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문제 정의
- 0×109 사이클 이상이 되어 장시간의 시험시간이 필요하다. 따라서, 이 조건은 포기하고 실제 시험이 가능한 시간 내 조건에서 시험하는 것으로 수정하여 검증하는 것으로 하였다. 시험 사이클은 일반적으로 많이 수행하는 1.
- 본 연구에서는 경제성을 고려하면서 액슬구동 축의 수명데이터를 가능한 정확하게 얻기 위하여 교정가속수명시험(calibrated accelerated life test, CALT)방법을 이용하여 수명데이터를 구하였다.(4,5) 이 수명데이터가 실제 현장작동조건에서 적용 가능한지를 검토하기 위하여 실차상태의 부하스펙트럼(load spectrum)을 분석하고 실차 수준에 근접한 시험조건으로 시험을 수행하고 결과를 비교하여, 적용된 CALT 방법을 이용한 수명예측 결과의 유용성을 확인하였다.
제안 방법
- (4,5) 이 수명데이터가 실제 현장작동조건에서 적용 가능한지를 검토하기 위하여 실차상태의 부하스펙트럼(load spectrum)을 분석하고 실차 수준에 근접한 시험조건으로 시험을 수행하고 결과를 비교하여, 적용된 CALT 방법을 이용한 수명예측 결과의 유용성을 확인하였다.(6~8)
- 허용한계 값은 정적강도시험 결과의 95% 값으로 결정하였다. 1st accelerating stress 수준에서의 시험은 초기에 허용한계의 90% 수준에서 결정하여 시험하였으나 예상보다 낮은 사이클에 파괴되어 80% 수준으로 조정하여 시험하였다. 그리고, 2nd accelerating stress와 3rd accelerating tress는 각각전 스트레스의 90% 선에서 결정하여 시험을 수행하였다.
- 실제 현장작동조건의 로드스펙트럼을 분석한 결과와 비교하여 수명예측을 수행한 결과 대상제품이 목표수명을 만족함을 확인하였으며, 시험수행을 통하여 시험대상물의 형상모수, 척도모수, 수명 등의 특성과 가속모델의 가속지수 등을 구하였다. CALT 방법 으로 수행한 결과가 실차 사용 조건하에서도 잘 적용되는지 확인하기 위하여 실제 사용조건과 근접한 조건에서의 시험을 추가 수행하여 그 유효성을 확인하였다.
- CALT 방법을 사용하여 수행한 가속시험이 실제 부하조건에서도 적합한지 확인을 위하여 실차 로드스펙트럼 데이터를 적용한 조건과 비교하여 검증하였다. Table 5는 실제 차량의 변속기와 액슬사이에 동력전달을 하는 프로펠러축에 토크와 속도를 측정하기 위한 센서를 부착하여, 실제 상황에서의 부하이력을 측정하고 대표적인 조건으로 분석 정리한 표이다.
- 가능한 최소시료수를 사용하여 수명데이터를 얻고자 CALT 방법을 이용하였으며, 기본 3가지 스트레스 수준으로 각각 2개씩 총 6개의 시료를 사용하여 총 73,958 사이클의 시험을 수행하여 수명데이터를 얻을 수 있었다. 실제 현장작동조건의 로드스펙트럼을 분석한 결과와 비교하여 수명예측을 수행한 결과 대상제품이 목표수명을 만족함을 확인하였으며, 시험수행을 통하여 시험대상물의 형상모수, 척도모수, 수명 등의 특성과 가속모델의 가속지수 등을 구하였다.
- 3단계 부하수준의 수명데이터를 사용하여 외삽 법을 적용하면 실제 사용조건에서의 액슬구동축의 수명을 예측할 수 있다. 그러나, CALT 방법의 적합성을 판단하기 위하여 고부하 스트레스수준에서 가속시험한 데이터 외에, 실제 부하로드스 펙트럼 조건에 기반한 등가평균값으로 시험하여 실제 조건과 유사한 부하 조건에서의 시험데이터의 검증과정을 수행하였다.
- 1st accelerating stress 수준에서의 시험은 초기에 허용한계의 90% 수준에서 결정하여 시험하였으나 예상보다 낮은 사이클에 파괴되어 80% 수준으로 조정하여 시험하였다. 그리고, 2nd accelerating stress와 3rd accelerating tress는 각각전 스트레스의 90% 선에서 결정하여 시험을 수행하였다. 시험결과는 Table 4에 보인다.
- 앞에서 언급하였듯이 CALT 방법을 사용하면 최소 6개의 시료를 갖고 수명데이터를 얻을 수있다. 따라서, 3가지 수준의 스트레스수준에서 각각 2개의 시료, 총 6개의 시료를 사용하여 피로 시험을 수행하고 분석하는 계획을 수립하였다. 허용한계 수준 값은 정적강도 값의 90~95% 값으로 결정하고, 1st accelerating stress level, 2nd accelerating stress level, 3rd accelerating stress level은 각각 전 스트레스 레벨의 80~90% 값으로 결정하고 예상 사이클은 1,000, 10,000, 100,000 사이클 정도가 되도록 계획을 세웠다.
- 한편 시료의 크기가 크고 부하가 큰 경우는 시험장비의 용량제한, 시험 시간 및 비용상의 제약도 따른다. 따라서, 시료의 수명정보를 알지 못하는 상태에서, 시료수를 최소로 하고 시험시간도 최소로 하면서 가능한 정확한 결과를 찾아내는 CALT 방법을 적용하여 수명을 예측하고자 한다.
- 일반 가속시험법은 시험시간이 매우 길어질 가능성이 있고 시료가 고가인 경우는 시험비용이 증가하는 부담이 있으므로, 재료시험 수준이 아닌 부품수준 시험에서는 현실적인 어려움이 존재한다. 따라서, 최소의 시료와 시간으로 신뢰성을 입증할 수 있는 CALT 방법을 사용하여 수명예측을 하고자 한다. CALT 방법은 Fig.
- 마지막으로 3rd accelerating stress 하에서 2개의 시료를 시험한 후 3가지 수준의 스트레스로 시험한 데이터를 분석하여 정의한 가속모델이 적합한지 확인하고, 재차 외삽법을 사용하여 실제 사용 조건하의 스트레스수준에서의 수명을 비교할 수있다. 이 경우 통계분석 소프트웨어를 사용하여 와이블 분석을 하여 시험데이터가 적합한지를 판단하고 데이터분석을 통하여 형상모수, 척도모수, 가속지수, 수명 등의 시험시료에 대한 특성 값을 구할 수 있다.
- 본 연구에서는 특수차량용 액슬구동축에 대한 수명예측을 위하여 CALT 방법이 적용된 가속수명시험을 수행하고 수명예측을 수행하였다.
- 시험 사이클은 일반적으로 많이 수행하는 1.0×106 사이클로 제한하여 그 결과를 비교해 보았다.
- 두 수준의 시험스트레스를 결정한 후에는 각 수준의 스트레스에 대하여 각각 2개의 시료에 대한 시험을 수행하게 된다. 시험수행으로 획득한 두 수준의 시험데이터를 갖고 상용화된 통계 소프트웨어를 사용하여 결과를 분석하여, 세 번째 가속스트레스 수준(3rd accelerating stress level)을 결정한다. 3rd accelerating stress level 수준은 분석된 결과를 보고 외삽법(extrapolation)을 이용하여 시험 가능 시간을 예상할 수 있으며, 예상 시험 시간을 고려하여 앞의 두 단계보다는 저 스트레스 수준에서 장시간이 아닌 적절한 시험시간 내에서 시험수준을 결정하면 된다.
- 가능한 최소시료수를 사용하여 수명데이터를 얻고자 CALT 방법을 이용하였으며, 기본 3가지 스트레스 수준으로 각각 2개씩 총 6개의 시료를 사용하여 총 73,958 사이클의 시험을 수행하여 수명데이터를 얻을 수 있었다. 실제 현장작동조건의 로드스펙트럼을 분석한 결과와 비교하여 수명예측을 수행한 결과 대상제품이 목표수명을 만족함을 확인하였으며, 시험수행을 통하여 시험대상물의 형상모수, 척도모수, 수명 등의 특성과 가속모델의 가속지수 등을 구하였다. CALT 방법 으로 수행한 결과가 실차 사용 조건하에서도 잘 적용되는지 확인하기 위하여 실제 사용조건과 근접한 조건에서의 시험을 추가 수행하여 그 유효성을 확인하였다.
- 실차로드스펙트럼은 여러 종류의 부하조건이 혼합되어 있어 이를 대표하는 조건의 값을 구하여 분석을 수행하게 되는데, 이를 위하여 부하에 대한 피로손상 정도의 정량화로 누적손실효과(cumulative damage effect)를 고려한 Miner's Rule을 도입하여 등가토크 값을 구하였다.
- 액슬구동축 시험을 위하여 유압식 비틀림 피로 시험기(torsional rotary actuator)를 사용하여 정적 강도시험 및 피로시험을 수행하였다. 시험장비는 최대토크 용량이 ±11 kNm, 최대회전각도가 ±45deg이고, 시료의 온도는 실제 사용온도인 85 ℃ 이상 올라가지 않도록 제한하였고, 시험사이클은 2~3 Hz를 유지하였다.
- Table 5는 실제 차량의 변속기와 액슬사이에 동력전달을 하는 프로펠러축에 토크와 속도를 측정하기 위한 센서를 부착하여, 실제 상황에서의 부하이력을 측정하고 대표적인 조건으로 분석 정리한 표이다. 액슬구동축은 액슬하우징 내에 설치가 되어있기 때문에 직접 측정하기에는 구조적으로 어려움이 있어, Table 5의 데이터를 이용하여 액슬의 입력과 액슬구동축 사이에 연결되어 있는 차동기어의 기어비를 고려하여 Table 6과 같은 액슬구동축의 로드스펙트럼을 구하였다.
- 제안된 CALT 방법을 사용하여 피로시험을 수행하기 위하여, 사전에 정적강도시험을 수행하여 허용한계 값을 결정하였다, 정적강도시험은 정적으로 파괴될 시점까지 부하를 주어 파괴되는 시점의 부하를 측정하는 시험으로 2개의 시료를 사용하여 정적강도가 6000 Nm 임을 확인하였다. 허용한계 값은 정적강도시험 결과의 95% 값으로 결정하였다.
- 피로수명시험 수행전에 제조사에서 해석한 구동축에 대한 모델링 및 강도수명해석 결과를 비교하여 보았다. 액슬구동축은 크게 요크장축과 요크단축 각각 1개, 요크 1개, 크로스키트부 2개의 부품으로 구성되어 있으며, 구성 부품 중 요크장축과 요크는 SCM440, 요크단축과 크로스키트는 SCM420H의 재질이 사용되었다.
- 따라서, 3가지 수준의 스트레스수준에서 각각 2개의 시료, 총 6개의 시료를 사용하여 피로 시험을 수행하고 분석하는 계획을 수립하였다. 허용한계 수준 값은 정적강도 값의 90~95% 값으로 결정하고, 1st accelerating stress level, 2nd accelerating stress level, 3rd accelerating stress level은 각각 전 스트레스 레벨의 80~90% 값으로 결정하고 예상 사이클은 1,000, 10,000, 100,000 사이클 정도가 되도록 계획을 세웠다. 시험계획은 Table 1에 정리되어 있다.
대상 데이터
- CALT 방법을 적용하여 수명시험한 사이클은 3단계 6개의 시료를 사용하여 총 73,958 사이클로 수행되었다. 수명시험 설계시에는 222,000 사이클 이하로 수행 할 수 있도록 설계하였고, 실제로 설계치보다도 적은 사이클로 시험이 완료되었다.
- 본 연구에 적용되는 액슬구동축의 형태는 더블조인트 구동축(double joint drive shaft) 형태로 일반 승용차량용 등속조인트와는 다른 형태이며, 큰 구동력을 전달하기 위한 구조로 액슬하우징 내에 설치된다. 구동축은 축(shaft), 크로스키트(cross kit), 요크(yoke) 등으로 구성되어 있으며, 양산제품은 구성품 키트 구매 후 축 가공과 양단에 스프라인과 선 기어 등을 가공하여 제작하는 방식을 사용하고 있다.
- 피로수명시험 수행전에 제조사에서 해석한 구동축에 대한 모델링 및 강도수명해석 결과를 비교하여 보았다. 액슬구동축은 크게 요크장축과 요크단축 각각 1개, 요크 1개, 크로스키트부 2개의 부품으로 구성되어 있으며, 구성 부품 중 요크장축과 요크는 SCM440, 요크단축과 크로스키트는 SCM420H의 재질이 사용되었다. 각 재질의 기계적 물성치는 Table 2와 같다.
데이터처리
- 액슬구동축의 피로강도 시험결과를 ReliaSoft사의 ALTA 6.0 PRO를 사용하여 와이블 분석을 수행하였다. 정적강도 시험데이터는 제외하고 3단계 스트레스 수준의 결과 6개를 와이블용지에 타점하여 분석한 결과, 수명분포는 예상한대로 와이블분포를 잘 따르고 있으며, 가속모델 또한 역승모델이 가장 적합한 것으로 판명되었다.
이론/모형
- 각 재질의 기계적 물성치는 Table 2와 같다. 강도해석에는 CATIA가 사용되었으며 Fig. 4와 같이 모델링하고 Mesh를 하여 FE 모델이 생성되었다. 이 모델에 비틀림 토크를 인가하여 각 부품에 따라 조립된 상태로 강도해석이 수행되었고 이에 따른 결과를 Fig.
성능/효과
- 3단계 수준의 가속시험 결과 및 1900 Nm, 1.0×106 사이클 조건의 시험결과와 등가토크 수준에서의 예상 수명데이터를 와이블선도에서 확인한 결과 일직선으로 잘 근접하고 있음을 보여주고 있다.
- 0×106 사이클 조건의 시험결과와 등가토크 수준에서의 예상 수명데이터를 와이블선도에서 확인한 결과 일직선으로 잘 근접하고 있음을 보여주고 있다. CALT 방법을 사용하여 수행한 수명예측 결과가 실제 작동조건하에서의 시험에서도 만족하는 결과임을 확인할 수 있었다.
- 7과 같이 정적강 도시험 및 스트레스 수준별 피로시험 모두 동일한 크로스키트 부위가 파손되었다. 따라서, 동일한 고장모드에 의한 결과로 가속모델의 적합성을 확인할 수 있었으며, FE해석 결과에서도 최대 응력값이 발생한 부위와 시험결과 파괴된 부위가 동일한 부위임을 확인할 수 있었다.
- 시험전 제조사에서 수행한 강도수명해석 결과와 비교하여보면, 해석시 최대 응력 발생 부위와 액슬구동축의 피로시험 결과 파괴 부위는 동일 하였으나, 수명 예측 결과는 차이점을 보이고 있다. 모델링시에 여러 불확실성이 존재하고, 각종 부하조건, 표면처리, 열처리, 형상노치등과 같은 특성으로 인하여 핸드북상의 S-N 선도와 실제 제품과의 S-N 선도와는 차이가 발생할 수 있으며, 신뢰성보증을 위해서는 최종적으로 수명시험을 수행하여 수명 예측을 하는 것이 보다 정확하다고 판단된다.
- 와이블분석시 시험대상 구동축의 평균수명은 MTTF 수명으로 6.47×109 사이클이며, B10수명으로는 4.34×109 사이클임을 예측할 수 있다.
- 0 PRO를 사용하여 와이블 분석을 수행하였다. 정적강도 시험데이터는 제외하고 3단계 스트레스 수준의 결과 6개를 와이블용지에 타점하여 분석한 결과, 수명분포는 예상한대로 와이블분포를 잘 따르고 있으며, 가속모델 또한 역승모델이 가장 적합한 것으로 판명되었다. 형상 모수(β)는 4.
후속연구
- 본 연구결과는 유사한 액슬구동축의 수명예측에도 적용이 가능하고, 부하스트레스를 받는 가속수명모델이 적용되는 유사한 기능의 타 부품 수명예측에도 적용 될 수 있다고 판단된다.
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