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문제 정의
- 본 연구에서는 디스크와 패드의 마찰로 인하여 발생하는 열적거동을 유한요소 해석을 통하여 디스크에서 발생하는 저더 현상의 원인을 파악하고자 하였다. 해석 결과 디스크에 발생하는 마찰열로 인한 발생하는 최고온도 498℃는 디스크에 나타났다.
- 본 연구에서는 실험적 계산식(1)과 T. Kao[12] 제시한 디스크와 패드의 접촉면에 가해지는 압력에 대한 해석방법을 기초로 하여 3D 모델을 통하여 제동이 일어나는 동안 디스크와 패드의 접촉압력에 의해 일어나는 마찰열로 인한 열변형으로 발생하는 소음과 진동의 원인인 저더현상의 메커니즘을 이해하기 위하여 제동시간 동안의 과도 열해석을 수행하였다. 수치해석방법은 ANSYS Workbench를 사용하여 디스크와 패드의 접촉면에서 발생하는 마찰 열하중을 통한 열해석을 수행한 후 기계적 하중인 디스크와 패드의 접촉압력을 고려하여 열적 변형을 수치해석을 통하여 확인하였다.
가설 설정
- I. A. Popov[15]에 따르면 물체의 어떠한 표면이든 그 표면에 작은 홈을 만들었을 경우 대류에 의한 열전달 효과는 2배 이상 상승된다는 결과도 있지만, 본 연구에서는 디스크 브레이크에 냉각채널과 같은 벤트 홀이나 홈을 형상화 시키지 않고 단순화된 3차원 형상의 디스크 브레이크로 열전달 계수는 같다고 가정하고 유한요소 해석을 수행하였다. 디스크 온도분포 변화를 알아보기 위하여 사용한 디스크의 재료는 대부분 주철을 사용하고, 패드는 비석면 계통의 복합재료를 사용하며 디스크와 패드의 재료의 물성은 Table 2과 같다[13].
- 본 연구에서는 Limpert [14] 실험식을 적용하여 브레이크 디스크 표면에 접촉하고 있는 디스크 패드에 가해지는 마스터 실린더에서 작용하는 유압 제동마찰력은 1MPa 이고, 고속으로 주행하는 디스크와 패드사이에는 주위의 대기와 접촉하면서 공기저항에 의한 강제대류에 의해 냉각되며, 디스크와 패드사이의 마찰면의 복사열은 없다고 가정하였다. 디스크-패드에서 공기와의 접촉을 고려한 공냉을 고려할 때 열전달 계수는 자동차의 간헐적 및 반복 제동, 주행속도, 브레이크 주변의 공기 속도 유동장 등을 고려하지만 본 수치해석에서는 평균값 보다 약간 높은 50W/m2K, 외부온도를 상온의 20°C로 설정하여 자연대류에 의한 공기의 냉각효과를 주었다.
- 자동차가 제동을 시작하게 될 때 제동에 필요한 모든 운동에너지는 패드와 디스크의 마찰운동이 열에너지로 변환된다고 가정 하였다. 고속으로 주행하는 자동차가 제동을 시작할 때 디스크와 패드의 압력에 의해 발생하는 마찰열로 인한 열 유속을 열변형을 위한 연성해석에 적용하는 이유는 디스크와 패드의 압력효과에 의해 발생하는 열에너지를 열-구조 연성해석에 적용하기 위한 것이다.
- 5초 동안 감속하여 정치 상태로 도달하게 된다. 제동 시 패드와 디스크 접촉면 사이에 발생하는 마찰력은 모두 열에너지로 변환된다고 가정하였다. 이때 디스크와 패드의 마찰에 의한 유입되는 열 유속은 다음 (1) 식과 같다[13].
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