[논문]KTX 제동장치의 고유진동수와 스퀼소음 분석

구병춘; 나인균

doi:10.5050/ksnve.2014.24.12.954

KTX 제동장치의 고유진동수와 스퀼소음 분석
Analysis of Natural Frequencies and Squeal Noise of KTX Brake Unit 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.12, 2014년, pp.954 - 961

구병춘 (Korea Railroad Research Institute) , 나인균 (Korea Railroad Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper

Brake squeal noise of KTX is very uncomfortable to passengers and workers in stations. A lot of study has been conducted to inquire into the mechanism of the squeal noise. But understanding of the brake squeal noise is still challenging. In this study, we developed a full-scale tester equipped with a KTX mechanical brake unit. And we measured the vibrational characteristics of each component of the brake unit and compared them with frequency response functions of brake squeal noise measured also in the tester. It was found that the brake squeal noise was more closely related to the vibrational characteristics of the brake pads and hangers in friction condition than those of free components.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구에서는 위에서 언급한 특성을 파악하기 위하여 KTX 차량용 제동장치에 대해 각 단품의 자유단 상태의 고유진동을 측정하고, 실제 열차에 사용되는 부품으로 제동장치를 구축하여 제동압력이 작용할 때의 진동특성 측정, 그리고 마찰력이 작용할 때의 진동특성을 측정하여 이 실험장치에서 측정한 스퀼소음 시험결과와 비교 분석을 통하여 각 단품의 진동특성과 제동 스퀼소음의 연관성을 규명하고자 하였다.

제안 방법

단품에 대한 주파수응답함수와 고유진동수를 측정하기 위하여 각 단품을 Fig. 1과 같이 매달고, 1축방향 가속도계(B&K type 4396)를 부착하여 충격 해머(PCB 086D20)를 이용하여 가진하면서 다채널 소음/진동 분석장비(LMS SCADAS Mobile, 일부는 B&K Pulse 3560C FFT Analyzer로 측정)와 소프트웨어를 이용하여 주파수응답함수와 고유진동수를 구하였다. 가속도계가 신뢰성 있는 데이터를 제공하는 10000 Hz까지 분석하였다.
0 kgf/cm²을 가하였다. 소음의 측정은 디스크의 면에서 전방 1m 거리에서 측정하였으며, 또한 패드와 행거 측면에 가속도계를 부착하여 제동 시험 중에 패드와 행거의 진동을 측정하여 스퀼소음 주파수와 비교하였다. 소음측정은 B&K사의 휴대용 음향측정기(Type 2250, 주파수 영역=4.

성능/효과

(1) 제동통 압력 1.91, 3.0, 5.0 kgf/cm²에서 측정한 디스크, 패드, 행거의 진동특성에서 크기와 질량이 큰 제동디스크는 압력의 영향이 작았고, 패드와 행거, 레버에는 상대적으로 영향이 크게 나타났다.
(2) 제동시험기에서 측정한 스퀼소음은 단일 음을 갖는 기초 주파수와 그 배음으로 구성되었고, 각 시험마다 기초 주파수가 2880 Hz 혹은 6533 Hz로 변하여 비선형적으로 나타났다.
(3) 스퀼소음 주파수는 자유상태와 마찰력 없이 제동압력만 작용하는 경우의 디스크, 패드, 행거의 고유진동수와는 일치하지 않았고, 제동시험 중에 측정한 패드와 행거의 진동특성과 일치하여 마찰력에 의해 부품의 고유진동수가 변화여 커플링되어 불안정한 진동모드를 만들고 스퀼소음을 발생시키는 것으로 판단되었다.

후속연구

(4) 제동 중에 마찰력을 받으면서 회전하는 디스크의 고유진동을 측정하지 않았기 때문에 제동디스크에서도 마찰력이 작용할 때 2880 Hz 혹은 6533Hz의 불안정 진동모드가 발생하는 지에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스퀼소음의 발생 메커니즘에 대한 대표적인 가설은?	이러한 제동 스퀼소음의 발생 메커니즘에 대한 대표적인 가설로는 스틱-슬립 가설과 모드 연성 가설이 있다. 스틱-슬립 가설은 두 마찰재 사이의 동적 마찰계수가 속도가 증가할 때 감소하면 구조체는 음의 댐핑값을 가질 수 있게 되어 자려진동이 발생하여 스퀼소음을 일으킨다는 가정인데(2) Eriksson과 Jacobson(3)은 이러한 조건에서도 스퀼소음이 발생하지 않을 수 있다는 것을 실험적으로 보여 주었다.
	KTX 고속철도의 제동 스퀼소음의 크기는?	차량의 속도가 빨라질수록 안전과 편의에 대한 문제 또한 중요 시 여겨지게 된다. 이 연구에서 다루고자하는 KTX 고속철도의 제동 스퀼소음은 소음의 크기가 80~97 dB(A)로 해결해야 하는 민원 사항의 하나이다. 프랑스에서도 우리의 KTX와 유사한 고속열차 TGV의 제동 스퀼소음이 문제가 되어 최근 제동다이나모를 이용하여 스퀼소음을 측정하고, 유한요소를 이용한 불안정 모드해석 결과와 비교하여 스퀼 발생 주파수를 유사하게 예측할 수 있음을 보여 주었다(1).
	본 연구에서 KTX 차량용 제동장치의 고유진동수와 제동 스퀼소음의 관계를 분석한 결과로 알 수 있는 점은 무엇인가?	(1) 제동통 압력 1.91, 3.0, 5.0 kgf/cm2에서 측정한 디스크, 패드, 행거의 진동특성에서 크기와 질량이 큰 제동디스크는 압력의 영향이 작았고, 패드와 행거, 레버에는 상대적으로 영향이 크게 나타났다. (2) 제동시험기에서 측정한 스퀼소음은 단일 음을 갖는 기초 주파수와 그 배음으로 구성되었고, 각 시험마다 기초 주파수가 2880 Hz 혹은 6533 Hz로 변하여 비선형적으로 나타났다. (3) 스퀼소음 주파수는 자유상태와 마찰력 없이 제동압력만 작용하는 경우의 디스크, 패드, 행거의 고유진동수와는 일치하지 않았고, 제동시험 중에 측정한 패드와 행거의 진동특성과 일치하여 마찰력에 의해 부품의 고유진동수가 변화여 커플링되어 불안정한 진동모드를 만들고 스퀼소음을 발생시키는 것으로 판단되었다. (4) 제동 중에 마찰력을 받으면서 회전하는 디스크의 고유진동을 측정하지 않았기 때문에 제동디스크에서도 마찰력이 작용할 때 2880 Hz 혹은 6533 Hz의 불안정 진동모드가 발생하는 지에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

참고문헌 (10)

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