캘리퍼 구성 부품은 차량 전체의 감속을 위해 필요한 모든 에너지를 패드와 디스크 사이의 마찰력만으로 흡수하거나 열에너지로 소산시키는 고안전도 부품으로써, 큰 하중에 노출 되면서, 부품의 구조적 변형이 발생하게 되며, 이로 인해 구조적 불안정 조건에 이를 수 있고, 패드 편마모에 영향을 끼칠 수 있다.

이에 본 절에서는 캘리퍼 부품의 유연성 영향도를 분석하기 위해, 각 부품에 대한 유연체 모델과 강체 모델이 교차 조합된 16가지 어셈블리 모델을 구성하였다(Table 2).

본 연구에서의 유연성 영향에 대한 중요성 판단은 패드와 디스크 사이에 발생하는 접촉력의 변화 크기를 기준으로 하였으며, 모든 부품이 강체로 구성되는 Case 4를 기본모델(비교 대상)로 설정하였다.

Fig. 5는 해석 결과를 나타내고 있으며, 접촉력은 빨간색 분포하중으로 표시되었다. 하우징과 가이드 핀은 유연체인 경우에도 불구하고, Case 5, Case 11, Case 13의 결과에서 보는 바와 같이 패드의 편마모에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인 되었으며, 그리고, 브라켓이 유연체인 경우에는 내측과 외측의 접촉력 변화량이 반대로 나타나는데, 외측 패드의 선행 접촉부 접촉력은 감소하고, 반면, 내측 패드는 선행 접촉부 접촉력은 증가하는 방향으로 나타나는 것(후행 접촉부는 반대 경향)으로 확인되었다. 이는 디스크 회전에 따른 패드의 밀림이 발생하고, 외측 패드의 압력을 받은 브라켓의 구조적인 비틀림 현상에 의한 것으로 이해 할 수 있다(Case 6, Case 7, Case 10, Case 15).

Fig. 5 
Analysis result by parts flexibility

끝으로, 패드가 유연체인 경우, 접촉력 분포를 살펴보면, 모든 케이스에 대하여 편마모 상황이 발생하는데, 특히, Case 3, Case 8, Case 12, Case 16에서 보는 바와 같이 패드의 선행 접촉부(Leading edge)는 접촉력이 증가하고, 패드의 후행 접촉부(Trailing edge)는 접촉력이 감소하는 경향을 나타내었다.

Table 3은 부품의 유연성이 패드의 편마모에 미치는 영향을 정리한 것이며, 패드는 타 부품과 대비하여 해석적 평가 과정에서 유연성의 고려가 필연적으로 필요한 부품으로 패드 편마모 대응 연구대상에서 제외한다면, 브라켓의 비틀림 현상에 기인한 요인이 가장 큰 것으로 판단 할 수 있으며, 브라켓의 강성이 높을수록 패드의 편마모를 줄일 수 있으나, 무한정 강성을 높일 수는 없기 때문에, 변형상태에서의 패드의 자세를 최적화 할 수 있는 형상 최적화 연구가 추가적으로 필요할 것으로 사료 된다.

앞서, 패드이 유연성 영향을 살표 본 Case 3, Case 8, Case 12, Case 16의 해석 결과로부터 알 수 있듯이, 패드의 유연성 영향으로 선행 접촉부의 마찰 접촉력이 더 높아지는 현상이 발생하게 되는데, 실제의 차량 사용 환경에서도 발생하는 구조적인 특징으로 알려져 있다. 이러한 이유로, 캘리퍼 피스톤의 위치는 패드의 중심에 작용하도록 설계되기 때문에, 패드의 편마모 현상을 줄이기 위해 다중 피스톤을 사용하는 경우도 있으며, 특히, 후행 접촉부 피스톤의 직경을 더 크게 적용하는 경우도 있다.

본 연구에서는 피스톤의 위치를 디스크의 회전방향으로 오프셋(Offset) 설계 할 때, 패드와 디스크 간의 불균형적 접촉력을 최소화 할 수 방안이 될 수 있는지 확인하기 위해, 피스톤의 위치를 패드의 후행 접촉부 방향으로 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm 오프셋 조건에서 제동 초속도 100 Km/h, 0.3 G 감가속도 조건을 적용하여 해석을 수행하였다.

Fig. 6 
Definition of piston position change

피스톤이 하우징 중심의 정위치에 위치한 경우의 해석 결과, 내측 패드의 선행 접촉부에서 높은 수준의 접촉력을 발생하게 되는 것을 확인하였으며, 피스톤의 위치를 오프셋 한 모델의 해석 결과, Fig. 7과 같이 4 mm 오프셋 할 경우, 접촉력 분포가 가장 균일하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 
Analysis result by piston position change

현장에서 제품의 설계와 제품 개발, 제품 가공 등 여러 가지 측면에서 오프셋(Offset) 피스톤의 적용에 어려움이 있을 수 있겠지만, 관련한 제품의 개발과 적용 시험을 통하여 효과검증을 할 수 있다면, 패드의 편마로 현상을 개선할 수 있는 방안이 될 것이라 기대할 수 있다.

단동식 캘리퍼에서 피스톤에서 발생한 제동압력의 반력으로 하우징을 브라켓과 멀어지는 방향으로 이동시켜 하우징 핑거 부분이 외측 패드를 디스크 방향으로 압박하는 구조를 갖는다. 가이드 핀은 하우징과 강체 결합되어, 브라켓에 가공 되어져 있는 홀을 병진 이동하면서 습동 마찰이 발생하기 때문에, 가이드 핀의 윤활 특성은 제동특성에 큰 영향을 미친다.

3.2.3.1 동절기 가이드 핀의 윤활제 점도 증가 영향

가이드 핀은 브라켓과 병진 습동하도록 장착되며, 원활한 습동을 위해 윤활제(Grease)가 도포되어 있다. 그러나, 영하 20 ^oC 이하로 기온이 내려가는 동절기에는 점도가 증가하여 마찰 계수가 상대적으로 큰 폭으로 증가하게 된다. 동절기 높은 점도 상태에서 제동력이 갑자기 작동할 경우, 피스톤은 빠르게 움직여 내측 패드를 디스크에 압박하기 시작하지만, 낮은 온도로 인한 높아진 윤활제 점도의 영향으로 가이드 핀 및 하우징의 움직임이 방해 받는다.

가이드 핀의 윤활제가 온도의 영향으로 점성이 변할 경우, 가이드 핀의 습동 저항으로 인해 내외측 패드의 접촉이 순차적으로 발생하고, 이로 인해 디스크의 진동과 함께 패드 편마모의 원인이 될 수 있음을 확인하기 위한 해석을 수행하였다.

본 연구에서 간이 시험을 통하여 확보한 상온 마찰력 데이터를 Fig. 8에 도시하였으며, 이를 기반으로 상온 정마찰 계수 0.2 및 동마찰 0.1로 적용하고, 동절기 저온 상태의 마찰계수는 정마찰 계수 0.3 및 동마찰 계수 0.15로 가정하여 각각 해석을 수행하였다.

Fig. 8 
Friction coefficient depending on the lubricant condition

해석 수행 결과, 윤활제 점도 증가에 따른 마찰력 증가는 내측 패드의 접촉력은 빠르게 상승시키고, 외측 패드는 시간차를 두고 접촉력이 발생하게 되는데, 이 때, 낮은 수준이지만 디스크의 발진을 시작하는 중요한 요인이 되는 것을 확인할 수 있다(Fig. 9).

Fig. 9 
Analysis results of the impact for temperature changes

3.2.3.2 가이드 핀 윤활 특성 상실 영향

장시간 차량 사용에 따라, 가이드 핀에 도포되어 있는 윤활제가 오염되는 경우가 있는데, 특히, 가이드 핀에 조립되어져 있는 윤활제 커버(Grease cover)가 다양한 내외부적 요인으로 상실되는 경우가 발생한다. 고온 노출이나 외력에 의해 윤활제 커버가 파손되지 않더라도, 환경적 요인으로 인해 고무소재의 윤활제 커버가 경화되어 탈거되거나 파손되어 윤활제가 누유되고, 이러한 상태가 지속될 경우, 브라켓과 가이드 핀 사이는 금속간 마찰로 변화되기 시작하며, 고착현상이 발생할 수도 있다.

윤활 특성을 완전 상실한 완전 고착 상태(Fig. 10)에서는 내측 패드에만 과도한 마찰을 발생시키기 때문에, 점진적인 패드 편마모에 이르기 전, 제동계 불량으로 쉽게 조치가 가능한 이유로, 본 연구의 범위에서는 제외하였고, 두 개의 가이드 핀 모두 윤활 특성이 일부 상실하는 경우에는, 동절기 가이드 핀의 경우와 유사한 결과가 나타나는 것으로 확인되었기 때문에 본 논문에서는 제외하였다.

Fig. 10 
New parts and damaged parts of guide pin

본 연구에서는 윤활 특성이 일부 상실할 경우, 그리고, 두 개의 가이드 핀 중 하나의 가이드 핀에만 윤활 특성이 일부 상실된 경우로 한정하여 해석에서 구현하고 그 영향도를 살펴보았다.

가이드 핀의 상온 정마찰 계수는 이전과 동일하게 후행 접촉부 가이드 핀의 정마찰 계수는 0.2,동마찰 계수는 0.1로 적용하고, 윤활 특성이 상실된 선행 접촉부 가이드 핀의 정마찰 계수는 0.35, 동마찰 계수는 0.25로 가정하여 해석을 수행하였다.

Fig. 11에 나타낸 해석 결과를 살펴보면, 피스톤에 제동력이 가해지기 시작하는 시점에는 내측 패드에 먼저 편중하여 접촉력이 발생하고(a), 계속해서 제동력이 가해질 경우, 선행 접촉부 선행 접촉부의 가이드 핀 습동이 원활하지 않아 후행 접촉부의 가이드 핀이 먼저 우측으로 밀려나고, 이로 인해, 피스톤의 선행 접촉부 측 가장자리가 패드에 편심되어 패드를 가압하는 접촉력이 증가하게 되고(b), 제동력이 추가적으로 가해질 때, 외측 패드의 후행 접촉부에서 급격한 접촉력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다(c).

Fig. 11 
Analysis result of partially damaged lubrication

허브 베어링은 차량운동에 따른 중량 및 관성력과 휠과 타이어를 통해 발생하는 반력의 중간영역을 담당하는 부품으로 휠의 회전 자유도 외에도 하중에 의한 유격을 가지게 되며, 허브 베어링의 유격에 의해 강체 결합되어 있는 휠, 허브, 디스크의 각도가 변화될 수 있다. 반면, 캘리퍼는 스핀들, 너클과 강체 결합되어 있어 디스크와 캘리퍼는 상대적인 위치가 변하는 런아웃이 발생하게 된다.

허브 베어링의 유격에 의해 런아웃이 발생하는 대표적인 경우로는 첫 번째, 승차자나 화물의 증가 또는 감소로 인한 수직 하중의 변화가 있을 수 있고, 두 번째, 불규칙한 노면을 주행하는 경우, 지속적으로 수직 하중이 변하게 되면서 런아웃이 교번하는 형태로 발생하게 되며, 세 번째, 조향에 따른 차량 선회 시, 타이어-노면 접촉면에서 횡력의 발생으로 인한 큰 모멘트가 작용하는 경우이며, 이러한 상황에 있어서 제동조작이 있을 경우 디스크와 패드의 불균형 접촉상태에 놓일 가능성이 있으며, 패드 편마모의 중요한 원인이 될 수 있다.

본 논문에서는 기존 게제된 바 있는 허브 베어링의 강성과 디스크의 런아웃 변화에 대한 연구결과 논문^11,12)을 참조(Fig. 13)하여, 선회 중 상황과 직선 노면이지만 거친 노면에서 주행 중인 상황(Fig. 12)일 때를 가정하여 런아웃이 패드의 편마모에 미치는 영향도를 살펴보았다.

Fig. 12 
Loads and moments generated from tires while driving

Fig. 13 
Property of wheel hub bearings vs whl’ load changes^11,12)

휠 베어링의 강성에 대한 연구결과^11,12)를 바탕으로, 가상의 런아웃을 결정하기 위해, 타이어 직경 715 mm, 디스크 직경 330 mm인 차량을 기준으로 220 Kgf의 횡력(약 0.4 G)이 발생하는 경우와, 휠 오프셋(Wheel offset)이 +40 mm이고, 타이어 수직하중이 600 Kgf 차량을 기준으로 거친 노면의 영향으로 ±200 Kgf(약 0.33 G)의 수직하중 변화가 일어나는 경우의 디스크의 경사각을 계산하였다(Table 4). 계산 결과, 디스크 반경 방향 가장자리에서의 런아웃은 약 0.267 mm, 0.03 mm로, 이를 디스크 회전축에 적용하여 제동 해석을 수행하고, 불균형적 접촉력이 발생하는 현상을 시각적으로 확인하였다.

Fig. 14에는 선회 제동 해석 결과(a)와 거친 노면 주행 중 제동 해석 결과(b)를 도시하였다. 선회제동에서는 제동력 작용 초기부터 내외측 패드는 선행, 후행 접촉부가 엇갈린 형태로 강한 마찰 접촉력을 발생시키는 것을 확인하였으며, 반대 방향의 선회시에는 형태는 동일하지만, 선행 접촉부와 후행 접촉부가 바뀌어 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 패드의 편마모를 발생시키는 큰 원인이 될 수 있다.

Fig. 14 
Analysis results for wheel bearing load changes

거친 노면 주행 중 제동 해석 결과를 살펴보면, 선회제동에 비하여 접촉력의 크기는 미소한 수준이지만 빠르게 교번하는 수직하중의 영향으로 내외측 패드에 고주파의 불균형적 마찰 접촉력을 발생시키고 이로 인해, 디스크에도 주기적인 마찰 접촉력 변화를 발생시켜, 장기적인 손상을 일으키면서 DTV의 원인이 될 수도 있을 것으로 사료된다.