< 프로젝트 > V - Cycle을 활용한 자동차 디스크 브레이크 설계 (6) - CAE 해석

< 프로젝트 > V - Cycle을 활용한 자동차 디스크 브레이크 설계 (5) - 3D 모델링

 

디스크 브레이크 로터와 휠에 대한 3D모델을 생성하였다.

이 모델을 토대로 가상환경에서 CAE해석을 통해 제품의 강성과 효율을 테스트하여 요구사항을 만족하는지 검증하려 한다.

검증할 기능요구사항을 먼저 검토하고 어떤 시험을 진행할지 계획하고 진행하였다.

Catia Static Analysis와 Ansys Discovery 툴을 사용하였다.

---

 

동적 하중 강성

 

제동 시 바퀴에 작용하는 하중에 대한 강성을 테스트하였다. 휠에 타이어를 장착하고 테스트해야 정확한 결과를 얻을 수 있지만 타이어를 모델링하지 않았기 때문에 휠과 디스크 어셈블리로 테스트를 진행하였다.

 

기능 요구사항 

1. 차량 제동이 우수할 것

(1) 100km/h에서 제동을 시작할 때 차량은 32m 이내로 완전히 정지할 수 있어야 한다.(2) 운전자가 브레이크 페달을 밟았을 때 제동 시스템은 즉시 반응하여 제동 힘을 발생시켜야 한다.
(3) 제동 힘은 운전자의 페달 압력에 따라 선형적으로 증가해야 하며, 운전자는 제동 힘을 쉽게 조절할 수 있어야 한다.
(4) ABS 및 EBD 기능은 제동 중에 차량의 제어성을 유지하고 제동 힘을 최적화해야 한다.

 

 

 

100km/h에서 정지 시 32m 이내로 정지할 수 있어야 한다는 요구사항을 토대로 앞서 만든 시뮬링크 모델에 대입하여 앞바퀴에 작용하는 동적 하중 값(6164N)을 추출하였다. 이 값을 토대로 시뮬레이션을 진행한다.

 

재질 : steel

 

 

동적 하중이 바퀴에 전달될 때 휠에 작용하는 응력의 분포이다. 휠과 스포크의 연결 부분과 스포크와 허브의 연결 부분에 가장 많은 응력이 가해지는 것을 확인할 수 있다.

 

가장 많은 응력이 작용하는 지점이다. 가장 취약한 부분이기 때문에 보강이 필요한 부분이라고 볼 수 있다.

 

 

최대 0.0387mm의 변위가 생기는 것으로 확인된다. 타이어를 착용하고 해석했을 때는 훨씬 더 적은 변위값을 나타낼 것이다. 차량의 제동에 의한 강성에는 큰 무리가 없는 것 같다.

 

 

특정 진동수에서 공진이 발생하여 매우 불안정한 모습을 보이고 있다. 이는 탑승자의 승차감에 매우 큰 불편함을 끼치기 때문에 공진주파수를 피해서 설계해야 한다. 하지만 노면의 가에 의한 진동수는 훨씬 낮기 때문에 공진을 일으키는 주파수에는 못 미치는 것으로 확인된다.

 

---

열해석

 

 

열효율에 관한 요구사항을 충족하는지에 대한 테스트를 진행하려 한다.

팬 형태의 스포크가 바람을 디스크로 보낸다고 가정한 경우 열효율이 어떻게 변화하는지 확인하는 테스트를 진행해 보았다. 

 

[ 조건 ]
외부온도 : 22℃
디스크 표면 온도 :  500℃(디스크 온도)
풍속 : 0.5m/s

 

앞

 

뒤

 

앞면 : 309 ℃

뒷면 : 452 ℃

 

[ 조건 ]
외부온도 : 22℃
디스크 표면 온도 :  500℃(디스크 온도)
풍속 : 1m/s

 

앞

뒤

 

앞면 : 183 ℃

뒷면 : 230 ℃

 

팬 형태의 스포크가 디스크 로터 방향으로 일으키는 바람의 풍속이 클수록 온도가 비약적으로 내려가는 것을 볼 수 있다.

바람이 디스크 로터 표면의 열을 빼앗아 가며 열성능에 확실한 관여를 한다는 것을 알 수 있고 따라서 팬 형태의 스포크가 실제로 바람을 일으킬 수 있는지에 대한 테스트가 필요하다.

 

 

타공 통풍형 디스크와 아무것도 되어있지 않은 디스크의 열흐름 테스트를 진행한 결과 타공 통풍형 디스크가 더 활발한 열전달을 일으키고 있고 온도의 차이가 극명하게 나는 것을 확인할 수 있다.

 

---

 

계획한 모든 테스트를 진행하지는 못했지만 열효율에 있어서 요구사항을 만족하는 것으로 보인다.

유한요소해석을 통해 제품에 강성에 있어서 보강이 필요한 부분을 캐치하였고 팬 형태의 스포크라는 아이디어가 열효율에 어느 정도 영향을 미치는지 확인할 수 있었다.

 

 

Model Base Design은 자동차 분야 기능 안전 국제 표준인 ISO 26262에서 MBD분야의 검증을 언급하고 있다

V - Cycle의 단위/통합 단계에서 요구사항을 기반으로 검증을 수행하도록 한다. 생성한 모델을 기반으로 해당 단계에서 검증하면서 비용을 줄이고 효율적이고 정확한 오류 검출을 할 수 있다.

 

테스트한 결과를 가지고 해당 설계 과정을 되풀이하며 오류를 수정하고 다시 검증하고 다음 단계로 진행하는 절차를 거친다.