Braking Characteristics of Wet-type Multiple Disc Brakes on Friction Materials

Friction Materials

Myungho Bae

and Yonsang Cho

* Auto & Mech Eng. Dept., Changwon College,

*Dept. of Mechanical Engineering, DongA University

(Received September 27, 2009; Revised October 31, 2009; Accepted November 5, 2009)

Abstract − In general, a brake system of axle for heavy duty machine as a wheel excavator makes use of wet- type multiple disk brakes. These disk bakes are very important parts of heavy duty machine because they are advanced in durability and braking power, and can be designed compactly. Thus, we designed and made wet- type multiple disk brakes of axle for the wheel excavator to be localization of these imported all. In this study, wet multiple disk brakes were made a comparative test with the 3 types materials of friction disk by the SAE No.2 dynamometer. The friction characteristics were measured and analyzed to decide a suitable material as wear depth of friction disk and dynamic and static friction coefficient on temperature of oil and applied pressure.

Keywords − wet-type multiple disk brakes( 습식 다판 디스크 브레이크 ), axle( 축 ), dynamic friction coef- ficient( 동마찰계수 ), static friction coefficient( 정마찰계수 ), wear depth( 마멸깊이 )

1. 서 론

휠 굴삭기와 같은 중장비의 차축에 사용되는 주행 브 레이크 시스템은 습식 다판형 유압 브레이크[1-3]는 밀 폐된 공간의 OIL 속에서 작동되며 여러 장의 마찰판으 로 구성할 수 있으므로 구성 매수를 증가시켜 제동력 을 향상 시킬 수 있다.

습식 다판형 유압 브레이크 시스템은 Fig. 1에 나타 낸 바와 같이 구동축의 회전속도로 회전하는 마찰판 (friction disk)과 하우징에 고정되어 있는 금속판(steel plate)이 서로 마찰쌍을 이루고 있다. 장비의 제동이 필

요하여 브레이크 페달을 밟으면 브레이크 하우징의 O- RING 및 BACK UP RING으로 기밀이 유지된 피스 톤의 수압부에 압력을 가한다. 이때 압력을 받은 피스 톤은 하우징에 고정된 금속판의 축방향으로 힘을 가하 게 되고 이러한 힘은 브레이크의 유격거리만큼 이동하 여 회전하는 마찰판에 가해져 마찰이 일어난다. 마찰하 는 동안 운동에너지가 열에너지로 전환되고, 이때 발생 된 열에너지를 마찰판과 금속판이 흡수하여 제동을 하 게 된다[4].

이와 같이 습식 다판형 주행 브레이크는 휠 굴삭기 등의 중장비에서는 제동을 위하여 매우 중요한 부품이 다. 그러나 현재 국내에서는 이태리의 DANA社 또는 독일의 ZF社 등과 같은 외국 기업의 브레이크 시스템

†주저자

: [email protected]

‡책임저자

: [email protected]

382 배명호·조연상

을 전량 수입하여 사용하고 있다 . 따라서 휠 굴삭기에 사용되는 핵심 부품인 고신뢰성을 확보한 습식 다판형 유압식 주행브레이크의 핵심기술의 개발을 통해 국내 에서 생산되는 휠 굴삭기의 성능 , 품질 , 상품성 및 가 격경쟁력을 확보하는 것이 매우 필요하다 .

따라서 본 연구에서는 우수한 품질의 습식 다판형 브 레이크 시스템을 개발하기 위하여 3 가지 소재의 마찰 재를 이용하여 브레이크 디스크 시제품을 제작하였다 .

그리고 관성식 마찰시험기를 사용하여 마찰 실험을 하 고 각 시제품의 제동특성을 비교 분석함으로써 상용화 하기에 가장 적합한 마찰재를 선정하고자 하였다 .

2. 시험장치 및 시험방법

2-1. 디스크 브레이크의 관성식 마찰시험

본 연구에서는 동소결 (sintered bronze), 페이퍼 (paper)

및 탄소 페이퍼 (carbon paper) 재질을 사용한 유압브

레이크 디스크의 성능 비교를 위하여 SAE Friction

Subcommittee 에서 규정된 SAE No.2 관성식 마찰시험 기 (dynamometer)[1] 를 사용하여 시험하였다 . 여기서 탄 소 페이퍼 마찰재는 일반 페이퍼 마찰재에 탄소섬유를

50% 첨가하여 제작한 것으로 일반 페이퍼 마찰재의

실차 테스트에서 발생한 제동 시에 미끌림 현상을 개

선하기 위한 소재이다 . Fig. 2 는 시험에 사용된 관성식

마찰시험기의 개략도를 나타낸 것으로 구동축과 연결 된 (1) 관성체 (fly wheel) 를 (2) 전기구동모타에 의해 설 정된 일정속도로 회전시킨 후 , 전기구동 모타를 정지 하고 관성체에 의하여 일정속도로 자유회전하는 (9) ^디

스크 (disk) 시험편에 (10) 플레이트 (plate) 시험편으로 압 력을 가하여 제동시킨다 . 이때 피구동측에 발생되는 토 크를 (4) ^로드셀 (load cell) ^{로 측정하여 동마찰계수를 계}

산한다 . 시험기는 최대 외경 Φ 220 mm 인 시험편을 장

착하여 다양한 관성량과 회전속도 조건을 가하여 시험 할 수 있다 . 그리고 브레이크 플레이트 1 장 또는 전체 크기의 브레이크에 대하여 시험이 가능하고 , ^사용오일 Fig. 1. Typical multiple disk brake system.

Fig. 2. Schematic diagram of SAE No.2 dynamometer.

Fig. 3. Disk and plate drawings of wet-type multiple

disk brake.

를 사용하여 가공하였다 .

본 연구에서는 디스크의 마찰재를 동소결 , ^{페이퍼 및}

탄소 페이퍼의 3 가지 재질을 사용하여 시험을 하였으 며 , 이를 통하여 마찰재 성분에 따른 브레이크의 성능 을 비교 평가하였다 .

2-2. 마찰특성 및 시험조건

본 연구에서는 습식 다판형 유압브레이크의 마찰특 성을 평가하기 위하여 각 시험편에 대하여 SAE Friction Subcommittee ^{에서 규정하고 있는 항목인 온}

도에 따른 동마찰계수와 정마찰계수의 변화와 시험횟 수에 따른 동마찰계수와 정마찰계수의 변화를 측정하 고 마찰재의 마모깊이를 측정하여 비교하였다 . 마찰계 수는 시험기에 부착된 로드셀을 이용하여 토크를 측정 한 후 식 (1) ^{에 의해 구하였다} .

(1) ( 여기서 µ : 마찰계수 , Z: 마찰면 총 수 , P: 단위면압 그리고 R: ^{마찰재 유효반경이다} .)

동마찰계수는 시험조건의 관성이 회전하는 것을 제 동할 때 발생되는 토크로부터 계산하는 것으로 , Table

1 에 나타낸 바와 같이 디스크 시험편을 3,000 rpm 의

속도로 관성회전 시킨 후 , 5, 10 및 15 kgf/cm

의 압 력으로 제동을 하여 구하였다 . ^{그리고 정마찰계수는 정}

지상태에서 마찰면에 규정된 압력을 가하여 발생되는 토크로부터 계산하는 것으로 본 시험에서는 5, 10 및

15 kgf/cm

의 압력을 가하여 서보모터에 직결된 웜기어

가 0.72 rpm 으로 회전할 때 측정되는 토크로부터 계산하

였다 . ^{온도에 따른 동마찰계수와 정마찰계수의 마찰 특}

성은 윤활유의 온도를 40, 60, 80, 100 그리고 120

C 가 되도록 가열한 상태에서 각 3 회씩 시험측정하여 평균 을 구하였다 . 그리고 100

C 인 윤활유에서 15 kgf/cm

의 제동압력으로 3,000 회의 시험을 하여 시험횟수에 따른 동마찰계수 및 토크의 변화와 마모깊이를 비교하 였다 .

3. 시험결과 및 고찰

Fig. 4 는 (a) 5 kgf/cm

및 (b) 15 kgf/cm

의 제동압 력에서 윤활유의 온도에 따른 동마찰계수의 변화를 나 µ 3

2--- × Z P π R --- ⋅ ⋅ ⋅ ^T

=

Fig. 4. Variation of dynamic friction coefficient on

temperature of oil.

384 배명호·조연상

타낸 것으로 동소결 마찰재는 다른 두 페이퍼 마찰재 보다 낮은 동마찰계수를 가지고 있다. 그리고 일반 페 이퍼 재질의 마찰재와 탄소 페이퍼 재질의 마찰재의 동마찰계수는 윤활유의 온도가 증가하여도 큰 변화 없

이 높은 마찰계수를 유지하고 있으며, 윤활유의 온도 분위기와 작용압력의 변화에 상관없이 모두 습식 다판 형 유압 브레이크의 설계 안전 영역인 0.1 이상의 높 은 동마찰계수를 가진다.

Fig. 5은 윤활유의 온도변화에 따른 정마찰계수의 변 화를 나타낸 것으로 3가지 마찰재의 정마찰 계수는 Fig. 4의 동마찰계수와는 다르게 윤활유의 온도가 증가 함에 따라서 모두 크게 감소하고 있다. 이처럼 온도가 높아짐에 따라 정마찰계수가 감소하는 것은 윤활유 온 도 상승에 따른 점도 감소로 인하여 윤활유와 마찰재 사이의 점착력이 저하된 결과라고 생각한다. 정마찰계 수의 경우는 마찰재 보다는 윤활유의 영향을 더 크게 받고 있는 것으로 알려져 있고[5,6], 이 때문에 정마찰 계수는 마찰재의 성능 평가 보다는 윤활유의 특성 평 가 요소로 활용되고 있다.

Fig. 6은 작용압력에 따른 동마찰계수의 변화를 나 타낸 것으로 3가지 소재 모두 작용압력의 증가와 함께 동마찰계수는 감소하고 있다. 이는 작용 압력이 증가 하면서 접촉면의 유막두께가 감소되고 윤활유 분자가 전단방향으로 배향되기 쉽기 때문이라고 생각한다[7].

그리고 작용압력이 증가하여도 페이퍼 마찰재와 탄소 페이퍼 마찰재는 모두 설계안정영역인 0.1 이상의 동 마찰계수를 가지고 있다. 또한 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 정마찰계수는 작용압력이 변하더라도 거의 일정 하게 나타난다.

Fig. 8은 3,000회 시험을 하는 동안 3종류의 페이퍼 마찰재의 동마찰계수의 변화를 나타낸 것으로 약 1000 회 이하에서는 일반 페이퍼 마찰재가 탄소 페이퍼에 비해 동마찰계수가 높다. 그러나 그 이상 시험횟수가 증가할수록 일반 페이퍼 마찰재의 동마찰계수가 조금

Fig. 5 Variation of static friction coefficient on temperature of oil.

Fig. 6. Variation of dynamic friction coefficient on applied pressure in 100

C oil.

Fig. 7. Variation of static friction coefficient on applied

pressure in 100

C oil.

씩 감소하여 탄소 페이퍼 마찰재의 동마찰계수보다 낮 아지고 있다. 이는 장기간 사용시에 일반 페이퍼 마찰 재가 탄소 페이퍼에 비해 제동력이 조금씩 감소하여 전체적인 제동성능이 떨어질 수 있다는 것을 보여주고 있다. 그리고 탄소 페이퍼 마찰재는 장시간 사용하더 라도 내부에 첨가된 탄소

섬유의 영향으로 열에 의해서 마찰재의 경도가 저하 되지 않고 지속적으로 좋은 제동특성을 유지하고 있다 고 생각한다.

Fig. 9는 시험횟수 (a)200, (b)1,000 및 (c)3,000 회 에서 제동시의 피구동축의 토크 곡선을 나타낸 것으로 동소결 마찰재의 경우는 다른 두 마찰재에 비해 제동 토크가 매우 낮고 제동시간이 매우 긴 것을 볼 수 있 다. 이에 반하여 페이퍼 재질인 다른 두 마찰재는 제 동토크가 높고 제동시간이 짧아서 제동특성이 훨씬 우 수하다는 것을 알 수 있다. 그리고 Fig. 8의 동마찰계 수 변화에서와 마찬가지로 초기 상태인 시험횟수 (a) 200회에서는 일반 페이퍼 마찰재가 탄소 페이퍼 마찰 재보다 높은 제동토크와 짧은 제동시간을 가지고 있지 만 (b) 1,000회에서는 거의 동일한 제동특성을 보여준 다. 또한 시험횟수가 증가하여 (c) 3,000회에서는 탄소 페이퍼 마찰재가 더 좋은 제동특성을 보여준다.

Fig. 10은 최종 3,000회의 시험이 끝난 후 탄소페이 퍼 재질의 디스크 시편 사진을 나타낸 것이다. 여기서 마모깊이는 시험 전과 시험 후의 마찰재 평균 두께를 측정하여 그 차이로써 구하였다. Fig. 11은 각 마찰재 의 마모깊이를 측정해본 결과로 동소결 마찰재가 다른 두 재료에 비해 마모량이 가장 작고, 일반 페이퍼 마

Fig. 8. Variation of dynamic friction coefficient until 3,000 cycle.

Fig. 9. Comparison of torque trace on the test cycle.

Fig. 10. Photo of carbon paper disk after the 3,000 cycle

test.

386 ^{배명호·조연상}

찰재가 가장 마모가 크게 일어났음을 알 수 있다. 이 결과에서 동소결 마찰재는 비록 마모가 가장 작게 일 어났지만 동마찰계수와 제동 토크가 너무 낮고 제동시 간이 길어 실제 습식 브레이크의 마찰재로 사용하기에 는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 일반 페 이퍼 마찰재와 탄소 페이퍼 마찰재는 모두 좋은 제동 성능을 보여주고 있지만 내구성 측면에서는 장시간 동 안 좋은 제동특성을 유지하고 마모가 작은 탄소 페이 퍼 마찰재가 보다 우수하다는 것을 알 수 있었다.

4. 결 론

국산화 중인 중소형 굴삭기용 습식 다판형 브레이크 디스크의 마찰재를 선정하기 위해 동소결, 페이퍼 및 탄소 페이퍼 재질의 마찰재를 사용한 시제품에 대하여 관성마찰시험을 하고 이를 통해 여러 가지 제동특성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 동소결 마찰재는 다른 두 페이퍼 마찰재보다 낮은 동마찰계수를 가지고 있고, 일반 페이퍼 재질의 마찰 재와 탄소 페이퍼 재질의 마찰재는 윤활유의 온도가 증가하여도 설계 안전 영역인 0.1 이상의 높은 동마찰 계수를 가진다.

2. 정마찰계수는 윤활유의 온도가 증가함에 따라서 온도 상승에 따른 점도 감소로 인하여 모두 크게 감소 하고 있다.

3. 작용압력이 증가하여도 페이퍼 마찰재와 탄소 페 이퍼 마찰재는 모두 설계안정영역인 0.1 이상의 동마 찰계수를 가진다.

4. 3000회 마찰시험에 의한 동마찰계수의 변화 및 제 동 토크의 비교를 통하여 탄소 페이퍼 마찰재는 장시 간사용하더라도 지속적으로 좋은 제동특성을 유지함을 알 수 있다.

5. 동소결 마찰재는 마모가 가장 작게 일어났지만 동 마찰계수와 제동 토크가 너무 낮고 제동시간이 길어 실제 습식 브레이크의 마찰재로 사용하기에는 부적합 하다.

6. 일반 페이퍼 마찰재와 탄소 페이퍼 마찰재는 모두 좋은 제동성능을 보여주고 있지만 장시간 동안 좋은 제동특성을 유지하고 마모가 작은 탄소 페이퍼 마찰재 가 전반적으로 비교적 우수하였다.

후 기

이 논문은 산업자원부, 부품소재기술개발사업의 “건 설기계용 POWER TRAIN 모듈개발” 과제(과제번호 : 10024635)와 관련하여 이루어졌으며 지원에 감사드립 니다.

참고문헌

1. Peoria, “Design Considerations for Wet Wheel Brakes,” SAE 810696, Illinois 6-8, 1981.

2. Harold A. Rothbart, “Mechanical Design and Sys- tems Handbook,” Second Edition, Friction Brakes , p.

33, 1984.

3. A.E. Anderson, “Friction and Wear of Paper Type Wet Friction Elements,” SAE - NAE Meeting, Detroit , pp. 22-26, 1972.

4. Y.S.Cho, H.S.Park, S.J.Hong, B.W.Choi, and M.H.Bae,

“Estimation of Friction Characteristics of Wet-type Multiple Disc Brakes for Axle of 14 Ton Class Wheel Excavator,” J. KSTLE , Vol. 23, No. 6, pp.312- 317, 2007.

5. Borg-Warner Guide to Friction Materials, Spring/

Brummer Division, Borg-Wamer corp. pp. 1-13, 1978.

6. T. Matsumoto, “Paper-Faced Friction Plates”, ^NSK

Bearing Journal , No. 638, pp . 45 - 58, 1979.

7. ^杉田康司 , “

, ^” , pp.

10-12, 1994.

Fig. 11. Comparison of wear depth after the 3,000 cycle

test.