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문제 정의
- (1) 본 연구에서는 저주파 스퀼 현상에 영향을 미치는 인자들을 분석하였다.
제안 방법
- (9,10) 본 연구에서도 위에서 말한 동적 불안정성(Dynamic instability)을 복소 고유치 해석을 통해 ABAQUS 상에서 구현하고 영향인자 분석을 수행하였다.
- 이를 제외한 다른 부품에 대해서는 탄성 계수(Ε), 포아송 비(ν), 밀도(ρ) 등의 물성치를 실차와 유사하게 부여하였다. 하중은 캘리퍼와 패드, 피스톤과 패드 사이에 각각 균일하게 부여하였고, 경계조건은 브레이크와 샤시가 연결되는 부분을 x, y, z 방향 모두 구속하였으며, 샤시 연결 시에는 샤시 끝 단으로 경계조건을 이동시켰다. 부품 간 접촉 조건은 해석 단계별 또는 인자의 수준별로 각각 다르게 부여하였고 마찰 계수 또한 다르게 부여하였다.
- 스퀼에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 본 연구에서는 5 가지 인자를 선정하였고 각 인자마다 3 수준으로 설정하였다. 기본 모델에 적용이 되고 있는 데이터는 2 번째 수준으로 정의하였고 각각 변화가 주어진 수준을 1 번째 수준 또는 3 번째 수준으로 제시하였다.
- 스퀼에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해 본 연구에서는 5 가지 인자를 선정하였고 각 인자마다 3 수준으로 설정하였다. 기본 모델에 적용이 되고 있는 데이터는 2 번째 수준으로 정의하였고 각각 변화가 주어진 수준을 1 번째 수준 또는 3 번째 수준으로 제시하였다. 전체 인자 및 수준을 Table 1 에 나타내었다.
- 너클(Knuckle)에 샤시(Chassis)를 연결하여 샤시 부의 결합이 스퀼에 미치는 영향 도를 알아 보기 위함이다. 첫 번째 수준은 체결(Fastening)이며, 세 번째 수준은 강체(rigid)조건으로 설정하였다. 샤시를 결합한 모델의 전체적인 형상을 Fig.
- 스퀼 해석에 있어 패드의 마모 정도가 미치는 영향을 위한 과정으로 피스톤으로 가압하는 압력 값인 20bar 로 마모 시킨 것을 1 수준, 50bar 로마모 시킨 것을 3 수준으로 정하였다.
- 브레이크 시스템의 큰 부분을 차지하는 디스크를 대표적으로 선정하여 탄성 계수를 기준 대비 ±6 % 를 조정하여 스퀼 평가에 반영하였다.
- 이것을 소프트컨택(Soft contact)이라 명하였고 1 수준으로 정하였다. 이와는 반대로 Fig. 6 과 같이 피스톤과 캘리퍼 바디 사이의 노드를 모두 일치시켜 약간의 간격도 발생하지 않도록 구성한 모델을 하드컨택(Hard contact)이라 명시하였고 3 수준으로 정하였다.
- 디스크를 제외한 모든 접촉 조건을 제거하여 스퀼에 대한 영향을 분석한 모델을 마찰없음(No friction)이라 명하였고, 1 수준으로 정하였다. 또한 라이너를 제거하고 백 플레이트와 토크멤버 사이의 본래의 접촉 조건 대신 Fig. 7 과 같이 10kN/mm 의 강성 값으로 연결한 모델을 back-plate (BP) spring 으로 명하였고 3 수준으로 정했다.
대상 데이터
- 기본적인 유한 요소 모델은 실차 시험에서 스퀼 노이즈가 발생했던 브레이크와 형상이 동일하다. 모델은 디스크와 패드, 캘리퍼, 피스톤 등 17 개의 부품으로 이루어져 있으며 모두 고체 요소로 격자를 생성하였다. 인자 중에 하나인 마모효과를 적용하기 위해 패드의 경우 오직 육면체의 요소들로만 구성하였고 고유진동수 해석을 통해 등방성 물질로 설정하였다.
- 인자 중에 하나인 마모효과를 적용하기 위해 패드의 경우 오직 육면체의 요소들로만 구성하였고 고유진동수 해석을 통해 등방성 물질로 설정하였다. 모델링에 사용된 노드 및 요소의 개수는 각각 약 150,000 개, 244,800 개이다. 이를 제외한 다른 부품에 대해서는 탄성 계수(Ε), 포아송 비(ν), 밀도(ρ) 등의 물성치를 실차와 유사하게 부여하였다.
데이터처리
- 5bar라는 수치는 스퀼이라는 소음이 제동 말기에 발생 하는 소음이므로 상대적으로 작은 수치의 제동 압력을 표현하기 위해 설정해준 값이다. 마지막으로 시뮬레이션을 통해 얻어낸 고유치 값을 실험계획법에서 사용하는 평균 분석을 통해 영향인자를 분석하였다.
- 1kHz 사이에서 양의 실수 값이 존재하지 않은 경우에는 해당하는 값을 0 으로 선정하여 영향도가 전혀 없는 것으로 고려하였다. 직교 배열(Orthogonal array, OA)로부터 각 인자의 영향도를 규명하기 위해 평균 분석법(Analysis of means, ANOM)을 사용하였다.
성능/효과
- 영향인자의 각 수준별 분석을 통해 관심 주파수 영역 내에 한 개 이상의 양의 실수부가 발생할 수 있고 그 값이 전혀 발생하지 않은 경우가 있다. 한 개 이상의 양의 실수 값이 존재하는 경우에는 가장 큰 값을 선택하였으며 이 값이 저주파 스퀼 노이즈에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 판단하였다. 또한, 2.
- 디스크 탄성 계수의 경우 ±6% 를 한 두 케이스 모두 스퀼을 더욱 유발하는 요소로 확인되었다.
- (2) 샤시 모델링과 스퀼의 관계: 기존 브레이크 시스템에 주변 샤시 영향을 고려함으로써 스퀼 발생에 상대적으로 큰 영향을 나타냄을 확인할 수 있었다.
- (4) 주요 인자들과 스퀼의 관계: 피스톤 모델링 효과와 부품 간 접촉 조건이나 조건의 변화를 통해 스퀼과의 관계를 확인하였다. 디스크 탄성 계수의 경우 ±6% 를 한 두 케이스 모두 스퀼을 더욱 유발하는 요소로 확인되었다.
후속연구
- 결국 스퀼 발생 기여도는 마모 없음, 20bar 마모, 50bar 마모 순으로 점점 커진다. 그러나 적정 기준량 없이 끊임없이 계속 마모를 시킨다고 해서 스퀼 발생이 계속 점차적으로 크게 일어난다고는 보장할 수는 없는 것이며 이 영향인자에 대해서는 추가적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
- (3) 마모와 스퀼의 관계: 마모가 스퀼 현상에 영향을 미친다는 사실을 평균 분석을 통해 증명할 수 있었지만 좀 더 많은 양의 마모가 일어났을 시에 평균 분석 상에서 더 확연한 차이를 보일지에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
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