제동 장치는 기계장치의 사용자나 시스템의 안전관점에서 가장 중요한 요소 중 하나이며, 작동 조건 내에서 신뢰성 있는 제동력이 유지 되어야 한다. 일반적으로 브레이크는 운동에너지를 마찰을 통해 열에너지로 변환하여 회전하는 기계장치를 제동한다. 운동에너지가 열에너지로 전환되는 과정에서 고온의 열이 발생하여 기계적 거동에 영향을 준다. 마찰열은 브레이크 시스템의 열팽창 및 마찰계수 변화 등에 영향을 주고 제어되지 않는 고온은 브레이크 성능을 저하시킨다. 따라서 브레이크의 발열을 예측하고 이를 제어하는 것은 중요하다. 마찰열을 예측하기 위한 다양한 수치해석 연구들이 수행되었지만, 계산의 효율 및 재원의 한계로 수치해석의 경계조건을 다양한 형태로 가정하여 마찰열 예측 연구를 수행하였다. 가정된 마찰열 거동은 실제 열전달 온도 분포 경황과 차이가 있고 이를 이용한 냉각 효과나 열응력 수치해석 결과의 신뢰성이 부족하다. 이러한 한계점을 극복하고 마찰열 예측 시뮬레이션 절차를 정립하기 위하여 본 연구에서는 열-구조 결합 요소를 사용하여 브레이크 시스템의 마찰열 발생을 직접적으로 모사하는 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문은 Finite Element Method(FEM)을 이용하여 브레이크 작동에 따른 마찰열 발생을 모사하고 열분포 특성을 분석하기 위해 브레이크 모델을 대상으로 열-구조 연성요소를 적용한 수치해석 연구를 수행하였다. 이 연구는 마찰열 직접 모사의 필요성을 제안하고 시뮬레이션에 필요한 정보를 제공할 수 있다 판단된다.
제동 장치는 기계장치의 사용자나 시스템의 안전관점에서 가장 중요한 요소 중 하나이며, 작동 조건 내에서 신뢰성 있는 제동력이 유지 되어야 한다. 일반적으로 브레이크는 운동에너지를 마찰을 통해 열에너지로 변환하여 회전하는 기계장치를 제동한다. 운동에너지가 열에너지로 전환되는 과정에서 고온의 열이 발생하여 기계적 거동에 영향을 준다. 마찰열은 브레이크 시스템의 열팽창 및 마찰계수 변화 등에 영향을 주고 제어되지 않는 고온은 브레이크 성능을 저하시킨다. 따라서 브레이크의 발열을 예측하고 이를 제어하는 것은 중요하다. 마찰열을 예측하기 위한 다양한 수치해석 연구들이 수행되었지만, 계산의 효율 및 재원의 한계로 수치해석의 경계조건을 다양한 형태로 가정하여 마찰열 예측 연구를 수행하였다. 가정된 마찰열 거동은 실제 열전달 온도 분포 경황과 차이가 있고 이를 이용한 냉각 효과나 열응력 수치해석 결과의 신뢰성이 부족하다. 이러한 한계점을 극복하고 마찰열 예측 시뮬레이션 절차를 정립하기 위하여 본 연구에서는 열-구조 결합 요소를 사용하여 브레이크 시스템의 마찰열 발생을 직접적으로 모사하는 시뮬레이션을 수행하였다. 본 논문은 Finite Element Method(FEM)을 이용하여 브레이크 작동에 따른 마찰열 발생을 모사하고 열분포 특성을 분석하기 위해 브레이크 모델을 대상으로 열-구조 연성요소를 적용한 수치해석 연구를 수행하였다. 이 연구는 마찰열 직접 모사의 필요성을 제안하고 시뮬레이션에 필요한 정보를 제공할 수 있다 판단된다.
The braking system is one of the most important components in vehicles and machines. It must exert a reliable braking force when they are brought to a halt. Generally, frictional heat is generated by converting kinetic energy into heat energy through friction. As the kinetic energy is converted into...
The braking system is one of the most important components in vehicles and machines. It must exert a reliable braking force when they are brought to a halt. Generally, frictional heat is generated by converting kinetic energy into heat energy through friction. As the kinetic energy is converted into heat energy, high temperature heat is generated which affects the mechanical behavior of the braking system. Frictional heat affects the thermal expansion and friction coefficient of the brake system. If the temperature is not controlled, the brake performance will be decreased. Therefore, it is important to predict and control the heat generation of the brake. Various numerical analysis studies have been carried out to predict the frictional heat, but they assumed the existence of boundary conditions in the numerical analysis to simulate the frictional heat, because the simulation of frictional heat is difficult and time consuming. The results were based on the assumption that the frictional heat is different from the actual temperature distribution in a rotating brake system. Therefore, the reliability of the cooling effect or thermal stress using the results of these studies is insufficient. In order to overcome these limitations and establish a simulation procedure to predict the frictional heat, this study directly simulates the frictional heat generation by using a thermal-structure coupling element. In this study, we analyzed the thermo-mechanical behavior of a brake model, in order to investigate the thermal characteristics of brake systems by using the Finite Element method (FEM). This study suggests the necessity to directly simulate the frictional heating and it is hoped that it can provide the necessary information for simulations.
The braking system is one of the most important components in vehicles and machines. It must exert a reliable braking force when they are brought to a halt. Generally, frictional heat is generated by converting kinetic energy into heat energy through friction. As the kinetic energy is converted into heat energy, high temperature heat is generated which affects the mechanical behavior of the braking system. Frictional heat affects the thermal expansion and friction coefficient of the brake system. If the temperature is not controlled, the brake performance will be decreased. Therefore, it is important to predict and control the heat generation of the brake. Various numerical analysis studies have been carried out to predict the frictional heat, but they assumed the existence of boundary conditions in the numerical analysis to simulate the frictional heat, because the simulation of frictional heat is difficult and time consuming. The results were based on the assumption that the frictional heat is different from the actual temperature distribution in a rotating brake system. Therefore, the reliability of the cooling effect or thermal stress using the results of these studies is insufficient. In order to overcome these limitations and establish a simulation procedure to predict the frictional heat, this study directly simulates the frictional heat generation by using a thermal-structure coupling element. In this study, we analyzed the thermo-mechanical behavior of a brake model, in order to investigate the thermal characteristics of brake systems by using the Finite Element method (FEM). This study suggests the necessity to directly simulate the frictional heating and it is hoped that it can provide the necessary information for simulations.
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문제 정의
본 연구에서는 브레이크 구동 시 발생하는 마찰열 발생 시뮬레이션 연구를 수행하였다.
가설 설정
는 열전도 계수이다. Table 1의 물성 정보를 이용하여 0.1325의 분배율을 적용하였고, 운동에너지의 열에너지 변환률은 95%로 가정했다.
마찰열을 예측하기 위한 다양한 FEM 연구들이 수행되었음에도 불구하고, FEM에 숙련된 엔지니어들에게도 브레이크 시스템의 열-기계적 거동을 함께 계산하는 수치해석은 상당히 어렵다. 이로 인해 브레이크 시스템의 열전달 및 냉각 효과를 예측하는 시뮬레이션 연구에서 해석 절차를 간소화하기 위해 마찰열을 초기 온도 조건이나, 열 유속 경계조건으로 가정하여 수행했다[10-12]. 또한 Hwang[13] Lee[14]연구에서는 운동에너지가 열에너지로 변환하는 과정을 Limpert의 이론식을 적용하여 연구를 수행했지만, 표면에 균일하게 적용하여 디스크의 회전 효과를 고려 할 수 없다.
38MPa를 적용하여 수치해석을 수행하였다.회전 속도는 100kph (87.6rad/s)로 가정하여 수치해석을 수행하였으며 3cycle의 회전을 수행하고 해석 결과를 비교하였다. 열적 경계조건으로 초기 온도는 22℃를 적용하고, 디스크의 바깥면과 패드 윗면에 대류 조건을 적용하였으며 열전달 계수는 1W/m2K 이다.
제안 방법
1. 마찰열을 모사하기 위해 마찰열 유입을 열 유속 경계조건으로 가정하여 수행된 연구의 온도 분포는 회전을 고려하여 열-구조 연성 요소를 적용한 온도 분포 결과와 다른 것을 확인 했다. 따라서 가정된 조건으로 계산된 온도 분포를 기반으로 계산한 브레이크 시스템의 열응력 및 냉각 효과 분석은 재고 되어야 한다.
Table 2와 같이 가정된 2종류의 경계조건과 열-구조 요소를 이용해 직접적 모사를 수행하였다. Fig.
수치해석의 효율을 고려하여 1/2 대칭 모델을 사용하였다. 대부분의 이론식들은 패드에 균일 압력이 작용한다는 가정에서 유도 되었으며, 본 연구에서도 패드에 균일 압력 2.38MPa를 적용하여 수치해석을 수행하였다.회전 속도는 100kph (87.
첫 번째로 열-구조 연성 해석의 필요성을 확인하기 위해 이전 연구들이 마찰열 모사를 위해 사용했던 가정을 적용하여 열전달 해석을 수행하였고, 열-구조 연성 요소를 사용한 수치해석 결과를 비교 분석 하였다. 또한 회전을 고려한 마찰열 특성을 분석하기 위해 과도해석을 수행하였으며, 디스크의 온도 분포 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 패드를 contact면으로 지정하고 접촉해석을 수행했다. 접촉해석에서 접촉하는 두 물체 중 상대적으로 강성이 낮은 물체에 contact면을 지정한다.
이를 위하여 본 연구에서는 ANSYS 15.0을 사용하여 디스크와 패드의 접촉해석을 수행하고 여기서 발생하는 마찰열의 열전달을 열-구조 연성 요소를 사용하여 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 첫 번째로 열-구조 연성 해석의 필요성을 확인하기 위해 이전 연구들이 마찰열 모사를 위해 사용했던 가정을 적용하여 열전달 해석을 수행하였고, 열-구조 연성 요소를 사용한 수치해석 결과를 비교 분석 하였다.
0을 사용하여 디스크와 패드의 접촉해석을 수행하고 여기서 발생하는 마찰열의 열전달을 열-구조 연성 요소를 사용하여 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 첫 번째로 열-구조 연성 해석의 필요성을 확인하기 위해 이전 연구들이 마찰열 모사를 위해 사용했던 가정을 적용하여 열전달 해석을 수행하였고, 열-구조 연성 요소를 사용한 수치해석 결과를 비교 분석 하였다. 또한 회전을 고려한 마찰열 특성을 분석하기 위해 과도해석을 수행하였으며, 디스크의 온도 분포 특성을 분석하였다.
데이터처리
2. 회전을 고려한 브레이크 마찰열 수치해석 절차를 제안하고 이를 실험과 비교 분석 하였다. 본 연구에서 계산된 온도 결과는 실험 값과 유사하고 사이클에 따른 온도 상승 특성과 온도 분포 특성도 실험과 유사함을 확인 했다.
마찰열 직접적 모사의 필요성을 제안하기 위하여 Table 2와 같이 이전의 연구에서 사용했던 경계조건을 가정하여 수행된 열전달 해석 결과와 비교 하였다. Case 1은 디스크와 패드가 접촉하는 면에 열유속 경계조건을 입력하고 case 2는 마찰되는 디스크 면에 열 유속 경계조건을 적용하였다.
이론/모형
수치해석 결과와 실험[9]결과 비교를 위하여 Hwang [9]의 연구에서 사용한 브레이크 시스템과 유사한 재원을 사용하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 열, 기계 물성과 브레이크 시스템의 형상 정보를 나타낸다.
수치해석의 효율을 고려하여 1/2 대칭 모델을 사용하였다. 대부분의 이론식들은 패드에 균일 압력이 작용한다는 가정에서 유도 되었으며, 본 연구에서도 패드에 균일 압력 2.
접촉해석에서 접촉하는 두 물체 중 상대적으로 강성이 낮은 물체에 contact면을 지정한다. 접촉 알고리즘은 수렴성이 좋은 augmented lagrangian method를 적용했다.
성능/효과
결과적으로 가정된 마찰열 경계조건을 적용한 case 1, 2의 온도 분포 특성은 case 3과 확연히 다르며, 마찰열을 가정하여 모사한 결과는 실제 온도 분포를 예측하기에 부적절하고 이를 활용해 분석한 열응력이나 대류 효과 결과는 반드시 오류를 포함한다.
즉 중간에서의 온도는 110℃로 유추가 가능하고 초기 온도가 40℃임을 고려하면 본 연구의 수치해석에서 계산된 디스크 중심 온도와 오차가 거의 없음을 확인 했다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 수치해석 절차와 결과는 타당하다고 판단했다.
또한 디스크는 1cycle이 완전히 회전하기 전 디스크내의 최고 온도는 동일하고 마찰열 유입이 끝나는 60°이후 구간에서는 같은 cycle 내에서 온도 분포가 균일함을 확인 했다.
실험에서 측정된 3cycle에서의 최고 온도는 약 140℃ 이고 최저 온도는 80℃이다. 즉 중간에서의 온도는 110℃로 유추가 가능하고 초기 온도가 40℃임을 고려하면 본 연구의 수치해석에서 계산된 디스크 중심 온도와 오차가 거의 없음을 확인 했다. 결과적으로 본 연구에서 제시한 수치해석 절차와 결과는 타당하다고 판단했다.
후속연구
결론적으로 브레이크의 마찰열 온도분포를 정확히 계산하기 위해서는 회전을 고려한 시뮬레이션 필요성을 확인 하였고, 이 연구는 향후 브레이크 시스템의 열적특성 분석에 기여 한다고 판단한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열-구조 연성 해석의 필요성 확인을 위해 수행한 것은?
0을 사용하여 디스크와 패드의 접촉해석을 수행하고 여기서 발생하는 마찰열의 열전달을 열-구조 연성 요소를 사용하여 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 첫 번째로 열-구조 연성 해석의 필요성을 확인하기 위해 이전 연구들이 마찰열 모사를 위해 사용했던 가정을 적용하여 열전달 해석을 수행하였고, 열-구조 연성 요소를 사용한 수치해석 결과를 비교 분석 하였다. 또한 회전을 고려한 마찰열 특성을 분석하기 위해 과도해석을 수행하였으며, 디스크의 온도 분포 특성을 분석하였다.
마찰열이 브레이크를 설계할 때 중요하게 고려하는 인자인 이유는 무엇인가?
이에 따라 제동 과정에서 발생하는 마찰열이 브레이크 시스템의 안전성을 위협할 만큼 높은 고온이 발생하여 때때로 시스템의 안전성을 위협한다. 마찰에 의해 허용된 값 이상의 온도 상승은 디스크와 패드 접촉면의 마찰계수, 디스크 및 패드의 열 변형, 마멸 및 열 크랙 등의 문제를 발생시켜 제동능력을 저하시킨다. 따라서 마찰열은 브레이크를 설계할 때 중요하게 고려하는 인자중 하나이다.
제동 장치란 무엇인가?
제동 장치는 자동차와 기계장치의 운동 상태를 제어하는 장치를 의미하며, 일반적으로 마찰로 운동에너지를 열에너지로 변환하여 운동하는 기계장치를 제동한다. 산업의 발전에 따라 자동차 및 기계장치는 지속적으로 고출력 및 고속화 되고, 이를 제동하기 위한 브레이크는 점점 더 가혹한 열-기계적 환경에 노출되어 왔다.
참고문헌 (14)
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