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드럼 브레이크 시스템의 진동 및 소음 분석

ㆍ제품: 드럼 브레이크 시스템

ㆍ해석 목적: 드럼 브레이크의 진동 특성 재현, 평가하고 이를 바탕으로 설계 개선

드럼 브레이크는 브레이크 슈와 브레이크 드럼 간의 마찰을 이용한 브레이크로서 트럭이나 버스 등에 많이 사용되며 일부 승용차에도 사용되고 있다. 운전자가 브레이크 페달을 밟게 되면 마스터 실린더가 드럼 브레이크에 제동액을 주입하게 되고 이로 인해 휠 실린더가 바깥쪽으로 밀려나게 된다. 이를 통해 브레이크 슈 바깥쪽의 라이닝이 드럼과 접촉을 하게 되고, 이들 간의 접촉 마찰에 의해 제동력이 발생한다. 이 과정에서 브레이크에 진동과 소음이 발생하게 되는데, 이 진동과 소음은 마찰 특성의 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다. 특히 마찰계수를 높일 경우, 제동 성능은 좋아지지만, 진동이 증가하고 결과적으로 브레이크 시스템의 안정성이 낮아질 수 있다. 본 사례에서는 다물체 동역학 소프트웨어 RecurDyn을 이용하여 드럼 브레이크 동작 시에 발생하는 진동과 마찰을 재현하였다. 그리고 진동은 물론 브레이크의 제동 성능을 평가할 수 있는 가상 모델을 구축하고, 이를 토대로 브레이크의 설계 개선에 활용하였다.

Xuzhou Meritor Axle Co., Ltd China Postdoctoral Science Foundation funded project -No. 2012M521003 the National Basic Research Program of China-No. 2014CB049401

주요 작업 프로세스

① 드럼 브레이크의 거동을 재현하기 위해 드럼과 슈를 포함한 드럼 브레이크의 동역학 모델 구현

② 드럼 및 슈와 같이 변형 및 응력을 고려해야 하는 바디는 유연체로 모델링

③ 드럼과 슈 간의 접촉에 있어서 다양한 마찰 계수에 대한 동역학 시뮬레이션을 수행하고 이에 따른 진동 특성의 차이 평가

④ 두 가지 설계안에 대해 동일한 마찰 계수를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 각 설계안의 브레이크 성능을 평가

주요 해석 기술

• 드럼 브레이크의 거동을 예측하기 위한 다물체 동역학 기술
• 강체와 유연체 간의 마찰을 고려한 접촉을 정확하게 계산하기 위한 접촉 알고리즘
• 유연체를 이용하여 드럼과 슈의 접촉에 의한 변형과 응력 등을 정확하게 재현할 수 있는 유연 다물체 동역학 (MFBD) 기술

관련 제품

• RecurDyn/Professional
• RecurDyn/TrackLM

고객에게 주어진 과제 및 이슈

• 드럼 브레이크에서 발생하는 소음과 진동의 원인 파악 및 저감
• 설계가 개선된 브레이크의 요구 성능 만족 여부에 대한 빠른 검증 필요성
• 동적인 거동은 물론 유연체의 변형 및 응력에 대한 고려 필요

해결

• 비선형 유연체와 접촉 알고리즘을 이용하여 드럼과 슈의 접촉에 의한 진동을 재현
• 마찰 계수의 변화에 따른 진동 특성의 차이를 정량적으로 예측
• MFBD 기술을 통해 시간에 따른 드럼의 변형과 응력을 계산
• 서로 다른 설계안의 제동 성능 차이를 시뮬레이션으로 예측

성과

• 가상 모델을 이용하여 조기에 새로운 설계를 검증
• 실험 결과와 잘 일치하는 드럼 브레이크 모델 구현
• 향후 다양한 진동/소음 대책을 검증하는 데 있어서 활용할 수 있는 가상 모델의 확보
• 본 사례를 통해 완성된 버추얼 트윈 모델을 통해 향후 드럼 브레이크 설계 개선을 위한 추가적인 아이디어 획득 기대

활용 및 해석사례

• 주차 브레이크 시뮬레이션
• 유연체를 이용한 브레이크 시뮬레이션