복합재 브레이크의 실차 유효성 검증에 관한 연구

1. 서 론

경량화 및 고성능에 대한 요구는 자동차 산업의 중요한 이슈 중 하나이다. 특히, 북미 CAFE 규제와 같은 강력한 개발 기준 등으로 인하여 향후 더욱 더 치열한 연구 개발이 요구되어 지고 있다.

이와 같은 상황에서 최근 언더바디 샤시 부품 및 차체 구조와 같은 곳에 대하여 복합재의 차량 적용 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이와 같은 이유는 복합재가 갖는 기계적･열적 우수성과 주철 대비 낮은 밀도를 통한 탁월한 경량화 효과를 얻을 수 있기 때문이다.¹⁾

한편, 글로벌 경쟁사들은 고급차 개발의 품질 및 인프라를 지속적으로 확보하기 위하여 자국내 생산 및 기술 국산화를 유지하고 있다.

이와 같은 시사점으로 미루어 봤을 때 국내 자동차 산업의 경쟁력 확보를 위하여 다양한 경량화 및 고성능에 대한 연구가 시급하게 요구되어진다.

본 연구에서는 이와 같은 시장 상황에 대응하기 위하여 경쟁사와 차별화 되는 새로운 카본 세라믹 기반의 복합재 브레이크 시스템을 제안하고자 한다. 경쟁사 복합재 기술을 분석하여 단점 개선 및 글로벌 특허망을 확보하여 국내 복합재 기술력 및 인프라를 구축하고자 하였다.

새로운 복합재 브레이크 시스템 개발을 위하여 경쟁사 복합재 브레이크 시스템에 대한 치밀한 벤치마킹 분석을 시도하였으며, 다양한 기술 개발 방법을 적극적으로 병행하여 새로운 컨셉을 개발하고자 하였다. 최종적으로, 이와 같은 새로운 시도를 통하여 향후 국내 제동 시스템의 경량화 및 고급화 기술 개발에 기여하고자 하였다.

2. 모노블록 캘리퍼 강성 최적화

운전자의 제동 의지는 부스터의 배력 작용을 거쳐 형성된 제동 유압을 최종적으로 캘리퍼와 디스크의 상호 마찰력을 발생시켜 차량을 정지시키게 된다.

따라서, 고급차에 걸맞는 선형적이고 신뢰성 있는 제동감을 얻기 위해서는 높은 액압에 대하여 충분한 강성을 갖는 모노블록 캘리퍼의 설계가 요구된다.

아래의 Fig. 2는 물질-장 모델 분석을 적용하여 개발된 전륜 6피스톤, 후륜 4피스톤 모노블록 캘리퍼의 강성 확보 개념 및 설계를 나타내고 있다. 물질-장 모델 분석이란 서로 독립된 두 물체를 기계적, 전기적, 화학적 장 등을 이용하여 두 물체의 상호 연결 관계를 분석한 후 새로운 물질-장 모델로 변경하는 개발 방법론으로 러시아의 TRIZ 전문가들에 의해서 개발되었다.

Fig. 1

Process for developing a new composite brake system

Fig. 2

Concept design of mono block caliper using substance- field model analysis and trimming

본 연구에서는 이와 같은 방법론을 적극적으로 적용하여 기존 설계 모델과 차별화되는 독자적인 설계 모델을 얻고자 하였다.

먼저, 모노블록 캘리퍼에서 마찰재의 지지를 위하여 기존에 사용되고 있는 볼트~체결핀 구조 대신 체결핀을 삭제하고 직접 볼트를 캘리퍼 하우징에 연결하는 개념을 도출하였다.

이를 통해 볼트의 활용도를 마찰재의 단순 지지뿐만 아니라 제동시 강성을 추가적으로 증대 시켜주는 구조가 되도록 하였다. 또한, 추가적으로 체결핀을 삭제함으로써 작업성 향상에 기여할 수 있도록 하였다.

한편, Fig. 3은 Fig. 2의 개념 설계를 기반으로 추가적인 해석을 거친 최종 설계 결과를 나타내고 있다.

Fig. 3

Comparison results of front 6 piston and rear 4 piston mono block caliper about stiffness

일반적으로 사용되는 70 bar를 기준으로 유압을 모노블록 캘리퍼에 가할 경우 하우징의 강성 변화를 계측하였다. 계측한 결과 전륜은 10 %, 후륜은 23 %의 강성 개선 효과를 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 전술한 바와 같이 마찰재 지지구조를 직접 모노블록 캘리퍼에 볼트 체결한 것과 더불어서 모노블록 캘리퍼 상단에 중간 빔을 구성한 결과이다. 또한, 모노블록 캘리퍼 설계 초기부터 디자인 외관에 대한 고려를 통하여 경쟁사 동등의 고급스러운 외관 이미지를 구현하도록 하였다.

3. 디스크 체결구조 개발

본 연구에서는 고급차의 제동 우수성과 상품성 향상을 위하여 카본 세라믹 복합재를 이용한 디스크를 개발하였다.

단일 주철 재질과 달리 카본 세라믹 복합재는 주기능인 마찰재와의 마찰력을 담당하는 플레이트와 제동력을 휠에 전달하는 HAT을 별도의 체결구조를 이용하여 결합 후 차량에 적용하게 된다.^1-13)

Fig. 4의 (a)부터 (e)는 기능 분석에서부터 물질-장 모델 분석을 통하여 새롭게 고안된 체결구조의 개념 설계 및 최종 개발된 상세 설계 결과를 각각 나타내고 있다.

Fig. 4

Concept design and verification of coupling structures using function analysis and substance-field model analysis

도시된 바와 같이 경쟁사에서 사용하고 있는 체결구조를 기준으로 부쉬 가이드, 텐셔너, 너트를 기능 분석을 통하여 트리밍 하였으며, 이를 대체하기 위하여 새롭게 웨이브 와셔를 사용하는 체결구조를 고안하였다.^14-16)

또한, 체결구조의 설계 적합성 확보를 위하여 안전율을 고려한 해석을 수행하였으며, HAT 및 체결구조 모두 항복강도 대비 3.62와 1.53이상의 충분한 안전율을 갖도록 하였다.

최종적으로 Fig. 4의 (e)의 하단에 도시된 것과 같이 경쟁사 대비 조립성 향상과 외관 이미지를 개선하여 고급스러운 체결구조를 얻을 수 있도록 하였다.

4. 파킹 통합형 리어 디스크 개발

제동 시스템은 차량에 감속도를 발생 및 증대시켜 주행 중인 차량을 안정적으로 정지시키는 기능뿐만 아니라, 차량의 안정적인 주차 상태를 유지해야 하는 기능도 요구된다.

아래의 Fig. 5의 (a)는 본 연구에서 새롭게 제안한 파킹 통합형 리어 디스크의 물질-장 모델 분석을 통한 개념 설계 결과를 나타내고 있다.

일반적으로, 리어 디스크의 경우 위의 Fig. 5의 (b)의 Existing model에서와 같이 HAT 부분을 주철 단일 재질로 구성하여 라이닝과의 마찰을 통하여 차량을 정지시키고 있다. 이럴 경우 차량의 스프링 아래 질량이 증가하게 되며, 결과적으로 연비 및 R&H 성능 저하를 발생시키게 된다.

Fig. 5

Concept design of rear carbon ceramic composite disc using function analysis and substance-field model analysis

한편, 위의 Fig. 5의 (b)의 New model은 이중 주조 접합 공법을 사용하여 구성된 HAT을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이 기존의 주철 단일 재질 HAT을 분할하여 차량의 주차 상태를 유지하는 기능을 담당하는 부분은 주철 재질로 구성하였으며, 그 외의 HAT 부분은 차량의 중량 저감 효과를 극대화하기 위하여 AL으로 구성하였다. 중량 저감에 상세한 효과 분석은 6.5에서 별도 다루어 보고자 한다.

5. 디스크 마모수명 측정 구조 개발

사용자에게 정확한 디스크 교환 시기를 알려주기 위하여 제조사는 별도의 마모 수명 측정 수단을 디스크에 적용하고 있다.

Fig. 6은 카본 세라믹 복합재 디스크에 대한 경쟁사 마모 표시 사례를 나타내고 있다.

Fig. 6

Concept design of wear indicators using substance-field model analysis

도시된 바와 같이 경쟁사의 경우 복합재 디스크의 마찰면에 대하여 다양한 형상을 갖는 소재를 적용하고 있다.

이때, 소재가 마찰면보다 마찰 및 마모 내구성이 열세하게 설계를 함으로써 열화 내구 진행에 따른 마모로 인하여 육안 식별이 가능토록 하고 있으며, 동시에 마모 수명 한계치를 규정하여 사용자에게 정확한 디스크 교환시기를 알려주게 된다.

그러나, 이와 같은 방법은 회전체인 디스크를 고려하였을 때, 불균일한 무게 감소로 인하여 전체 디스크의 웨이트 밸런스를 악화시킬 수 있게 되어 이상 떨림 및 소음에 대한 문제점을 유발시키게 된다. 또한, 마모 수명 측정 부분에 있어서도 발생되는 변화에 대해 운전자가 직관적으로 교환 시기를 판단하는데 어려움을 가질 수 있게 된다.

따라서, 본 연구에서는 이와 같은 문제점을 고려하여 위의 Fig. 6에서와 같이 물질-장 모델 분석을 통한 새로운 타입의 마모 수명 측정 구조를 도출하였다.

도시된 바와 같이 마찰면 주위에 규칙적인 등분을 갖는 일정 크기의 홈을 성형하여 마찰재 1/2 면적에 대하여 마찰을 발생하게 하는 구조를 갖게 하였다. 그리고 열화 내구가 진행됨에 따라 디스크 마찰면의 마모가 진행되어 최종적으로 홈의 면과 일치하는 순간을 갖게 하였다.

이를 통해 사용자가 직관적으로 디스크 교환 주기를 인지하기 쉽게 하였으며, 균일 배치 및 균일 마모를 통하여 디스크의 웨이트 밸런스의 악화에 의한 이상 떨림 및 소음 문제를 사전에 억제하도록 하였다.

6. 평가

6.1 모노블록 캘리퍼 강성 평가

2장에서 해석 및 설계된 전･후륜 모노블록 캘리퍼에 대한 성능 검증을 위하여 평가를 실시하였다. 평가 방법은 모노블록 캘리퍼를 지그에 장착한 후 0에서 160 kgf/cm²까지 유압을 순차적으로 인가하여 모노블록 캘리퍼의 소요액량을 계측하였다. 아래의 Fig. 7은 전륜 6 Piston, 후륜 4 Piston 모노블록 캘리퍼에 대한 경쟁사와본 연구의 개발 결과에 대한 소요액량 상대 비교 결과를 각각 나타내고 있다.

Fig. 7

Test results of front 6 piston and rear 4 piston mono block calipers

평가 결과 70 bar 및 유압 인가 전구간에 대해서 전륜 6 Piston, 후륜 4 Piston 모노블록 캘리퍼 모두 경쟁사들 대비 소요액량이 매우 우세한 것으로 계측되었으며, 전체 압력 구간에 대한 전체 소요액량 변화량도 경쟁사들 대비 낮은 기울기를 나타내고 있음을 확인하였다.

이와 같은 결과는 2장에서 개발한 마찰재 지지구조를 직접 모노블록 캘리퍼에 볼트 체결한 것과 더불어 상단의 중간빔을 적용하여 강성을 증가시킨 결과이다. 이와 같은 평가를 통하여 본 연구에서 수행한 컨셉 설계 및 추가 해석 결과를 기반으로 개발된 전･후륜 모노블록 캘리퍼의 설계가 타당함을 확인할 수 있었다.

6.2 파킹 작동내구 평가

4장에서 경량화 극대화를 위하여 개발된 이종 주조 기법을 검증하기 위하여 해석 및 가혹 반복 내구 평가를 수행하였다. 먼저, 해석 방법은 충분한 안정성 확보를 위하여 경사로 파킹 조건에서 실시하였으며, 가혹 반복 내구 평가는 파킹 작동 내구를 5만회 연속 실시하여 파손 발생 유무를 확인하였다. 파킹을 5만회 연속에서 실시하는 것은 차량 조건 상황은 아니지만, 본 연구에서 제안한 이종 주조 기법의 완성도 검증을 위하여 한계 평가를 실시하였다.

아래의 Fig. 8은 파킹 통합형 리어 디스크의 평가 결과를 나타내고 있다.

Fig. 8

Test results of operation endurance according to parking friction material thickness

도시된 바와 같이 마찰면 두께 5 t의 경우 파킹 작동 내구 4만회에서 크랙이 발생하였으며, 해석 결과에서도 크랙 발생부에서 Max. stress와 Max. deformation 분포를 갖는 것으로 확인하였다. 한편, 마찰면 두께 6.5 t의 경우는 5만회 파킹 작동 내구 이후에도 습동부 들뜸이나 크랙의 발생이 없었다. 따라서, 가혹한 평가 모드를 반영한 마찰면 두께 6 t를 갖는 파킹 통합형 리어 디스크의 설계가 적합함을 확인할 수 있었다.

6.3 내구 평가

2장부터 5장까지의 개발된 전･후륜 모노블록 캘리퍼와 복합재 디스크를 포함한 전체 제동 시스템에 대한 종합적인 내구 검증을 위하여 확인 평가를 실시하였다. 내구 평가는 초기 저감속 구간에서 Heating 구간을 실시하고, 중반부의 Hot Perform 구간을 마친 후, 후반부 고감속 구간에서의 Spike 제동 순으로 실시하였다.

이와 같은 평가는 복합재 브레이크 시스템에 대한 가혹 제동 조건하에서 내구 성능을 확인할 수 있다는 점에서 매우 중요한 평가라 할 수 있다.

Fig. 9는 평가 장비 및 평가 후 복합재 디스크의 앞･뒷면 상태를 각각 나타내고 있다.

Fig. 9

Test results of operation endurance of front and rear carbon ceramic composite discs

내구 평가를 마친 후 제동 시스템 전체에 대하여 파단, 균열 및 기타 이상 없음을 확인하였으며, 본 연구에서 고안한 컨셉 설계 및 상세 설계 결과가 이상 없음을 확인하였다.

6.4 실차 제동감 평가

내구 평가 수행을 실시하여 복합재 브레이크 시스템의 신뢰성을 검증한 후 최종적으로 실차에 적용하여 제동감 평가를 수행하였다. 아래의 Fig. 10은 전･후륜 복합재 브레이크 시스템을 실차 상태에 탑재하여 평가한 제동감 계측 결과를 나타내고 있다. 평가 방법은 확보된 고강성, 고마찰 특성을 기반으로 부스터 배력비를 실차 상태에서 최적 튜닝하여 고급스러운 제동감을 확보할 수 있도록 하였다.

Fig. 10

Test results of brake feeling

도시된 바와 같이 배력비 6을 적용하여 감속도에 따른 페달 효력감을 계측한 결과 효력감이 요구성능 대비 부족하였으며, 배력비 10.5을 적용하였을 경우 효력감은 만족하나 제동시 급작감과 같은 이질감을 확인하였다. 한편, 밟는감 계측 결과에서는 전체 배력 사양에 대해서 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.

최종적으로, 복합재의 고마찰 특성을 고려하였으며,^14,15) 개발된 고강성 모노블록 캘리퍼의 실차 보정을 위하여 부스터 배력비를 8로 튜닝한 후 실차 평가를 수행한 결과 고급차에서 요구되는 선형적이면서 안정적인 제동감을 얻을 수 있었다.

한편, 실차 제동감 평가와 더불어서 디스크 온도를 계측하였다. 평가 방법은 AMS 평가 모드를 활용하여 평가를 수행하였으며, 평가 결과 506 °C 이하의 온도 분포를 갖는 것으로 확인 되었다. 복합재의 경우 주철 대비 2배 수준인 1,300 °C 이상에서도 높은 내열 특성으로 인하여 열변형이 발생하지 않는다.^1,2) 따라서, 계속에서 출력이 높아지고 있는 고급차 및 EV (Electric Vehicle)의 파워트레인 경향을 고려했을 때 향후 폭넓게 활용될 수 있을 것이다.

7. 파급 효과 분석

본 장에서는 카본 세라믹 복합재 디스크를 이용하여 차량에 적용할 경우 발생되는 파급 효과 및 향후 제동 분야에 대한 기술 진화 트랜드를 예측하고자 한다.

첫째, 가장 중요한 파급 효과 중 하나는 전술한 바와 같이 매우 우수한 제동성능을 구현할 수 있다는 점이었다. 이는 기존 브레이크 시스템에서는 구현될 수 없는 기술로서 고급차의 제동 고급감 및 상품성 향상에 크게 기여할 수 있을 것이다.

둘째, 매우 탁월한 경량화 효과를 통한 주행성능 및 연비 향상 효과를 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 결과는 카본 세라믹 복합재의 소재 특성 가운데 하나인 밀도가 단일 주철 재질 대비 33 % 수준이면서, 열적, 기계적 특성이 우수하기 때문에 가능한 결과이다.

아래의 Fig. 11은 3가지 브레이크 디스크 재질에 대하여 동일 사이즈를 고려하여 설계했을 경우 각각의 재질별 중량 차이를 비교한 결과이다.

Fig. 11

Comparison result of total weight according to various disc materials

도시된 바와 같이 복합재 디스크는 단일 주철 재질 대비 50 % 이상의 경량화 효과, 이종 주조 재질 대비는 42 % 이상의 경량화 효과를 각각 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 경량화 효과로 차량의 스프링 아래 질량을 크게 저감할 경우 주행 성능 및 연비 향상에 크게 기여할 수 있게 된다.

셋째, 미래 제동 기술 분야인 BBW(Brake By Wire) 기반의 EMB(Electro Mechanical Brake) 시스템을 고려할 경우 복합재를 적용하여 기존 브레이크 시스템보다 상대적으로 뛰어난 마찰 특성을 얻게 된다면, EMB의 모터 사이즈를 대폭 축소하는 것이 가능하게 된다.^14,15)

이와 같은 결과는 원가 절감 및 차량의 충돌 성능 향상 효과를 가져올 수 있게 되며, 순차적으로 EMB의 실차 적용에 있어 기술적으로 한발 더 다가갈 수 있게 될 것이다.

넷째, 차량의 제동 안정성 기술 향상 측면에서도 AEB(Automatic Emergency Braking) 등과 같은 타 시스템과의 협조 제어 기술을 향상시키기 위해서는 기본적인 제동 성능 확보 토대 위에서 제어 기술을 지속적으로 발전시켜야 전체적인 차량의 제동 제어 안정성을 향상 시킬 수 있을 것이다.

다섯째, 전기차 등의 다양한 친환경 차량 개발에 있어서 경량화에 대한 니즈 뿐만 아니라 지속적으로 회생 제동량을 증가해야 하는 상황에서 디스크 녹 발생과 같은 부식 문제를 완벽하게 해결할 수 있다.

여섯째, 경쟁사들의 경우 카본 세라믹 복합재 브레이크를 독자적인 모델로 활용하면서 높은 수익성 및 자사 고급차의 브랜드 가치를 높이고 있다.

따라서, 고급차 시장에서 지속적으로 경쟁하면서 기존 차량과의 성능 및 브랜드 차별화를 이루기 위해서는 카본 세라믹 복합재 브레이크 시스템의 필수적인 적용이 필요할 것이다.

8. 결 론

본 연구는 최근 자동차 산업에서 활발한 연구가 이루어지고 있는 복합재를 이용한 브레이크 시스템의 최적설계 및 실차 유효성 검증에 관한 연구였으며, 아래와 같은 유효한 결론을 얻을 수 있었다.

• 1) TRIZ 기술 개발 방법론인 기능분석과 물질-장 모델 분석을 통하여 카본 세라믹 복합재 브레이크 시스템의 각 주요 구조에 대한 신개념 설계 컨셉을 도출하였다.
• 2) 고급차에 걸맞는 상품성 확보를 위하여 도출된 컨셉에 대한 상세 설계를 실시하였으며, 부품 제작 결과 경쟁사 동등 이상의 고급스러운 외관 형상을 구현할 수 있었다.
• 3) 설계의 적합성 검증을 위하여 경쟁사와 성능 비교 평가를 수행한 결과 전륜 10 %, 후륜 23 % 이상의 강성 향상 결과를 얻을 수 있었다.
• 4) 실차 평가 결과 경쟁사 동등 이상의 제동 고급감을 확인하였으며, 이를 통해 향후 고급차 브랜드 개발시 제동 관련 중요 기술력을 확보할 수 있도록 하였다.
• 5) 경량화에 대한 효과 분석을 수행하였으며, 본 연구 결과를 활용할 경우 R&H 성능 및 연비 향상에 크게 기여함을 확인하였다.
• 6) 카본 세라믹 복합재 브레이크 시스템에 대한 발전 방향 및 제동 관련 기술에 대한 파급 효과를 시장 상황과 고려하여 종합적으로 분석하였다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2018 Spring Conference

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