한국소음진동공학회논문집제 20 권제 12 호, pp. 1147~1152, 2010. DOI : 10.5050/KSNVE.2010.20.12.1147 지게차용습식브레이크의스퀼소음저감에관한실험적연구 Experimental Study for the Reduction of Wet-brake Squeal Noise in a Forklift 김태종 구자함 * 정의봉 ** 김영현 *** 주원호 *** Tae-Jong Kim, Ja-Ham Koo, Weui-Bong Jeong, Young-Hyun Kim and Won-Ho Joo (2010 년 8 월 27 일접수 ; 2010 년 11 월 29 일심사완료 ) Key Words : Forklift( 지게차 ), Squeal Noise( 스퀼소음 ), Wet Disc Brake( 습식디스크브레이크 ), Test Rig( 시험장치 ), Automatic Transmission Fluid(ATF, 자동변속장치윤활유 ), Parameter Study( 설계변수연구 ) ABSTRACT The wet brakes used in an industrial forklift often produce noise on braking. Elimination or reduction of this squeal noise is an important task for the improvement of comforts. In this paper, a test rig was developed which was possible for testing of brake noise and an experimental measurement on squeal noise was performed. The causes of the brake noise are identified by experimenting how the factors such as automatic transmission fluid, the groove of friction-plate pad and the material of friction-plate pad affect the squeal noise. In order to identify the squeal characteristics, the signal analyses for noise are performed by using frequency spectrums. Experimental results showed that the viscosity of automatic transmission fluid and the groove pattern of friction-plate pad largely affect the reduction of the wet brake squeal noise in an industrial forklift. * 1. 서론 차량제동시발생하는브레이크소음은수십년간자동차관련기술의중요한주제중하나이며소비자들의만족도에매우큰영향을미치고있다. 차량브레이크시스템은윤활유의공급유무에따라건식과습식구조로분류할수있으며, 최근산업고도화와환경친화적인제품의요구측면에서습식브레이크시스템을사용하는산업용차량의브레이크소음저감에대한연구의필요성이대두되고있다. 교신저자 ; 정회원, 부산대학교기계공학부 / 기계기술연구원 E-mail : tjong@pusan.ac.kr Tel : (051)510-2474, Fax : (051)514-7640 * 부산대학교대학원기계설계공학과 ** 정회원, 부산대학교기계공학부 *** 정회원, 현대중공업 ( 주 ) 선박해양연구소 일반적으로지게차와같은중장비의차축에사용되는마찰브레이크시스템은습식디스크브레이크를사용한다. 습식디스크브레이크 (wet disc brake) 는디스크플레이트 (disk plate) 와마찰판패드 (plate-friction pad) 사이의유막에서오일점도에의해생성된전단력 (shear force) 으로제동력을발생시킨다. 그러므로플레이트와마찰판패드간의직접접촉이방지되고, 오일에잠겨있기때문에외부환경과완전히차단되어내구성이우수하다는장점이있으나, 그구조와작동원리가다른브레이크보다복잡하고소음의발생원이또한다양하여문제해결이어렵다는특징을갖고있다. 최근까지브레이크의스퀼소음에관한주제는자동차용디스크모델에대한연구가많았으며이를일반화시켜지게차용습식브레이크에적용하는것은구조적차이에의해한계가있다. 지게차의경우 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 12 호, 2010 년 /1147
김태종 구자함 정의봉 김영현 주원호 Fig. 1 Schematic diagram of the drive axle assembly 에도, 제동장치의동역학적해석 (1), 마스트와프레임구조진동해석 (2), 지게차구조의진동해석및최적설계 (3,4), 구동부의소음진동해석 (5) 등진동해석및구조설계를중심으로연구되었다. 습식브레이크의소음에관한연구는습식브레이크의유체윤활마찰특성이론과설계에관한이론적연구 (6,7) 가있었으나주로실험적방법에의하여진행되었다. 스퀼소음의원인중하나로평가받는브레이크시스템의채터 (chatter) 측정에관한연구 (8), 오일첨가재에따른소음저감연구 (9), 브레이크디스크의마찰열측정에관한연구 (10), 브레이크제동시발생되는토크를측정하여마찰계수와의관계에관한연구 (11,12) 가있었다. 또한, 산업용지게차에대해서는브레이크의오일압력, 첨가재, 패드재질을인자로하여지게차브레이크시스템의소음저감최적화에관한연구 (13) 가있었다. 그러나, 산업현장에서는주로경험에의한스퀼소음의저감방법이일반적으로활용되고있는실정이며, 습식브레이크의스퀼소음저감에대한체계적인방법에관한연구는부족한실정이다. 최근중장비차량의개발기간이단축되고있는것을감안할때, 브레이크설계단계에서그활용이가능한스퀼소음저감의실험적방법에관한연구개발이필요하다. 선행연구 (14) 에서지게차용습식브레이크의스퀼소음을재현할수있는실험장치를개발하였으며, 지게차의실차조건의스퀼측정결과를비교하여실험장치의유용성을확인하였다. 이논문에서는앞서개발된실험장치를이용하여지게차습식브레이크시스템의스퀼소음의특성을파악하기위하여설계변수에관한연구를수행하였다. 지게차용습식 브레이크의스퀼소음저감설계를위해, 구동축의윤활유 (ATF) 모델, 마찰판패드의첨가재, 마찰판패드의그루브 (groove) 형상과면적같은설계변수에따른스퀼소음을측정하여, 시험조건별소음특성을분석하였다. 이와같은설계변수연구와시험결과를이용하여스퀼소음이저감되는마찰판패드의형상과시험조건등을제시하고자하였다. 2. 습식브레이크의스퀼소음실험장치지게차의유압습식브레이크가내장된구동축을이용하고, 엔진대용으로모터 (40HP 380V 6극의인버터구동 ) 를사용하여실험장치를개발하였다. 실험장치의구성은 Fig. 2와같으며, 구동축과모터의축이수평으로연결되도록차축의각도를 43 로기울여실험장치의지지구조에고정하였다. 구동축과모터축을연결시키기위하여클러치와유니버셜조인트를각각시험하였으며, 각각의조건에대해시행착오의시험을거쳐최종적으로유니버셜조인트를사용하였다. 시험장치프레임의진동을저감하기위해바닥면에방진패드를적용하였으며, 구동축에하중을부가시키기위하여총 8개의플라이휠 (fly wheel) 을장착하였다. 이논문의지게차모델은자체의중량이 4.3 ton인모델이므로바퀴당 1,000 kgf의플라이휠중량이최소한작용되어야한다. 하지만, 비용및장착공간확보등의문제로 Fig. 3과같은형상의마찰판 / 디스크의브레이크부품을 4쌍에서 2쌍으로줄임으로써브레이크의제동력을반으로감소시켜플라이휠의중량을 500 kgf 수준으로하여장착하였다. 또, 2쌍의마찰판 / 디스크만을 1148/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 12 호, 2010 년
지게차용습식브레이크의스퀼소음저감에관한실험적연구 Model No. Table 1 Test ATF SAE viscosity class Viscosity (cst at 100 ) 1 10W 7.38 2 80W/90 13.5 3 85W/140 24 Fig. 2 Test rig for forklift squeal noise experimentation 장착하여비게되는공간에는디스크와같은형상의대용부품을가공하여장착하였다. 이와같은시행착오의시험과정을거쳐, 윤활유의교체, 회전수의변경, 마찰판 / 디스크부품교체등이가능한, 다양한시험조건에서스퀼소음의발생유무와그특성의측정이가능한실험장치를개발하였다. 3. 마찰판패드의실험조건과실험방법제작된실험장치를이용하고, 윤활유와마찰판패드, 모터의회전속도를변경시켜브레이크소음을측정하였다. 윤활유는 Table 1과같이자동변속장치윤활유 (ATF) 의 3종류모델 (Model #1 : 일반자동차용미션오일, Model #2 : 지게차전용액슬오일, Model #3 : 기어오일 ) 을사용하였으며, 마찰판패드는펄프의기본재질에규조토를조정재로첨가하여제작하였다. Fig. 3과같이 3종류의그루브형상을적용하였고, 하나의패드에 3종류의첨가재를각각적용하여 Table 2와같이총 9종류마찰판패드를제작하여실험하였다. 단, 격자무늬패드의경우, 면적을더크게하여패드의면적에따른스퀼소음특성도실험하였다. 모터의회전수는인버터를적용하여 5개시험조건 (600 rpm, 800 rpm, 1,000 rpm, 1,200 rpm, 1,500 rpm) 으로가변속시켜실험하였다. 소음측정시험은실험장치를 30분동안 1,000 rpm으로운전시키면서 20회의제동을한후, 브레이크마찰판이위치하는구동축프레임의표면온도가약 80 수준으로되었을때, 시험을하였으며시험중에도온도를일정하게유지시켜시험하였다. 이것은윤활유의온도는점성을결정하는주요한 (a) (b) (c) Fig. 3 Plate-friction pads : (a) no groove; (b) circumferential groove; (c) waffle type groove Table 2 Plate-friction pads Model No. Groove Additives 1 No groove Aramid 2 Circumferential groove Aramid 3 Waffle type groove & large pad Aramid 4 No groove Carbon fiber 5 Circumferential groove Carbon fiber Waffle type groove 6 & large pad 7 No groove 8 Circumferential groove 9 Waffle type groove & large pad Carbon fiber Carbon fiber & carbon powder Carbon fiber & carbon powder Carbon fiber & carbon powder 인자이므로, 시험의온도조건을일정하게하고자하였다. 각시험조건에대해제동실험을반복수행하였으며, 마이크로폰을시험장치에근접시켜 (30 cm) 음압 (SPL) 을측정하였다. 동시에모터축과구동축의회전수와구동축프레임의온도를관찰하였다. 소음신호는시간영역에서간격 =0.05ms(20 khz) 으로 30만개의데이터를한세트로샘플링하여주파수특성을분석하였다. 4. 스퀼소음측정실험결과 4.1 마찰판패드의첨가재변경조건 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 12 호, 2010 년 /1149
김 태 종 구 자 함 정 의 봉 김 영 현 주 원 호 Table 2의 1번, 4번, 7번 패드와 3번 모델 윤활유 4.2 마찰판 패드의 그루브 형상 변경 조건 (ATF)를 사용하여 모터 회전수 1,200 rpm에서 브레 Fig. 5는 모터 회전수 1,200 rpm과 1번 모델 윤활 이크 작동 전과 작동 할 때의 소음을 주파수 스펙 유를 사용하여 때, 1번, 2번과 3번 패드를 적용하였 트럼 선도로 Fig. 4에 나타내었다. 1번, 4번 패드를 적용한 경우에 비하여 7번 패드를 적용한 경우의 을 때의 스퀼소음을 측정하여 주파수 스펙트럼 선 스퀼소음 크기가 약간 적게 나타났지만, 마찰판 패 드의 첨가재에 따른 영향이라고 판단하기에는 소음 가장 큰 스퀼소음이 나타났으며, 3번 패드를 적용한 경우에서 가장 작은 스퀼소음이 나타났다. 또한, 1 레벨의 차이가 매우 적다. 또한, 원주방향 그루브가 번 패드와 2번 패드를 적용한 경우에 측정한 스퀼 있는 패드들(2번, 5번과 8번 패드)을 사용하여 소음 소음 레벨의 차이(10 db)가 2번 패드와 3번 패드를 을 측정하였을 경우와 격자 무늬 형태의 그루브(3 적용한 경우의 스퀼소음 레벨 차이(5 db)보다 약 2 번, 6번과 9번 패드)를 사용하여 소음을 측정하였을 배 정도 크게 나타났다. 경우에도 소음레벨의 차이는 매우 작게 나타났다. 도로 나타낸 것이다. 1번 패드를 적용한 경우에서 따라서, 마찰판 패드 그루브의 유무가 스퀼소음 (a) Pad model #1 (a) Pad model #1 (b) Pad model #4 (b) Pad model #2 (c) Pad model #7 (a) Pad model #3 Fig. 4 Comparison of the frequency spectrum with different materials Fig. 5 Comparison of the frequency spectrum with different groove pattern 1150/한국소음진동공학회논문집/제 20 권 제 12 호, 2010년
지게차용습식브레이크의스퀼소음저감에관한실험적연구 저감에큰영향을주고있다는것을확인할수있다. 이러한경향은탄소섬유첨가재를사용한패드들 (4번, 5번과 6번패드 ) 과탄소섬유와탄소분말을첨가재로사용한패드들 (7번, 8번과 9번패드 ) 을이용한소음측정결과에서도유사하게나타났다. 4.3 윤활유변경조건마찰판에 6번패드를적용하고, 모터를 1,200 rpm으로회전시키면서, 3종류의윤활유를바꿔가면서소음측정실험한결과를 Fig. 6에나타내었다. 1번모델윤활유를사용하였을때, 가장큰스퀼소음이나타났으며, 3번모델윤활유를사용하였을 때가장작은스퀼소음이발생하였다. 이러한결과는윤활유점도값의영향이매우크게나타난다고보여지며, 4, 5번패드를사용하여시험하였을때보다 6번패드를적용한경우에윤활유점도값과마찰판패드의면적에따른소음저감현상이더확연하게나타났다. 그루브가없는 4번패드를사용한경우, 윤활유의종류에따른소음저감효과가나타나지않았으며, 반경방향그루브를가진 5번패드의경우, 윤활유에따른소음저감효과가부분적으로나타났다. 5. 결론 (a) ATF Model #1 (b) ATF Model #2 (a) ATF Model #3 Fig. 6 Comparison of the frequency spectrum with different ATF 이논문에서는지게차용유압습식브레이크에서발생하는스퀼소음저감을위해설계단계에서활용할수있는실험장치를개발하였다. 이실험장치를이용하여윤활유 (ATF), 마찰판패드의첨가재, 그루브의형상을변경시켜서, 이와같은조건이스퀼소음에미치는영향을조사하였다. 동일한모터회전속도, 윤활유와그루브형상을사용한조건에서마찰판의첨가재가다른시편의스퀼소음을측정하였을경우, 시편에따라 1~3 db 정도의소음레벨차이가나타났으나, 마찰판패드의첨가재에따른소음레벨차이라고판단하기에는그차이가너무적게나타났다. 따라서습식유압브레이크의경우, 펄프재질에아라미드, 탄소섬유, 탄소섬유와탄소분말의첨가재를각각적용한마찰판패드에서스퀼소음저감현상은특별히나타나지않는다고판단된다. 마찰판패드의그루브에의한스퀼소음특성을파악하기위한실험에서, 그루브가없는패드는그루브가있는패드를적용하여스퀼소음을측정하였을때보다훨씬큰스퀼소음이발생하였다. 또, 격자무늬그루브형상마찰판패드가원주방향그루브를적용한패드를사용하였을경우보다스퀼소음저감이큰것으로확인되었다. 또한, 동일한모터의회전속도, 첨가재와그루브형상이동일하고윤활유만다른조건에서스퀼소음을측정하였을때, 그루브가없는마찰판패드의경우에는윤활유의점도에따른스퀼소음저감현상이나타나지않았다. 하지만, 원주방향의그루브를적용한패드의경우에는부분적으로윤활유점도값에따른스퀼소음저감현상이나타났으며, 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 12 호, 2010 년 /1151
김태종 구자함 정의봉 김영현 주원호 격자무늬그루브를적용한패드의경우에는윤활유점도값의영향이명백하게나타났다. 이상의실험결과로부터, 습식브레이크의제동시발생되는스퀼소음은윤활유특성에영향을받는유체윤활의특성을나타낸다는것을알수있었다. 따라서, 지게차습식브레이크의경우, 스퀼소음은윤활유의유체윤활특성에지배적이므로점도값과패드면적의영향이잘나타나고, 원주방향그루브보다격자무늬그루브를적용한경우에스퀼소음저감효과가더크게나타난다. 참고문헌 (1) Yoo, H. H., Park, K. B., Shin, S. H. and Kim, T. I., 1997, Development of a Procedure to Calculate Principal Internal Force for the Strength Design of a Forklift Truck Brake System, The Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 5, No. 5, pp. 27~36. (2) Kim, W. H., Joo, W. H. and Kim, S. K., 2004, Vibration Characteristics and Countermeasures of a Transaxle Type Forklift Truck, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 912~918. (3) Lee, D. I., Choi, H. W., Park, K. B. and Lee, S. K., 1996, Dynamic Response Optimization for Vibration Reduction of the Fork-lift Truck, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 155~160. (4) Ra, D. J., Kim, J. H., Choi, S. B. and Kim, N. I., 2004, Study on Riding Quality Improvement of a Forklift Truck through Structural Vibration Analysis, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 542~545. (5) Kim, W. H., Hong, I. H. and Chung, J. T., 2008, A Study on Noise Reduction for the Driving System of a Forklift, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 80~86. (6) Michael, R. A., 1992, Key Elements of Wet Brake and Clutch Design, SAE 921660. (7) Michael A. A., 1986, Vibration and Noise in Oil-immersed Friction Couples-A Basic Discussion, SAE 861202. (8) Friesen, T. V., 1983, Chatter in Wet Brakes, SAE 831318. (9) Scott, W., Suntiwattana, P., 1995, Effect of Oil Additives on the Performance of a Wet Friction Clutch Material, Wear, Vol. 181, pp. 850~855. (10) Severin, D., Dorsch, S., 2001, Friction Mechanism in Industrial Brakes, Wear, Vol. 249, pp. 771~779. (11) Stempien, Vincent M., 1981, Wet Disk Brakes for Off-highway Vehicles, SAE 811288. (12) Staph, H. E., 1985, Experimental Study of Wet-Brake Friction, SAE 851575. (13) Jang, H. K., Lee, S. H. and Kim, T. I., 1996, Reduction of Wet Brake Squeal in Forklift, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 98~103. (14) Kim, T. J., Jeong, W. B., Kim, M. S., Kim, Y. H. and Joo, W. H., 2009, Experimental Study of Wet-brake Squeal Noise in a Forklift, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 5, pp. 996~1002. 1152/ 한국소음진동공학회논문집 / 제 20 권제 12 호, 2010 년