드럼브레이크의 응력 유한요소 해석-3

 

제동력이 작용하는 경우

 

 

 

제동력 2,630,990Pa이 작용하는 경우의 응력분포를 나타낸 것이다. 드럼 내면의 구속된 볼트의 홀 끝부분부터 상측 덮개부분까지 응력이 집중됨을 알 수 있다.

 

 

토크(Fs)가 작용하는 경우

 

 

 

드럼과 라이닝이 접하는 제동면에 토크가 작용하는 경우에 대해 나타낸 것이다. Fig.8을 보면 알 수 있듯이 토크에 의해 발생한 최대응력도 Fig.7과 비슷한 부분에서 나타난다.

 

 

Fig.9는 제동력과 토크를 유한요소 모델에 복합적으로 적용한 결과이다. 앞서 봤던 Fig.7과 Fig.8과 같이 최대응력분포가 비슷한 곳에서 나타남을 알 수 있다.

 

 

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3)　제동력과 토크가 동시에 작용하는 경우

 

1) 제동력이 작용하는 경우

 

Fig.7은 제동력 2,630,990Pa이 작용했을 때 응력은 드럼 내면의 구속된 볼트의 홀 부위에 집중됨을 알 수 있다. 헤어크랙이 발생하는 라이닝과 접촉하는 제동 면 부위에서의 응력이 290MPa로 항복강도 330MPa보다 충분히 낮은 범위에 있음을 알 수 있다. 따라서 제동력이 단독으로 드럼에 작용하는 경우, 드럼은 제동력에 대해 안전하다고 판단할 수 있다. 하지만 최대응력이 걸리는 볼트 홀부터 상단덮개까지는 응력집중이 걸리므로 보강이 필요하다고 판단된다.

 

2) 토크(Fs)가 작용하는 경우

 

Fig.8에서 알 수 있듯이 드럼과 라이닝이 접하는 제동면에 토크가 작용하는 경우에 대해 발생한 최대응력은 230MPa정도로 드럼의 항복강도인 330MPa보다는 훨씬 낮은 응력이 작용함을 알 수 있다. 따라서 토크만 작용하는 경우에는 드럼의 강도에는 전혀 영향을 미치지 못 할 것으로 판단된다.

 

3) 제동력, 토크가 동시에 작용하는 경우

 

Fig.9는 제동력과 토크를 유한요소모델에 복합적으로 적용하였을 때 최대응력이 300Mpa로 나타났다. 이 경우 역시 최대응력이 항복응력내에 있기 때문에 드럼의 강도에는 전혀 영향을 미치지 못 할 것으로 판단된다.

 

 

4) 고찰

 

브레이크 드럼에 작용하는 유형을 3가지로 나누어 ANSYS를 이용한 응력분포를 알아보았다. 제동력과 토크 혹은 둘 다 작용 할 때에 나타나는 최대 응력값들은 모두 항복강도보다 낮은 값들이다. 결론적으로 라이닝과의 압력에 의해 드럼에 발생하는 최대응력은 드럼브레이크에 발생하는 헤어크랙에 미미한 영향을 준다고 볼 수 있다. 하지만 홀에서 외측으로 갈수록 응력이 강하게 작용하므로 보강이 필요하다고 생각된다. 이번 실험결과에서는 라이닝과 드럼브레이크의 접촉면이 일정하다고 가정하고 실험했음에도 불구하고 응력집중현상이 국부적으로 발생하는 것을 보았다. 따라서 드럼브레이크의 접촉압력의 분포를 균일하게 작용하도록 설계하는 것이 중요하다고 생각한다.

실제 브레이크에 영향을 주는 요소들은 많기 때문에 여러 가지들을 고려하여 헤어크랙의 발생을 방지해야 한다고 생각한다. 헤어크랙의 발생원인으로 지속적으로 작용하는 반복하중으로 인한 피로도 있을 것이며 열응력도 있을 것이다. 이번 연구에서는 열응력에 관한 분석은 하지 않았지만 차량의 하중이 증가할수록 드럼에 발생하는 열응력은 증가 할 것이다. 또한 실제 드럼브레이크는 디스크 브레이크보다 열 배출에 있어서도 불리하고 내외부의 온도차가 크기 때문에 열 수축이 심할 것이라고 생각된다. 이러한 사항들을 고려하여 드럼브레이크의 재질을 열전도성이 높은 물질로 바꾸게 된다면 헤어크랙의 발생을 더욱 낮출 수 있다고 생각한다.

 

 

 

브레이크 드럼과 라이닝과의 압력에 의해 발생되는 3가지 유형에 대해 조사하였다. 3가지의 유형 모두 최대 응력값은 GDC450의 항복강도 보다 낮았다. 따라서 실제 드럼브레이크에서 발생하는 헤어크랙에는 미미한 영향을 준다고 생각된다. 하지만 헤어크랙 발생이전에 있어 드럼브레이크의 접촉압력의 분포를 균일하게 작용하도록 설계하는 것이 중요하다.