 (s₀) 의 약 1.1 ∼ 1.6 배 증가되고, 저부 강도는 모재에 비해 약 1.3 배 증가된다. 또한, 성형 프로세스에 따라, 저부는 성형 프로세스 후에 더 큰 강도, 특히 모재의 1.3 ∼ 2.5 배의 강도를 나타낼 수 있다.

이러한 유형의 피스톤 (1) 이 유압 브레이크 시스템에 사용되고, 이 피스톤은, 브레이크 캘리퍼의 보어 내 피스톤 저부에 유압 유체가 가해질 수 있는 상태로, 보어 내에 축선방향으로 변위가능하게 설치된다. 제동이 가해지는 경우, 가압에 의해 피스톤은 변위되고, 브레이크 디스크에 대항하여 브레이크 패드를 이동시킨다. 이로써 마찰력은 물론, 브레이크 디스크와 브레이크 패드 사이에 수직력이 생성된다.

관심 대상인 피스톤의 제조는 성형 프로세스, 특히 냉간 성형 작업에 의해 행해진다. 전체 성형 프로세스 중 가장 중요한 단계를 도 3a ∼ 도 3f 에 나타내었다. 디스크형 블랭크 (16) 를 바람직하게는 판금 및 대개 압연된 스트립인 모재로부터 펀치아웃한다. 블랭크 (16) 의 두께 (S₀) 는 모재의 두께와 동일하다 (도 3a).

1 이상의 딥드로잉 작업을 통해, 디스크형 블랭크 (16) 로부터 외경이 D1 인 보울형 중공 실린더 (15) 를 형성하는데, 실린더의 전방 단부는 볼록곡선 반구형 저부 (4') 로 폐쇄된다. 이러한 구성에서, 중공 실린더 (15) 의 벽 두께 (S_w) 는 블랭크 (16) 의 두께 (S₀) 와 본질적으로 동일하고, 실린더의 외경 (D1) 은 이미 제조된 피스톤 (1) 의 외경 (D2) 보다 더 크다 (도 3b).

도 3c, 도 3d 및 도 3e 는 볼록곡선 반구형 저부 (4', 4") 의 형성 프로세스 및 두께증대화 작업이 어떻게 이루어지는지를 개략적으로 보여준다. 이는 저부 (4', 4") 자체를 업세팅함으로써 달성된다. 이 경우 재료가 저부 영역에 축적된다. 벽 두께가 S_b' 인 저부 (4', 4") 가 평탄해지지만, 아직 편평하지는 않다. 아이어닝 작업의 결과로 외경 (D1) 은 D2' 까지 감소한다. 이로써, 미완성 저부 (4', 4") 의 반경방향 가장자리 영역 (18) 이 벽을 지나쳐 그 자리에 재료 두께증대부 (11) 를 생성하게 된다. 이후 보정 및 아이어닝 성형 단계에서, 피스톤 (1) 은 외경 D2, 벽 (3) 의 벽 두께 S_w 및 평탄해진 저부 (4) 의 벽 두게 S_b 를 갖는 최종적인 편평한 형상을 갖게 된다. 적절한 부가적인 성형 단계를 통해, 벽 두께 (S_w) 를 줄일 수 있으며, 이로써 벽을 피스톤의 요구에 맞게 적응시킬 수 있다.

Claims (11)

1. - 금속성 모재로부터 성형 프로세스로 제조되고,

   - 한 측이 개방되어 있고 길이방향 축선 (2), 벽 (3) 및 저부 (4) 를 갖는 보울 (bowl) 로서 구성되고,

   - 림 (5) 에 의해 개방 단부면이 한정되어 있으며,

   - 저부 (4) 와 벽 (3) 사이의 천이 영역 (10) 에서, 벽 (3) 의 벽 두께 (

   

   ) 가 저부 (4) 를 향해 연속적으로 증가하여, 경사부 (12) 를 갖는 벽 (3) 이 저부 (4) 로 연결되어 있는 유압 브레이크용 피스톤에 있어서,

   - 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 가 벽 (3) 의 최소 벽 두께 (S_w) 보다 더 두꺼우며,

   - 접경 표면 (A) 이 림 (5) 과 브레이크 라이닝 사이에 형성되고, 상기 접경 표면 (A) 은 벽 (3) 의 가장 얇은 지점에서의 단면적 (Q) 보다 더 넓게 구성되고,

   - 상기 경사부 (12) 와 상기 저부 (4) 사이에 둥근 부분 (13) 이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 길이방향 축선 (2) 에 투사된 경사부 (12) 의 길이 (L) 가 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 의 2 배보다 더 작은 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 경사부 (12) 는 피스톤 (1) 의 길이방향 축선 (2) 에 대해 1°보다 큰 각도 (α) 로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 둥근 부분 (13) 은 부분적으로 저부 (4) 의 재료의 리세스 (14) 로 구성되어 있어, 이 지점에서 저부 (4) 의 벽 두께 (S_r) 가 감소되어 있는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 둥근 부분 (13) 은 반경 (R) 을 갖고, 이 반경 (R) 은 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 보다 더 작은 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
6. 제 1 항에 있어서, 성형 프로세스의 결과, 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 가 모재 (16) 의 두께 (S₀) 의 1.1 배만큼 증가하는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
7. 제 1 항에 있어서, 저부 (4) 는 성형 프로세스의 결과 냉간 가공 경화 (cold working hardening) 되어, 모재 (16) 의 강도의 1.3 배의 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 금속성 모재는, 편평한 판금인 것을 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 유압 브레이크용 피스톤의 제조 방법에 있어서,

   - 디스크형 둥근 블랭크 (16) 를, 길이방향 축선 (2) 을 가지며 전방 단부가 볼록곡선형 저부 (4') 에 의해 폐쇄되어 있는 보울형 중공 실린더 (15) 로 성형하는 단계,

   - 업세팅 작업에 의해 볼록곡선형 저부 (4', 4") 가 편평하게 되고 저부 재료가 두꺼워져, 그 결과 이미 완성된 저부 (4) 의 벽 두께 (S_b) 가 모재 (16) 에 대해 1.1 배만큼 증가하도록, 1 이상의 성형 단계에서 중공 실린더 (15) 를 길이방향 축선 (2) 을 따라 업세팅하는 단계를 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 1 이상의 성형 단계로 인해, 업세팅된 저부 (4') 의 반경방향 가장자리 영역 (18) 이 벽 (3) 에 포함되고, 그 결과 벽 (3) 이 천이 영역 (10) 에서 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 유압 브레이크용 피스톤의 제조 방법.
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