[논문]자전거 디스크 브레이크 구멍 형상 변화에 따른 구조적 내구성 해석

한문식; 조재웅

doi:10.7467/ksae.2014.22.5.044

[국내논문] 자전거 디스크 브레이크 구멍 형상 변화에 따른 구조적 내구성 해석
Structural Durability Analysis due to Hole Configuration Variation of Bike Disc Brake 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.5, 2014년, pp.44 - 49

한문식 (계명대학교 기계자동차공학과) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

As expansion and contraction of bike disk brake are happened continuously by temperature at repeated urgent braking. In this study, 3 kinds of model are designed according to configurations of holes and thermal durabilities on bike disk brake are investigated by comparing 3 models through temperature and thermal analyses. Maximum thermal stress happened at the disk contacted with pad and the connection part fixing disk rotor. Instead of initial state, the temperature is uniformly distributed at transient state. As the area of hole at disk rotor face becomes wider, thermal stress becomes lower at the initial state. On the other hand, in case the number of holes increases, thermal stress becomes lower at the elapsed time of 100 seconds. The thermal durability of bike disk brake can be improved by applying this study result with configurations of holes.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 구멍의 형상에 따른 자전거 디스크 브레이크의 온도를 초기 상태와 시간이 경과된 후의 상태와를 비교하여 해석하였다. 디스크 브레이크의 온도와 열응력 해석을 통한 결론은 다음과 같다.

제안 방법

본 연구 모델의 Fig. 1은 자전거 디스크 브레이크를 형태에 따른 3가지로 나누었으며, A는 세로형 구멍형상의 디스크브레이크, B는 다공 형상의 디스크브레이크, C는 간헐적 구멍형상의 디스크브레이크로 모델링하였다. 디스크 외경의 크기는 160mm이며 로터부분의 구멍의 형태에 따라 나눈 3가지 부품을 모델링하였다.
^3,4) 따라서 디스크 브레이크 시스템은 상당량의 열을 받게 된다. 본 연구에서는 구멍의 형상에 따른 자전거 디스크 브레이크의 온도를 초기 상태와 시간이 경과된 후의 열응력 상태를 비교하여 ANSYS 프로그램으로 해석하였다.^5-7) 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 디스크 브레이크의 설계 및 제작에 응용하여 자전거에 적용했을 때 파손 방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.

대상 데이터

1은 자전거 디스크 브레이크를 형태에 따른 3가지로 나누었으며, A는 세로형 구멍형상의 디스크브레이크, B는 다공 형상의 디스크브레이크, C는 간헐적 구멍형상의 디스크브레이크로 모델링하였다. 디스크 외경의 크기는 160mm이며 로터부분의 구멍의 형태에 따라 나눈 3가지 부품을 모델링하였다.

성능/효과

1) 열 발생에 의한 응력은 패드가 닿는 디스크부분과 디스크로터를 고정하는 연결부에 가장 많이 나타났다.
2) 열을 받은 디스크는 시간이 지나 갈수록 온도가 감소함으로서 초기 상태에 비하여 과도 상태에서의 디스크 판의 온도분포는 전반적으로 골고루 분포되었다.
3) 초기에는 Disk brake C가 다른 디스크 브레이크에 비하여 구멍 면적이 넓어서 열응력이 가장 작았지만 100초가 경과된 후에는 오히려 응력이 더 크게 나타났다. 디스크가 식는 과정에 있어서는 구멍 개수가 작으면 그 열을 다 방출시킬 수 없는 것으로 사료되어 Disk brake C의 경우가 Disk brake A나 Disk brake B의 경우보다 오히려 더 크게 나타남을 알 수 있었다.
초기에는 Disk brake C가 다른 디스크 브레이크에 비하여 구멍 면적이 넓어서 열응력이 가장 작았지만 100초가 경과된 후에는 오히려 응력이 더 크게 나타났다. 디스크가 식는 과정에 있어서는 구멍 개수가 작으면 그 열을 다 방출시킬 수 없는 것으로 사료되어 Disk brake C의 경우가 Disk brake A나 Disk brake B의 경우보다 오히려 더 크게 나타남을 알 수 있었다. 그리고 100초가 경과한 후에서의 전변형량의 경우도 초기 상태와 마찬가지로 그 변형은 미미하게 나타났다.
2와 같이 경계조건을 주면서 Heat Flux의 값을 2000W/m²넣어 주었고 Convection은 22℃, 100W/m²•℃를 주어 해석하였다. 시간이 지나 갈수록 디스크브레이크 발생한 열이 감소하여 온도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

4) 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 디스크 브레이크의 설계 및 제작에 응용하여 자전거에 적용했을 때 파손 방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.
본 연구에서는 구멍의 형상에 따른 자전거 디스크 브레이크의 온도를 초기 상태와 시간이 경과된 후의 열응력 상태를 비교하여 ANSYS 프로그램으로 해석하였다.^5-7) 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 디스크 브레이크의 설계 및 제작에 응용하여 자전거에 적용했을 때 파손 방지 및 내구성을 검토, 예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디스크브레이크의 이점은 무엇인가	1,2) 최근에는 제동거리를 단축하기 위한 브레이크 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 일반적으로 자전거의 제동시스템은 와이어에 의한 V-브레이크형식이었으나 디스크브레이크는 제동 안정성, 제동력 조절 편이성, 넓은 범위의 제동 토크 등의 이점 때문에 디스크 브레이크를 점차 사용하고 있고 운동에너지를 되도록 단시간 내에 열에너지로 전환하는 장치이다.3,4) 따라서 디스크 브레이크 시스템은 상당량의 열을 받게 된다.
	자전거 브레이크의 역할은 무엇인가	자전거 브레이크는 자전거의 운동에너지를 열에너지로 변환하여 그 속도를 감소시키는 역할을 하며, 제동시 발생하는 열에너지로 인하여 브레이크의 마찰 부위를 중심으로 구조물의 온도가 상승하게 된다. 브레이크 구조물의 고온화는 마찰계수가 높은 브레이크 패드가 과열되어 마찰계수가 낮아지는 현상으로 브레이크의 성능을 저하시키는 브레이크 페이드와 열로 인한 크랙 등의 원인이 되므로 적극적으로 대응해야 하는 문제이다.
	브레이크의 마찰부의 온도 증가가 생기는 이유는 무엇인가	브레이크 구조물의 고온화는 마찰계수가 높은 브레이크 패드가 과열되어 마찰계수가 낮아지는 현상으로 브레이크의 성능을 저하시키는 브레이크 페이드와 열로 인한 크랙 등의 원인이 되므로 적극적으로 대응해야 하는 문제이다. 한편 마찰부의 온도 증가는 구조물의 부적절한 열변형을 야기하여 디스크와 패드간의 발생하는 불균일한 마찰의 원인이 되며, 제동시 디스크와 패드 사이에 작용하는 불균일한 마찰력으로 인하여 발생한다.1,2) 최근에는 제동거리를 단축하기 위한 브레이크 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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상세보기
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J. Swanson, Ansys 11.0, Ansys Inc., USA, 2008.

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