브레이크 시스템의 동특성 해석 모델에 관한 연구

Abstract

최근 자동차의 기술 개발은 친환경성, 고성능, 안정성, 경량화 등을 위한 부품 및 시스템 개발이 큰 주류를 이루고 있으며, 특히 차량의 대형화, 고속화로 브레이크 시스템의 안정성에 대한 소비자의 요구가 증가하여 브레이크 시스템의 성능 향상을 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 자동차의 브레이크 시스템은 차량에서 요구하는 제동 성능(performance), 내구성(durability), 페이드(fade) 특성, 소음(noise), 진동(vibration), 제동감(feeling) 등의 성능 향상 및 개선이 요구되고 있다. 그러나 브레이크 시스템을 설계하고 평가하는데 있어서는 이론 및 실험적 접근이 어려워 특정 차종 및 부품에만 적용되는 개선안 제시의 수준에 머물고 있는 실정이다. 본 연구에서는 브레이크 시스템의 동특성 평가 및 설계를 위한 수식 및 해석 모델과 모델링 방법을 제안하였고, 실제 차량에 장착된 브레이크 시스템에 적용하여 그 효용성을 검증하였다. 이를 위해 브레이크 시스템의 제동 성능 및 진동 발생원인 브레이크 토크(brake torque) 발생과 이에 영향을 주는 설계 변수를 선정하여 브레이크 토크의 수식 모델을 제안하였다. 또한 실제 차량에 장착된 브레이크 시스템을 모델링하고 모델링 시 고려되어야 할 구성 요소들과 브레이크 시스템의 동특성 평가 및 설계에 활용할 수 있는 브레이크 해석 모델을 개발하였다. 제안된 두 모델을 이용하여 진동 해석 모델을 개발하였고, 최근 브레이크 및 조향 시스템에서 가장 큰 관심을 갖는 저더(judder) 해석을 수행하여 진동 특성을 평가하였다. 본 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다. 먼저 브레이크 시스템의 제동 성능을 결정하고 진동의 발생원인 브레이크 토크 발생에 대한 수식 모델을 제안하였다. 이 모델은 마찰 계수(friction coefficient), 유효 반경(effectiveness radius), 디스크 두께 변화(disc thickness variation), 패드 강성(pad stiffness), 시스템 댐핑(damping) 등의 설계 변수를 선정하여 여러 차종에 쉽게 적용될 수 있도록 구성하였고, 특히 브레이크 토크 변화(brake torque variation)에 대한 영향을 고려하여 수식화 하였다. 또한 브레이크 토크 변화에 대한 영향도를 분석하기 위해 수식 모델을 구성하는 설계 변수를 사용하여 브레이크 토크 변화에 대한 설계 변수의 영향도 평가를 수행하였다. 브레이크 시스템의 제동 동특성과 시스템 설계를 위해 다물체 기구동역학 해석 프로그램을 이용하여 브레이크 부품 및 시스템의 강체 모델과 유연체 모델을 개발하였다. 이는 실제 차량에 장착된 브레이크 시스템을 표현하기 위해 패드와 디스크의 마찰력(friction force) 및 접촉력(contact force), 디스크의 두께 변화, 유압계 모델링 방법 등을 사용하여 브레이크 시스템의 해석 모델을 개발하였고, 브레이크 다이나모미터의 시험 결과를 통해 제안된 모델을 검증하였다. 또한 브레이크 설계 시 고려해야 할 설계 변수들을 모델링에 포함하여 브레이크 시스템의 제동 동특성을 평가하였으며, 그 결과를 분석하여 브레이크 부품의 설계 방안을 제시하였다. 위에서 제시한 수식 및 해석 모델을 이용하여 1/2 car 진동 해석 모델을 개발하였고, 최근 브레이크 시스템에서 가장 이슈가 되고 있는 저더 해석을 수행하였다. 이 모델은 실차 시험 결과를 이용하여 해석 모델의 신뢰성을 검증하였고, 이 모델을 통해 브레이크 및 조향 시스템의 설계 변수를 선정하고 진동 특성 영향도를 평가하여 시스템의 설계 방안을 제시하였다. 본 연구에서 제시한 수식 및 해석 모델과 모델링 방법은 브레이크 시스템의 동특성 평가 및 여러 설계 인자를 고려할 수 있어 브레이크 초기 설계에서 개선 방안 도출에 이르기까지 많은 부분에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.