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문제 정의
- 따라서 본 연구에서 에어 스프링을 차량 성능개선에 적용하고자 하는 기초적인 성능연구를 수행하여 차량에 적용하고자 한다. 연구 방법은 비선형 유한요소해석 프로그램인'MARC 를 이용하여 자동차용 에어 스프링의 고무슬리브 보강 코드의 각도 변화에 따른 비선형 유한요소 해석 4 을 수행하여 차량의 성능개선에 적용하고자 하였다.
제안 방법
- 1 에 보이는 바와 같이 나일론이 슬리브의 중간에 직물의 형태로 접착되어 있는 형태이다. 에어 스프링 고무 슬리브의 주요 설계 변수가 코드각도이므로 일반적인 직물의 인장시험방법을 사용할 수 없어 KS K 0860 에 나와 있는, 컷 스트립법, 을 사용하여 시험을 실시하였다" 보강코드의 각도는 중심축을 기준으로 35와 45의 시험을 실시하였다. 보강 코드의 각도는 기존 연구결과 12>13 를 통해 의미 있는 해석범위를 30~50로 설정하고 있기 때문에 이를 근거하여 본 연구에서는 크게 두가지로 나누어 35와 45를 선택하였다.
- 또한 단축압축시험의 경우 고무시편의 접촉면에 발생하는 마찰에 의해 순수한 압축응력-변형률 관계는 얻기 불가능하다.6 따라서 본 연구를 위하여 단축 인장과 순수 전단 시험을 수행하였다 .
- 고무슬리브는 CATIA V5 를 이용하여 모델을 생성 하고 IGES format 으로 MARC 에서 인식 하였다. 고무슬리브의 모델링은 2차원 축대칭 요소로 하여 해석시간을 단축하고 해석이 용이하도록 하였다.
- 3 단계까지는 에어 스프링의 제작단계이며 마지막 4 단계는 장착단계를 나타낸다. 단계별 움직임은 상판이 하판을 향해 이동하는 과정과 내압의 변화로 표현하였으며, 각 단계별 변위에 따른 해석을 수행하였다.
- 에어 스프링 고무 슬리브의 주요 설계 변수가 코드각도이므로 일반적인 직물의 인장시험방법을 사용할 수 없어 KS K 0860 에 나와 있는, 컷 스트립법, 을 사용하여 시험을 실시하였다" 보강코드의 각도는 중심축을 기준으로 35와 45의 시험을 실시하였다. 보강 코드의 각도는 기존 연구결과 12>13 를 통해 의미 있는 해석범위를 30~50로 설정하고 있기 때문에 이를 근거하여 본 연구에서는 크게 두가지로 나누어 35와 45를 선택하였다.
- 본 연구에서는 35와 45각각의 최대 탄성계수 값과 최소 탄성계수 값을 사용하여 해석을 수행하였다. Fig.
- 그리고는 탄성체의 변형률 불변량을 나타낸다. 본 연구에서는 고무의 비선형 재료 상수는 인장 및 순수전단 시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도를 곡선적합 (curve fitting)하여 결정하였으며, 3 항 Ogden 재료 상수를 이용하였다. Table 1 은 사용된 입력값을 나타낸다.
- 본 연구에서는 차량용 에어 스프링의 성능검증을 위해 비선형 유한요소 프로그램 MARC 를 이용하여 고무슬리브 보강코드의 각도의 변화에 따른 비선형 유한요소 해석을 수행하였다.
- 순수 전단시험을 위한 시편과 방법은 KS 나 ASTM 에서 제시하고 있지 않아 순수 전단 변형에 가까운 시편을 제작하여 실험을 실시하였다. 순수전단 시험에서 인장을 할 때 시편의 양쪽 면에서 순수 전단 변형 모드가 되지는 않지만 시편의 가로 방향 길이가 세로방향 즉 인장방향의 길이보다 10 배 이상 크면 응력-변형률 곡선에 주는 영향은 무시 할 수 있으므로 가로 100 mm, 높이 10 mm, 두께 1 mm 의 시편을 제작하고 시편 양면을 아크릴판에 접착시키고 아크릴판은 시험기의 그립퍼에물려 50 mm/mhi 의 속도로 시험을 실시하였다? 실험조건은 인장시험과 같이 표준습도(50±5 %), 상온 (23 ℃)를 적용하였다.
- 순수전단 시험에서 인장을 할 때 시편의 양쪽 면에서 순수 전단 변형 모드가 되지는 않지만 시편의 가로 방향 길이가 세로방향 즉 인장방향의 길이보다 10 배 이상 크면 응력-변형률 곡선에 주는 영향은 무시 할 수 있으므로 가로 100 mm, 높이 10 mm, 두께 1 mm 의 시편을 제작하고 시편 양면을 아크릴판에 접착시키고 아크릴판은 시험기의 그립퍼에물려 50 mm/mhi 의 속도로 시험을 실시하였다? 실험조건은 인장시험과 같이 표준습도(50±5 %), 상온 (23 ℃)를 적용하였다.w Fig.
- 수행하였다. 시편은 KS 규격의 아령형 3 호형을 사용하고 Instrori 사(Instron , USA)의 500 N 인장 시험 기를 사용하여 500 mm/min 의 속도로 500 % 변형률 범위에서 시험을 실시하였다. Fig.
- 2 와같은 형상의 슬리브형 에어 스프링을 해석 대상으로 하였다. 에어 스프링의 응력 및 변형에 영향을 주는 주요 변수는 코드 각도이며 변수의 영향은 유한요소 해석을 통하여 확인하였다.
- 에어 스프링의 주요 설계변수로 알려져 있는 보강 코드 각도에 따른 고무슬리브의 최대응력 발생 부분과 해석단계에 따른 변화를 분석, 검토하였다. 실제 에어 스프링이 구동하고 있는 마지막 해석 단계에서 최대 응력이 발생하였으며 그 부위는 에어 스프링의 하판과 접해있는 부위로 고무 슬리브의 모양이 가장 많이 변화하는 곳에서 발생한다.
- 차량에 적용하고자 한다. 연구 방법은 비선형 유한요소해석 프로그램인'MARC 를 이용하여 자동차용 에어 스프링의 고무슬리브 보강 코드의 각도 변화에 따른 비선형 유한요소 해석 4 을 수행하여 차량의 성능개선에 적용하고자 하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 차량에 많이 사용되는 Fig. 2 와같은 형상의 슬리브형 에어 스프링을 해석 대상으로 하였다. 에어 스프링의 응력 및 변형에 영향을 주는 주요 변수는 코드 각도이며 변수의 영향은 유한요소 해석을 통하여 확인하였다.
- 고무슬리브의 모델링은 2차원 축대칭 요소로 하여 해석시간을 단축하고 해석이 용이하도록 하였다. 요소의 형태는 composite/gasket 152 (node 4)를 이용하였고 절점의 수는 492 개, 요소 수는 326 개이다. 내압은 2 bar 이며 고무슬리브의 변화에 따라 항상 수직으로 작용할 수 있도록 follower force 를 사용하였다.
이론/모형
- 단축인장시험의 방법과 시편은 한국산업 규격 KS M 651 과 ASTM D 412 에 나타나있으며 표준습도(50±5 %), 상온(23 ℃)에서 주어진 시험방법에 따라 한국기계연구원에서 물성 시험을 수행하였다. 시편은 KS 규격의 아령형 3 호형을 사용하고 Instrori 사(Instron , USA)의 500 N 인장 시험 기를 사용하여 500 mm/min 의 속도로 500 % 변형률 범위에서 시험을 실시하였다.
- 수 있다. 본 연구에서는 식 (1)과 같은 Ogden 함수를 사용하였다.
성능/효과
- 10 은 코드각도 변화에 따른 최대 또는 최소 탄성계수 값을 사용한 해석에서 최대 응력이 발생하는 부위의 von-Mises stress 분포를 나타내고 있다. 고무슬리브에 최대응력이 발생하는 부분은 형상 변화가 가장 많이 일어나는 하판과 결합된부분임을 확인할 수 있었다.
- 그리고 이차 현가장치 부품중 하나인 차량용 에어 스프링을 사용할 경우, 지면 충격 완화 성능은 다른 종류의 현가장치보다 우수하여 승차감이 향상되며, 안정성이 향상된다. 그리고 지면과의 접지면 증가로 제동성능이 향상되며, 코너링 시 차량 기울임 방지로 코너링 성능이 향상된다. 또한 좌우 흔들림을 방지하여 차량 안정성 및 승차감이 향상된다.
- 따라서 본 해석의 결과로부터 45의 보강코드 각을 고무 슬리브에 적용하는 것이 내구성과 수명향상에 도움이 될 것으로 판단된다. 그리고 해석 결과에 대한 검증을 위해 결합부 부근의 요소 수를 800 개까지 메쉬밀도를 증가시켰을 경우 최초 해석값과 차이가 1% 미만으로 나타나 신뢰도 높은 해석이 수행되었음을 알 수 있었다.
- 5061 로 35의 각도를 가지는 보강코드에 비해 최소의 응력/변형률을 나타냈다. 따라서 본 해석의 결과로부터 45의 보강코드 각을 고무 슬리브에 적용하는 것이 내구성과 수명향상에 도움이 될 것으로 판단된다. 그리고 해석 결과에 대한 검증을 위해 결합부 부근의 요소 수를 800 개까지 메쉬밀도를 증가시켰을 경우 최초 해석값과 차이가 1% 미만으로 나타나 신뢰도 높은 해석이 수행되었음을 알 수 있었다.
- 수 있다. 또한, 고무슬리브에 최 대응력이 발생하는 부분은 형상 변화가 가장 많이 일어나는 하판과 결합된 부분임을 확인할 수 있었다.
- 보강코드 각도에 따른 최대 응력과 변형률을 비교, 평가한 결과 보강코드 각도가 증가함에 따라 탄성계수는 작아지며 고무슬리브에 발생하는 최대 응력 또한 작아지는 경향을 해석 결과로부터 확인할 수 있다. 또한, 고무슬리브에 최 대응력이 발생하는 부분은 형상 변화가 가장 많이 일어나는 하판과 결합된 부분임을 확인할 수 있었다.
- 최대 변형률이 발생하는 부분은 최대응력이 발생하는 부분과 일치 하였으나 최대 응력과는 달리 보강 코드 각도 변화에 따른 차이는 매우 작음을 알 수 있었다. 최대 응력 48.
- 이 결과를 통해 에어 스프링의 파괴가 일어나는 부위를 예측할 수 있다. 해석 결과 보강 코드 각도가 증가함에 따라 탄성계수는 작아지며 고무슬려브에 발생하는 최대 응력 또한 작아지는 경향을 해석 결과로부터 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 연구는 철도차량에 널리 사용되고 있는 에어 스프링이 자동차 부품으로 확대 적용되는데 기여할 것으로 기대한다.
- 본 연구에서 고찰한 최적의 변수를 바탕으로 추후 에어 스프링의 지지하중과 강성 및 시제품에 대한 실험을 지속적으로 연구하여 검증하고자 한다. 본 연구는 철도차량에 널리 사용되고 있는 에어 스프링이 자동차 부품으로 확대 적용되는데 기여할 것으로 기대한다.
- 수 있었다. 최대 응력 48.58 MPa, 최대 변형률 0.5061 의 값을 나타내는 45의 보강코드 각도가 고무 슬리브에 최적으로 적합함을 알 수 있어 현가장치 설계에 응용이 가능할 것으로 보인다.
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