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문제 정의
- 본 논문에서는 샤시 코너 모듈 개발을 위한 부품의 내구 성능 예측에 관한시스템 해석 및 시험평가등의 연구를 수행하였다.
- 본 논문에서는 샤시 코너 모듈을 개발을 위한 부품의 내구 성능 예측에 관한 것으로써 시험과 해석을 수행하여 부품의 내구성능을 평가하였다.
제안 방법
- 1) 샤시코너 부품에 작용하는 하중 이 력을 측정하기 위해 일반도로에서의 하중 이력과 KATECH PG 의 특수로 측정 데이터를 이용하여 가속주행 내 구모드를 생성하였다.
- 3) 3축 시험기 모델 및 관심대상 부품의 유한요소 모델을 구성하여 X스템에서의 반력 해석 및 응력 해석을 통해 해석 모델을 검증하였다.
- 3축 시험기 모델은 유연체 너클과 함께 3축 시험기의 wheel jig, actuator jig 질량과 관성 영향이 포함되도록 모델링하였다. 해석 모델의 가진 조건eFig.
- 가속 내구시험은 앞에서 기술한 KATECH PG 조합 가속 내구모드를 이용하여 3축 시험기에 입력될 구동 파일을 생성하고, 개발 모듈의 내구시험을 수행하였다.
- 각 부품에서 측정된 하중 이력은 범용 소프트웨어를 이용하여 물리량으로 변환하여 신호 처리하였다. 가속내구모드 생성은 일반도로 16만km 상당의 주행 시 측정된 휠-하중의 가상 손상도와 range pair counting 선도가 유사하도록 각종 특수로와 특수 이벤트 하중 이력을 조합하여 샤시코너 부품에 동일한 내구 손상도를 줄 수 있도록 하였다. 이 가속 내구모드는 3축 시험기의 입력신호로 사용되어 시험실 내에서 개발 모듈의 내구시험을 단기간에 수행할 수 있게 하였다
- 각 부품에서 측정된 하중 이력은 범용 소프트웨어를 이용하여 물리량으로 변환하여 신호 처리하였다. 가속내구모드 생성은 일반도로 16만km 상당의 주행 시 측정된 휠-하중의 가상 손상도와 range pair counting 선도가 유사하도록 각종 특수로와 특수 이벤트 하중 이력을 조합하여 샤시코너 부품에 동일한 내구 손상도를 줄 수 있도록 하였다.
- 내구 해석 모델 검증은 벨지안로 구동파일을 가진 입력으로 하여 실제 3축 시험기에 부착된 너클의 스트레인 게이지에서 출력되는 측정 값과 유연체 모델의 응력 해석 결과를 비교함으로써 모델의 정확도를 검증하였다. Fig.
- 대상 부품의 내구 수명은 일반적으로 재질이 취성재료로서 소성변형이 거의 존재하지 않고 피로 수명이 고 사이클 영역에 존재하는 경우 많이 사용되는 S-N 방법을 채택하였으며 Fig. 14는 해석에 적용된 부품의 S-N 선도를 나타내었다.
- 동역학 해석과 내구해석의 전 단계로써 내구 평가의 대상 부품에 대해 유한요소 모델을 생성하고 자유 경계조건에서의 고유진동수 해석을 수행하여 각 모드에 대한 특성 파일을 생성하였다. Fig.
- 동역학 해석의 결과로 얻어진 응력 값을 이용하여 내구 해석 전용 프로그램인 MSC/Fatigue에서 내구 해석을 수행하였다.
- 그러나 가속내구모드 1 cycle의 데이터는 926초 분량으로 컴퓨터 메모리 부족 등의 문제로 인해 해석 및 결과 분석이 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 가속내구모드 1 cycle 데이터를 분할하여 해석을 수행하고 각 해 석결과는 시간대별로 다시 연결하는 방법을 사용하였다.
- 이 모드는 개발 모듈의 내구평가를 위한 가진 입력조건으로 제공하고, 개발된 모듈을 3축 시험기에 장착하여 내구시험을 수행하였다. 또한 3축 시험기 모델과 관심 부품의 유한요소 모델을 구성하여 하중 반력 해석과 내구해석을 수행하였다. 이 결과를 .
- 부품 반력 해석에 의한 모델 검증은 벨지안로 주행 시험을 재현한 구동파일을 사용하여 3축 시험기 의 actuator에서 발생하는 힘 성분을 모델의 입력 조건으로 가진하였다. Fig.
- 샤시 코너 부품에 작용하는 하중이 력을 구하기 위해 일반도로 및 자동차부품연구원 주행성능시험장 에서 각 부품에 작용하는 주행하중 측정시험을 수행한 후') 측정한 데이터를 이용하여 가속내구시험 모드를 생성하였다. 이 모드는 개발 모듈의 내구평가를 위한 가진 입력조건으로 제공하고, 개발된 모듈을 3축 시험기에 장착하여 내구시험을 수행하였다.
- 따라서 실제 국내 일반 도로 16만km 주행한 것과 같은 손상도를 차량 부품에 동일하게 줄 수 있도록 국내 일반도로 및 자동차 부품연구원의 주행시험장에서 시험 차량을 이용해 실차 주행시험을 수행하였다. 시험에서 획득한 하중 이력은 범용 소프트웨어를 이용하여 각 도로를 조합하고 내구 목표 하중과 손상도가 유사한 자동 차부품연구원 성능시험장(KATECH PG) 가속내구 모드를 개발하였다.
- 샤시 코너 부품에 작용하는 하중이 력을 구하기 위해 일반도로 및 자동차부품연구원 주행성능시험장 에서 각 부품에 작용하는 주행하중 측정시험을 수행한 후') 측정한 데이터를 이용하여 가속내구시험 모드를 생성하였다. 이 모드는 개발 모듈의 내구평가를 위한 가진 입력조건으로 제공하고, 개발된 모듈을 3축 시험기에 장착하여 내구시험을 수행하였다. 또한 3축 시험기 모델과 관심 부품의 유한요소 모델을 구성하여 하중 반력 해석과 내구해석을 수행하였다.
- 7과 같은 목표 파형을 만든다. 이 목표 파형을 이용하여 3축 시험기에 장착된 lower ball joint와 spring에서 의 출력신호가 실차 주행 시 측정한 신호와 잘 일치하도록 여러 번 반복 작업을 통해 구동 파일을 생성하였다.
- 일반도로 주행하중 측정 시험에서 측정한 하중이 력과 대등한 조건을 갖는 대표성 있는 하중이력을 추출하고 이를 반복적으로 검증할 수 있는 가속 주행 내구시험모드 생성을 위해 자동차부품연구원 주 행시험 장의 다양한 특수로 주행과 이벤트(event) 시험을 수행하였다. 그 예로 Fig.
- 일반도로 주행하중 측정은 유럽지역 완성차업체 와 부품업체의 하중 표준화 작업을 위한 협의체인 CARLOS 의 operating profilee을 기준으로 16만km 상당의 목표 내구하중을 설정하여 실시하였으며 샤시코너 부품 및 휠하중에 대해 신호를 측정하였다. 휠하중 측정은 휠센터에 WFT(Wheel force trans- ducer)를 장착하여 측정하였고 샤시코너 부품의 하중 측정은 각 부품에 스트레인 게이지(strain gauge) 를 부착하여 측정하였다.
- 측정 신호의 분석은 rainflow counting method를 사용하여 방대한 측정 데이터의 크기를 축소시키면 서도 피로 역학적으로 의미 있는 데이터를 rainflow matrix 등으로 만들어 분석하였다. Fig.
- 일반도로 주행하중 측정은 유럽지역 완성차업체 와 부품업체의 하중 표준화 작업을 위한 협의체인 CARLOS 의 operating profilee을 기준으로 16만km 상당의 목표 내구하중을 설정하여 실시하였으며 샤시코너 부품 및 휠하중에 대해 신호를 측정하였다. 휠하중 측정은 휠센터에 WFT(Wheel force trans- ducer)를 장착하여 측정하였고 샤시코너 부품의 하중 측정은 각 부품에 스트레인 게이지(strain gauge) 를 부착하여 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 가속 시험 모드를 생성하기 위해서는 일반도로 주행에서의 주행하중 이력과 벨지안로 등의 특수로 주행하중 이력이 필요하다. 따라서 실제 국내 일반 도로 16만km 주행한 것과 같은 손상도를 차량 부품에 동일하게 줄 수 있도록 국내 일반도로 및 자동차 부품연구원의 주행시험장에서 시험 차량을 이용해 실차 주행시험을 수행하였다. 시험에서 획득한 하중 이력은 범용 소프트웨어를 이용하여 각 도로를 조합하고 내구 목표 하중과 손상도가 유사한 자동 차부품연구원 성능시험장(KATECH PG) 가속내구 모드를 개발하였다.
데이터처리
- 이 결과를 .통해 시험결과와 비교 분석하여 해석 모델을 검증하였으며 관심대상 부품의 내구성능을 평가하였다.
이론/모형
- 샤시코너 부품의 내구성능 해석은 상용 제품과 개발품을 대상으로 모드 중첩법과 S-N 방법을 사용하였다.5)
성능/효과
- 2) 개발된 가속내구 모드를 이용하여 3축 시험기에서 일주일내 내구 시험을 수행하였고 시험 결과, shock absorber의 top mount A/B bush를 제외하고는 모두 32만 km 상당의 내구 수명을 확인하였다.
- 4) 또한 3축 시험기의 시험기 모델에서 가속 내구모드를 이용하여 관심 부품의 내구 성능을 평가한 결과가 시험 결과에서 확인한 바와 같이 무한 수명임을 확인하였다.
- 개발 모듈을 대상으로 가속 내구모드 Icycle을 500회 반복하여 국내 일반도로 16만km 상당의 주행 내구목표 하중을 시험실 내에서 1주일 이내에 완료할 수 있었다.
- 내구 해석 결과, 상용품과 개발 너클의 경우 내구 수명이 가속 내구모드 1 cycle 대비 약 4E6 cycle과 5E5 cycle을 갖는 것으로 나타났다. 이는 가속내구 모드 1 cycle이 실차 주행 320km에 해당하므로 실제 내구수명은 4E6x320(cycle), 5E5x320(cycle)이 되어 무한 수명이라 볼 수 있다.
- 9와 같이 내구 cycle 260회(83, 000km 상당)와 650회(208, 000 km 상당)에서 파손된 것을 제외한 다른 샤시코너모듈 구성 개발품에는 크랙(crack)이나 영구변형이 발생하지 않았다. 따라서 shock absorber 의 top mount A/B bush의 내구 강도를 증가시킨다면 전체 샤시코너모듈 개발품은 국내 일반도로 32만 km상당 이상의 내구수명을 갖는 것으로 확인되었다.
- 13은 상용품 너클에 대하여 시험과 해석의 응력 추출 부위와 결과를 보여주고 있다. 시험과 해석을 통해 얻어진 응력 값은 Von Mises stress로 나타내었으며 RMS값으로 비교하면 시험결과는 3.346, 해석결과는 3.53으로 해석 결과가 시험 결과와 잘 일치하고 있어 해석 모델의 정확도를 검증하였다.
후속연구
- 5) 향후 부품의 내구 성능을 평가하는 방법을 좀 더 개선하여 부품 설계 및 개발 시 적용함으로써 부 품의 성능 및 품질 향상을 추구하고자 한다.
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