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제동패드의 구조와 마찰재 조성이 제동 스킬소음에 미치는 영향
Effect of Pad Structure and Friction Material Composition on Brake Squeal Noise 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.20 no.1 = no.98, 2017년, pp.1 - 10  

구병춘 (New Transportation Syetems Research Department, Korea Railroad Research Institute) ,  김재철 (Green Transport and Logistics Institute, Korea Railroad Research Institute) ,  이범주 (Dawin Friction Corporation) ,  박형철 (Dawin Friction Corporation) ,  나선주 (Dawin Friction Corporation)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. H.S. Kim, Y.H. You, C.J. Yoon, S.Y. Kim, et al. (2007) Study on the braking noise reduction of KTX, Korea Railroad corp., Report KORI-Technology-Yong-06-06. 

  2. B.C. Goo (2013) Analysis of Unstable Vibration Modes due to KTX Brake Disc/pad Interaction, Journal of Korea Society for Railway, 20(3), pp.161-165. 

  3. D. Brizard, O. Chiello, J.J. Sinou, X. Lorang (2011) Performance of some reduced bases for the stability analysis of a disc/pads system in sliding contact, Journal of Sound and Vibration, 293, pp. 735-746. 

  4. G. Fritz, J.J. Sinou, J.M. Duffal, L. Jezequel (2007) Effects of damping on brake squeal coalescence patterns-application on a finite element model, Mechanics Research Communications, 34, pp. 181-190. 

  5. J.J. Sinou, G. Fritz, L. Jezequel (2007) The role of damping and definition of the robust damping factor for a self-exciting mechanism with constant friction, Journal of Vibration and Acoustics, 129, pp. 297-306. 

  6. P. Liu, H. Zheng, C. Cai, Y.Y. Wang, C. Lu, K.H. Ang, G.R. Liu (2007) Analysis of disc brake squeal using the complex eigenvalue method, Applied Acoustics, 68, pp. 603-615. 

  7. S. Oberst, J.C.S. Lai (2010) Numerical methods for simulating brake squeal noise, Proceedings of 20th International Congress on Acoustics, ICA 2010, Sydney, Australia, pp. 1505-1516. 

  8. J. Kang (2012) Finite element modelling for the investigation of in-plane modes and damping shims in disc brake squeal, Journal of Sound and Vibration, 331(9), pp. 2190-2202. 

  9. H. Festjens, C. Gael, R. Franck, D. Jean-Luc, L. Remy (2012) Effectiveness of multilayer viscoelastic insulators to prevent occurrences of brake squeal: A numerical study, Applied Acoustics, 73(11), pp.1121-1128. 

  10. S. Kamanori, G. Gobayashi (2016) Development of high performance brake system for enhancing safety, 11th World Congress of Railway Research, Milan, Italy. 

  11. International Union of Railways (2010) Brakes-Disc brakes and their application-General conditions for the approval of brake pads, UIC 541-3. 

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