[논문]대형 상용차용 브레이크 드럼의 온도 분포 및 열응력에 관한 유한요소 해석

김호경; 이영인; 주세민

대형 상용차용 브레이크 드럼의 온도 분포 및 열응력에 관한 유한요소 해석
FEM Analysis on Temperature Distribution and Thermal Stress of a Brake Drum for Large Commercial Vehicle 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.21 no.6 = no.78, 2006년, pp.7 - 13

김호경 (서울산업대학교 자동차공학과) , 이영인 (알테어 엔지니어링(주)) , 주세민 (알테어 엔지니어링(주))

Abstract ▼ AI-Helper

A transient heat transfer and thermal stress analysis for a brake drum of commercial vehicles have been performed by ANSYS code in the cases of single braking and the repeated braking condition. The temperature and thermal stress distributions in the brake drum under various braking conditions were obtained using a two-dimensional axisymmetric model. In case of deceleration of 0.3G with an initial vehicle speed of 60km/h, the maximum temperature in the drum was $87.6^{\circ}C$ after braking application. The maximum stress of 78.7MPa in the drum occurred at the intersection between the flange and hat under a condition in which repeated 15 cycles braking with an initial vehicle speed of 60km/h and a deceleration of 0.3G is applied to according to KS R1129. The maximum stress value is much lower than the yield strength of drum material(FC250).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 단순 정적 하중 하에서 재료의 파단 여부를 판단하는데 최대 주응력 분포로 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 이러한 열적인 문제들과 관련하여 브레이크 제동 시 드럼의 온도분포를 분석하고, 온도 분포에 따른 열응력 및 열변형이 드럼의 안전성에 미치는 영향을 파악하고자 한다.

가설 설정

초기 드럼의 온도와 열에 대한 물성치가 일정하다는 조건하에 대류 열전달 계수를 구하여 경계조건으로 적용하였다. 드럼의 초기 온도는 KS R11298)에 따라 60℃로 정하고 드럼 표면에 접하는 외부 공기의 온도는 20℃로 정하였다. 드럼의 재료 FC250의 물성치는 Table 3과 같다.

제안 방법

본 연구에 적용된 차량 주행 조건은 국내 KS R1129 ''트럭 및 버스 상용브레이크 실차 시험방법 및 브레이크 실차 요구 성능”조건 5.2.7(b)항 페이드 시험조건&에 따라 60 km血로 주행 중인 자동차를 0.3G의 제동 감속도 일정방식으로 감속하여 차량이 정지한 후 즉시 최대능력으로 가속하여 60 km/h가 되면 60초 동안 주행한 후 다시 감속과 가속을 하는 방법으로 총15회 반복 제동 하는 것을 해석 조건으로 적용하였다. KS R1129의 5.
본 연구에서는 실제 대형 상용차에 적용되고 있는 브레이크 드럼을 유한요소 상용해석 코드인 ANSYS를 이용하여 브레이크 제동 시 라이닝과의 마찰에 의해 발생하는 드럼의 온도분포를 구하였으며, 이온도 분포에 의해 발생되는 열응력과 열변형에 대하여 해석하였다. 해석은 차량이 주행속도 60knVh에서 0.
본 연구에서는 해석 조건으로 1~2, 3~4까지의 부분은 시간의 변화에 따른 열유속 값을 구하여 적용하였고, 2~3, 4~1까지의 부분은 차량 속도에 따른 대류 열전달 계수를 구하여 적용하였다.
1은 해석을 하기 위한 드럼의 유한요소 모델이다. 유한요소 모델은 축대칭 요소를 고려하여 2차원 요소로 생성하였으며, 요소 형식은 사각형 요소를 사용하였다. 전체 모델의 절점 수는 567개이며, 요소 수는 465개로 구성하였다.
차량 주행 중 드럼은 차륜 내측과 외측으로 흐르는 외부 공기에 의해 대류 냉각 현상이 발생하는데 이와 같은 현상을 표현하기 위해 대류 경계층 조건을 적용하였다. 초기 드럼의 온도와 열에 대한 물성치가 일정하다는 조건하에 대류 열전달 계수를 구하여 경계조건으로 적용하였다.
적용하였다. 초기 드럼의 온도와 열에 대한 물성치가 일정하다는 조건하에 대류 열전달 계수를 구하여 경계조건으로 적용하였다. 드럼의 초기 온도는 KS R11298)에 따라 60℃로 정하고 드럼 표면에 접하는 외부 공기의 온도는 20℃로 정하였다.
해석하였다. 해석은 차량이 주행속도 60knVh에서 0.3G의 제동 감속도로 1회 제동할 때와 15회 반복 제동 할 경우에 대해서 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

유한요소 모델은 축대칭 요소를 고려하여 2차원 요소로 생성하였으며, 요소 형식은 사각형 요소를 사용하였다. 전체 모델의 절점 수는 567개이며, 요소 수는 465개로 구성하였다.
해석에 사용된 드럼은 H사의 고속버스용 드럼으로 제원은 Table 2와 같다. 한편 Fig.

성능/효과

1) 차량이 60km/h로 주행 중 1회 제동 시 드럼의 최고 온도는 제동이 시작된 후 2.82초 후에 87.6℃로 나타났고 15회 반복 제동 시에는 145℃로 나타났다.
2) 차량이 60kmZh에서 15회 반복제동 시 최대 응력은 78.7MPa이며, 플랜지부와 햇부가 만나는 부분에 발생하였다.
3) 브레이크 드럼재료인 FC₂₅0 주철재의 항복강도 측면에서 안전계수는 2.35이며, 피로한도 측면에서의 안전계수는 1.65이다.
내측(血er)은 드럼과 슈와의 접촉부이며 외측(outer)은 공기와 직접 접촉하는 부위, 중간(middle)은 내측과 외측의 중간 부분을 의미한다. 결과에서 보면 드럼 내부의 표면 온도는 초기 온도 60℃에서부터 최고 온도가 발생하는 2.82초까지 급격한 온도상승을 보이다가 서서히 냉각하는 경향을 보이고 있다. 그리고 제동시간 2.
5에서와 같이 각 사이클당 최대 값이 6회 제동까지는 선형을 이루나 그 이후에는 비선형의 완만한 기울기로 증가하여 드럼의 온도가 어느 일정 온도(125℃) 이상에서는 더 이상 열에 영향을 받지 않는 열평형 상태가 됨을 추정 할 수 있다. 또한 반복적인 제동과 정지, 가속 과정을 거치면서 드럼 표면의 최고 온도는 상승하고, 온도가 상승함에 따라 재가속 시 대류 열전달에 의한 외부로의 방열량도 증가하게 되어 결과적으로 제동횟수가 증가하면 증가할수록 온도의 상승폭은 작아진다. 따라서 Fig.
그리고 제동을 반복함에 따라 드럼의 온도는 계속 증가하지만 제동이 계속 진행될수록 온도 증가폭은 오히려 줄어듦을 볼 수 있다. 본 연구에서는 15회 반복 제동 조건으로 해석을 하였으나 반복 제동 횟수가 늘어나게 되면 Fig. 5에서와 같이 각 사이클당 최대 값이 6회 제동까지는 선형을 이루나 그 이후에는 비선형의 완만한 기울기로 증가하여 드럼의 온도가 어느 일정 온도(125℃) 이상에서는 더 이상 열에 영향을 받지 않는 열평형 상태가 됨을 추정 할 수 있다. 또한 반복적인 제동과 정지, 가속 과정을 거치면서 드럼 표면의 최고 온도는 상승하고, 온도가 상승함에 따라 재가속 시 대류 열전달에 의한 외부로의 방열량도 증가하게 되어 결과적으로 제동횟수가 증가하면 증가할수록 온도의 상승폭은 작아진다.
0보다 커야한다'2). 본 해석 결과에서는 차량이 60km/h에서 15회 반복제동 시 순수 열에 의해 발생하는 응력 크기는 항복강도 측면에서의 안전계수는 2.35이며, 피로한도 측면에서의 안전계수는 1.65로 피로 내구성 측면에서 안전하다고 추정된다.

후속연구

이와 같은 응력이 드럼재의 피로한도를 초과하면 드럼에 균열이 생성되고, 드럼의 변형을 가져와 결국 파손의 원인이 될 수 있다. 이와 같은 위험 요소를 방지하기 위해서는 드럼 내, 외측의 온도 차를 줄여야 하는데 높은 열전도 계수를 가지도록 드럼의 재질을 개선하는 방법과 대류 냉각 효과를 고려하여 드럼의 형상을 개선하는 방법 등이 이러한 피로 현상을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
이는 직접 열유입을 받는 드럼의 중앙부가 반복제동에 의해 열적 평형상태를 이루어 대류에 의한 냉각 효과가 떨어졌기 때문에 두께 방향으로의 온도 구배는 없고 직접적인 접촉이 없는 플랜지부, 햇부와의 온도구배만 존재하는 것으로 추정할 수 있다. 이와 같이 드럼의 전체에 전파된 열은 드럼의 림(rim)부를 통해 타이어에 전달되고 이 열은 타이어의 고무 물성치를 저하시키고, 휠 실린더 내의 베이퍼 록 현상을 유발시켜 결국 차량 사고의 원인이 된다理 따라서, 열전도 계수가 높은 재질개발과 방열 성능을 좋게 하는 핀(血)설계 등을 통하여 이와 같은 베이퍼 록 현상을 피할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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J. Yamabe, M. Takai, T. Matsui, T. Kimura, M. Sasaki, 'Development of Disk Brake Rotors for Trucks with High Thermal Fatigue Strength', JSEA 20024017, pp. 105 -112, 2002

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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