Thermal Fluid Flow and Deformation Analysis of Medium Commercial Vehicle Ventilated Brake Disc in Braking

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2014 KSAE / 133-09 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 7, pp.63-69 (2014)

중형 상용차 통풍형 브레이크 디스크의 제동 시 열 유동 및 변형 해석

강 채 욱․최 규 재^*

군산대학교 기계자동차공학부

Thermal Fluid Flow and Deformation Analysis of Medium Commercial Vehicle Ventilated Brake Disc in Braking

Chaeuk Kang․Gyoojae Choi^*

Department of Mechanical Engineering, Kunsan National University, Jeonbuk 573-701, Korea (Received 19 March 2014 / Revised 30 May 2014 / Accepted 2 June 2014)

Abstract : Domestic automobile companies have adopted drum type brake system for commercial vehicles. However recently those companies have been applying disc-brake system to solve vehicle control-instability and inefficient heat discharge performance of conventional drum brake system for a medium commercial vehicle. Because the kinetic energy of a running commercial vehicle is relatively high, the brake system should discharge lots of heat energy while braking. A ventilated type brake disc has been used to increase heat discharge performance of a brake system. The vent structure of a disc highly affects cooling efficiency. This paper compares thermal characteristics of three types of vent structure in JASO C421 braking condition. It is found that the slant bend type disc has the lowest temperature and thermal stress distributions in the braking condition.

Key words : Medium commercial vehicle(중형상용차), Ventilated disc brake(통풍형 디스크 브레이크), Vent structure(통풍 구조), Heat transfer(열전달), Temperature distribution(온도분포), Thermal deformation(열변형)

1. 서 론¹⁾

자동차의 제동장치는 운전자나 보행자의 안전관 점에서 가장 중요한 시스템이며 어떠한 주행조건에 서도 바퀴의 잠김없이 가능한 한 짧은 거리에서 제 동이 되어야 하고 제동 시 바퀴의 제동력이 지속적 으로 유지되기 위한 설계가 필요하다.¹⁾ 기존의 국내 상용차는 대부분 드럼 브레이크를 채택하고 있으며 드럼 브레이크가 가지고 있는 제어 불안정성, 불리 한 열 방출 성능 등의 문제로 최근 디스크 브레이크 적용이 증가하고 있는 추세이다. 디스크 브레이크 는 드럼 브레이크에 비해 방열성이 좋아 페이드 (fade) 현상의 발생이 적으며 빈번한 브레이크의 사

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

용에도 제동력의 변동이 작아 제동 성능을 확보할 수 있다. 하지만 고중량물을 적재하는 상용차의 경 우 제동 시의 운동 에너지가 승용차에 비해 상대적 으로 크기 때문에 발생되는 열 에너지가 커 충분한 방열이 이루어져야 한다. 이를 위해 상용차에 통풍 형 브레이크 디스크의 적용이 이루어지고 있으나 승용차의 통풍형 구조에 대한 연구^2,3)나 최적화⁴⁾ 및 연성 해석 기법 적용⁵⁾ 등에 비해 미흡한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 상용차용 브레이크 디스크 의 방열효과를 높일 수 있는 3가지 형상의 베인 (vane)을 가진 통풍형 디스크를 제안하고 열유동 해 석을 통해 구조별 방열 특성을 비교하였다. 또한 열 전달 해석 수행 후 계산된 온도 분포를 이용하여 열 응력을 해석하고 열 변형 특성을 검토하였다.⁶⁾ 이와

강채욱․최규재

함께 가장 우수한 성능을 보인 통풍 구조에 대해 열 집중부인 베인 라인 상의 굴곡부 곡선의 각도 변화 에 따른 방열 성능을 비교 분석하였다.

2. 해석모델 및 경계조건 2.1 해석 모델

본 연구 대상인 중형 상용차 통풍형 브레이크 디 스크는 Fig. 1에 도시한 바와 같이 바깥지름 305 mm, 안지름 82 mm의 원형으로 통풍구 베인은 회전방향 으로 총 47개가 등간격으로 위치하고 있다.

디스크 내부의 베인 형상은 Table 1에 도시한 바 와 같이 3가지 통풍 구조로 일직선으로 뻗어 있는 수직(straight) 형상, 수직 형상에서 15° 기울어진 경 사(slant) 형상, 그리고 수직 형상 중간에서 20° 기울 어진 수직경사(slant bend) 형상이다. 브레이크 디스 크의 재질은 회주철로 Table 2에 해석에 필요한 물 성치를 기술하였다.

브레이크 디스크 형상은 CATIA V5를 이용하여 3 차원 솔리드 모델을 생성하였고 ANSYS CFX⁷⁾를 사 용하여 단순 제동 열유동 해석을 수행하였다. Fig. 2

Fig. 1 Medium commercial vehicle ventilated brake disc

Table 1 Three types of ventilated brake disc Straight type Slant type

(slant angle : 15°)

Slant bend type (slant angle : 20°)

Whole section

Quarter section

Table 2 Material properties of brake disc

Description Value

Density 7395.5 kg/m³

Thermal conductivity 48.03 W/m･K

Specific heat 506 J/kg･K

Modulus of elasticity 123 GPa

Poisson's ratio 0.26

Thermal expansion coefficient 10 μm/m °C Shear modulus of elasticity 48,953 MPa

Yield strength 293 MPa

Ultimate strength 393 MPa

Fig. 2 Finite element model of a ventilated brake disc

에는 유한요소 모델 일부분을 도시한 것이며 사면 체 요소 487,000개로 구성하였다. 열속은 제동시간 의 함수로 패드와 디스크 수직인 방향으로 작용시 켜 디스크 열전달을 해석하였으며 열속이 적용되는 부분 이외에는 외부 공기가 접하게 되어 대류 냉각 이 일어난다.

2.2 시험 조건

트럭 및 버스용 브레이크 디스크 시스템에 대한 동력계 시험규격은 JASO C421⁸⁾ 일본 자동차 기술 회 규격(Japanese Automobile Standards Organization) 에 정해져 있으며 본 연구에서는 이 시험 규격에 따 라 해석을 수행하였다. Table 3에는 JASO C421 시험 규격을 정리한 것이다. 제동시험은 초기 속도 30 km/h에서 0 km/h로 감속하는 것으로 가속과 제동을 5회 반복한다.

2.3 해석 조건

제동 시 브레이크 디스크와 패드의 마찰에 의해 발생되는 열 에너지는 주행 중인 차량의 운동 에너 지, 바퀴의 관성 에너지 및 위치 에너지의 총합과 같

중형 상용차 통풍형 브레이크 디스크의 제동 시 열 유동 및 변형 해석

Table 3 JASO C421 test specifications

Description Value

Speed 30

→

Braking deceleration From 4.0 m/s² to, if possible breakdown in increments of 2.0 m/s²

Brake temperature 65 ~ 95°C

No. of braking operations 5 times for each deceleration setting

Cooling wind velocity 11 m/s

Wind temperature 28°C

Table 4 Parameters for calculation of braking energy

Description Value

Vehicle weight (GVW) 4,890 kg

Initial velocity (V1) 8.33 m/s Final velocity (V2) 0.00 m/s Deceleration time (a) 3.5 sec

다. 본 논문에서는 공기에 의한 항력 에너지는 무시 하고 브레이크 디스크와 패드 사이에 발생하는 마 찰은 모두 열 에너지로 변환된다고 가정하였다. 제 동 에너지를 산출하기 위한 변수값은 Table 4와 같 으며 마찰에 의한 열속(heat flow)은 다음과 같다.³⁾

  





   





 

 



(1)

여기에서

 감속도

  열 배분율

  전체 중량



 바퀴 회전 관성 모멘트

 타이어 반경

^{ 차량 초기속도}

  제동 시간



 패드 외측 둘레원 반경

 패드 내측 둘레원 반경

3. 열 유동 및 변형 해석 3.1 열 유동 해석

JASO C421 시험 규격에 따라 중형 상용차 통풍형 브레이크 디스크의 제동 시 열 유동 해석을 실시하 였다. 주행 중 공기는 디스크 중앙부로부터 유입되

(a) Straight type disc

(b) Slant type disc

(c) Slant bend type disc

어 통풍구 홀을 통해 외부로 유출되면서 냉각이 이 루어지는 조건으로 3가지 베인 형상에 따른 유동 특 성을 해석하였다. Fig. 3에는 유동 해석 결과를 나타 낸 것이며, 통풍형 디스크에서 발생하는 공기 유동 최대 유속이 (a) 125 m/s, (b) 126 m/s, (c) 139 m/s로 3 가지 형상 중 c 형상이 가장 유속이 빠른 것으로 나 타났다. 유속이 빠르다는 것은 공기의 흐름이 원활 하여 그만큼 냉각이 잘 이루어질 수 있다는 것을 의 미한다. 통풍구 홀 입구에서의 유속은 (a) 110 m/s,

Chaeuk Kang․Gyoojae Choi

(b) 113 m/s, (c) 132 m/s 로 유사한 특성을 보이고 있 다. 대류 열전달 계수는 (a) 29.239 W/m²･K, (b) 30.690 W/m²･K, (c) 33.392 W/m²･K으로 c 형상에서 제일 크게 나타났으며 열전달 특성이 c 형상이 가장 우수함을 알 수 있다.

Fig. 4에는 5회 제동 시 열 발생에 따른 온도 분포 해석 결과를 나타내는 것으로 발생하는 최고 온도 는 (a) 67°C, (b) 65°C, (c) 58°C로 나타났다. 통풍구를 통과하는 공기 유량은 c 형상인 수직경사 형상이 가

(a) Straight type disc

(b) Slant type disc

(c) Slant bend type disc

Fig. 4 Temperature distribution of the ventilated brake discs

장 많고 유속이 빨라 접촉면에서의 대류가 활발히 일어남에 따라 다른 형상의 구조보다 낮은 온도 분 포를 나타낸 것이다.

3.2 열변형 해석

브레이크 디스크의 열 유동 해석 결과를 디스크 에 작용하는 열 하중으로 변환하여 열 응력 및 변형 해석을 수행하였다. 열 응력 해석을 위해 디스크 앞 면 햇(hat)부분을 구속하였으며 이 부분은 볼트로

(a) Straight type disc

(b) Slant type disc

(c) Slant bend type disc

Fig. 5 Equivalent stress of the ventilated brake discs

Thermal Fluid Flow and Deformation Analysis of Medium Commercial Vehicle Ventilated Brake Disc in Braking

(a) Straight type disc

(b) Slant type disc

(c) Slant bend type disc

디스크를 구동축에 고정하는 부분이다. Fig. 5에는 베인 형상에 따른 응력 분포를 나타낸 것으로 최대 응력은 디스크 온도가 최고 온도로 올라갔을 때 베 인 안쪽 부분에서 나타났으며 3가지 형상 모두 거의

유사한 위치에서 발생하였다. 최대 응력은 (a) 55.6 MPa, (b) 48.5 MPa, (c) 44.8 MPa 로 수직경사 형상에 서 가장 낮은 응력을 보이고 있어 3가지 형상 중 가 장 열적 특성이 우수한 통풍형 구조라고 할 수 있다.

Fig. 6에는 열변형을 나타낸 것으로 c 형상인 수직경 사 형상이 가장 작은 것으로 나타났다.

4. 베인 각도 변화에 따른 열 유동 특성 분석 중형 상용차 통풍형 브레이크 디스크의 3가지 통 풍 구조에 따른 제동 시 열 유동 및 변형 해석을 통 하여 가장 우수한 열적 성능을 나타낸 것은 수직경 사 형상 구조임을 확인하였다. 이와 같은 수직경사 형상 통풍 구조에서 베인의 꺾임 각도에 따른 열적 특성 변화를 분석하기 위하여 유동 해석을 실시하 였다. Table 5에서 보는 바와 같이 수직경사 형상 구 조에서 브레이크 디스크 내부의 베인 꺾임부 경사 를 5° 에서 35° 까지 5° 씩 기울어지게 모델링 하여 유동 해석을 수행하였다.

Fig. 7에는 경사각에 따른 최고 유동 속도를 나타 낸 것으로 그림에서 보는 바와 같이 내부 경사각이

Table 5 Disc structures according to slant angles

Slant angle : 5° Slant angle : 10° Slant angle : 15°

Whole section

Quarter section

Slant angle : 25° Slant angle : 30° Slant angle : 35°

Whole section

Quarter section

강채욱․최규재

Fig. 7 Maximum flow velocities of the disc according to the slant angle

Fig. 8 Nusselt numbers according to the slant angle

일정 부분까지 커질수록 통로를 지나는 유속이 증가 하였으나 30°부근에서 최고를 기록한 후 각도 증가 에 따라 소폭 감소함을 확인할 수 있었다. 이것은 공 기의 흐름을 적절하게 유도할 수 있는 경사판 각도 일 때 공기 유동이 잘 일어나며 어느 각도 이상인 경 우에는 경사판이 공기 유동을 방해할 수 있음을 알 수 있다. 열전달 특성을 검토하기 위하여 각도에 따 른 Nu 수(Nusselt number)를 Fig. 8에 나타내었다. 특 성 길이는 열속이 적용되지 않는 플랜지, 후드, 웨이 브 부는 디스크의 지름으로, 베인 홀은 베인 홀의 길 이로 결정하였다. 그림에서 보는 바와 같이 베인 각 도에 따른 Nu 수는 30°에서 최고를 나타냄을 알 수 있어 수직경사 형상 구조의 베인 꺾임 각도를 30°로 하는 것이 가장 좋은 열적 특성을 나타냄을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 중형 상용차 통풍형 브레이크 디 스크의 제동 시 열적 특성을 분석하기 위하여 열 유 동 및 변형 해석을 수행하였다.

1) 세 가지 형상의 베인 구조를 제시하고 트럭 및 버 스용 브레이크 시험 평가 기준(JASO C421)에 따 라 유동 해석과 열 변형 해석을 수행하였으며 수 직경사 형상(slant bend type)이 다른 형상 구조보 다 동일 제동 조건 하에서 유동 속도가 높고 디스 크 온도가 가장 낮게 나타났다.

2) 제동 시 발생하는 디스크 열에 의한 열 응력 및 변형은 브레이크 디스크의 온도가 가장 낮게 나 타난 수직경사 형상이 다른 구조보다 낮게 나타 나 3가지 형상 중 방열 성능이 가장 우수한 것으 로 나타났다.

3) 방열 성능이 우수한 수직경사 형상에서 베인 각 도 변화에 따른 열 유동 해석을 수행하였으며 경 사각이 커질수록 유속이 증가 하였으나 30°부근 에서 최고를 기록한 후 감소함을 알 수 있었다.

따라서 본 연구에서 수행한 중형 상용차 통풍형 디스크 구조는 베인 꺾임 각도가 30°인 수직경사 형상이 가장 우수한 방열 성능을 가짐을 확인하 였다.

References

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중형 상용차 통풍형 브레이크 디스크의 제동 시 열 유동 및 변형 해석

5) S. W. Kang, C. J. Kim, D. H. Lee and H. S.

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7) ANSYS, Inc., ANSYS CFX User’s Manual, 2010.

8) JSAE(Society of Automotive Engineers of Japan) JASO C421: Truck and Bus - Service Brake Structural Integrity Dynamometer Test Procedure, 2005.