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문제 정의
- 디스크 브레이크는 디스크와 패드 사이의 마찰력을 이용하여 움직이는 장치의 운동속도를 가능한 빠른 시간내에 감소시키거나 정지시키는데 그 목적이 있다.
- 이러한 새로운 FEM 방법은 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 디스크와 패드의 접촉면에서 발생하는 열탄성 불안전성 문제를 열하중과 기계적 하중으로 동시에 고려하여 해석하였다. 여기서는 특히 디스크와 패드가 직접 접촉하는 3차원 축대칭 모델을 구성하여 디스크의 마찰면 온도, 열변형, 접촉 열응력을 관찰함으로써 디스크에서 일어나는 열적 거동을 보다 정확하게 관찰하고자 한다.
가설 설정
- 결국, 패드가 디스크 양쪽에서 균일한 압력으로 가해져 마찰열이 발생하고 다시 그 마찰열에 의해 압력의 변화를 일으키게 하는 열-구조 연성효과를 고려할 수가 있는 것이다. Limpert[14] 실험식을 적용하여 디스크 양쪽에 접촉하고 있는 패드의 뒷면에 가해진 제동 마찰력은 1 Mpa이고, 디스크나 패드는 주변의 공기와 접촉하면서 강제대류에 의해서 냉각되며, 마찰면에서의 복사열은 없다고 가정하였다. 또한 디스크와 패드의 마찰 표면에서는 마찰열이 균일하게 발생되고 냉각된다고 가정하였다.
- 디스크-패드 모델의 냉각을 고려할 때 대류 열전달 계수는 자동차의 주행속도, 반복제동 회수, 디스크 주변의 공기 속도 유동장 등에 영향을 받지만 본 해석에서는 평균값보다 약간 높은 40 W/m2 K, 외부온도를 상온 조건인 22℃로 정해 대류에 의한 냉각효과를 고려하였다. Moon, gortyshov에 따르면 어떠한 표면이든 그 표면에 작은 홈을 형성할 경우 대류 열전달 효과는 2배이상 상승된다고 하지만 본 연구에서는 디스크 브레이크에 작용하는 열전달 계수는 같다고 가정하고 유한요소 해석을 수행하였다. 브레이크 디스크 열에너지 변화를 알아보기 위한 유한요소 해석에 사용한 디스크의 재질은 주로 주철과 같은 금속재료를 사용하고, 패드는 비석면 계통의 복합재료를 사용하였으며 디스크 재질의 기계적 특성은 Table 1과 같다.
- 주행하는 자동차가 제동하게될 때 운동에너지는 패드와 디스크의 마찰 에너지뿐만 아니라 자동차 바퀴와 지면과의 마찰, 공기 저항에 의한 손실 등 많은 요인에 의해 기타 에너지로 변환된다. 그러나 자동차 바퀴와 지면의 마찰은 무시할 정도로 작다고 가정하고 또한 기타 요인에 의한 에너지 손실도 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정한다면 주행 중인 운동 에너지가 모두 패드와 디스크의 마찰 에너지로 변환된다고 가정할 수 있다.
- Limpert[14] 실험식을 적용하여 디스크 양쪽에 접촉하고 있는 패드의 뒷면에 가해진 제동 마찰력은 1 Mpa이고, 디스크나 패드는 주변의 공기와 접촉하면서 강제대류에 의해서 냉각되며, 마찰면에서의 복사열은 없다고 가정하였다. 또한 디스크와 패드의 마찰 표면에서는 마찰열이 균일하게 발생되고 냉각된다고 가정하였다. 디스크-패드 모델의 냉각을 고려할 때 대류 열전달 계수는 자동차의 주행속도, 반복제동 회수, 디스크 주변의 공기 속도 유동장 등에 영향을 받지만 본 해석에서는 평균값보다 약간 높은 40 W/m2 K, 외부온도를 상온 조건인 22℃로 정해 대류에 의한 냉각효과를 고려하였다.
- 벤틸레이티드 디스크 브레이크와 패드의 유한요소 모델에서 사용된 총 요소의 수는 73,152개이고, 총 절점 수는 122,514개이다. 자동차가 제동하게 될 때 운동에너지는 주행 중 발생하는 운동 에너지가 모두 패드와 디스크의 마찰 에너지로 변환된다고 가정할 수 있다. 제동 시 디스크와 패드의 마찰에 의한 열유속을 열-구조 연성해석에 적용하는 이유는 패드의 압력효과에 의해 실제로 발생하는 열에너지를 적용하기 위한 것이다.
- 578초 동안 감속하여 정지 상태에 도달한다. 제동 시 패드와 브레이크 사이에 발생하는 마찰은 모두 열에너지로 변환된다고 가정한다. 이때 디스크와 패드의 마찰에 의한 열유속은 다음과 같다[13].
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