Frictionally excited thermoelastic instabilities and transient thermoelastic behaviors have been investigated for the disk brake system subject to thermal and mechanical loads under the braking process. Both thermoelastic stability and time domain analyses have been performed to comprehensively understand the thermoelastic phenomena. First, the present study has focused on the theoretical analysis of the onset of thermoelastic instability using the linear perturbed method. Through the thermoelastic stability analysis, it is found that the onset of thermoelastic instability of disk brakes is characterized by antisymmetric mode. Also, it is observed that the thermoelastic stability boundary for the axisymmetric model exists between the two-dimensional solutions except for the small wave numbers. Secondly, the transient thermoelastic contact behaviors of disk brakes have been numerically simulated by a finite element method based on the coupled theory in which temperatures and deformations are mutually affected. Through the transient analysis, the thermoelastic instability phenomena (the unstable growth of contact pressure and temperature) have been investigated during the braking process. The effects of material properties on the thermoelastic behaviors have been examined for the disk brake, and the largest influential properties are found to be the thermal expansion coefficient for the disk and the elastic modulus for the pad. In addition, the thermoelastic analysis has been performed for the carbon-carbon composite disk brakes. Due to the excellent thermo-mechanical material properties, carbon-carbon composites not only can be less prone to thermoelastic instability than materials commonly used in automotive applications but they also reduce the thermo-mechanical damage of brake system. Finally, experimental studies have been performed for the disk brake system using a dynamometer. The dynamometer testing showed thermal deformations and vibration phenomena of the brake system.
본 연구에서는 디스크 브레이크의 제동 시 마찰에 의한 열탄성 불안정성 현상 및 과도기 열탄성 접촉 거동에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 온도 및 접촉 압력에 대한 선형 섭동을 적용하여 디스크 브레이크의 열탄성 불안정성이 발생하는 임계속도를 구하였다. 2차원 수학적 모델을 이용한 안정성 해석으로부터 디스크는 디스크의 중립면에 대하여 반대칭 형상으로 변형되어 불안정해짐을 확인하였다. 또한, 축대칭 디스크 모델의 안정성 경계는 낮은 파동 수를 제외하고 2차원 평면 변형률 및 평면 응력 해석 결과 사이에 존재하였으며, 평면 변형률 해석 결과에 근접함을 알 수 있었다. 다음으로 마찰열에 관계된 온도장과 변위장이 접촉 문제와 서로 연계된 유한요소 열탄성 해석 기법을 개발하여 디스크 브레이크의 과도기 열탄성 접촉 거동을 고찰하였다. 디스크의 회전 속도에 따른 과도기 열탄성 해석을 수행하여 연속 제동 및 반복 제동 시 열탄성 불안정성 현상 즉, 접촉 압력 및 온도의 불안정한 변화를 고찰하였다. 디스크 브레이크 설계 시 설계 변수로 고려될 수 있는 디스크 및 마찰재 패드 물성치에 대한 매개변수 해석을 수행하였으며, 디스크의 열팽창 계수와 패드의 탄성 계수가 열탄성 거동에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, 탄소-탄소 복합재 디스크 브레이크의 과도기 열탄성 해석을 수행하였다. 탄소-탄소 복합재는 우수한 열-기계적 재질 특성을 가지고 있어 일반적으로 사용되는 자동차용 브레이크 재질보다 열탄성적으로 안정한 거동을 나타내며, 제동 시 브레이크 시스템의 열-기계적 성능을 크게 향상 시킬 수 있음을 알 수 있었다.
