실차 적용을 고려한 브레이크 스퀼 소음 저감 고주파 디더 제어 시스템 개발 및 실험적 검증

1. 서 론

차량 제동 시 발생하는 브레이크 소음은 자동차 산업에서 심각한 문제 중 하나이다⁽¹⁾. 이러한 제동 소음의 종류로는 스퀼(squeal), 저더(judder), 크립 그로운(creep groan) 및 몬(moan) 소음 등이 있다. 그중 스퀼 소음은 1 kHz ~ 16 kHz의 성분을 갖는 고주파 소음으로^(2,22) 사람이 민감한 주파수 영역을 포함하고 있기 때문에 차량 운전자뿐만 아니라 주변의 보행자에게도 불쾌감을 초래한다. 이에 따라 브레이크 스퀼 소음 저감은 다양한 관점의 이론 및 실험적 접근을 통한 연구가 진행되고 있다.

스퀼 소음의 원리를 규명하기 위해, 크게 friction model을 통한 이론적 접근, FEM 기반 전산 해석 및 간단한 마찰현상 모사장비를 이용한 실험적 연구들이 진행되어 왔다. Feeny와 Moon은⁽³⁾ 마찰 기반의 비선형적 거동 모사를 위한 1-degree of freedom 모델을 개발하였으며, 실험을 통해 브레이크 소음의 원인인 ‘Stick-slip’ 현상을 연구하였다. Bowden과 Tabor는^(4,5) stick-slip 현상을 실험을 통해 검증하였으며, Earles와 Badi는⁽⁶⁾ 스퀼 소음이 발생하는 요소에 대한 실험을 진행하였다. 또한 Abdelhamid는⁽⁷⁾ 브레이크의 캘리퍼, 디스크, 패드 등 구성품에 존재하는 음(-)의 감쇠력에 기인하는 불안정한 진동모드와 스퀼 소음 간 관계를 연구하였으며, Chen은⁽⁸⁾ 디스크와 패드 사이에 작용하는 마찰곡선의 비선형성에 주목하여 스퀼 소음을 조사하였다. Park은⁽⁹⁾ 브레이크 다이나모미터 실험을 통해 해당 소음이 디스크의 정렬 불량에 의한 디스크 런 아웃 현상에서 기인하는 것을 확인하였다. 다양한 방법을 통해 스퀼 소음의 원인을 분석하기 위한 연구들이 진행되었으나 스퀼 소음은 비선형적인 마찰현상에 기인하기 때문에 아직도 명확한 원인이 도출되지 않았다.

한편 스퀼 소음을 저감하기 위한 연구는 주로 브레이크 시스템의 형상을 변경하는 등 특정 차종, 부품의 경우에만 한정적으로 적용되어 왔다. Park과⁽¹⁰⁾ Liu, Abubakar는^(11,12) 복소 고유치 해석에서 모드 기여도 인자를 활용하여 소음 저감을 시도하였다. Lee는⁽¹³⁾ 캘리퍼 브라켓과 하우징 형상의 변화를 주어 스퀼 소음의 개선 연구를 진행하였으며 Kim은⁽¹⁴⁾ 드럼식 브레이크 내 슈의 형상을 변경하여 스퀼 소음을 저감시켰다.

Cunefare는⁽¹⁵⁾ 디더 제어를 통해 디스크 브레이크의 스퀼 소음 저감을 수행하였다. 브레이크 압력은 4 bar로 설정하고 drag 조건에서 스퀼소음이 모사되었다. Choe는⁽¹⁶⁾ 브레이크 압력이 6 bar 및 drag 조건에서 디더 제어를 적용하여 드럼식 브레이크의 스퀼 소음을 저감하였다. 디더 제어의 경우 다양한 브레이크 시스템에 보편적으로 적용 가능하지만, 선행연구는 낮은 브레이크 압력(6 bar 이하) 및 drag 제동조건에서만 실험을 수행하였기 때문에 실 제동조건 및 환경 등을 고려한 실험적 연구가 필요하다.

Park의⁽²⁰⁾ 연구에서 디더 제어는 브레이크 시스템의 마찰에 의해 발생되는 비선형 진동을 선형화함으로써 스퀼 소음을 저감하였다.

이 연구에서 적용한 디더 제어는 가청 주파수 이상의 디더 신호를 사용하여 디더 제어음은 인지되지 않고 스퀼 소음만을 저감하는 장점이 있다.

따라서 이 연구에서는 다양한 실 제동 상황에서 디더 제어를 통한 브레이크 스퀼 소음 저감 및 성능 점검을 수행하고 이를 실제 차량에 적용하기 위한 연구를 수행하고자 한다. 또한 차량의 구동 전압과 차량 환경에 맞춰 실 차량에 설치할 수 있는 디더 제어 시스템을 개발하였고, 이를 실차 실험을 통해 검증하였다.

2. 디더 제어

디더 제어란 능동 소음 제어기법으로 비선형 시스템에 디더 신호를 적용하여 비선형성을 안정화 하는 제어기법이다. 이때 디더 신호는 시스템 거동과 관계없는 임의 신호이기 때문에 랜덤 및 정현파 등 다양한 형태의 신호가 디더 제어에 사용될 수 있다. 따라서 스퀼 소음의 비선형성을 안정화 하여 소음 저감이 가능하다. 디더 제어는 비선형 시스템에 적용할 경우 시스템의 비선형성을 안정화하기 때문에 신호처리와 영상처리 시 발생하는 노이즈 저감에 주로 사용된다^(17,18). 디더 제어는 Ömer Morgül이⁽¹⁹⁾ 시뮬레이션을 통해 비선형 시스템에 디더 신호를 적용하여 시스템을 안정화 시키는 연구를 진행하였다. Fig. 1은⁽¹⁸⁾ 디더 제어가 비선형 시스템에 적용될 경우 시스템 변화를 나타낸 것으로 디더 신호 인가에 따라 시스템의 비선형성이 감소함을 확인할 수 있다. 연구에 이용된 디더 신호는 입력신호와 상관없는 임의의 신호이기 때문에 랜덤 및 정현파 신호 모두 디더 제어에 적용할 수 있다. 또한 디더 제어는 오픈루프 제어 방법으로 빠른 응답성을 가지며 외장센서가 불필요하기 때문에 제어장치를 간단하게 구성할 수 있다는 장점이 있다.

Fig. 1

2D model of the brake disk

이 연구에서 적용한 디더 제어는 가청 주파수 이상의 디더 신호를 사용하여 디더 제어음은 인지되지 않고 스퀼 소음만을 저감하는 장점이 있다. 또한 저사양 브레이크 다이나모미터 실험을 통해 디더 제어의 스퀼 소음 저감을 검증하였다.

이 연구에서는 2차원 전산해석모델과 브레이크 다이나모미터 실험을 통해 디더 제어 최적 주파수를 선정하여 이를 실제 차량에 적용하기 위한 시스템을 개발하였다.

3. 디더 제어 주파수 선정

앞선 연구들을 통해 디더 제어를 통한 스퀼 소음 저감이 효과적인 것을 확인하였다. 이에 따른 디더 제어 주파수의 최적화가 필요하다. 따라서 2차원 전산해석을 통한 분석과 브레이크 다이나모미터 실험을 통해 최적 디더 제어 주파수를 선정하였다.

3.1 2차원 전산해석 모델

기존에 개발되었던 1차원 전산해석 모델을 확장하여 Table 1의 물성치를 대입하여 Fig. 1의 2차원 브레이크 디스크 전산해석 모델을 개발하였다. 2차원 브레이크 디스크 모델은 브레이크 패드와 디스크 간 마찰에 의한 스퀼 소음 생성 모델로 matlab을 사용하여 모사하였다. 브레이크 패드와 디스크의 접촉면에 Fig. 2의 Karnopp friction⁽²¹⁾ 모델을 적용하였다. Karnopp friction은 Fig. 2의 식과 같이 Coulomb friction, Stribeck friction, Viscous friction 모두를 고려한 모델로 브레이크의 stick-slip현상의 모사가 가능하다. 해석모델을 활용하여 Fig. 3의 실제 실험과 같은 스퀼 소음 주파수인 4.5 kHz를 모사하였고, 10 kHz부터 1 kHz 간격으로 20 kHz까지 인가하여 스퀼 소음 저감 효과를 파악하였다. 모든 주파수 해석결과는 동일한 결과를 가졌고, 그 값은 약 90 dB(A)의 스퀼 소음을 약 40 dB(A)수준으로 저감하는 것을 확인하였다.

Table 1

Parameters of 2D model

Fig. 2

Karnopp friction

Fig. 3

Result of FEM with 2D model

3.2 브레이크 다이나모미터 실험

2차원 전산 해석 모델을 통하여 고주파 디더 제어의 스퀼 소음 저감 효과를 확인하였고, 이를 실제 브레이크 시스템에 적용하여 검증하기 위해 Fig. 5와 같이 브레이크 다이나모미터를 구축하여 실험을 진행하였다. 압전체 모듈을 Fig. 6과 같이 브레이크 실린더 내에 장착하여 디더 제어를 수행하였다.

Fig. 4

Pzt actuator module

Fig. 5

Lab scale brake dynamometer

Fig. 6

Brake caliper with pzt module

브레이크 실린더 내에 장착한 압전체 구동기 기반의 모듈은 브레이크 패드에 디더 제어를 인가하여 브레이크 패드와 디스크 간의 비선형 마찰을 선형화 하여 스퀼 소음을 저감한다.

Fig. 4는 실험에 사용한 압전체 모듈이다. 이는 스택형 압전체를 장착할 수 있으며 브레이크 실린더 내에 안착하여 디더 제어를 인가하였다.

이 실험은 단기측정 실험 방법과 반복제동 실험 방법으로 진행되었고, 측정은 소음계를 다이나모미터 내에 부착하여 디더 제어의 유무에 따른 소음변화를 비교하여 측정하였다. 스퀼 소음 발생 확인을 위해 SAE J 2521규격을 사용하여 실험을 진행하였다⁽²²⁾.

또한 sampling rate는 44.1 kHz로 측정하였고 소음 측정은 PCB사의 378B02모델을 사용하여 측정하였다.

Table 2와 같이 단기측정 실험 방법은 단기간 내에 스퀼 소음 생성 중 연속적으로 디더 제어를 on-off 반복 수행하였으며, 시간에 따른 스퀼 소음 크기 변화를 분석하였다. 반복제동 실험 방법은 반복적으로 스퀼 소음을 생성하고 5초동안 drag 5초동안 대기하는 것을 반복하여 drag 조건에서 디더 제어를 on-off 반복 수행하여 스퀼 소음 발생 빈도 파악을 진행하였다. 또한 이때 디더 제어 주파수는 15 kHz에서 1 kHz 간격으로 20 kHz까지 인가하였다.

Table 2

Type of experiment

그 결과 단기측정 실험에서 Fig. 7과 같이 17 kHz와 20 kHz의 주파수에서 25 dB(A)이상의 스퀼 소음 저감을 확인하였다.

Fig. 7

Result of high frequency dither control (17 kHz, 20 kHz)

Fig. 8의 반복 측정 실험의 결과, 17 kHz 디더 제어 주파수에서는 디더 제어 적용 전 차량 내에서 소음이라고 인지하는 소음 크기(70 dB(A)) 이상의 스퀼 소음이 23회에서 디더 제어 적용 후 6회로 감소함을 확인하였고, Fig. 9의 20 kHz 디더 제어 주파수에서는 20회에서 5회로 감소함을 확인하였다.

Fig. 8

Result of 17 kHz dither control

Fig. 9

Result of 20 kHz dither control

2차원 전산해석을 통해 인가하였던 디더 제어 주파수는 모두 동일한 소음 저감 효과를 확인하였다. 실제 다이나모미터를 활용한 실험에서는 차량 브레이크 동특성과 디더제어에 사용된 증폭기 및 압전체의 한계로 인해 17 kHz와 20 kHz에서 가장 큰 스퀼 소음 저감을 확인하였다. 따라서 앞선 단기측정 실험과 반복제동 실험을 통하여 최적 디더 제어 주파수는 실험에 사용한 압전체와 증폭기의 가동범위 내에서 최대 소음 저감 효과를 나타낸 17 kHz와 20 kHz로 설정하였다.

4. 실제 차량 적용 디더 제어 시스템 구성

디더 제어를 이용한 스퀼 소음 저감의 검증에 실차 적용 실험은 필수적이다. 이에 따라 튜닝용 오디오 앰프를 사용한 디더 제어 시스템을 개발하였다. 실제 차량의 경우 추가적인 전력원 없이 오직 차량 베터리의 전원을 이용하여 구동해야하기 때문에 압전체의 종류와 임피던스 매칭을 위한 시스템을 Table 3과 같이 구성하였다. 또한 차량용 디더 제어 시스템은 Fig. 10과 같이 차량용 베터리를 전원으로 사용하고 차량의 순정 오디오 엠프를 사용하여 임피던스 매칭 시스템을 거쳐 브레이크 내에 설치된 디더 모듈에 전력과 마이크로 컨트롤러를 통한 디더 제어 신호를 인가하는 시스템을 구축하였다.

Table 3

Component of dither control system

Fig. 10

Dither control system for vehicle

5. 실제 차량 실험을 통한 시스템 검증

2차원 전산해석 모델과 브레이크 다이나모미터 실험을 통해 고주파 디더 제어의 스퀼 소음 저감을 확인하였다. 또한 해당 압전체 구동기를 이용한 모듈의 가진 주파수를 설정하였고, 이를 차량에 적용 시키기 위한 디더 제어 시스템을 구성하였다.

실제 차량 실험은 현대자동차 남양연구소에서 진행되었으며, 실내 차량용 챔버와 실외 주행성능장에서 실험을 진행하였다. 실내 차량용 챔버에서 진행된 실험은 실제 차량의 브레이킹 상황을 모사하여 Table 2와 같이 단기측정 실험과 반복제동 실험으로 진행된 후 스퀼 소음 발생 빈도 파악으로 분석되었다. 또한 가진주파수는 17 kHz로 설정하여 진행하였다.

실험 대상 차량은 Fig. 11의 (a)와 같이 현대 제네시스 G80모델을 사용하였고 차량에 디더 제어 시스템과 측정 시스템을 설치하여 실험을 진행하였다.

Fig. 11

Sensing system and dither control system in real car

측정 시스템은 실험을 진행할 브레이크 쪽 휀다에 마이크를 부착하고, 브레이크 켈리퍼에 가속도계를 부착하여 측정하였다. 디더 시스템은 차량 내에 제어계통의 장비들을 설치하고 디더 모듈은 Fig. 11의 (b)와 같이 브레이크 캘리퍼 실린더 내에 안착시켰다.

5.1 실제 차량 단기측정 실험

해당 실험은 설치된 마이크를 통해 소음 변화를 확인하고, 부착한 가속도계를 이용하여 진동 변화를 확인하였다. 해당 실험 시 스퀼 소음은 4.7 kHz에서 발생하였고, 고주파(16 kHz)의 단기측정 결과는 Fig. 12과 같이 디더 제어 이후로 스퀼 성분의 소음과 진동이 모두 저감하는 것을 확인하였다. 그 크기는 92 dB(A)에서 45 dB(A)로 저감 된 것을 확인하였다.

Fig. 12

Result of short-term test

또한 이번 실제 차량 실험에서는 단기측정 실험 동안 drag 모드와 inertia 모드에서 진행하였으며, Fig. 13의 drag 모드와 inertia 모드에서도 디더 제어의 효과적인 스퀼소음 저감효과를 확인 할 수 있었다.

Fig. 13

Result of short-term test

5.2 실제 차량 반복제동 실험

반복제동 실험의 결과는 스퀼 소음 발생 빈도 파악을 통해 결과를 도출하였다. 해당 실험에서는 스퀼소음이 3.3 kHz에서 발생하였으며 크기는 90 dB(A) ~ 105 dB(A)수준으로 발생하였다. Fig. 14와 같이 디더 제어 적용 전 65 dB(A)이상의 소음이 20회 발생했고, 디더 제어 적용 후에 2회로 감소하였다.

Fig. 14

Reduction of squeal noise occurrence

실내 챔버 실험 이후 실제 실외 도로에서 스퀼 소음을 모사하여 디더 제어가 실제 운행 조건에서 스퀼 소음 저감에 효과가 있는 실제 도로에서 해당 차량을 운행하며 확인하였다.

그 결과 Fig. 16의 실 주행 상황에서도 디더 제어가 스퀼 소음 저감에 효과적인 것을 확인하였다.

Fig. 15

Comparison of squeal noise occurrence (black bar( ) : dither off, red bar( ) : dither on)

Fig. 16

Squeal noise reduction(red line: dither control component, blue line: squeal noise component)

6. 결 론

이 연구를 통해 실차 적용을 고려한 압전체 기반의 고주파 디더 제어 시스템 개발을 위한 연구를 통해 스퀼 소음 저감 효과를 확인한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 전산해석을 통하여 디더 제어의 스퀼 소음 저감에 효과를 확인하였다.

(2) 압전체 기반의 디더 제어 시스템을 구축하여 실험실 규모의 브레이크 다이나모미터를 통해 실제 제동상황에서 디더 제어가 스퀼 소음 저감에 효과적임을 확인하였고 저감시킨 소음의 크기는 약 25 dB(A)였다. 또한 해당 압전체의 구동에 최적 주파수를 찾기 위한 실험을 진행하였고, 고주파수(17 kHz, 20 kHz)의 주파수를 선정하였다.

(3) 개발된 디더 제어 시스템을 실제 차량에 설치하여 실 주행상황을 챔버 내와 실외 실제 도로에서 모사한 후 디더 제어를 인가하여 실제차량에서 디더 제어 효과를 검증하였고, 그 결과 약 90 dB(A)수준의 스퀼 소음은 효과적으로 70 dB(A)이하로 저감 시키는 것을 확인하였고, 그 이상의 소음은 안정적으로 저감하는 것을 실제 차량 실험을 통하여 검증하였다.

Acknowledgments

이 연구는 2015년도 정부(미래창조과학부)의 출연금 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2015R1D1A1A01059092). 또한 2017년도 현대자동차의 지원을 받아 수행된 연구결과물임.

References

• Akay, A., 2002, Acoustics of Friction, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 111, No. 4, pp. 1525~1548. [https://doi.org/10.1121/1.1456514]
• Papinniemi, A., Lai, J. C. S., Zhao, J. and Loader, L., 2002, Break Squeal: A literature review, Applied Acoustics, Vol. 63, No. 4, pp. 391~400. [https://doi.org/10.1016/S0003-682X(01)00043-3]
• Feeny, B. and Moon, F. C., 1994, Chaos in a Forced Dry-friction Oscillator: Experiments and Numerical Modelling, Journal of Sound and Vibration, Vol. 170, No. 3, pp. 303~323. [https://doi.org/10.1006/jsvi.1994.1065]
• Bowden, F. P. and Leben, L., 1938, Nature of Sliding and the Analysis of Friction, Nature, Vol. 141, pp. 691~692. [https://doi.org/10.1038/141691b0]
• Bowden, F. P. and Tabor, D., 1942, Mechanism of Metallic Friction, Nature, Vol. 150, pp. 197~199. [https://doi.org/10.1038/150197a0]
• Earles, S. W. E. and Badi, M. N. M., 1984, Oscillatory Instabilities Generated in a Souble-pin and Disc Undamped System: A Mechanism of Disc-brake Squeal, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Mechanical Engineering Science, Vol. 198, No. 1, pp. 43~50. [https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1984_198_086_02]
• Abdelhamid, M. K., 1995, Structural Instability Test/Analysis of Brake Squeal, SAE 951281. [https://doi.org/10.4271/951281]
• Chen, G. X., Zhou, Z. R., Kapas, P. and Vincent, L., 2003, Experimental Investigation Into Squeal Under Reciprocating Sliding, Tribology International, Vol. 36, No. 12, pp. 961~971. [https://doi.org/10.1016/S0301-679X(03)00106-3]
• Park, J. P. and Choi, Y. S., 2004, Experimental Analysis on Brake Squeal Noise Due to Disk Misalignment, Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 12, No. 5, pp. 118~124.
• Park, J. M., Kim, H. S., Yoon, M. Y., Boo, K. S. and Kim, H. S., 2013, Low Frequency Squeal Noise Reduction Using Mode Participation Factor in Complex Eigenvalue Analysis, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol. 37, No. 3, pp. 325~331. [https://doi.org/10.3795/KSME-A.2013.37.3.325]
• Liu, P., Zheng, H., Cai, C., Wang, Y. Y., Lu, C., Ang, K. H. and Liu, G. R., 2007, Analysis of Disc Brake Squeal Using the Complex Eigenvalue Method, Applied Acoustics, Vol. 68, No. 6, pp. 603~615. [https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2006.03.012]
• Abubakar, A. R. and Ouyang, H., 2006, Complex Eigenvalue Analysis and Dynamic Transient Analysis in Predicting Disc Brake Squeal, International Journal of Vehicle Noise and Vibration, Vol. 2, No. 2, pp. 143~155. [https://doi.org/10.1504/IJVNV.2006.011051]
• Lee, J. and Kim, S., 2013, A Study on the Squeal Noise Instability Analysis on Caliper Brake, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 11, pp. 957~965. [https://doi.org/10.5050/KSNVE.2013.23.11.957]
• Kim, J. H., Bae, B. J., Lee, S. B. and Kim, T. J., 2005, Squeal Noise Analysis and Reduction of Drum Brake Using Component Mode Synthesis, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 15, No. 1, pp. 72~80. [https://doi.org/10.5050/KSNVN.2005.15.1.072]
• Cunefare, K. A. and Graf, A. J., 2002, Experimental Active Control of Automotive Disc Brake Rotor Squeal Using Dither, Journal of Sound and Vibration, Vol. 250, No. 4, pp. 579~590. [https://doi.org/10.1006/jsvi.2001.3909]
• Teoh, C. Y. and Mohdripin, Z., 2015, Dither Effect on Drum Brake Squeal, Journal of Vibration and Control, Vol. 23, No. 7, pp. 1057~1072. [https://doi.org/10.1177/1077546315597117]
• Thomesen, J. J., 1999, Using Fast Vibration to Quench Friction-induced Oscillations, Journal of Sound and Vibration, Vol. 228, No. 5, pp. 1079~1102. [https://doi.org/10.1006/jsvi.1999.2460]
• Frasca, R., Iannelli, L. and Vasca, F., 2006, Dithered Sliding-mode Control for Switched System, IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ: Express Briefs, Vol. 53, No. 9, pp. 872~876. [https://doi.org/10.1109/TCSII.2006.880332]
• Morgül, Ö., 1999, On the Control of Some Chaotic Systems by Using Dither, Physics Letters A, Vol. 262, No. 2-3, pp. 144~151. [https://doi.org/10.1016/S0375-9601(99)00652-0]
• Park, J., Jung, H., Park, G., Jung, T. and Kim, J., 2017, Automobile Brake Squeal Noise Suppression by Piezoelectric-based Dither Control, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 27, No. 7, pp. 877~885. [https://doi.org/10.5050/KSNVE.2017.27.7.877]
• Karnopp, D., 1985, Computer Simulation of Stick-slip Friction in Mechanical Dynamic, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol. 107, No. 1, pp. 100~103. [https://doi.org/10.1115/1.3140698]
• SAE International, 2013, Disc and Drum Brake Dynamometer Squeal Noise Test Procedure, SAE J 2521.