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문제 정의
- 이러한 마찰계수의 차이가 발생하는 원인에 대한 기초연구 및 분석에 대한 체계적인 연구가 국내에서는 실물크기의 양산품을 이용한 마찰계수 평가장비 활용의 어려움 등의 이유로 잘 진행되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 자동차 브레이크 시스템에서 마찰계수에 영향을 주는 외적 인자를 찾고, 그 영향도를 조사하여 마찰 계수의 영향인자에 대한 정확한 인식을 공유하여 향후 시스템 개발에 도움이 되었으면 한다. 마찰계수 출력치에 영향을 주는 인자로는 환경조건, 마찰재 조성, 평가설비 및 상대재인 디스크의 조직 성상등도 많은 영향을 미치겠지만 금회 연구에서는 마찰재 재질, 디스크 재질, 평가설비는 고정하고, 제동부품에 미치는 주변 환경 조건으로 적용 가능한 항목인 습도(상대습도,절대습도), 냉각풍의 온도 및 속도, 방치시간, 그리고 마찰재 제조시 변경가능인자인 스코칭 감량, 마찰재 면적 차이(챔퍼 크기로 조정)를 선정하여 평가를 진행하였다.
제안 방법
- 스코칭에 대한 마찰 계수 편차 영향성 평가를 위하여 환경조건인 분위기 온도, 습도 조건은 각각 25 ℃, 60 %Rh로 고정하고 평가를 진행하였다. 가변 조건인 스코칭 조건은 시간에 따른 유기물 무게 감량으로 판단하였으며, 스코칭 시간을 각각 5 sec, 10 sec, 20 sec, 25 sec 로 변경하면서 평가용 제품을 만들어 시험을 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 자동차 브레이크 시스템에서 마찰계수에 영향을 주는 외적 인자를 찾고, 그 영향도를 조사하여 마찰 계수의 영향인자에 대한 정확한 인식을 공유하여 향후 시스템 개발에 도움이 되었으면 한다. 마찰계수 출력치에 영향을 주는 인자로는 환경조건, 마찰재 조성, 평가설비 및 상대재인 디스크의 조직 성상등도 많은 영향을 미치겠지만 금회 연구에서는 마찰재 재질, 디스크 재질, 평가설비는 고정하고, 제동부품에 미치는 주변 환경 조건으로 적용 가능한 항목인 습도(상대습도,절대습도), 냉각풍의 온도 및 속도, 방치시간, 그리고 마찰재 제조시 변경가능인자인 스코칭 감량, 마찰재 면적 차이(챔퍼 크기로 조정)를 선정하여 평가를 진행하였다.
- 마찰계수 편차에 기여하는 인자의 영향성을 최대한 알아내기 위해서 각 인자별로 평가방법은 다소 차이가 있지만 기본적으로 성능평가는 초기 마찰계수 변화를 확인하기 위하여 사전 길들이기를 차속 50 km/h에서 제동감속도를 0.3 g 조건으로 마찰재 온도는 120 ℃에서 10회 실시한 후 제1효력시험을 실시하였다. 이때의 차량 속도는 50 km/h와 100 km/h의 두 조건에서 제동초기 온도는 80 ℃에서 제동감속도를 0.
- 마찰계수 평가시 환경조건인 습도에 대한 영향성을 파악하기 위하여 우선 온도를 25 °C로 고정한 조건에서 상대습도를 30 %, 60 %, 80 %로 변화시키면서 마찰계수의 변화를 평가하였다, 동일한 온도 조건하에서 상대습도 변화에 따른 절대습도와의 관계는 아래 Table 4에 나타내었다.
- 마찰재 면적에 따른 마찰계수 및 마모량의 상관 성을 평가하기 위하여 연마기를 이용하여 패드 표면의 챔퍼(Chamfer) 형상을 변경하여 면적이 Table 5와 같이 3종(면적기준 100 %, 80 %, 54 %)으로 평가를 진행하였다. 시험 시 환경조건인 온도 25 ℃, 습도 30 %Rh 조건 하에서 JASO C406 성능평가 및 LA City 마모평가를 실시하였다.
- 시험에 영향을 줄 수 있는 다른 인자를 줄이기 위해, 시험부품은 동일한 시기에 제작한 부품을 사용하였으며, 브레이크 패드는 국내 배기량 2000 cc 차량에 적용되는 동일형상의 부품을 사용하였다. 마찰재 표면은 기본적으로는 형상 가공이 없는 제품을 사용하여 평가를 진행하였다. 마찰재 제조공정은 Fig.
- 마찰재의 냉각풍속에 대한 영향성 평가를 위하여 온습도 조건은 25 ℃, 60 %Rh로 고정하고, 냉각풍속 조건을 각각 3 m/s, 8 m/s, 11 m/s로 변경하면서 평가를 진행하였다.
- 방치시간에 따른 마찰계수 영향성을 판단하기 위하여 A, B, C 3가지 마찰재를 이용하여 온습도 조건 30 ℃, 80 % 환경조건 하에서 버니쉬 후, 방치 시간을 0.5시간에서 15시간까지 변경하면서 평가를 진행하였다. Fig.
- 분위기 온도 30 °C 조건에서도 상기와 동일하게 절대습도를 6 g/m3 ~ 21 g/m3으로 각각 변경하면서 평가를 진행하였다.
- 이렇게 해줌으로써 고속 고감속 제동시 발생할 수 있는 페이드 현상을 개선할 수 있다. 스코칭에 대한 마찰 계수 편차 영향성 평가를 위하여 환경조건인 분위기 온도, 습도 조건은 각각 25 ℃, 60 %Rh로 고정하고 평가를 진행하였다. 가변 조건인 스코칭 조건은 시간에 따른 유기물 무게 감량으로 판단하였으며, 스코칭 시간을 각각 5 sec, 10 sec, 20 sec, 25 sec 로 변경하면서 평가용 제품을 만들어 시험을 진행하였다.
- 마찰재 면적에 따른 마찰계수 및 마모량의 상관 성을 평가하기 위하여 연마기를 이용하여 패드 표면의 챔퍼(Chamfer) 형상을 변경하여 면적이 Table 5와 같이 3종(면적기준 100 %, 80 %, 54 %)으로 평가를 진행하였다. 시험 시 환경조건인 온도 25 ℃, 습도 30 %Rh 조건 하에서 JASO C406 성능평가 및 LA City 마모평가를 실시하였다.
- 3 g 조건으로 마찰재 온도는 120 ℃에서 10회 실시한 후 제1효력시험을 실시하였다. 이때의 차량 속도는 50 km/h와 100 km/h의 두 조건에서 제동초기 온도는 80 ℃에서 제동감속도를 0.1 ~ 0.8 g까지 0.1 g 간격으로 가변하면서 마찰계수를 측정하였다. 이후 마찰재와 디스크의 완전 접촉을 시키기위해 길들이기를 200회 실시한 후 제2효력 시험을 행하였다.
- 1 g 간격으로 가변하면서 마찰계수를 측정하였다. 이후 마찰재와 디스크의 완전 접촉을 시키기위해 길들이기를 200회 실시한 후 제2효력 시험을 행하였다. 제 2효력 시험은 제1효력 시험에 차량속도 구간이 130 km/h 조건이 추가하여 고속 주행조건에서의 마찰계수 변화까지 확인할 수있도록 구성하였다.
- 25 g로 실시하였다. 이후 차속 50 km/h에서 10 km/h까지 속도를 줄이는 조건으로 디스크온도 220 ℃에서 제동감속도 0.2 g 조건으로 800회 실시하는 방법으로 시험 샘플의 마모 평가를 진행하였다.
- 평가장비는 제동압력, 속도, 풍속 및 온습도 제어가 가능한 브레이크 전용 다이나모메타((D3900, Link Engineering Co., U.S.A)를 사용하여 평가를 진행하였다. 본 장비는 최대 관성이 25.
대상 데이터
- 시험에 영향을 줄 수 있는 다른 인자를 줄이기 위해, 시험부품은 동일한 시기에 제작한 부품을 사용하였으며, 브레이크 패드는 국내 배기량 2000 cc 차량에 적용되는 동일형상의 부품을 사용하였다. 마찰재 표면은 기본적으로는 형상 가공이 없는 제품을 사용하여 평가를 진행하였다.
데이터처리
- 시험 편차를 최대한 줄이기 위해 시험 인자별로 n=3으로 평가하여 3회 평균 마찰계수를 사용하여 결과를 정리하였다.
- 3에 나타내었다. 평가 결과는 완제동 조건인 감속도 0.3 g와 급제동 조건인 감속도 0.6 g로 제동하였을 때의 측정값으로 분석을 행하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 가장 변화폭이 큰 차량속도 130 km/h 조건 시험시 냉각풍 속도가 증가함에 따라 동일 감속도 조건으로 제동하였을 때 마찰계수 변화는 0.
이론/모형
- 2에 나타내었다. 평가에 사용한 브레이크 시스템(Brake System)은 H社의 Y차종을 사용하여 평가를 진행하였다.
성능/효과
- 1) 평가 결과 마찰계수 편차에 가장 영향을 많이 미치는 것은 습도이며, 시험의 범위에서 상대습도(30 %에서 80 %) 차이에 따른 마찰계수는 최대 0.048 낮아짐을 알았다.
- 2) 냉각 풍속의 변화에 따른 마찰계수 차이는 시험의 범위에서 130 km/h의 차속에서 마찰계수 변화는 0.011로 변화율이 최대 3 %로 마찰계수 편차 발생에 대한 영향성은 미미한 수준임을 알았다.
- 3) 시험의 범위에서 스코칭 조건별 마찰계수는 스코칭을 강하게 할수록 마찰계수는 높아지며, 시간이 25 sec일 때 마찰계수는 0.09, 변화율은 최대 28 % 수준이었다.
- 4) 마찰재를 환경 조건하에서 방치할 때, 마찰재질별 다소 차이가 있을 수 있으나 마찰재를 2시간이상 방치하면, 마찰계수가 안정화되는 것을 확인할 수 있었다.
- 5) 마찰재 면적과 마모수명은 매우 상관성이 높으며, 마찰재 면적이 46 %가 줄어들면 비례해서 마모수명도 45 % 줄어드는 것을 알 수 있다.
- 7에 나타내었다. 결과에서 냉각풍의 온도가 증가함에 따라 마찰계수가 약간 감소하는 경향성을 보이지만 습도를 변경하면서 시험한 결과와 비교하면 아주 작은 수준이며, 이것이 발생되는 원인은 냉각풍 온도의 영향성 보다는 분위기 절대 습도가 온도에 따라 달라져서 발생하는 편차로 판단된다.
- 결과에서 마찰재 재질에는 큰 관계없이 방치시간이 2 hr 이상이면 이후에는 마찰계수가 안정화됨을 볼 수 있었다. 따라서 재질마다 다소 차이는 있겠지만, 방치 시간은 2 hr 이상이면 시험결과에 영향이 없음을 알 수 있었다.
- 6 g로 제동하였을 때의 측정값으로 분석을 행하였다. 결과에서 볼 수 있듯이 가장 변화폭이 큰 차량속도 130 km/h 조건 시험시 냉각풍 속도가 증가함에 따라 동일 감속도 조건으로 제동하였을 때 마찰계수 변화는 0.011(0.3 g 조건에서 풍속 3 m/s일 때 0.406, 11 m/s일 때는 0.417, 0.6 g 조건에서 풍속 3 m/s일 때 0.361, 11 m/s일 때 0.372)로 변화율이 최대3 % 증가하는 경향을 보였으며, 평가 속도가 100 km/h 이하에서는 냉각풍 속도의 변화에 영향이 거의 없음을 Fig. 3의 결과로 알 수 있었다.
- 327로 절대습도가 높아질수록 마찰계수가 낮아짐을 알 수 있다. 결과에서 절대습도 15 g/m3이 증가함에 따라 마찰계수는 0.022 ~ 0.029정도로 낮아진다는 것을 알 수 있다.
- 결론적으로 다시정리하면 마찰계수 편차에 가장 영향을 주는 인자는 절대습도와 스코칭 강도이며, 마모수명은 마찰재 면적과 정비례관계가 있음을 알았다.
- 결과에서 마찰재 재질에는 큰 관계없이 방치시간이 2 hr 이상이면 이후에는 마찰계수가 안정화됨을 볼 수 있었다. 따라서 재질마다 다소 차이는 있겠지만, 방치 시간은 2 hr 이상이면 시험결과에 영향이 없음을 알 수 있었다.
- 시험 결과 스코칭 조건에 따라 마찰계수가 전체적으로 상승하는 효과가 있음을 알 수 있었다. 또한 표면 스코칭이 마찰재 표면에만 영향을 주는 것이 아니라 마찰재 내부까지 영향을 주어 스코칭 효과가 길들이기 이후에도 계속해서 남아있는 것을 버니쉬 완료 후 마찰계수 평가 결과 확인할 수 있었다.
- 6에 나타내었다. 상기 조건으로 절대 습도의 영향성 시험결과, 차속 130 km/h에서 완제동 조건인 0.3 g, 제동시 절대습도가 6 g/m3에선 마찰계수는 0.379, 절대습도 21 g/m3에서는 0.357 수준이며, 동일한 속도에서 0.6 g로 제동 시 마찰계수는 0.356에서 0.327로 절대습도가 높아질수록 마찰계수가 낮아짐을 알 수 있다. 결과에서 절대습도 15 g/m3이 증가함에 따라 마찰계수는 0.
- 스코칭을 전혀 실시하지 않은 샘플과 25 sec 스코칭 실시품을 비교했을 때에도 마찰계수는 0.09정도 증가함을 알 수 있었다. 그러나 스코칭 시간 이 20초 이하인 경우는 마찰계수 증가 폭이 그리 크지 않음을 알 수 있었다.
- 5에 나타내었다. 평가 결과 마찰계수는 동일한 분위기 온도 조건에서 습도가 증가하면 마찰계수가 0.044 ~ 0.048정도가 낮아지는 경향을 보였다.
- 평가 결과를 Table 5에 비교하였다. 평가 결과 마찰재의 수명은 패드면적이 53.9 cm2일 때 마모수명은 55,769 km 수준이었으나, 면적이 46 %정도 줄어든 29.2 cm2일 때는 수명이 30,624 km로 면적축소 전과 비교해서 마모수명이 45 % 감소하여 면적에 비례하여 마모수명이 변한다는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 마찰계수는 면적에 따라 감소는 하지만 면적에 비례하여 감소하지는 않는다.
- 4에 나타내었다. 평가 결과 스코칭 조건(5 sec, 10 sec, 20 sec, 25 sec)이 변화함에 따라, 제동 감속도 조건 변화에 관계없이 시간이 길어질수록 마찰계수는 상승하는 것을 알 수 있다.
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