자동차 제동장치 경량화

자동차 제동장치 경량화

최성배, 강현무, 정선경

2015. 12.

1. 브레이크 패드의 연구개발 동향 ···54 2. 브레이크 캘리퍼 경량화 ···57 3. 브레이크 부스터 경량화 ···60 제 4 장 자동차 브레이크 시스템 개발 동향 ···62 제1절 자동차 브레이크 시스템 기술 발전 동향 ···62 제2절 자동차 브레이크 시스템의 종류 ···65

1. ABS(Anti Lock Brake System) ···65

2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program) ···70

3. EHB (Electro-Hydraulic Brake) ···73

4. 도요타 프리우스 ···145

5. 혼다 인사이트 II ···147

6. Tesla Model S ···148

제 8 장 결론 및 시사점 ···150

<그림 1-1> 각 국의 자동차 연비 규제 안 ···1 <그림 2-1> 자동차의 제동 시스템 ···5 <그림 2-2> 브레이크 작동 원리 ···7 <그림 2-3> 유압식 브레이크 시스템 ···8 <그림 2-4> 디스크 브레이크 및 드럼 브레이크 ···9 <그림 2-5> 에어 브레이크 개념도 ···10 <그림 2-6> 디스크 브레이크 작동 원리 ···11 <그림 2-7> 드럼 브레이크 작동 원리 ···11 <그림 2-8> 브레이크 부품 ···13 <그림 2-9> 마찰면의 모식도 ···14 <그림 2-10> 브레이크패드의 Secondary Plateaus 단면도 ···14

<그림 2-11> Primary와 Secondary 접촉면의 SEM 사진 ···15

<그림 2-22> Anti Noise Shim ···21

<그림 2-23> 브레이크 플레이트 ···22

<그림 2-24> Cover Shim; MD FRIT ···22

<그림 2-25> 패드 스프링 ···23

<그림 2-26> Pad Wear indicator; MD FRT ···23

<그림 2-27> Vacuum Pump Ass’y ···24

<그림 3-10> 각기 다른 조성을 갖는 브레이크 패드의 마이크로 구조 42

<그림 3-11> 브레이크 패드(마찰재)의 종류 ···43

<그림 3-12> 강화 섬유 종류 ···48

<그림 3-13> Enlarged isometric view of a used brake pad ···49

<그림 3-14> 브레이크 소재별 특성 분석표 ···54 <그림 3-15> 속도변화에 따른 소음레벨 ···55 <그림 3-16> 소재별 특성에 따른 브래이크 패드의 방열 특성 분석 ····56 <그림 3-17> 티탄산칼륨의 형태 ···57 <그림 3-18> 제동 시스템의 캘리퍼 ···58 <그림 3-19> 주철 캘리퍼 및 루미늄 캘리퍼 ···58 <그림 3-20> 하이드로포밍 공정(Hydroforming Process) ···59 <그림 3-21> 브레이크 부스터 경량화 ···60 <그림 4-1> 브레이크 시스템의 기술 발전 동향 ···62 <그림 4-2> Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치 ···64 <그림 4-3> ABS 효과 ···66 <그림 4-4> ABS 시스템 구성도 ···67 <그림 4-5> EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하)) ···68 <그림 4-6> VDC 효과 ···70 <그림 4-7> ESP시스템 작동 원리 ···71

<그림 4-8> Control logic of the EHB ···74

<그림 4-9> ESP와 EHB 시스템 비교 ···74

<그림 4-12> 제동 시스템 부품-현대모비스 ···78

<그림 4-13> Brake-by-Wire 시스템 부품-현대모비스 ···78

<그림 4-14> EHB의 구성부품(Bosch) ···79

<그림 4-15> MK C1(continental) ···80

<그림 4-16> Full electric drive-by-wire system (continental) ···81

<그림 4-18> Siemens VDO EWB ···82

<그림 4-19> 전동 켈리퍼 및 전자 웻지 캘리퍼 원리 ···82

<그림 4-20> 회생제동 시스템 개략도 ···84

<그림 4-21> 회생제동 시스템 작동 과정 ···85

<그림 4-22> 회생제동 시 에너지 흐름도 ···85

<그림 4-23> 하이브리드 자동차의 연비개선 효과 ···86

<그림 5-3> 실 제동거리 및 제동시간 ···105 <그림 5-4> 노면과 타이어의 관계 ···106 <그림 5-5> Pedal 구성 계략도 ···107 <그림 5-6> Caliper가 장착된 Wheel의 자유물체도 ···109 <그림 5-7> 브레이크 디스크의 열변형 최소화를 위한 단면 강건 설계 사례·111 <그림 5-8> Judder 진동/소음 저감을 위한 디스크 형상 최적화 프로세스·112 <그림 5-9> 최적화 기법을 통한 브레이크 디스크 Judder 진동 저감 사례·113 <그림 5-10> Valve cavity 최소화를 위한 Solenoid Valve의 형상 최적화 사례·113 <그림 5-11> 브레이크 디스크의 열간 저더 해석 ···114

<그림 5-12> 통풍형 브레이크 디스크의 베인 형상에 따른 방열 특성 해석 사례·115 <그림 5-13> 브레이크 디스크의 방열 특성에 따른 제동 거리 변화 예측 사례·115 <그림 5-14> Squeal Noise Analysis Procedure ···116

<표 2-1> 자동차 제동장치의 종류 ···6 <표 3-1> 브레이크 디스크 소재 ···34 <표 3-2> 자동차용 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발업체 ···40 <표 3-3> 브레이크 패드 소재 특성 ···44 <표 3-4> 바인더 소재의 장단점 ···45 <표 3-5> 강화섬유 종류 및 특성 ···49 <표 3-6> 충전제에 따른 용도 분류 ···52 <표 3-7> 마찰 첨가제에 따른 용도 분류 ···53 <표 3-8> 자동차 부품 경량화 사례와 경량화율 ···61 <표 4-1>하이브리드 자동차의 회생제동 시스템 ···96 <표 5-1> 브레이크 시스템 설계 고려 요소 ···100 <표 5-2> 제동 장치의 종류 ···101 <표 5-3> Weight Distribution ···108

<표 5-4> Idea Brake Force ···108

인 제동력으로 변환된다.

<그림 2-3> 유압식 브레이크 시스템

후륜에 드럼 브레이크를 장착하고 있으며, 이는 디스크 브레이크가 드 럼 브레이크에 비하여 효력이 안정되어 있고 핸들 쏠림 방지나 안정된 제동 효력 확보의 측면에서 유리하기 때문에 전륜에 많이 장착하고 있 다.

<그림 2-8> 브레이크 부품

3. 브레이크 패드의 마찰 메카니즘

[출처] Tribological Investigation on Automotive Disc Brakes 2013 <그림 2-11> Primary와 Secondary 접촉면의 SEM 사진

차(Front engine Front drive)의 리어 브레이크 등에 사용

<그림 2-19> 드럼

- 레버 파킹 브레이크(Lever Ass’y-Parking Brake) : 차량 BODY PANNEL에 장착되며, 케이블과 연결되어 레버의 작동으로 디스크/ 드럼 브레이크에 힘을 작용하여 차량을 제동하는 역할

<그림 2-20> 레버 파킹 브레이크

<그림 2-21> 웻지 드럼 브레이크

- 4P Cover Assembly : 자동차 브레이크 페달 밑에 부착되어 제동 시 브레이크를 밟을 경우, 운전자 의 밟는 힘이 브레이크 페달을 거쳐 흰색의 ROD부분을 누르면 전기회로를 개폐

- Anti Noise Shim : 자동차 브레이크 패드 뒷면에 장착하여 브레이크 패드와 디스크가 마찰시 발생하는 소음을 최소화하는데 사용

<그림 2-22> Anti Noise Shim

<그림 2-23> 브레이크 플레이트

- Cover Shim; MD FRIT : 브레이크 noise shim과 캘리버 피스톤 사이 에 장착되어 소음완화 및 피스톤 압착 시 브레이크 패드의 손상을 방지하는 기능을 수행

<그림 2-24> Cover Shim; MD FRIT

<그림 2-25> 패드 스프링

- Pad Wear Indicator; MD FRT : 브레이크 패드 back plate에 장착되 어 마찰재료의 마모 한계시(2mm) disk와 접촉하여 경고음(마찰음)을 발생시키는 것

<그림 2-26> Pad Wear indicator; MD FRT

<그림 2-27> Vacuum Pump Ass’y

<그림 2-29> 가이드 로드 - 아웃풋 로드(Output Rod) : 철강제의 직경 약 35mm, 높이 약 17mm 원형의 마개 형태 부분과 중앙부에 홀가공된 직경 약 9mm, 길이 약 68mm 크기의 봉을 용접한 것으로 자동차 브레이크 부스터에 장 착되어 마스터 실린더에 부스터에서 발생된 압력을 전 달하는 기능 을 수행하는 부품 <그림 2-30> 아웃풋 로드

의 1차 압력에 의해 슬리브의 오일이 차고 모터의 힘에 의해 pump piston이 슬리브의 오일에 압력을 가하면 볼 밸브가 개방되어 ABS Block에 유압을 공급하는 구조임

<그림 2-31> Pump ABS

- Vacuum Booster : 엔진이 시동되면 Brake booster내의 공기를 흡입 및 배출하면서 Diaphragm 을 기준으로 Brake booster내를 진공이 형성되는 부분과 대기압이 남아 있는 부분으로 나누며, 운전자가 Brake pedal을 밟으면 Brake booster내에 대 기압 부분에 존재하는 공기를 진공부분으로 이동하게 하여 비교적 작은 힘으로 Diaphragm을 진공부분으로 이동시킴으로써 Brake를 제동하는 기능

- 브레이크 호스 : 자동차의 유압식 브레이크시스템에 서 브레이크 파 이프와 함께 브레이크 라 인을 구성하여 마스터 실린더에서 발생한 액압을 캘리퍼로 전달하는 기능

<그림 2-33> 브레이크 호스

6. 브레이크 시스템

등) 입자를 섞어 알루미늄의 단점인 내마모성을 향상시키고 내열성 또 한 향상 시키는 방향의 연구가 진행중이다.

<그림 3-5> 알루미늄 세라믹 복합소재 드럼 브레이크

<그림 3-6> 금속/세라믹 복합재료의 발생열 및 마찰계수 값

<그림 3-7> 금속/세라믹 복합재 적용 발열량 측정사진

다. 탄소-세라믹 브레이크 디스크 개발

국가 업체 적용차량 적용 시점 독일 SGL Brake GmBH Porsche 911 Model 2000년 미국-이태리 Daimler-Chrysler AG

Brembo

Benz CL 55 AMG

SLR McLaren 2004년 미국 Stirfire Systems SUV and Light Truck

(Chevrolet Tahoe SUV) 2003년 영국 Surface Transform Racing Car (F1, Indy Car) 2002년

때문에 최근 브레이크 패드의 소재로 관심을 받고 있는 친환경 소재 (사이잘, 아마, 대마, 주트, 코코넛 쉘, 바나나 껍질 등의 섬유 강화 복 합재료)의 경우 높은 기계적 강도와 균일한 마찰력, 내마모성, 경량, 낮 은 가격 등의 장점을 지니나 혼합 불균일성, 환경에 의한 영향 등의 단 점을 지니고 있다. <표 3-3> 브레이크 패드 소재 특성 구분 SEMI-MET AL材 LOW

STEEL材 NAO材 세라믹 係 (CERAMIC係)

제동력 △ ◎ ◎ (고온/고속 △) ◎ (고온/고속 ◎) 마모 ○ ◎ ◎(고온/고속 △) ◎ (고온/고속 ◎) 소음 ○ ○ ◎ ◎ 오염 △ ○ ◎ ◎ 특징 녹발생 심함 녹발생 中 고온/고속 제동력 하락 부드러운 CERAMIC FIBER係 재질 사용 저온 제동력 부족 저온 제동력 中 고온/고속 급격한 마모증가 CERAMIC FIBER의 특징 (1,000~1,500℃ 고온에서 사용가능) DISC 대면 공격성大 DISC 대면공격 성中 고온/고속 FADE 현상 발생 고온, 고속에서 탁월한 제 동력과 내마모성, 내FADE 성 발휘 DISC,WHEE L 오염大 DISC, WHEEL 오염 中 내마모성이 좋아 DISC 대면 공격성과 WHEEL 오염을 개 선 3. 브레이크 패드의 주요 성분 - 바인더

◼ Phenolic Resin 페놀계 수지는 브레이크 바인딩 소재로 가장 일반적으로 사용되는 소재이며, 페놀과 포름알데하이드의 축합중합에 의하여 형성되며, 다른 기재와 쉽게 결합되는 특성을 보유하고 있다. 축합중합은 산과 알칼리 촉매에 의하여 중합되며, 각기 다른 형태로 페놀수지화 된다. 페놀계 수지는 450℃에서부터 탄화가 시작되어 마찰표면의 밀도가 감소되고, 기공이 증가하게 되어 궁극적으로는 전체구조를 지지할 수 없게 되며, Brittle 하고 저온에서의 충격강도가 약하기 때문에 에폭시 레진과 같은 toughener 혹은 목질계 분말 등을 혼합하여 연성을 증가키는 경우도 있다. 이러한 이유로 인하여 페놀계 수지를 대체할 수 있는 다양한 바 인더 수지에 대한 연구가 진행 중에 있다. ◼ COPNA Resin

COPNA (condensed polynuclear aromatic resin)는 그라파이트와 유사 한 분자구조를 지니고 있어 분자 간 결합력이 매우 높고 따라서 그라 파이트가 사용된 브레이크 패드의 구조를 지지하는데 적합하다. 하지만 400-500 ℃에서 분해되기 때문에, 내열특성은 그다지 유리한 편은 아니 다.

◼ Silicone Modified Resin

◼ Cyanate ester resin

Cyanate ester resin의 경우는 페놀계 수지와 같이 brittle 한 특징이 있지만, 350℃까지 소재의 가용 범위 내의 마찰계수를 유지할 수 있으 며, 내구성이 양호한 특징을 지니고 있다.

◼ Epoxy modified resin

일반적으로 에폭시 수지는 260℃에서 분해되는 특성을 보이며, 브레 이크 패드로 적용되기 위해서 특수한 형태의 Curing agent가 사용되는 데 이 경우 에폭시 수지의 사용가능온도는 400℃까지 증가하게 된다. 에폭시 수지는 페놀계 수지와 혼합하여 사용되며, 이 경우 내열특성 및 마모 특성이 향상되게 된다.

◼ Thermoplastic polyimide resin

<그림 3-13> Enlarged isometric view of a used brake pad <표 3-5> 강화섬유 종류 및 특성 소재 장점 단점 Glass 우수한 Thermal resilience, 높은 용융점 1430℃, 하지만 600℃에서 연화 시작됨 Brittle Metallic 열처리된 금속과 구리합급의 용용점은 1000℃이상 구현 가능 Rotor의 마모를 가속화 시킬 수 있으며, 부식 Aramid 무게대비 Stiffness 우수하며, Thermal

resilience가 좋음 Soft, 타 섬유소재와 함께 사용할 수 없음 Potassium titanate Thermally resilient (최대용융점 약 1371℃); 마찰저항력 우수, 경도높음 유해물질 Sepiolite Thermally resilient (최대용융점 약

1550℃); 유해물질 Ceramic Thermally resilient (최대용융점 약 1700

◼ Metallic Fiber

금속 칩 혹은 Granules 형태로 사용되는 금속강화섬유는 일반적인 섬 유 형상은 아니지만, 강화섬유로 구분되어 브레이크 패드에 적용되고 있다. 금속섬유는 Steel, Brass, Copper 등이 사용되나, 장기간 미사용시 나, 해안가 지역 환경에서는 부식 등에 문제 발생 가능하여 브레이크 성능저하에 원인이 될 수 있다. 또 다른 문제점은 금속섬유의 경우 디 스크의 마모를 촉진할 수 있는 단점을 갖고 있지만, 열전도성이 높아 마찰표면의 열을 효율적으로 방출 할 수 있는 특성이 있다. ◼ Glass Fiber 유리섬유의 브레이크 패드적용은 1970년대로 거슬러 올라가며, 석면 의 용융점인 800-850℃ 대비 높은 1430℃의 용융점을 보유하고 있어 내열특성은 우수하나, 열전도도가 0.04W/mK로 매우 낮아 불리한 특성 을 갖고 있다. ◼ Aramid Fiber

◼ Potassium titanate (K2TiO3)

드의 내열특성을 향상하는 경우나 크랙을 방지하기 위해 사용하는 경 우도 있다. 충전재는 보통 유기와 무기 충전재로 구분이 되며, 기초적 인 특성은 아래 표에 정리하였다. 무기 충전제는 Barium sulphate, Mica, Vermiculite, Calcium carbonate 등이 있으며, 높은 용융온도를 갖 고 있다. 유기 충전제의 경우는 Cashew, rubber 등의 소재가 적용되며, 일반적으로는 소재가 같은 우수한 viscoelastic 한 특성을 이용하여 브 레이크의 소음감소 시킨다. 하지만, 이런 유기 충전제는 패드에서 상대 적으로 쉽게 분리되어 큰 기공을 만들고 궁극적으로는 크랙을 유발하 게 되는데 이를 방지하기 위하여 코팅제나 혹은 접착제가 함께 적용되 기도 한다. <표 3-6> 충전제에 따른 용도 분류 Filler 용도 Barium sulphate 내열특성 향상 Calcium carbonate 내열특성 향상 Mica 저진동에서의 브레이크 노이즈 감소 Vermiculite 저진동 노이즈 감소/내열특성 약함 Alkali metal titanates 마찰성능 향상

Molybdenum troxide Thermal fade 감소와 라이닝의 크랙 방지 Cashew dust 마찰소음 감소

Rubber dust 마찰소음 감소

다. 마찰첨가제

제 4 장 자동차 브레이크 시스템 개발 동향

제1절 자동차 브레이크 시스템 기술 발전 동향

Brake by Wire 시스템 유압시스템

[출처 : 현대모비스]

<그림 4-2> Brake by Wire와 기존 유압식 제동장치

제2절 자동차 브레이크 시스템의 종류

1. ABS(Anti Lock Brake System)

[출처] 기아자동차

<그림 4-3> ABS 효과

제어하지 못하고 밸브를 조작할 수 없다. ABS의 펌프는 밸브를 해제한 후, 유압 브레이크로 압력을 복원하는 데 사용된다. 휠 미끄러짐을 감지하였을 때 컨트롤러부터의 신호로 밸 브는 압력을 해제하고, 이 후 펌프는 제동 시스템의 압력을 복원하는데 사용된다. 컨트롤러는 압력의 적정량을 제공하고 미끄럼을 감소시키기 위해 펌프의 상태를 조절한다.

컨트롤러는 ECU(Electric Control Unit) 타입으로 각각의 휠 속도 센 서로부터 정보를 받아들여 차속과 바퀴의 회전상황에서 최적의 제동력 이 작용하도록 휠 실린더로 지시를 하고 시스템 전체를 제어한다.

[출처] www.roaddriver.co.uk

ABS시스템은 ABS시스템에 전자제어제동력 배분장치(Electronic Brake force Distribution, EBD)가 장착된 시스템으로 발전하고 있다. 일반 차 량의 경우 앞 바퀴에 제동력이 집중되기 마련이지만, 화물이나 탑승 인 원이 많아 차량 뒷부분의 무게가 늘어나게 되면 제동력을 다시 조정해 야 하는 문제가 생기게 된다. EBD-ABS는 이를 방지하기 위해 차량의 각 바퀴에 전달되는 무게에 따라 제동력을 가장 알맞은 상태로 배분해 주는 장치이다. 이 시스템은 승객에 따라 선회하는 정도에 따라 각 바 퀴에 전달되는 제동력을 다르게 주는 것이 특징이며, EBD-ABS가 장착 된 차량은 앞으로 나아갈 때 높은 안정성을 유지할 수 있다. [출처] 르노삼성자동차 <그림 4-5> EBD 시스템 효과(미장착 차량(상)과 장착 차량(하))

[출처] 기아자동차

<그림 4-6> VDC 효과

2. ESC(Electronic Stability Control) or ESP(Electronic Stability Program)

[출처] Continental-automotive

<그림 4-7> ESP시스템 작동 원리

고가 발생한다. ESC는 오늘날의 차량에 장착된 다른 안전 및 규제 장 치와 함께 운전자가 도로에 제어를 유지하는데 도움이 될 수 있다.

3. EHB (Electro-Hydraulic Brake)

EHB(전기유압식 브레이크)는 엔진의 동력에 의해 작동하던 종래의 유압식 브레이크를 개선한 것으로서, 전기모터에 의해 유압을 발생시켜 제동하는 방식이며, 엔진 정지 시에도 제동이 가능하여 하이브리드 자 동차에 적용되고 있다.

[출처] FISITA 2012 World Automotive Congress <그림 4-8> Control logic of the EHB

EHB의 구성 부품은 기존의 휠 속도 센서, 조향각 센서, 센서 클러스 터(yaw rate + lateral acceleration), 기존 휠 브레이크 외에 EHB HU + ECU, 전기적 페탈 모듈(Electronic pedal module with pedal feel simulator and sensors) 등으로 되어 있다.

<그림 4-12> 제동 시스템 부품-현대모비스

<그림 4-15> MK C1(continental)

<그림 4-16> Full electric drive-by-wire system (continental)

<그림 4-18> Siemens VDO EWB

[출처] 현대모비스

6. 브레이크 시스템의 향후 전망

2. 회생제동 브레이크 시스템 개발 동향

회생제동의 일반적인 수단은 발전기, 전동기, 배터리의 전기에너지식, 플라이휠을 사용하는 운동에너지식, 펌프·모터, 어큐뮬레이터를 사용 하는 유압에너지식이 있다. 플라이휠을 이용하는 운동에너지식은 오래 전부터 트롤리 버스 등에서 실용화가 시도되었고, Volvo, Benz, Fiat가 시작차를 발표하였으나 관성 질량의 경량화, 하우진의 진공 기술, 베어 링, 안전성, 자이로 현상 등의 문제로 실용화에 이르지 못하였으나, 최 근 볼보 자동차 그룹에서 순수 기계식 하이브리드 플라이휠 회생제동 시스템을 개발하여 일반도로에서 기술 테스트를 완료한 바 있다.

<그림 4-24> 운동에너지식 회생제동 장치- Volvo 社 “Flyweel KERS”

지와 주행 상태에 대응하는 회생제동량에 대하여 적절한 마찰제동 수 단을 갖추어야 한다. 일반적으로 회생제동량이 결정됨과 동시에 회생제 동에 상당하는 만큼 마찰제동의 크기를 감소시켜야 하며 X-by-Wire 시스템의 경우 운전자의 제동 페달 답력의 이질감을 방지하기 위하여 운전자의 적절한 페달감을 구현 할 수 있는 장치가 요구된다. 아래 그림은 대표적으로 상용화된 HEV 차량과 회생제동시스템을 나 타내었다. 지금까지 하이브리드 자동차에 적용된 회생제동 시스템은 크 게 기존 유압 브레이크 시스템과 BBW에 기반을 둔 EHB 시스템으로 나눌 수 있다. <표 4-1>하이브리드 자동차의 회생제동 시스템

일반적으로 제동장치를 설계하는데 있어 기본적으로 제공되어야 할 자동차의 설계 요소가 있다. 해당 요소의 정보에 따라 자동차의 제동장 치의 설계가 영향을 미치게 된다.

<차량 정차 시 하중 배분> <차량 감속 시 동적 하중 배분>

<그림 5-5> Pedal 구성 계략도

마. 제동력(Brake Force)과 제동압(Brake Pressure)

전류 및 후륜 타이어와 지면과의 접촉점에서 모멘트 평형을 취하면 차량의 정차 시 하중 배분 값을 이용하여 차량 감속 시 전/후륜의 동 적 하중 배분 량을 계산 가능하다. 차량 제동 시 정지 상태의 하중 배 분에 대하여 일정량의 하중이 전륜으로 이동한다. <표 5-3> Weight Distribution 전륜 후륜 Static weight distribution Dynamic weight distribution

이때 차량이 발생해야 하는 이상 제동력(ideal brake force)는 감속도 (α)와 타이어 노면의 마찰 계수가 동일할 때 발생하므로 아래와 같이 나타낼 수 있다.

<표 5-4> Idea Brake Force

제동력 이상제동력

전륜 제동력

후륜 제동력

의하여 이루어지므로 실제 제동력(Actual Brake Force)을 도출할 수 있 다. 아래 wheel의 자유물체도(Free Body Diagram)의 타이어 중심(O)에 서의 모멘트 평형을 이용하면 실제 제동력(BF)을 제동력 상수(C)와 함 께 나타낼 수 있다. 이때, LP와 TP는 차량의 배관(Pipe)에 형성된 Line Pressure(LP)와 작동압 Threshold Pressure(TP)을 의미한다.

<표 5-5> Caliper가 장착된 Wheel의 실제 제동력

실제 제동력 제동압

전륜 실제 제동력

제2절 제동 시스템의 설계·해석 기술 동향

<그림 5-9> 최적화 기법을 통한 브레이크 디스크 Judder 진동 저감 사례

<그림 5-10> Valve cavity 최소화를 위한 Solenoid Valve의 형상 최적화 사례

2. 열변형 및 열유동 해석 기법

어져 왔다.

<그림 5-14> Squeal Noise Analysis Procedure

제2절 국외 제동장치 시장

1. 세계 브레이크 시장 규모

자동차용 브레이크 장치는 부스터, 마스터실린더 등의 유압계, 캘리 퍼, 디스크, 드럼, 마찰재 등을 포함한 기초 브레이크(Foundation brake) 와 ABS(Anti-lock brake system), ESP(Electronic stability program), TCS(Traction Control System)등의 제어 장치로 구분 할 수 있다. 전 세 계 기초 브레이크 시장은 약 34.2조원으로 조사되며, 2009년 유럽시장 브레이크 시스템 매출액 및 북미 시장 애프터마켓 브레이크 요소 부품 매출액을 기준으로 세계 기초 브레이크 시장을 예측하였으며 산출과정 은 다음과 같다. 2009년 유럽 OEM 기초 브레이크 시장의 규모는 약 6 조원이다 . 유럽 자동차 시장은 전 세계 시장의 약 25%를 차지하고 있 으며, 2010년 유럽 OEM 기초 브레이크 시장 규모를 기준으로 세계 기 초 브레이크 시스템 시장규모를 추정하면 약 24조원으로 예측할 수 있 다. <표 6-2> 유럽 기초 브레이크 시장 (단위 : 유로) ProductCategory Sum of 2006 Sum of 2007 Sum of 2008 Sum of 2009 Sum of 2010 Brake By Wire Systems 0 0 0 0 0 Hybrid Braking Systems 0 0 0 0 35,301,700 Hydraulic Braking Systems 5,205,264,675 5,398,438,285 5,020,880,625 3,995,827,255 3,837,949,845 총합계 5,205,264,675 5,398,438,285 5,020,880,625 3,995,827,255 3,873,251,545

2. 미국 브레이크 시장 현황

‘OIS (overseas investment information system) 시스템 시장정보’에 따르면 미국 브레이크 부품 시장규모는 2008년 기준 전년 대비 3.5% 증가한 90억 달러이다. 그리고 자동차 부품산업은 2001년의 9.11 테러 사태 이후 여행 안전에 민감해진 미국 소비자들이 자동차로 편하게 이 동할 수 있는 가까운 휴양지를 여행지로 선호하면서 빠르게 성장. 즉, 연평균 운행거리가 증가함에 따라 부품 수요가 늘어나고 있다.

[출처] IBIS World Industry Report 2010

<그림 6-2> 미국 브레이크 부품 시장 성장률 (%)

또한 자동차용 브레이크 제품군의 2008년 수입액은 전년 대비 4.8% 줄어든 39억 달러 규모로, 멕시코·중국·캐나다 등으로부터 전체 수입 량의 60% 정도가 수입되고 있다.

<표 6-4> 미국 애프터 마켓 자동차 부품 시장 규모 추이

Year Automotive Medium and heavy duty Total Aftermarket Yr./Yr. % Chg. 1997 1998 1999 2000 2001 2002 CARG(‘97-02) 2002 2003 2004 2005 2006 2007 CARG(‘02-07) 2007 2008 2009 2010 2011 2012 CARG(‘07-12) $138.8 $141.8 $148.7 $157.2 $166.4 $178.1 5.1% $178.1 $182.2 $187.9 $194.9 $202.4 $209.9 3.3% $209.9 $210.2 $206.6 $214.5 $222.0 $230.3 1.9% $53.4 $55.3 $58.6 $61.5 $60.9 $61.8 3.0% $61.8 $62.6 $63.5 $64.3 $67.0 $68.8 2.2% $68.8 $70.5 $67.4 $69.9 $72.2 $74.6 1.6% $192.2 $197.1 $207.3 $218.7 $227.3 $239.9 4.5% $239.9 $244.8 $251.4 $259.2 $269.4 $278.7 3.0% $278.7 $280.7 $274.0 $284.4 $294.2 $304.9 1.8% 2.6% 5.2% 5.5% 3.9% 5.6% 5.6% 2.0% 2.7% 3.1% 3.9% 3.5% 3.5% 0.7% -2.4% 3.8% 3.4% 3.6%

화가 진행 중에 있다.Daimler-Chrysler AG(미국) 및 Brembo(이태리)가 합작하여 2004년 15,000개의 탄소-세라믹 브레이크 디스크를 생산할 수 있는 합작회사를 설립하였으며, Stirfire System(미국) 및 Surface Transform(영국)의 업체들도 자동차용 탄소 세라믹 브레이크를 개발하 고 있다. 북미지역은 OE 및 보수용으로 일부 Semi - metallic계를 사용 하나 NAO계의 Ceramic 마찰재가 증가추세이다. 이는 NVH를 중요시하 기 때문이며 일본 AKEBONO사가 시장점유율의 약 27%를 차지하고 있 다. 반면 우수한 마찰계수와 내 Fade성을 중요시하는 유럽시장에서는 Low-Steel계를 선호하나 NVH열세이며 TMD가 시장점유율의 약 16%를 차지하고 있다. 세계시장은 환경문제 고조로 4대 중금속(납, 크롬, 수 은, 카드늄) 및 유해물질(미세 세라믹, 안티몬)의 규제를 강화하고 있으 며 대체 재료 사용을 권고하고 있다. 마찰재의 재질별 특성이 상이하여 특정 재질에 국한하지 않고 차량용도, 지역별 특성에 적합한 다양한 재 질을 선택하여 사용 하는 것이 세계적 추세이다. <표 7-1> 미국시장 점유율 (2011년 기준) 순위 업체 점유율 (%) 1 아케보노 (Akebono, 일본) 38 2 TRW 홀딩스 (TRW Autimotive Holings, 미국) 16 3 만도 (Mando, 한국) 11 4 콘티넨탈 (Continental, 독일) 8 5 브램보 (Brembo, 이태리) 7 6 히타치 (Hitachi, 일본) 7 7 ADVICS (ADVICS, 일본) 6

기업명 핵심사업 브레이크 부품 시장점유율 업체 전체 매출액 TRW Automotive Blackstone사의 자회사로서 자동차 서스펜션, 브레이크, 엔진, 각종 전 자기기 및 기타 부품을 설계·제조 하는 기업임. 14.1% 131억 달러 Delphi Corporation 자동차 부품과 집적시스템을 전문 제조하는 기업이며, 1999년 5월 GM 사로부터 독립했음. 최근 GM자동차 부품수요가 줄어들면서 다른 완성차 업체와의 비즈니스 기회 발굴에 노 력하고 있음. 14.0% 264억 달러 Dana Holding Corporation 2륜구동 자동차용 ABS(anti-lock brake) 나 IBS(Intelligent brake system) 시스템을  최초로 개발하는 등 신제품 개발활동을 활발히 펼치 는 기업임. Master cylinder, brake cylinder, booster, caliper, disc, drum등이 주력제품임.

13.3% 85억 달러

Robert Bosch GmbH

독일기업의 자회사이며 브레이크 시 스템, ignition system, fuel injector 등의 OEM 제품을 주로 제조함.

11.8% 21억 달러

<표 7-2> 자동차용 브레이크 캘리퍼 주요 제조업체

Vehicle-Friction Material-Elastic Properties Measurement) 시험 방법에 의해 수행된 대상 브레이크 패드 샘플의 방향별 초음파 투과 속도를 이용한 탄성 상수 및 탄성 계수 측정값은 금속 섬유가 함유되지 않은 마찰대의 탄성 물성과 유사하다.

<표 7-3> 도요타 프리우스 브레이크 페달 사양

Brake Arm Upr . Lwr.Box’g Weld’g Spring Tension Spring

Switch Stop Lamp Assy S/W Sensor Brake Pedal Stroke Sensor

중량 1,580g

부품수 27ea

5. 혼다 인사이트 II

<그림 7-24> 혼다 인사이트 II

Parking brake cable은 고하중을 전달하는 Control cable로서 자동차 를 주차시 움직이지 않도록 고정하는 역할을 수행한다. 혼다 인사이트 II의 Parking barke cable은 Conduit 권선의 두께를 두껍게 한고 권선을 감는 Pitch의 길이를 감소시켰으며 효율과 강성을 증대 시켰으나 회정 이 되지 않아 Cable rute가 완만한 차량에서만 쓰일 수 있는 제한이 있 다.

<참고문헌>

1. 자동차공학 10판 8장, 2009. 02

2. 자동차 부품(브레이크 마찰재): 마찰 없는 상승, NH농협증권, 2012.11 3. 차량부품 HS 가이드, Ciel HS, 2013

4. A low cost, Light Weight Aluminium metal matrix.., Autoengineer, 2008.03 5. 김윤철, 김성진, 이재영, 김정규, 브레이크 디스크 경량화를 위한 하

이브리드 소재 적용 기술 연구, 2009

6. 가속화되는 자동차 경량화, 한국투자증권 2011.10

7. 최상원, 자동차 경량화 동향 및 경쟁업체의 대응, 한국자동차산업연 구소, 2008.04

8. North American Brakes Aftermarket - Firction Parts, Frost & Sullivan, 2010. 06

9. 독일 튜닝시장 장난이 아니네, 자동차 신문. 2005.11.30 10. KOTRA 발표자료, 2011.10

11. 벤츠 전문 튜닝 브랜드 칼슨, 한국 시장 진출, AVING Global Network. 2011.5 12. Frost & Sullivan, Dashboard for European Automotive Chassis SystemsMarket-Q3, 2009 13. IBIS World Industry Report 2010

14. 자동차공업협회 홈페이지 15. 미 상무부 AAIA 보고서, 2011

16. Composites in Automotive Applications: Review on Brake Pads and Discs, Chrysoula A. Aza, University of BRISTOL, 2014.11

18. 만도 홈페이지 19. 상신브레이크 홈페이지 20. 최적 설계를 통한 차량 Judder 특성 사례 연구, 상신브레이크 21. 브레이크 설계, 아주대학교 22. 교통안전공단 자동차안전연구원 23. ABS 보다 안전한 차세대 브레이크 등장, 특허청 보도자료, 2012 24. 교통안전교육센터, 교통안전공단 25. 회생브레이크 기술 동향, 기술동향분석보고서, KISTI, 2003,12. 26. Regenerative braking systems, BOSCH

27. Regenerative Braking for Electric and Hybrid Vehicle, Continental Engineering

28. HEV의 회생제동 성능 향상을 위한 브레이크 제어알고리즘 개발, 한국자동차공학회, 2007

29. 하이브리드 자동차의 회생제동 시스템, Auto Jounral, 2006.06.

30. Thermo-Mechanical Finite Element Analysis of Hot Judder Phenomenon of a Ventilated Disc Brake System, IJPEM, 2011

31. CFD and Design Analysis of Brake Disc, Adrian Thuresson, 2014 32. Brake Market Faces Big Squeeze, Tom Murphy, 2012.02

33. On the nature of tribological contact in automotive brakes, Eriksson, M., 2002