Robust Design of the Back-plate Shape of the Disc Brake Pad for Reduction of Uneven Wear

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디스크 브레이크의 편마모 저감을 위한 브레이크 패드의 백플레이트 형상 강건설계

박 진 택^1,2)․한 승 욱³⁾․최 낙 삼^*4)

한양대학교 대학원 기계설계학과¹⁾․만도 제동1연구실²⁾․한양대학교 대학원 기계공학과³⁾․한양대학교 기계공학과⁴⁾

Robust Design of the Back-plate Shape of the Disc Brake Pad for Reduction of Uneven Wear

Jin-tack Park^1,2)․Seung-Wook Han³⁾․Nak-sam Choi^*4)

1)Department of Mechanical Design, Graduate School, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea

2)Brake R&D Center, CBS Design, Design-2, Mando Corporation, 619 Sampyeong-dong, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi 463-400, Korea

3)Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea

4)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 425-791, Korea (Received 7 January 2013 / Revised 22 June 2013 / Accepted 24 June 2013)

Abstract : In this paper, a robust design of the back-plate of the brake pad to decrease the uneven wear of the pad was studied. A finite element analysis was performed to analyze the pressure distributions on the contact surfaces.

Optimized back-plate shape of the brake pad was determined using the Taguchi method. The effectiveness of the robust design was clarified by the wear tests with a dynamometer.

Key words : Uneven wear(편마모), Robust design(강건설계), Back-plate(백플레이트), Brake pad(브레이크 패드), Disc brake(디스크 브레이크), Caliper(캘리퍼), Finite element analysis(유한요소해석), Dynamometer(다이나모미터)

1. 서 론¹⁾

주행 중인 자동차를 감속시키기 위해서는 제동장 치를 작동시켜야 한다. 제동장치는 회전하는 디스 크에 마찰재를 접촉시켜 마찰을 일으켜 차량을 감 속시키며, 이때 마찰재는 마모가 발생한다.

이와 관련하여 이전의 연구들은 마찰재 총 마모 량과 수명을 분석^1,2)하거나, 마찰재 표면에 대하여 미시적 관점에서 마모를 분석³⁾하였다. 반면에, 마찰 재의 국부 위치별 편마모는 그 동안 연구가 원활하 게 진행되지 못하였다.

Shi⁴⁾는 아바쿠스(Abaqus)를 이용하여 접촉압력 해석을 수행하여 제동시 발생할 마모를 검토하였으

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

며 저압에서 고압으로 라인압력 증가시 패드의 고압 력 분포가 바깥 반경방향으로 이동함을 언급하였으 며 노이즈와의 관계를 분석하였다. Steege 등⁵⁾은 수 명시간 예측을 위해 차량의 브레이크 패드 내구테스 트 결과를 분석하였고 편마모시 패드 마모 수명을 추정하였다. Antanaitis⁶⁾는 다이나모 시험(dynamometer test)과 함께 캘리퍼의 최대 편마모 구배를 검 토하였으며 외팔보 형태 피스트 슬라이딩(fist sliding) 타입의 캘리퍼(caliper)의 경우 핑거(finger)의 힘 집 중이 편마모에 영향을 준다고 보았다. Kim 등⁷⁾은 일 반적인 좌우 대칭형(symmetric) 캘리퍼는 정지 상태 에서는 패드가 대칭형 접촉압력을 보이나 작동시에 는 비대칭형(asymmetric) 접촉압력을 보이며 이는 편마모를 유도한다고 언급하였다. 대칭형 접촉압력

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을 얻기 위해 핑거(finger)와 피스톤(piston)의 편심형 (offset) 캘리퍼(caliper)를 검토하였으며, FE해석을 수행하여 편심형 캘리퍼가 작동시 패드 접촉압력이 균등함을 보여주었다. Unno 등⁸⁾은 보통강도의 캘리 퍼와 브리지의 안쪽 면을 갈아서 제작된 낮은 강도 의 캘리퍼에 대하여 다이나모 시험을 수행하였으며 반경방향 각도로 편마모량을 정의하여 비교 분석하 였다. 고감속 제동시 하우징의 변형으로 인하여 비 균일 압력분포가 발생하여 편마모 각이 증가됨을 보 여주었다. 김남경과 강종표⁹⁾는 캘리퍼 하우징 핑거 의 안쪽 윗부분을 제거한 경우와 제거하지 않은 경 우에 대하여 디스크와 패드사이에 면압지를 삽입하 여 캘리퍼 작동시 접촉 압력 분포를 시각적으로 확 인하고 나스트란(Nastran)을 이용한 유한요소해석 을 통하여 패드의 접촉압력을 분석하였다. 바깥쪽 패드의 윗부분에 집중되던 응력이 중앙부로 이동되 면서 편마모를 피하고자 하였으나 디스크가 회전하 지 않는 정적 조건에 대한 실험 및 해석만 수행하였 다. Abu Baker 등¹⁰⁾은 안쪽 패드의 구조적 변경 및 재 료의 변경에 따른 피스톤과 패드 백플레이트 간의 접촉압력분포를 유한요소해석을 통하여 분석하였 다. 유한요소 해석을 통하여 디스크가 회전하는 경 우와 정지하여 있는 경우에 대하여 피스톤과 패드 백플레이트 간 접촉압력분포가 달라짐을 보여주었 으며, 일부 접촉점(node)의 접촉조건을 제거함에 따 른 접촉압력분포의 변화를 분석하였다.

브레이크 패드(brake pad)의 편마모에 대하여 기 존의 논문들은 대부분 캘리퍼 하우징(housing) 형상 변경이나 피스톤(piston) 위치 변경에 따른 패드의 편마모를 연구하였다. 하지만, 하우징 형상 변경 및 피스톤 위치 변경은 캘리퍼 하우징 강성 및 캘리퍼 의 거동에 영향을 줌으로써 기타 다른 문제를 야기 할 수 있다.

그러므로, 본 저자는 선행 연구에서¹¹⁾ 하우징 형 상과 피스톤 위치를 변경하지 않은 일반적 대칭형 캘리퍼에 대하여 브레이크 패드의 마찰재 부분 형 상변화에 따른 강건설계를 수행하였으며, 다구찌 기법을 활용하여 분석하고 실험을 통해 검증하였 다. 그 결과, 편마모 저감을 위한 마찰재 부분의 최 적 형상 도출이 가능하였으며 마모시험을 통한 검

Fig. 1 The automotive disc brake system

증결과 기본 모델 대비 최적모델의 편마모량에 뚜 렷한 저감효과를 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 기존 패드의 마찰재부 형상에 대 한 연구에서 구해진 강건설계 결과를 도입하고자 마찰재부의 형상에는 선행연구에서 도출된 최적형 상을 적용하고 추가적으로 백플레이트부의 국부적 형상 변화에 따른 패드 마찰재 편마모에 대하여 연 구하고자 한다.

즉, Fig. 1의 브레이크 코너모듈(brake corner module) 모델에 대하여 디스크 회전 및 가압을 하는 작동조 건으로 유한요소해석을 하여 디스크와 패드 간의 접촉압력 분포를 분석하고 편마모를 예측하며, 다 이나모미터를 이용하여 실험으로 검증하고자 한다.

패드 백플레이트의 국부적 형상 변화에 따른 영향 분석을 위해 다구찌 기법을 활용한다.

2. 유한요소해석 모델 2.1 해석모델

일반적으로 가장 많이 통용되는 단일 피스톤 타 입(single piston type) 디스크 브레이크(disc brake)에 대하여 Fig. 2와 같이 3차원 유한요소 모델을 생성하 여 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 위 하여 사용된 소프트웨어는 아바쿠스(Abaqus) v6.8¹⁶⁾ 이며 디스크에 접촉하는 패드 마찰면의 응력을 해 석하여 편마모에 대한 영향을 분석하였다.

브레이크 작동에 대한 해석을 수행함에 있어서 실제 디스크가 회전하는 상황을 모사하기 위해 패 드가 접촉한 디스크에 대하여 중심축을 중심으로 해서 원주방향으로 10º 회전하도록 하고 패드와 디

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Jin-tack Park․Seung-Wook Han․Nak-sam Choi

Fig. 2 FE Model of each part

스크 간의 접촉압력을 해석하여 접촉면에 작용하는 응력분포를 구했다.

캘리퍼(caliper), 너클(knuckle), 디스크(disc) 및 베 어링(bearing)으로 구성되는 브레이크 코너모듈 (brake corner module) 전체에 대한 유한요소모델을 생성하였으며 브레이크 패드의 마찰재 부분과 백플 레이트(back plate) 부분에 대한 유한요소 모델도 Fig. 2에 나타낸다. 선행 연구⁸⁾에서는 마찰재 부분만 의 형상을 변화하며 유한요소해석을 반복 수행하였 으나 본 논문에서는 백플레이트 부분의 형상을 변 화시켜 유한요소해석을 반복 수행하였다.

2.2 해석방법 및 경계조건

실제 차량의 작동상태와 동일하도록 각 단품별 연결 및 구속조건을 설정하고 각 단품들은 모두 탄 성체로 보았다. 해석을 수행하기 위해 부품들에 주 어진 작동, 접촉 및 구속조건은 선행 연구⁸⁾와 동일 하게 적용되었다. 피스톤에 압력하중을 가하여 각 각의 안쪽 패드(inner pad)와 바깥쪽 패드(outer pad) 에 압력을 전달하며 디스크와 패드간 접촉조건은 마찰(friction)로 설정하고 마찰계수는 0.4를 적용하 였다.⁵⁾ 패드(pad)와 디스크(disc)가 접촉한 상태에서 디스크는 모션(motion)조건을 중심축을 기준으로 10º 회전하도록 설정하였다.

3. 강건 설계 모델

제어인자, 노이즈인자와 출력을 정의하여 앞 장 에서 구성된 유한요소모델을 활용하여 접촉압력해 석을 실험계획법에 의하여 반복 수행하였다. 편마 모 저감을 위하여 강건설계를 수행하여 선정된 제 어인자, 노이즈인자는 Table 1과 같다.

백플레이트의 경우 안쪽 패드와 바깥쪽 패드에 힘을 전달하는 메카니즘이 각각 다르므로 안쪽 패 드와 바깥쪽 패드 형상의 변화에 따른 영향을 독립 적으로 보기 위해 안쪽 패드와 바깥쪽 패드에 대하 여 별도로 2가지 Case로 나누어 편마모 저감을 위한 강건설계를 수행하였다. 선행연구 결과⁸⁾와의 연계 를 위하여 패드의 마찰재부 형상은 선행연구에서 도출된 형상을 적용하고 이에 추가적으로 백플레이 트의 형상을 변경하면서 강건설계를 수행하였다.

Table 1 Factor selection for the robust design Classifications Description

Control factor Back-plate shape for each inner and outer pad Noise factor Line Pressure, Pad class. (Inner or Outer)

Output Pressure Distribution

3.1 바깥쪽 패드 백플레이트 제어인자 바깥쪽 패드 백플레이트는 캘리퍼의 핑거부와 접 촉함으로써 압력을 마찰재에 직접적으로 전달한다.

그러므로 마찰재 압력이 집중되는 위치에 상응하는 백플레이트 부분에 홈을 파서 핑거와 접촉하지 않 도록 하면 접촉 안되는 부분은 압력집중을 피할 수 있다. 따라서 바깥쪽 패드 백플레이트(평균 두께 : 6mm)에 대하여 제어인자로서는 홈을 판 형상에 대 한 치수가 선택되었다. 패드 백플레이트의 홈 형상 에 대한 설계변수는 Fig. 3과 같이 선정되었다. 즉, 바깥쪽 패드 백플레이트 형상의 설계변수에 대하여 편마모 감소를 위해 총 7개의 제어인자가 선택되었 다. 제어인자는 실험계획법에 의거한 수준별 조합 을 위하여 L18(2¹× 3⁶) 직교배열표를 적용하였다.

여기서, 직교배열표 선정을 위해 Minitab 상용소프

트웨어^17,18)가 사용되었다. 제어인자에 따른 수준별

설계값은 Table 2에 나타내었으며, 직교배열표에 따 른 수준별 조합은 Table 3에 나타내었다. 백플레이

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Robust Design of the Back-plate Shape of the Disc Brake Pad for Reduction of Uneven Wear

Fig. 3 Control factors for back-plate shape of an outer pad Table 2 Control factors and levels for back-plate shape of an

outer pad (unit: mm, Ao~ Go are defined in Fig. 4) Control

factor

Level

1 2 3

Ao vertical inclined

Bo vertical inclined (inclined)

Co 0 5 10

Do 0 24.4 48.8

Eo 0 13.5 27

Fo 0 16 32

Go 10 20 30

Table 3 Orthogonal array for control factors (Ao~ Go are defined in Fig. 4)

Factor

No. Ao Bo Co Do Eo Fo Go

1 1 1 1 1 1 1 1

2 1 1 2 2 2 2 2

3 1 1 3 3 3 3 3

4 1 2 1 1 2 2 3

5 1 2 2 2 3 3 1

6 1 2 3 3 1 1 2

7 1 2(3) 1 2 1 3 2

8 1 2(3) 2 3 2 1 3

9 1 2(3) 3 1 3 2 1

10 2 1 1 3 3 2 2

11 2 1 2 1 1 3 3

12 2 1 3 2 2 1 1

13 2 2 1 2 3 1 3

14 2 2 2 3 1 2 1

15 2 2 3 1 2 3 2

16 2 2(3) 1 3 2 3 1

17 2 2(3) 2 1 3 1 2

18 2 2(3) 3 2 1 2 3

트 2지점 홈의 세로방향 기울기 유무(Ao, Bo), 가로 방향 4지점의 길이(Co, Do, Eo, Fo)와 세로방향 높이

(Go)를 인자로 선정하였다.

기울기 인자인 Ao와 Bo는 2수준으로 설정하고, 길 이 인자인 Co, Do, Eo, Fo, Go는 3수준으로 설정하였 다. Ao와 Bo의 기울기는 수직일 경우의 1수준과 백 플레이트의 반대편에 있는 마찰재 모서리의 기울기 와 같은 2수준일 경우로 나누었다. Co, Do, Eo, Fo 인 자가 1수준일 경우, 백플레이트는 홈 형상 치수가 모두 0이 되어 최적화를 수행하기 전의 홈이 없는 백플레이트의 형상을 나타낸다.

3.2 안쪽 패드 백플레이트 제어인자

안쪽 패드의 경우 바깥쪽 패드와 달리 피스톤에 의해 압력을 마찰재에 전달하므로 마찰재에 압력이 집중되는 위치에 상응하는 백플레이트 부분에 홈을 파서 피스톤과 접촉하지 않도록 하여 접촉 안되는 부분은 압력집중을 피할 수 있다. 그러므로 안쪽 패 드 백플레이트(평균 두께: 6mm)에 대하여 제어인자 로서는 홈을 판 형상에 대한 치수가 선택되었다. 패 드 백플레이트의 홈 형상에 대한 설계변수는 Fig. 4 와 같이 선정되었다. 즉, 안쪽 패드 백플레이트 형상 의 설계변수에 대하여 편마모 감소를 위해 총 6개의 제어인자가 선택되었다. 제어인자는 실험계획법에 의거한 수준별 조합을 위하여 L16(4⁴ × 2²) 직교배열 표를 적용하였다. 제어인자에 따른 수준별 설계값 은 Table 4에 나타내었으며, 직교배열표에 따른 수 준별 조합은 Table 5에 나타내었다. 피스톤 접촉부 형상이 원형인 점을 고려하여 피스톤 중앙을 기준 으로 피스톤 접촉부 상, 하, 좌, 우 지점의 홈에 대한 각각의 각도(Ai, Bi, Ci, Di)를 인자로 선정하고 상, 하 부의 홈에 대한 세로방향 기울기 유무(Ei, Fi)도 인자 로 선정하였다.

Fig. 4 Control factors for back-plate shape of an inner pad

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박진택․한승욱․최낙삼

Table 4 Control factors and levels for back-plate shape of an inner pad (unit:mm, Ai~ Gi are defined in Fig. 4) Control

factor

Level

1 2 3 4

Ai 0˚ 20˚ 40˚ 60˚

Bi 0˚ 20˚ 40˚ 60˚

Ci 0˚ 20˚ 40˚ 60˚

Di 0˚ 20˚ 40˚ 60˚

Ei inclined vertical Fi inclined vertical

Table 5 Orthogonal array for control factors (Ai~ Gi are defined in Fig. 4)

Factor

No. Ai Bi Ci Di Ei Fi

1 1 1 1 1 1 1

2 1 2 2 2 1 2

3 1 3 3 3 2 1

4 1 4 4 4 2 2

5 2 1 2 3 2 2

6 2 2 1 4 2 1

7 2 3 4 1 1 2

8 2 4 3 2 1 1

9 3 1 3 4 1 2

10 3 2 4 3 1 1

11 3 3 1 2 2 2

12 3 4 2 1 2 1

13 4 1 4 2 2 1

14 4 2 3 1 2 2

15 4 3 2 4 1 1

16 4 4 1 3 1 2

각도 인자인 Ai, Bi, Ci, Di는 4수준으로 설정하고 기울기 인자인 Ei, Fi는 2수준으로 설정하였다.

3.3 노이즈인자

차량의 제동시 디스크에 접촉하는 패드 마찰면의 압력분포가 유압라인 압력이 저압일 경우와 고압일 경우에 다른 분포를 보임에 따라 이 영향으로 편마 모 또한 다른 거동을 보일 수 있다.¹⁾ 이와 더불어, 안 쪽 패드와 바깥쪽 패드는 마찰재 형상이 서로 대칭 형이지만 각각의 힘이 패드 마찰면에 전달되는 구 조의 차이에 의해 압력분포의 차이가 발생하여 편 마모의 원인이 된다.

Table 6 Definitions of noise factors Noise

factor

Level

1 2

Line pressure 1MPa 2MPa

Pad Inner pad Outer pad

라인압력의 변화에 관계없이 패드 편마모가 저감 되도록 강건설계 하기 위해 노이즈인자로서 라인압 력을 선택하였다. 수준별 설계값으로 저압(1MPa)/

고압(2MPa)을 적용하였다. 또한, 패드 종류를 노이 즈인자로서 선정하고 안쪽 패드/바깥쪽 패드를 수 준별 설계값으로 선정하였다. 각 수준별 노이즈인 자에 대한 설계값을 Table 6에 정리하였다. 안쪽 패 드와 바깥쪽 패드의 백플레이트 각각에 대하여 다 른 제어인자와 함께 별도로 강건설계를 수행하였으 나 노이즈인자는 동일한 인자를 사용하였다.

3.4 출력반응

바깥쪽 패드 백플레이트 강건설계에 대하여 앞에 서 설명한 7개 제어인자의 직교표(18조합)와 2개 노 이즈인자(4조합)에 의해 총 72조합으로 접촉압력 해석을 수행하였다.

안쪽 패드 백플레이트 강건설계에 대해서도 앞에 서 설명한 6개 제어인자의 직교표(16조합)와 2개 노 이즈인자(4조합)에 의해 총 64조합으로 접촉압력 해석을 수행하였다. 안쪽 패드 백플레이트 강건설 계 해석시, 바깥쪽 패드만 강건설계한 결과와 비교 검토하기 위해 앞에서 바깥쪽 패드 백플레이트 강 건설계 결과 도출된 바깥쪽 패드 모델을 기본으로 적용하고 안쪽 패드에 대하여 백플레이트 형상을 변화하면서 64조합에 대한 접촉 압력 해석을 수행 하였다.

접촉압력 해석을 수행하면 안쪽 패드와 바깥쪽 패드 각각의 디스크와의 마찰면에 대한 응력분포를 구할 수 있으며 제어인자 변경에 따른 전체 면에 대 한 분포압력을 균등화하여 마찰재부의 편마모를 최 소화시키는 강건 설계를 수행하였다. 각각의 경우 에 대하여 안쪽 패드와 바깥쪽 패드에 대하여 마찰 재 부분의 8개의 위치점(각 모서리에서 5mm 지점)에 대한 접촉부의 등가응력(equivalent pressure stress) 을 구하여 이 값들에 대해 분석하였으며 측정한 위

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Fig. 5 Wear measuring sites for each inner and outer pad

치는 Fig. 5와 같다.

마찰재부는 선행 연구⁸⁾에서 최적화된 형상을 적 용하였으며 마모량 측정 위치는 동일하게 설정하였 다. 각 8개 위치점의 접촉 압력값들과 패드 및 라인 압력별 표준편차를 출력 반응으로 설정하였다. 강 건설계 수행을 하고자, 각 측정점의 위치와 무관하 게 균등한 응력분포가 형성되도록 강건설계하여 편 마모를 최소화하고자 하였다.

4. 강건 설계 결과 분석 4.1 최적 모델 선정식

S/N비 분석과 함께 다구찌법을 통하여 최적의 제 어인자 선정이 가능하다고 전제하였다. S/N비는 신 호인자에 대한 노이즈인자의 비이며, 강건설계를 수 행하기 위해서는 노이즈인자에 둔감하도록 S/N비가 크게 설정되어야 한다. 8개의 각 위치점별 압력값(P) 은 망목(nominal-the-best) 정특성(static characteristic) 으로 보고 S/N비는 식 (1)을 적용하여 계산하였다.

   log^ _^ (1) 여기서 y 는 데이터의 평균, sy는 분산이다.

각 패드에 대한 응력값들의 표준편차(D)는 망소 (smaller-the-better) 정특성으로 보고 S/N비는 식 (2) 를 통하여 계산하였다.

    log





_







  



_^





₍₂₎

여기서 n 은 데이터의 개수, yi는 각각의 i번째 출 력반응 결과 데이터이다.

상용 통계 해석 프로그램인 Minitab을 사용하여 S/N비를 구하고 데이터를 분석하였다.

4.2 바깥쪽 패드 백플레이트 만의 최적 모델 선정

접촉압력해석은 바깥쪽 패드 백플레이트 제어인 자에 대한 직교배열표와 노이즈인자 각각의 경우에 대해 수행되었다. 안쪽 패드의 백플레이트는 변경 하지 않은 기본 형상을 적용하여 바깥쪽 패드 백플 레이트 만의 영향을 해석하였다. 각각의 경우 수행 된 해석 결과들을 통하여 제어인자의 수준별 S/N비 를 얻을 수 있으며 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다.

이를 근거로 구해진 S/N비를 비교하고 제어인자 별로 S/N비가 최대가 되는 수준을 결정하여 최적 모 델을 선정하였다. A는 2수준, B는 2수준, D는 1수준, E는 2수준, G는 1수준이 S/N비가 최대인 제어인자 의 수준이었으며 C와 F는 평균값을 낮추기 위해 각 각 1수준과 2수준을 선정하였다. Fig. 6에서와 같이 제어인자 C는 각 위치점의 응력값들에 대한 S/N(P)

Fig. 6 S/N ratio results with control factors of the outer back plate for each pressure, S/N(P)

Fig. 7 S/N ratio results with control factors of the outer back plate for each standard deviation, S/N(D)

(7)

가 2수준일 때 최대가 되나 1수준과의 차이가 미미 한 반면, Fig. 7에서와 같이 각 패드의 산포를 나타내 는 표준편차에 대한 S/N(D)는 1수준일 때 최대가 됨 을 알 수 있다. 그러므로 C는 평균값을 낮출 수 있는 1수준으로 선정하고 평균값을 조정하는 인자로 활 용되었다. F도 C와 마찬가지로 평균값을 조정하는 인자로 활용되어 평균값을 낮추기 위해 2수준으로 선정되었다. 백플레이트 홈의 길이를 나타내는 G는 제어인자 중에서 S/N비가 제일 높은 인자로서 G의 인자가 영향이 가장 큼을 알 수 있다.

4.3 바깥쪽과 안쪽 패드 백플레이트 최적 모델 선정

안쪽 패드 백플레이트에 대하여 제어인자 각각의 경우 수행된 해석 결과들을 통하여 제어인자의 수 준별 S/N비를 얻을 수 있으며 Fig. 8과 Fig. 9에 나타

Fig. 8 S/N ratio results with control factors of the inner back plate for each pressure, S/N(P)

Fig. 9 S/N ratio results with control factors of the inner back plate for each standard deviation, S/N(D)

내었다. 바깥쪽 패드 백플레이트는 앞의 4.2장에서 도출된 최적 형상을 적용하여 앞장에서 도출된 결 과와의 연계를 도모 하였다.

A는 2수준, B는 3수준, D는 1수준, E는 1수준, F는 1수준이 S/N비가 최대인 제어인자의 수준이었다.

Fig. 8에서와 같이 제어인자 C는 각 위치점의 응력 값들에 대한 S/N(P)가 1수준일 때 최대가 되나, Fig. 9 에서와 같이 각 패드의 표준편차에 대한 S/N(D)는 1 수준과 4수준이 유사함을 알 수 있다. 그러므로 각 2 가지 경우에 해당하는 모델에 대하여 별도로 해석 을 수행하여 해석결과 표준편차가 작게 나타난 4수 준을 선택하였다. 백플레이트 좌측 상단 홈에 대한 제어인자 A의 경우 S/N비가 제일 높은 인자로서 영 향이 가장 큼을 알 수 있었다.

4.4 접촉압력 해석 결과 분석

앞에서 얻은 최적 모델에 대하여 접촉압력해석을 최종적으로 수행하고 구한 결과에 대한 S/N비를 도 출하여 선행 모델의 결과와 비교하였다. 접촉압력 해석결과는 선행 모델과 바깥쪽 패드 백플레이트, 안쪽/바깥쪽 패드 백플레이트 각각의 최적모델에 대하여 Fig. 10, Fig. 11, Fig. 12에 그래프로 나타내었 으며, 각 수준값과 결과는 Table 7에 정리하였다.

바깥쪽 패드 백플레이트 최적모델은 S/N비 0.06dB 의 이득을 선행 모델대비 얻을 수 있었다. 또한, 각 위치점의 압력에 대한 표준편차는 특히 저압조건의 바깥쪽 패드에서 감소가 예상되어 편마모 저감이

Fig. 10 Pad contact pressure for the base model

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Fig. 11 Pad contact pressure for the optimum model of the outer pad back-plate

Fig. 12 Pad contact pressure for the optimum model of the inner/outer pad back-plates

가능할 것으로 보여진다.

안쪽/바깥쪽 패드 백플레이트 최적모델은 바깥 쪽 백플레이트만 최적화 한 모델대비 S/N비 1.03dB 의 이득을 얻을 수 있었다. 그러나, 표준편차를 비교 해보면 고압조건에서 안쪽 패드 표준편차는 감소가 예상되었으나 바깥쪽 패드 표준편차는 오히려 증가 함을 알 수 있었다.

5. 실험 검증 5.1 시편 제작

비석면 유기질 마찰재(NAO, Non- Asbestos)인 상 용마찰재를 시편으로 적용하여 마모시험을 수행하 였다.

Table 7 Benefit analysis results

Classifications

Base model

Outer Pad Back-plate Optimum

Inner/Outer Back-plate Optimum Outer Inner Outer Inner Outer Inner

Control factors

Ao, Ai 1 1 2 1 2 2

Bo, Bi 1 1 2 1 2 3

Co, Ci 1 1 1 1 1 4

Do, Di 1 1 1 1 1 1

Eo, Ei 1 1 2 1 2 1

Fo, Fi 1 1 2 1 2 1

Go, Gi 1 1 1

S/Ｎ ratio (dB)

Results 4.36 4.43 5.46

Benefit - 0.06 1.03

Standard deviation

1MPa,inner

pad 0.177 0.177 0.149

Benefit - - 0.028

1MPa,outer

pad 0.156 0.144 0.142

Benefit - 0.012 0.002

2MPa, inner

pad 0.3 0.3 0.132

Benefit - - 0.168

2MPa, outer

pad 0.354 0.338 0.349

Benefit - 0.016 -0.011

Fig. 13 Optimized back plate shape of the outer pad test sample

앞에서 강건설계를 통해 도출된 최적형상에 대하 여 시편을 제작하여 기존 형상과 비교시험을 수행 하였다. 백플레이트를 강건설계하여 홈을 가공하였 으며, Fig. 13은 바깥쪽 패드 백플레이트의 최적형상 시편이고 Fig. 14는 안쪽 패드 백플레이트의 최적형 상 시편이다. 선행 연구¹¹⁾와의 연계를 위하여 마찰 재부는 선행 연구에서 도출된 최적 마찰재 형상을 적용하였으며 적용된 시편의 마찰재부 사진은 Fig. 15 에 나타내었다.

비교 시험을 위하여 1차로 백플레이트 미가공된 기존 형상의 시편을 시험하고, 2차로 바깥쪽 패드

(9)

박진택․한승욱․최낙삼

Fig. 14 Optimized back plate shape of the inner pad test sample

Fig. 15 Test sample of the optimum friction material

백플레이트만 가공된 바깥쪽 패드 백플레이트 최적 형상의 시편을 시험하였으며, 3차로 바깥쪽 패드 뿐 만 아니라 안쪽 패드 백플레이트까지 가공된 안쪽/

바깥쪽 패드 백플레이트 최적형상의 시편에 대하여 시험을 수행하였다.

5.2 다이나모 미터를 이용한 마모 시험 브레이크 다이나모 시험장비를 사용하여 마모 평 가를 위한 시험을 수행하였다.

시험모드는 선행 연구¹¹⁾와 동일하게 적용하였다.

프리버니쉬(pre-burnish) 수행 이후 50km/h에서 0km/h (정지)까지 1MPa 또는 2MPa상당 제동토크를 4000 회 실시하는 완전정지(Full Stop)시험을 수행하고 50km/h에서 10km/h까지 1MPa 또는2MPa상당 제동 토크를 1600회 실시하는 불완전정지(Snub Stop)시 험을 수행하였다.

시험을 수행하기 전과 후에 8개의 위치점에 대해 두께측정기(Mitutoyo, 324-251 모델, 측정정도 ±4㎛) 를 이용해 마모량을 측정하였다.

5.3 시험 결과 및 고찰

Fig. 16(a)는 선행 모델, 바깥쪽 패드 백플레이트 최적모델과 안쪽/바깥쪽 패드 백플레이트 모두를 최적화한 모델에 대한 각각의 샘플을 적용해 1MPa 압력으로 제어하여 마모시험한 결과이다. 마모 평 가 후 앞에서 언급한 8 위치점(Fig. 5)에 대한 마모량 을 평가하여 이들의 최대값과 최소값의 차이를 편 마모량으로 정의하였다.

선행모델의 경우 저압조건(1MPa)에서 편마모량 이 안쪽 패드 0.49mm, 바깥쪽 패드 0.362mm 수준이 며 안쪽 패드의 편마모량이 바깥쪽 패드보다 큼을 알 수 있다. 선행연구의 모델은 저압조건의 안쪽 패 드에 대한 편마모 저감 효과가 상대적으로 미미하 였다. 바깥쪽 패드 백플레이트 최적사양 적용시 저 압조건(1MPa)에서 편마모량이 안쪽 패드 0.22mm, 바깥쪽 패드 0.107mm수준임을 알 수 있으며 이를 통해 기존사양 대비 최적사양 적용시 편마모량이 55~70%만큼 감소됨을 알 수 있다. 안쪽/바깥쪽 패 드 백플레이트 최적사양 적용시에는 편마모량이 안 쪽 패드 0.224mm, 바깥쪽 패드 0.071mm로서 바깥 쪽 패드 백플레이트만 최적화한 결과와 동등수준의 결과를 얻을 수 있다. 그러므로, 기존 모델과 비교하 여 바깥쪽 패드 백플레이트 최적 모델은 저압조건 에서 편마모량이 훨씬 작아짐을 알 수 있다.

Fig. 16(b)는 선행 모델, 바깥쪽 패드 백플레이트 최적 모델과 안쪽/바깥쪽 패드 백플레이트 모두를 최적화한 모델에 대한 각각의 샘플을 적용해 2MPa 압력으로 상대적으로 고압조건에서 제어하여 마모 시험한 결과이다.

선행모델의 경우 고압조건(2MPa)에서 편마모량 이 안쪽 패드 0.317mm, 바깥쪽 패드 0.207mm 수준 이었으며 선행연구에서 도출된 모델은 고압조건에 서 편마모에 뚜렷한 저감효과를 보였다. 보통 고압 조건에서는 저압조건 대비 편마모량이 더 증가되나 패드의 마찰재부가 편마모 방지 형상 시편을 적용 하여 고압조건 편마모량이 더 적음을 Fig. 16(a)와 비교하여 알 수 있다. 바깥쪽 패드 백플레이트 최적 사양은 고압조건(2MPa)에서 편마모량이 안쪽 패드 0.381mm, 바깥쪽 패드 0.245mm수준임을 Fig. 16(b) 를 통해 알 수 있으며 이를 통해 선행모델의 사양 대 비 최적사양 적용시 고압조건에서는 편마모량이 18~20%만큼 증가되었다. 즉, 저압조건에서 바깥쪽 패드 백플레이트 최적사양 적용시 편마모량의 감소 효과가 컸으나 고압조건에서는 오히려 다소 증가함 을 알 수 있다. 안쪽/바깥쪽 패드 백플레이트 최적사 양은 편마모량이 안쪽 패드 0.418mm, 바깥쪽 패드 0.232mm로서 바깥쪽 패드만 최적화한 결과보다 오 히려 안쪽 패드가 10% 증가됨을 알 수 있다.

(10)

Fig. 16(a) Uneven wear of pad samples by 1MPa wear tests

Fig. 16(b) Uneven wear of pad samples by 2MPa wear tests

각각의 경우에 대한 편마모량을 정리하여 Table 8 에 나타내었다. 기존 모델¹¹⁾과 비교하여 바깥쪽 패 드 백플레이트 형상 변경으로는 저압조건에서의 편 마모 감소가 유효했음을 알 수 있다. 고압조건에서 는 편마모량이 오히려 다소 증가함을 보이지만 1차 선행연구에서 이미 약 70% (안쪽/바깥쪽 패드 편마 모 감소 : 0.9/0.702→0.317/0.207) 수준 감소시킨 바, 본 최적모델의 경우 선행연구 대비 추가적으로 저 압조건에 대한 편마모 감소를 위해 적용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나, 안쪽/바깥쪽 패드 백플레 이트 형상 변경시에는 고압 및 저압조건 모두에서 편마모 감소효과가 없음을 알 수 있다.

Fig. 17(a), (b)는 각 1MPa와 2MPa 조건에 대하여 8위치점에 대한 편마모량 시험결과와 응력분포 S/N

Table 8 Summary of uneven wear results by 1MPa and 2MPa wear tests

Classifications Uneven wear (mm) Inner pad Outer pad

Low pressure (at 1MPa)

Base model 0.49 0.362

Outer pad

optimum 0.22 0.107

Inner pad

optimum 0.224 0.701

High pressure (at 2MPa)

Base model 0.317 0.207

Outer pad

optimum 0.381 0.245

Inner pad

optimum 0.418 0.232

Fig. 17(a) Correlation between analysis and test results with 1MPa condition

Fig. 17(b) Correlation between analysis and test results with 2MPa condision

비의 해석결과의 상관 관계를 보여준다. 저압조건 인 1MPa에서는 해석결과인 S/N비 증가에 따라 시

(11)

험결과인 편마모량이 감소하는 경향을 보이지만 고 압조건인 2MPa에서는 S/N비 증가하지만 편마모량 은 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 이를 통하여 앞에 서 수행한 해석 결과 대비 시험 결과는 저압조건에 서는 상관관계가 있음을 알 수 있으나 고압조건에 서는 상관관계가 없음을 알 수 있다. 이는 편마모에 미치는 영향이 접촉압력 분포의 불균형 뿐만 아니 라 고압조건에 따른 캘리퍼 자체의 거동 및 변형에 의한 추가적인 영향이 작용했을 것으로 생각된다.

디스크 브레이크에 대한 설계를 수행할 경우에 본 논문과 저자의 선행 논문¹¹⁾ 결과를 활용하면 제 품 제작과 성능 평가하기 이전인 설계단계에서 패 드 형상을 변경하여 설계하는 것만으로 사전에 편 마모를 방지할 수 있을 것으로 사료되며, 향후 캘리 퍼 자체의 거동에 의한 편마모 영향을 추가적으로 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.

6. 결 론

본 논문에서는 브레이크 마찰재의 편마모 저감을 위해 선행 연구⁸⁾에서 패드의 마찰재부 형상을 강건 설계 했던 결과를 기본적으로 도입하고 추가로 패 드의 백플레이트 형상에 대하여 다구찌 기법 및 유 한요소해석을 통해 강건설계를 수행하여 최적 모델 을 제시하였다.

최적모델에 대한 검증을 위하여 다이나모미터를 이용하여 마모시험을 수행한 결과, 기존 모델 대비 바깥쪽 패드 백플레이트 최적모델이 저압조건에서 편마모량이 현저하게 저감됨을 알 수 있었다. 그러 나 안쪽 패드 백플레이트의 형상 변경시 편마모량 감소 효과는 없었다.

후 기

이 논문은 2012년 정부(교육부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 연구 임(NRF-2011-0021764).

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