Noise Source Identification of Electric Parking Brake by Using Noise Contribution Analysis and Identifying Resonance of Vehicle System

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차량 시스템의 소음 기여도분석 및 공진 규명을 통한 전자식 주차 브레이크 소음원 규명

박 군 동¹⁾․서 범 준¹⁾․양 인 형¹⁾․정 재 은¹⁾․오 재 응^*2)․이 정 윤³⁾

한양대학교 기계공학과¹⁾․한양대학교 기계공학부²⁾․경기대학교 기계시스템공학과³⁾

Noise Source Identification of Electric Parking Brake by Using Noise Contribution Analysis and Identifying Resonance of Vehicle System

Goon-Dong Park¹⁾․Bum-June Seo¹⁾․In-Hyung Yang¹⁾․Jae-Eun Jeong¹⁾․ Jae-Eung Oh^*2)․Jung-Youn Lee³⁾

1)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea

2)School of Mechanical Engineering, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea

3)Department of Mechanical System Design Engineering, Kyonggi University, Gyeonggi 443-760, Korea (Received 9 August 2011 / Revised 7 November 2011 / Accepted 15 November 2011)

Abstract : Caliper intergrated Electric Parking Brake (EPB) is an automatic parking brake system, attached to rear caliper. Because EPB uses luxury vehicles recently, the drivers of vehicles are sensitive to the EPB noise. EPB is operated by the motor and gear, so noise is generated by motor and gear. In order to reduce noise, One of EPB manufacturers uses helical gear and changes the shape of EPB housing. But these methods are not optimized for reduction of interior noise. There are many noise transfer paths into vehicle interior and it is difficult to identify the noise sources. Therefore, in this study, we performed contribution analysis and modal testing in the vehicle system. It is possible to distinguish between air-borne noise and structure-borne noise in the vehicle interior noise by comparing interior noise peak with resonance mode map.

Key words : Electric parking brake(전자식 주차 브레이크), Transfer path analysis(전달경로해석), Multi-dimen- sional spectral analysis(다차원 스펙트럼 해석), Contribution analysis(기여도 분석)

1. 서 론¹⁾

차량 실내 소음은 소비자의 고급화, 안락화 요구 에 따른 기술 개발로 현저히 낮은 레벨을 나타내고 있고 소비자 만족 지수 평가 항목 중 가장 중요한 사 항이다. 따라서 차량 실내의 소음 저감을 위해 많은 연구가 진행되고 있는데 이 중 소음원을 규명하기 위해 다차원 스펙트럼 해석법을 이용한 기여도 분 석^1-3)이 사용되고 있다. 또한 차량의 고급화로 인해

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

차량 부품의 전자장비 비중이 높아지고 있는데 이 중 고급 차량을 대상으로 장착되는 전자식 주차 브 레이크(Electric Parking Brake; EPB)⁴⁾ 시스템은 현재 손 또는 발로 작동시키는 주차 브레이크대신 차량 제어 유닛(ECU)와 엑츄에이터(Actuator)를 사용하 여 간단한 스위치 조작으로 주차 브레이크를 작동 시키는 시스템이며, 차량 정지 상태에서 사용되어 작동 소음이 소비자에게 거슬리는 소음으로 인식된다.

본 연구에 사용된 EPB는 캘리퍼 부착형(caliper intergrated type)으로 해외 EPB 제작 업체에서는 소

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박군동․서범준․양인형․정재은․오재응․이정윤

음 저감을 위해 내부기어를 헬리컬 기어(helical gear)로 제작하고, 벨트를 이용해 동력을 전달하며, 작동 주파수에 의한 공진을 피하기 위해 하우징 (housing)의 형상을 변경하는 등의 EPB 단품의 소음 을 저감시키기 위한 연구⁵⁾가 진행되었으나 이 방법 으로는 차량 실내에서 효율적인 소음 저감 효과를 얻을 수 없다.

차량 실내에서 EPB 작동 소음을 저감시키기 위 해선 정확한 전달경로 해석 및 부품의 동특성을 파 악하여 효율적인 저소음 대책이 필요하다.

EPB는 모터와 기어로 구동되며 작동 중 발생하 는 진동이 차체를 가진 시켜 차량 부품의 구조기인 소음을 유발하고, EPB 자체에서 발생한 소음이 차 량 내부로 투과 되는 등 다양한 소음원이 존재한다.

따라서 EPB의 소음발생 메커니즘을 정확히 규명한 뒤 소음 저감 대책이 수립되어야 하며 각 소음원에 대한 규명이 필요하다.

본 연구의 목적은 EPB 작동 시 차량 실내로 전달 되는 소음의 특성 분석 및 소음원 규명이다. 소음원 규명을 위해 다입력/단일 출력계의 기여도분석^1-3) 을 사용했으며 실내소음에 높은 영향을 가지는 차 량 부품을 찾아내었다. 또한 차량 부품의 공진 가능 성 검토를 위해 모달테스팅(Modal testing)을 수행해 실내소음 피크(peak)주파수와 공진주파수의 모드 맵을 구축하여 실내로 전달되는 공기기인 소음과 구조기인 소음을 구분하였다.

2. 전자식 주차 브레이크의 작동 특성 Fig. 1⁴⁾에 차량 뒷 바퀴 캘리퍼에 부착된 EPB시스 템을 나타내고 Fig. 2에는 EPB와 내부 기어구조를 나타냈다.

EPB가 작동하면 내부 모터가 작동하며 기어를 통해 동력을 전달시켜 캘리퍼의 브레이크 패드를 작동시킨다. 고정(apply), 해제(release) 2가지 행정 이 있으며 고정행정은 캘리퍼에 부착된 EPB가 작동 하여 브레이크 패드(brake pad)로 브레이크 디스크 (brake disk)를 고정시키는 행정이며, 해제행정은 반 대로 브레이크 디스크가 회전할 수 있도록 고정을 풀어주는 행정이다.

고정행정에서는 패드와 디스크가 일정 간격 떨어

Fig. 1 Caliper integrated EPB system

Fig. 2 EPB and inner motor, gear set

져 있다가 닿게 된다. 패드와 디스크가 닿기 직전 까 지는 부하가 없어 일정한 작동 주파수로 작동 되는 반면 닿기 시작하면 반력에 의해 부하가 작용하게 되며 EPB의 작동 주파수가 떨어지게 된다.

또한 해제행정은 패드가 디스크의 고정을 해제하 는 과정에서 처음에 강력히 고정된 패드 와 디스크 를 풀어주기 위해 큰 부하가 걸리게 되어 처음에 EPB 작동이 느리다가 패드와 디스크가 떨어진 시점 부터는 일정한 작동 주파수로 구동한다.

Fig. 3에 EPB의 시간에 따른 소음 FFT 그래프를 나타냈으며 횡축은 주파수, 종축은 시간을 나타낸 다. 또한 굵은 점선으로 맞물림 주파수(Meshing frequency)를 나타냈으며 이는 모터의 제원에 의한 회전수 및 기어 잇수를 고려하여 구하였다.

Fig. 3(a)고정행정 그래프의 맞물림 주파수를 보 면 일정하게 작동하다가 떨어지는 것을 알 수 있어 무 부하구간(No loaded range)과 부하구간(Loaded range) 을 구별할 수 있다. 또한 Fig. 3(b) 해제행정에 서는 이와 반대로 작동하는 것을 알 수 있으며 부하 구간과 무 부하구간을 구별할 수 있다.

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(a) Apply

(b) Release Fig. 3 The interior noise by EPB operating

Fig. 3으로부터 고정, 해제 두 행정의 작동 주파수 가 다르지만 동일한 주파수에서 발생하는 소음이 존재하는 것을 알 수 있다. 이 소음 주파수는 차량 시스템 및 EPB의 고유 특성 의한 소음으로 예상되 며 그 외에 다른 주파수에서도 발생하는 소음의 원 인을 규명하기 위해 소음 기여도 분석 및 공진 규명 이 필요하다.

3. 다 입력/단일 출력계의 기여도 평가 이론

여러개의 입력이 전달경로 사이의 상호 간섭작용 에 의해 출력으로 나타나는 경우를 Fig. 4와 같이 다 입력/단일출력 모델로 구성하였다. 이러한 계의 출 력 스펙트럼을 구하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

∑∑

= =

+

= ^q

i q j

nn ij jy iy

yy f H f H f S f S f

S

1 1

*( ) ( ) ( ) ( )

)

( (1)

차량의 EPB 시스템을 입력원들 사이에 상호상관 이 존재하는 다입력/단일출력계로 생각하여 입력들 사이의 상관성분들을 제거한 Fig. 4와 같은 조건 다 입력/단일출력계로 모델링 한다. 실제 기계시스템 의 경우 입력원들의 상관성분을 제거하여 각각의 입력원들이 순수하게 출력에 기여하는 정도를 정량 적으로 알 수 있도록 분석하는 다차원 스펙트럼 해 석법을 이용해야 한다. 그러므로 각각의 입력에서 상관성분이 제거된 후의 스펙트럼을 잔차 스펙트럼 (Residual spectrum)이라고 하며 식 (2)와 같이 나타 낼 수 있다. 여기서, Lrj(f ) 는 입력간 및 입출력간의

Fig. 4 Conditioned multi input/single output model

) ,

, 3 , 2 (

) ( )

( ) ( )

( ₍ ₁_)! ₍ ₁_)!

!

j i y i

f S f L f S f

S_ii_r _ii _r _ri _rr _r

>

=

⋅

−

= _⋅ ₋ _⋅ ₋

⋅

L

) , , , 3 , 2 , (

) ( )

( ) ( )

( ₍ ₁_)! ₍ ₁_)!

!

r j i y j

i

f S f L f S f

S_ij_r _ij _r _rj _ir _r

>

=

⋅

−

= _⋅ ₋ _⋅ ₋

⋅

L ⁽²⁾

상관성분을 제거시킨 경우의 최적전달함수이며, 식 (3)으로 나타낼 수 있다.

( 1)!

( ) ( ) ( 2,3, , )

( )

⋅ −

= ^{rj r} = L >

rj

rr r

S f

L f i y i j

S f ⁽³⁾

일반기여도 함수(OCF)를 통해 두 신호간의 상관 도를 알 수 있으며 식 (4)으로 나타낼 수 있다.

(4)

다입력/단일출력에서 입력간 상관성분의 존재로 최적전달함수를 사용한 조건 다입력/단일출력계로 모델링한 경우, i 번째 입력이 출력에 기여한 정도를 부분기여도함수(PCF)라고 하며, 다음과 같이 나타낸다.

) ( ) (

) (

!

2 2 !

! S f S f

f S

r yy r ii

r iy r

iy

⋅

⋅ =

γ ⁽⁵⁾

본 연구에서는 위 식 (4) OCF를 이용하여 각 입력 원과 출력원 간 상관도가 높은 순으로 입력원을 선 정하였으며, 식 (5) PCF를 이용하여 EPB 작동 시 차 량 시스템 각 성분의 실내소음에 대한 기여도를 계 산하였다.

4. EPB 소음의 기여도 평가 4.1 실험 장치 및 방법

실험에 사용한 대상 차량은 국내 A사에서 생산되

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Goon-Dong Park․Bum-June Seo․In-Hyung Yang․Jae-Eun Jeong․Jae-Eung Oh․Jung-Youn Lee

Fig. 5 Measurement setup for EPB and interior

Fig. 6 The transfer path modeling

는 2000cc 웨건(wagon)형 차량이 사용됐으며 측정 장비는 Muller BBM 사의 PAK⁶⁾을 사용하였다.

Fig. 5에 EPB 시스템의 진동･소음 측정을 위한 센 서 위치 및 차량 실내소음측정을 위한 마이크로폰 위치를 나타내었으며 Fig. 6에는 실험을 위한 EPB 작동 시 다입력/단일출력계의 진동･소음 전달경로 를 나타냈다.

입력원으로는 좌/우 EPB 및 캘리퍼의 근접소음, 짐칸의 소음 및 엔진 소음, 좌/우 EPB의 진동과 EPB 주위의 차량 부품인 캘리퍼, 캐리어(carrier), 너클 (knuckle), 브레이크 디스크, 로워암(lower arm), 앞/

뒤 샤시(chassis)의 진동을 측정 하였다. 소음 6개, 진 동 18개 총 24개의 입력과 실내소음을 출력으로 한 전달경로로 모델링 하였다.

EPB작동에 의한 소음을 정확히 측정하기 위해 무향실에서 실험을 진행하였다. EPB 작동은 보편적 으로 시동이 켜진 상태에서 사용되므로 시동을 켠 상태에서 실험을 진행하였으며 엔진작동에 의한 실 내소음을 고려하고자 엔진 위치에서 추가로 소음을 측정하였다. 실내소음은 ISO 5128⁷⁾ 규정에 따라 차 량 운전자석 우측 귀 위치에 1/2 인치 마이크로폰을 이용하여 측정하였다.

Fig. 7 Contribution of input signal

4.2 다입력-단일출력계의 기여도 평가에 의한 EPB 소음원 규명

식 (4)로부터 전체 주파수 대역에서 각 부품의 소 음 기여도를 Fig. 7에 나타냈다. 실내소음에 대한 공 기기인소음(Air-borne noise; AB)과 구조기인소음 (Structure-borne noise; SB)을 구분하였으며, AB는 마이크, SB는 가속도계로 측정된 데이터이다.

실내소음에 대해 가장 기여도가 높은 소음원은 EPB 소음과 캘리퍼 소음이다. 마이크로폰으로 측정 된 이 신호들은 방사된 소음이 실외에서 차량 실내 로 유입되는 것을 나타낸다.

진동에 의한 소음은 캘리퍼, 캐리어, 너클이 높은 것으로 분석되는데 이 부품은 EPB에 근접한 부품이 다. 반면 EPB자체의 진동에 의한 소음의 영향은 비 교적 작은 것으로 분석되었는데 이는 폴리머 재질 의 하우징이 실내소음에는 큰 영향을 주지 않는 것 으로 볼 수 있다. 또한 샤시의 진동이 실내소음에 큰 영향을 주지 않는 것으로 봐서 EPB의 진동이 샤시 에는 큰 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.

식 (5)에 적용할 입력원의 순서는 출력에 대한 기 여도 값이 높은 순서로 정하였다. Fig. 7에 기여도는 전 주파수 대역 레벨로 나타낸 기여도 이므로 세부 적인 주파수의 기여도는 알 수 없다. 소음원 규명을 위해서 각 주파수에서 높은 기여도를 가지는 차량 부품 선정이 필요하다.

실내소음에 대한 공기기인소음(Air-borne noise;

AB)과 구조기인소음(Structure-borne noise; SB)를 먼

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Noise Source Identification of Electric Parking Brake by Using Noise Contribution Analysis and Identifying Resonance of Vehicle System

(a) Apply

(b) Release

Fig. 8 The result of TPA air-borne and structure-borne

저 알아본 후 세부 부품별 기여도를 나타냈다.

Fig. 8에 실내소음에 대한 고정과 해제행정 시 AB 와 SB를 나타냈다. 전달경로 해석 결과 Fig. 9(a)고 정행정 428Hz, 464Hz에서 발생하는 소음은 SB으로 발생하는 소음으로 판단된다. 한편 850Hz, 1200Hz, 1360Hz에서 발생하는 소음은 AB으로 발생하는 소 음이다. 특히 1200Hz, 1360Hz 소음은 EPB 기어의 맞물림에 의해 발생하는 소음이다.

전체적으로는 저주파 대역에서는 SB 고주파 대 역에서는 AB가 발생하는 것을 알 수 있으며 SB에 비 해 AB가 비교적 더 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

또한 Fig. 8(b) 해제행정 시 실내소음에 대한 AB 와 SB를 나타냈다. 고정행정에 비해 여러 피크 주파 수가 발생하는 것을 알 수 있다.

전달경로 해석 결과 실내 소음 중 피크 주파수 447Hz, 487Hz, 1200Hz에서 발생하는 소음은 AB와 SB 동시에 발생하는 소음이며 609Hz에서 발생하는 소음은 SB, 691Hz과 854Hz에서 발생하는 소음은 AB로 발생하는 소음이다.

Fig. 9에 AB로 규명된 소음 중 Fig. 9(a)에 고정행 정의 850Hz, 1200Hz, 1360Hz 성분 소음의 기여도 해

(a) Apply

(b) Release

Fig. 9 The detail result of TPA air-borne noise

석 결과와 Fig. 9(b)에 해제행정의 447Hz, 487Hz, 691Hz, 854Hz, 1200Hz 성분 소음의 기여도 해석 결 과를 나타냈다.

Fig. 9(a)고정행정에서 발생하는 소음 중 1200Hz, 1360Hz에서 발생하는 소음은 EPB에서 발생하는 소 음임을 알 수 있고 이 주파수에서 발생하는 소음은 EPB 내부 기어의 맞물림 주파수인 것을 2장에서 나 타냈다. 또한 850Hz는 짐칸에서 발생하는 소음인 것을 알 수 있다.

Fig. 9(b)해제행정에서 447Hz, 487Hz, 691Hz는 EPB에서 발생하는 것을 알 수 있으며 내부 모터 및 기어의 회전 주파수에 의해 발생하는 것으로 예상된다.

반면 고정행정의 기여도 분석 결과와 유사하게 소음발생 원인이 없을 것으로 생각되는 짐칸에서 854Hz 소음에 대해 가장 높은 기여도를 가지고 있 는 것을 알 수 있는데 이는 짐칸 공간의 음향공진에

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박군동․서범준․양인형․정재은․오재응․이정윤

(a) Apply

(b) Release

Fig. 10 The detail result of TPA structure-borne noise

의한 소음으로 판단된다.

Fig. 10에 전달경로 해석 결과 고정/해제행정에서 SB를 나타냈다.

SB는 고정행정에 비해 해제행정에서 높은 레벨 의 피크 주파수가 존재하고 대부분의 SB는 EPB 하 우징에서 발생하는 것을 알 수 있어 공진에 의한 소 음 발생으로 판단된다.

EPB 진동의 전달은 EPB-캘리퍼-캐리어-너클-로 워암-샤시 순서로 전달되며 전달경로해석 결과를 볼 때 EPB에서 멀리 있는 부품일수록 SB는 작은 것 을 알 수 있다.

EPB 자체에서 방사되는 높은 주파수의 소음은 실내로 유입되는 전달경로를 차단하는 방법이 가장 효과적일 것이며, 실내 음향공진은 짐칸위치에 흡 음재를 설치할 경우 막을 수 있을 것으로 판단된다.

또한, EPB 의 진동을 줄일 경우 구조기인 소음을 줄 일 수 있고 주위 부품으로 진동 전달이 감소되어 차 량 부품의 진동 저감에 의해 소음 저감효과도 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

5. 실내소음-공진주파수 모드맵 구축을 통한 차량 부품의 공진 특성

2장에서 부하구간과 무 부하구간에서 발생하는 소음특성에서 순간적으로 발생하는 소음은 공진에 의한 소음으로 예상했으며 EPB소음에 대한 참고문 헌⁵⁾에서도 같은 현상을 나타내고 있다.

고정행정과 해제행정에서 동일하게 나타나는 소 음 피크 주파수 중 850Hz 는 짐칸 공간에 의한 음향 공진임을 기여도 분석을 통해 규명하였으나 1200Hz 에서 발생하는 소음은 기여도 분석 결과 AB, SB로 동시에 발생하는 소음으로 정확한 소음원을 규명하 기 힘들다.

이 소음은 작동 주파수가 다른 고정행정, 해제행 정에서 동일한 주파수에서 발생하는 소음으로 EPB 의 진동에 의해 차량 부품이 가진되어 발생하는 소 음일 가능성이 있다. 따라서 EPB 하우징 및 EPB 주 위 부품들의 고유진동수 파악하기 위하여 공진에 의한 소음 발생 검토가 필요하다.

부품 별 공진 가능성을 알아보기 위한 모달 테스 팅은 EPB하우징 및 EPB 주위 부품 (캘리퍼, 너클, 브레이크 디스크, 로워암, 샤시)을 대상으로 실차 시 스템에서 행해졌다. 임팩트 해머로 부품들 을 가진 한 후 가속도계를 이용하여 측정한 데이터를 이용 하여 각 부품의 전달함수를 구하였다. 전달함수를 통해 각 부품의 고유진동수를 구하였다.

실내 소음의 피크 주파수와 차량 부품의 공진 주 파수 모드맵을 작성하여 각 부품들의 고유진동수와 EPB 작동 중 실내소음의 일치 여부를 효율적으로 파악할 수 있으며, 진동에 의한 공진이 일어나는 주 파수의 원인파악을 모드맵을 통해 얻을 수 있다.

Fig. 11에 모달테스팅 결과 공진 주파수의 모드맵 을 구축하고 실내 발생 소음 피크 주파수도 함께 나 타냈다. 각 부품의 고유진동수는 주파수를 기입했 고 실내에서 발생하는 소음의 피크 주파수는 점선 으로 나타냈다. 고정행정 350Hz 발생하는 소음은

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Fig. 11 Mode map of peak-resonance frequency

EPB 하우징 공진에 의한 것으로 판단되며 1200Hz 에서 발생하는 소음은 EPB 기어의 맞물림 주파수에 의해 너클 혹은 브레이크 디스크가 공진하여 발생 하는 소음으로 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 EPB 작동 중 실내에서 발생하는 소음의 원인을 규명하기 위해 기여도평가를 이용하 여 실내소음에 대한 부품 별 기여도를 평가하고 모 달테스팅을 통해 부품의 공진에 의한 소음발생 메 커니즘을 해석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) EPB는 시간에 따라 작동 주파수가 변하며 부하 구간과 무 부하구간으로 나눌 수 있고 부하구간 에서는 순간적으로, 무 부하구간에서는 지속적 인 소음이 발생한다.

2) 다차원 스펙트럼 해석을 이용한 기여도 분석 및 모달테스팅 결과, EPB작동 중 실내에서 발생하 는 소음의 주파수 별 원인을 알 수 있었으며 각 부품별 공진주파수의 모드맵을 이용하여 실내

로 투과되는 공기기인소음, 차량 부품의 공진에 의한 구조기인소음, 차량 실내 음향공진에 의한 소음을 구분할 수 있었다.

References

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6) http://www.paksystem.co.kr 7) http://www.iso.org