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문제 정의
- 본 연구에서는 시작품 제작 횟수를 줄이고 설계 단계에서 강성에 대한 정보를 제공하기 위하여 유한요소해석을 적용하였으며, 라운드 리클라이너의 형상 최적화를 위하여 단품 구조/강도 해석을 수행하였다. 또한, 최적 치 형 설계에 관한 연구를 수행하였으며, 각종 법규에 대응한 해석을 수행하여 시트 모듈과 관련된 구조 및 강성해석, 충돌안전도 해석을 수행함으로 라운드 리클라이너의 안전성과 신뢰성을 검토하였다.
제안 방법
- Table 1은 기존의 리클라이너와라운드 리클라이너를 비교한 표이다. 개발하고자 하는 라운드 리클라이너는 지름 72mm의 원형 형상의 캠과 기어를 일체화하여 내장한 형태로서 이 부품을 프레임의 브래킷(bracket)에 연결하여 시트 구조물에 장착하도록 한다. 라운드 리클라이너는 Fig.
- 기존 시트에서 리클라이너부를 제거한 후 라운드 리클라이너를 장착하여 강도 평가를 수행하기 위하여 라운드 리클라이너의 기어부를 제외하고 모델링을 수행하였다. 부품은 1,524개의 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였고, 요소의 평균 크기는 5mm로 균일하다.
- 기존 시트와 라운드 리클라이너를 장착한 시트의 시트벨트 앵커리지 시험을 해석하여 분석하였다. 기존 시트와 라운드 리클라이너를 장착한 시트 모두 최대 하중을 부과하더 라도 시트의 붕괴가 발생 하지 않았다.
- 본 연구에서는 시작품 제작 횟수를 줄이고 설계 단계에서 강성에 대한 정보를 제공하기 위하여 유한요소해석을 적용하였으며, 라운드 리클라이너의 형상 최적화를 위하여 단품 구조/강도 해석을 수행하였다. 또한, 최적 치 형 설계에 관한 연구를 수행하였으며, 각종 법규에 대응한 해석을 수행하여 시트 모듈과 관련된 구조 및 강성해석, 충돌안전도 해석을 수행함으로 라운드 리클라이너의 안전성과 신뢰성을 검토하였다.11)
- 라운드 리클라이너의 구조 강도 해석 시 기어 강도 해석을 위하여 라운드 리클라이너의 기어를 모델링 하였다. 요소 수는 121,800개의 셀 요소로 모델링 하였다.
- 라운드 리클라이너의 구조 강도와 안정성을 확보하기 위하여 기어부의 치형에 대한 구조 강도 해석을 실시하였다. Fig.
- 부품은 1,524개의 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였고, 요소의 평균 크기는 5mm로 균일하다. 라운드 리클라이너의 단품 정적 구조 강도 해석은 라운드 리클라이너의 ann에 1,000mm 의 강체 봉(rigid bar)을 이용하여 605kgf・m의 모멘트를 가하도록 한다. 여기서 모멘트는 신 FMVSS 301 시험의 벤치마킹을 통하여, 인체모형(dummy)의 머리가 머리지지대(head rest)를 가할 때의 충격을 구한 값이다.
- 하중 방향은 수평선을 기준으로 5-15° 상향이며, 이때 시트에 과도한 파손이나 변형이 발생하면 안된다. 바디 블록과 시트 벨트의 처리는 접촉 처리를 하였으며 용접, 리벳, 볼트 등의 체결부위는 파손이나 변형이 없다고 간주하여 강체(rigid body) 결합하여 표현하였다. 변형량은 P1과 P2의 두 점에서 측정하였다(Fig.
- 시트 구조물에 라운드 리클라이너를 장착하였을 때 시트 구조물의 신뢰성을 평가하기 위하여 북미 자동차 안전기준(FMVSS) 및 국내 자동차안전기준에 따른 시트 강도 평가 항목인 시트 안전띠 부착장치 강도 시험(FMVSS 210)과 시트백 후방 모멘트 시험(FMWSS 207)에 대한 해석을 실시하였으며, 라운드 리클라이너 단품에 대한 정적 구조 강도 평가 방법을 제시 하였다. 시험 조건은 다음과 같다.
-
4.2 시트 모듈의 FMVSS 207 시험
시트의 백 프레임과 리클라이너의 암(arm)과 베이스(base)의 연결 부위의 강성을 평가하기 위하여 기존 시트 모듈과 라운드 리클라이너를 장착한 시트 모듈의 시트백 후방 모멘트 시험을 해석하여 비 교하였다. 기존 시트 모듈의 해석 결과 최대하중 부과 이후 시트의 붕괴가 발생하지 않았으며, P1과 P2의 변형은 각각 5.
- 6과 같은 시험조건으로 수행하였다. 암과 베이스는 2가지 재료, 라운드 리 클라이 너 부품은 3가지 재료를 사용하여 총 6가지의 경우에 해당하는 모델을 만들어 평가하였다. Fig.
대상 데이터
- 요소 수는 121,800개의 셀 요소로 모델링 하였다. Fig. 5와 같은 경계조건을 부여하기 위하여 캠(cam)의 안쪽 면과 홀더(holder)를 고정 시킨 후 섹터 기어(sector gear)에 605kgf・m의 모멘트를 가하였다. Fig.
- 기존 시트에서 리클라이너부를 제거한 후 라운드 리클라이너를 장착하여 강도 평가를 수행하기 위하여 라운드 리클라이너의 기어부를 제외하고 모델링을 수행하였다. 부품은 1,524개의 육면체 요소를 사용하여 모델링 하였고, 요소의 평균 크기는 5mm로 균일하다. 라운드 리클라이너의 단품 정적 구조 강도 해석은 라운드 리클라이너의 ann에 1,000mm 의 강체 봉(rigid bar)을 이용하여 605kgf・m의 모멘트를 가하도록 한다.
- 3). 시트 구조물의 요소 수는 총 14,056개이며 절점 수는 14,850개이다. 요소의 평균 크기는 10mm로 균일하게 모델링 되었다.
- 라운드 리클라이너의 구조 강도 해석 시 기어 강도 해석을 위하여 라운드 리클라이너의 기어를 모델링 하였다. 요소 수는 121,800개의 셀 요소로 모델링 하였다. Fig.
- 또한, 차량 장착성, 최소중량, 최적가격까지 고려하여 개발이 이루어져야 한다. 차량용 시트는 쿠션부와 철제 구조물로 이루어지며 철제 구조물은 다시 백 프레임(back frame), 리클라이너(recliner), 시트 트랙(seat track)으로 나누어진다.2-7)리클라이너는 시트 트랙과 백 프레임을 연결하는 부품으로 시트의 등받이 각도를 조절하는 기능을 한다.
성능/효과
- 1) FMVSS 210 시험 규정에 의거한 기존 시트와 라운드 리클라이너를 장착한 시트의 해석 결과 최대하중 부과 이후 붕괴가 발생하지 않았으며, 두 모델 모두 쿠션 사이드 멤버와 트랙 부에 집중응력이 발생하였는데 이는 재료의 항복응력 이하의 응력이므로 구조적 안정성을 확인할 수가 있다.
- 또한, 안전띠(seat belt), 시트(seat) 등 승객의 안전과 직결되는 장치에 대해 CAE 기법을 확대 적용하여 안전도를 높이는 방향으로 제품을 설계, 생산하고 있다.1,4) 이러한 승객안전장치 중에서 차량용 시트는 승용차에서 상용차에 이르기까지 기본적으로 적용되는 부품으로 단순한 좌석의 기능을 넘어 차량주행 시 전달되는 충격이나 진동을 적절하게 흡수하여 승객에게 안락한 승차감을 제공하고, 사고 시에는 승객을 보호하는 중요한 역할을 한다. 이와 같은 다양한 기능 때문에 차량용 시트는 충돌성능, 승차성능, NVH(noise vibration harshness)성능 등을 동시에 만족하는 설계가 이루어져야 한다.
- 2) FMVSS 207 시험 규정에 의거한 기존 시트와 라운드 리클라이너를 장착한 시트의 해석 결과 초 대 하중 부과 이후 시트의 붕괴가 발섕하지 않았으며, 구조적 안정성을 확인할 수가 있다.
- 3) 기어부의 구조 강도 해석 결과, 락 기어의 거의 모든 치형에서 섹터 기어와 접촉하는 부위의 최대주응력 값과 유효웅력 값이 항복응력을 초과하였다. 소성변형률 역시 락 기어의 모든 치형에서 파단연신율 5% 미만으로 약간의 변형은 발생하나 파단에는 이르지 않는다는 결과를 얻었다.
- 4) 신 FMVSS 301 시험에서 HIC가 1000이하의 값인 690.3이고, Nij도 0.49로 1을 초과하지 않았으며, corridor의 영역 안에 상해치 값이 존재하므로 안정성을 확인할 수 있다,
- SAPH440의 경우, 항복강도 이상의 응력이 발생한 반면, SPFH 590을 적용하여 해석한 결과, 항복강도 이하의 응력이 발생하였으며 구조적 안정성을 확인할 수가 있다. Table 2는 SAPH 440과 SPFH 590의 재료 물성치이다.
- 시트의 백 프레임과 리클라이너의 암(arm)과 베이스(base)의 연결 부위의 강성을 평가하기 위하여 기존 시트 모듈과 라운드 리클라이너를 장착한 시트 모듈의 시트백 후방 모멘트 시험을 해석하여 비 교하였다. 기존 시트 모듈의 해석 결과 최대하중 부과 이후 시트의 붕괴가 발생하지 않았으며, P1과 P2의 변형은 각각 5.906mm와 6.632mm로 좌우측의 상대 변위는 0.726mm발생하였다. 또한 641 MPa의 최대하중이 트랙부에 발생하였으며, 쿠션 사이드 멤버(cushion side member)에도 집중응력이 발생하였다.
- 후방 충돌 법규에서 사용되던 강체 대차(rigid barrier)를 신 후방 충돌 법규에서는 FMVSS 214 측면 충돌에 사용하는 변형가능한 대차(deformable banEer)로 바뀌었다. 대차의 중량은 1362kg으로 줄었으나 충돌 속도가 80.5km/h로 상승하여 최종적으로 기존에 비해 2배 정도의 운동 에너지가 상승하였다. 충돌모드는 Fig.
- 52mm이었으며, 599MPa의 최대 응력이 트랙부에서 발생하였다. 두 모델 모두 시트 구조물에서의 최대 응력치가 항복강도(DOCOL800DF, 875MPa)를 기준으로 안정함을 확인할 수가 있다.
- 315mm 발생하였다. 또한 603.4MPa의 최대응력이 트랙부에 발생하였지만 과도한 변형이 발생하지 않았으며 항복응력 이하의 응력으로 구조적 안정성을 확인할 수가 있다. Fig.
- 3) 기어부의 구조 강도 해석 결과, 락 기어의 거의 모든 치형에서 섹터 기어와 접촉하는 부위의 최대주응력 값과 유효웅력 값이 항복응력을 초과하였다. 소성변형률 역시 락 기어의 모든 치형에서 파단연신율 5% 미만으로 약간의 변형은 발생하나 파단에는 이르지 않는다는 결과를 얻었다.
- 10은 기어부 구조 강도 해석의 유효응력 분포이다. 치형에 대한 유효응력과 주응력을 비교 분석한 결과, 락 기어와 섹터 기어에서 재료의 항복응력을 초과하는 1.175GPa의 응력이 발생하였지만, 연신률 5% 미만의 소성 변형률이 발생하였다. 약간의 변형은 발생하나, 파단에는 이르지 않을 것으로 판단된다.
- 13의 실차 가속도 시험 결과를 이용하였다. 해석 결과 Fig. 14와 같은 시트 및 더미의 변형 양상을 보였으며, 머리상해치 (HIC, head injury criteria)가 1000이하의 값인 690.13이고 목상해지수(Nij, neck injury)도 0.49로 1을 초과하지 않으며, corridor의 영역 안에 목 상해치가 존재하므로 안정성을 확인할 수 있다.
후속연구
- 5) 라운드 리클라이너의 실제 시험에 의한 해석 결과의 분석을 통하여 이를 다시 최적 설계에 반영 하는 연구가 필요하다.
- 약간의 변형은 발생하나, 파단에는 이르지 않을 것으로 판단된다. 향후 실제 시험과 보정을 통하여 추가 검증이 필요할 것이다.
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