[논문]디스크 브레이크와 패드의 마찰열에 의한 열적거동에 관한 연구

한승철

doi:10.15207/jkcs.2019.10.12.287

디스크 브레이크와 패드의 마찰열에 의한 열적거동에 관한 연구
A Study on the Thermal Behaviors of Disk Brake and Pad by Friction Heat 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.12, 2019년, pp.287 - 292

초록
AI-Helper

본 논문은 자동차 제동성능에 대한 운전자의 요구에 따라 브레이크 디스크 튜닝이 많이 이루어지고 있어, 자동차에 사용되고 있는 순정 디스크와 튜닝제품으로 나오고 있는 디스크의 열적거동을 FEM해석을 통해 분석하였다. 순정 디스크 모델링 및 튜닝 디스크 Model-1, Model-2, Model-3로 모델링을 하고 디스크 회전속도를 1000rpm으로 설정하여 해석을 실시하였다. 브레이크를 작동하면 디스크와 패드 접촉에 의해 발생하는 작동시 온도와 디스크 정지 후 마찰면의 온도, 열 변형 등 디스크 표면의 열적거동에 대하여 분석하였다. 브레이크 작동시(0-4.5초) 온도는 순정 디스크보다 튜닝 디스크가 34℃높게 나타났고, 디스크 정지 후(40.5초) 온도는 튜닝 디스크가 18℃낮게 분석되었으며, 디스크 열에 의한 변형은 튜닝 디스크가 0.3mm정도 많이 변형되었다. 순정 디스크와 튜닝 디스크의 열적거동에 따른 페이드 현상 등을 줄일 수 있는 효과는 있으나, 튜닝 디스크의 홀 가공 및 디스크 면 가공에 따른 열적거동에는 크게 변화가 없음을 관찰할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper analyzes the thermal behaviors of genuine discs used in automobiles and discs coming out of tuning products through FEM analysis. Modeling with genuine disk modeling and tuning disks Model-1, Model-2, Model-3 and analyzing the disk rotation speed was set to 1000rpm. When the brake is operated, the thermal behavior of the disk surface, such as the operating temperature caused by the disk and pad contact, the friction surface temperature after the disk stop, and the thermal deformation, were analyzed. When the brake was activated (0-4.5 seconds), the tuning disk showed 34℃ higher than the original disk, and after the disk stopped (40.5 seconds), the tuning disk was analyzed 18℃ lowe, deformation due to the disk heat was deformed by 0.3mm for the tuning disk. Although there is an effect to reduce the fading phenomenon due to the thermal behavior of the pure disk and the tuning disk, it can be observed that there is no significant change in the thermal behavior due to the hole processing and the disk surface processing of the tuning disk.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Tuning discs and original discs
그림 Fig. 2. Finite element mesh model
표 Table 1. The name of vent and face hole, disc face pattern of the four models
그림 Fig. 3. Boundary conditions for disk and pads
그림 Fig. 4. Graph of temperature variation of disk.
표 Table 2. Material property for a disk brake and pad
그림 Fig. 5. Brake operating time and temperature
그림 Fig. 6. Temperature graph after brake stop
그림 Fig. 7. Thermal deformation of brake disk

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

브레이크 디스의 부적절한 변경은 자동차의 제동성능 저하 및 과도한 온도 상승으로 인한 열 변형을 일으키며, 결국 소음과 진동의 원인이 된다. 따라서 본 연구는 유한 요소 프로그램을 이용하여 순정 디스크와 튜닝 디스크의 열적 거동 특성을 연구하였다[4-6].
Han[1]은 브레이크 구조 형상별 내구성 해석을 통해 대형자동차 디스크 내부의 등가응력과 열 및 진동에 의한 변형을 연구하였다. 본 논문에서는 ANSYS Workbench를 사용하여 디스크와 패드의 접촉면에서 발생하는 열변형 불안전성 문제를 열하중과 기계적 하중을 동시에 고려하여 해석을 하였다. 특히 디스크와 패드가 직접 접촉하는 3차원 모델을 구성하여 디스크와 패드의 마찰면 온도, 열 확산냉각, 열 변형을 관찰함으로써 디스크에서 일어나는 열적거동의 발생 원인을 수치해석방법으로 분석하였다[7-10].

가설 설정

자동차가 주행 중 브레이크를 밟으면 유압이 발생하여 제동에 필요한 모든 운동에너지는 패드와 디스크의 마찰 운동이 열에너지로 변환된다고 가정 하였다[8]. 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 Ma[6]는 디스크 브레이크와 패드의 접촉을 고려한 벤틸레이티드 디스크 브레이크의 열적 거동에 관연 연구를 통에 디스크 표면에 접촉하고 있는 브레이크 패드에 가해지는 유압을 마스터실린더로부터 작용하여 제동마찰력이 1MPa이며, 주행하는 자동차의 디스크와 패드사이에는 주변의 대기와 접촉하면서 공기에 의한 강제대류에 의해 냉각되며, 브레이크 디스크와 패드사이의 마찰면의 복사열은 없다고 설정하였다. 브레이크 디스크와 패드에서 공기와의 접촉하여 공기냉각을 고려할 때 열전달 계수는 자동차의 주행속도, 반복제동회수, 디스크 주변의 공기 속도 등에 영향을 받지만 본 연구의 수치해석에서는 평균값 보다 약간 높은 50W/m²K, 브레이크 디스크와 패드의 주변 온도를 상온 조건인 20°C로 정해 대류에 의한 냉각효과를 고려하였다[11].
이번 연구에서는 브레이크 디스크에 Table 1과 같이 Model 4개 모두 동일하게 벤틀레이티드는 단순화된 3차원 형상의 디스크로 열전달 계수는 같다고 가정하였으며, 디스크 면은 Model-1의 경우 디스크 면에 홀 및 패턴을 가공하지 않았고, Model-2에는 규칙적으로 24개의 홀과 1mm로 6개의 Oblique line을 형상 가공하였다. Model-3은 불규칙 모양의 30개의 홀과 깊이 1mm로 18개의 Chaos line을 형상 가공하여 FEM해석을 수행하였다.
자동차가 주행 중 브레이크를 밟으면 유압이 발생하여 제동에 필요한 모든 운동에너지는 패드와 디스크의 마찰 운동이 열에너지로 변환된다고 가정 하였다[8]. 본 연구에서는 Fig.

제안 방법

Solid works를 이용하여 3D 형상모델링을 수행한 벤틀레이티드 브레이크 디스크 모델을 이용하여 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS Workbench Program을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 3D 형상모델의 경우 자동차의 제동이 일어나는 동안 브레이크 디스크와 패드사이에 발생하는 마찰열을 대기 중으로 방출하여 디스크에 열 변형을 최대한 줄이기 위하여 실제 자동차에 사용하는 순정 브레이크 디스크와 같은 48개의 벤틀레이티드 디스크를 모델링하여 유한요소 해석을 수행하였다. FEM에 사용한 순정 디스크는 원주 상으로 7.
이번 연구에서는 브레이크 디스크에 Table 1과 같이 Model 4개 모두 동일하게 벤틀레이티드는 단순화된 3차원 형상의 디스크로 열전달 계수는 같다고 가정하였으며, 디스크 면은 Model-1의 경우 디스크 면에 홀 및 패턴을 가공하지 않았고, Model-2에는 규칙적으로 24개의 홀과 1mm로 6개의 Oblique line을 형상 가공하였다. Model-3은 불규칙 모양의 30개의 홀과 깊이 1mm로 18개의 Chaos line을 형상 가공하여 FEM해석을 수행하였다. 브레이크 디스크 열에너지 변화를 알아보기 위한 유한요소 해석에 사용한 재질은 순정 디스크에 사용한 주철재료를 사용하고, 패드는 비석면 계통의 복합재료를 사용하였으며, 디스크 및 패드 재질의 기계적 특성은 Table 2과 같다[11].
또한 튜닝 디스크 실사를 통해 원주 상으로 9도 간극으로 48개의 벤트 홀을 갖는 축대칭 구조로 형상모델을 하였다. Table 1에 서와 같이 4개의 Model에 Hole가공과 디스크 Face을 사선과 카오스형태로 형상 가공하여 브레이크 작동시 디스크와 패드에서 일어나는 열적 거동과 제동 후 열적 거동을 확인하고자하였다.
2도 간격으로 48개의 벤트 홀을 갖는 축대칭 구조로 형상모델을 수행하였다[11]. 또한 튜닝 디스크 실사를 통해 원주 상으로 9도 간극으로 48개의 벤트 홀을 갖는 축대칭 구조로 형상모델을 하였다. Table 1에 서와 같이 4개의 Model에 Hole가공과 디스크 Face을 사선과 카오스형태로 형상 가공하여 브레이크 작동시 디스크와 패드에서 일어나는 열적 거동과 제동 후 열적 거동을 확인하고자하였다.
본 연구에서는 ANSYS Workbench 이용하여 순정 디스크와 튜닝 디스크에서 브레이크 작동으로 디스크와 패드의 마찰로 발생하는 열적거동을 FEM해석을 통하여 분석하였다. 해석 결과 브레이크 작동시간 0.
FEM해석은 반경 305mm 타이어를 장착한 자동차가 115km/h(디스크 1000rpm)속도로 주행 중으로 가정하고, Jung[15]는 브레이크 디스크 로터 다이나모 시험을 통해 브레이크 운용 중 최대 온도가 650℃발생하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 제동마찰력을 1MPa으로 가압하므로 디스크와 패드의 초기 제동 온도를 500℃으로 설정하여 해석을 진행하였으며, 과도 열 해석의 결과 값을 구조해석을 통하여 해석결과를 분석하였다[16]. Fig.
브레이크 디스크와 패드에서 공기와의 접촉하여 공기냉각을 고려할 때 열전달 계수는 자동차의 주행속도, 반복제동회수, 디스크 주변의 공기 속도 등에 영향을 받지만 본 연구의 수치해석에서는 평균값 보다 약간 높은 50W/m2K, 브레이크 디스크와 패드의 주변 온도를 상온 조건인 20°C로 정해 대류에 의한 냉각효과를 고려하였다[11].
본 논문에서는 ANSYS Workbench를 사용하여 디스크와 패드의 접촉면에서 발생하는 열변형 불안전성 문제를 열하중과 기계적 하중을 동시에 고려하여 해석을 하였다. 특히 디스크와 패드가 직접 접촉하는 3차원 모델을 구성하여 디스크와 패드의 마찰면 온도, 열 확산냉각, 열 변형을 관찰함으로써 디스크에서 일어나는 열적거동의 발생 원인을 수치해석방법으로 분석하였다[7-10].

대상 데이터

3D 형상모델의 경우 자동차의 제동이 일어나는 동안 브레이크 디스크와 패드사이에 발생하는 마찰열을 대기 중으로 방출하여 디스크에 열 변형을 최대한 줄이기 위하여 실제 자동차에 사용하는 순정 브레이크 디스크와 같은 48개의 벤틀레이티드 디스크를 모델링하여 유한요소 해석을 수행하였다. FEM에 사용한 순정 디스크는 원주 상으로 7.2도 간격으로 48개의 벤트 홀을 갖는 축대칭 구조로 형상모델을 수행하였다[11]. 또한 튜닝 디스크 실사를 통해 원주 상으로 9도 간극으로 48개의 벤트 홀을 갖는 축대칭 구조로 형상모델을 하였다.
Model-3은 불규칙 모양의 30개의 홀과 깊이 1mm로 18개의 Chaos line을 형상 가공하여 FEM해석을 수행하였다. 브레이크 디스크 열에너지 변화를 알아보기 위한 유한요소 해석에 사용한 재질은 순정 디스크에 사용한 주철재료를 사용하고, 패드는 비석면 계통의 복합재료를 사용하였으며, 디스크 및 패드 재질의 기계적 특성은 Table 2과 같다[11].

데이터처리

Solid works를 이용하여 3D 형상모델링을 수행한 벤틀레이티드 브레이크 디스크 모델을 이용하여 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS Workbench Program을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 3D 형상모델의 경우 자동차의 제동이 일어나는 동안 브레이크 디스크와 패드사이에 발생하는 마찰열을 대기 중으로 방출하여 디스크에 열 변형을 최대한 줄이기 위하여 실제 자동차에 사용하는 순정 브레이크 디스크와 같은 48개의 벤틀레이티드 디스크를 모델링하여 유한요소 해석을 수행하였다.

성능/효과

이것은 디스크 표면에서 발생한 마찰열이 전도되지 않고 대기와의 접촉으로 인하여 열이 확산냉각이 일어나므로 순정 디스크의 벤틸레이티드의 형상이 튜닝 디스크에 비해 좁게 설계되어 열 확산 냉각이 적게 일어나는 것이다. 디스크 브레이크에 발생하는 열 변형은 디스크의 정지 후 40.5초 동안 변형 량을 분석한 결과 디스크 회전방향의 외경 끝부분에서 가장 크게 일어났으며, 순정 디스크의 열 변형은 0.95mm, 튜닝 디스크의 Mode 1, 2, 3의 열 변형은 1.26-1.29mm의 변형이 일어났다. 브레이크 제동시간에 따른 온도분포 해석을 통하여 디스크 불균형 온도분포로 인해 디스크의 일시적인 열 변형이 발생되고 이로 인한 진동이 일어나는 열적 저더현상의 원인임을 알 수 있었다.
브레이크 제동시간에 따른 온도분포 해석을 통하여 디스크 불균형 온도분포로 인해 디스크의 일시적인 열 변형이 발생되고 이로 인한 진동이 일어나는 열적 저더현상의 원인임을 알 수 있었다. 또한 튜닝 디스크가 순정 디스크에 비해 반복적 브레이크 작동시열 확산냉각이 좋아 페이드현상이 적게 발생할 수 있으나, 디스크에 홀 가공 및 디스크 면 형상가공에 따른 열적 거동이 크지 않은 것으로 확인되었다.
29mm의 변형이 일어났다. 브레이크 제동시간에 따른 온도분포 해석을 통하여 디스크 불균형 온도분포로 인해 디스크의 일시적인 열 변형이 발생되고 이로 인한 진동이 일어나는 열적 저더현상의 원인임을 알 수 있었다. 또한 튜닝 디스크가 순정 디스크에 비해 반복적 브레이크 작동시열 확산냉각이 좋아 페이드현상이 적게 발생할 수 있으나, 디스크에 홀 가공 및 디스크 면 형상가공에 따른 열적 거동이 크지 않은 것으로 확인되었다.
하지만 튜닝 디스크 Model-2와 Model-3은 디스크 면에 홀 가공 및 면 형상가공을 하였으나, 열변형은 크게 일어나지 않았다. 열응력의 발생은 디스크와 패드의 상호 마찰운동으로 인한 열 유입과 열 유속으로 인한 높은 온도에서 발생되는 복합적인 결과로서 디스크의 두께 변화에 따라 달라질 수 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 ANSYS Workbench 이용하여 순정 디스크와 튜닝 디스크에서 브레이크 작동으로 디스크와 패드의 마찰로 발생하는 열적거동을 FEM해석을 통하여 분석하였다. 해석 결과 브레이크 작동시간 0.5초에 순정 디스크는 498℃, 튜닝 디스크 Model-1은 497℃의 열이 발생하였으나, 튜닝 디스크 Model-2는 539℃와 Model-3은 518℃로 디스크면 형상가공으로 인한 가공면 주변온도가 상승하는 것으로 나타났다. 브레이크 제동이 일어나는 시간(4.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	브레이크 디스의 부적절한 변경은 어떤 현상을 만드는가?	브레이크 디스의 부적절한 변경은 자동차의 제동성능 저하 및 과도한 온도 상승으로 인한 열 변형을 일으키며, 결국 소음과 진동의 원인이 된다. 따라서 본 연구는 유한 요소 프로그램을 이용하여 순정 디스크와 튜닝 디스크의 열적 거동 특성을 연구하였다[4-6].
	ANSYS Workbench을 이용하요 순정 디스크와 튜닝 디스크를 분석한 결과는?	브레이크 제동시간에 따른 온도분포 해석을 통하여 디스크 불균형 온도분포로 인해 디스크의 일시적인 열 변형이 발생되고 이로 인한 진동이 일어나는 열적 저더현상의 원인임을 알 수 있었다. 또한 튜닝 디스크가 순정 디스크에 비해 반복적 브레이크 작동시열 확산냉각이 좋아 페이드현상이 적게 발생할 수 있으나, 디스크에 홀 가공 및 디스크 면 형상가공에 따른 열적 거동이 크지 않은 것으로 확인되었다.
	자동차의 브레이크 장치의 특징은?	자동차의 브레이크 장치는 자동차가 제동을 시작하게 되면 엔진에 의해 발생된 회전 운동을 구동장치를 통해 운동에너지로 바꾸어 브레이크 디스크와 패드의 마찰운동으로 인한 열에너지를 대기 중에 방출함으로 차량이 감속 또는 정지하게 된다[1-3].

참고문헌 (16)

M. S. Han & J. U. Cho. (2013). Durability Analysis by Shape of Brake Disk Structure. Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 22(1), 36-44.

원문보기 상세보기
K. W. Park, J. H. Nam, J. Y. Kang, Y. S. Kim, J. B. Lee & B. J. Ryu. (2017). Investigation of Heat Fluid Analysis in Ventilated Disc Brake with Respect to Structure Geometry. Korean Society of Mechanical Technology, 19(1), 134-140.
I. H, Baek. (2012). A Study on Thermal Behavior and Stress Characteristics of Discs under Braking Conditions for Automobiles. Journal of the KSTLE, 28(5), 246-251.
J. W. Nam, H. S. Ryou & S. W. Cho. (2017). Study for Characteristic of Frictional Heat Transfer in Rotating Brake System. Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, 18(10), 817-822.

원문보기 상세보기
S. M. Kim. (2009). A Study on Thermal Analysis in Ventilated Disk Brake by FEM. Journal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, 18(5), 544-549.
J. B. Ma & B. G. Lee. (2014). Thermal Behavior of Ventilated Disc Brakes Considering Contact Between Disc and Pad. Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 23(3), 259-265.

원문보기 상세보기
V. T. V. S. Ramachandra Rao, H. Ramasubrananian, and K. N. Seetharamu. (1989). Analysis of Temperature Field in Brake Disc for Fade Assessment. Wearme Stoffuebertrag, 24(1), 9-17.

상세보기
T. I. Yeo. (1998). Finite Element Analysis of Thermoelastic Contact Stability with Sliding Friction. Trans. of the KSME(A), 22(7), 1106-1113.
J. D. Rainbolt. (1975) Effects of Disk Material Selection on Disk Brake Rotor Configuration. SAE 750733, 1973-1814.
A. E. Anderson & R. A. Knapp. (1989). Hot Spotting in Automotive Friction Systems. Int. Conf. on Wear of Materials, 2, 673-680.
S. C. Han & B. G. Lee. (2018). A Study on Convergence Contact Behavior of Friction Heat and Pad on Disk Brake. Journal of the Korea Convergence Society, 9(1), 283-289.

원문보기 상세보기
Y. Jimbo, T. Mibe, K. Akiyama, H. Matsui, M. Yoshida & A. Ozawa. (1990). Development of High Thermal Conductivity Cast Iron for Brake Disk Rotors. SAE 750733, 22-28.
M. S. Oh, B. G. Lee & J. B. Ma. (2014). Finite Element Analysis for Thermal Behavior of Ventilated Disc Brakes using Disk brake-Pad contact Mode. Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 23(3), 259-265.

원문보기 상세보기
J. U. Cho & M. S. Han. (2010). Structural and Thermal Analysis of Disk Brake. Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 19(2), 211-215.
T. K. Jung, B. W. Cha, Y. H. Hong, C. M. Kim, Y. H. Hong & C. D. Cho. (2016). An Experimental Study for Machined Patterns of Friction Surface on Disc Brake Rotor in Performance Aspect. Transactions of KSAE, 24(4), 471-479.

원문보기 상세보기
S. P. Jung, T. W. Park & W. S. Chung. (2011). Analysis of Hot Judder of Disc Brakes for Automotives by Using Finite Element Method. Korean Society of Mechanical Engineers, 35(4), 425-431.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증