[논문]냉각 성능 향상을 위한 고속철도 제동 디스크 허브의 해석 연구

이용우; 김장훈

doi:10.5762/kais.2021.22.3.199

냉각 성능 향상을 위한 고속철도 제동 디스크 허브의 해석 연구
Analytical Study of High Speed Railway Braking Disc-hub for Enhancement of Cooling Performance 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.199 - 207

이용우 (신한대학교 기계자동차융합공학과) , 김장훈 ((주)에스앤위즈)

초록
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본 연구는 한국형고속철도(KTX)의 제동장치의 국산화를 통한 성능 개선을 위한 목적으로 수행되었다. 본 연구에서 기존 수입에 의존하고 있는 고속철도용 제동 디스크 허브를 국산화하기 위하여 유한요소 해석을 통해 성능을 분석하고 제동 시험결과와 상관도 분석을 통해 모델의 검증을 수행하였다. 또한, 제동시 발생할 수 있는 기계적인 특성을 검토하기 위하여 마찰열에 의한 열전달-열응력 해석, 고유진동해석 및 강도해석을 수행하였다. 디스크 허브 국산화 신규 모델의 개발을 위해 형상에 따른 설계 인자를 도출하고 파라미터 해석을 수행하여 방열성능을 향상시키고 경량화를 위한 최적 사양을 도출하고자 하였다. 개발 모델을 기존 모델과 비교한 결과 기존 모델 대비 제동시 발생하는 허브의 최고 온도가 낮아졌으며, 냉각 효율이 향상되었음 확인할 수 있었다. 또한, 고유진동수 및 강도 특성 또한 동등 수준 이상의 성능을 확보한 설계임을 확인하였다. 본 연구 결과는 철도차량 및 수송기기 분야의 제동 디스크 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to improve the performance of the KTX (Korea Train Express) brake system. To develop a braking disc-hub for the high-speed rail, the model performance was analyzed by finite element analysis, and the analysis results were verified using the braking test results. In addition, heat transfer analysis, thermal stress analysis, natural frequency analysis, and static analysis were conducted to examine the mechanical performance of the braking system. By deriving the design factors and conducting parametric analyses according to the shape of the hub, this study derived the optimal specifications that could improve heat dissipation and reduce weight. The cooling efficiency and structural performance of the optimization model were improved during braking compared to the existing model. It is expected that the design verification will be carried out through analyses of the optimal specifications so that it can be used in the development of brakes in railway vehicles and motor vehicles.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. 3D model of the disc-hub assembly (a) Old type model (b) New concept model
그림 Fig. 2. FE Model of the disc-hub assembly (a) Old type model (b) New concept model
표 Table 1. Material Properties
그림 Fig. 3. Boundary conditions of thermo-mechanical coupled analysis
그림 Fig. 4. Temperature contour of old model for thermo- mechanical coupled analysis (a) At 54.5 scc (b) At 173.2 sec
그림 Fig. 5. Thermal test and analysis result (a) Thermography of disc and hub, (b) Temperature graph
그림 Fig. 6. Stress cotour of old model for thermo-mechanical coupled analysis at 173.2 sec
그림 Fig. 7. Displacement contour of old model for modal analysis (a) 1st mode shape, (b) 2nd mode shape
그림 Fig. 8. Stress contour of old model for strength analysis (a) Disc-hub assembly, (b) Disc, (c) Hub
그림 Fig. 9. Structural parameter of new concept hub model
표 Table 2. Parametric analysis result
그림 Fig. 10. Temperature graph comparison with old and new models
그림 Fig. 11. Temperature contour of new model for thermo-mechanical coupled analysis (a) At 54.5 scc (b) At 172.6 sec
그림 Fig. 12. Stress cotour of new model for thermo-mechanical coupled analysis at 172.6 sec
그림 Fig. 13. Displacement contour of new model for modal analysis (a) 1st mode shape, (b) 2nd mode shape
그림 Fig. 14. Stress contour of new model for strength analysis (a) Disc-hub assembly, (b) Disc, (c) Hub

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 고속철도 제동 시스템의 열적 특성 개선을 목적으로 디스크와 허브를 포함하는 조립체에 대한 유한요소 모델을 구성하고 시험 결과와의 비교를 통해 모델의 검토를 수행한 후 방열성능을 개선할 수 있는 허브의 최적 모델에 대한 설계안을 도출하였다.
수행하였다. 본 연구의 목적인 방열 효율 개선을 위한 평가를 위하여는 열전달해석만을 수행할 수 있으나 설계시 수반되는 형상변경에 따라 구조적 특성 저하가 발생될 경우 개발된 설계의 효용성을 명확히 판단하기 어려워 3가지의 해석이 수행되었다.
디스크와 허브의 연결 볼트와 너트는 Solid요소를 사용하였다. 이는 해석시 볼트에 초기체결력을 부여하여 볼트 체결부의 강도를 검토하기 위해 수행되었다. 디스크는 유럽 규격인 NF 28CDV5-08이며, 허브의 소재는 SCM 430로 각각의 물성은 Table.
또한 시험을 통해 제동 시 발생하는 온도 분포에 대한 다양한 연구[6, 7]가 수행되었는데, 이를 통해 국부적 온도 집중에 의한 구조적 문제가 발생함을 규명하였다. 이러한 국부적 온도집중에 의해 발생하는 열점(hot spot)에 대한 연구 [8, 9]를 통해 열적 성능이 제동 성능 저하에 미치는 영향을 고찰하였다. 그러나 해당 연구는 디스크에 국한되어 있어 본 연구의 대상인 허브 조립체는 제외되었다.

가설 설정

29를 부여하였다. 또한, 각각의 접촉부의 열접촉 저항은 없는 것으로 가정하였다. 디스크와 허브의 연결 볼트와 너트는 Solid요소를 사용하였다.

제안 방법

해석 결과의 검증을 위해 Fig. 5 (a)와 같이 열화상 카메라를 통해 허브의 온도를 두개 지점에 대하여 측정하였다. 각 지점별 최대 온도는 Fig.
선정된 인자는 Table. 2와 같이 두께 및 위치를 변경하여 해석을 수행하였다. 해석은 열전도 해석, 고유 진동해석, 제동 하중에 따른 구조강도 해석이 수행되었다.
Fig. 1 (b)의 신규 모델은 기존 모델과 달리 디스크와의 체결되는 허브의 플랜지부를 외측에서 내측으로 설계하여 회전시 작용하는 단면 계수 및 외부 단면적의 증가를 통한 방열성능을 개선하고자 초도 설계를 수행하였다. 이렇게 형상 설계 모델을 바탕으로 인자별 파라미터 해석을 통해 인자별 최적화를 수행하였다.
3은 열전달-열응력 연성 해석 조건을 보여주고 있다. Fig. 3에서 디스크와 패드의 마찰면에 식 (1) 의 열유속(heat flux)를 부여하고, 디스크-허브 조립체가 공기 중으로 노출되는 허브, 볼트, 너트, 디스크 원주면 등에 식 (3)의 막계수를 부여하여 1,500 초 동안 해석을 수행하였다. 기계적인 구속조건으로 허브 내측의 구동축 연결부의 변위를 고정하였다.
또한, Cho. et al의 연구[5] 마찰에 의한 열유속(heat flux)를 정의하여 유한요소 해석을 통해 열전달 및 기계적 강도에 대한 검토를 수행하였다. 또한 시험을 통해 제동 시 발생하는 온도 분포에 대한 다양한 연구[6, 7]가 수행되었는데, 이를 통해 국부적 온도 집중에 의한 구조적 문제가 발생함을 규명하였다.
3에서 디스크와 패드의 마찰면에 식 (1) 의 열유속(heat flux)를 부여하고, 디스크-허브 조립체가 공기 중으로 노출되는 허브, 볼트, 너트, 디스크 원주면 등에 식 (3)의 막계수를 부여하여 1,500 초 동안 해석을 수행하였다. 기계적인 구속조건으로 허브 내측의 구동축 연결부의 변위를 고정하였다. 해석은 볼트의 체결 토크 1, 049 Nm에 해당하는 축력 51, 519 N의 초기 체결력(Pre-tension)을 부여한 수 진행되었으며, 시험과 상관도 검증을 통해 식 (1)의 보정 계수 c를 변화시키며 수행되었다.
본 연구에서는 고속철도용 제동장치인 디스크-허브 조립체에 대한 역설계를 통해 기존 모델의 성능을 검토하고, 신규 설계를 수행 한 수 인자별 해석검토를 통해 설계 제원의 최적화를 수행하여 1.63 kg의 경량화를 수행하였다. 주요 분석 결과 및 수행 결과는 다음과 같다.
선정된 모델에 대한 열전달-열응력 연성 해석을 수행하고 각 측정점에 대한 최대 온도를 비교하였다. 해석 결과 Fig.
시험조건은 UIC 541-3 (Disc brakes and their application – General conditions OR for the approval of brake pads)에 근거하여 최고시속 300 에서 감속도 1.04 ^ 로 제동하는 조건에 따라 부여되었으며, 해석과 시험의 상관도를 높이기 위해 마찰 표면에 작용하는 열유속 식(1)의 보정계수 c (correction factor)를 변화하며 시험 결과에 해석 조건을 맞추는 방법으로 수행되었다. Fig.
유한요소 해석은 ABAQUS를 사용하여 열전달-열응력 연성해석, 고유진동수해석, 강도해석을 수행하였다. 본 연구의 목적인 방열 효율 개선을 위한 평가를 위하여는 열전달해석만을 수행할 수 있으나 설계시 수반되는 형상변경에 따라 구조적 특성 저하가 발생될 경우 개발된 설계의 효용성을 명확히 판단하기 어려워 3가지의 해석이 수행되었다.
1 (b)의 신규 모델은 기존 모델과 달리 디스크와의 체결되는 허브의 플랜지부를 외측에서 내측으로 설계하여 회전시 작용하는 단면 계수 및 외부 단면적의 증가를 통한 방열성능을 개선하고자 초도 설계를 수행하였다. 이렇게 형상 설계 모델을 바탕으로 인자별 파라미터 해석을 통해 인자별 최적화를 수행하였다.
해석은 최초 볼트의 체결하중을 부여한 후패드의 외면에 답력을 부여하여 초기 조건을 부여하였다. 이후 허브 내측 구동축 체결부에 강제 회전 변위를 부여하여 최대 정지 마찰 상태에서의 응력을 계산하였다.
허브를 기준으로 최대 하중이 부여되는 조건은 패드에 최대 답력이 부여되어 급격한 마찰열이 발생하며 디스크와 패드가 미끄러짐(slip)이 발생하는 조건에서 비틀림 하중이 발생된다. 패드에 작용하는 하중은 KTX 공압 캘리퍼의 설계 기준을 고려하여 최대하중 (25 kN) 의 1.2배인 30 kN를 부여하여 해석을 수행하였다. 해석은 최초 볼트의 체결하중을 부여한 후패드의 외면에 답력을 부여하여 초기 조건을 부여하였다.
2와 같이 두께 및 위치를 변경하여 해석을 수행하였다. 해석은 열전도 해석, 고유 진동해석, 제동 하중에 따른 구조강도 해석이 수행되었다.
2배인 30 kN를 부여하여 해석을 수행하였다. 해석은 최초 볼트의 체결하중을 부여한 후패드의 외면에 답력을 부여하여 초기 조건을 부여하였다. 이후 허브 내측 구동축 체결부에 강제 회전 변위를 부여하여 최대 정지 마찰 상태에서의 응력을 계산하였다.
형상설계안에 대하여 검증 및 최적화를 수행하기 위해 유한요소 모델링을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

2는 각 설계에 대한 유한요소 모델을 보여주고 있다. 기존 설계 유한요소 모델은 절점 352, 112 개, 요소 502, 512 개로 구성되었으며, 신규 설계안은 절점 342, 136 개, 요소 497, 152 개로 구성되었다. 각 접촉면의 마찰계수는 패드와 디스크가 0.
이는 해석시 볼트에 초기체결력을 부여하여 볼트 체결부의 강도를 검토하기 위해 수행되었다. 디스크는 유럽 규격인 NF 28CDV5-08이며, 허브의 소재는 SCM 430로 각각의 물성은 Table. 1에 나타나 있다.
또한, 각각의 접촉부의 열접촉 저항은 없는 것으로 가정하였다. 디스크와 허브의 연결 볼트와 너트는 Solid요소를 사용하였다. 이는 해석시 볼트에 초기체결력을 부여하여 볼트 체결부의 강도를 검토하기 위해 수행되었다.
또한 기존 모델을 대체하는 구조이므로 연관부품과의 간섭을 고려해야 한다. 따라서, 이러한 조건 내에서 Fig. 9와 같이 허브-디스크 체결부의 두께(A), 허브의 외측면 두께(B), 허브의 내측면 두께(C), 허브 외 측면과 내측면 연결부의 위치(D)의 4가지 인자가 선정되었다. 선정된 인자는 Table.
최적 모델의 제원은 허브-디스크 체결부의 두께를 16.0 mm로 선정하였고, 허브 외측면의 두께를 5.2 mm 로, 허브 내측면위 두께를 12.0 mm로, 외측면과 내 측면연결부 위치를 24.0 mm 로 선정하여 해석을 수행하였다. 이를 통해 기존 대비 1.

데이터처리

기계적인 구속조건으로 허브 내측의 구동축 연결부의 변위를 고정하였다. 해석은 볼트의 체결 토크 1, 049 Nm에 해당하는 축력 51, 519 N의 초기 체결력(Pre-tension)을 부여한 수 진행되었으며, 시험과 상관도 검증을 통해 식 (1)의 보정 계수 c를 변화시키며 수행되었다.

성능/효과

1) 열전달-열응력 연성 해석 결과 Sp1지점의 최대온도는 기존 모델은 166.7 ℃가 나타났으며, 최적화 모델이 160.5 ℃로 기존 대비 6.2 ℃가 낮아짐을 확인하였다. 또한, 가열 후 허브가 다시 100.
2) 고유 모드 해석에서 최적화 모델의 고유진동수는 1 차모드의 경우 339.19 Hz로 기존 모델 대비 18.7 %가 개선되었으며, 2차 모드의 경우 355.22 Hz로 20.9 %가 개선되어 중량 감소 대비 강성이 증가함을 확인할 수 있어 개선효과가 나타남을 확인하였다.
3) 최적 모델의 제동 하중에 대한 강도 해석 결과 디스크의 최대응력은 110.7 MPa가 나타났으며, 허브는 볼트 체결부에서 31.4 MPa가, 측면부에서 24.7 MPa 가 나타나 이전 모델에 대비하여 디스크의 최대 응력 및 허브의 최대 응력 또한 감소한 것을 확인할 수 있었다.
디스크의 최대응력은 Ⅲ.5 MPa가 나타났으며, 허브는 볼트 체결부에서 38.9 MPa가, 측면부에서 32.7 MPa 가 나타남을 볼 수 있었다. 이는 디스크의 경우 항복응력의 11.
고유진동수는 조립체의 강성과 질량의 관계로 계산되는데, 중량의 감소에 의한 강성 저하가 나타나지 않아 기존 설계 대비 강성 개선 효과가 나타난 것으로 판단되었다. 고유진동수는 1차모드의 경우 339.19 Hz로 기존모델 대비 18.7 %가 개선되었으며, 2차 모드의 경우 355.22 Hz로 20.9 %가 개선되어 동적 강성에 대한 개선 효과가 나타남을 확인하였다.
고유진동수는 조립체의 강성과 질량의 관계로 계산되는데, 중량의 감소에 의한 강성 저하가 나타나지 않아 기존 설계 대비 강성 개선 효과가 나타난 것으로 판단되었다. 고유진동수는 1차모드의 경우 339.
14와 같이 나타났다. 디스크의 최대응력은 110.7 MPa가 나타났으며, 허브는 볼트 체결부에서 31.4 MPa가, 측면부에서 24.7 MPa 가 발생하여 이전 모델에 대비하여 디스크의 최 대응력 및 허브의 최대 응력 또한 감소한 것을 확인할 수 있었다.
볼 수 있었다. 또한 허브의 외측면 두께(B)의 변화에 따라 허브의 최대 온도 변화와 1차 공진주파수의 변화가 비교적 높게 나타났으며, 허브의 내측면 두께(C) 의 변화에 따른 결과는 타 인자에 비해 높지 않게 나타나고 있음을 볼 수 있었다. 반면, 허브 외측면과 내측면 연결부 위치(D) 인자의 경우 1차 공진주파수의 변화에 민감한 것으로 확인할 수 있었다.
2 ℃가 낮아짐을 확인하였다. 또한, 가열 후 허브가 다시 100.0 ℃ 까지 냉각되는 시간이 기존 591.1 초에서 572.2 초로 약 18.9 초가 줄어들어 냉각 효율의 개선 되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 열응력은 기존모델의 경우 허브의 최대응력이 603.
9 초가 줄어들어 냉각 효율의 개선 되었음을 확인할 수 있었다. 또한, 열응력은 기존모델의 경우 허브의 최대응력이 603.9 MPa에서 551.4 MPa로 낮아짐을 알 수 있었다.
6 ℃가 낮아짐을 확인하였다. 또한, 최대 온도가 발생하는 시간인 121.4 초에서 조립체의 총열량의 경우 기존모델은 967, 851 J이 신규모델의 경우 869, 991 J로 10.0 %의 방열에 의한 내부총열량의 감소효과가 나타난 것을 알 수 있었으며, 제동 후 Sp1지점이 100.0 ℃까지 냉각되는 시간은 기존 591.1 초에서 572.2 초로 약 18.9 초가 감소함을 확인할 수 있었다.
또한 허브의 외측면 두께(B)의 변화에 따라 허브의 최대 온도 변화와 1차 공진주파수의 변화가 비교적 높게 나타났으며, 허브의 내측면 두께(C) 의 변화에 따른 결과는 타 인자에 비해 높지 않게 나타나고 있음을 볼 수 있었다. 반면, 허브 외측면과 내측면 연결부 위치(D) 인자의 경우 1차 공진주파수의 변화에 민감한 것으로 확인할 수 있었다.
0 mm 로 선정하여 해석을 수행하였다. 이를 통해 기존 대비 1.63 kg의 중량 감소를 통해 5.38%의 경량화가 나타남을 알 수 있었다.
최적 모델에 대한 고유진동수는 이전 모델에 비해 높아짐을 확인할 수 있었으며, 이는 허브의 형상 변화를 통해 조립체의 단면 계수가 증가하여 강성이 증가되고 중량 감소로 인하여 고유진동수가 상승하는 것으로 판단되었다. 고유진동수는 조립체의 강성과 질량의 관계로 계산되는데, 중량의 감소에 의한 강성 저하가 나타나지 않아 기존 설계 대비 강성 개선 효과가 나타난 것으로 판단되었다.
각 측정점에 대한 최대 온도를 비교하였다. 해석 결과 Fig. 10에서와 같이 Sp1지점의 최대온도는 최적화 모델이 160.5 ℃로 기존 대비 6.2 ℃가 낮아졌으며, Sp2 지점은 82.9 ℃에서 81.3 ℃로 1.6 ℃가 낮아짐을 확인하였다. 또한, 최대 온도가 발생하는 시간인 121.
6 초에서 최대응력을 보여주고 있다. 해석 결과 디스크에서 642.7 MPa가 나타났으며, 허브의 볼트 체결부에서 551.4 MPa가 나타나 기존 모델 대비 최대 응력이 상대적으로 낮아졌음을 알 수 있었다.
2 초에서의 응력분포를 보여주고 있다. 해석 결과 최대응력은 허브의 볼트 체결부에서 603.9 MPa가 나타났으며, 디스크는 663.3 MPa가 나타남을 확인하였다.
6초에서의 온도 분포를 보여주고 있다. 해석 결과 최적 모델은 기존 모델 대비 체결부의 온도 분포가 상대적으로 낮게 나타남을 볼 수 있었다.
해석 결과 허브와 디스크 체결부 두께(A)의 변화에 따라 강도 조건에 따른 최대응력의 변화가 비교적 크게 나타남을 볼 수 있었다. 또한 허브의 외측면 두께(B)의 변화에 따라 허브의 최대 온도 변화와 1차 공진주파수의 변화가 비교적 높게 나타났으며, 허브의 내측면 두께(C) 의 변화에 따른 결과는 타 인자에 비해 높지 않게 나타나고 있음을 볼 수 있었다.

후속연구

향후, 설계안을 바탕으로 제품을 제작한 후 제동 시험 및 실차시험을 통한 성능 검증을 위한 연구를 추가연구를 수행하고자 한다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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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].

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