Test Analysis of a Parking Brake for the Track Drive Unit of an Excavator

기호설명

- -

_ : 코일의 평균지름 ()

 : 소선의 지름 ()

_ : 축 방향의 힘 ( )

 : 소선의 횡 탄성계수 (^)

_ : 유효 감김 수

 : 마찰면의 수

_ : 마찰면의 평균 반지름 ()

 : 마찰토크 ( ∙ )

_ : 이론적 마찰토크

 : 스프링의 변형 량 ()

 : 마찰계수

1. 서 론

주행모터는 무한궤도 형 유압굴삭기의 차체에 장착되어서 굴삭기의 전진 및 후진을 하는 핵심 부품으로서 유압카운터 밸런스밸브, 양방향작동 릴리프밸브 주차 브레이크, (parking brake), 2속 제 어장치 등으로 구성되어있다.⁽¹⁾

다중 마찰 판형식의 주차브레이크는 굴삭기가 주차되었을 때 굴삭기의 고정뿐만 아니라 전진 및 후진을 하지 않는 상태에서 굴삭작업 할 때에 도 차체를 지면에 견고하게 고정시킨다.

학술논문

< > DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2011.35.11.1157 ISSN 1226-4881

굴삭기 주행모터용 주차브레이크의 시험분석

이 용 범 김 광 민

한국기계연구원 우림기계 주

* , ** ( )

Test Analysis of a Parking Brake for the Track Drive Unit of an Excavator

Yong Bum Lee

and Kwang Min Kim

* Korea Institute of Machinery & Materials, ** Woorim Machinery Co. Ltd (Received June 7, 2011 ; Revised August 26, 2011 ; Accepted August 29, 2011)

Key Words: Track Drive(주행 모터), Parking Brake(주차브레이크), Excavator(굴삭기), Multi Friction Disc

다중 마찰 판 유압모터

( ), Hydraulic Motor( )

초록 굴삭기를 전진과 후진시키는 주행모터에는 주차브레이크: (parking brake)가 내장되어있다 이 주차브. 레이크는 굴삭기가 주차되었을 때 고정뿐만 아니라 전진 및 후진을 하지 않는 상태로 굴삭작업 할 때 에도 차체를 지면에 고정시킨다 정확한 굴삭작업을 위해서는 작업충격이나 자중을 포함한 굴삭부하가. 발생했을 때 차체를 지면에 견고하게 고정해주는 브레이크 기능이 굴삭기가 주차되었을 때의 고정보다 더 중요하고 작용횟수 또한 훨씬 높다 본 연구에서는 다중 마찰 판. (multi friction disc)을 스프링 힘으로 작동 결합 시키고 유압실린더로 해제시키는 굴삭기 주행모터의 주차브레이크에 대해서 작용 압력별로( ) 반복실험을 실시하여 측정된 데이터를 설계 이론값과 비교하여 주차브레이크의 특성을 분석하였다.

Abstract: The parking brake is an essential unit embedded in the track-driving motor of an excavator. The parking brake plays an important role in keeping the excavator in place not only when it is parked, but also during the digging operation. In fact, the load placed on the parking brake during the digging operation is significantly higher than the parking load, because the impact and rating loads caused by the bucket digging force cycle frequently and have very high load ranges. Therefore, the load conditions during the digging operation should be taken into account in the parking brake certification test. In this study, a series of experiments was carried out in which various operating pressures were applied to the parking brake, where repeated loads were reciprocally placed on the brake by locking the multifriction disc and releasing the hydraulic cylinder. The characteristics of the parking brake were investigated by comparing the obtained experimental results and the theoretical design specifications.

§ 이 논문은2011년도 대한기계학회 에너지 및 동력공학부문

춘계학술대회(2011. 6. 2., 한국발전교육원 발표논문임) Corresponding Author, [email protected]

2011 The Korean Society of Mechanical Engineers

Ⓒ

정확한 굴삭작업을 위해서는 굴삭기의 주차 브 레이크가 작업충격이나 자중을 포함한 굴삭부하 가 발생했을 때 차체를 지면에 견고하게 고정해 주는 브레이크 기능이 굴삭기가 주차되었을 때의 고정보다 더 중요하고 작용횟수 또한 훨씬 높다.

Bae M. H 등.⁽²⁾은 마찰 재에 따른 휠 굴삭기용 습식 다판 브레이크의 제동특성에 대하여 연구하 였으며, Kim S. H. 등⁽³⁾은 브레이크 토크 변동을 줄이기 위해 브레이크 코너 시스템의 영향력 있 는 요인을 분석하였으며, Jung D. S. 등⁽⁴⁾은 습식 다판 클러치 브레이크의 일정한 압력 분포로 가/ 정하고 미소부분의 토크를 연구하였다.

본 연구에서는 다중 마찰 판(multi friction disc) 을 스프링 힘으로 작동시키고 유압실린더로 해제 시켜 주행모터의 출력축을 고정하거나 풀어주는 굴삭기 주행모터의 주차브레이크에 대해서 작용 압력을 변화시켜 반복실험을 통해 브레이크 토크 특성 분석 및 마찰재의 마찰계수를 분석하였다.

주차브레이크의 구조 및 특징 2.

굴삭기 주행모터에서 사용되는 주차브레이크는 유압모터의 실린더배럴과 모터하우징사이에 다중 마찰 판과 고정판을 설치하고 이판을 유압실린더, 와 여러 개의 강철스프링을 사용하여 결합과 해 제 작동을 시킨다.

주차브레이크의 작동원리는 Fig. 1의 유압회로 와 같이 A-Port 또는 B-Port에 고압의 유압유를 공급받게 되면 카운터 밸런스 밸브 스풀에 파이 로트(pilot) 압력이 공급되어 스풀을 전환하게 되 는데 이 때 중앙부분에 있는 주차브레이크 파일 로트 관로를 통해서 주차브레이크 실린더에 압력 을 공급하면 실린더가 스프링 힘을 누르고 후진 하면서 다판 형 마찰디스크의 간격을 생성해줌으 로서 브레이크를 해제한다.

와 에는 압력이 전달되지 않아서

A-Port B-Port

주행모터가 전진이나 후진을 하지 않을 경우는 와 같이 다수개로 구성된 주차브레이크의 Fig. 2

스프링의 힘에 의해서 실린더의 유압유를 배출시 키고 유압모터의 실린더배럴에 장착된 다중 마찰 판을 모터 하우징에 장착된 고정판에 밀게 된다.

그 마찰력으로 실린더배럴을 회전하지 못하도 록 잡아주어 브레이크 기능을 한다 이와 같이 유. 압모터를 회전시키려는 압력이 존재할 때는 마찰 없이 회전을 원활하게 하고 또다시 유압모터를

정지 할 때는 스프링 힘에 의해 자동적으로 브레 이크 역할을 하게한다.

는 유압모터 모델링을 통한 주차브레이크 Fig. 2

의 구조도이고, Fig. 3은 브레이크 마찰면의 모식 도를 나타낸 것이다.

Fig. 1 Hydraulic circuit for TDU

Fig. 2 Feature of parking brake

Fig. 3 Friction surface

, ,

, , 

,

.⁽⁵⁾

   __ (1)

_

,

_ _^_

^

× _ (2)

. ,

_ 

_^_

^

__ (3)

.

시험 장치 및 시험 방법 3.

3.1 시험장치

굴삭기가 정지 및 주차 되고 있는 상황 등의 기능을 재현 할 수 있도록 시험체인 주행모터 및, 이와 동일한 용량의 부하용 유압펌프가 고 강성 프레임으로 제작된 장착브래킷에 설치되었다.

는 시험장치의 사진이고 시험부의 유압

Fig. 4 ,

은 고압[35 MPa], 대용량(560 min) 750(HP) 유 압 동력발생장치로 공급하고, 부하측은 저압[5 대용량 유압동력 발생장치를 사용하였다

MPa] .

또한 정확한 시험압력과 유량제어를 위하여 비례, 제어밸브를 사용하였다.

유압모터의 주차 브레이크(parking brake) 기능 과 성능을 측정하기 위하여 모터의 입구 및 출구, 측에 각각 압력센서가 장착되었고 모터 출력 측, 에 토크미터와 회전수 측정센서가 부착되어있으 며 토크 및 압력센서에 대한 사양은, Table 1과 같다 시험에 사용된 제품은 국내에서 생산되는. 초대형 굴삭기인 320cc의 주행모터를 사용하였다.

3.2 시험방법

유압모터 제동부가 작동된 상태에서 부하 모터 축에 회전력을 가하여 시험 부 모터가 회전 할 때까지 서서히 증가시켜 토크를 측정한다 회전력. 을 가하는 부하 모터의 압력을 서서히 상승시키 면서 브레이크가 작동되어있는 시험 부 모터의 회전시점에서의 최대토크를 측정하는데, 이때의 50%(KOCEMA 0023,

RS B 0034) .

Sensor Item Specifications

Torque sensor

Measuring range -2000 2000



Torque signal with limit

frequency 16 kHz

Accuracy in measuring ±0.5%

Rated output 0 10 V

Non linearity 0.3% FS

Hysteresis 0.2% FS

Terminal resistance 350 Ω ±5%

Pressure sensor

Measuring range 0 70 MPa

linearity 0.1% FS

Stability 0.2% FS max.

Hysteresis 0.1% FS

Rated output 0 10 V

Speed (rpm) sensor

Measuring range 0 5000 rpm Number of

pulses/revolutions 60

Output signal 24 V

Table 1 Specifications of sensors

Fig. 4 Photo of test set-up for track motor unit

Fig. 5 Test set-up for track motor unit

Fig. 6 Detail of test motor parking brake 위와 같은 방법으로 브레이크 해제 압력변화에 따른 주차브레이크시험은 해제 압력(_)을 0~0.8

가하여 스프링의 힘을 일정한 힘으로 상쇄 시킨 후 회전시점에서 최대토크를 각각 5회 시험 을 실시하여 주차브레이크의 특성을 분석하였다.

시험결과 및 분석 4.

이론값 계산 4.1

Fig. 6

Table 2 .

(1)

(_) ()

() .

_  (4)

k .

  __^

^

(5)

  

 ×  

× ^

 × ^

 

(6) .

_  ×  × _ (6)

_  ×  ×    

0.8[] Parking

brake cylinder .

_ 

 _^_^∆

(7)

Table 2 Spring & brake specification Wire diameter () 4.5 []

Coil PCD (_) 17.9 []

The number of

active coil turns (_)  

 Free length ( ) 40 []

Module of elasticity () 78435 [^] Displacement of spring () 7.07 [mm]

The number of spring (_) 12 EA External radius of

disc pad (_) 109.4 []

Internal diameter of

disc pad (_) 102.5 []

External diameter of

Cylinder (_) 253.8 []

Internal diameter of

Cylinder (_) 234.8 []

The number of friction

surface 8

Coefficient of friction

(Paper) 0.13~0.30

 

^ ^ × ^

  



.⁽⁴⁾

      (8)

: , :

,   

.

  _



_

^  

_^ _^ (9)

.

  _^ _^_ (10) (9) (10)

.

_  _^ _^

_^ _^

(11)

_  ^ ^

^ ^

 

.

   _ _ _

  ×    ×  × 

 

0~0.8[]

Table 3 .

시험결과 분석 4.1

0~0.8 []

5 Table

4 , Fig. 7

.

Table 3 Theoretical torque Release Presure

()

_ ( )

_

()

0 0 2123.94

0.1 729 2000.30

0.2 1458 1876.66

0.3 2187 1753.02

0.4 2916 1629.39

0.5 3646 1505.58

0.6 4375 1381.94

0.7 5104 1258.30

0.8 5833 1134.66

Fig. 7 Comparison of test torque and theoretical torque

Table 4 Analysis of test result Release

Preassure ()

Theoretical Torque

()

Test Torque

()

Efficiency Analysis

(%)

0 2123.94

1686.744 79.4 1668.111 78.5 1676.937 78.9 1651.048 77.7 1716.164 80.8

0.1 2000.30

1552.589 77.6 1539.644 77.0 1527.288 76.4 1499.437 75.0 1573.673 78.7

0.2 1876.66

1418.532 75.6 1411.373 75.2 1434.026 76.4 1459.033 77.7 1387.641 73.9

0.3 1753.02

1221.026 69.7 1358.907 77.5 1346.453 76.8 1231.617 70.3 1221.026 69.7

0.4 1629.39

1149.241 70.5 1194.254 73.3 1197.098 73.5 1146.299 70.4 1155.910 70.9

0.5 1505.58

1066.865 70.9 1060.197 70.4 1042.937 69.3 1054.411 70.0 1012.242 67.2

0.6 1381.94

924.179 66.9 926.042 67.0 945.263 68.4 949.088 68.7 957.717 69.3

0.7 1258.30

814.050 64.7 765.213 60.8 790.122 62.8 766.096 60.9 770.018 61.2

0.8 1134.66

717.258 63.2 599.481 52.8 582.221 51.3 617.721 54.4 632.039 55.7

Release Pressure []

Test Result

0

0.3

0.6

0.8

Fig. 8 Test result of pressure difference Fig. 7

.

(paper) Low static, High static,

Graphitic 3 ,

0.13~0.30

0.11 ~ 0.15 .

5. 결 론

320 cc/rev

.

(1) 0~0.8 []

5 .

(2) 120%

. (3) Paper

0.13~0.30 ,

0.11~0.15 50~84% .

참고문헌

(1) Lee, Y. B. and Park, J. H., 2005, “Accelerated Life Analysis of Track Drive Unit,” KFPS, Vol.

2, pp. 1∼7.

(2) Bae, M. H. and Jo, Y. S., 2009, “Braking Characteristics of Wet-type Multiple Disc Beakes on Friction Materials,” Journal of the KSTEL, Vol. 25, pp. 381~3876.

(3) Kim, S. H., Han, E. J., Kang, S. W. and Cho, S. S., 2008, “Investigation of Influential Factors of A Brake Corner System to Reduce Brake Torque Variation,” International Journal of Auto- motive Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 233~247.

(4) Jung, D. S., Son, H. Y., Lee, Y. H. and Park, S. T., 1988, “The Development of a Wet Multi Type Electro-Magnetic Clutch/Brake,” KIMM, B- SM 145-1203C, pp. 33~38.

(5) Hong, J. P., 2007, “Fundamentals of Machine Component Design,” Fifth Edition, Bookshill, pp. 511∼542.