[논문]차량용 휠베어링의 접촉 피로수명 예측에 관한 연구

이상돈; 문길환; 조용주

차량용 휠베어링의 접촉 피로수명 예측에 관한 연구
Contact Fatigue Life Prediction of Automotive Wheel Bearing 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.3, 2008년, pp.137 - 143

이상돈 (부산대학교 정밀기계공학과) , 문길환 (부산대학교 정밀기계공학과) , 조용주 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

For most bearings, it is a common requirement to have long durability. Especially wheel bearing fatigue life is the most important in automotive quality. The contact fatigue life analysis of automotive wheel bearing considering real raceway rough surface is presented in this paper. Contact stresses are obtained by contact analysis of a semi-infinite solid based on the use of influence functions; the subsurface stress field is obtained using rectangular patch solutions. Mesoscopic multiaxial fatigue criterion which can yield satisfactory results for non-proportional loading is then applied to predict fatigue damage. Suitable counting method and damage rule were used to calculate the fatigue life of random loading caused by rough surface. The life analysis considering real rough surface of wheel bearing raceway is in good agreement with the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실제 휠베어링 궤도륜의 거친 표면 형상을 이용하여 탄성접촉해석을 수행9)하여 표면 및 표면아래의 웅력상태를 해석한 후 접촉피로수명을 예측하고, 이를 실제 휠베어링의 수명시험결과와 비 교하고자 한다.
가정하였다. 이러한 가정에 근거하여 거시적 관점에서의 물리량(응력, 변형량)과 미시적 관점에서의 물리량사이의 관계를 규명하였다.

가설 설정

두 탄성 체 에서 작용하는 수직 과 수평 하중은 Fig. 1 과 같으며, 물체는 등방성 이 며 균질한 거동을 보인다고 가정한다. 이때 접촉면의 압력분포는 사각조각표면에 작용하는 균일한 분포하중에 의한 변위의 해를 이용하여 두 탄성체 사이의 접촉문제를 수식적으로 해석한다.
이는 실제 베어 링 볼이 접촉을 하는 궤도륜 전체의 데이터를 이용해서 수명예측을 하는 것은 엄청난 계산양과 계산시간을 요구하기. 때문에 본 연구에서는 실제 휠베어링 궤도륜의 표면의 세 부분을 측정하여 이를 궤도륜 전체의 대표적인 표면으로 가정하고 수명을 예측하였다.

제안 방법

하중은 시험기 상단에 설치되어 있는 두 개의 유압 실린더에 의해 가해지고, 이 실린더는 각각 X, y 축의 축 및 반지름 방향으로 힘이 가해지도록 설계되어져 있다. 베어링 피로수명시험은 피팅의 발생만을 알아보기 위해 500rpm 정도의 낮은 회 전속도로 수행하였다.
본 연구를 통해 기존의 실험적 기법에 기반을 둔수명식에서 탈피하여 실제 표면의 거칠기에 따른 표면아래 응력변화를 고려하여 휠베어링의 접촉피로 수명을 예측할 수 있는 기법을 구축하였다. 이를 위해 차량용 휠베어링의 접촉피로 수명을 해석적기법을 통하여 예측하고 해석기법의 정확성을 검중하기 위해 실제 차량용 휠베어링을 이용한 수명시험을 수행하였다.
1 과 같으며, 물체는 등방성 이 며 균질한 거동을 보인다고 가정한다. 이때 접촉면의 압력분포는 사각조각표면에 작용하는 균일한 분포하중에 의한 변위의 해를 이용하여 두 탄성체 사이의 접촉문제를 수식적으로 해석한다. Fig.
이를 위해 차량용 휠베어링의 접촉피로 수명을 해석적기법을 통하여 예측하고 해석기법의 정확성을 검중하기 위해 실제 차량용 휠베어링을 이용한 수명시험을 수행하였다.
임의 평면의 수직응력을 카운팅 변수로 정의하여 다축 응력 성분의 카운팅을 수행한다' 임의의 평면은 손상이 가장 크게 작용하는 면으로 정의 한다. 한사이 클에 대한 웅력 성 분을 얻기 위해 카운팅 변수가 사이클을 형성하는 시간에 상응하는 각각의 성분을 적절한가중치를 두어 얻는다.

이론/모형

그 후에 Linear Minei법을 사용하여 각각의 손상을 더하여 최종 수명을 얻는다.
loading)을 겪 는다고 할 수 있다. 따라서 불규칙 하중을 둥가된 규칙 하중의 조합으로 변화시 키 기 위해 적절한 카운팅 법(Counting Method)을 적용하여야 한다. 그 후에 균열의 시작을예측하기 위해 다축비비례 하중에 적절한 다축 피로 이론을 적용하여야 한다.
amplitude loading) 작용하게 된다. 따라서 적절한 카운팅 방법을 이용하여 변동하중을 일정한하중(Constant amplitude loading)의 조합으로 등가하기 위해 레인플로우{Rainflow) 카운팅 법을 사용하였다

성능/효과

1) 실제 베어링의 표면거칠기를 이용하여 접촉피로 수명을 예측할 경우 접촉면의 위치 및 궤도륜표면의 측정위치에 따라 수명예측값이 달라지게 된다.
2) 베어링 피로수명 시험을 통해 베어링의 접촉피로 파손현상은 주로 베어 링 궤도면에서 우선 발생하여, 볼의 파손까지 발생시키 게 된다.
3) 해석을 통한 베어링의 수명예측값의 산포는 하중이 낮아짐에 따라 더 커짐을 알 수 있었다.
4) 해석을 통한 수명예측값을 사용하기위해서는 많은 실제 표면의 데이터를 사용한 예측값을 평균화하는 과정 이 필요함을 확인하였다
못하다. 많은 피로 모델 중에서, Papadopoulos'가제시한 메조스코픽 피로 이론(Mesoscopic fatigue criterion)은 피로문제에 메조스코픽 (Mesoscopic) 물리량을 이용해 접근할 수 있게 하여 다축 비비례 하중에서도 적절한 예측을 하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 베어링 수명시험을 거치지 않고 해석적기법을 이용한 수명예측 결과를 사용하기 위해서는 실제 베어링 궤도륜 표면의 많은 부위 에서 표면 형상 데이터를 획득하고 이를 해석한 수명 예측 결과들을 평균한 수명값을 이용해야 할 것으로 생각된다.

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