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문제 정의
- 본 논문에서는 Fig. 2와 같이 로터리 스웨이징 공정의 피드인(Feed-in) 스웨이징 성형과 리세싱(Recessing) 스 웨이징 성형이 가능하도록 국내 기술진에 의하여 개발된(5) 로터리 스웨이징 장치에 의하여 성형된 TDS 사용상의 성능특성 만족도 검증을 위한 구조 진동해석과 TDS의 길이 (Length) 및 직경변화에 따른 고유진동수 (Natural frequency)의 민감도해석과 강도해석을 수행하여 TDS의 길이와 직경변화(Diameter)등이 비틀림 강성이나 굽힘 강성 향상 특성에 어떠한 영향을 주는지를 규명하였으며 이를 통한 TDS의 최적 치수결정과 그에 따른 로터리 스웨이징 성형 가능성 검토 및 품질안정화와 사용상의 성능특성을 위한 TDS 설계 제작 기준을 제시하였다.
제안 방법
- (2) 양단 고정 하에서의 중심부위 변형에 대한 강성(Stiffness) 해석을 수행하였다. 해석 결과 TDS가 SDS 에 비하여 약 33% 강성이 증가하는 것을 확인하였다 또한 중실축 대비 약 12.
- (3) TDS 길이 및 중심부의 직경변화에 대한 Normal Mode 해석을 수행하였다. 해석 결과 가능하면 길이 관점에서는 길이를 짧게 설정하고, 직경 관점에서는 크게 설정하는 것이 고유진동수의 주파수를 High frequency 쪽으로 보내는데 유리함을 알 수 있었다.
- TDS의 성형에 사용된 재질은 현재 스위스 Rothrist사 의 xMny 계열의 상용화된 재질로서 성형성과 강도면에서 우수한 소재로 알려진 34Mn5를 이용하여 로터리 스웨이징 성형을 수행하였다.
- 그리고 성형 중에 발생되는 소음 및 마찰을 방지하고 성형 중 발생하는 열의 상승으로 인한 성형품의 조직변화 및 표면이 검게 타는 것을 방지하기 위하여 비수용성 절삭유를 성형 부위에 계속적으로 절삭유를 분사 공급하 였다.
- 기존의 SDS와 개발하려는 TDS의 강도, 진동특성 비고를 위하여 동일 조건하에 TDS와 SDS의 해석결과를 비교, 검토하였다.
- 기존의 자동차에 사용되고있는 SDS을 TDS으로 개발 하기 위하여 TDS를 로터리 스웨이징 공정을 이용하여 성형하였으며 성형 후의 형상 및 치수변경 등 설계제작 변경에 따른 적합성 판단과 TDS의 성능특성평가를 위하여 SDS 및 TDS 각각에 대한 Normal Mode해석과 TDS의 길이 및 중심부의 직경 변화에 대한 고유진동수의 민감도해석을 수행하였다. 본 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 다음은 TDS의 직경을 변화시키는 경우 고유진동수의 변화를 살펴보았다. Fig.
- 양단 고정 조건에서 SDS와 TDS의 강성을 비교하였다. 드라이브샤프트은 실제 차량에서 양쪽 끝단이 조인트로 연결된 상태로 회전하므로 경계조건을 양단 고정된 단순보 형태에 단위 하중을 가하는 상태에 대한 강성을 비교하였다.
- 드라이브샤프트의 진동 특성을 알아보기 위해서는 구속이 전혀 없는 자유(Free) 고유진동수 특성과 실제 자동차에 장착된 상태의 진동특성을 알아보기 위한 구속(Fixed) 진동특성을 계산하였다. 고유 진동수는 아래와 같은 식으로 고유치(Eigenvalues) 문제를 풀어서 구할 수 있다.
- 따라서 이를 위하여 TDS의 길이 및 중심부의 직경변 화에 따른 고유진동수의 민감도(Sensitivity)해석을 수행하였다. Fig.
- 본 논문에서 개발하려는 TDS에 대한 강성 특성과 진동 특성을 알아보기 위하여 상용 구조해석 소프트웨어인 MSC/NASTRAN과 전후처리 프로그램인 HYPERMESH 를 사용하여 해석을 수행하였다.
- 4와 같다. 성형소재들은 성형 중 발생될 수 있는 결함발생을 최대한 감소시키기 위하여 모든 시편의 양쪽 끝단을 기계가공을 하였다.
- 스웨이징 성형 후 고주파 열처리된 TDS의 비틀림 파단 시험(Torsional torque test)은 TDS의 세레이션 끝단부를 정적 비틀림 파단시험기의 한쪽 끝단에 고정하고 반대쪽에서 비틀림 모멘트를 부여하는 형태로 수행하였다.
- 양단 고정 조건에서 SDS와 TDS의 강성을 비교하였다. 드라이브샤프트은 실제 차량에서 양쪽 끝단이 조인트로 연결된 상태로 회전하므로 경계조건을 양단 고정된 단순보 형태에 단위 하중을 가하는 상태에 대한 강성을 비교하였다.
- 해석은 정적 비틀림 파단시험의 평가인 경우 한쪽 끝단을 고정한 상태에서 반대쪽에서 3,600의 비틀림 모멘트를 가했을 경우 이상이 없어야 하는 시험조건으로 SDS와 TDS에 관하여 수행하였다.
이론/모형
- MSC/NASTRAN에서 제공하는 고유진동수 추출 방법 에는 Reduction(Tridiagonal) 방법, Real inverse power 방법, Real symmetric lanczos 방법 등이 주로 사용되는데 본 해석에서는 자동차 부품의 Normal mode 해석에 많이 사용되는 Real symmetric lanczos 방법을 사용하였다.(12) 해석 결과 Table 2와 같은 고유 진동수를 얻을 수 있었으며 설계 검토에 사용될 6차까지의 진동수만을 고려 하였다.
성능/효과
- (1) 양단자유(Free-Free)의 경계조건에서의 TDS의 고유진동수가 SDS의 고유진동수에 비하여 최대 약 37% 증가하였으며, 양단고정 (Fixed-Fixed)하에서는 약 17% 증가하였다. 따라서 TDS가 SDS에 비하여 진동 특성 면에서 유리함을 알 수 있었다.
- 368xiQ?N/mm로 나타났다. TDS가 SDS보다 약 33% 크게 나타남을 알 수 있었다. 따라서 SDS보다는 TDS가 강성면에서 유리함을 알 수 있다.
- 이러한 결과치는 SDS의 기준 토오크 3, 600 N・ 이보다 약 560 N . m 정도 큰 값으로 TDS의 경우가 SDS에 비하여 높은 비틀림 강성을 갖음을 본 파단 시험을 통하여 알 수 있었다.
- (1) 양단자유(Free-Free)의 경계조건에서의 TDS의 고유진동수가 SDS의 고유진동수에 비하여 최대 약 37% 증가하였으며, 양단고정 (Fixed-Fixed)하에서는 약 17% 증가하였다. 따라서 TDS가 SDS에 비하여 진동 특성 면에서 유리함을 알 수 있었다.
- 자유단과 고정단에 대해서 비교하였는데 양단자유단 (Free-Free) 경계조건인 경우 TDS의 고유진동수가 SDS의 고유진동수에 비하여 최대 약 37% 정도 증가하였으며 양단고정단(Fixed-Fixed)하에서는 약 17% 증가 하였다. 따라서 TDS는 고주파의 고유진동수를 가지고있어 SDS에 비하여 진동 특성 면에서 유리함을 해석을 통하여 알 수 있었다.
- 따라서 TDS의 길이 및 중심부의 직경 변화에 대한 Normal Mode 해석 결과 축의 길이 관점에서는 가능한 짧게 하고 직경 관점에서는 가능한 크게 하는 것이 고유 진동수를 고주파(Hi^h frequency) 영역 쪽으로 보내는데 유리함을 본 해석을 통하여 알 수 있었다.
- 본 성형 실험에서는 34Mn5 튜브 소재에 관하여 로터리 스웨이징 성형공정 5 공정, 절삭공정 2 공정, 세레이션 성형 2 공정 등 모두 9 공정으로 제품의 표면조도 및 치수정밀노가 우수한 제품을 얻을 수 있었다.(11)
- 본 연구를 통하여 로터리 스웨이징 공정을 이용한 TDS의 성형이 가능함을 알 수 있었다. 향후 소재선정, 부품시험, 실차 내구시험을 통한 TDS의 제품 설계가 계속적으로 이루어지고, 국내 기술로 개발된 로터리스웨 이징 기계로 TDS를 성형할 수 있는 성형기술을 지속적으로 확보할 경우 자동차 경량화 및 NVH 특성 향상 등 자동차의 성능 향상에 크게 기여할 수 있으리라 기대된 다.
- 이것으로 보아 응력값의 정도는 다르지만 해석 결과가 기존의 드라이브 샤프트 시험 결과와 어느 정도 유사한 경향을 나타냄을 본 해석을 통하여 확인하였다.
- 그리고 시편의 파단은 모두 TDS 양쪽 끝단 최소 직경부에서 발생하였다. 이러한 결과는 구조해석에서 예측되었던 것과 같이 최소 직경부에서 최대토오크가 발생함을 본 시험 통하여 확인 할 수 있었다.
- 8 %의 무게 감소효과도 볼 수 있었다. 이상에서 TDS가 고유진동수나 강성 그리고 무게 측면에서 모두 유리함을 확인하였다.
- 자유단과 고정단에 대해서 비교하였는데 양단자유단 (Free-Free) 경계조건인 경우 TDS의 고유진동수가 SDS의 고유진동수에 비하여 최대 약 37% 정도 증가하였으며 양단고정단(Fixed-Fixed)하에서는 약 17% 증가 하였다. 따라서 TDS는 고주파의 고유진동수를 가지고있어 SDS에 비하여 진동 특성 면에서 유리함을 해석을 통하여 알 수 있었다.
- (2) 양단 고정 하에서의 중심부위 변형에 대한 강성(Stiffness) 해석을 수행하였다. 해석 결과 TDS가 SDS 에 비하여 약 33% 강성이 증가하는 것을 확인하였다 또한 중실축 대비 약 12.8 %의 무게 감소효과도 볼 수 있었다. 이상에서 TDS가 고유진동수나 강성 그리고 무게 측면에서 모두 유리함을 확인하였다.
- (3) TDS 길이 및 중심부의 직경변화에 대한 Normal Mode 해석을 수행하였다. 해석 결과 가능하면 길이 관점에서는 길이를 짧게 설정하고, 직경 관점에서는 크게 설정하는 것이 고유진동수의 주파수를 High frequency 쪽으로 보내는데 유리함을 알 수 있었다.
- 이을 가하였다. 해석 결과 응력상태는 Table 4와 같이 TDS의 경우 2, 380 Mpa이였고 SDS의 경우는 2, 220 Mpa로 나타났다. Fig.
후속연구
- 지금까지 중실 드라이브샤프트(Solid Drive Shaft : SDS)의 경량화를 위한 방법으로 드라이브샤프트의 소재 개선, 형상개선 등 여러 방법으로 어느 정도 중량감소 효과를 보았으나 현재 자동차에 적용되고있는 SDS로는 더 이상 중량감소를 기대하기 어려울 뿐만 아니라 엔진의 2차 주파수와 휠 허브(Wheel hub) 주파수와의 공진현상으로 NVH(Noise, Vibration and harshness)문제를 더 이상 완화시키는데 한계성을 나타내고 있어 좀더 적극적인 개선이 요구되고 있는 실정이다. 따라서 최근 선진 자동차 메이커(GM, BMW, VW)에서는 이러한 단점을 개선하기 위한 연구를 통하여 기존 SDS 를 TDS(Tube Drive Shaft)로 대체함으로서 비틀림 강성 (Torsional Stiffness) 향상, 굽힘 강성 (Bending Stiffness) 향상, 소음(Booming) 감소, 엔진진동 주파수와의 NVH 억제효과 상승 및 기존 중실축 대비 약 23%의 중량절감 효과와 약 30%정도의 강성증대효과를 도모하였다 따라서 향후에는 이러한 장점으로 인하여 TDS가 국내 외 모든 자동차에 대부분 사용될 것으로 전망된다.
- 본 연구를 통하여 로터리 스웨이징 공정을 이용한 TDS의 성형이 가능함을 알 수 있었다. 향후 소재선정, 부품시험, 실차 내구시험을 통한 TDS의 제품 설계가 계속적으로 이루어지고, 국내 기술로 개발된 로터리스웨 이징 기계로 TDS를 성형할 수 있는 성형기술을 지속적으로 확보할 경우 자동차 경량화 및 NVH 특성 향상 등 자동차의 성능 향상에 크게 기여할 수 있으리라 기대된 다.
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