제동 스킬소음은 승객과 선로 주변의 주민에게 불편을 끼쳐 시급히 해결해야 할 문제의 하나이지만 해결책을 찾는 것은 쉽지 않다. 제동 스킬소음을 저감하기 위한 해결책은 크게 제동 마찰재의 소재를 개량하거나 제동패드의 구조를 개선하는 것으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 현재 KTX 차량에 사용되고 있는 제동패드를 기준으로 마찰재의 소재만을 바꾼 패드와, 동일한 마찰재 소재를 사용하지만 구조를 유연형으로 바꾼 제동패드를 제작하여 제동 다이나모미터에서 다양한 조건으로 마찰특성과 소음특성을 평가하고 영업차량이 역에 정차할 때 측정한 스킬소음과 비교 및 분석하였다. 제동 다이나모미터 시험이 실차 시험을 어느 정도 재현하는 것이 가능한다는 것을 발견하였고, 영업열차에서 최고 스킬소음이 발생한 4,500Hz 대역의 스킬소음은 다이나모미터 시험에서도 정확히 일치하고, 이 주파수는 제동디스크의 고유진동수와 일치하는 것을 규명하였다. 제동 스킬소음이 발생하는 주파수는 캘리퍼에 작용하는 압력, 시험온도, 그리고 제동 초속도에 따라 달라지지만 일정한 경향을 보여주지는 않았다. 개발된 제동패드의 평균 마찰계수는 0.35~0.45의 범위에 있고 마찰재 소재만을 바꾼 경우는 21.6dB(A), 구조를 변경한 경우는 17.3dB(A) 만큼 최대 소음을 줄일 수 있었다.
제동 스킬소음은 승객과 선로 주변의 주민에게 불편을 끼쳐 시급히 해결해야 할 문제의 하나이지만 해결책을 찾는 것은 쉽지 않다. 제동 스킬소음을 저감하기 위한 해결책은 크게 제동 마찰재의 소재를 개량하거나 제동패드의 구조를 개선하는 것으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 현재 KTX 차량에 사용되고 있는 제동패드를 기준으로 마찰재의 소재만을 바꾼 패드와, 동일한 마찰재 소재를 사용하지만 구조를 유연형으로 바꾼 제동패드를 제작하여 제동 다이나모미터에서 다양한 조건으로 마찰특성과 소음특성을 평가하고 영업차량이 역에 정차할 때 측정한 스킬소음과 비교 및 분석하였다. 제동 다이나모미터 시험이 실차 시험을 어느 정도 재현하는 것이 가능한다는 것을 발견하였고, 영업열차에서 최고 스킬소음이 발생한 4,500Hz 대역의 스킬소음은 다이나모미터 시험에서도 정확히 일치하고, 이 주파수는 제동디스크의 고유진동수와 일치하는 것을 규명하였다. 제동 스킬소음이 발생하는 주파수는 캘리퍼에 작용하는 압력, 시험온도, 그리고 제동 초속도에 따라 달라지지만 일정한 경향을 보여주지는 않았다. 개발된 제동패드의 평균 마찰계수는 0.35~0.45의 범위에 있고 마찰재 소재만을 바꾼 경우는 21.6dB(A), 구조를 변경한 경우는 17.3dB(A) 만큼 최대 소음을 줄일 수 있었다.
Brake squeal noise has been a challenging problems for a long time. It is very annoying to passengers and residents near tracks. Two methods have been applied to reduce or eliminate brake squeal noise. One is to improve frictional materials; the other is to optimize the topology and structures of br...
Brake squeal noise has been a challenging problems for a long time. It is very annoying to passengers and residents near tracks. Two methods have been applied to reduce or eliminate brake squeal noise. One is to improve frictional materials; the other is to optimize the topology and structures of brake pads. In this study, we developed two kinds of brake pads; one is a pad whose frictional material is different from the KTX brake pad friction material; the other is a flexible pad that has the same frictional material as that of the KTX brake pad, but a different structure. Squeal noise and friction coefficients were measured and analyzed using a full-scale brake dynamometer. It was found that the dynamometer test can simulate the squeal noise of KTX trains at stations. The squeal frequency of the KTX at 4500Hz was exactly reproduced; this value of 4500Hz was one of the natural frequencies of the KTX brake disc. It was also found that the squeal noise depended on the caliper pressure, initial disc temperature and braking speed. The average friction coefficient was 0.35~0.45. The new pad lowered the squeal noise by 17.3~21.6dB(A).
Brake squeal noise has been a challenging problems for a long time. It is very annoying to passengers and residents near tracks. Two methods have been applied to reduce or eliminate brake squeal noise. One is to improve frictional materials; the other is to optimize the topology and structures of brake pads. In this study, we developed two kinds of brake pads; one is a pad whose frictional material is different from the KTX brake pad friction material; the other is a flexible pad that has the same frictional material as that of the KTX brake pad, but a different structure. Squeal noise and friction coefficients were measured and analyzed using a full-scale brake dynamometer. It was found that the dynamometer test can simulate the squeal noise of KTX trains at stations. The squeal frequency of the KTX at 4500Hz was exactly reproduced; this value of 4500Hz was one of the natural frequencies of the KTX brake disc. It was also found that the squeal noise depended on the caliper pressure, initial disc temperature and braking speed. The average friction coefficient was 0.35~0.45. The new pad lowered the squeal noise by 17.3~21.6dB(A).
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문제 정의
또한 탄성 한계 내에서도 반복적인 피로를 받는 경우 피로파괴가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 설계한 탄성 구조체의 작동 성능에 대한 평가를 위해 마찰재 블록 단위의 구조체 시험편을 제작한 후 유압시험기를 이용한 반복하중시험을 실시하였다. 반복하중 사이클에 따른 구조체의 탄성 변화를 확인하기 위하여 로드 테스터(JINSUNG HITECH, 한국)에서 1,000 사이클 주기로 변위-하중 곡선을 구하였고, 마찰재 윗면의 가장자리에 표시한 6지점과 스프링 지지판 사이의 치수를 측정하여 시험편의 높이 변화를 관찰하였다(Fig.
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 제동 패드를 기준으로 제동 패드의 마찰재 재료만 변경한 경우와, 마찰재 재료는 그대로 두고 제동패드의 구조만 변경한 경우에 대해 실물 크기의 제동패드 시제품을 만들어 제동 다이나모에서 스킬소음을 평가하여 제동 마찰재 재료와 제동 패드의 구조 변경이 각각 제동 스킬소음에 미치는 영향을 정량적으로 밝히고자 하였다. 이러한 종류의 연구는 기존 문헌에서 찾아보기 어려우며 제동 스킬소음 저감을 위한 해결 방안 제시에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
본 연구에서는 기존패드를 기준으로 마찰재의 성분만 변경한 패드, 그리고 패드의 구조만 변경한 패드에 대해 특성을 비교하였다. 마찰재의 성분과 구조를 동시에 변경한 경우 마찰특성과 스킬소음 측면에서 어떤 효과가 있는지 향후 추가 연구가 수행될 예정이다.
본 연구에서는 세 종류의 제동패드를 제작하여 제동 다이나모미터에서 마찰특성과 스킬소음 특성을 평가하고 분석하였다. 제동패드 #1은 현재 KTX에 사용되고 있는 강체형 제동 패드로 마찰재는 청동을 주성분으로 한 소결재이다.
마찰재 블록은 철판에 융착되고 철판 아래에는 판 스프링과 접시형 스프링이 놓이고 그 아래 백플레이트가 있는 구조이다. 판스프링과 접시형 스프링은 제동 시 발생하는 접촉압력이 고르게 분포되게 하고 마찰열에 의한 탄성력의 소실을 보완하는 목적으로 삽입되었다. 철판을 포함한 마찰재 블록과 판 스프링, 백플레이트는 리벳으로 결합된다.
제안 방법
2kN)을 초과하는 하중으로 시험하였다. 또한 반복하중시험은 평균 비상제동 압력(1.5kN)으로 경부선 총 14개 역을 일일 3회 운행하는 조건으로 280일에 해당하는 12,000 사이클까지 시험하였다.Fig.
따라서 본 연구에서는 설계한 탄성 구조체의 작동 성능에 대한 평가를 위해 마찰재 블록 단위의 구조체 시험편을 제작한 후 유압시험기를 이용한 반복하중시험을 실시하였다. 반복하중 사이클에 따른 구조체의 탄성 변화를 확인하기 위하여 로드 테스터(JINSUNG HITECH, 한국)에서 1,000 사이클 주기로 변위-하중 곡선을 구하였고, 마찰재 윗면의 가장자리에 표시한 6지점과 스프링 지지판 사이의 치수를 측정하여 시험편의 높이 변화를 관찰하였다(Fig. 3(a) 참조).
6)에서 수행하였다. 새로 제작한 제동 패드의 마찰재 표면은 제동디스크의 표면과 원활하게 접촉이 되지 않으므로 수 십여 번의 제동을 통하여 마찰면을 마모시켜 마찰재와 제동디스크의 마찰면이 85% 이상 접촉이 되도록 길들이기를 한 후 소음시험을 하였다. 제동 다이나모미터에 부여된 관성은 793kg·m2이다.
제동 다이나모미터 시험에서는 80℃ ,40km/h와 80℃ , 80km/h 시험에서 정확히 4,500Hz에서 스킬소음이 발생하고, 다른 주파수 대역에서도 운행차량과 다이나모미터의 스킬소음 발생 주파수대가 상당히 일치하고 있어 제동 다이나모미터 시험을 이용한 제동 스킬소음 연구가 운행 차량에서 발생하는 제동 스킬소음을 어느 정도 유사하게 재현할 수 있음을 알 수 있다. 스킬소음의 원인을 규명하기 위해 제동 디스크의 고유진동을 측정하였다. Fig.
3(a) 참조). 스프링 안정화는 비교적 낮은 하중으로 시작하여 구조체의 초기 탄성력이 안정화되는 시점까지 1~5회 가량 실시하였으며 탄성력 측정은 비상제동 시 예상 최고 압력(2.2kN)을 초과하는 하중으로 시험하였다. 또한 반복하중시험은 평균 비상제동 압력(1.
제동 다이나모미터의 시험조건은 Table 2와 같다. 열차가정거장에 도착할 때 제동디스크의 온도는 열차의 종류와 여러 조건에 따라 다르지만 대개 200℃ 이하에 있으므로 이를 고려하여 제동디스크의 초기온도는 80, 200℃로 하고, 제동 초속도는 열차가 역사에 진입하여 기계제동을 체결하여 정지할 때를 고려하여 40, 80km/h로 하였다. Fig.
3제동패드 #3은 마찰재의 재료는 현재 KTX에 사용되고 있는 패드의 마찰재와 동일하나 마찰재와 백플레이트의 결합구조를 변경하여 변형에 대한 유연성을 크게 한 유연형 제동패드이다. 제동 다이나모미터 시험에서 제동 디스크의 초기온도는 120, 200℃로 하였고, 제동초속도는 40, 60km/h로 하여 캘리퍼의 압력을 변화시켜 가면서 시험을 수행하였다. Fig.
제동 다이나모미터에 부여된 관성은 793kg·m2이다. 제동 다이나모미터에 설치된 제동디스크와 캘리퍼는 실제 KTX 열차에 장착되어 있는 것과 동일한 것으로 하여 운행 차량에서 발생하는 제동 스킬소음을 재현할 수 있도록 하였다. 마이크로폰은 지면에서 65cm, 제동디스크 마찰면에서 30cm 떨어진 위치에 설치하였다.
11은 제동패드 #1에서 마찰재의 성분만 달리하여 제작한 제동패드 #2에 대해 제동 다이나모미터에서 측정한 소음시험결과이다. 제동 디스크의 초기온도는 다양한 조건에서 발생하는 스킬소음의 특성을 파악하기 위해 패드 #1과 달리 120℃, 200℃로 하였고, 제동초속도는 40, 60km/h로 하였다. 4,460Hz에서의 피크값이 크게 줄었고 다른 주파수 대역에서도 피크가 없어지거나 매우 작다.
제동 스킬소음은 실제 KTX 차량의 제동디스크에 걸리는 관성을 부여할 수 있는 실물 크기 제동 다이나모미터(Fig. 6)에서 수행하였다. 새로 제작한 제동 패드의 마찰재 표면은 제동디스크의 표면과 원활하게 접촉이 되지 않으므로 수 십여 번의 제동을 통하여 마찰면을 마모시켜 마찰재와 제동디스크의 마찰면이 85% 이상 접촉이 되도록 길들이기를 한 후 소음시험을 하였다.
대상 데이터
10은 유한요소 해석으로 구한 고유진동수와 진동 모드를 보여준다. 디스크의 밀도 7.85kg/m3, 탄성계수 210GPa, 포아송비 0.29를 사용하였다. 4,451Hz에서 발생한 고유진동은 평면내에서 일어남을 알 수 있다.
패드 하나에 마찰재 봉 9개가 있고 디스크의 각 측면에는 2개의 제동패드가 설치된다. 마찰재는 열전도성이 좋은 구리를 주성분으로 하고, 마찰계수와 윤활 성능을 확보하기 위해 흑연, SiO2, Al2O3, SiC, Mo, Ni, Cr, MoS2 등의 분말을 합하고 성형한 후 800~1000℃ 정도의 온도에서 소결하여 제작한다. Fig.
이론/모형
13은 패드 #1, #2, #3에 대해 제동 스킬소음 시험 시 측정한 평균 마찰계수를 보여준다. 마찰계수는 UIC 규정 [11]에 따라 로드셀을 이용하여 마찰력에 의한 토크를 측정하여 구하였다. 저온에서는 세 종류의 패드 모두에서 제동 초속도가 커지면 마찰계수는 약간 작아진다.
성능/효과
제동 디스크의 초기온도는 다양한 조건에서 발생하는 스킬소음의 특성을 파악하기 위해 패드 #1과 달리 120℃, 200℃로 하였고, 제동초속도는 40, 60km/h로 하였다. 4,460Hz에서의 피크값이 크게 줄었고 다른 주파수 대역에서도 피크가 없어지거나 매우 작다. 3,500Hz 부근에서 최고 106.
온도의 영향을 살펴보면#1, 40km/h의 경우에는 고온에서 마찰계수가 약간 작아지나 나머지 경우에는 변화가 미미하다. 따라서 본 연구에서 개발된 마찰재는 200℃의 온도까지 마찰특성에 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 캘리퍼 압력의 영향을 살펴보면 압력이 클수록 마찰계수는 약간 작아지는 경향을 보인다.
현재 사용중인 제동패드의 마찰재 성분을 변경하거나, 제동패드의 구조를 유연형으로 변경하면 제동 스킬소음을 크게 줄이는 것이 가능하다는 것을 밝혔다. 마찰재 소재를 바꾼 경우는 21.6dB(A), 구조를 변경한 경우는 17.3dB(A)만큼 최대 소음을 줄일 수 있었다.
영업열차가 정거장에 정차할 때 측정한 제동 스킬소음 발생 주파수와 제동 다이나모미터 시험에서 측정한 주파수를 비교할때 제동 다이나모미터 시험이 실차 시험을 어느 정도 재현하는 것이 가능한다는 것을 발견하였다. 특히 영업열차에서 최고 스킬소음이 발생한 4,500Hz 대역의 스킬소음은 다이나모미터 시험에서도 정확히 일치하였고, 이 주파수는 제동디스크의 고유진동수와 일치하는 것을 규명하였다.
3~14kHz 영역에서 100dB(A) 이상의 스킬소음이 다수의 주파수 대역에서 발생하였다. 전체 시험결과를 볼 때 스킬소음이 발생하는 주파수는 캘리퍼에 작용하는 힘, 시험온도, 그리고 제동 초속도에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 그림 (a)와 (b)는 디스크의 초기온도는 80℃ 로 같고, 제동초속도가 다른 경우이다.
3은 반복하중 시험에서 스프링의 변화 양상을 보여준다. 초기 안정화 단계에서 약간의 변형이 발생하고 그 후에는 영구변형이 거의 없이 스프링의 기능을 잘 수행하는 것을 확인하였다. 마찰재 윗면에서 측정한 높이의 변화를 Fig.
현재 사용중인 제동패드의 마찰재 성분을 변경하거나, 제동패드의 구조를 유연형으로 변경하면 제동 스킬소음을 크게 줄이는 것이 가능하다는 것을 밝혔다. 마찰재 소재를 바꾼 경우는 21.
후속연구
본 연구에서는 기존패드를 기준으로 마찰재의 성분만 변경한 패드, 그리고 패드의 구조만 변경한 패드에 대해 특성을 비교하였다. 마찰재의 성분과 구조를 동시에 변경한 경우 마찰특성과 스킬소음 측면에서 어떤 효과가 있는지 향후 추가 연구가 수행될 예정이다.
새로 제작한 #2, #3 제동패드의 평균 마찰계수는 0.35~0.45의 범위에 있고 기존 패드에 비해 소음도 현저히 작아 고속철도차량의 제동패드로 사용이 가능할 것으로 판단되지만, 향후 긴 기간에 걸쳐 평가가 필요한 구조 내구성, 마모 특성 등이 추가로 연구될 필요가 있다고 판단된다.
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 제동 패드를 기준으로 제동 패드의 마찰재 재료만 변경한 경우와, 마찰재 재료는 그대로 두고 제동패드의 구조만 변경한 경우에 대해 실물 크기의 제동패드 시제품을 만들어 제동 다이나모에서 스킬소음을 평가하여 제동 마찰재 재료와 제동 패드의 구조 변경이 각각 제동 스킬소음에 미치는 영향을 정량적으로 밝히고자 하였다. 이러한 종류의 연구는 기존 문헌에서 찾아보기 어려우며 제동 스킬소음 저감을 위한 해결 방안 제시에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제동 스킬소음을 개선하기 위해 본 논문에서는 제동 패드를 어떻게 개선하였는가?
제동 스킬소음을 저감하기 위한 해결책은 크게 제동 마찰재의 소재를 개량하거나 제동패드의 구조를 개선하는 것으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 현재 KTX 차량에 사용되고 있는 제동패드를 기준으로 마찰재의 소재만을 바꾼 패드와, 동일한 마찰재 소재를 사용하지만 구조를 유연형으로 바꾼 제동패드를 제작하여 제동 다이나모미터에서 다양한 조건으로 마찰특성과 소음특성을 평가하고 영업차량이 역에 정차할 때 측정한 스킬소음과 비교 및 분석하였다. 제동 다이나모미터 시험이 실차 시험을 어느 정도 재현하는 것이 가능한다는 것을 발견하였고, 영업열차에서 최고 스킬소음이 발생한 4,500Hz 대역의 스킬소음은 다이나모미터 시험에서도 정확히 일치하고, 이 주파수는 제동디스크의 고유진동수와 일치하는 것을 규명하였다.
제동패드란 무엇인가?
고속철도의 디스크 제동장치에 사용되는 제동패드는 고온에 견디고 냉각 성능을 좋게 하기 위해 다수의 봉 형태의 소결 마찰재를 백플레이트로 불리는 철판에 결합한 것이 주로 사용되고 있다. Fig.
제동 스킬소음을 저감하기 위한 해결책은 어떻게 구분할 수 있는가?
제동 스킬소음은 승객과 선로 주변의 주민에게 불편을 끼쳐 시급히 해결해야 할 문제의 하나이지만 해결책을 찾는 것은 쉽지 않다. 제동 스킬소음을 저감하기 위한 해결책은 크게 제동 마찰재의 소재를 개량하거나 제동패드의 구조를 개선하는 것으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 현재 KTX 차량에 사용되고 있는 제동패드를 기준으로 마찰재의 소재만을 바꾼 패드와, 동일한 마찰재 소재를 사용하지만 구조를 유연형으로 바꾼 제동패드를 제작하여 제동 다이나모미터에서 다양한 조건으로 마찰특성과 소음특성을 평가하고 영업차량이 역에 정차할 때 측정한 스킬소음과 비교 및 분석하였다.
참고문헌 (11)
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