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J. KIMS Technol > Volume 23(5); 2020 > Article
자동 간극 조절기를 갖는 항공기용 유압식 브레이크 조립체 개발

Abstract

This study was conducted to develop the hydraulic brake assembly for MUAV(Medium-altitude Unmanned Aerial Vehicle). The brake assembly has the self-gap adjuster which performs to maintain a constant gap between the piston and the disk, even if the friction pad wore down. The function of adjuster helps to keep the brake-reaction speed constant and prevent the unnecessary abrasion of the wear pad during the life of the brake assembly. The development of the aircraft hydraulic brake assembly with the self-gap-adjuster in this paper is the first ever in South Korea. The concept of the mechanism was defined and the formula which is necessary to calculate the friction force was set up in the paper. The tester was invented for the functional test and the proper operation of the self-gap-adjuster was confirmed through the test. Dynamo tests and flight tests were also carried out to verify the braking performance of the brake assembly.

기 호 설 명

S: 피스톤 행정거리
δ: 마찰재마모량
p: 접촉표면압력
ε: 간섭 반경
R: 접촉 반경
ro: 외경
ri: 내경
Ff: 마찰력
Aring: 접촉 면적
μ: 마찰계수
Apiston: 피스톤 면적
Phyd: 유압 압력

서 론

브레이크는 항공기 이·착륙 시 필요한 감속 및 제 동 기능을 수행하는 중요한 구성품이다. 항공기가 제한된 활주로 길이 내에 안전하게 착륙하려면 항공기 중량과 착륙속도를 고려하여 제동 에너지를 산출하고 충분한 제동용량을 갖는 브레이크가 선정되어야 한다.
브레이크는 회전자와 고정자, 피스톤 등으로 구성된다. 제동력이 인가되면 피스톤이 회전자와 고정자를 압착하여 마찰력을 발생시키고 운동에너지가 열에너지로 소산된다. 회전디스크와 고정디스크의 개수가 많을수록 열용량이 증가되어 제동용량이 증대된다.
브레이크의 종류는 피스톤의 구동방식에 따라 유압식과 전기식으로 나눌 수 있고, 디스크 수량에 따라 단일 디스크 브레이크, 이중 디스크 브레이크, 다중 디스크 브레이크 등으로 구분할 수 있다. 또한 디스크 재질에 따라 금속재 디스크 브레이크와 복합재 카본 디스크 브레이크로 구분할 수 있다.
자동 간극 조절기는 Fig. 1과 같이 제동 인가시 디스크 방향으로 이동한 피스톤을 제동 해제시 귀환시키는 장치이다. 일반적인 유압시스템은 폐회로로 구성되어 귀환 유로에 시스템 압력의 1/60 정도로 귀환 압력이 유지되는데, 자동 간극 조절기가 없는 브레이크는 귀환 압력에 의해 피스톤이 항상 디스크에 밀착된 상태를 유지하게 된다. 활주 중 피스톤과 디스크의 접촉 상태는 마찰재의 불필요한 마모를 야기하여 소모품 교환 정비 소요가 증가시키고 휠의 회전을 방해하는 저항 요소로 작용하는 문제가 된다.
Fig. 1.
Function of a self-gab-adjuster
kimst-23-5-444f1.jpg
또한, 자동 간극 조절기는 마찰재가 마모되어도 피스톤과 디스크 사이 간극(gap)을 일정하게 유지할 수 있도록 하는 장치이다. 일반적으로 항공기용 브레이크의 피스톤과 디스크 사이 간극은 약 1 mm 수준이다. 자동 간극 조절기가 없는 브레이크는 마찰재의 마모량이 증가함에 따라 간극이 커지고 피스톤이 디스크 를 압착하기까지 소요되는 행정거리와 시간이 증가하여 브레이크 반응속도가 느려지게 되는 문제가 발생한다. 따라서, 자동 간극 조절기는 브레이크의 정비성과 성능 측면에서 항공기용 브레이크 개발시 고려될 필요가 있다.
항공기용 브레이크의 국내 연구 사례는 많지 않다. 주로 소모품인 디스크 개발을 위한 연구가 수행되었고[14] ㈜다윈프릭션의 F-4/F-5 금속재 브레이크 디스크, ㈜데크카본의 F-16 카본 브레이크 디스크와 T-50 카본 브레이크 디스크가 국산화되어 운용중이다. 디스크를 포함한 브레이크 조립체의 국산화 적용 사례로는 ㈜다윈프릭션에서 KT-1과 KUH의 브레이크 조립체가 유일하다. KT-1과 KUH의 브레이크는 유압식이고 금속재 단일 디스크이며 자동 간극 조절기가 적용되어 있지 않다.
본 논문의 브레이크는 자동 간극 조절기를 갖는 금속재 이중 디스크 브레이크로서 중고도 무인기에 적용된다. 항공기용 브레이크의 이중 디스크와 자동 간극 조절기의 설계는 국내 최초로 수행되었으며, 본 논문에 자동 간극 조절기의 개발 내용을 기술하였다. 자동 간극 조절기는 해외업체의 기술 자료를 확보할 수 없었기 때문에 자체적으로 형상을 설계하였고 시험 장비를 자체 개발하여 기능을 입증하였다. 또한, 다이나모시험과 비행시험을 통하여 자동 간극 조절기를 갖는 브레이크 조립체의 제동성능을 입증하였다.

본론

2.1 자동 간극 조절기 요구도 설정

자동 간극 조절기의 요구도는 Table 1과 같이 두 가지 항목으로 설정하였다.
Table 1.
Design requirement for a self-gap-adjuster
구분 내용
I 제동압력에 의해 전진한 피스톤은 제동압력이 해제되면 귀환되어야 한다.
II 마찰재가 마모되면 피스톤의 위치를 조정하여 피스톤과 디스크 사이 간극(또는,피스톤의 행정거리)를 일정하게 유지하여야 한다.

2.2 자동 간극 조절기 작동 원리

자동 간극 조절기는 자동차 브레이크에도 적용되어 있으며 형상과 원리는 단순하다. Fig. 2Fig. 3과 같이 피스톤 실(Seal)이 자동 간극 조절기에 해당한다[5]. 제동 인가 시 피스톤이 좌측으로 전진하면서 피스톤 실이 변형되고 제동 해제 시 피스톤 실의 복원력에 의하여 피스톤이 귀환된다.
Fig. 2.
Brake-on status of a mobile brake[5]
kimst-23-5-444f2.jpg
Fig. 3.
Brake-off status of a mobile brake[5]
kimst-23-5-444f3.jpg
마찰재가 마모된 경우, 제동 인가 시 피스톤은 피스톤 실이 완전히 변형된 이후에도 디스크 표면에 닿을 때 까지 계속 전진하게 된다. 그러나 제동 해제 시 피스톤의 귀환거리는 피스톤 실의 변형량으로 제한되어 피스톤과 디스크 사이 간극이 일정하게 유지된다.
즉, 피스톤 실의 복원력을 이용하여 제동 해제 시 피스톤을 귀환시킨다. 그리고 피스톤 실과 피스톤 사이 마찰력을 이용하여 마찰재가 마모될 경우 피스톤 위치를 조정하여 피스톤과 디스크 사이 간극을 일정하게 유지한다.
자동차 브레이크의 자동 간극 조절기는 마스터 실린더를 이용하지 않고 항공기 유압시스템의 압력을 활용하는 항공기용 브레이크에 적용하기에 적절하지 않다. 일반적인 유압시스템은 폐회로로 구성되어 귀환 유로에 시스템 압력의 1/60 정도로 귀환 압력이 유지되는데, 이 압력이 피스톤에 가하는 힘이 피스톤 실의 복원력 및 마찰력보다 크기 때문이다. 따라서 항공기용 브레이크의 자동 간극 조절기는 리턴 스프링을 적용하고 조정 핀과 조정 핀 너트, 핀 그립 등으로 마찰 부품을 구현하여 적용한다. 자동 간극 조절기는 항공기용 브레이크마다 조금씩 다른 형태로 적용되지만 복원력과 마찰력을 이용하는 작동 원리는 동일하다.
Fig. 4는 일반적인 단일 디스크 브레이크의 자동 간극 조절기의 형상이다[6]. 자동 간극 조절기는 조정 핀과 조정 핀 너트, 핀 그립, 스프링 등으로 구성된다. 제동압력이 인가되면 피스톤은 스프링을 압축시키면서 좌측으로 이동하여 디스크를 압착시킨다. 제동압력이 해제되면 스프링의 복원력으로 피스톤이 복귀된다.
Fig. 4.
General design of a self-gap-adjuster[6]
kimst-23-5-444f4.jpg
조정 핀 너트에는 규정된 토크가 인가되어 핀 그립이 조정 핀을 조이고 있는 상태이다. 즉, 조정 핀과 핀 그립 접촉면에 일정한 마찰력이 유지된다. 마찰재가 마모되지 않는 상태에서는 조정 핀이 마찰력에 의해 핀 그립에 고정된 상태를 유지한다. 하지만 마찰재가 마모된 상태에서는 피스톤이 좌측으로 더 이동하게 되면서 조정 핀이 피스톤에 의하여 당겨지게 된다. 조정 핀에 인가되는 힘이 조정 핀과 핀 그립 사이 마찰력보다 커지면 조정 핀은 핀 그립을 이탈하여 피스톤과 함께 좌측으로 이동하게 된다. 제동압력이 해제되면 스프링의 복원력으로 피스톤이 귀환되는데 이때 조정 핀은 핀 그립에 고정된 상태를 유지하므로 피스톤과 디스크 사이 간극이 유지된다. 즉, 마찰재의 마모량에 따라 조정 핀의 위치를 조정하여 간극을 일정하게 유지하는 원리이다. 이를 위하여 조정 핀과 핀 그립 사이 마찰력은 제동압력이 피스톤에 가하는 힘 보다 작지만 스프링 힘보다 크게 설계되어야 한다.
자동 간극 조절기의 조정 핀과 조정 핀 너트, 핀 그립 사이 마찰력은 다른 방식으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 조정 핀 너트와 핀 그립을 클램프 형상으로 구현하거나 또는 튜브 내부에 볼을 억지 끼워맞춤하여 접촉면에서 마찰력을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 형상을 단순화하기 위하여 두 부품을 억지 끼워맞춤하여 접촉면에서 마찰력을 구현하는 방식을 채택하였다.

2.3 자동 간극 조절기 형상 설계

Fig. 5는 KT-1 국산화 브레이크 형상이고 Fig. 6은 본 논문의 개발 브레이크 형상이다. 개발 브레이크는 KT-1 브레이크를 기본형상으로 하고 이중 디스크와 자동 간극 조절기를 새롭게 적용하였다.
Fig. 5.
Brake assembly of KT-1
kimst-23-5-444f5.jpg
Fig. 6.
Brake assembly of MUAV
kimst-23-5-444f6.jpg
Fig. 7과 같이 마찰재 마모량(δ)를 가정하고 제동압력이 인가되면 조정 핀 상단에 인가되는 압력에 의해 조정 핀과 피스톤이 동시에 피스톤 행정거리(S) 만큼 하강한다. 이후 조정 핀은 스프링 가이드 상단에 의해 이동이 제한되지만 피스톤은 피스톤 상단에 인가되는 압력에 의해 마찰력을 이기고 δ 만큼 더 하강하여 디스크 조립체를 완전히 압착시킨다. 그리고 제동 압력이 해제되면 스프링 복원력에 의해 피스톤이 S 만큼 상승한다. 즉, 조정 핀에 대한 피스톤의 기본 위치가 마모량(δ) 만큼 하강됨으로써 피스톤과 디스크 사이 거리가 행정거리(S)로 일정하게 유지된다. S는 1.5 mm 로 설계하였다.
Fig. 7.
Design of a self-gap adjuster
kimst-23-5-444f7.jpg
스프링의 복원력은 시스템의 귀환 압력이 피스톤을 미는 힘보다 크게 설계하였다. Fig 8과 같이 피스톤의 하강에 따라 스프링이 0 mm 에서 1.5 mm 까지 압축될 때 스프링의 복원력에 해당하는 압력은 약 130 ∼ 180 psi로 증가하도록 설계하였다.
Fig. 8.
Pressure of spring force
kimst-23-5-444f8.jpg
조정 링과 튜브의 치수는 적절한 마찰력이 발생하도록 식 (1)을 이용하여 결정하였다. 식 (1)은 억지 끼워맞춤으로 조립되는 재질이 같은 두 개의 실린더 접촉 표면에 발생하는 압력(p)을 계산할 수 있는 수식이다[7]. ε 와 R, ro, ri 는 실린더 형상 치수로써 Fig. 9와 같이 정의된다. E는 Young’s Modulus 이다.
Fig. 9.
Interference fit of two cylinders[7]
kimst-23-5-444f9.jpg
(1)
p=Eε2R3[(ro2-R2)(R2-ri2)ro2-ri2]
마찰력(Ff)은 식 (2)와 같이 압력에 접촉 면적(Aring)과 마찰계수(μ)를 곱하여 계산하였다.
(2)
Ff=μN=μpAring
마찰력에 대응하는 유압 압력은 식 (3)과 같이 마찰력에 피스톤이 유압유에 노출되는 면적(Apiston)을 나누어 구할 수 있다. 식 (1)식 (2)식 (3)에 대입하여 식 (4)를 도출하였다. 식 (4)의 마찰력에 대응하는 유압 압력이 제동 압력보다 작지만 스프링의 복원력에 해당하는 압력보다 큰 값이 되도록 실린더 형상 R, ro, ri 를 결정하여야 한다.
(3)
Phyd=FfApiston
(4)
Phyd=(μAringApiston)(Eε2R3)[(ro2-R2)(R2-ri2)ro2-ri2]
Table 2에 본 논문의 설계 값을 제시하였고 계산결과 마찰력에 대응하는 유압 압력은 약 850 psi로 산출되었다. 브레이크에 인가되는 최대 제동 압력(1,000 psi) 보다 작지만 스프링 복원력에 해당하는 압력(최대 180 psi) 보다 크게 설계하였다.
Table 2.
Pressure calculation against friction force
기 호 단 위
μ N/A 0.2
Aring mm2 117.9
Apiston mm2 337.5
E MPa 196501
mm 0.022
R mm 6.246
ro mm 7.234
ri mm 2.475
Phyd MPa 5.874
psi 852

2.4 자동 간극 조절기 기능시험

피스톤의 자동 간극 조절기가 정상적으로 작동하는지 여부를 확인하기 위하여 기능시험 장치를 제작하여 시험 수행하였다. 시험장비는 Fig. 10과 같이 구성하였고 Fig. 11와 같이 제작하여 시험 수행하였다. 시험치구에는 1개의 피스톤 조립체를 장착하고 피스톤과 디스크 사이 간극은 피스톤의 행정거리(S) 1.5 mm와 마찰재 마모량(δ) 2.0 mm를 고려하여 3.5 mm로 모사하였다. HPU(Hydraulic Pressure Unit)를 이용하여 압력을 0 에서 1,000 psi 까지 서서히 증가시키며 피스톤의 변위를 관찰하였다. 압력센서와 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 이용하여 인가 압력과 피스톤 변위를 동시에 측정하였다.
Fig. 10.
Schematic of tester
kimst-23-5-444f10.jpg
Fig. 11.
Tester of a self-gab-adjuster
kimst-23-5-444f11.jpg
시험결과를 Fig. 12에 도시하였다. 인가 압력은 사선으로 증가하지만 피스톤 변위는 계단 모양으로 증가한다. 첫 번째 계단까지의 변위는 1.5 mm 이고 피스톤의 행정거리(S)에 해당한다. 변위의 발생시점은 인가 압력이 약 170 psi를 초과하는 시점으로써 스프링이 압축되는 시점이다. 두 번째 계단까지의 추가 변위는 2 mm 이고 마찰재 마모량(δ)에 해당한다. 변위의 발생시점은 인가 압력이 약 800 psi를 초과하는 시점으로써 조정 링이 튜브를 이탈하는 시점이다. 계산값인 852 psi와 약 50 psi 정도 오차가 발생하였지만 작동에 문제가 되지 않는 수준이다. 오차의 원인은 표 2에서 가정한 표면 마찰계수와 실제 마찰계수의 차이와 제작공차로 인한 물리적 치수의 차이 때문으로 판단된다. 기능시험 결과에 따라 자동 간극 조절기가 설계 범위 내에서 적절히 작동하였음을 확인하였다.
Fig. 12.
Test result of a self-gab-adjuster
kimst-23-5-444f12.jpg

2.5 다이나모시험

기능시험을 통하여 피스톤의 작동성을 입증하였으나 이는 정적(Static) 시험이므로 제동부하가 발생하는 상황에서도 피스톤의 자동 간극 조절기가 정상 작동하는지 확인할 필요가 있다. 자동 간극 조절기의 설계가 부적절할 경우, 조정 링 및 튜브가 파손되거나 또는 마찰재의 마모량을 따라가지 못해 피스톤이 디스크를 완전히 압착하지 못하게 되어 제동 토크의 손실을 발생시킬 수 있다.
일반적으로 브레이크 조립체를 개발하는 단계에서 제동성능을 확인하는 품질인증시험으로써 동적(Dynamic) 시험인 다이나모시험을 수행한다. 본 연구에서도 다이나모시험을 통하여 자동간극조정기의 작동성과 브레이크 조립체의 제동성능을 확인하였다.
Fig. 13에 다이나모시험 장비를 제시하였다. 다이나모시험 장비의 회전체를 일정속도로 회전시켜 착륙시점의 항공기 관성모멘트를 모사하였고 브레이크가 장착된 휠을 회전체에 수직으로 접촉시켜 동일 선속도로 회전시킨 후, 브레이크에 제동압력을 인가하여 회전체와 휠이 정지할 때까지 제동압력을 유지하였다. 시험은 총 50 회 반복하였고 시험데이터를 획득하여 제동거리를 분석하였다.
Fig. 13.
Dynamo tester
kimst-23-5-444f13.jpg
다이나모시험 50 회 모두 정상적으로 제동이 이루어졌다. Table 3Fig. 14에 1 회차와 25 회차, 50 회차 시험 결과를 나타내었으며 각각 제동거리가 233 m 와 225 m, 225 m로 제동성능이 유사함을 확인할 수 있다. 50 회 시험동안 마찰재가 마모되었을 것으로 예 상할 수 있다. 따라서, 마찰재가 마모됨에 따른 자동 간극 조절기의 기능이 정상적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 다이나모시험을 통하여 브레이크 조립체의 제동성능을 입증하였다.
Fig. 14.
Dynamo test result
kimst-23-5-444f14.jpg
Table 3.
Dynamo test result
구분 제동속도 (knots) 제동거리 (m)
1 회차 74 223
25 회차 74 225
50 회차 73 225
평균 73 227
표준편차 0.4 3.3

2.6 비행시험

본 논문의 유압식 브레이크는 중고도 무인기 체계개발에 적용중이며 항공기에 장착하여 활주시험 및 비행시험을 수행하여 제동성능을 확인하였다.
Fig. 14에 2018년과 2019년에 수행된 비행시험 결과 중 각각 한 케이스씩 선정하여 제동 압력 및 항공기 속도 그래프를 비교하여 도시하였다. 매 비행시험마다 착륙시점의 항공기 중량과 속도, 타이어와 브레이크의 마모정도, 기상 조건 및 활주로 노면 상태가 다르므로 가장 유사한 조건의 시험 케이스로 선정하였다. 두 케이스 모두 제동 속도는 약 66 knots이며 제동거리는 18년도와 19년도 각각 211 m 와 221 m 로써 제동 성능이 유사함을 확인할 수 있다. 두 시험 사이에 수행 된 활주시험 및 비행시험은 총 40 회 이상이므로 마찰재가 마모되었을 것으로 예상할 수 있다. 따라서 마찰재가 마모됨에 따른 자동 간극 조절기의 기능이 정상적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 비행시험을 통하여 브레이크 조립체의 제동성능이 항공기 운용에 적절함을 입증하였다.
Fig. 15.
Flight test result
kimst-23-5-444f15.jpg

결 론

본 논문은 항공기용 유압식 브레이크의 자동 간극 조절기 설계 및 시험 결과를 기술하였다. 자동 간극 조절기 설계에서 가장 중요한 인자인 마찰력을 결정하는 수식을 정립하였고 이 수식을 활용하여 주요 부품의 크기를 결정하였다. 또한, 시험 장비를 자체 개발하여 자동 간극 조절기가 설계 범위에서 정상 기능함을 확인하였다. 자동 간극 조절기가 포함된 브레이크 조립체는 다이나모시험을 통하여 실험실 레벨의 제동 성능을 입증하였고 비행시험을 통해 실제 제동 성능을 최종 확인하였다. 본 연구를 통하여 항공기용 브레이크 조립체 설계 관련 국내 기술을 확보하였으며 향후 국내 개발될 모든 항공기용 유압식 브레이크에 적용 가능하므로 국산화율을 높이는데 기여할 것으로 예상된다.

References

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[7] R. G. Budynas and J. K. Nisbett, "Shigley's Mechanical Engineering Design 10th edition," McGraw-Hill Education, 2015.

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