제동 디스크 최고 온도 저감을 위한 제동 패드 최적 설계

초록

제동 시 발생하는 제동 디스크의 열적 거동과 균열 진전 현상에 대해 상당한 연구가 진행되어왔다. 연구를 통해, 제동 시 발생하는 디스크 표면의 비정상적인 온도 국부화 현상(핫 밴드, 핫 스팟)이 제동 디스크의 파손의 원인이라고 알려졌고, 제동 과정 중 제동 디스크 표면의 온도 거동이 실험을 통해 분석이 되었다. 하지만 디스크 표면의 열국부화 현상과 패드의 형상과의 관계에 대하 많은 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 패드 형상에 따라 달라지는 디스크와 패드 사이의 접촉면적 분포를 확인하고, 그에 따른 제동디스크 표면의 온도분포 경향을 분석하여 패드 형상 최적설계의 필요성에 대해 연구했다. 이를 위해서 기존 KTX에 이용되고 있는 점박이 형 패드를 포함한 4종의 패드와 솔리드 타입 디스크 사이의 접촉면적 분석을 실시했고, 열 구조 연성 해석을 통해 패드의 형상에 따른 온도 분포를 분석했다. 패드와 제동 디스크의 접촉면적 분포를 파악하기 위해 photo.1과 같이 제동 디스크를 반경방향으로 10등분하여 각 구간별로 패드와 디스크가 접촉하는 면적을 도출했다. 이후, 50rad/s로 회전하는 디스크를 19kN의 힘으로 제동하는 조건의 열 구조 연성해석을 5초간 수행하여 온도 국부화 현상을 확인했다. 열 해석 수행결과 photo.2와 같이 패드와 디스크 접촉면적이 많은 구간에서 핫 밴드 형상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 패드와 디스크의 접촉면적 균일화를 목적 함수로 하는 패드의 최적설계 기반 데이터를 확보했고 이를 통해 디스크 파손에 영향을 미치는 열국부화 현상을 완화할 수 있음을 확인했다.