마찰 및 열 특성을 고려한 브레이크 저더 예측 시스템 개발

Abstract

차량 제동 시 브레이크 코너 모듈에서 발생하는 진동과 소음은 차량의 승차감, 안정성, 조종성 등을 저하시켜 탑승자에게 불쾌감과 불안감을 느끼게 하는 요인이 된다. 특히 브레이크 저더라 불리는 진동현상은 디스크-패드 마찰 진동에 의한 차체 및 조향시스템의 공진 현상으로, 운전자의 불안감을 증폭 시키고 커다란 사고로 이어질 수 있는 원인이 된다. 미국 J.D.Power 잡지에서 평가하는 VDS(Vehicle Dependability Study, 내구 품질 지수)는소비자들이 차량을 구매할 때 적극적으로 참고하는 중요한 지수로써, 국내 대표 자동차 제작 회사인 현대, 기아의 경우 2010년도 VDS 상위 10개 문제점 중 1위가 제동시 발생하는 소음 및 떨림인 것으로 나타나고 있기 때문에 국내 차량의 품질 개선을 위해 제동 장치의 소음/진동 성능 개선이 시급한 실정이다. 이러한 제동 시 발생하는 소음/떨림은 차량 속도, 브레이크 페달 답력, 내부 유압시스템, 캘리퍼 조립 상태, 디스크-패드 마찰, 디스크 형상 등과 밀접하게 연관되어 있다. 특히 유압식 브레이크 시스템은 페달, 부스터, 마스터 실린더, 밸브, 캘리퍼, 디스크 등 많은 부품들로 구성되어 있고, 부품 각각의 성능 특성이 시스템 전체에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 설계단계에서부터 저더 발생 가능성 여부를 예측하는 것이 매우 중요하다. 한편, 제동 과정 중 차량의 운동에너지의 대부분은 디스크-패드 마찰에 의한 열에너지로 변환된다. 디스크-패드 마찰열중 일부는 디스크와 패드 내부에 저장되어 디스크 및 패드의 열팽창을 야기시켜 접촉을 불안정하게 만들고, 나머지는 대류 및 복사 열전달에 의해 손실된다. 저더 발생의 근본 원인이 디스크-패드 마찰 접촉의 불안정성에 있는 만큼, 저더 발생 가능성을 정확하게 예측하기 위해서는 디스크-패드 마찰에 의한 열에너지 발생량을 정확하게 예측하고, 대류 및 복사에 의해 손실되는 에너지량을 정확하게 계산할 수 있어야 한다. 그러나 디스크-패드 마찰 계수가 온도에 따라 비선형적으로 변화하고, 디스크 대류 열전달 계수 또한 외부 공기 흐름 및 디스크 형상에 따라 달라지기 때문에 이 두 가지 요소를 효율적으로 정의할 수 있는 방법 개발에 대한 연구가 시급한 실정이다. 본 연구에서는 차량 제원 및 유압 시스템 구성 부품의 설계 변경에 따른 제동 동특성 변화, 온도에 따른 디스크-패드 마찰 특성 변화, 그리고 온도 및 유속에 따른 대류 열전달 특성 변화를 고려한 유압식 디스크 브레이크 시스템의 저더 특성 예측 기법을 개발하고자 한다. 유압식 브레이크 시스템의 제동압 전달 과정을 수학적으로 유도하고, 이를 프로그래밍화 함으로써 설계 변경에 따른 제동압 변화를 실시간으로 확인할 수 있게 하였다. 브레이크 다이나모를 이용하여 디스크 표면에서의 대류 열전달 계수 측정 시스템을 개발하였고, CFD해석 모델의 해석 결과와 다이나모 실험 결과를 이용하여 디스크 벤트 홀 및 표면에서의 대류 열전달 계수 계산 이론식을 개발하였다. 또한, 패드 마찰재 마찰 계수 실험을 통해 온도에 따라 변화하는 패드 마찰계수를 분석하였고, 5차 다항 함수를 이용하여 온도에 따른 마찰계수 함수를 유도하였다. 이렇게 개발한 대류 열전달 계수 식 및 패드 마찰계수 식을 디스크-패드 열간 저더 해석 모델에 적용하였고, 고속 저더 실험 결과와 비교함으로서 제안한 이론식의 영향도 및 신뢰성을 검증하였다. 끝으로 ‘유압 시스템 제동압 계산’, ‘열간 저더 해석 모델 생성 및 solver 구동’, ‘해석 출력 및 분석’의 과정을 일원화한 프로그램을 개발함으로써 본 연구 결과의 실제 현장 적용 가능성을 극대화 시켰다.