3D 스캐닝 진동 측정으로 브레이크 디스크의 In-Plane 모드 식별

브레이크 디스크에는 세 가지 모드 계열이 있습니다. 고주파 스퀼 소음에는 대개 이 중 최소 두 계열이 관여합니다. 각 계열은 절직경의 수(n)로 구분하며, 굽힘 모드는 절원의 수(m)도 함께 사용해 구분합니다.

다음 애니메이션은 세 가지 모드 계열에서 각각 하나의 모드를 보여줍니다. 측정된 주파수 응답 함수(FRF)를 바탕으로 생성되었습니다.

원인으로 작용하는 모드 결합

핵심 메커니즘은 모드 결합입니다. 마찰이 작용하면 절직경 수가 같은 OOP 모드와 In-Plane 모드의 주파수가 하나로 합쳐지면서 불안정해질 수 있습니다. 이는 고주파 스퀼 소음의 대표적인 원인입니다.

결합에 참여하는 In-Plane 모드는 소음 스펙트럼에서 거의 드러나지 않습니다. 하지만 소음 저감 대책은 바로 이 모드를 대상으로 해야 합니다.

In-Plane 모드를 식별하기 어려운 이유

• 서로 매우 가까운 주파수: 승용차 브레이크 디스크에서는 차수가 비슷한 In-Plane 모드와 OOP 모드의 주파수 차이가 수십 Hertz에 불과한 경우가 많으며, 이보다 더 작은 경우도 있습니다.
• 추가적인 축방향 운동: 디스크의 햇 부분은 마찰 링과 축방향으로 어긋나 있습니다. 따라서 In-Plane 모드도 마찰면에서 축방향 운동을 일으키며, 단축 측정에서는 또 다른 굽힘 모드처럼 나타납니다.
• 쌍을 이루는 모드: n > 0인 모든 모드는 동일한 형상의 모드 쌍으로 존재합니다. 냉각 핀, 구멍, 재료의 불균질성으로 인해 각 쌍의 주파수가 몇 Hertz씩 갈라집니다. 그 결과 서로 매우 가까운 피크의 수가 크게 늘어납니다.

3D 스캐닝 진동계는 서로 다른 방향에서 동기화된 세 개의 레이저 빔을 동일한 지점에 조사합니다. 각 빔은 해당 지점의 속도 벡터가 자신의 축에 투영된 성분을 측정합니다. 세 측정값을 결합하면 디스크에 접촉하지 않고도 완전한 속도 벡터를 얻을 수 있습니다.

브레이크 디스크에서는 회전축을 기준으로 삼는 것이 자연스럽습니다. 각 지점의 벡터를 이 축을 기준으로 분해하면 디스크 모드를 분류하는 세 가지 성분을 얻을 수 있습니다:

• 축방향: 디스크 평면 밖으로 발생하는 굽힘 운동.
• 반경방향: 디스크 평면 내에서 축을 향하거나 축에서 멀어지는 운동.
• 접선 방향: 디스크 평면 내에서 원주를 따라 움직이는 운동.

3D 스캔의 핵심 결과는 각 모드의 움직임이 축 방향, 반경 방향, 접선 방향으로 어떻게 분포하는지 파악하는 것입니다. 일반적인 승용차용 내부 통풍형 디스크에서는 이를 통해 스펙트럼만으로는 구분할 수 없는 세 가지 상황을 확인할 수 있습니다:

• 숨겨진 결합 모드 쌍: 스펙트럼에서는 하나의 넓은 피크로 보이더라도, 3D 데이터에서는 절직경 수가 같은 Out-of-Plane 굽힘 모드와 접선 방향 In-Plane 모드라는 두 모드가 드러나는 경우가 많습니다. 이는 모드 결합에 의한 스퀼 소음을 일으키는 전형적인 모드 쌍입니다. 소음 저감 대책은 결합된 In-Plane 모드에 초점을 맞춰야 합니다.
• 굽힘 모드처럼 보이는 In-Plane 모드: 디스크 햇과 마찰 링 사이의 오프셋으로 인해 In-Plane 모드에서도 뚜렷한 축 방향 움직임이 나타납니다. 단축 측정에서는 이 모드가 또 다른 굽힘 모드처럼 보입니다. 지배적인 In-Plane 성분을 확인해야만 모드를 올바르게 분류할 수 있습니다.
• 분리된 이중 모드: 모드 형상은 같지만 주파수가 약간 다른 두 모드는 각각 별도의 피크로 나타납니다. 두 피크 사이의 간격은 디스크의 비대칭성을 직접 나타내는 지표로, 냉각 리브 패턴이나 주조 편차를 검토하는 데 활용할 수 있습니다.