CopyrightⒸ2012 KSAE / 2012 / 115-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 1, pp.77-87 (2012)
디스크 브레이크의 편마모 저감을 위한 브레이크 패드의 마찰재 형상 강건설계
박 진 택1,2)․최 낙 삼*3)
한양대학교 대학원 기계설계학과1)․(주)만도 제동1연구소2)․한양대학교 기계공학과3)
Robust Design of the Disc Brake Pad Shape for Reduction of Uneven Wear
Jin-tack Park1,2)․Nak-sam Choi*3)
1)Department of Mechanical Design, Graduate School, Hanyang University, Seoul 133-791, Korea
2)Brake System R&D Center-1, Mando Corporation, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 451-821, Korea
3)Department of Mechanical Engineering, Hanyang University, Gyeonggi 425-791, Korea (Received 11 February 2011 / Revised 23 June 2011 / Accepted 3 August 2011)
Abstract : In this paper, the method and its effectiveness to decrease the uneven wear of the brake pad were proposed.
A finite element analysis was performed to analyze the pressure distributions on the contact surfaces. The optimum brake pad shape was determined by a robust design using the Taguchi method. The effectiveness of the optimum design was clarified by the wear tests with a dynamometer.
Key words : Uneven wear(편마모), Robust design(강건설계), Brake pad(브레이크 패드), Disc brake(디스크 브레 이크), Caliper(캘리퍼), Finite element analysis(유한요소해석), dynamometer(다이나모미터)
1. 서 론1)
자동차의 제동장치는 고속 회전중인 디스크에 마 찰재를 접촉시켜 마찰을 일으킴으로써 자동차의 운 동에너지를 열에너지로 변환하여 차량을 감속시킨 다. 이때, 마찰재는 높은 압력하에서 고속의 미끄럼 마찰을 일으킴으로써 극심한 조건에 노출되어 마모 가 시작된다.
신동주 등1)은 마찰재 성분 중 결합재로서 페놀수 지를 종류별로 변화시켜 마찰특성, 전이막 특성과 전이막이 마찰계수와 마찰 안정성에 미치는 영향을 연구하였다. 신민욱 등2)은 마찰재 성분 중 고체윤활 제를 종류별로 변화시켜 마찰 및 마모특성을 연구 하였다. Cho3)는 레진을 종류별로 변화시켜 고온에 서의 마찰안정성, 온도 조건별 마모표면과 마모량
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
을 분석하였다.
EL-Tayeb와 Liew4)는 건식과 습식 상태에서 패드 의 연속제동시험을 통한 재질의 미시적 구조 변화 와 마모율의 변화를 연구하였다. Muller와 Ostermeyer5)는 Pad의 마찰, 마모에 대한 메조스케일 (meso-scopic scale)관점에서 마모 프로세스를 모델 링하고 프로그램을 통하여 미세구조의 지형 및 거 칠기(Roughness)를 구하였다. 이호건 등6)은 패드 마 모가 진행되기 전후의 모델을 유한요소모델에 접목 시켜 복소 고유치 해석 및 실험을 통하여 스퀼 주파 수 분석을 실시하였다. 서경원7)은 기존 마모수명 데 이터를 확률분포와 몬테카를로 시뮬레이션을 사용 하여 통계적으로 분석하였다.
최근에는 유한요소해석(FEA) 기술의 발달로 유 한요소해석을 통한 마찰재 마모에 대한 연구가 이 루어지고 있다. 여태인8)은 퓨리에변환 조합 유한요
박진택․최낙삼
소해석(FFT-FEM)을 통하여 온도와 함께 패드 수명 을 예측하였다. Soderberg와 Andersson9)는 유한요소 기반 모델링(FE based Modeling)을 이용하여 브레이 크 패드 마찰해석 방법을 제시하였다. Tamari 등10) 은 마모시험결과를 반영하여 마찰재 인자의 비선형 (Non-linear)특성을 반영하여 유한요소 접촉압력 분 석을 통한 마찰재의 마모를 연구하였다. 이영민 등11) 은 철도차량 브레이크 디스크의 열응력해석을 위하 여 마찰면의 압력분포에 대하여 FE해석을 수행하 였다. Tamasho 등12)은 캘리퍼 기울어짐 등에 따른 마찰재의 부분적인 디스크 접촉에 의한 디스크마모 를 연구하였는데, 이는 디스크와 패드간의 드래그 증가로 저더(judder) 발생 및 연비저감의 원인이 된 다고 하였다.
이상과 같이, 기존 대부분의 연구들은 마찰시 마 모 표면의 구조와 재질의 변화에 따른 미시적 관점 에서 마모를 분석하거나 온도 등 조건 변화에 따른 마찰재의 전체 마모량 및 수명을 분석하였다. 그러 나, 마찰재의 부분적 편마모에 대한 연구는 제동시 노이즈 및 수명 측면에서 중요함에도 불구하고 상 대적으로 드문 실정이다. 또한 거시적 관점에서 마 찰재의 마모는 대부분의 논문에서 유한요소해석을 통한 접촉압력 분석을 통하여 마찰재의 마모를 예 측하고 있다.
Kim 등13)은 유한요소해석을 통한 피스톤(piston) 과 핑거(finger) 의 좌우 대칭형(symmetric)과 편심형 (offset) 캘리퍼(caliper)에 대한 마찰재 접촉압력 비 교를 통한 마찰재 편마모를 비교하였으며 편심형의 경우 좌우 대칭형대비 균등 압력분포를 얻을 수 있 었다. 김남경과 강종표14)는 핑거 안쪽면 윗부분이 가공된 캘리퍼에 대하여 유한요소해석을 수행하여 접촉압력을 예측하여 미가공시의 결과와 비교하였 으며 아우터패드(Outer Pad)의 고 압력부분을 패드 중심으로 이동시켜 편마모를 방지코자 하였다.
Steege 등15)은 차량 내구테스트 결과를 토대로 해석 을 수행하여 수명시간을 예측하였으며 편마모 고려 시 패드 수명영향을 분석하였으며 일정 테스트거리 이후에는 편마모량이 증가하지 않음을 언급하였다.
Abu Baker 등16)은 편피스톤과 패드 백플레이트간의 접촉 계면 압력분포를 백플레이트 형상 및 접촉조
건을 변경하며 유한요소해석을 수행하였으며 백플 레이트 압력분포의 비균등은 편마모와 수명감소의 원인이 됨을 언급하였다. Unno 등17)은 캘리퍼 브리 지부를 절삭한 강도저하품과 일반품을 비교시험하 여 강도저하에 따른 반경방향 편마모 각도를 비교 하였으며 고감속시의 변형으로 편마모 각도가 증가 함을 분석하였다. Antanaitis18)는 캘리퍼 종류별 다 이나모 테스트를 통하여 편마모 최대각도를 비교하 였으며 외팔보타입 캘리퍼 핑거와 하우징의 강성부 족은 반경방향 편마모를 유발하였다고 분석하였다.
Shi19)는 제동시 접촉압력 해석을 통하여 마모를 예 측하였으며 고압일 경우 저압에 비해 고압력분포가 반경방향 바깥쪽으로 이동함을 분석하였으며 마모 패턴은 노이즈 발생에 영향을 미침을 보고하였다.
또한, 디스크 브레이크에 대한 최적 강건설계 연구 들은 지속적으로 활발하게 진행되고 있어서 다구찌 기법 및 실험계획법에 의한 디스크 브레이크의 설계 인자 최적화에 대하여 다수의 연구20-25)가 보고되었다.
거시적 관점에서 마찰재의 편마모에 대한 연구는 대부분 캘리퍼 하우징(housing)이나 피스톤의 형상 및 위치의 변경에 따른 마찰재의 편마모를 분석하 였다. 그러나, 마찰재 패드 부품 자체의 형상에 따른 마찰재의 편마모를 분석하지는 않았다.
본 논문에서는 거시적 관점에서 Fig. 1과 같이 브 레이크 코너모듈(brake corner module) 모델에 대하 여 디스크 회전에 대하여 제동을 가하는 유한요소 해석을 수행하였으며 브레이크 패드의 마찰재 형상 을 변화하여 패드 접촉면에 발생하는 접촉 압력분
Fig. 1 The automotive disc brake system
디스크 브레이크의 편마모 저감을 위한 브레이크 패드의 마찰재 형상 강건설계
포를 구하고 마찰재의 부분적 편마모에 대한 영향 을 연구하였으며 다이나모미터(dynamometer)를 통 하여 실험적으로 증명하였다. 또한 편마모 저감을 위하여 패드의 형상에 대하여 다구찌 기법을 이용 하여 강건설계를 수행하였다.
2. 유한 요소 해석 모델 2.1 해석모델 및 경계조건
해석에 적용된 브레이크는 국내에서 양산중인 차 량에 사용되는 일반적인 단일 피스톤 타입(single piston type) 디스크 브레이크(disc brake)이며 유한요 소해석에 이용된 3D모델은 Fig. 2에 나타내었다. 편 마모에 대한 분석을 수행하기 위해 디스크와 패드 간의 압력을 해석하였다. 본 연구에서는 상용 소프 트웨어인 아바쿠스(Abaqus) v6.8을 이용하여 유한 요소해석을 수행하였다.26)
실제 회전하는 디스크(disc)에 패드(pad)가 접촉 하여 브레이크 작동시의 압력분포를 구하기 위하여 접촉압력해석을 수행하였다. 제동시 디스크 브레이 크 전체 구조에 의하여 패드에 부분적으로 다르게 전달되는 압력분포를 분석하기 위해 모델을 단순화 시키지 않고 캘리퍼 어샘블리 및 상대부품이 모두
Fig. 2 FE Model of each part
포함된 브레이크 코너 모듈을 유한요소모델로 구성 하였다. 실차상태와 동일하게 각 단품별 연결방법 및 구속조건을 설정하였으며 각각의 단품들은 모두 탄성체로 설정하였다. 디스크와 패드, 피스톤(piston) 과 패드 백플레이트(backplate), 캐리어(carrier)와 패 드백플레이트, 캐리어와 가이드로드(guide rod), 피 스톤과 하우징(housing)간에는 접촉조건으로 연결 하였다. 피스톤은 하우징 내에서 피스톤운동을 하 도록, 디스크는 회전방향으로 회전하도록 구속조건 을 설정하였다. 너클(knuckle)은 모든 자유도에 대하 여 완전구속을 하였으며 캐리어는 너클에 고정되었다.
2.2 해석방법
캘리퍼 하우징 보어 내에 실제 제동시 유압을 가 하는 것과 같이 압력하중을 가한다. 이 압력으로 전 진된 피스톤은 이너 패드(inner pad)에 접촉하여 압 력을 전달하며, 이너 패드는 전진하여 디스크에 접 촉하여 디스크에 압력을 가한다. 마찬가지로 하우 징의 핑거(finger)부분은 반력으로 피스톤과 반대방 향으로 전진하여 아우터 패드(outer pad)에 접촉하 여 압력을 가하며 이 압력은 디스크로 전달된다. 이 상과 같이 제동시의 디스크와 패드간에 압력이 가 해지면 디스크 회전에 의한 마찰이 발생하도록 디 스크와 패드간 접촉조건은 마찰(friction)로 설정하 였고 하중조건은 분포면 하중으로 설정하여 접촉 압력 해석을 수행하였다. 실제 제동시 디스크의 회 전에 의한 영향을 분석하기 위해 디스크와 패드의 접촉 후 디스크 중심축을 기준으로 원주방향으로 디스크를 10° 회전하도록 모션(motion)조건을 설정 하였으며 이를 통하여 패드면에 발생하는 압력분포 를 구할 수 있었다.
3. 강건 설계 모델
본 연구에서는 앞서 구성한 유한요소모델 기반 접촉압력해석 모델을 바탕으로 디스크 브레이크 시 스템의 제어인자, 노이즈인자 및 출력을 정의하여 실험계획법에 따른 접촉압력해석을 수행하였다. 이 를 통하여 편마모 저감을 위한 강건설계를 수행할 수 있었다. 시스템에 관계되는 제어인자, 노이즈인 자는 다음 Table 1과 같이 선정하였다.
Jin-tack Park․Nak-sam Choi
Table 1 Factor selection for the robust design Classifications Description
Control factor Pad shape
Noise factor Line pressure, Pad class. (Inner or Outer) Output Pressure distribution
3.1 제어인자
접촉 압력 해석 모델에서 편마모 저감을 위하여 마찰재 형상의 설계변수에 해당하는 제어인자로 총 7개를 선정하였다. 패드의 형상에 대한 설계변수를 Fig. 3과 같이 선정하였고 실험계획법20-25)에 따라 제 어인자는 L18(21 × 36) 직교배열표를 사용하여 수준 별 조합을 선정하였다. 직교배열표는 Minitab 상용 소프트웨어27,28)를 이용하여 선정하였다. 패드의 가 로방향 4지점의 길이(A, B, C, D)와 패드의 세로방 향 3지점의 높이(E, F, G)를 인자로 선정하였다. 이 러한 제어인자에 따른 수준별 설계값은 Table 2와 같으며, 직교배열표에 따른 수준별 조합은 Table 3 과 같다.
제어인자 중에서 상대적으로 길이가 짧은 A와 B 는 2수준으로 설정하고, 상대적으로 길이가 긴 마찰 재 높이 E, F, G와 마찰재 가로 폭 C, D는 3수준으로 설정하였다. 각 제어인자의 1수준 값은 형상 최적화 를 수행하기 전인 기존 모델의 치수이다. 패드의 형 상에 의한 영향만을 보기 위해 2, 3수준 값은 기존 모델 치수보다 작게 설정하였다. 크게 설정할 경우 커진 패드를 장착하기 위해서 하우징, 캐리어, 디스 크, 너클 등을 재설계하여야 하며 이로 인해 패드 형 상 이외의 인자가 결과에 영향을 줄 수 있다.
Fig. 3 Control factors for pad shape
Table 2 Control factors and levels (unit:mm, A~G are defined by Fig. 4)
Control factor
Level
1 2 3
A 27 13.5
B 27 13.5 (13.5)
C 48 27 13.5
D 48 27 13.5
E 53.6 36.1 27.1
F 54.6 37.1 28.1
G 53.6 36.1 27.1
Table 3 Orthogonal array for control factors (A~G are defined by Fig. 4)
Factor
No. A B C D E F G
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
3.2 노이즈인자
디스크 브레이크 작동시 저압구간에서는 하우징 의 핑거 변형에 따른 핑거의 패드 백플레이트 면에 대한 안착이 완전하지 않아 접촉 위치가 달라짐에 따른 아우터 패드의 압력분포가 달라진다. 라인압 력 1MPa 이하의 저압구간에서는 핑거의 끝단 위치 에 압력이 집중되며 2MPa이상의 고압으로 가면 패 드 윗단에 압력이 집중된다. 그러므로, 차량의 제동 시에 가해지는 라인압력이 저압일 경우와 고압일 경우는 디스크와 패드 사이의 압력분포가 달라지며 이는 패드의 마모에 직접적인 영향을 미친다. 본 연
Robust Design of the Disc Brake Pad Shape for Reduction of Uneven Wear
구에서는 라인압력이 변화하더라도 패드의 편마모 가 저감될 수 있도록 강건 설계하고자 라인압력을 노이즈인자로 선정하고 저압(1MPa)/고압(2MPa)을 수준별 설계값으로 선정하였다.
또한, 이너패드(inner pad)와 아우터패드(outer pad) 는 압력이 전달되는 구조가 다르지만 마찰재 형상 은 대칭형이어야 하므로 이에 따른 압력분포의 차 이가 나타나며 편마모에 영향을 미친다. 그러므로, 패드종류를 노이즈인자로 선정하고 이너패드/아우 터패드를 수준별 설계값으로 선정하였다. 각 노이 즈인자에 따른 수준별 설계값은 Table 4와 같다.
Table 4 Noise factors definitions Noise
factor
Level
1 2
Line pressure 1MPa 2MPa
Pad class. Inner pad Outer pad
3.3 출력반응
앞서 설명한 7개의 형상설계 제어인자의 직교표 (18조합), 2개의 노이즈인자(4조합)에 따라 총 72조 합으로 디스크 브레이크 시스템의 접촉압력 해석을 수행하였다. 접촉압력 해석을 수행하면 이너패드와 아우터패드 각각에 대한 패드 면의 압력분포를 구 할 수 있으며 제어인자 변경에 따른 전체 면에 대한 분포압력을 균등화하여 편마모를 최소화시키는 강 건 설계를 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 이너 패드와 아우터패드에 대하여 각 8위치점에 대한 접 촉압력을 구하여 이 값들에 대해 분석하였다.
패드 마모 평가시 마모량을 일반적으로 측정하는 8개의 위치를 Fig. 4와 같이 선정하였으며 패드 면에
Fig. 4 Wear measuring points for each inner and outer pad
대한 각 측정점의 위치와 상관없이 마모 또는 압력 분포가 균등한 형상을 설계하여 편마모를 최소화하 기 위해 8개 위치점의 접촉압력값들과 패드별 압력 값들에 대한 표준편차를 출력반응으로 각각 선정하 여 구하고 각 표준편차를 최소화 하도록 강건설계 를 수행하였다.
4. 강건 설계 결과 분석 4.1 최적 모델 선정
다구찌법에서는 최적의 제어인자를 선정하기 위 하여 S/N비를 분석한다.20-25) S/N비는 노이즈인자에 대한 신호인자의 정도를 나타내며, S/N비가 클수록 노이즈인자에 둔감한 상태가 되어 이를 통하여 강 건설계가 가능하게 된다. 출력 특성치 중 8개 각 위 치점별 압력은 일정한 목표값 에 가까울수록 좋은 특성이므로 망목 정특성으로 검토하였으며 S/N비 는 식 (1)을 이용하여 계산되었다. 패드별 압력값들 의 표준편차는 작으면 작을수록 좋은 특성이므로 망소 정특성으로 검토하였으며 S/N비는 식 (2)를 이 용하여 계산하였다. 본 연구에서는 상용 통계적 해 석 소프트웨어인 Minitab을 이용하여 데이터를 분 석하여 S/N비를 구하였다.
log (1) 여기서 y 는 데이터의 평균, sy는 분산이다.
log
(2)여기서 n 은 데이터의 개수, yi는 각각의 i번째 출 력반응 결과 데이터이다.
본 연구에서는 제어인자 직교배열표 및 노이즈인 자 각각의 경우에 대하여 접촉압력해석을 수행하였 다. Fig. 5와 Fig. 6의 결과에서 알 수 있듯이 각각의 경우에 적용한 제어인자의 수준값과 S/N비를 구할 수 있으며, 이를 통하여 최적 모델을 얻을 수 있다.
본 연구에서 최종 선정한 최적 모델은 각각의 제어 인자에 대하여 S/N비를 비교하여, 최대가 되는 수준 을 최적 제어인자 수준으로 결정하였다. 제어인자 중 S/N비가 제일 높은 인자는 패드의 리딩쪽 길이를 나타내는 제어인자 C이었다. 제어인자 E와 F는 S/N
박진택․최낙삼
Fig. 5 S/N ratio results for each pressure, S/N(P)
Fig. 6 S/N ratio results for each standard deviation, S/N(D)
비에 영향이 미미하였으므로 평균값을 조정하는 인 자로서 사용되었다. S/N비가 최대가 되는 인자의 수 준은 B는 2수준, C는 1수준, D는 2수준, G는 2수준 이었으며 E와 F는 평균값을 낮추기 위하여 각각 1 수준을 선택하였다. A는 Fig. 5에서 알 수 있듯이 각 위치점별 압력값에 대한 S/N(P) 최대가 되는 수준은 2수준값이었으나 Fig. 6에서는 패드별 산포값에 대 한 S/N(D) 최대가 되는 수준은 1수준값이었다. 그러 므로 A는 E, F와 마찬가지로 평균값을 조정하는 인 자로서 사용하여 평균값을 낮출수 있는 1수준을 선 택하였다.
4.2 접촉압력 해석 결과 분석
기존 모델에 적용된 제어인자의 수준값과 앞에서 선정된 최적 모델에서의 제어인자 수준값에 대한 S/N비를 비교하기 위하여 출력반응인 접촉압력 데 이터를 Minitab을 이용하여 분석하였다.
Table 5에서는 기존모델과 최적모델의 수준값과 S/N비를 비교하여 나타내었으며, 기존 모델에 비하 여 최적 모델은 S/N비 3.33dB의 이득을 얻을 수 있
Table 5 Benefit analysis
Classifications Base model
Optimum model
Control factors
A 1 1
B 1 2
C 1 1
D 1 2
E 1 1
F 1 1
G 1 2
S/Ｎ ratio Results 1.03 4.36
(dB) Benefit - 3.33
Standard deviation
10bar, inner pad 0.242 0.176
Benefit - 0.066
10bar, outer pad 0.223 0.156
Benefit - 0.067
20bar, inner pad 0.412 0.3
Benefit - 0.112
20bar, outer pad 0.417 0.353
Benefit - 0.064
Fig. 7 Pad contact pressure of base model
Fig. 8 Pad contact pressure of optimum model
디스크 브레이크의 편마모 저감을 위한 브레이크 패드의 마찰재 형상 강건설계
었다. 또한, 각 point 압력값들의 표준편차도 큰 감소 가 예상된다. 이를 통하여 편마모 저감의 성능 향상 을 이룰 수 있을 것으로 예측된다.
Fig. 7과 Fig. 8은 기존 모델과 최적 모델에 대한 접촉압력 해석 결과를 그래프로 나타낸 결과이다.
5. 실험 검증 5.1 시편 제작
마모 시험은 상용 마찰재를 이용하였으며 상용마 찰재는 크게 비석면 유기질 마찰재(NAO, Non- Asbestos)를 선정하였다.
기존 형상과 최적 형상의 마모 특성을 비교 평가 하기 위하여 4절의 강건설계로 얻은 형상의 시편을 제작하였다. 시험에 사용된 기존 형상 패드 시편과 최적 형상 패드 시편은 각각 Fig. 9와 Fig. 10과 같다.
각 Fig. 9와 Fig. 10에서 왼쪽 그림은 아우터 패드 시 편이고오른쪽 그림은 이너패드 시편이다.
Fig. 9 Test sample of the pad base model
Fig. 10 Test sample of the pad optimum model
5.2 다이나모 미터를 이용한 마모 시험 본 시험은 브레이크 다이나모 시험장비를 사용하 여 마모 평가를 실시하였다.
시험 구성은 시험전 두께측정, 프리버니쉬(pre- burnish), 완전정지(Full Stop)시험, 불완전정지(Snub Stop)시험, 시험 후 두께측정의 순서로 구성하였다.
마모시험을 수행한 다이나모미터 장비 내부에 시 험샘플을 장착한 사진은 Fig. 11과 같다.
본 논문에서 수행된 시험모드는 다음과 같이 완 전정지시험과 불완전정지시험으로 구성된다.8)
Fig. 11 Installed test sample in a dynamometer
본 시험에 들어가기 전에 디스크와 마찰재 사이 의 마찰면을 고르게 만드는 과정인 프리버니쉬 수 행 이후 완전정지시험을 수행하였다. 완전정지시험 (Full stop test)은 50km/h에서 0km/h(정지)까지 1MPa 또는 2MPa상당 제동토크를 4000회 실시하였다.
완전정지시험 이후 불완전정지시험을 수행하였 다. 불완전정지시험(Snub stop test)은 50km/h에서 10km/h까지 1MPa 또는2MPa상당 제동토크를 1600 회 실시하였다.
시험 전후에 8 위치점의 두께 측정을 통하여 마모 량을 측정하였다. 두께측정기로는 측정정도 ±4㎛인 Mitutoyo사의 마이크로미터를 사용하였다.
5.3 시험 결과 및 고찰
Fig. 12(a), (b)는 각각 기존 모델 샘플, 최적 모델 샘플에 대하여 1MPa 압력으로 제어하여 마모시험 한 결과이며, Fig. 12(c)는 최적 모델 시편의 결과에 대하여 비례 보정한 결과이다. 최적 모델 시편의 경 우 패드와 디스크가 접촉하는 면적이 기존모델 시 편보다 27% 만큼 작으므로 동일 면적일 경우의 마 모량을 추가적으로 예측 비교하였다. 실제 접촉 압 력이 27% 만큼 큰 것을 감안하여 패드 마모량을 비 례 보정하였다. 마모 평가 후 앞에서 언급한 8 위치 점에 대한 마모량을 평가하여 이들의 최대값과 최 소값의 차이를 편마모량으로 정의하였다. 기존 모 델과 비교하여 최적 모델은 편마모량이 훨씬 작아 짐을 알 수 있다.
Jin-tack Park․Nak-sam Choi
기존사양은 저압조건(1MPa)에서 편마모량이 이 너패드 0.682mm, 아우터패드 0.421mm 수준임을 Fig. 12(a)를 통해 알 수 있으며 이너패드의 편마모 량이 아우터패드보다 큼을 알 수 있다. 최적사양 적 용시 저압조건(1MPa)에서 편마모량이 이너패드 0.49mm, 아우터패드 0.362mm수준임을 Fig. 12(b)를 통해 알 수 있으며 이를 통해 기존사양 대비 최적사 양 적용시 편마모량이 14~28%만큼 감소됨을 Fig.
12(a)와 비교하여 알 수 있다. 접촉면적을 동일하게 비례보정할 경우 편마모량은 이너패드 0.358mm, 아 우터패드 0.265mm수준임을 Fig. 12(c)를 통해 알 수 있으며 기존사양 대비 편마모량이 37~48% 감소될 것을 예측할 수 있다.
Fig. 13(a), (b)는 각각 기존 모델 샘플, 최적 모델 샘플에 대하여 2MPa 압력으로 상대적으로 고압조 건에서 제어하여 마모시험한 결과이며, Fig. 13(c)는 최적 모델 시편의 결과에 대하여 1MPa 압력조건 시 험에서와 마찬가지로 비례 보정한 결과이다.
기존사양은 고압조건(2MPa)에서 편마모량이 이 너패드 0.96mm, 아우터패드 0.702mm 수준임을 Fig.
13(a)를 통해 알 수 있으며 이는 고압조건에서는 저 압조건 대비 편마모량이 더 증가됨을 Fig. 12(a)와 비교하여 알 수 있다. 또한, 고압조건에서도 이너패 드의 편마모량이 아우터패드보다 더 큼을 알 수 있 었다. 최적사양은 고압조건(2MPa)에서 편마모량이 이너패드 0.317mm, 아우터패드 0.207mm수준임을 Fig. 13(b)를 통해 알 수 있으며 이를 통해 기존사양 대비 최적사양 적용시 고압조건에서도 편마모량이 67~71%만큼 감소됨을 알 수 있다. 특히 고압조건에 서 최적사양 적용시 편마모량 감소효과가 저압조건 대비 큼을 알 수 있다. 일반적으로 2MPa이상의 고압 조건에서 차량 제동이 이루어지고 편마모가 주로 발생함을 감안할 때 편마모에 대한 고압조건에서의 뚜렷한 개선효과는 최적사양 적용시 편마모량 감소 에 크게 기여할 것임을 알 수 있다. 접촉면적을 동일 하게 비례 보정할 경우 편마모량은 이너패드 0.232mm, 아우터패드 0.151mm수준임을 Fig. 13(c) 를 통해 알 수 있으며 기존사양 대비 편마모량이 76~78% 감소될 것을 예측할 수 있다. 이상의 결과는 Table 6에 정리하였다.
Fig. 12(a) Uneven wear of base model by 10bar wear test
Fig. 12(b) Uneven wear of optimum model by 10bar wear test
Fig. 12(c) Uneven wear of normalized optimum model by 10bar wear test
Robust Design of the Disc Brake Pad Shape for Reduction of Uneven Wear
Fig. 13(a) Uneven wear of base model by 20bar wear test
Fig. 13(b) Uneven wear of optimum model by 20bar wear test
Fig. 13(c) Uneven wear of normalized optimum model by 20bar wear test
Table 6 Uneven wear results
Classifications Uneven wear (mm) Inner pad Outer pad
Low pressure (at 1MPa)
Base model 0.682 0.421
Optimum model 0.49 0.362
Normalized
optimum 0.358 0.265
High pressure (at 2MPa)
Base model 0.96 0.702
Optimum model 0.317 0.207 Normalized
optimum 0.232 0.151
6. 결 론
본 연구에서는 브레이크 제동시 마찰재의 편마모 를 저감시키는 방법론과 효과를 기술하였다. 본 연 구결과로부터 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
1) 브레이크 제동시 디스크 회전영향을 고려한 유 한요소해석을 통하여 마찰재 접촉면에 발생하 는 접촉압력분포를 분석하였으며 이를 통하여 편마모 분포를 예측하는 것이 가능하였다.
2) 편마모 저감을 위하여 패드의 형상에 대하여 다 구찌 기법을 이용하여 강건설계를 수행하여 편 마모 저감 최적형상 도출이 가능하였다.
3) 다이나모미터를 이용하여 마모시험을 수행하여 기본모델과 최적모델 샘플을 비교한 결과 편마 모량에 뚜렷한 저감 효과를 확인하였다.
본 논문에서는 차량의 제동시에 편마모를 저감시 킬 수 있는 방법론을 제시하였으며, 편마모 저감을 위한 패드 형상의 강건설계 최적모델을 제시하였고 실험을 통하여 검증하였다. 향후 디스크 브레이크 설계시에 본 논문에서의 결과를 반영하면 편마모량 을 제품 제작 이전 설계단계에서 사전에 감소시키 는 것이 가능할 것이다.
References
1) D. J. Sin, J. H. Jong and J. H. Park, “Friction Characteristics of Friction Materials with Dif- ferent Phenolic Resin Ingredients,” Spring Conference Proceedings, KSAE, 05-S0158, pp.987-996, 2005.
2) M. W. Shin, H. Jang, Y. C. Kim and D. Y.
Chung, “Tribological Properties of Semi-metallic
박진택․최낙삼
Brake Friction Materials Containing Different Solid Lubricants: Graphite, WS2, and MoS2,”
Journal of the KSTLE, Vol.25, No.1, pp.61-65, 2009.
3) K. H. Cho, Multiscale Perspectives in Frictional Instability of Brake Friction Materials, Ph.D.
Dissertation, Korea University, Seoul, 2009.
4) N. S. M. EL-Tayeb and K. W. Liew, “On the Dry and Wet Sliding Performance of Poten- tially New Frictional Brake Pad Materials for Automotive Industry,” Wear, Vol.266, Issues 1-2, pp.275-287, 2009.
5) M. Muller and G. P. Ostermeyer, “A Cellular Automaton Model to Describe the Three- dimensional Friction and Wear Mechanism of Brake Systems,” Wear, Vol.263, Issues 7-12, pp.1175-1188, 2007.
6) H. Lee, M. Son, Y. Seo, K. Boo and H. Kim,
“The Study on the Influence of Pad Wear on Brake Squeal Analysis,” Transactions of KSME(A), Vol.32, No.11, pp.930-936, 2008.
7) K. W. Suh, “Field Correlation for the Wear Life of Brake Pad,” Spring Conference Pro- ceedings, KSAE, pp.1002-1006, 2002.
8) T. Yeo “A Study on Wear Life Prediction of Disk Brake Pads,” Transactions of KSAE, Vol.10, No.4, pp.199-205, 2002.
9) A. Soderberg and S. Andersson, “Simulation of Wear and Contact Pressure Distribution at the Pad-to-rotor Interface in a Disc Brake Using General Purpose Finite Element Analysis Software,” Wear, WEA-99310, 2009.
10) J. Tamari, K. Doi and T. Tamasho, “Prediction of Contact Pressure of Disc Brake Pad,”
Technical Notes/JSAE Review, Vol.21, Issue 1, pp.136-138, 2000.
11) Y. M. Lee, J. S. Park, C. S. Seok, C. W. Lee and J. H. Kim, “Thermal Stress Analysis for a Brake Disk Considering Pressure Distribution at a Frictional Surface,” Fall Conference Pro- ceedings, KSPE, pp.842-846, 2005.
12) T. Tamasho, K. Doi, T. Hamabe, N. Koshimizu and S. Suzuki, “Technique for Reducing Brake Drag Torque in the Non-braking Mode,” JSAE Review, Vol.21, pp.67-72, 2000.
13) S. Kim, S. Cho and T. Yeo, “A Study on the Effects of Piston and Finger Offset on the Pressure Distribution at Disk Brake Pad Interface,” SAE 2005-01-0794, 2005.
14) N.-K. Kim and J.-P. Kang, “FEM Analysis of Caliper Housing Cut Inside Upper Face for Unbalance Wear Prevention of Disk Brake Pad,”
Journal of the Korean Society of Manufactu- ring Technology, Vol.1, No.1, pp.89-100, 2002.
15) R. Steege, G. Bauer and J. Lange, “Life Time Prediction for Brake Linings,” SAE 2009-01- 3027, 2009.
16) A. R. A. Baker, H. Ouyang and Q. Cao, “Inter- face Pressure Distributions through Structural Modifications,” SAE 2003-01-3332, 2003.
17) M. Unno, M. Inoue and Y. Hara, “Decrease of Friction Coefficient of Disc Pads during Low G Braking after Continuous High G Braking,”
SAE 2005-01-3938, 2005.
18) D. Antanaitis, “The Effect of Racetrack/High Energy Driving on Brake Caliper Perform- ance,” SAE 2006-01-0472, 2006.
19) T. S. Shi, “Brake Noise Analysis with Lining Wear,” SAE 2008-01-0823, 2008.
20) J. Kim, J. Park and J. Lee, “Robust Optimi- zation of Caliper Brake Disc Considering Tolerance,” Transactions of KSME(A), Vol.27, No.6, pp.905- 913, 2003.
21) S.-J. Kwon, M.-S. Kim, B.-H. Lee, D.-W. Lee, C.-Y. Bae and C.-J. Kim, “The DOE Based Robust Design to Reduce the Brake Squeal Noise,” Transactions of KSAE, Vol.15, No.2, pp.126-134, 2007.
22) S.-J. Kwon, M.-S. Kim, C.-J. Kim, B.-C. Na, H.-C. Kim, B.-H. Lee and T.-K. Sohn, “The Robust Optimal Design to Reduce the Brake Squeal Noise,” Fall Conference Proceedings, KSAE, 06-F0274, pp.1754-1759, 2006.
23) J. H. Kim and S. T. Kim, “A Study on Shape Optimization for Seal Groove of Disc Caliper Using Finite Element Method and Taguchi’s Method,” Transactions of the KSMTE, Vol.15, No.1, pp.88-94, 2006.
24) M. Han and C. Park, “Optimization for Reduc- tion of Squeal Noise in Caliper Brake System
디스크 브레이크의 편마모 저감을 위한 브레이크 패드의 마찰재 형상 강건설계
Using Taguchi Method,” Fall Conference Pro- ceedings, KSAE, pp.480-485, 2000.
25) Y. Moon and M. Jang, “A Study on the Opti- mization for Brake Disc Design by Taguchi Method,” Fall Conference Proceedings, KSAE, 08-A0210, 2008.
26) Dassault Systemes, Abaqus v6.8 User's Manual, Dassault Systemes Simulia Corp., 2008.
27) Minitab, Minitab Manual, Minitab Inc., 2007.
28) Eretec Minitab, Minitab Working-level Comple- tion, Eretec Inc., 2001.
