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문제 정의
- 본 논문에서는 거시적 관점에서 Fig. 1과 같이 브레이크 코너모듈(brake corner module) 모델에 대하여 디스크 회전에 대하여 제동을 가하는 유한요소해석을 수행하였으며 브레이크패드의 마찰재 형상을 변화하여 패드 접촉면에 발생하는 접촉 압력분포를 구하고 마찰재의 부분적 편마모에 대한 영향을 연구하였으며 다이나모미터(dynamometer)를 통하여 실험적으로 증명하였다. 또한 편마모 저감을 위하여 패드의 형상에 대하여 다구찌 기법을 이용하여 강건설계를 수행하였다.
- 본 논문에서는 차량의 제동시에 편마모를 저감시킬 수 있는 방법론을 제시하였으며, 편마모 저감을 위한 패드형상의 강건설계 최적모델을 제시하였고 실험을 통하여 검증하였다. 향후 디스크 브레이크 설계시에 본 논문에서의 결과를 반영하면 편마모량을 제품 제작 이전 설계단계에서 사전에 감소시키는 것이 가능할 것이다.
- 본 연구에서는 브레이크 제동시 마찰재의 편마모를 저감시키는 방법론과 효과를 기술하였다. 본 연구결과로부터 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
- 본 연구에서는 앞서 구성한 유한요소모델 기반 접촉압력해석모델을 바탕으로 디스크브레이크시스템의 제어인자, 노이즈인자 및 출력을 정의하여 실험계획법에 따른 접촉압력해석을 수행하였다. 이를 통하여 편마모 저감을 위한 강건설계를 수행할수 있었다.
- 본 연구에서는 제어인자 직교 배열표 및 노이즈인자 각각의 경우에 대하여 접촉압력 해석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
- 접촉압력해석을 수행하면 이너패드와 아우터패드 각각에 대한 패드 면의 압력분포를 구할 수 있으며 제어인자 변경에 따른 전체 면에 대한 분포압력을 균등화하여 편마모를 최소화시키는 강건 설계를 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 이너 패드와 아우터패드에 대하여 각 8위치점에 대한 접촉압력을 구하여 이값들에대해 분석하였다.
- 또한, 이너패드(inner pad)와 아우터패드(outer pad)는 압력이 전달되는 구조가 다르지만 마찰재 형상은 대칭형이어야 하므로 이에 따른 압력분포의 차이가 나타나며 편마모에 영향을 미친다. 그러므로, 패드종류를 노이즈인자로 선정하고 이너패드/아우터패드를 수준별 설계값으로 선정하였다. 각 노이즈인자에 따른 수준별 설계값은 Table 4와 같다.
- 기존 형상과 최적 형상의 마모 특성을 비교 평가 하기 위하여 4절의 강건설계로 얻은 형상의 시편을 제작하였다. 시험에 사용된 기존 형상 패드 시편과 최적 형상 패드 시편은 각각 Fig.
- 실차상태와 동일하게 각 단품별 연결방법 및 구속조건을 설정하였으며 각각의 단품들은 모두 탄성체로 설정하였다. 디스크와 패드, 피스톤(piston)과 패드 백플레이트(backplate), 캐리어(carrier)와 패드백플레이트, 캐리어와 가이드로드(guide rod), 피스톤과 하우징(housing)간에는 접촉조건으로 연결하였다. 피스톤은 하우징 내에서 피스톤운동을 하도록, 디스크는 회전방향으로 회전하도록 구속조건을 설정하였다.
- 본 시험에 들어가기 전에 디스크와 마찰재 사이의 마찰면을 고르게 만드는 과정인 프리버니쉬 수행이후 완전정지 시험을 수행하였다. 완전정지시험(Full stop test)은50km/h에서 0km/h(정지)까지 1MPa 또는2MPa상당 제동토크를4000회 실시하였다.
- 본 시험은 브레이크 다이나모 시험장비를 사용하여 마모 평가를 실시하였다.
- 6의 결과에서 알 수 있듯이 각각의 경우에 적용한 제어인자의 수준값과 S/N비를 구할수 있으며, 이를 통하여 최적 모델을 얻을 수 있다. 본 연구에서 최종 선정한 최적 모델은 각각의 제어 인자에 대하여 S/N비를 비교하여, 최대가 되는 수준을 최적 제어인자 수준으로 결정하였다. 제어인자 중 S/N비가 제일 높은 인자는 패드의 리딩쪽 길이를 나타내는 제어인자 C이었다.
- 그러므로, 차량의 제동시에 가해지는 라인압력이 저압일 경우와 고압일 경우는 디스크와 패드사이의 압력분포가 달라지며 이는 패드의 마모에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 라인압력이 변화하더라도 패드의 편마모가 저감될 수 있도록 강건 설계하고자 라인압력을 노이즈인자로 선정하고 저압(1MPa)/고압(2MPa)을 수준별 설계값으로선정하였다.
- 편마모에 대한 분석을 수행하기 위해 디스크와 패드간의 압력을 해석하였다. 본 연구에서는 상용 소프트웨어인 아바쿠스(Abaqus) v6.8을 이용하여 유한요소해석을 수행하였다.26)
- 완전정지시험 이후 불완전정지시험을 수행하였다. 불완전정지시험(Snub stop test)은 50km/h에서 10km/h까지 1MPa 또는2MPa상당 제동토크를 1600회 실시하였다.
- 시험 구성은 시험전 두께측정, 프리버니쉬(preburnish), 완전정지(Full Stop)시험, 불완전정지(Snub Stop)시험, 시험후 두께측정의 순서로 구성하였다.
- 시험전후에 8위치점의 두께측정을 통하여 마모량을 측정하였다. 두께측정기로는 측정정도 ±4㎛인 Mitutoyo사의 마이크로미터를 사용하였다.
- 최적 모델 시편의 경우 패드와 디스크가 접촉하는 면적이 기존모델 시 편보다 27% 만큼 작으므로 동일 면적일 경우의 마모량을 추가적으로 예측 비교하였다. 실제 접촉 압력이 27% 만큼 큰 것을 감안하여 패드 마모량을 비례 보정하였다. 마모 평가 후 앞에서 언급한 8 위치 점에 대한 마모량을 평가하여 이들의 최대값과 최소값의 차이를 편마모량으로 정의하였다.
- 실제 제동시 디스크의 회전에 의한 영향을 분석하기 위해 디스크와 패드의 접촉 후 디스크 중심축을 기준으로 원주방향으로 디스크를 10° 회전하도록 모션(motion)조건을 설정하였으며 이를 통하여 패드면에 발생하는 압력분포를 구할 수 있었다.
- 실제 회전하는 디스크(disc)에 패드(pad)가 접촉하여 브레이크 작동시의 압력분포를 구하기 위하여 접촉압력해석을 수행하였다. 제동시 디스크 브레이크 전체 구조에 의하여 패드에 부분적으로 다르게 전달되는 압력분포를 분석하기 위해 모델을 단순화시키지 않고 캘리퍼 어샘블리 및 상대부품이 모두 포함된 브레이크 코너 모듈을 유한요소 모델로 구성하였다.
- 제동시 디스크 브레이크 전체 구조에 의하여 패드에 부분적으로 다르게 전달되는 압력분포를 분석하기 위해 모델을 단순화시키지 않고 캘리퍼 어샘블리 및 상대부품이 모두 포함된 브레이크 코너 모듈을 유한요소 모델로 구성하였다. 실차상태와 동일하게 각 단품별 연결방법 및 구속조건을 설정하였으며 각각의 단품들은 모두 탄성체로 설정하였다. 디스크와 패드, 피스톤(piston)과 패드 백플레이트(backplate), 캐리어(carrier)와 패드백플레이트, 캐리어와 가이드로드(guide rod), 피스톤과 하우징(housing)간에는 접촉조건으로 연결하였다.
- 앞서 설명한 7개의 형상설계 제어인자의 직교표(18조합), 2개의 노이즈인자(4조합)에 따라 총 72조합으로 디스크 브레이크 시스템의 접촉압력해석을 수행하였다. 접촉압력해석을 수행하면 이너패드와 아우터패드 각각에 대한 패드 면의 압력분포를 구할 수 있으며 제어인자 변경에 따른 전체 면에 대한 분포압력을 균등화하여 편마모를 최소화시키는 강건 설계를 수행하였다.
- 완전정지시험 이후 불완전정지시험을 수행하였다. 불완전정지시험(Snub stop test)은 50km/h에서 10km/h까지 1MPa 또는2MPa상당 제동토크를 1600회 실시하였다.
- 본 시험에 들어가기 전에 디스크와 마찰재 사이의 마찰면을 고르게 만드는 과정인 프리버니쉬 수행이후 완전정지 시험을 수행하였다. 완전정지시험(Full stop test)은50km/h에서 0km/h(정지)까지 1MPa 또는2MPa상당 제동토크를4000회 실시하였다.
- 마찬가지로 하우징의 핑거(finger)부분은 반력으로 피스톤과 반대방향으로 전진하여 아우터 패드(outer pad)에 접촉하여 압력을 가하며 이 압력은 디스크로 전달된다. 이상과 같이 제동시의 디스크와 패드간에 압력이 가해지면 디스크 회전에 의한 마찰이 발생하도록 디스크와 패드간 접촉조건은 마찰(friction)로 설정하였고 하중조건은 분포면 하중으로 설정하여 접촉 압력 해석을 수행하였다. 실제 제동시 디스크의 회전에 의한 영향을 분석하기 위해 디스크와 패드의 접촉 후 디스크 중심축을 기준으로 원주방향으로 디스크를 10° 회전하도록 모션(motion)조건을 설정하였으며 이를 통하여 패드면에 발생하는 압력분포를 구할 수 있었다.
- 앞서 설명한 7개의 형상설계 제어인자의 직교표(18조합), 2개의 노이즈인자(4조합)에 따라 총 72조합으로 디스크 브레이크 시스템의 접촉압력해석을 수행하였다. 접촉압력해석을 수행하면 이너패드와 아우터패드 각각에 대한 패드 면의 압력분포를 구할 수 있으며 제어인자 변경에 따른 전체 면에 대한 분포압력을 균등화하여 편마모를 최소화시키는 강건 설계를 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 이너 패드와 아우터패드에 대하여 각 8위치점에 대한 접촉압력을 구하여 이값들에대해 분석하였다.
- 실제 회전하는 디스크(disc)에 패드(pad)가 접촉하여 브레이크 작동시의 압력분포를 구하기 위하여 접촉압력해석을 수행하였다. 제동시 디스크 브레이크 전체 구조에 의하여 패드에 부분적으로 다르게 전달되는 압력분포를 분석하기 위해 모델을 단순화시키지 않고 캘리퍼 어샘블리 및 상대부품이 모두 포함된 브레이크 코너 모듈을 유한요소 모델로 구성하였다. 실차상태와 동일하게 각 단품별 연결방법 및 구속조건을 설정하였으며 각각의 단품들은 모두 탄성체로 설정하였다.
- 제어인자 중에서 상대적으로 길이가 짧은 A와 B 는2수준으로 설정하고, 상대적으로길이가 긴 마찰재 높이 E, F, G와 마찰재 가로 폭 C, D는 3수준으로 설정하였다. 각제어인자의 1수준값은 형상최적화를 수행하기 전인 기존 모델의 치수이다.
- 12(c)는 최적 모델 시편의 결과에 대하여 비례 보정한 결과이다. 최적 모델 시편의 경우 패드와 디스크가 접촉하는 면적이 기존모델 시 편보다 27% 만큼 작으므로 동일 면적일 경우의 마모량을 추가적으로 예측 비교하였다. 실제 접촉 압력이 27% 만큼 큰 것을 감안하여 패드 마모량을 비례 보정하였다.
- 패드마모 평가시 마모량을 일반적으로 측정하는 8개의 위치를 Fig. 4와 같이 선정하였으며 패드면에 대한 각 측정점의 위치와 상관없이 마모 또는 압력 분포가 균등한 형상을 설계하여 편마모를 최소화하기 위해 8개 위치점의 접촉압력값들과 패드별 압력 값들에 대한 표준편차를 출력반응으로 각각 선정하여 구하고 각 표준편차를 최소화 하도록 강건설계를 수행하였다.
- 2에 나타내었다. 편마모에 대한 분석을 수행하기 위해 디스크와 패드간의 압력을 해석하였다. 본 연구에서는 상용 소프트웨어인 아바쿠스(Abaqus) v6.
- 디스크와 패드, 피스톤(piston)과 패드 백플레이트(backplate), 캐리어(carrier)와 패드백플레이트, 캐리어와 가이드로드(guide rod), 피스톤과 하우징(housing)간에는 접촉조건으로 연결하였다. 피스톤은 하우징 내에서 피스톤운동을 하도록, 디스크는 회전방향으로 회전하도록 구속조건을 설정하였다. 너클(knuckle)은 모든 자유도에 대하여 완전구속을 하였으며 캐리어는 너클에 고정되었다.
대상 데이터
- 두께측정기로는 측정정도 ±4㎛인 Mitutoyo사의 마이크로미터를 사용하였다.
- 마모시험은 상용마찰재를 이용하였으며 상용마찰재는 크게 비석면 유기질 마찰재(NAO, NonAsbestos)를 선정하였다.
- 본 논문에서 수행된 시험모드는 다음과 같이 완전정지시험과 불완전정지시험으로 구성된다.8)
- 접촉 압력 해석 모델에서 편마모 저감을 위하여 마찰재형상의 설계변수에 해당하는 제어인자로 총 7개를 선정하였다. 패드의 형상에 대한 설계변수를 Fig.
- 직교배열표는 Minitab 상용 소프트웨어27,28)를 이용하여 선정하였다. 패드의 가로방향 4지점의 길이(A, B, C, D)와 패드의 세로방향 3지점의 높이(E, F, G)를 인자로 선정하였다. 이러한 제어인자에 따른 수준별 설계값은 Table 2와 같으며, 직교배열표에 따른 수준별 조합은 Table 3과 같다.
- 해석에 적용된 브레이크는 국내에서 양산중인 차량에 사용되는 일반적인 단일 피스톤 타입(single piston type) 디스크브레이크(disc brake)이며 유한요소해석에 이용된 3D모델은 Fig. 2에 나타내었다. 편마모에 대한 분석을 수행하기 위해 디스크와 패드간의 압력을 해석하였다.
데이터처리
- 기존모델에 적용된 제어인자의 수준값과 앞에서 선정된 최적 모델에서의 제어인자 수준값에 대한 S/N비를 비교하기 위하여 출력반응인 접촉압력 데이터를 Minitab을 이용하여 분석하였다.
- 패드별 압력값들의 표준편차는 작으면 작을수록 좋은 특성이므로 망소 정특성으로 검토하였으며 S/N비는식 (2)를 이용하여 계산하였다. 본 연구에서는 상용 통계적 해석 소프트웨어인 Minitab을 이용하여 데이터를 분석하여 S/N비를 구하였다.
- 출력 특성치 중 8개 각 위치점별 압력은 일정한 목표값 에 가까울수록 좋은 특성이므로 망목 정특성으로 검토하였으며 S/N비는 식 (1)을 이용하여 계산되었다. 패드별 압력값들의 표준편차는 작으면 작을수록 좋은 특성이므로 망소 정특성으로 검토하였으며 S/N비는식 (2)를 이용하여 계산하였다. 본 연구에서는 상용 통계적 해석 소프트웨어인 Minitab을 이용하여 데이터를 분석하여 S/N비를 구하였다.
이론/모형
- 1과 같이 브레이크 코너모듈(brake corner module) 모델에 대하여 디스크 회전에 대하여 제동을 가하는 유한요소해석을 수행하였으며 브레이크패드의 마찰재 형상을 변화하여 패드 접촉면에 발생하는 접촉 압력분포를 구하고 마찰재의 부분적 편마모에 대한 영향을 연구하였으며 다이나모미터(dynamometer)를 통하여 실험적으로 증명하였다. 또한 편마모 저감을 위하여 패드의 형상에 대하여 다구찌 기법을 이용하여 강건설계를 수행하였다.
- 3과같이선정하였고실험계획법20-25)에따라제어인자는 L18(21× 36 ) 직교배열표를 사용하여 수준별 조합을 선정하였다. 직교배열표는 Minitab 상용 소프트웨어27,28)를 이용하여 선정하였다. 패드의 가로방향 4지점의 길이(A, B, C, D)와 패드의 세로방향 3지점의 높이(E, F, G)를 인자로 선정하였다.
성능/효과
- 1) 브레이크 제동시 디스크 회전영향을 고려한 유한요소해석을 통하여 마찰재 접촉면에 발생하는 접촉압력분포를 분석하였으며 이를 통하여 편마모 분포를 예측하는것이 가능하였다.
- 2) 편마모 저감을 위하여 패드의 형상에 대하여 다구찌 기법을 이용하여 강건설계를 수행하여 편마모 저감최적형상 도출이 가능하였다.
- 3) 다이나모미터를 이용하여 마모시험을 수행하여 기본모델과 최적모델 샘플을 비교한 결과 편마모량에 뚜렷한 저감 효과를 확인하였다.
- 12(a)와 비교하여 알 수 있다. 또한, 고압조건에서도 이너패드의 편마모량이 아우터패드보다 더 큼을 알 수 있었다. 최적사양은 고압조건(2MPa)에서 편마모량이 이너패드 0.
후속연구
- 본 논문에서는 차량의 제동시에 편마모를 저감시킬 수 있는 방법론을 제시하였으며, 편마모 저감을 위한 패드형상의 강건설계 최적모델을 제시하였고 실험을 통하여 검증하였다. 향후 디스크 브레이크 설계시에 본 논문에서의 결과를 반영하면 편마모량을 제품 제작 이전 설계단계에서 사전에 감소시키는 것이 가능할 것이다.
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