다물체 동역학 해석방법을 이용한
볼 조인트의 최적설계
Optimum Design of a Ball Joint Using Dynamic Analysis Method
기계공학과 황 석 철
지도교수 이 권 희
승용차용 볼 조인트는 두 기계요소 사이에서 기구운동 및 윤활작용을 하는 기계요소이다. 일반적으로 승용차용 볼 조인트는 ...
다물체 동역학 해석방법을 이용한
볼 조인트의 최적설계
Optimum Design of a Ball Joint Using Dynamic Analysis Method
기계공학과 황 석 철
지도교수 이 권 희
승용차용 볼 조인트는 두 기계요소 사이에서 기구운동 및 윤활작용을 하는 기계요소이다. 일반적으로 승용차용 볼 조인트는 현가장치에 장착되어 사용된다. 본 연구에 주제인 볼 조인트의 경우 승용차용 볼 조인트로서 현가장치에 장착되며 컨트롤 암(Control arm)과 너클(Knuckle) 사이에서 회전운동 및 직선운동을 돕는다. 일반적인 볼 조인트는 소켓(Socket), 볼 스터드(Ball stud), 베어링(Bearing), 플러그(Plug)로 구성되어 있다. 소켓, 볼 스터드, 플러그는 강재로 이루어져 있으나, 베어링은 복합소재가 많이 사용된다. 베어링은 볼 조인트의 구동에서 소켓과 볼 스터드의 마찰에 의한 마모를 방지하며, 또한 외부의 충격으로부터 충격을 흡수하는 역할을 한다. 그러므로 베어링은 일반적으로 타 구성요소에 비해 약한 강도와 강성을 가진 재료를 사용한다. 특히 볼 조인트는 반복하중을 받으며 반복하중에 의해 장시간 사용시 베어링 내․외부에 피로에 의한 균열 및 파괴가 발생한다. 이러한 볼 조인트의 손상은 운전자의 안전성과 승차감을 감소시키고, 소음 및 진동을 발생시킨다. 따라서 이와 같은 손상을 최소화하기 위하여 볼 조인트의 구조강도와 손상부위의 응력상태를 정확하게 산정하고, 문제 요소에 대한 개선을 통해 볼 조인트의 전반적인 성능 향상이 필요하다.
현재 볼 조인트에 작용하는 응력상태를 확인하는 방법은 실험을 통한 평가 방법과 유한요소해석을 통한 응력평가 방법이 있다. 실험을 통한 응력평가 방법은 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 비교적 시간과 비용의 소비가 적은 유한요소해석을 통한 응력평가 방법을 이용하여 볼 조인트 설계시 적용하고 있다. 앞선 볼 조인트의 유한요소해석에 관한 연구에 따르면 기존의 볼 조인트의 유한요소해석방법은 2차원 평면요소를 사용하여 정적구조해석(Static structure analysis)수행하고 이 결과를 통해 응력을 평가하고 설계에 반영하였다. 이와 같은 방법은 유한요소 해석시 소요시간이 적은 장점이 있다. 그러나 볼 조인트에 국부적으로 작용하는 하중을 고려한 해석이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 3차원 다물체 동역학 해석방법을 적용하여 볼 조인트에 작용하는 응력을 평가하였다. 3차원 다물체 동역학 해석방법은 2차원 정적해석에 비해 국부적으로 발생하는 하중을 고려할 수 있으며, 볼 조인트에 작용하는 응력상태를 시간에 흐름에 따라 평가할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 해석방법이 어렵고 해석 소요시간도 비교적 길다는 단점이 있다.
본 연구에서는 C사에서 생산하고, S차량에 사용되고 있는 승용차용 볼 조인트의 유한요소해석을 통하여 응력상태를 산정하고, 볼 조인트의 최적설계를 수행함으로서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 볼 조인트의 제작은 소켓을 강제 변형하는 코킹(Caulking)공정을 통해 제작된다. 이 공정에서 베어링은 소성변형하여 잔류응력을 포함한 상태로 볼 조인트에 장착된다. 베어링에 작용하는 잔류응력에 의해 볼 조인트의 성능 및 수명이 결정됨을 확인하였다.
2. 유한요소법을 이용한 3차원 다물체 동역학 해석 수행결과 볼 조인트의 최대응력은 베어링의 Z방향 상단에서 발생하였으며, 작용하중에 따라 최대하중의 위치는 크게 변화하였다.
3. 유한요소해석법을 이용한 해석결과 볼 조인트는 과도한 하중에 의해 손상되는 것이 아니라 볼 조인트의 국부적인 하중 집중현상에 의해 손상되며, 따라서 작용하는 응력의 크기 보다는 베어링 및 볼 스터드에 작용하는 응력의 균일성이 주요한 요인임을 확인 하였다.
4. 다물체 동역학 해석방법을 이용하여 볼 조인트의 성능을 테스트하는 유격시험을 전산모사하였다. 최초 볼 조인트 모델의 해석 결과를 기초로 볼 조인트의 성능에 영향을 주는 요인은 소켓의 최상단 지름과 최하단 지름의 크기임을 확인하였다. 이 두가지 요인을 설계변수로 선정하여 볼 조인트 소켓부에 대한 최적설계를 수행하였으며, 최적의 설계를 제안하였다.
5. 본 연구에 수행된 3차원 다물체 동역학 해석방법을 적용한 볼 조인트의 해석방법은 볼 조인트 설계시 볼 조인트에 작용하는 여러 가지 조건을 엄격하게 고려할 수 있다. 따라서 보다 정확한 유한요소 해석결과를 얻을 수 있으며 기존의 해석방법보다 결과의 정확성이 우수하므로 향후 볼 조인트의 구조 설계시 검토될 필요성이 있다.
주요어 : 볼 조인트(Ball joint), 동역학 해석(Dynamic analysis), 코킹해석(Caulking analysis), 유한요소법(Finite element method), 유격시험해석(Gap teat analysis), 형상최적설계(Shape optimization), 반응표면법(Response surface method), 크리깅법(Kriging method), 실험계획법(Design of experiments)
다물체 동역학 해석방법을 이용한
볼 조인트의 최적설계
Optimum Design of a Ball Joint Using Dynamic Analysis Method
기계공학과 황 석 철
지도교수 이 권 희
승용차용 볼 조인트는 두 기계요소 사이에서 기구운동 및 윤활작용을 하는 기계요소이다. 일반적으로 승용차용 볼 조인트는 현가장치에 장착되어 사용된다. 본 연구에 주제인 볼 조인트의 경우 승용차용 볼 조인트로서 현가장치에 장착되며 컨트롤 암(Control arm)과 너클(Knuckle) 사이에서 회전운동 및 직선운동을 돕는다. 일반적인 볼 조인트는 소켓(Socket), 볼 스터드(Ball stud), 베어링(Bearing), 플러그(Plug)로 구성되어 있다. 소켓, 볼 스터드, 플러그는 강재로 이루어져 있으나, 베어링은 복합소재가 많이 사용된다. 베어링은 볼 조인트의 구동에서 소켓과 볼 스터드의 마찰에 의한 마모를 방지하며, 또한 외부의 충격으로부터 충격을 흡수하는 역할을 한다. 그러므로 베어링은 일반적으로 타 구성요소에 비해 약한 강도와 강성을 가진 재료를 사용한다. 특히 볼 조인트는 반복하중을 받으며 반복하중에 의해 장시간 사용시 베어링 내․외부에 피로에 의한 균열 및 파괴가 발생한다. 이러한 볼 조인트의 손상은 운전자의 안전성과 승차감을 감소시키고, 소음 및 진동을 발생시킨다. 따라서 이와 같은 손상을 최소화하기 위하여 볼 조인트의 구조강도와 손상부위의 응력상태를 정확하게 산정하고, 문제 요소에 대한 개선을 통해 볼 조인트의 전반적인 성능 향상이 필요하다.
현재 볼 조인트에 작용하는 응력상태를 확인하는 방법은 실험을 통한 평가 방법과 유한요소해석을 통한 응력평가 방법이 있다. 실험을 통한 응력평가 방법은 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 비교적 시간과 비용의 소비가 적은 유한요소해석을 통한 응력평가 방법을 이용하여 볼 조인트 설계시 적용하고 있다. 앞선 볼 조인트의 유한요소해석에 관한 연구에 따르면 기존의 볼 조인트의 유한요소해석방법은 2차원 평면요소를 사용하여 정적구조해석(Static structure analysis)수행하고 이 결과를 통해 응력을 평가하고 설계에 반영하였다. 이와 같은 방법은 유한요소 해석시 소요시간이 적은 장점이 있다. 그러나 볼 조인트에 국부적으로 작용하는 하중을 고려한 해석이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 3차원 다물체 동역학 해석방법을 적용하여 볼 조인트에 작용하는 응력을 평가하였다. 3차원 다물체 동역학 해석방법은 2차원 정적해석에 비해 국부적으로 발생하는 하중을 고려할 수 있으며, 볼 조인트에 작용하는 응력상태를 시간에 흐름에 따라 평가할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 해석방법이 어렵고 해석 소요시간도 비교적 길다는 단점이 있다.
본 연구에서는 C사에서 생산하고, S차량에 사용되고 있는 승용차용 볼 조인트의 유한요소해석을 통하여 응력상태를 산정하고, 볼 조인트의 최적설계를 수행함으로서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 볼 조인트의 제작은 소켓을 강제 변형하는 코킹(Caulking)공정을 통해 제작된다. 이 공정에서 베어링은 소성변형하여 잔류응력을 포함한 상태로 볼 조인트에 장착된다. 베어링에 작용하는 잔류응력에 의해 볼 조인트의 성능 및 수명이 결정됨을 확인하였다.
2. 유한요소법을 이용한 3차원 다물체 동역학 해석 수행결과 볼 조인트의 최대응력은 베어링의 Z방향 상단에서 발생하였으며, 작용하중에 따라 최대하중의 위치는 크게 변화하였다.
3. 유한요소해석법을 이용한 해석결과 볼 조인트는 과도한 하중에 의해 손상되는 것이 아니라 볼 조인트의 국부적인 하중 집중현상에 의해 손상되며, 따라서 작용하는 응력의 크기 보다는 베어링 및 볼 스터드에 작용하는 응력의 균일성이 주요한 요인임을 확인 하였다.
4. 다물체 동역학 해석방법을 이용하여 볼 조인트의 성능을 테스트하는 유격시험을 전산모사하였다. 최초 볼 조인트 모델의 해석 결과를 기초로 볼 조인트의 성능에 영향을 주는 요인은 소켓의 최상단 지름과 최하단 지름의 크기임을 확인하였다. 이 두가지 요인을 설계변수로 선정하여 볼 조인트 소켓부에 대한 최적설계를 수행하였으며, 최적의 설계를 제안하였다.
5. 본 연구에 수행된 3차원 다물체 동역학 해석방법을 적용한 볼 조인트의 해석방법은 볼 조인트 설계시 볼 조인트에 작용하는 여러 가지 조건을 엄격하게 고려할 수 있다. 따라서 보다 정확한 유한요소 해석결과를 얻을 수 있으며 기존의 해석방법보다 결과의 정확성이 우수하므로 향후 볼 조인트의 구조 설계시 검토될 필요성이 있다.
주요어 : 볼 조인트(Ball joint), 동역학 해석(Dynamic analysis), 코킹해석(Caulking analysis), 유한요소법(Finite element method), 유격시험해석(Gap teat analysis), 형상최적설계(Shape optimization), 반응표면법(Response surface method), 크리깅법(Kriging method), 실험계획법(Design of experiments)
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