1. 서 론
최근 자동차의 시장에서 친환경적이고 연비와 관련되어 자 동차부품을 개발하는 방향으로 나아가고 있는 시점이다. 이는 소비자들의 자동차를 구매하는데 있어 가장 우선적으로 보는 항목이 연비가 우선이기 때문이다. 이에 따라 자동차 업체와 부품업체들은 연비향상에 기술을 진화, 개발 시키고 있다. 기 본적으로 연료를 친환경, 고연비로 나아가는 중심적인 개발이 있는가 하며 차체나 섀시의 경량화와 연비의 효율을 증가시 키는 기술을 개발하고 있다. 현재 디스크 브레이크는 단순히 제동만을 하는 목표로 개발되어 사용되지 않는다. 앞에서 나 타난 기술을 목적으로 개발되어 있다. 그 중 예를 들면 회생 제동장치와 X-By-Wire Brake시스템이다[1]. 단순한 기계적인
시스템으로 구동되었던 과거와는 달리 현, 미래적인 기술을 이런 전자제어 기술을 융합적인 시스템을 구성되어 짐으로써 기술의 다양성이 넓어지고 있고 이 기술을 제어하는 면에서 도 정밀하고 정확해져가는 사회흐름을 보여준다. 이런 기계식 과 전자제어식 제동장치 둘 다 핵심적으로 중요시 하는 부분 이 있다. 바로 디스크브레이크의 마찰열을 감소시키는 것이 다. 열을 신속하게 냉각시키지 못하면 디스크의 마찰계수가 감소하여 미끄러지는 Fade현상이 나타나며 열로 인해 부품의 변형이 생기고 이에 제동성능이 저하되며 심할 경우 제동이 되지 않을 수 있는 위험한 상황이 발생할 수도 있다[2]. 하지 만, 기존 연구에 의하면 디스크 브레이크의 열응력 해석[3], 그리고 알루미늄의 재질로 인한 디스크 브레이크의 성능 실 험 및 해석[4], 제동성능에 관한 구조해석[5]의 중점으로 많은 논문들이 연구되었지만 열과 유동을 해석하여 방열성능에 관 한 연구는 거의 수행되지 않았다. 그래서 이번 연구는 실제 주행상황을 나타내어 준중형차의 60 km/h, 100 km/h의 속도로 10분간 주행하다 급제동이 아닌 브레이크 페달을 한 번의 제 동과 보통의 힘을 가해주는 일반제동을 통해 차량을 정지시
C.W. Park and D.R. Lee
*Dept. of Mechanical Automotive Engineering, Catholic Univ of Daegu
This research is to numerically investigate the convective cooling performance in the Disk brake. Research concentrates on the heat transfer coefficient and cooling performance which are selected with cooling local locations.
Cooling performance of the Hole disk has been compared by Ventilated Disk. According to the results of heat transfer on the disk brake, activated velocity distributions more appear in the Hole disk. This is due to the fact that a number of hole units have exactly 120 on the surface of the hole disk. Therefore, velocity distributions of hole disk brake is better activated than Ventilated disk. According to the calculations of Nusselt number between surface and atmosphere in the interested cooling area, average value of cooling effect has been increased 13.5% by the hole disk at driving of speed 65 km/h situation and grown 18% by the hole disk at driving speed of 100 km/h. Due to the flow of air through the hole route, cooling performance of the hole disk was very excellent. In addition, cooling effect on edge of the bottom is better than the vicinity of center.
Key Words : 전산유체역학(CFD), 열유속(Heat Flux), 열전달계수(Heat Transfer Coefficient), 냉각성능(Cooling Performance), 부력(Buoyancy)
Received: February 17, 2016, Revised: March 28, 2016, Accepted: March 28, 2016.
* Corresponding author, E-mail: [email protected] DOI http://dx.doi.org/10.6112/kscfe.2016.21.1.064
Ⓒ KSCFE 2016
Fig. 1 Actual shape of ventilated disk
켰을 때 나타나는 온도를 수치적으로 해석하여 대류열전달을 통해 위치별 방열 성능을 알아보고 동일 조건으로 디스크의 형상을 바꾸어 비교해 볼 것이다. 이에 디스크 형상에 따라 방열성능이 어느 정도 차이가 나며 디스크의 일반적인 방열 이 미흡한 위치는 어디이며 그 이유를 알아내는 것이 이번 연구의 목표이다.
2. 수치 해석
Fig. 1은 실제 H사 준중형차에 사용되는 Ventilated Disk Brake이다. 이번 해석에 사용 할 형상의 종류는 Ventilated Disk와 동일 크기의 반경을 가진 디스크에서 120개 Hole을 뚫 은 Hole형 Ventilated Disk 두 가지의 모델링을 통해 대류 열 전달에 의한 방열 온도분포를 비교해 보았다. 그리고 제동후 의 온도는 열화상카메라를 이용하여 실제 준중형차를 주행 후 디스크와 주위 공기가 완전히 정체된 후의 나타난 디스크 의 온도분포를 실측하여 사용하였다. 모델링으로는 Catia V18 를 사용하였으며, 허브에 장착되는 Bolt부분은 생략하였고 패 드와 마찰이 되는 영역을 Imprint로 영역을 그려 넣었다.
Mesh생성에는 Ansys Mesh를 사용하였으며 대류가 활발히 일 어날 수 있는 부분에 Inflation을 적용하여 해석의 정확성을 높이도록 Mesh를 생성하였다. Fig. 2는 Catia V18에서 모델링 하여 Ansys 14.5 Geometry로 Import시킨 형상이다. 좌표방향으 로는 디스크 두께방향(Z축), 디스크 높이(수직)방향(Y축), 디스 크 너비(수평)방향(X축)으로 설정하였다. Fig. 2에서 Y축은 위 로향하는 축으로 설정하였다. Hole의 위치는 나선식으로 나타 내었으며, 실제 Hole Disk Brake 에 적용되는 일반적인 방향 과 일치하게 나타내었다. Fig. 2를 통해 inlet과 outlet의 위치를 살펴보면, Inlet은 Case의 뒷면에 나타난 원의 면적이다. 반대 로, Outlet은 Case의 앞면의 원이 된다. 이는 실제 타이어의 크기와 형상을 휠과 휠의 반대편을 묘사한 모델링을 원의 모
Fig. 2 Imported geometries of two disk brakes
습으로 간단히 나타내었다.
Table 1은 Fig. 2 Hole Disk의 제원이고 일반 Ventilated Disk는 Table 1에서 Hole에 대한 정보만 고려하지 않으면 된 다. Table 1에 나타낸 제원은 Hole Disk의 제원이고 일반 Ventilated Disk는 Table 1에서 Hole에 대한 정보만 고려하지 않으면 된다.
Disk Case Hole Fin
Radius(mm) 135 220 3
Thickness(mm) 9 60 9 8.5
EA 2 1 120 12
Table 1 Disk physical dimensions
용된 수력길이(기준길이)로는 디스크의 직경을 사용하였다.
그리하여, Rayleigh 수는 60 km/h에서 × ≤ , 100 km/h 상황에서는 × ≤ 으로 층류유동을 만족하였다. 그리하여 유동조건으로는 Laminar로 설정하였으 며, 초기조건으로 공기의 온도는 25 로 설정하였다. 또한, 부 력을 고려하기 위하여 중력 반대방향인 Y축에 -
를 적용시 켰다. Outlet에는 대기압을 설정 하였고, inlet은 0.001 m/s를 주어 수렴을 높였다. Imprint를 한 영역에 60 km/h인 상황에서 는 90 를 주었고 100 km/h인 상황에는 120 를 일정표면 초 기온도로 설정하였다. Case는 Wall 조건을 설정하였다. 일정 표면 온도를 적용한 이유는 실제 열화상카메라로 실측한 온 도를 기입하였다.Table 2는 열 및 유동해석을 위한 초기조건들을 표로 나타 낸 것이다. 그 외 경계조건으로는 유체의 영역과 고체의 영역 을 interface를 통해 열전달이 일어날 수 있도록 경계를 설정 해 주었다. 디스크의 온도가 90 , 120 이므로 그때의 공기 의 물성인 전도를 0.03, 0.033으로 미세한 차이로 0.03을 동일 하게 설정하여 주었다.
2.2 Mesh생성
Mesh생성은 Ansys mesh를 사용하였고, Fig. 3는 Mesh가 생 성된 모습이다. 왼쪽이 기본적인 Ventilated Disk의 Mesh이며, 오른쪽이 Hole이 120개 존재하는 Hole형 Ventilated Disk이다.
Mesh생성은 Tetra방식으로 Body Sizing을 각각의 Disk에 사용 하였고, Inflation을 유동이 일어날 영역에 설정해주었다. 그리 고 Mapped Face Meshing을 적용가능한 면에 설정을 하여 균 일한 Mesh를 생성하였다. 그리하여 V-Disk의 Elements 수는
Air Temperature( ) 25
Disk Material Aluminium
Initial Temperautre
on the Disk( ) 60 km/h 90
100 km/h 120
Inlet(m/s) 0.001
Outlet(Pa) 0
Table 2 Design input conditions
(a) V-Disk
(b) Hole Disk Fig. 3 Mesh structure
2,881,448개, Hole V-Disk의 수는 1,264,060개를 생성하였다.
Case의 Mesh 수는 60여만 개를 생성하여 Disk에 비해 Mesh를 Coarse하게 적용하였다. 그 이유는 해석의 관심영역에서 벗어 나는 영역이기 때문이다. (a)는 V-Disk이며, (b)는 Hole Disk의 Mesh를 나타낸 그림이다. Mesh 수가 V-Disk에서는 230만개, Hole Disk에서는 120만개 이상의 Mesh 수에서 나타난 결과 값이 수렴성을 보였으므로, 현재 나타낸 Mesh 수에 대한 타 당성은 확보된 수로 판단되었다.
(a)
(b)
Fig. 4 Velocity vectors of disk at driving speed of 60 km/h
3. 결과 및 고찰
Fluent 14.5를 통해 해석을 수행하였다. 정상상태해석으로 나타낸 속도분포를 나타내었다. 60 km/h 주행 후 나타난 자연 대류 시 V-disk에서 0.637 m/s, Hole disk에서 0.63 m/s 나타났 다. 100 km/h 주행 후 나타난 자연대류 시 V-disk에서 0.78 m/s, Hole disk에서 0.723 m/s 나타났다. 하지만 속도분포의 활 발함을 색으로 비교할 시 Hole disk에서 뚜렷이 나타났다.
3.1 속도 분포
그림 중 Fig. 4는 60 km/h를 제동 후에 자연대류 시 나타
(a)
(b)
Fig. 5 Velocity vectors of disk at driving speed of 100 km/h
난 속도분포이며 Fig. 5는 100 km/h를 제동 후에 자연대류 시 나타난 속도분포이다. 공통적인 대류의 흐름으로는 고온의 공 기는 위로 상승하며 차가운 공기는 아래로 향하는 특징을 나 타내었다. 대류가 활발한 위치로는 Vent와 Hole이 존재하는 영역에 속도벡터가 밀집되어있다. 속도벡터의 값은 미비하지 만 흐름은 활발하게 일어난 것을 확인하였다. Fig. 4, 5 (a)는 V-disk를 나타내며 (b)는 Hole disk를 나타내는 그림이다. 속도 분포를 통해 대류가 활발히 일어나는 위치를 확인 할 수 있 었고, 이와 온도분포를 통해 연관성에 대해 찾아보았다.
(a)
(b)
Fig. 6 Disk surface temperatures during natural convection at driving speed of 60 km/h
3.2 온도분포
대류 열전달에 의해 나타난 Disk들의 온도분포를 나타내었 다. Fig. 6는 60 km/h 제동 후 상황의 자연대류에 의해 방열된 디스크 온도분포이고, Fig. 7은 100 km/h 제동 후 상황의 자연 대류에 의해 방열된 디스크 온도분포를 나타낸다. 최고 온도 는 초기온도에서 냉각되지 않은 온도로 60 km/h시 363 K이며 100 km/h시 393 K로 나타났다. 그리고 최저온도는 대기의 온 도와 동일한 300K가 나타났다. 좀 더 정량적인 값을 보기 위 하여 Fig. 8, 9과 같이 국소적인위치를 정하여 위치별로 온도 를 확인하여 냉각의 정도를 측정하였다. 위치를 나타낸 점은
(a)
(b)
Fig. 7 Disk surface temperatures during natural convection at driving speed of 100 km/h
그림에 붉은선으로 표시를 하여 한눈에 파악할 수 있게 나타 내었다. Fig. 8, 9의 정면도는 +Z축 방향으로 바라보는 방향으 로 Outlet에서 Inlet으로 향하는 방향이다. 중앙에는 허브를 나 타내는 원이 나타나있다. 다음으로 나타낼 그림은 Disk를 정 면에서 바라보았을 때 나타난 온도분포를 표시한 그림이다. 이는 후에 나타낼 Nusselt 수를 계산하여 Hole disk와 Ventilated disk의 방열성능을 쉽게 비교하기위해 무차원화 시 키기 위함에 있어 중요한 요소인 온도를 사용한 위치를 나타 내기 위해서 이다. Fig. 6, 7과 마찬가지로 (a)는 Ventilated disk를 나타내고, (b)는 Hole disk를 나타내는 기호로 사용하였
(a)
(b)
Fig. 8 Temperatures of vertical axis on the disk surface at driving speed of 60 km/h
다. 수직선을 사용한 이유는 온도의 변화가 다양하게 분포하 였고, 자연대류 시 열이 위로 상승해나가는 형태를 이루면서 자연대류 의 열적인 거동을 잘 나타내어 주기 때문이다.
Fig. 8, 9은 60, 100 km/h 주행 후 자연대류를 통해 나타난 디스크 온도분포를 수직선상에 나타낸 그림이다. Fig. 8에서 최고온도는 Ventilated disk에서는 허브주위에서 350.75 K, 최 저온도는 밑 부분에 305.15 K이다. Hole disk의 최고온도는 허 브의 윗부분에 354.46 K, 최저온도는 디스크 밑 부분에서 307 K가 나타났다. Fig. 9에서 V-disk 최고온도는 허브의 윗부분에 서 372.25 K, 최저온도는 밑 부분에서 308.15 K이다. Hole disk에서는 최고온도와 최저온도는 379.29 K와 310.46 K로
(a)
(b)
Fig. 9 Temperatures of vertical axis on the disk surface at driving speed of 100 km/h
V-disk와 동일한 위치에서 나타났다. V-disk에서 최고온도와 최저온도의 온도차는 절대적인 기준으로 차이 값이 나타났으 며 전체적인 온도역시 확연히 차이가 나타났다. Hole disk의 전체적인 온도가 V-disk에 비해 온도가 높게 나타났는데 이 결과만으로 Hole disk가 냉각성능이 나쁘다고 판단할 수는 없 다. 그 이유는 초기온도를 동일하게 주었지만 해석과정에서 나타난 평균 열유속이 Hole형태에서 높게 나타났기 때문이다.
60 km/h 상황에서 V-disk는 964.239 W/m2의 평균 열유속이 나 타났고 Hole disk는 1373.03 W/m2 나타났다. 100 km/h 상황에 서도 V-disk는 1764.52 W/m2 나타났고, Hole disk는 2225.48 W/m2 나타났다. 이렇게 다른 평균 열유속이 나타나 온도만으
Fig. 10 Nusselt number vs. vertical locations of disk at driving speed of 60 km/h
로는 냉각성능을 파악하기에는 무리가 있어 대류의 활발한 정도를 나타내는 Nu수를 사용하여 대류열전달의 방열정도를 나타내었다. 온도분포를 통해 속도분포의 형태와 유사한 형태 를 이루는 것을 확인하여 대류와 온도의 연관성을 물리적인 현상으로 확인할 수 있는 결과였다.
Table 3, 4는 Fig. 8, 9의 수직선상 온도분포를 위치를 선정 하여 각 위치에 해당하는 온도를 표로 나타낸 것이다. Table 3, 4에 나타난 온도분포를 가지고 Nusselt 수(유체에 의한 대 류 열전달/ 유체 내의 전도 열전달의 척도, 유체의 전도열전 달에 의한 방열성능과 대류열전달에 의한 방열성능을 비교하 기 위한 척도) 수를 나타내어 60 km/h, 100 km/h주행 후 나타 난 Disk별 대류냉각 성능을 비교하였다. Fig. 10, 11은 Fig. 8, 9을 위치별로 Nu number로 무차원화 하여 대류의 방열정도를
Y+ V-Disk Temp(K) Hole Disk Temp(K)
0 305.15 307
0.2 334.15 345.38
0.47 315.75 312.89
0.67 320.45 318.7
0.8 350.75 354.46
1 325.55 344.92
Table 3 Disk temperatures on the locations at driving speed of 60km/h
Y+ V-Disk Temp(K) Hole Disk Temp(K)
0 310.15 312.31
0.2 351.11 363.90
0.47 325.40 321.19
0.67 332.00 318.70
0.8 374.10 385.14
1 346.18 349.99
Table 4 Disk temperatures on the locations at driving speed of 100km/h
Fig. 11 Nusselt number vs. vertical locations of disk at driving speed of 100 km/h
한눈에 파악하기 위하여 나타낸 그래프이다. 붉은선이 Hole Disk이고 푸른선이 V-disk이다. 같은 위치에서 Nu 수를 표시 하여 비교해본 결과 전체위치에서 Hole disk의 대류가 더욱 활발히 나타난 것을 볼 수 있었다. Fig. 10의 60 km/h 주행 후 방열성능을 비교해 보면 Y+ = 0.1, 0.47, 0.67 지점에서 Hole Disk가 V-disk에 비해 21.5%, 45.7% 32.5% 높게 나타났다. 추 가적으로 Y+ = 0, 0.8, 0.9 위치에서는 Hole Disk와 V-Disk의 방열성능의 차이가 미비하게 나타남과 동시에 낮은 값을 나 타내어 추가적인 보완이 필요한 부분임을 알 수 있다. 평균적 인 방열성능은 Hole Disk에서 13.5% 높게 나타므로 방열성능 이 Hole Disk에서 효과를 나타났다. Fig. 11의 100 km/h 주행 후 나타난 방열성능을 비교해 보면 Y+ = 0.1, 0.47, 0.67, 1 위 치에서 Hole Disk가 V-Disk에 비해 23.2%, 51.2% 30.5%, 16.2% 높은 방열성능을 나타내었다. 그에 반해, Y+ = 0, 0.2, 0.8, 0.9 위치에서는 V-Disk와 Hole Disk의 방열성능차이가 미 비하였으며, 낮은 값을 도출 하였다.
4. 결 론
이번 연구는 Disk 형상에 따라 주행상황을 두 가지 경우로 구현하여 제동 시 나타난 온도를 자연대류에서 어느 정도 방 열 되는지 가에 초점을 두고 연구를 하였다. 이에 나타난 두 형상에서 고온은 허브의 근처에서 나타났으며 V-disk는 최고 온도가 허브부근의 윗부분에서 350.75 K 나타났으며, 최저온 도는 밑 부분에 305.15 K 나타났다. Hole disk에서 최고온도는 허브부근의 윗부분에서 354.46 K나타났고, 최저온도는 밑 부 분에서 307 K가 나타났다. 나타난 온도만으로는 냉각의 정도 를 판단하기 힘들어 Nu 수를 적용하여 대류의 냉각정도를 쉽 게 나타내었다. 그 결과 전체적으로 Hole disk가 V-disk보다
방열성능이 우수히 나타났으며 60 km/h 주행 후에서는 평균 13.5% 100 km/h 주행 후에는 평균 18% 우수히 나타났다. 공 통된 사항으로는 허브주위의 상단영역에서는 대류가 활발히 일어나지 않고 정체되어 Hole disk와 V-disk의 방열성능이 10%
차로 미비하였다. 최종결과를 정리하면 다음과 같이 제시된다.
(1) V-Disk와 Hole Disk를 Fluent V14.5 해석수행 결과 Vent와 Hole 위치에서 대류가 활발히 일어났다. 유로가 형성되고 표면적이 증가함에 따라 Hole Disk에서 더 활발한 속도분 포가 형성되었다.
(2) V-Disk에서 가장 고운 부분은 허브주위와 상단영역에서 나 타났고 Hole Disk 역시 유사하게 나타났다. 대류가 미비하 게 형성되고 자연대류를 통해 열이 위로 향하는 것을 확 인한 바, 방열성능이 가장 취약한 위치로 파악되었다.
(3) Disk 방열성능을 알아보기 위해 Nusselt 수로 나타낸 결과 평균적인 냉각성능으로는 Hole Disk에서 60 km/h : 13.5%, 100 km/h : 18% 우수하게 나타났다.
(4) 국소적으로 Hole disk가 방열성능이 확연히 우수하게 나타 난 위치는 Y+ = 0.1, 0.47, 0.67위치이며 60 km/h : 21.5%, 45.7%, 32.5% 100 km/h : 23.2%, 51.2%, 30.5% 높게 나타 났다.
(5) 현상적인 결론으로 형상에 따른 대류로 인해서 속도분포 가 달라지며 속도분포의 형성과 유사하게 온도분포가 형 성되는것을 확인 할 수 있었다.
(6) 최종적으로 내리는 연구결과는 평균적인 방열성능이 Hole disk에서 우수히 나타났으며 국속적인 위치 또한 Hole disk에서 방열성능이 높게 나타났다. 하지만 V-disk와 Hole disk 모두 자연대류 방열성능이 취약한 부분이 동일하게 나타났으며 Nusselt 수 또한 절대적인 값이 낮게 나타났 다. 이러한 국소적으로 취약한 부분을 보완한다면 Hole disk의 방열성능의 면모는 더욱 향상될 것이다.
References
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