현대사회에서 자동차가 인간의 생활 및 산업 활동을 영위하기 위한 필수품으로 자리매김 됨에 따라 자동차의 성능 향상뿐 아니라 운전자에 대한 편의성과 정숙성을 보다 많이 요구하고 있다. 그러므로 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 자동차의 여러 가지 부품들이 개발 생산되고 있다. 특히, 우수한 탄성복원 특성과 함께 방진, 방음, 완충의 특성을 잘 나타낼 수 있는 고무 ․ 포옴재질로 만들어지는 부품은 자동차 내에서 정숙함과 안락함을 최대로 만족시키므로 현재 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 자동차부품으로서는 탁월한 피로특성이 요구되며, 고무자체의 피로성 개량 또는 변위량을 작게하기 위하여 형상설계 단계에서 유한요소 해석방법이 도입되고 있다. 본 연구의 대상으로 삼은 rubber air spring은 2차 ...
현대사회에서 자동차가 인간의 생활 및 산업 활동을 영위하기 위한 필수품으로 자리매김 됨에 따라 자동차의 성능 향상뿐 아니라 운전자에 대한 편의성과 정숙성을 보다 많이 요구하고 있다. 그러므로 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 자동차의 여러 가지 부품들이 개발 생산되고 있다. 특히, 우수한 탄성복원 특성과 함께 방진, 방음, 완충의 특성을 잘 나타낼 수 있는 고무 ․ 포옴재질로 만들어지는 부품은 자동차 내에서 정숙함과 안락함을 최대로 만족시키므로 현재 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 자동차부품으로서는 탁월한 피로특성이 요구되며, 고무자체의 피로성 개량 또는 변위량을 작게하기 위하여 형상설계 단계에서 유한요소 해석방법이 도입되고 있다. 본 연구의 대상으로 삼은 rubber air spring은 2차 현가장치 부품 중의 하나로 차량 운동에 수반되는 제반 진동 ․ 소음 및 전달 하중 등의 진동충격의 전달방지 및 흡진 또는 완충목적과 더불어, 차량의 주행 안정성 및 승차감 향상에 중요한 역할을 수행하는 부품이다. Rubber air spring은 현재 철도차량의 2차 현가장치로 널리 사용되고 있으며, 국내에서 사용되는 rubber air spring은 전량 수입에 의존해오다 최근에 들어서야 일부 국산화가 이루어지고 있으며, 제한적으로 철도차량용의 rubber air spring으로 널리 이용되고는 있지만, 더욱 많은 사람들이 이용하고 대중화되어 있는 자동차용으로는 그 사용범위가 아직 미비한 실정이며, 사용되는 부품의 경우도 국내기술이 아닌 수입품이 대부분을 차지하고 있다. Rubber air spring을 사용할 경우, 지면충격완화 성능은 타금속 스프링에 비해, 기계적 충격감쇠가 아니기에, 그 어느 현가장치보다 우수하여 승차감이 향상되며, 상면 지상고를 일정높이로 유지하여 안정성이 향상된다. 그리고 지면과 접지면의 증가로 제동성능이 향상되며, 코너링 시 차량 기울임 방지로 코너링성능이 향상되고, 좌우 흔들림을 방지하여 차량안정성 및 승차감이 향상된다. 차량에 적합한 에어스프링을 선정하는 것은 여러 가지 요소를 고려하여 선정한다. 차량 중량, 에어스프링의 설치 위치, 체적, 수압단면적, 내부압력 등에 의해 자동차의 승차감이 바뀌어 진다. 따라서 요구되는 승차감 또는 안전성을 얻기 위해서 파라메타 연구가 필요하다. 그런데 기계공학적으로 차량 및 관련 기구부의 서스펜션 계통 설계가 끝난 후에도 개별 스프링의 물성이 내구성을 갖지 못하면 고속으로 주행하는 차량의 주행안정성을 해치는 요소로 작용하게 된다. Rubber air spring은 고무재질을 모재로 하고 있는 고무 슬리브의 비선형 탄성재질과 비압축성의 특징을 가지게 되며, 에어백의 소재로 고무 모재의 내부에 보강섬유가 함침된 복합재료를 사용하므로 rubber air spring은 고무와 보강섬유와의 연결방향과 접착력에 따라 이방성과 비선형성을 가지게 된다. 또한 대변형에 의한 기하학적 비선형성을 가지게 된다. 본 연구에서는 이러한 air spring의 특성을 고려해 내부공기의 변압, 외부충격수용 등 외부환경에서 일정수명을 보증할 수 있도록 배합설계, 보강재로서의 섬유와의 접착 및 동적 피로에 대한 내구력을 향상시킨 air spring용 rubber sleeve를 개발하고자 한다. 이는 고무가 공학소재로서 가지는 특성을 잘 활용한 것인데, 고무는 잘 늘어나고 줄어드는데, 신장시키기 위한 힘(Young 율)이 작다는 것과 외력을 제거했을 때 원래의 상태로 되돌아가는 범위(탄성변형)가 상당히 크다는 것인데, 이것을 다시 말하면, 보유에너지가 가장 크며(4550kg.m/kg)이며, 이는 주철에 비해 약 4만배 이상이며, 목재에 비해서도 약 120배 이상이다. 따라서 air spring은 이러한 고무 소재의 장점을 충분히 활용한 고무 슬리브를 주소재로 제작된 air bag이며, 공기의 압축(compression)과 확장(expansion)운동을 반복하여 탄성체효과(elastic effect)을 하여 금속성의 스프링기능을 대신하며, 쾌적한 성능을 발휘하기 위해서는 고무 슬리브에 사용되는 고무와 보강섬유의 선택, 배합, 제조 기술, 접합기술의 개발 및 각 부품간의 기밀성 유지 등에 대한 최적화 설계가 요구되며, 차량의 수명에 부합하는 내구성을 갖기 위해 신뢰성 확보가 필수적이다. 특히 rubber sleeve는 지속적인 압축 및 이완을 통해 내굴곡응력이 발생하며, 이는 다시 발열반응을 일으켜 노화를 촉진하게 된다. 이러한 trouble이 생기지 않는 rubber sleeve를 개발하는 것을 본 연구의 목적으로 하며, 더 나아가 연구결과를 활용하여 경쟁력 있는 국산화 rubber air spring 개발이 가능하도록 기본연구를 하는 것에 목적이 있다. 이를 위하여 먼저 첨가제의 영향을 고려한 고무배합 실험을 통해 최적의 고무 배합조건을 도출하였다. 본 연구를 위하여 합성고무 중에서 내유성과 내후성의 두 가지 특성을 동시에 만족시키고, 어느 탄성체보다, 특별히 기계적 강도를 포함하여, 내굴곡피로와 희석된 산과염기에 대한 저항성이 가장 우수한 Chloroprene Rubber(CR)를 기본 polymer로 사용하였다. rubber sleeve의 제조에 앞서 보강섬유의 최적 배향을 선정하기 위해 유한요소해석법을 이용한 수치해석을 수행하였다. 해석결과를 rubber sleeve 제조 과정에 반영하여 rubber sleeve 시제품을 제조하였으며, 접착력과 기계적 특성을 시험하여 성능을 평가하였다. 마지막으로 개발 제품의 실제품 적용 검증을 위하여 새로운 rubber sleeve를 사용하여 트럭용 rubber air spring을 제조하여 실차량에 장착하여 기초물성과 피로수명 및 기밀성을 시험하였다. Rubber air spring의 유한요소해석에 있어서 2차원 축대칭 요소를 갖는 고무와 나일론이 결합된 solid composite으로 모델링하면 실제 고무에어스프링의 거동을 잘 추정할 수 있다. Nylon-6의 코드 부피분율과 코드 배향각도는 유한요소해석을 통해서 15%와 45°에서 최대 stress 및 응력분포가 완만한 결과가 도출되어, 이 조건이 가장 좋은 것으로 판단되어진다. 유한요소해석 결과, 보강코드의 각도가 증가함에 따라 탄성계수는 작아지고, 슬리브에 발생하는 최대 Von-Mises stress도 작아지는 경향을 보였으며, 슬리브에 최대 Von-Mises stress가 발생하는 부분은 슬리브의 형상 변화가 가장 크게 일어나는 하판과 결합되어있는 부분으로 최대 elastic strain이 발생하는 부분과 일치하였다. 내부공기의 변압, 외부충격수용을 외부환경(열충격 등) 등의 지속적 굴곡피로 하에서 시험실 시험 및 실제 필드테스트에서 기밀성을 10% 이내로 유지한다는 것은 rubber sleeve의 내공기투과성의 우수, 혹은 슬리브표면에 crack이 발생하지 않았다는 것에 대한 보증이라고 사료되며, 이는 이 연구에서 개발된 배합설계가 우수하며, 보강재로서의 nylon-6 cord와 CR과의 접착력이 충분하다는 결과를 확인하였다.
현대사회에서 자동차가 인간의 생활 및 산업 활동을 영위하기 위한 필수품으로 자리매김 됨에 따라 자동차의 성능 향상뿐 아니라 운전자에 대한 편의성과 정숙성을 보다 많이 요구하고 있다. 그러므로 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 자동차의 여러 가지 부품들이 개발 생산되고 있다. 특히, 우수한 탄성복원 특성과 함께 방진, 방음, 완충의 특성을 잘 나타낼 수 있는 고무 ․ 포옴재질로 만들어지는 부품은 자동차 내에서 정숙함과 안락함을 최대로 만족시키므로 현재 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 자동차부품으로서는 탁월한 피로특성이 요구되며, 고무자체의 피로성 개량 또는 변위량을 작게하기 위하여 형상설계 단계에서 유한요소 해석방법이 도입되고 있다. 본 연구의 대상으로 삼은 rubber air spring은 2차 현가장치 부품 중의 하나로 차량 운동에 수반되는 제반 진동 ․ 소음 및 전달 하중 등의 진동충격의 전달방지 및 흡진 또는 완충목적과 더불어, 차량의 주행 안정성 및 승차감 향상에 중요한 역할을 수행하는 부품이다. Rubber air spring은 현재 철도차량의 2차 현가장치로 널리 사용되고 있으며, 국내에서 사용되는 rubber air spring은 전량 수입에 의존해오다 최근에 들어서야 일부 국산화가 이루어지고 있으며, 제한적으로 철도차량용의 rubber air spring으로 널리 이용되고는 있지만, 더욱 많은 사람들이 이용하고 대중화되어 있는 자동차용으로는 그 사용범위가 아직 미비한 실정이며, 사용되는 부품의 경우도 국내기술이 아닌 수입품이 대부분을 차지하고 있다. Rubber air spring을 사용할 경우, 지면충격완화 성능은 타금속 스프링에 비해, 기계적 충격감쇠가 아니기에, 그 어느 현가장치보다 우수하여 승차감이 향상되며, 상면 지상고를 일정높이로 유지하여 안정성이 향상된다. 그리고 지면과 접지면의 증가로 제동성능이 향상되며, 코너링 시 차량 기울임 방지로 코너링성능이 향상되고, 좌우 흔들림을 방지하여 차량안정성 및 승차감이 향상된다. 차량에 적합한 에어스프링을 선정하는 것은 여러 가지 요소를 고려하여 선정한다. 차량 중량, 에어스프링의 설치 위치, 체적, 수압단면적, 내부압력 등에 의해 자동차의 승차감이 바뀌어 진다. 따라서 요구되는 승차감 또는 안전성을 얻기 위해서 파라메타 연구가 필요하다. 그런데 기계공학적으로 차량 및 관련 기구부의 서스펜션 계통 설계가 끝난 후에도 개별 스프링의 물성이 내구성을 갖지 못하면 고속으로 주행하는 차량의 주행안정성을 해치는 요소로 작용하게 된다. Rubber air spring은 고무재질을 모재로 하고 있는 고무 슬리브의 비선형 탄성재질과 비압축성의 특징을 가지게 되며, 에어백의 소재로 고무 모재의 내부에 보강섬유가 함침된 복합재료를 사용하므로 rubber air spring은 고무와 보강섬유와의 연결방향과 접착력에 따라 이방성과 비선형성을 가지게 된다. 또한 대변형에 의한 기하학적 비선형성을 가지게 된다. 본 연구에서는 이러한 air spring의 특성을 고려해 내부공기의 변압, 외부충격수용 등 외부환경에서 일정수명을 보증할 수 있도록 배합설계, 보강재로서의 섬유와의 접착 및 동적 피로에 대한 내구력을 향상시킨 air spring용 rubber sleeve를 개발하고자 한다. 이는 고무가 공학소재로서 가지는 특성을 잘 활용한 것인데, 고무는 잘 늘어나고 줄어드는데, 신장시키기 위한 힘(Young 율)이 작다는 것과 외력을 제거했을 때 원래의 상태로 되돌아가는 범위(탄성변형)가 상당히 크다는 것인데, 이것을 다시 말하면, 보유에너지가 가장 크며(4550kg.m/kg)이며, 이는 주철에 비해 약 4만배 이상이며, 목재에 비해서도 약 120배 이상이다. 따라서 air spring은 이러한 고무 소재의 장점을 충분히 활용한 고무 슬리브를 주소재로 제작된 air bag이며, 공기의 압축(compression)과 확장(expansion)운동을 반복하여 탄성체효과(elastic effect)을 하여 금속성의 스프링기능을 대신하며, 쾌적한 성능을 발휘하기 위해서는 고무 슬리브에 사용되는 고무와 보강섬유의 선택, 배합, 제조 기술, 접합기술의 개발 및 각 부품간의 기밀성 유지 등에 대한 최적화 설계가 요구되며, 차량의 수명에 부합하는 내구성을 갖기 위해 신뢰성 확보가 필수적이다. 특히 rubber sleeve는 지속적인 압축 및 이완을 통해 내굴곡응력이 발생하며, 이는 다시 발열반응을 일으켜 노화를 촉진하게 된다. 이러한 trouble이 생기지 않는 rubber sleeve를 개발하는 것을 본 연구의 목적으로 하며, 더 나아가 연구결과를 활용하여 경쟁력 있는 국산화 rubber air spring 개발이 가능하도록 기본연구를 하는 것에 목적이 있다. 이를 위하여 먼저 첨가제의 영향을 고려한 고무배합 실험을 통해 최적의 고무 배합조건을 도출하였다. 본 연구를 위하여 합성고무 중에서 내유성과 내후성의 두 가지 특성을 동시에 만족시키고, 어느 탄성체보다, 특별히 기계적 강도를 포함하여, 내굴곡피로와 희석된 산과 염기에 대한 저항성이 가장 우수한 Chloroprene Rubber(CR)를 기본 polymer로 사용하였다. rubber sleeve의 제조에 앞서 보강섬유의 최적 배향을 선정하기 위해 유한요소해석법을 이용한 수치해석을 수행하였다. 해석결과를 rubber sleeve 제조 과정에 반영하여 rubber sleeve 시제품을 제조하였으며, 접착력과 기계적 특성을 시험하여 성능을 평가하였다. 마지막으로 개발 제품의 실제품 적용 검증을 위하여 새로운 rubber sleeve를 사용하여 트럭용 rubber air spring을 제조하여 실차량에 장착하여 기초물성과 피로수명 및 기밀성을 시험하였다. Rubber air spring의 유한요소해석에 있어서 2차원 축대칭 요소를 갖는 고무와 나일론이 결합된 solid composite으로 모델링하면 실제 고무에어스프링의 거동을 잘 추정할 수 있다. Nylon-6의 코드 부피분율과 코드 배향각도는 유한요소해석을 통해서 15%와 45°에서 최대 stress 및 응력분포가 완만한 결과가 도출되어, 이 조건이 가장 좋은 것으로 판단되어진다. 유한요소해석 결과, 보강코드의 각도가 증가함에 따라 탄성계수는 작아지고, 슬리브에 발생하는 최대 Von-Mises stress도 작아지는 경향을 보였으며, 슬리브에 최대 Von-Mises stress가 발생하는 부분은 슬리브의 형상 변화가 가장 크게 일어나는 하판과 결합되어있는 부분으로 최대 elastic strain이 발생하는 부분과 일치하였다. 내부공기의 변압, 외부충격수용을 외부환경(열충격 등) 등의 지속적 굴곡피로 하에서 시험실 시험 및 실제 필드테스트에서 기밀성을 10% 이내로 유지한다는 것은 rubber sleeve의 내공기투과성의 우수, 혹은 슬리브표면에 crack이 발생하지 않았다는 것에 대한 보증이라고 사료되며, 이는 이 연구에서 개발된 배합설계가 우수하며, 보강재로서의 nylon-6 cord와 CR과의 접착력이 충분하다는 결과를 확인하였다.
Rubber Air Spring(RAS) is a special suspension device for the industries of automobile and other transportation consists of many of composite materials to improve stability and comfort by improving the impact-relief, braking and cornering and by vibration energy absorption from the cars or from the ...
Rubber Air Spring(RAS) is a special suspension device for the industries of automobile and other transportation consists of many of composite materials to improve stability and comfort by improving the impact-relief, braking and cornering and by vibration energy absorption from the cars or from the road. A RAS serves as a spring component with the elastic effect of compression and expansion of air in a composite rubber bag. The main component of RAS is the RS(rubber sleeve). RS is the composite which is made up of combination of Chloroprene Rubber(CR) and nylon-6 cord, and these two materials are bonded very securely both in chemically and physically. The special quality is pretty much depending and variable according to the shape, structure, production method, design and material of spring figure of RAS. At the same time, securing long life spaned quality of RS is most important for comfortable riding on the cars. This study is mostly focused on studying good quality durable rubber recipe based on CR and its chemical bonding with Nylon-6 cord by R.F.L.(Resorcinol formaldehyde-vinylpyridine latices). Rubber-to- Fabric bonding is of considerable commercial significance in modern industries. The so-called R.F.L(resorcinol formadehyde - vinylpyridine latices) are still used predominantly for bonding nylon to rubber. Considerably greater variations in rubber composition like RS, solutions of unvulcanized rubber mixtures are used. They are applied to the fabric as first coat with the addition of polyisocyanates to improve adhesion. The second focus is to analysis its durability and performance without failure, because the successful result proves this study was correct. Rubber recipe was profoundly studied, firstly benchmarked from existing foreign parts(Japanese Bridgestone & American Goodyear) by analyzing many of modern analysis technique in many cases varying many critical factors. Later stage is to analysis of the bonding force between rubber and fabric, and finally I could get the best term of bonding between these two composite materials. After assembling all components including RS and nylon-6 cord, all quality factors were also intensively inspected by air leakage test, anti-fatigue test, surface crack test by Demattia, tensile strength, elongation and IRHD rubber hardness, and most of these test are mainly and critically related to RS quality, and this is why I chose RS as my main study criteria on this thesis. The finite element method(FEM) has been used to calculate and analyze the RAS due to the limitation of traditional calculation methods, based on the research on the dynamical performance simulation carried out for the deformation behavior. My important finding was the cord angle and the contect of nylon-6 cord is one of the most important parameter. The best result was 45° and 15%. In conclusion, RAS and RS are still very interesting subjects to study and practicalize as composite materials judging from its marketability and technical requirement and potential demand in near future, but to develop practical mass production method in detail and increasing the productivity is future works.
Rubber Air Spring(RAS) is a special suspension device for the industries of automobile and other transportation consists of many of composite materials to improve stability and comfort by improving the impact-relief, braking and cornering and by vibration energy absorption from the cars or from the road. A RAS serves as a spring component with the elastic effect of compression and expansion of air in a composite rubber bag. The main component of RAS is the RS(rubber sleeve). RS is the composite which is made up of combination of Chloroprene Rubber(CR) and nylon-6 cord, and these two materials are bonded very securely both in chemically and physically. The special quality is pretty much depending and variable according to the shape, structure, production method, design and material of spring figure of RAS. At the same time, securing long life spaned quality of RS is most important for comfortable riding on the cars. This study is mostly focused on studying good quality durable rubber recipe based on CR and its chemical bonding with Nylon-6 cord by R.F.L.(Resorcinol formaldehyde-vinylpyridine latices). Rubber-to- Fabric bonding is of considerable commercial significance in modern industries. The so-called R.F.L(resorcinol formadehyde - vinylpyridine latices) are still used predominantly for bonding nylon to rubber. Considerably greater variations in rubber composition like RS, solutions of unvulcanized rubber mixtures are used. They are applied to the fabric as first coat with the addition of polyisocyanates to improve adhesion. The second focus is to analysis its durability and performance without failure, because the successful result proves this study was correct. Rubber recipe was profoundly studied, firstly benchmarked from existing foreign parts(Japanese Bridgestone & American Goodyear) by analyzing many of modern analysis technique in many cases varying many critical factors. Later stage is to analysis of the bonding force between rubber and fabric, and finally I could get the best term of bonding between these two composite materials. After assembling all components including RS and nylon-6 cord, all quality factors were also intensively inspected by air leakage test, anti-fatigue test, surface crack test by Demattia, tensile strength, elongation and IRHD rubber hardness, and most of these test are mainly and critically related to RS quality, and this is why I chose RS as my main study criteria on this thesis. The finite element method(FEM) has been used to calculate and analyze the RAS due to the limitation of traditional calculation methods, based on the research on the dynamical performance simulation carried out for the deformation behavior. My important finding was the cord angle and the contect of nylon-6 cord is one of the most important parameter. The best result was 45° and 15%. In conclusion, RAS and RS are still very interesting subjects to study and practicalize as composite materials judging from its marketability and technical requirement and potential demand in near future, but to develop practical mass production method in detail and increasing the productivity is future works.
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