KR20200088538A

KR20200088538A - 금속 및 cmc 결합 브레이크 디스크

Info

Publication number: KR20200088538A
Application number: KR1020190004697A
Authority: KR
Inventors: 임동원; 최연호; 유강; 이남철; 양원근; 이홍범; 박홍식
Original assignee: (주) 데크카본
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-07-23
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: KR102183119B1

Abstract

본 발명에 따른 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크는,
금속으로 만들어진 하중부; 및
상기 하중부의 상하면에 결합된, 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어진 단위 CMC 조각들로 구성된 마찰부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 사용하면, CMC 브레이크 디스크의 장점을 모두 가지면서, 패드, 햇파트, 캘리퍼의 열변형 및 열화현상을, 주철 브레이크 디스크보다 디스크를 크게 만들지 않고도 해결할 수 있다.

Description

금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크{Brake disc composed of metal and ceramic matrix composite}

본 발명은 자동차 브레이크 디스크에 관한 것이다.

자동차 브레이크 디스크는, 드럼식 브레이크 디스크와 디스크식 브레이크 디스크로 구분된다.

디스크식 브레이크는 디스크의 표면과 패드의 마찰로 디스크의 회전을 늦추거나 멈추게 함으로써, 자동차의 속도를 감속하거나 자동차를 정지시킨다.

일반적으로 디스크식 브레이크는 주철로 만들어지나, 고 성능 및 고사양 차량에서는, 세라믹 매트릭스 복합재(ceramic matrix composite, CMC)로 디스크가 만들어지고 있다.

세라믹 매트릭스 복합재는, 기지(matrix)가 세라믹이고 강화섬유(탄소섬유, 탄화규소섬유 등)로 강화된 소재로, 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가진다.

이하, 주철로 만들어진 디스크식 브레이크 디스크를“주철 브레이크 디스크”라 칭하고, 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어진 디스크식 브레이크 디스크를“CMC 브레이크 디스크”라 칭한다.

CMC 브레이크 디스크는, 주철 브레이크 디스크 보다 비열이 크나 밀도는 작다. 따라서, 제동시, 디스크의 표면과 패드의 마찰로 인해, 디스크의 온도가 주철 브레이크 디스크 보다 급격하게 올라간다. 이로 인해, 고온에서 충분히 견딜 수 있는 CMC 브레이크 디스크 자체는 문제가 없으나, 그 주변에 설치된 패드, 햇파트, 캘리퍼로 열이 급속도로 퍼져나가, 패드, 햇파트, 캘리퍼를 열변형시키고 열화(劣化)시킨다.

패드가 열변형되고 열화되면, 디스크와 패드 사이의 마찰계수의 변화폭이 커져, 제동성능이 일정치 못하게 된다.

햇파트가 열변형되고 열화되면, 바퀴휠과 햇파트 사이에 균형이 맞지 않아, 소음 및 진동이 발생한다.

캘리퍼가 열변형되고 열화되면, 캘리퍼가 패드를 디스크에 제대로 밀착시키지 못해, 소음 및 진동이 발생한다. 또한, 캘리퍼가 열을 받게 되면, 캘리퍼를 작동시키는 브레이크액이 끓어오르게 되어, 제동성능이 급격하게 떨어진다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 주철 브레이크 디스크 보다 CMC 브레이크 디스크를 크게 만들어(외경이 1인치 큼), 부피를 증가시켜 브레이크 디스크의 온도가 급속도로 높이 올라가는 것을 막을 수 있다.

그러나, 이 경우 브레이크 디스크의 크기가 달라져, 차량을 개조하기 전에는, 주철 브레이크 디스크를, CMC 브레이크 디스크로 즉시 교체할 수 없다는 또 다른 문제점이 발생한다.

한국등록특허(10-1608904, 10-1610131)

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크는,

금속으로 만들어진 하중부; 및

상기 하중부의 상하면에 결합된, 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어진 단위 CMC 조각들로 구성된 마찰부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 하중부를 일반적인 브레이크 디스크와 동일한 주철로 만들어, 제동시 하중부의 온도가 급격하게 올라가는 막는다. 반면, 마찰부를 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가진 CMC로 만들어, 높은 내마모성과 높은 제동성능을 가진다.

따라서, 본 발명을 사용하면, CMC 브레이크 디스크의 장점을 모두 가지면서, 패드, 햇파트, 캘리퍼의 열변형 및 열화현상을, 주철 브레이크 디스크보다 디스크를 크게 만들지 않고도 해결할 수 있다.

또한, 브레이크 디스크를 주철 브레이크 디스크 보다 크게 만들 필요가 없어, 주철 브레이크 디스크를 CMC 브레이크 디스크로 즉시 교체할 수 있다. 따라서, CMC 브레이크 디스크를 장착하기 위해서, 차량을 개조할 필요가 없다.

본 발명은, 마찰부가 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어진 단위 CMC 조각들로 구성된다. 따라서, 마찰부의 일부가 손상되면, 그 부분의 단위 CMC 조각을 교체하여 신속한 수리가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크에 햇파트가 결합된 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 A부분을 확대한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 단위 CMC 조각을 나타낸 도면이다.
도 4는 제1변형예에 따른 단위 CMC 조각을 나타낸 도면이다.
도 5는 제2변형예에 따른 단위 CMC 조각을 나타낸 도면이다.
도 6은 탄소-탄소 섬유를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크를 자세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크(100)는, 하중부(110), 마찰부(120)로 구성된다.

하중부(110)는 마찰부(120)를 지지한다. 하중부(110)는 충격을 흡수하고, 제동시 발생하는 마찰열을 외부로 방출시킨다. 하중부(110)의 두께는 25~50mm다. 하중부(110)는 회주철(gray cast iron)과 같은 금속으로 만들어진다. 하중부(110)를 금속으로 만들어, 종래 CMC로 만든 하중부 보다 밀도를 높인다. 이로 인해, 제동시 디스크의 온도가 급격하게 올라가지 않는다.

하중부(110)의 상하면에는 디스크의 중심을 향해 직선 형태로 뚫린 냉각채널(111)들이 구비된다. 냉각채널(111)은 원주방향으로 일정간격으로 배치된다. 냉각채널(111)들은 격벽(112)에 의해 분리된다. 물론, 냉각채널(111)의 형상은 곡선 등 다양할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 격벽(112)은 제1격벽(112a)과 제2격벽(112b)으로 구성된다.

제1격벽(112a)의 상면에는 2개의 체결공(112aa)이 구비되고, 제1격벽(112a)의 전단에는 단(112ab)이 형성된다. 물론, 체결공(112aa)의 개수는 2개 이상일 수 있다.

제2격벽(112b)에는 단과 체결공이 없으며, 제1격벽(112a) 사이에 배치된다.

제2격벽(112b)의 전측에는 제2격벽(112b)의 양측에 배치된 냉각채널(111)을 서로 연통시키는 통로(112ba)가 형성된다. 이러한 통로(112ba)로 인해, 냉각채널(111)내의 공기흐름이 활발해져, 냉각채널(111)의 디스크 냉각성능이 향상된다.

하중부(110)의 중심에는 햇파트(130)가 결합된다. 햇파트(130)는 바퀴휠과 디스크를 연결시킨다. 햇파트(130)는 알루미늄으로 만들어진다. 햇파트(130)의 중심에는 자동차 바퀴축이 지나가는 축공(131)이 구비된다. 축공(131) 주위에는 일정간격으로 체결공(132)이 구비된다. 체결공(132)으로 볼트가 통과하여 햇파트(130)를 바퀴휠에 결합시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 햇파트(130)의 가장자리에는, 복수개의 장홀(133)들이 일정간격으로 뚫린다. 장홀(133)에는 부시(134)가 삽입된다. 부시(134)는 스테인레스강으로 만들어진다. 하중부(110)를 관통한 볼트(135)가 부시(134)를 통과한 후, 볼트(135)의 끝단에 너트(136)가 체결되면, 하중부(110)의 상면에 햇파트(130)가 고정된다.

마찰부(120)는 제동시, 패드와 직접 마찰 접촉하여, 제동에 필요한 마찰력을 생성한다.

마찰부(120)는 하중부(110)의 상하면에 결합된 단위 CMC 조각(121)들로 구성된다. 마찰부(120)의 두께는 1~20mm 이다.

단위 CMC 조각(121)은 2개의 냉각채널(111)을 덮을 정도의 크기를 가진다. 물론, 단위 CMC 조각(121)의 크기와 개수는 다양할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 단위 CMC 조각(121)에는 2개의 관통공(121a)이 구비된다. 관통공(121a)으로 나사 또는 리벳과 같은 체결수단(122)이 통과한 후, 제1격벽(112a)의 체결공(112aa)에 체결된다. 그러면, 단위 CMC 조각(121)이 제1격벽(112a)의 상면에 고정된다. 물론, 단위 CMC 조각(121)과 제1격벽(112a)의 고정방식은 다양할 수 있다.

단위 CMC 조각(121)은 탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC)로 구성된다.

탄화규소(SiC)는 매트릭스(matrix)를 구성하고, 탄소섬유(Cf)는 매트릭스(matrix)내에 무작위로 분포된다. 탄소섬유(Cf)는 다발의 탄소필라멘트로 구성된다.

단위 CMC 조각(121)에서, 탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC) 성분은, 디스크를 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가지게 만든다.

제1변형예

도 4에 도시된 바와 같이, 제1변형예에 따른 단위 CMC 조각(121')은 탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC), 구리(Cu), 규소-구리 합금(SixCuy)로 구성된다.

제1변형예에 따른 단위 CMC 조각(121')에는, 단위 CMC 조각(121)에 없었던 구리(Cu), 규소-구리 합금(SixCuy) 성분이 더 포함된다.

단위 CMC 조각(121')에 구리(Cu), 규소-구리 합금(SixCuy) 성분이 더 포함됨으로써, 단위 CMC 조각(121')의 밀도가 높아진다. 이로 인해, 제동시 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라가는 것까지 막을 수 있다. 물론, 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라간다고 해서, 하중부(110)의 온도가 급속도로 올라가는 것만큼 디스크의 주변에 설치된 패드, 햇파트, 캘리퍼에 악영향을 주는 것은 아니나, 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라가는 것 역시 좋은 영향을 주는 것은 아니므로, 제1변형예는 나름 의미를 가지는 변형예다.

탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC) 성분은, 디스크를 가볍고, 내열충격성, 내산화성, 내마모성이 크고, 고강도이며, 높은 마찰계수를 가지게 만든다.

반면, 구리(Cu), 규소-구리 합금(SixCuy) 성분은 디스크의 밀도를 높여, 제동시 디스크의 온도가 급속도로 높이 올라가는 것을 막고, 마찰계수의 변화폭을 줄인다.

제2변형예

도 5에 도시된 바와 같이, 제2변형예에 따른 단위 CMC 조각(121")은 탄소-탄소 섬유(C/Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC)로 구성된다.

제2변형예에 따른 단위 CMC 조각(121")에는, 단위 CMC 조각(121)을 구성하는 탄소섬유(Cf) 대신에 탄소-탄소 섬유(C/Cf)가 포함되고, 탄소-탄소 섬유(C/Cf) 보다 탄화규소(SiC)의 함량이 높다.

단위 CMC 조각(121")에서 탄화규소(SiC)의 함량을 높임으로써, 단위 CMC 조각(121")의 밀도가 높아진다. 이로 인해, 제동시 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라가는 것까지 막을 수 있다. 물론, 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라간다고 해서, 하중부(110)의 온도가 급속도로 올라가는 것만큼 디스크의 주변에 설치된 패드, 햇파트, 캘리퍼에 악영향을 주는 것은 아니나, 마찰부(120)의 온도가 급속도로 올라가는 것 역시 좋은 영향을 주는 것은 아니므로, 제2변형예는 나름 의미를 가지는 변형예다.

탄화규소(SiC)는 매트릭스(matrix)를 구성하고, 탄소-탄소 섬유(C/Cf)는 매트릭스(matrix)내에 무작위로 분포된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 탄소-탄소 섬유(C/Cf)는,

다발의 탄소필라멘트(FL)와, 다발의 탄소필라멘트(FL) 사이사이 빈 공간(S)을 채우고, 다발의 탄소필라멘트(FL)의 외곽을 감싸는 탄소층(CL)으로 구성된다. 탄소필라멘트(FL)의 개수는 수천~수만개이다.

탄소층(CL)을 구성하는 탄소(C)는 다발의 탄소필라멘트(FL)에 수지(Resin)를 함침시키고, 수지가 함침된 다발의 탄소필라멘트(FL)를 탄화시키는 과정을 반복하는 과정을 통해 공급된다.

다발의 탄소필라멘트(FL) 사이사이 빈 공간(S)을 채우고, 탄소필라멘트(FL)의 외곽을 감싸는 탄소층(CL)으로 인해, 제동시 발생하는 충격에 의해 매트릭스(matrix)에 생긴 균열이 탄소필라멘트(FL)를 지나가지 못한다. 설사, 탄소필라멘트(FL)의 외곽을 감싸는 탄소층(CL)을 뚫었다 하더라도, 탄소필라멘트(FL) 사이사이 빈 공간(S)을 채우는 겹겹의 또 다른 탄소층(CL)으로 인해, 균열은 더 이상 진행되지 못한다.

이로 인해, 보다 적은 탄소섬유(Cf) 양으로도 마찰부(120)의 강도를 충분히 유지시킬 수 있어, 탄소섬유(Cf)를 사용할 때 보다, 마찰부(120)의 탄화규소(SiC) 함량을 더 높일 수 있다.

단위 CMC 조각(121")에서 탄소-탄소 섬유(C/Cf)의 무게 대 탄화규소(SiC)의 무게 비(탄소-탄소 섬유 무게/탄화규소 무게)는 1 미만 ~ 0.4 이상이다. 보다 바람직하게는, 탄소-탄소 섬유(C/Cf)의 무게와 탄화규소(SiC)의 무게 비는 4:6이다.

이렇게 탄화규소(SiC)의 양을 늘리기 위해, 단위 CMC 조각(121")을 만드는 과정에서 탄화규소 가루를 직접 넣어준다. 또는, 단위 CMC 조각(121")을 만들기 위해, 탄소섬유와 탄소로 구성된 탄화체에 규소를 함침시키는 과정에서, 촉매제를 사용하여 탄소와 규소의 반응을 촉진시켜 탄화규소의 합성효율을 높인다.

100: 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크
110: 하중부 120: 마찰부
111: 냉각채널 112: 격벽
112a: 제1격벽 112b: 제2격벽
121,121',121": 단위 CMC 조각
SiC: 탄화규소 Cf: 탄소섬유
C/Cf: 탄소-탄소 섬유 CL: 탄소층

Claims

금속으로 만들어진 하중부; 및
상기 하중부의 상하면에 결합된, 세라믹 매트릭스 복합재로 만들어진 단위 CMC 조각들로 구성된 마찰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크.
제1항에 있어서,
상기 하중부의 상하면에는 디스크의 중심을 향해 직선 또는 곡선 형태로 뚫린 냉각채널들이 원주방향으로 일정간격으로 배치되고,
상기 냉각채널들은 격벽에 의해 분리되며,
상기 격벽은 제1격벽과 상기 제1격벽 사이에 배치된 제2격벽으로 구성되며,
상기 제2격벽의 전측에는 상기 제2격벽의 양측에 배치된 냉각채널을 서로 연통시키는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크.
제1항에 있어서,
상기 단위 CMC 조각은, 탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC)로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크.
제1항에 있어서,
상기 단위 CMC 조각은, 탄소섬유(Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC), 구리(Cu), 규소-구리 합금(SixCuy)로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크.
제1항에 있어서,
상기 단위 CMC 조각은, 탄소-탄소 섬유(C/Cf), 규소(Si), 탄소(C), 탄화규소(SiC)로 구성된 것을 특징으로 하는 금속 및 CMC 결합 브레이크 디스크.