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문제 정의
- 19의 그래프에서 벨트각도에 대한 코너링 특성을 알아보기'위해서 SAE 기준5에 의하여 슬립각 -10도에서 0도까지 의 횡력을 도시 한 그래프이다. 본 논문에서는 코너링 력(Cornering Force)과 횡 력(Lateral Force)의 구분을 두지 않고 설명하고자 한다. 그래프에서 보는 바와 같이 슬립각 0도에서의 횡 력은 19도가 크나, 슬립각도가 커 짐에 따라 횡력이 24도가 커지는 것을 볼 수 있다.
- 본 논문은 벨트각도와 관련된 연구로서, 패턴 형상이 종 그루브만 존재하는 타이어에 대하여, 벨트 각도에 따른 차량의 쏠림 현상과 관련되어 있는 PRAT 특성과 실차의 조종응답성과 관련된 코너링 특성에 대한 연구이다. 벨트각도에 대한 체계적인 연구 수행을 위하여, 종강성, 횡강성 등의 정특성도 함께 파악하여 동특성과의 관계를 살펴보았다.
제안 방법
- 우선, 2차원 공기압(Inflation) 해석을 수행하고, 이 상태를 3차원으로 확장시켰다. 3차원 해석에서는 롤링 전 접지(Footprint) 해석을 우선 수행하였다. 접지 해석 방법은 종강성 해석과 유사한 방법으로 강체 요소(Rigid Element)?] 드럼이 이동하여 하중이.
- 3차원 모델의 경우 사용된 총 요소 수는 18, 310개이며, 노드 수는 33, 830 개이다. 고무 재료는 6절점과 8절점 솔리드 요소 (Solid Element)를 사용하였고, Mooney-Rivlin 함수를 사용하여 비선형 거동을 표현하였다. 벨트, 카카스 등의 복합재는 우선, 코드의 모사를 위해서 두께를 가지지 않는 4절점 Surface 요소에 Rebar를 정의 하여 Rebar Layer를 만들고, 이 Rebar Layer를 고무에 심어주는(Embedded) 방식으로 복합재를 표현하였다.
- 가해지도록 하였다. 다음 단계로 타이어의 자유 구름(Free Rolling) 상태를 찾기 위해서, 30km/h에 해당되는 각속도를 드럼의 중앙에 위치한 기준 노드에 주고, 타이어의 중앙에 위치한, 기준 노드에는 브레이크(Brake) 상태의 스텝(Step) 과 트렉션(Traction) 상태의 스텝(Step)될 수 있는 임의의 각속도를 드럼과 반대방향으로 주어, 이 두 상태에서의 회전 토크값을 구하였다. 이 결과 값들에서 회전 토크가 0이 되는 근처의 각속도를 찾아 한번 더 세부적으로 자유 구름 상태 근처에서의 브레이크-트렉션 롤링 해석을 수행하였다.
- 같은 조건으로 해석을 수행하였다. 림의 모사를 위해서는 타이어의 중앙에 하나의 노드를 만들어, 즉 기준 노드(Reference Node)를 설정하여 림과 닿는 위치의 노드들과 변위가 같이 거동 되도록 구속조건(Tie Constraint)을 설정하였다. 종강성의 경우, 이 기준 노드를 완전히 구속하고 기준하중 4, 223.
- 고무 재료는 6절점과 8절점 솔리드 요소 (Solid Element)를 사용하였고, Mooney-Rivlin 함수를 사용하여 비선형 거동을 표현하였다. 벨트, 카카스 등의 복합재는 우선, 코드의 모사를 위해서 두께를 가지지 않는 4절점 Surface 요소에 Rebar를 정의 하여 Rebar Layer를 만들고, 이 Rebar Layer를 고무에 심어주는(Embedded) 방식으로 복합재를 표현하였다. 그 후 Rebar Layer에 단면적, 간격, 물성치, 각도 등을 정의해 주면 Rebar는 고무와 같이 거동을 하게 된다.
- 대한 연구이다. 벨트각도에 대한 체계적인 연구 수행을 위하여, 종강성, 횡강성 등의 정특성도 함께 파악하여 동특성과의 관계를 살펴보았다.
- 자유 구름 상태를 찾은 후에, 마지막 해석에서 슬립 각도를 모사하기 위하여, 자유 구름 상태의 타이어 중앙에 위치한 기준 노드에 슬립각도에 해당되는 각 변위를 주었다. 슬립각도 별 횡력과 복원 토크 값은 기준 노드에서 반력 데이터로 구하였다. 이를 SAE 좌표 기준으로 그래프를 도시하여, 횡력이 0일 때의 복원 토크 값을 PRAT 값으로 사용하였다.
- 8N(431kgf)을 가하였다. 시험에서는 PRAT 값을 구하기 위하여, 타이어의 롤링 방향을 정방향과 역방향 두 가지 방향으로 나누어 시험을 수행하였다. 각 방향에서의 횡력과 복원 토크 값을 데이터 처리하여, 2.
- 9에서와 같은 순서로 해석을 수행하였다. 우선, 2차원 공기압(Inflation) 해석을 수행하고, 이 상태를 3차원으로 확장시켰다. 3차원 해석에서는 롤링 전 접지(Footprint) 해석을 우선 수행하였다.
- 유한요소해석 기법을 이용하여 시험과 해석모델의 타당성을 먼저 검증하였다. 타당성 검증 후, 타이어의 벨트각도에 따른 정특성인 종강성, 횡 강성 및 동특성 인 PRAT, 코너 링 특성에 대 한.
- 다음 단계로 타이어의 자유 구름(Free Rolling) 상태를 찾기 위해서, 30km/h에 해당되는 각속도를 드럼의 중앙에 위치한 기준 노드에 주고, 타이어의 중앙에 위치한, 기준 노드에는 브레이크(Brake) 상태의 스텝(Step) 과 트렉션(Traction) 상태의 스텝(Step)될 수 있는 임의의 각속도를 드럼과 반대방향으로 주어, 이 두 상태에서의 회전 토크값을 구하였다. 이 결과 값들에서 회전 토크가 0이 되는 근처의 각속도를 찾아 한번 더 세부적으로 자유 구름 상태 근처에서의 브레이크-트렉션 롤링 해석을 수행하였다. 이렇게 하면, 시험 조건인 자유 구름 상태를 모사하기 위한 타이어의 각속도를 구할 수 있다.
- 일반적인 롤링 접지특성을 알아보았다. 본 논문에서의 모든 접지응력은 바닥면에서 본 그림이다.
- 이렇게 하면, 시험 조건인 자유 구름 상태를 모사하기 위한 타이어의 각속도를 구할 수 있다. 자유 구름 상태를 찾은 후에, 마지막 해석에서 슬립 각도를 모사하기 위하여, 자유 구름 상태의 타이어 중앙에 위치한 기준 노드에 슬립각도에 해당되는 각 변위를 주었다. 슬립각도 별 횡력과 복원 토크 값은 기준 노드에서 반력 데이터로 구하였다.
대상 데이터
- 5는 본 연구에서 2차원, 3차원 해석에 각각 사용된 유한요소 모델이다. 3차원 모델의 경우 사용된 총 요소 수는 18, 310개이며, 노드 수는 33, 830 개이다. 고무 재료는 6절점과 8절점 솔리드 요소 (Solid Element)를 사용하였고, Mooney-Rivlin 함수를 사용하여 비선형 거동을 표현하였다.
- 본 연구에서 사용된 타이어의 종류는 185/65R14이며 패턴 형상은 해석 시간 및 패턴 블럭의 영향을 배제하기 위해서 메인 그루브 즉, 종 그루브 3개가 있는 경우로 설정하였다. 벨트각도는 19도, 20도, 22도, 24도로 설정하였다.
데이터처리
- OhishF등은 쏠림 인자인 PRCF(Plysteer Residual Cornering Force)를 이용하여 패턴형상에 따른 FEM 해석을 시험 결과와 비교하였다. 이때, 패턴 횡그루브의 각도에 대한 PRCF 경향이 시험과 잘 일치하였으나, 그 비교값의 차이는 너무 크게 나타났었다.
- 본 해석모델의 검증을 위해서 종강성, 횡강성, PRAT 값을 시험과 비교하였다.
- 해석 프로그램은 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS Ver. 6.5를 사용하였다. Table 1과 2는 본 해석모델에 사용된 물성치를 나타낸 표이다.
- 해석의 타당성 검토를 위하여, 벨트각도 24도에 대한 PRAT 값을 시험과 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 이외에도 FEM을 이용한 PRAT 및 코너링 시뮬레이션 방법론 및 차량 쏠림에 관련된 연구로서, 다수의 논문들3이 있다. 기존 논문을 통해서 볼 때, 해석방법은 대체로 동적(Dynamic, Explicit) 해석방법보다는 정상상태 롤링 해석 방법을 사용한다. 이는 해의 정확도에 비해 동적 해석이 너무나 큰 시간 비용이 들기 때문이 다.
- 2 그리 고, 정 상상태 롤링 해 석방법을 통한 F&M 시뮬레이션의 방법론도 각 회사에 사용되는 시험기기에 따라서 시험 조건이 달라 해석의 조건 및 방법도 약간씩은 다르게 사용된다. 이에 본 연구에서도 해석시간과 해의 정확성을 고려하여 정상 상태 롤링 해석기법을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 본 논문에서 사용된 해석 모델 및 해석 방법은 정특성 및 동특성 시험과 잘 일치하여 타 특성 시뮬레이션에도 유사하게 사용될 수 있다. .
- 2. 벨트각도의 커짐에 따라서 종강성은 작아지는 경향을, 횡강성은 커지는 경향을 보인다. 그러나, 본 연구에서의 타이어의 경우 그 차이는 크지 않았다.
- 3. 벨트각도의 정방향 각도, 역방향 각도, 모두 벨트 각도가 커짐 절대값 기준으로 하였을 때, PRAT는 감소하는 경향을 보인다. 이러한 경향은 차량 쏠림(Vehicle Pull)을 고려한 타이어의 설계 시설계기준이 될 수 있다.
- 3.1 절에서의 벨트각도에 의한 정특성과 비교해보았을 때, 코너링 특성은 벨트각도에 의한 횡 강성의 경향과 일치하는 경향을 보였다. 즉, 벨트 각도에 의한 횡강성의 정특성은 코너링 강성의 동특성과 비례하는 상관성이 있다고 볼 수 있다.
- 4. 벨트각도가 커짐에 따라 코너링 강성은 증가한다. 이러한 코너링 특성은 벨트각도에 의한 정특성 중 횡강성과 밀접한 관련성을 가진다.
- 그림에서 보는 바와 같이, 벨트각도에 따라 종강성과 횡강성의 변화는 크지 않다. 그러나, 그 경향은 종강성은 벨트각도가 증가함에 따라 작아지는 경향을 , 횡강성은 커지는 경향을 보였다. Olatunbosun4등은 벨트각도에 대한 종강성 변화에 대하여 연구를 수행하였는데, 본 연구와 일치하는 경향을 보였다.
- 즉, 벨트각도가 커짐에 따라 코너링 파워 (Cornering Power)가 커진다는 것을 알 수 있다. 이 결과는이atunbosun, 등의 연구와 일치하는 결과로, 벨트 각도가 커지면 커질수록 응답성이 좋다는 것을 의미한다. 본 연구에서의 타이어 모델의 경우, 코너링 파워가 벨트각도 19도는 677 N/deg.
후속연구
- 5. 추후, PRAT에 더 큰 영향을 미치는 설계 인자로 알려져 있는 패턴 형상에 대한 연구가 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.