자동차용 디스크 브레이크 시스템의 열간 저더 현상에 대한 수치 해석 기법

Abstract

디스크와 패드간의 마찰에 의해 발생되는 마찰열은 디스크의 열 탄성 변형을 일으키고, 디스크가 임계 속도보다 빠르게 회전할 때 디스크의 고유 진동 모드와 연관되어 디스크 표면에 열섬 (Hot spot)이 발생한다. 열섬이 발생한 디스크의 표면은 국부 변형이 증대되고, 이로 인해 디스크와 패드사이의 접촉압이 불균일해 지면서 열간 저더 (Hot judder)라 불리는 진동 현상이 발생한다. 이러한 진동은 차축, 현가 및 제동 장치를 통하여 차체 또는 조향 장치로 전달되어 운전자에게 심각한 진동 문제를 불러일으킨다. 따라서 차량의 제동 안정성 보장 및 내구 품질 향상을 위해, 디스크 열간 저더 현상은 저감시켜야 할 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 디스크 열간 저더 현상을 구현할 수 있는 수치 해석 기법을 제안하고, 열간 저더 저감을 위한 최적의 디스크 형상을 설계하는 것을 목표로 한다. 유한 요소 해석 기술을 바탕으로, 빠르게 회전하는 디스크와 패드사이의 접촉문제를 풀 수 있는 ‘동역학 해석 모델’과 접촉 에너지를 열에너지로 환산하여 모델에 적용할 수 있는 ‘열 전달 해석 모델’을 생성하고, 두 해석 모델의 결과를 ‘중간 처리기’를 이용하여 교환 한다. ‘Automatic time step control algorithm’을 이용하여 두 모델의 적분 시간 간격을 조절함으로써 완전 연성되어있는 기계-열 모델의 수치 해를 정확하게 도출한다. 해석 결과의 검증을 위해 다이나모 실험 장치를 이용하여 ‘디스크 열간 저더 특성 실험’을 수행하고, 디스크 온도 변화 및 BTV 결과를 해석 결과와 비교함으로써 본 논문에서 제안한 수치 해석 기법의 신뢰성을 검증한다. 한편, 차량 제원, 브레이크 성능 및 유압식 제동 장치의 특성을 고려하여 제동 시 디스크 온도 상승 및 열 변형량을 예측할 수 있는 해석 방법을 개발 하고, 개발한 방법을 바탕으로 디스크 열적 특성을 향상 시킬 수 있는 디스크의 최적 형상을 설계한다. 페달에서 발생된 힘이 유압으로 전환되어 브레이크 패드에 전해지기까지의 일련의 제동압 전달과정을 수학적으로 규명하고, 차량 제원 및 제동 조건에 따른 제동 마찰 에너지를 열에너지로 전환하여 디스크에 적용한다. 반응표면 분석법에 따른 최적 설계 기법을 이용하여 디스크 열변형 및 온도 상승을 최소화 시키는 디스크의 최적 형상을 설계한다. 앞서 제시한 디스크 열간 저더 해석 기법에 따라 최적 설계된 디스크에 대한 열간 저더 해석을 수행함으로써 본 논문에서 제안한 디스크 열변형 해석 기법 및 최적 설계 결과를 검증한다.