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[국내논문] 자동차 엔진 밸브 스프링에 사용되는 비원형 스프링 선의 단면 형상 최적화
Shape Optimization of the Cross Section for a Non-circular Spring Wire of Valve Springs for an Automotive Engine 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.19 no.2, 2011년, pp.117 - 124  

김도중 (울산대학교 기계공학부) ,  김영경 (울산대학교 대학원 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Valve springs with non-circular cross-section are widely used in automotive engines. Because of the reduced height, the oval cross-section provides some merits in its install height and stress distribution. This paper introduces a new method to generate optimal shape of the non-circular cross-sectio...

주제어

#밸브 스프링   #선 단면   #비원형 단면   #자동차 엔진   #형상 최적화  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 선진 업체들의 단면 형상들은 재산권 등록이 되어 있기 때문에 국내 업체들은 이들로부터 수입하여 사용하거나 일정비용을 지불하고 양산할수 밖에 없는 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 규격화된 폭과 높이를 유지한 상태에서 Hermite 스플라인으로 생성된 최적단면형상을 개발하고자 한다.
  • 본 연구에서는 자동차 엔진의 밸브 스프링 재료로 널리 사용되는 W = 3.33 [mm], T = 2.88 [mm] 의 난형 스프링 선에 대한 단면형상 최적화를 수행하였다. Fig.
  • 본 연구에서는 형상 최적화 기법을 이용하여 응력 조건과 단면적 등에서 기존의 단면 형상들 보다 우수하고, 지적 재산권의 저촉을 받지 않는 독자적인 단면 형상을 설계하고자 한다. 먼저 임의의 단면 형상을 Hermite 스플라인 곡선으로 표현하였으며, 스플라인 곡선의 설계변수들을 단위 하중에 대한 최대응력과 단면적을 목적함수로 하여 최적화하였다.

가설 설정

  • 스프링 단면에 작용하는 수직방향 전단응력은 단면적 전체에 일정하게 작용한다고 가정하였다. 전단력에 의한 수직방향 전단응력을 τshear 라 할 때, 비틀림 모멘트, 곡률, 수직방향 전단력 등의 영향을 모두 고려한 응력 값은 아래 식 (11)과 같이 계산된다.
  • 이 때 적용된 스프링은 내경 di = 20.1825 [mm] 인 자동차 엔진 밸브 스프링이며, 단위하 중 Fz=1.0 [N]이 작용하는 것으로 가정하였다. 그러므로 스프링 선 단면에는 스프링 중심축에서 단면 무게중심까지의 거리 즉, 코일 반경에 해당하는 비틀림 모멘트와 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스프링선의 단면형상을 설계하는데 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 무엇인가? 스프링선의 단면형상을 설계하는데 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 최대 응력, 단면적, 극관성 모멘트 등이 있다. 동일한 하중이 작용할 때, 스프링선 단면에 걸리는 최대응력은 적을수록 유리하다.
비원형 스프링선의 단면 형상은 무엇으로 규격화 되어 있는가? 비원형 스프링선의 단면 형상은 일반적으로 단면의 폭(W )과 높이(T )로 규격화되어있다. 그러나 동일한 폭과 높이를 가진다 하더라도 스프링 선 업체 별로 독자적인 형상을 개발하여 사용하고 있다.
자동차 엔진 밸브 스프링 중 비원형 단면 형상의 스프링 선의 효과는 무엇인가? 일반적으로 내연기관의 밸브 스프링은 원형 단면의 스프링 선이 보편적으로 사용되고 있지만, 자동차 엔진의 경우에는 엔진의 운전속도, 공간제약조건, 응력 수준 등이 가혹해 짐에 따라 원형 단면으로는 대응하기 어려운 수준에 이르고 있다. 따라서 비원형 단면 형상의 스프링 선이 자주 사용되고 있는데, 이는 밸브 스프링이 차지할 수 있는 공간이 제한된 경우 밸브 스프링의 장착 높이를 낮추는 효과가 있다. 또한 동일한 단면적을 가지는 원형 단면에 비하여 단위 하중에 대한 최대응력을 낮추는 효과도 있다.1,2)
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참고문헌 (7)

  1. K. Nagaya, "Stress Analysis of a Cylindrical Coil Spring of Arbitrary Cross Section(1st)," Bulletin of JSME, Vol.29, No.252, pp.1673-1678, 1986. 

  2. K. Nagaya, "Stresses in a Helical Spring of Arbitrary Cross Section with Consideration of End Effects," ASME Journal of Vibration, Acoustics, Stress, and Reliability in Design, Vol.109, pp.289-301, 1987. 

  3. Honda Akihiro, Coil Spring, Japan Patent Office, 7053-J, 1989. 

  4. SAE, Spring Design Manual, Part2, p.2, SAE Spring Committee, 1990. 

  5. D. J. Kim and J. W. Lee, "A Study on the Cam Profile Synthesis Method for Automotive Engines Using Hermite Curve," Transactions of KSAE, Vol.3, No.5, pp.90-99, 1995. 

    원문보기 상세보기

  6. A. C. Ugural, Advanced Strength and Applied Elasticity 4/E, Prince Hall PTR, pp.83-84, New Jersey, 2003. 

  7. Visual Numerics, Inc., IMSL FORTRAN Numerical Libraries, Microsoft Corp., 1990-2000. 

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