[논문]트라이포드 타입 등속조인트의 다물체 동역학 해석

송명의; 임영훈; 조희제; 배대성

문제 정의

이를 통해 TJ측의 기구학적 운동특성을 살펴보고, 셔더 및 공회전 진동 영향성을 시험과 비교평가 하였다. 또한, TJ#22 사양의 주요 단품인 롤러, 하우징, 스파이더를 유한요 소를 이용하여 유연체로 대체하여 부품간 접촉에 의한 응력을 실시간으로 검토함으로써 부품들의 작동내구수명평가에 활용할 수 있는 기초자료를 제시하였다.
본 연구에서는 TJ의 하우징-롤러 사이는 점 접촉에 대해 수치적 접촉 알고리즘을 개발 적용하였다. 또한 BJ는 조인트 중심의 기구학적 특징을 고려하고, 볼-내륜 트랙, 볼-외륜 트랙의 다중 접촉부에 대해 접촉 알고리즘을 개발하였다.
또한 BJ는 조인트 중심의 기구학적 특징을 고려하고, 볼-내륜 트랙, 볼-외륜 트랙의 다중 접촉부에 대해 접촉 알고리즘을 개발하였다. 이와 같은 모델링기법으로 해석 수렴성을 향상시키면서, 등속조인트 시스템 모델에 대한 동역학 시뮬레이션 수행이 가능하도록 하였다. 이를 기반으로 당사 개발품인 두가지 TJ 사양(TJ#22, VTJ #25)에 대해 다물체 동역학 해석 모델을 적용하였다.

가설 설정

내륜 트랙과 볼은 Fig. 3(b)처럼 X-Z평면에서 원-대-원 외접 접촉으로 가정하고, 볼과 외륜 트랙은 원-내-원 내접 접촉을 하는 것으로 가정 하였다. 또한 Fig.

제안 방법

1) 여러 접촉 메커니즘으로 구동되는 등속 조인트의 BJ측과 TJ측에 접촉 알고리즘을 개발하고 다물체 강체 동역학 모델을 구성함으로써, 트라이 포드타입 등속조인트 완제품에 대한 동특성 평가모델기법을 제시하였다.
또한, 트라이포드 조인트의 경우 절각된 상태에서도 등속성을 유지하기 위해 조인트 중심이 차량 외측의 볼 조인트의 중심처럼 고정되어 있지 않고, 옵셋이 존재하는 것으로 보고되어 있다.^1,2) 본 연구에서는 이를 검토하기 위해 TJ#22 사양을 이용하여 TJ측 조인트 중심의 변위를 검출하였다.
F 값으로 계산한다. 공회전 진동 영향평가를 위해서는 공회전 조건을 고려하여 정지조건으로 수행해야 하지만 시험장비 특성을 고려하여 회전수는 3rpm 저속으로 유지하고 TJ 측 하우징에 엔진에서 들어오는 가진 성분을 가정하여 진폭 0.07mm를 갖는 정현파 주파수(5Hz)를 X 축으로 가진하고, BJ측 하우징부의 X축 방향 반력 성분을 시간영역에서 검출한다. 그리고 그 결과값을 이용하여 최대값과 최소값의 절대치 합의 평균을 P.
본 연구에서는 TJ의 하우징-롤러 사이는 점 접촉에 대해 수치적 접촉 알고리즘을 개발 적용하였다. 또한 BJ는 조인트 중심의 기구학적 특징을 고려하고, 볼-내륜 트랙, 볼-외륜 트랙의 다중 접촉부에 대해 접촉 알고리즘을 개발하였다. 이와 같은 모델링기법으로 해석 수렴성을 향상시키면서, 등속조인트 시스템 모델에 대한 동역학 시뮬레이션 수행이 가능하도록 하였다.
VTJ#25 사양의 롤러-하우징 접촉부는 하우징-롤러의 다중접촉 특성을 고려하여 실제 3D형상 접촉을 반영하였다. 또한, BJ측의 경우 케이지와 내륜(Inner-race), 케이지와 외륜(Outer-race) 접촉은 3차원 회전 중심이 동일한 기구학적 특성을 이용하여 구(Spherical) 조인트로 단순화 시켰다. 접촉 노이즈 개선 및 해석 수렴성을 높이고 해석 수행 시간을 단축시키고자 볼과 내륜 트랙, 볼과 외륜 트랙의 접촉부는 구-대-원환체 접촉요소를 개발하여 적용하였다.
롤러와 스파이더 사이의 니들 베어링에 의한 접촉은 실린더(Cylindrical) 조인트로 단순화 시켰으나, 실제 접촉에 의한 마찰 저항을 고려하기 위해 식 8과 같이 롤러의 구름 운동에 대한 상대속도를 측정하여 마찰 저항 토크력을 발생할 수 있도록 하였다.
위 대상 모델을 바탕으로 다물체 구조 동역학 해석 소프트웨어인 DAFUL로 동특성을 평가할 수 있는 동역학 모델을 개발하였다. 모델링 기법을 살펴 보면, TJ측의 TJ#22사양 롤러-하우징 트랙 접촉부는구-대-실린더 접촉 요소를 개발하여 적용하였다. 롤러-하우징 접촉부는 Fig.
부품의 동적 응력을 평가하기 위해 TJ#22 사양 의롤러, 하우징, 스파이더 단품을 유한요소 유연 체로 대체하여 연성 동역학 해석모델을 구성하였으며, 조인트 꺽임각은 12° 유지하고, 구동축 회전수 150rpm, 부하토크 300Nm 조건으로 구동할 때, 접촉하는 단품들 사이에서 실시간으로 발생하는 동적 응력을 평가하였다.
F)을 시험에서 평가하는 방법을 나타내고 있으며, 해석에서도 같은 조건으로 평가를 실시하여 시험과 비교함으로써 제품의 동특성 및 해석모델의 타당성을 검토 하였다. 셔더 영향성 검토 목적으로는 BJ측에 300Nm 저항토크를 입력하고 TJ측에150rpm으로 회전시키고, BJ측 하우징의 X축 방향 반력 성분을 조인트 꺽임각에 따라 시간영역에서 검출한다. 그리고 그 결과를 다시 주파수 분석을 통해 기본 회전수의 3차 성분의 크기를 G.
위 대상 모델을 바탕으로 다물체 구조 동역학 해석 소프트웨어인 DAFUL로 동특성을 평가할 수 있는 동역학 모델을 개발하였다. 모델링 기법을 살펴 보면, TJ측의 TJ#22사양 롤러-하우징 트랙 접촉부는구-대-실린더 접촉 요소를 개발하여 적용하였다.
이와 같은 모델링기법으로 해석 수렴성을 향상시키면서, 등속조인트 시스템 모델에 대한 동역학 시뮬레이션 수행이 가능하도록 하였다. 이를 기반으로 당사 개발품인 두가지 TJ 사양(TJ#22, VTJ #25)에 대해 다물체 동역학 해석 모델을 적용하였다. VTJ#25사양은 일반 TJ#22 사양에 이중롤러 구조를 사용하여 축력에 대한 마찰특성을 개선시킨 모델이다.
VTJ#25사양은 일반 TJ#22 사양에 이중롤러 구조를 사용하여 축력에 대한 마찰특성을 개선시킨 모델이다. 이를 통해 TJ측의 기구학적 운동특성을 살펴보고, 셔더 및 공회전 진동 영향성을 시험과 비교평가 하였다. 또한, TJ#22 사양의 주요 단품인 롤러, 하우징, 스파이더를 유한요 소를 이용하여 유연체로 대체하여 부품간 접촉에 의한 응력을 실시간으로 검토함으로써 부품들의 작동내구수명평가에 활용할 수 있는 기초자료를 제시하였다.
또한, BJ측의 경우 케이지와 내륜(Inner-race), 케이지와 외륜(Outer-race) 접촉은 3차원 회전 중심이 동일한 기구학적 특성을 이용하여 구(Spherical) 조인트로 단순화 시켰다. 접촉 노이즈 개선 및 해석 수렴성을 높이고 해석 수행 시간을 단축시키고자 볼과 내륜 트랙, 볼과 외륜 트랙의 접촉부는 구-대-원환체 접촉요소를 개발하여 적용하였다. 내륜 트랙과 볼은 Fig.

대상 데이터

등속조인트는 엔진/변속기의 구동력을 바퀴에 등속으로 전달해주는 차량 주요 부품이다. 구조는 Fig. 1과 같이 차량 휠측에 등속전달 및 조향이 원활하도록 고정형 조인트인 볼 조인트(Ball Joint, BJ), 엔진/변속기 측에 축 방향 진동을 흡수할 수 있는 플런징형 조인트, 그리고, 이 두 조인트를 연결하는 구동축으로 구성되어 있다. 전륜구동용에 사용되는 플런징형 조인트부는 축력(Axial force)이 발생하는데, 이 때 발생되는 축력의 크기 및 주파수에 따라 차량의 NVH 성능 악화에 직접적인 영향을 줄 수 있다.

이론/모형

Hertzian 접촉 이론에 따르면, n은 접촉형태에 따라 정의되는 값이며, k와 c는 접촉체의 물성치 와 외력조건에 밀접한 관계를 갖는다. 접촉에 의한 마찰력은 접촉면에 작용하는 힘으로 식 (7)처럼 쿨롱 마찰(Coulomb friction)을 기본적으로 사용하였다.⁴⁾

성능/효과

2) 기구학적 시뮬레이션을 통해, 트라이포드 타입의 조인트 중심은 옵셋이 형성되어 거동함을 검증하였고, G.A.F 평가시 구동축 회전수보다 3배빠른 X축 방향 옵셋파형이 기본 회전수의 3차 가진 성분으로 작용함을 시뮬레이션을 통해 검증할 수 있었다.
3) TJ#22와 VTJ #25사양의 비교지 이중롤러 구조를 갖는 VTJ #25사양이 TJ#22 사양 대비하여 셔더 영향성에서는 탁월한 성능을 보이는 것을 확인하였으며, 공회전 진동 영향성 평가에서는 10N 정도 감소시키는 것으로 확인되었다.
4) 유한요소를 이용하여 탄성 구조 동역학 모델을 구성하여 동적 응력평가를 실시함으로써, 롤러의 최대 접촉응력 발생위치를 확인하였으며, 단품들의 작동내구수명 평가시 활용할 수 있는 자료를 제시할 수 있었다.
6과 7은 조인트 꺽임각 11°에서 TJ#22 사양 롤러 #1과 VTJ#25 사양 외각롤러 #1의 회전 및 병진 변위를 스파이더 위상에 따라 나타내고, 두 가지 변위의 상관관계를 도식적으로 나타낸 것이다. 결과 를 통해, 스파이더가 1회전하는 동안 TJ #22사양 롤러는 1회 회전운동을 하면서 Trunnion축 방향으로 2회 정현파 형 병진운동을 하는 반면, VTJ#25 사양 외각롤러는 1회 회전운동 하면서 Trunnion축 방향으로 1회 계단 형 병진운동을 한다는 것을 알 수 있다. 또한, 트라이포드 조인트의 경우 절각된 상태에서도 등속성을 유지하기 위해 조인트 중심이 차량 외측의 볼 조인트의 중심처럼 고정되어 있지 않고, 옵셋이 존재하는 것으로 보고되어 있다.
11은 공회전 진동 영향성을 조인트 꺽임각에 따라 평가한 것이다. 결과를 통해, 축력 및 플런징 저항력은 해석과 시험에서 모두 조인트 꺽임각에 따라 증가되는 경향성을 확인할 수 있다. 또한 VTJ#25 사양이 TJ#22 사양 대비하여 셔더 영향성 면에서 꺽임각에 상관없이 높은 개선효과를 기대할 수 있는 제품임을 알 수 있으며, 공회전 진동 영향성 측면 에서는 TJ#22 사양 대비하여 대략 10N 정도 개선 효과가 있는 것으로 결과를 얻었다.
결과를 통해, 축력 및 플런징 저항력은 해석과 시험에서 모두 조인트 꺽임각에 따라 증가되는 경향성을 확인할 수 있다. 또한 VTJ#25 사양이 TJ#22 사양 대비하여 셔더 영향성 면에서 꺽임각에 상관없이 높은 개선효과를 기대할 수 있는 제품임을 알 수 있으며, 공회전 진동 영향성 측면 에서는 TJ#22 사양 대비하여 대략 10N 정도 개선 효과가 있는 것으로 결과를 얻었다.
8의 총 옵셋변위를 스파이더 위상각에 따라 X, Y, Z-성분 변위로 분리하여 나타나낸 것이다. 이를 볼 때, 구동축이 1회전 하는 동안 TJ측 조인트 중심은 구동축 회전속도 보다 3배 빠른 파형이 축 방향(X방향)으로 발생 되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 셔더 영향성 평가시 구동축 회전수의 3차 성분이 주요 가진원이 됨을 알수 있다.
이를 볼 때, 접촉응력이 위상에 따라 다르게 분포 하는 것을 확인할 수 있는데, 최대응력은 스파이더 위상 40~50°에 있을 때 내측(1번)에서 360 MPa 수준으로 나타났다.

후속연구

특히 스파이더의 경우 위상이 90° 및 270°에 있을 때, 목 부분이 강도상 더욱 취약해 질 수 있음을 알 수 있다. 이상에서 나타난 동적 응력 분포 자료는 단품들의 작동내구수명 평가에 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	등속조인트란?	등속조인트는 엔진/변속기의 구동력을 바퀴에 등속으로 전달해주는 차량 주요 부품이다. 구조는 Fig.
	등속조인트의 구조는 어떻게 되어있는가?	구조는 Fig. 1과 같이 차량 휠측에 등속전달 및 조향이 원활 하도록 고정형 조인트인 볼 조인트(Ball Joint, BJ), 엔진/변속기 측에 축 방향 진동을 흡수할 수 있는 플런징형 조인트, 그리고, 이 두 조인트를 연결하는 구동축으로 구성되어 있다. 전륜구동용에 사용되는 플런징형 조인트부는 축력(Axial force)이 발생하는데, 이 때 발생되는 축력의 크기 및 주파수에 따라 차량의 NVH 성능 악화에 직접적인 영향을 줄 수 있다.
	플런징형 조인트부에서 발생하는 축력은 어떤 문제점을 유발하는가?	1과 같이 차량 휠측에 등속전달 및 조향이 원활 하도록 고정형 조인트인 볼 조인트(Ball Joint, BJ), 엔진/변속기 측에 축 방향 진동을 흡수할 수 있는 플런징형 조인트, 그리고, 이 두 조인트를 연결하는 구동축으로 구성되어 있다. 전륜구동용에 사용되는 플런징형 조인트부는 축력(Axial force)이 발생하는데, 이 때 발생되는 축력의 크기 및 주파수에 따라 차량의 NVH 성능 악화에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 등속조인트가 차량에 주는 대표적인 진동특성은 첫째로 공회전 부밍(Idle booming)이 있다.

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