[ <응용논문> ]

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 30, No. 5, pp.397-403

ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)

Print publication date 01 May 2022

Received 28 Dec 2021 Revised 09 Mar 2022 Accepted 11 Mar 2022

DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2022.30.5.397

브레이크 디스크 두께 편차와 런아웃이 냉간 저더에 미치는 영향에 관한 실험 분석

정준휘¹⁾

; 신응수^*^{, 2)}

1)쌍용자동차 주행성능개발팀
2)충북대학교 공과대학 기계공학부

Experimental Study on the Effects of the Brake Disc Thickness Variation and Run-out on the Cold Judder

Jun hui Jeong¹⁾

; Eung soo Shin^*^{, 2)}

1)Driving Performance Development Team, Ssangyong Motor Co., 455-12 Dongsak-ro, Pyeongtaek-si, Gyeonggi 17749, Korea
2)School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University, Chungbuk 28644, Korea

Correspondence to: ^*E-mail: esshin@cbnu.ac.kr

Copyright Ⓒ 2022 KSAE / 198-07
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.

Abstract

In this study, the effects of the disc thickness variation(DTV) and runout on the brake cold judder were investigated through an experiment. A vehicle test was performed to measure hydraulic pressure fluctuation, brake torque variation, and vibrations at the brake pedal, the low arm, and the steering wheel. Also, a road test without braking was conducted to investigate the growing process of DTV. It was found that the cold judder was closely related to DTV, but it was also affected by the runout. Furthermore, disc runout caused DTV growth, which led to the cold judder. Finally, severe vibrations due to the cold judder could be reduced by controlling the runout, and adjusting the modal characteristics of the vehicle subsystems, including the lower arm, the steering wheel, and the dashboard.

Keywords:

Cold judder, Brake disc, Disc thickness variation, Brake torque variation, Run-out

키워드:

냉간 저더, 브레이크 디스크, 디스크 두께 변화, 브레이크 토크 변화, 런 아웃

1. 서 론

최근 전기자동차 및 수소자동차와 같은 친환경자동차의 급속히 증가하면서 차량의 고출력화 및 경량화가 더욱 가속화하고 있다. 하지만 이로 인하여 제동장치의 강성 부족, 기계적 결함 및 부품 불량 등의 발생이 늘어나고 있다. 또한 주행 중 반복적인 제동으로 브레이크 디스크(Brake disc) 면에서 발생하는 마찰은 디스크의 불균일한 마모와 열변형을 초래할 수 있으며 그 결과로 나타나는 디스크 두께 변동(Disc Thickness Variation: DTV)은 브레이크 페달의 떨림 현상, 차체 진동 및 럼블 소음 같은 문제를 발생시킬 수 있다.^1,2) 이러한 이상 진동 현상을 브레이크 저더(Brake judder)라 하는데 운전자에게 심한 불안감을 줄 뿐만 아니라 차체, 브레이크 페달 및 조향 장치에 심각한 문제를 초래할 수 있다.³⁾

일반적으로 브레이크 저더의 발생 메커니즘은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 디스크의 DTV가 가진원이 되어 브레이크 유압 변동이 발생하면 그로 인하여 브레이크 토크 변동(Brake Torque Variation: BTV)이 유발되고 최종적으로 BTV가 차량 전달계의 공진을 일으킴으로써 발생하는 것으로 알려져 있다.⁴⁾

Fig. 1

Mechanism of causing the brake judder

브레이크 저더는 DTV의 발생 원인에 따라 냉간 저더(Cold judder)와 열간 저더(Hot judder)로 구분할 수 있다. 냉간 저더는 브레이크 디스크의 초기 가공 불량이나 조립 오차 등의 원인으로 저속에서 나타나는 저더 현상이고 반면에 열간 저더는 고속 주행시 반복 제동으로 디스크 표면에 나타나는 열섬(Hot spot)에 의해 발생하는 저더이다.

따라서 브레이크 저더에 관한 기존의 연구는 근본 발생 원인이 되는 DTV의 성장을 억제하는 방법에 관해 많은 연구가 진행되어 왔으며 DTV의 결과로 나타나는 BTV를 감소시키는 방법에 관한 연구도 다수 발표된 바 있다.^5-7) 또한 냉간 저더의 전달 경로인 서스펜션과 스티어링 휠, 그리고 각 마운트 부시의 진동특성을 개선하는 방법에 관해서도 많은 연구가 진행되어 왔다.⁸⁾

한편으로는 브레이크 디스크의 런아웃(Runout)과 DTV의 관계를 분석하고 저더 발생에 미치는 영향을 복합적으로 분석한 연구들이 많이 있는데 디스크 장착 상태에서 디스크 면의 횡방향 거리의 변화 폭으로 정의되는 런아웃이 DTV를 악화시키고 그 결과로 저더 현상이 나타난다는 것을 확인하였다.^9-11)

앞에서 말한 것과 같이 DTV는 브레이크 디스크의 초기가공 불량으로 인하여 발생하거나 제동할 때 브레이크 패드의 불균일한 마모에 의해 발생한다. 반면에 런아웃은 허브 표면의 이물질 또는 분진, 부식으로 인한 불안정한 장착, 타이어 휠 볼트의 체결 불량 또는 브레이크 캘리퍼 문제로 인한 횡방향 틀어짐에 의해서 발생하게 된다. 본 연구에서는 DTV와 디스크 런아웃이 냉간 저더의 발생에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 그 해결 방안을 모색하고자 한다.

2. DTV 및 Runout과 냉간 저더의 관계

2.1 실차 시험 개요

Table 1은 실차 시험에 사용된 센서를 정리한 것으로서 측정량의 회전 위상을 보정하기 위한 펄스 센서, 유압 변동을 측정하기 위한 압력 센서, BTV 측정을 위한 스트레인 게이지, 저더 전달 경로상의 브레이크 페달, 스티어링 휠, 차체 대시보드에서의 진동 가속도를 측정하기 위한 가속도계로 구성하였다. Photo. 1은 각 센서들의 장착 후 사진이다.

Table 1

Sensors and pre-measurement of the vehicle test

Photo. 1

Sensors installed for the vehicle test

실차 시험에서 저더 평가용 디스크는 Table 2에 정리한 바와 같이 서로 다른 DTV와 런아웃을 갖는 3개의 샘플을 준비하였는데 DTV는 디스크 단품을 비접촉식 레이저 센서를 이용하여 측정한 반면 런아웃은 디스크를 차량에 장착 후 다이얼 게이지를 사용한 접촉 방식으로 측정하였다.

Table 2

Vehicle judder test of sample

샘플 A는 DTV와 런아웃이 모두 양호한 반면 샘플 B는 DTV가 크고 샘플 C는 런아웃이 큰 경우이다.

실차 시험에서 저더 평가를 위한 제동은 Table 3과 같이 브레이크 패드 온도 100도에서 초기 속도 160 km/h로부터 최종 속도 80 km/h까지 감속하였으며 감속도는 0.2 g와 0.35 g의 두 조건으로 평가하였다. 시험 평가자에 의한 관능 점수는 Table 4와 같이 부여하였는데 5점 이하는 저더 발생의 진동 크기가 너무 커서 매우 나쁜 수준에 해당하고 7점은 저더 발생의 임계치로서 7점 이상은 저더가 발생하지 않음을 의미한다.

Table 3

Vehicle test mode on the judder

Table 4

Judder’s subjective rating requirement

2.2 브레이크 DTV와 냉간 저더의 관계

브레이크 관능 평가 결과 런아웃이 5 µm으로 동일하지만 DTV가 3 µm으로 양호한 샘플A는 관능점수 9점으로 브레이크 저더가 발생하지 않았으나 DTV가 11 µm인 샘플B는 관능점수 6점으로 브레이크 저더가 발생하였다.

Fig. 2와 Fig. 3은 브레이크 유압 변동과 BTV의 측정 결과를 샘플 A와 샘플 B에 대해 각각 나타낸 것으로 DTV가 작은 샘플 A의 유압 변동은 최대 0.2 bar, BTV는 최대 36.4 Nm인 반면 DTV가 큰 샘플 B의 유압 변동은 최대 1 bar, BTV는 최대 70 Nm로 크게 나타났다.

Fig. 2

Pressure & torque variation of sample A

Fig. 3

Pressure & torque variation of sample B

또한 샘플 A와 샘플 B가 장착된 차량의 브레이크 저더의 전달 경로의 진동 즉 최대 가속도의 크기를 측정한 결과는 Fig. 4 및 Fig. 5와 같다. 샘플 A의 경우 브레이크 페달의 최대 진동은 22.85 m/s², 스티어링 휠의 최대 진동은 15.67 m/s², 차체의 최대진동은 13.57 m/s²로 매우 작게 나타났지만, 샘플 B는 브레이크 페달의 최대 진동은 31.22 m/s², 스티어링 휠의 최대 진동은 31.1 m/s², 차체의 최대진동 35.91 m/s²로 각 부위별 진동이 크게 발생되어 브레이크 냉간 저더가 발생됨을 확인할 수 있다.

Fig. 4

Vibration of sample A

Fig. 5

Vibration of sample B

2.3 디스크 런아웃과 냉간 저더의 관계

실차 저더의 관능평가에서 샘플 C는 관능점수 6점으로 브레이크 저더가 발생하는데 DTV가 3 µm으로 양호하나 런아웃이 30 µm으로 큰 경우이다. 샘플 C에 대해 유압 변동과 BTV를 측정한 결과 Fig. 6에 도시한 바와 같이 유압변동은 최대 0.83 bar, 토크변동은 최대 73.52 Nm로 크게 나타났다. 또한 저더 전달 경로 상의 진동 측정 결과를 나타낸 Fig. 7에서 브레이크 페달이 최대 진동은 30.6 m/s², 스티어링 휠이 최대 진동은 29.35 m/s², 차체가 최대 진동은 30.4 m/s²로 큰 진동이 발생하고 브레이크 저더가 유발됨을 알 수 있다. 즉 DTV는 양호하더라도 런아웃이 클 경우 냉간 저더가 발생한다는 것을 실차 시험을 통하여 확인할 수 있다.

Fig. 6

Pressure & torque variation of sample C

Fig. 7

Vibration fluctuation of sample C

3. 공전형 주행시험

3.1 공전형 시험 개요

앞 절에서는 DTV와 디스크 런아웃이 냉간 저더에 영향을 주는 요인이 되는 것을 시험을 통해 확인했다.

일반적으로 DTV 성장은 런아웃이 불량하거나 불안정한 상태에서 악화되는 것으로 알려져 있다. 냉간 저더의 발생 과정에서 런아웃이 DTV에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Table 5와 같은 평가 모드와 초기 조건으로 공전 6,000 km 주행 평가를 실시하였다. 평가 주행 코스는 Fig. 8과 같이 주간에는 경부고속도로부터 중부내륙고속도로에 이르는 400 km 구간과 야간에는 천안논산고속도로부터 호남고속도로에 이르는 200 km 구간에서 총 주행 거리가 6,000 km에 도달할 때까지 공전 주행 평가를 실시하였다.

Table 5

Durability test of the cold judder

Fig. 8

Durability test course

공전 주행 평가에서 제동으로 인한 열에 의해서 브레이크 디스크의 DTV가 변화하는 열간 저더 현상을 방지하기 위해 공전 주행 시 최대한 제동을 억제하였으며 20분 간격으로 감속도 0.1 g, 속도가 10 km/h가 될 때까지 제동을 실시하였다.

Fig. 9는 공전형 주행 평가 중에 브레이크 패드의 온도 변화를 보여주는 것으로 최대 온도가 80도를 넘지 않으며 평균 50도 정도로서 디스크의 열변형이 발생하지 않은 범위 내에서 평가되었음을 알 수 있다.

Fig. 9

Brake pad temperature during the durability test

3.2 디스크 Runout과 DTV의 상관 관계

공전 주행 평가 전후의 디스크 런아웃 변화를 보면 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 초기 장착 런아웃이 45 µm에서 6,000 km 주행 후에는 36 µm으로 9 µm이 줄어들었다. 이는 디스크와 브레이크 패드의 드래그에 의한 접촉으로 인하여 디스크 마모량이 증가하면서 런아웃 최대값이 감소했기 때문이다.

Fig. 10

Change in the disc runout before and after the durability test

또한 주행 평가 전후의 DTV의 변화를 보면 Fig. 11에 도시한 바와 같이 초기 디스크 DTV 4 µm에서 평가 후 17 µm으로 크게 변화됨을 알 수 있다. 즉, 초기에 디스크 장착 불량으로 인한 런아웃이 DTV를 급속하게 악화시키게 된다.

Fig. 11

DTV change before and after the durability test

이러한 DTV의 악화가 브레이크의 냉간 저더를 초래하게 되는데 그 전달 특성을 분석하기 위하여 브레이크 페달에서부터 차량 내부에 이르는 경로 상의 진동을 측정하였다. 이를 위하여 차량의 브레이크 페달, 로우 암, 스티어링 휠, 대시보드에 가속도계를 부착하고 차량 주행 상태에서 비 제동 시 및 제동 시의 진동을 측정하였으며 제동 시 브레이크 마찰재의 온도는 60도를 넘지 않도록 조절하였다.

Fig. 12 및 Fig. 13은 측정 결과를 스펙트로그램 형태로 나타낸 것으로서 비 제동 시와 제동 시의 진동 특성이 다르고 경로 상의 부품에 따라서도 달라지는 것을 확인할 수 있다. Fig. 13에서 제동 시 BTV는 브레이크 디스크 회전의 1차 성분이 지배적으로 나타나는 반면 로우 암의 진동 가속도 응답은 제동 후반부로 갈수록 1차 성분보다는 2차 성분이 더 크게 나타난다. 또한 스티어링 휠과 대시 보드의 진동 응답은 디스크 회전의 2차 성분이 지배적으로 나타나고 제동 후반부에는 3차 성분도 커지는 반면에 1차 성분은 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 12

Vibration responses on the judder path when driving

Fig. 13

Vibration responses on the judder path when braking

제동 시 진동전달경로 상의 모든 경우에 진동 응답의 2차 성분이 가장 크다는 것은 공전 시험 전후의 DTV가 디스크 런아웃에 의해 악화되었다는 것과 밀접한 관련이 있다. 또한 냉간 저더를 야기하는 BTV의 동일한 가진 특성에 대하여 로우 암, 스티어링 휠 및 대시 보드의 진동 응답의 주파수 특성이 다른 것은 이들 차량 시스템이 가지는 고유진동 특성과 브레이크 저더의 가진 특성 사이의 상호 작용에 의해 진동 응답이 결정되기 때문이다.

따라서 브레이크 냉간 저더에 의해 발생하는 차량 진동을 저감하기 위해서는 직접적인 진동원인 디스크 런아웃의 관리가 가장 중요하다. 또한 전달 경로 상의 차량 부품의 강성 조절을 통해서 저주파 영역에서의 고유진동 특성을 개선함으로써 진동 전달율을 낮추는 것이 필요하다.

4. 결 론

본 연구에서는 브레이크 냉간 저더 발생에 대한 실험 분석을 수행하였다. 브레이크 마찰재 온도를 80도 이하로 유지하여 브레이크 제동열에 의한 영향을 최대한 배제한 상태에서 실차 시험과 공전 주행시험을 수행한 결과 브레이크 DTV에 의해서 유압변동과 토크변동이 발생됨과 브레이크 디스크의 불안정한 런아웃이 DTV를 악화시킴에 따라 냉간 저더가 발생하여 차량 각부의 이상 진동 현상이 나타남을 확인하였다. 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

1)측정장비를 이용하여 실차 브레이크 저더 평가 시 스트레인 게이지와 유압센서를 활용하여 유압변동과 브레이크 토크 변화(BTV)를 측정할 수 있었다.
2)브레이크 냉간 저더 현상은 DTV로부터 시작되어 브레이크 토크 변화를 일으킨다. 하지만, DTV가 양호한 경우에도 런아웃이 토크 변동을 일으키고 진동을 유발할 수 있다.
3)공전 주행평가 시험에서 주행 중 제동으로 인한 가혹한 열 발생 영향 인자를 배제하더라도 초기 장착 불량으로 인한 디스크 런아웃만으로도 브레이크 DTV를 급속하게 악화시킨다. 따라서 초기 브레이크 디스크 가공상태 및 장착 시 런아웃에 대한 관리가 필요하다.
4)차량 제동 시 진동은 제동부에서부터 시작된 BTV의 증가로 인하여 발생하게 되지만, 진동이 차량 내부의 운전자 및 승객에게 도달하기까지 차량 시스템의 고유진동특성에 의해 그 진동 정도가 달라지게 된다. 따라서, 브레이크 저더의 발생을 방지하기 위해서는 제동시스템과 차체 환경에 이르기까지 각 차량부의 고유진동 특성을 파악하는 것이 중요하다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2021 Fall Conference and Exhibition

References

G. H. Lee, K. H. Kang and D. K. Lee, “Characteristics of Aggression and Brake Judder by Different ZrSiO₄ Particle Size,” Transactions of KSAE, Vol.22, No.7, pp.144-151, 2014. [https://doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.7.144]
S. M. Lee, J. H. Woo, D. W. Kim, M. Y. Chung and Y. H. Chang, “Investigation of the Cause of Rust Judder Based on the Analysis of Material Properties of Brake Friction Materials,” KSAE Fall Conference Proceedings, p.391, 2020.
M. H. Cho and S. H. Yang, “The Influence of Brake Pad and Disc on Automotive Brake Judder,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.445-451, 2017.
F. B. Jardim and A. Tamagna, “Study of the Relationship between DTV, BTV and BPV Over Judder Type Vibration of Disc Brake Systems,” SAE 2010-01-1694, 2010. [https://doi.org/10.4271/2010-01-1694]
J. D. Fieldhouse, “Brake Noise, Vibration and Judder,” Braking of Road Vehicles Conference Proceedings, pp.301-320, 2005.
H. Jacobsson, “Aspects of Disc Brake Judder,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.217, No.6, pp.419-430, 2003. [https://doi.org/10.1243/095440703766518069]
A. de Vries and M. Wagner, “The Brake Judder Phenomenon,” SAE 920554, 1992. [https://doi.org/10.4271/920554]
S. Gassmann and H. G. Engel, “Excitations and Transfer Mechanism of Brake Judder,” SAE 931880, 1993. [https://doi.org/10.4271/931880]
C. Kim, “Brake Judder Analysis for Worked DTV and Run-out of Brake Disc using CAE Method,” KSAE Annual Conference Proceedings, pp.536-538, 2014.
S. W. Youn and M. C. Han, “Study on Brake Judder Caused by Disc Runout and Disc Thickness Variation,” Transactions of KSAE, Vol.7, No.2, pp.378-386, 1999.
J. H. Jeong and E. S. Shin, “Experimental Investigation into the Relationship among the Brake Cold Judder, the Disc Thickness Variation and Runout,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.254-260, 2021.