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문제 정의
- 본 연구에서는 구조용 접착기술을 적용하여 자동차의 동력조향 장치(Power steering system)를 경량화 하고자 한다. Fig.
가설 설정
- (1) 링 형상의 브라켓은 접착제층에 박리응력을 유발시키지 않았다. 또한 접착부에 발생하는 응력은 대부분 전단응력이 발생하였다.
제안 방법
- 또한 Table 2에 유압실린더 및 고정 브라켓 소재의 물성을 나타내었다. 각 소재의 유동응력식은 인장시험을 통해 도출하였다.
- 동력조향 유압실린더는 브라켓에 의해 차체와 연결되므로 이를 고려하여 유압실린더를 고정하고 브라켓에 하중을 가하였다. Fig.
- 동력조향 유압실린더의 접합강도를 예측하기 위해 CZM을 적용한 유한요소해석을 수행하였다. 구조용 접착기술을 적용하기 위해 재설계된 동력조향 유압실린더의 형상은 Fig.
- 일반적으로 접착부의 파괴거동은 인장 및 전단응력이 복합된 응력에 의해 발생하는 복합모드 파괴거동(mixed-mode fracture)을 나타낸다. 본 연구에서는 CZM을 이용하여 복합모드 파괴거동을 고려하였다. 복합모드에서 임계응력 및 파괴인성은 식(3)과 식(4)에 의해 계산된다.
- CZM 은 접착제의 변형 및 파괴거동을 나타내기 위한 모델로써 접착부에 작용하는 응력 및 파괴거동을 평가할 수 있다[5~7]. 브라켓 형상의 변화에 따른 접착부의 축방향 접합강도 및 비틀림강도 변화를 유한요소해석을 통해 평가하였다. 평가된 결과를 통해 고정 브라켓을 재설계하였으며, 축방향 및 비틀림 파괴실험을 통해 재설계된 제품의 접합강도가 요구접합강도를 만족함을 확인하였다.
- 요구접합강도를 만족하는 브라켓의 길이를 설정하기 위해 길이 변화에 대한 접합하중을 유한요소해석을 통해 조사하였다. Fig.
- 2와 같다. 유압실린더 및 고정브라켓은 탄소성변형 거동을 하며, 접착부의 접합하중을 평가하기 위해 접착제층은 접착요소(Cohesive element)을 적용하여 유압실린더와 고정 브라켓을 연결하였다.
- 유한요소해석결과를 바탕으로 축방향 및 비틀림접합강도를 동시에 만족하는 동력조향 실린더 실린더의 알루미늄 고정 브라켓의 형상을 재설계하였다. 동력조향 실린더의 형상은 유한요소해석 결과를 바탕으로 Fig.
- 7 에 나타내었다. 유한요소해석을 통해 브라켓 길이와 직경의 변화에 따른 파단토크를 평가하였다. Fig.
- 1 에 나타낸 유압실린더의 고정 브라켓을 알루미늄 합금으로 대체할 경우 기존 대비 약 20% 의 경량화가 가능하다. 이 때, 알루미늄 합금인 고정 브라켓과 강재인 유압실린더의 구조용 접합부의 접합강도를 만족할 수 있도록 고정 브라켓의 형상을 재설계하였다. 접착부의 접합강도를 예측하기 위해서 접착지역모델(Cohesive zone mode:CZM)을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.
- 재설계된 동력조향 유압실린더의 축방향 접합강도 평가하기 위해 Fig. 11에 나타낸 것과 같이 접착부 접합강도 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 Henkel사의 구조물용 1액형 에폭시 접착제를 사용하였으며, 180[℃]에서 30분간 경화시켜 동력조향 유압실린더 시작품을 제작하였다.
- 이 때, 알루미늄 합금인 고정 브라켓과 강재인 유압실린더의 구조용 접합부의 접합강도를 만족할 수 있도록 고정 브라켓의 형상을 재설계하였다. 접착부의 접합강도를 예측하기 위해서 접착지역모델(Cohesive zone mode:CZM)을 적용한 유한요소해석을 수행하였다. CZM 은 접착제의 변형 및 파괴거동을 나타내기 위한 모델로써 접착부에 작용하는 응력 및 파괴거동을 평가할 수 있다[5~7].
- 본 연구에서는 자동차 동력조향 유압실린더를 경량화하기 위해 구조용 접착기술을 적용하였다. 접착부의 접합강도를 평가하기 위해 CZM을 활용한 유한요소해석을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 동력조향 유압실린더의 브라켓을 재설계하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 11에 나타낸 것과 같이 접착부 접합강도 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 Henkel사의 구조물용 1액형 에폭시 접착제를 사용하였으며, 180[℃]에서 30분간 경화시켜 동력조향 유압실린더 시작품을 제작하였다. 실험에 사용된 유압실린더는 기존의 용접에 의해 사용되던 유압실린더와 동일한 실린더를 사용하였으며, 브라켓은 재설계된 형상으로 알루미늄 6061로 기계 가공하여 제작하였다.
- 본 연구에서는 Henkel사의 구조물용 1액형 에폭시 접착제를 사용하였으며, 180[℃]에서 30분간 경화시켜 동력조향 유압실린더 시작품을 제작하였다. 실험에 사용된 유압실린더는 기존의 용접에 의해 사용되던 유압실린더와 동일한 실린더를 사용하였으며, 브라켓은 재설계된 형상으로 알루미늄 6061로 기계 가공하여 제작하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 구조용 접착제의 CZM과 관련된 순수 인장 및 전단모드에 대한 파괴물성을 Table 1에 나타내었다. 구조용 접착제의 파괴물성은 ASTM 규격에 따라 실험과 CZM을 활용하여 도출하였다[9~11]. 또한 Table 2에 유압실린더 및 고정 브라켓 소재의 물성을 나타내었다.
- 본 연구에서는 자동차 동력조향 유압실린더를 경량화하기 위해 구조용 접착기술을 적용하였다. 접착부의 접합강도를 평가하기 위해 CZM을 활용한 유한요소해석을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 동력조향 유압실린더의 브라켓을 재설계하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- (2) 브라켓 길이의 증가는 40mm 이상에서 축방향 접합강도는 일정한 값으로 수렴하는 경향을 나타내었으며, 브라켓 직경에 대해서는 증가하는 경향을 나타내었다.
- (3) 브라켓 길이와 직경의 증가는 비틀림 접합강도를 증가시키는 효과를 나타내었으며, 브라켓 길이가 큰 경우, 직경증가의 효과가 크다.
- (4) 축방향 및 비틀림 접합강도 실험을 통해 길이 58mm, 직경 47mm로 재설계된 링 형상의 브라켓의 축방향 접합강도는 20.27kN이상이며, 비틀림 접합강도는 7.39kN-m이상으로 평가되었다.
- 초기 브라켓의 길이가 증가함에 따라 접착부의 파괴하중이 증가하는 경향을 나타내었으며, 이후 브라켓 길이 40mm 이상에서는 일정한 값으로 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 브라켓 직경이 증가할수록 접착면적에 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다.
- 5에 나타낸 것과 같이 기하학적 구속에 의해 축방향 하중에 의해 접착부에 발생하는 응력은 대부분 전단응력이 발생하였다. 박리응력은 발생하지 않았으며, 유압실린더가 압축하중에 의해 압축되면서 접착제층에 전단응력과 더불어 압축응력이 발생하는 것으로 나타났다.
- 반면에 작용하중에 대해 수직한 방향으로 접착면적을 높일 경우에는 접착면적에 비례하여 접합강도를 향상시킬 수 있다. 브라켓 길이의 증가는 축방향 하중과 같은 방향으로의 접착면적을 의미하므로 본 연구에서도 브라켓 길이가 일정한 값에서는 더 이상 접합강도가 증가하지 않는 경향을 나타내었다.
- 13의 (b)에 나타낸 것과 같이 유압실린더와 브라켓의 연결부에서 압축하중에 의해 실린더의 좌굴이 발생하였다.축방향 접합강도 실험에서 접합부에서 파단이 발생하지 않았으며, 유압실린더의 변형이 발생하므로 재설계된 브라켓 형상은 축방향 접합강도를 만족하는 것으로 판단된다.
- 브라켓 형상의 변화에 따른 접착부의 축방향 접합강도 및 비틀림강도 변화를 유한요소해석을 통해 평가하였다. 평가된 결과를 통해 고정 브라켓을 재설계하였으며, 축방향 및 비틀림 파괴실험을 통해 재설계된 제품의 접합강도가 요구접합강도를 만족함을 확인하였다.
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