[논문]프로펠러샤프트용 Cross Groove형 등속조인트 케이지 강도해석

오병기

프로펠러샤프트용 Cross Groove형 등속조인트 케이지 강도해석
Strength Analysis of Cross Groove Type Constant Velocity Joint Cage for Propeller Shaft 원문보기

오병기 (서한기술연구소)

The fracture strength of cross groove type constant velocity joint is largely determined by the fracture strength of the cage having window-like pockets for retaining the torque transmitting balls. A stress distribution acting on the cage is influenced by rigidities of the rim portion and of the column members, therefore requires a calculation such as FEA. To analyze fracture strength of cage, a 3-D elasto-plastic finite element analysis and a submodeling technique are used to achieve both computational efficiency and accuracy. The results are in reasonably good agreement with experiment.

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문제 정의

본 연구에서는 1 단계로 토크 작용 시 cross groove joint 케이지에 작용하는 접촉하중 및 접촉응력을 이론적으로 구하고, 2단계로 케이지의 강도를 평가할수 있는 유한요소 해석 절차 와 이론 . 시험과의 비교 검토 결과를 기술하였다 모든 해석은 Fig.
본 연구에서는 유한요소해석 및 시험을 통하여 cross groove joint 케이지 단품의 강도수준을 예측할수 있었으며 아래와 같은 결과를 얻었다.
7~8에서 화살표는 하중방향이다. 케이지 단품의 정확한 강도평가를 위해서는 실제 볼에 의한 접촉조건이 시험에 고려 되어 야 하지 민-, 본 시험 은 동일한 조건을 적용한 해 석결과와의 비 교를 목적으로 하였고 단품시 험 시 볼 집촉조건 吁현의 어 려움으로 실린더 형상의 지言-를 이용하여 케이지에 대한 인장파단시험을 실시하였다. 케이지 강노시험에 대한 해석도 2.

제안 방법

Global modele 6면체 연속체요소(C₃D8, ABAQUS)를 사용하여 모델링 하였고, 접촉이 예상되는 부위는 접촉요소(contact element)를 사용하였다. 경계조건으로는 외륜 조립 h이e을 모두 구속하였고, 내륜 중심에 파일럿 절점(pilot node)을 생성하여 내륜 내경 절점과 강체요소를 생성하고 파일럿절점에 토크를 인가하였다. 해석에 사용된 토크는 500, 1,000, 1, 700, 2, 550N .
m이고 조인트 절각은 0° 로 하였다. 다음으로 접촉응력을 포함한 케이지 림및 컬럼의 응력을 정확하게 해석하기 위해 케이지포켓(pocket) 절반만을 상세 모델링 하였고, 해석 시절단부위 (cutting edge)의 경계조건은 global model 해석 시 저 장된 절점 변위를 보간 하여 변위 구속을하였다. 싱■세모델(local model)은 global model과 동일한 요소를 사용하였고, 접촉부와 접촉부에서 일정 깊이까지는 다른 부위보다 조밀하게 요소를 생성하였다.
소성 유한요소해석이 필요하다. 본 연구에서는 상용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS6)< 이용하여 cross groove joint 케이지에 대한 강도평가를 수행하였다 해석 은 global model을 구성 하여 토크 적용에 따른 접촉하중을 해석한 후 ABAQUS 서브모델링(submo・ deling) 기법을 이용하여 케이지에 대한상세 강도해석을 진행하였다.
있는 유한요소 해석 절차 와 이론 . 시험과의 비교 검토 결과를 기술하였다 모든 해석은 Fig. 1 에 나타낸 SUV 4WD 차량의 프로펠러샤프트용 cross groove joint(최 대허용 토크: 2, 550 N . m)에 대해 수행하였다.
우선 토크 적용에 따른 각 단품들 사이에 작용하는 접 촉하중을 해석 하기 위해 Fig. 5와 같이 외륜, 내륜, 볼 그리고 케이지로 구성된 global model을 구성하였다.Global modele 6면체 연속체요소(C₃D8, ABAQUS)를 사용하여 모델링 하였고, 접촉이 예상되는 부위는 접촉요소(contact element)를 사용하였다.
케이지 단품의 정확한 강도평가를 위해서는 실제 볼에 의한 접촉조건이 시험에 고려 되어 야 하지 민-, 본 시험 은 동일한 조건을 적용한 해 석결과와의 비 교를 목적으로 하였고 단품시 험 시 볼 집촉조건 吁현의 어 려움으로 실린더 형상의 지言-를 이용하여 케이지에 대한 인장파단시험을 실시하였다. 케이지 강노시험에 대한 해석도 2.3 질의 유한요소 해석 절차와 농일하게 수행한 후 시험걸과와 비교하여 유한요소 해석절차의 타당싱을검토하였다
케이지 강도해석 검증을 위해 토크 적용 시 케이지 단품이 받는 하중상태와 유사한 玉건으로 만능재료시험기를 이용하여 시험을 실시하였匸h 토크적용 시 볼은 내 . 외륜이 이루는 V사 트랙에 의해번갈아 가며 반대 방향으로 하중을 받아 결국 볼을지탱하는 케이지를 인장하는 역할을 한다.

대상 데이터

경계조건으로는 외륜 조립 h이e을 모두 구속하였고, 내륜 중심에 파일럿 절점(pilot node)을 생성하여 내륜 내경 절점과 강체요소를 생성하고 파일럿절점에 토크를 인가하였다. 해석에 사용된 토크는 500, 1,000, 1, 700, 2, 550N . m이고 조인트 절각은 0° 로 하였다.

이론/모형

5와 같이 외륜, 내륜, 볼 그리고 케이지로 구성된 global model을 구성하였다.Global modele 6면체 연속체요소(C₃D8, ABAQUS)를 사용하여 모델링 하였고, 접촉이 예상되는 부위는 접촉요소(contact element)를 사용하였다. 경계조건으로는 외륜 조립 h이e을 모두 구속하였고, 내륜 중심에 파일럿 절점(pilot node)을 생성하여 내륜 내경 절점과 강체요소를 생성하고 파일럿절점에 토크를 인가하였다.

성능/효과

1) 주요 부품을 모두 포함한 global model로 cross groove joint 케이지에 작용하는 접족하중을 이론 계산 결과와 비교하여 비교적 정확하게 계산할 수 있었다.
2) 서브모델링 기법을 이용하여 접촉응력을 포함한 케이지 림 및 컬럼부의 응력분포를 빠르고 정확하게 계산할 수 있었다.
3) 강노해석결과는 시험결과와 파단위치 및 파단강도가 유사하게 나타나고 있어 서브모델링 기법을 이용한 케이지 설계 강도 검증의 유용성을확인하였다.
13은 이론 및 유한요소해석에 의한 케이지의접촉응력으로 접촉부의 요소수를 작게한 local model 이 global model과 비교하여 이론 접촉응력 에 접근한다는 것을 알 수 있다. 이론과 local model의 접촉응력 차이는 관심영역인 최대허용토크에서 약 9% 정도로 기하비선형과 재료비선형에도 불구하고 접촉응력을 비교적 정확하게 계산할 수 있었다. Fig.

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