[논문]커넥팅 로드의 피로강도에 대한 신뢰성 해석

김철수; 이준형; 김정규

doi:10.22634/ksme-a.2001.25.10.1651

[국내논문] 커넥팅 로드의 피로강도에 대한 신뢰성 해석
Reliability Analysis in Fatigue Strength of Connecting Rod 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.25 no.10 = no.193, 2001년, pp.1651 - 1658

김철수 (한양대학교 대학원) , 이준형 (LG전자) , 김정규

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It is necessary to evaluate fatigue strength and reliability of the connecting rod which is core part in automotive engine to assure the high level of durability of automobile. For this purpose, the loading conditions in automotive engine is obtained by the dynamic analysis. Based on these results, the critical section was identified by the finite element analysis. The fatigue strength under constant amplitude was evaluated and the mean of the fatigue limit at R = -2.27 derived from the staircase method was 311.2MPa. And the failure probability( F$_<$TEX>p/ ) derived from the strength-stress interference model is 0.0003% at the 99.99% confidence level and the mean factor of safety was 4.2.

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문제 정의

본 연구에서는 유한요소해석 및 피로시험을 통하여 커넥팅 로드의 피로강도를 평가하고, 확률론적 해석을 통한 신뢰성을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 소형승용차에 사용되는 커넥팅로드를 대상으로, 유한요소해석 및 피로시험을 통하여 작용응력에 대한 커넥팅 로드의 피로강도의 신뢰도를 평가하였다. 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

커넥팅 로드의 응력해석에 사용된 경계조건은 민동균⁽⁷⁾ 등의 연구를 참조하여 캡 부분과 만나는 대단부의 양측면에 완전 고정하였다. 커넥팅 로드의 작용 하중조건은 압축하중이 지배적이므로 Fig. 3과 같이 커넥팅 로드에 면압 형태로 변환하고, 이 때의 크랭크축과 피스톤 선단의 하중은 핀의 120o에 걸쳐 동일하게 분포된 것으로 가정하여 압축 분포하중을 부여하였다.⁽⁴⁾

제안 방법

피로시험은 상온의 대기 중에서 10ton용 유압서어보식 피로시험기에 마이크로컴퓨터를 사용한 제어시스템을 구성하고, 일정진폭 하중하에서 정현파 11~15Hz로 피로시험을 수행하였다. 시험편은 커넥팅 로드 자체를 사용하였으며, 실제와 유사한 부하 메커니즘을 고려하여 가스압력을 직접적으로 받는 소단부를 피로시험기의 액츄에이터(actuator)에 장착하였다.
커 넥팅 로드에 가해지는 관성력은 식 (1)과같이 세부분의 영역에서 각각 상이하므로, 본 연구에서는 가장 취약한 부위에서 하중조건 및 하중비를 고려하였다. 민동균 등의 연구결과⁽⁷⁾에 의하면, 취약부위는 소단부와 본체부사이로 보고되고 있으므로, 부하조건은 본체부에 작용하는 최대하중 및 최소하중을 이용하였다.
42kN 사이의 값을 갖는다. 그러나 P-N 선도는 단면적이 불균일한 커넥팅 로드의 안정성평가에 부적당하므로 먼저 최대응력이 작용하는 임계부분을 구하고, 이로부터 응력진폭(σ_α)과 피로수명(N_f) 곡선인 S-N선도에 대하여 검토하였다. Fig.
따라서. 커넥팅 로드의 안전성을 검토하기 위하여, Table 3의 계단식시험으로부터 얻어진 피로강도와 작용응력의 확률분포특성으로부터 강도-응력 간섭모델⁽¹⁷⁾을 이용하여 파손확률을 평가하였다.

대상 데이터

5을 이용하였다. 해석에 사용된 요소의, 종류는 8절점 6면체 요소와 6절점 5면체 요소이며, 총 2308 개의 요소와 3378개의 절점을 사용하였다. 커넥팅 로드의 응력해석에 사용된 경계조건은 민동균⁽⁷⁾ 등의 연구를 참조하여 캡 부분과 만나는 대단부의 양측면에 완전 고정하였다.

데이터처리

3은 커넥팅 로드의 응력해석을 위한 요소망 및 경계조건을 나타낸 것이다. 요소망 모델링은 상용유한요소해석 프로그램인 MSC/PATRAN ver8.0 을 사용하였으며, 해석은 MSC/NASTRAN ver70.5을 이용하였다. 해석에 사용된 요소의, 종류는 8절점 6면체 요소와 6절점 5면체 요소이며, 총 2308 개의 요소와 3378개의 절점을 사용하였다.

이론/모형

S-N선도를 이용한 피로강도의 평가에 있어서 유한수명 영역인 경사부에서는 단일단계시험법(single step test method)을 이용하였고, 무한수명 영역인 수평부에서는 19개의 시험편을 사용하여 계단식 시험법(staircase test method)으로 시험을 수행하였다.⁽¹⁶⁾
해석에 사용된 요소의, 종류는 8절점 6면체 요소와 6절점 5면체 요소이며, 총 2308 개의 요소와 3378개의 절점을 사용하였다. 커넥팅 로드의 응력해석에 사용된 경계조건은 민동균⁽⁷⁾ 등의 연구를 참조하여 캡 부분과 만나는 대단부의 양측면에 완전 고정하였다. 커넥팅 로드의 작용 하중조건은 압축하중이 지배적이므로 Fig.

성능/효과

또한 계단식 시험법을 이용하여 얻어진 피로한도의 평균값은 311.2MPa로 평가되었다.
그리고 계단식 시험법을 이용하여 얻어진 피로한도의 평균값은 311.2MPa로 평가되었다.
한편 크랭크축의 회전속도에 따라 변화하는 응력비의 평균 R =-15.6에서 작용응력과 계단식시험법에서 얻은 파손 및 미파손된 데이터로부터 얻어진 피로강도에 대한 안전성을 평가한 결과, 커넥팅 로드의 파손확률은 99.99%의 신뢰구간에서 0.0003%로서 매우 안전하였다. 그리고 이 때의 커넥팅로드의 평균 안전계수는 4.

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