[논문]다양한 하중을 받는 커넥팅 로드의 피로 파손 해석

조재웅; 최두석; 김기선

문제 정의

4와 같이 주행 하는 실제 차량이 받을 수 있는 규칙 진폭 하중인 'Sine' 이나 불규칙 진폭하중들인 'SAE Bracket History', lSAE T*, ransmission 'Sample History2'와 같이 진폭하중에 대한 배율들의 목록을 나타내고 있다. 또한 본 연구에서는 피로 수명의 사이클 계산 과 예측 되는 파손의 가능성을 계산한다. 그리고 Rainflow 및 Damage 매트릭스 계산법이 사용되어 지는데, 진폭 응력과 평균 응력들은 그림의 결과들 에 나타낼 빈도들 및 상대적 손상으로서 나타낼 수 있다
본 논문에서는 동 력 행 정 시 에 발생하는 가스의 폭 발 압력을 받아, 이를 크랭크 축에 전달하여 크랭크 축이 회전 운동을 할 수 있도록 하는 커 넥팅로드를 대상으로 연구하였다. 또한 커넥팅 로드는 운전 중 압축력, 인장력, 휨 등의 피로 하중을 반복하여 받기 때문에 이것을 충분히 견딜 수 있는 강도와 강성 이 필요하다.

제안 방법

또한 기초적으로 해 석의 간편화를 위하여 불규칙적 인 피로하중이 작용 되는 간편한 모델을 사용하였다. 그 연구 내용으로 서는 피로를 받는 커넥팅 로드의 모든 부분에 대하여 그 수명과 손상들을 예측할 수 있었고 파손 및 사 용 가능한 수명 들을 모든 하중의 변화들로서 비교 할 수 있었다. 그리고 시간에 대한 하중 변화 곡선들 을 피로에 있어서는 설정된 내역 데이터로부터 하 중의 형태를 정함으로서 불규칙 진폭 하중을 지정 할 수 있어 다양한 하중형식들을 택하여 보았다.
그 연구 내용으로 서는 피로를 받는 커넥팅 로드의 모든 부분에 대하여 그 수명과 손상들을 예측할 수 있었고 파손 및 사 용 가능한 수명 들을 모든 하중의 변화들로서 비교 할 수 있었다. 그리고 시간에 대한 하중 변화 곡선들 을 피로에 있어서는 설정된 내역 데이터로부터 하 중의 형태를 정함으로서 불규칙 진폭 하중을 지정 할 수 있어 다양한 하중형식들을 택하여 보았다. 또한 어떠한 작은 응력의 피로 사이클들일지라도 Rainflow와 Damage 매트릭스들에 의하여 재료에 대한 영향을 알아 낼 수 있었다.
또한 커넥팅 로드는 운전 중 압축력, 인장력, 휨 등의 피로 하중을 반복하여 받기 때문에 이것을 충분히 견딜 수 있는 강도와 강성 이 필요하다. 따라서 자동차 주행시에서의 규칙 및 불 규칙 피 로하중을 받는 자동차 엔진의 커넥 팅 로드 를 시뮬레이션을 하였고 그 진동의 안전성과 내구성 및 수명 관계를 해석하였다. 또한 기초적으로 해 석의 간편화를 위하여 불규칙적 인 피로하중이 작용 되는 간편한 모델을 사용하였다.
따라서 자동차 주행시에서의 규칙 및 불 규칙 피 로하중을 받는 자동차 엔진의 커넥 팅 로드 를 시뮬레이션을 하였고 그 진동의 안전성과 내구성 및 수명 관계를 해석하였다. 또한 기초적으로 해 석의 간편화를 위하여 불규칙적 인 피로하중이 작용 되는 간편한 모델을 사용하였다. 그 연구 내용으로 서는 피로를 받는 커넥팅 로드의 모든 부분에 대하여 그 수명과 손상들을 예측할 수 있었고 파손 및 사 용 가능한 수명 들을 모든 하중의 변화들로서 비교 할 수 있었다.
피로Tool로서는 시간에 따라 임의의한 부분에 대하여 하중을 변화시킬 수 있는데, 본 해석은 하나의 축방향 응력에 대하여 정 적 응력의 안전성을 구하는 Tool들과는 달리, 어떤 한 점에서 응력이 시간에 따라 변하는 경우에 대하여 한 것이다. 또한 본 연구에 있어서는 규칙 및 불규칙 진폭하중의 방법을 채택하고 기본 하중에 대하여는 배율을 적용할 수 있다.

대상 데이터

본 논문의 해석에 있어서는 S-N 곡선으로서 피 로에 대한 재료 특성 들을 정확하게 입력할 수 있다. 더 많은정확한 분석에 대하여 는 고유한 재료 특성으로서 각 진폭 응력에 대한 수 명들을 입력할 수 있도록 되어 있으나 본 재료에는 피로 곡선에 대한실험 데이터로서 주조용 강의 자료를 사용하였다.
본 연구에서의 해석모델로서 커넥팅 로드의 유한 요소분할 모양과 치수(단위 :mm)는 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다. 절점들과 요소들의 개수는 각각 11137 및 6125이다.
5% 이내가 되어 해석 결과의 상호 비교에는 지장 이 없다고 사료된다. 시험편의 재료로는 주조용 강 으로서 그 특성 은 Table 1에 나타나 있다. 그 구속 조 건은 소단부의 아래쪽 부싱의 내면에 구속되어 있고 위쪽 대단부에 베어 링 하중으로서 30000 N에 의해서 가해지고 있다.
피로에 대한 해석 결과의 출력들은 피로 수명, 파 손, 피로 수명의 민감성, Rainflow 매트릭스 및 Damage 매트릭스들을 포함하고 있다. 각각의 출력 들은 규칙 진폭 하중인 'Sine, 이 나 불규칙 진폭하중 들인 'SAE Bracket History', lSAE Transmission, , 'Sample History2‘들의 하중들로서 서로 비교 될 수 있다.

성능/효과

또한 평균응력 이 -1 시08 Pa 부근 을 제외 하고는 거의 0%의 손상 가능성을 보이고 있다. 따라서 (a) 의 경우에서의 상대적인 손상은 평균응력이 0 부근의 상태에서 최대의 상대적인 손상을 일으켜 어떤 다른 경우들보다는 더 파손의 가능성이 더 일어남을 알 수 있었다. 그러나 (a)의 경우보다 좀 더 높은 평균응력에서 (b)와 ©의 경우가 더 파손의 가능성이 있었고, 낮은 평균 응력 상태에 있 을지 라도, 손상은 더 낮은 응력 진폭들에서도 일어 남을알수있었다
1) 하중의 변화가 규칙적 인 피로 하중 형식 인 'Sine, 파형 의 경우가 불규칙 적 인 하중의 변화보다 그 하중이 클지 라도 더 안정 된 경향을 보이고 있다.
2) 불규칙 피로 하중들 중에서는 하중의 변화가 극 심 한AE Bracket History5 의 경우가 대 체 적 으로 가장 불안정 한 경향을 보이고 있고, 비교적 하중의 변화가 완만한 'Sample History, 의 경우가 가장 안정함을보이 고있다
3) , SAE Bracket History, 의 경우가 상대적인 손상은 평균응력이 0 부근의 상태에서 최대의 상대적인 손상을 일으켜 어떤 다른 경우들보다는 더 파손 의 가능성이 더 일어남을 알 수 있었다.
4) Sample History, 의 경우가 안정된 경향을 보이고 있으나 평균 응력이 ・1x108 Pa이고 응력 진폭1.6x108 Pa에 있어서 최대 76%의 손상 가능성을 보이고 있어 이 부분의 응력 상태가 파손의 가능 성 이 많다고 예측 할 수 있었다.
그 구속 조 건은 소단부의 아래쪽 부싱의 내면에 구속되어 있고 위쪽 대단부에 베어 링 하중으로서 30000 N에 의해서 가해지고 있다. 본 논문의 해석에 있어서는 S-N 곡선으로서 피 로에 대한 재료 특성 들을 정확하게 입력할 수 있다. 더 많은정확한 분석에 대하여 는 고유한 재료 특성으로서 각 진폭 응력에 대한 수 명들을 입력할 수 있도록 되어 있으나 본 재료에는 피로 곡선에 대한실험 데이터로서 주조용 강의 자료를 사용하였다.

후속연구

또한 어떠한 작은 응력의 피로 사이클들일지라도 Rainflow와 Damage 매트릭스들에 의하여 재료에 대한 영향을 알아 낼 수 있었다. 이러한 본 연구의 결과를 종합하여 불규칙 하중을 받는 자동차 부품에 응용한다면 그 파손 방지 및 내구성 을 검 토, 예측하 는데 활용이 클 것으로 사료된다.

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