[논문]볼 조인트의 코킹 및 유격해석

황석철; 김종규; 서선민; 한승호; 이권희

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.9.1077

볼 조인트의 코킹 및 유격해석
Caulking and Gap Analysis for a Ball Joint 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.9, 2011년, pp.1077 - 1082

황석철 (동아대학교 기계공학과) , 김종규 (동아대학교 기계공학과) , 서선민 ((주)센트랄) , 한승호 (동아대학교 기계공학과) , 이권희 (동아대학교 기계공학과)

초록
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볼 조인트는 두 요소 사이에서 회전 및 이동이 원활하도록 돕는 역할을 하는 기계요소이다. 본 연구의 대상인 볼 조인트는 중대형 승용차량용 볼 조인트로서 너클과 컨트롤 암의 운동을 돕는다. 본 연구에서는 볼 조인트의 공정 및 시험에 관한 해석 방법을 제안하고자 한다. 볼 조인트의 제작공정은 플러깅 공정과 스피닝 공정으로 나눌 수 있다. 볼 조인트의 제작공정 및 성능시험을 암시적 수치 적분법을 적용한 상용 동역학 프로그램인 NX DAFUL 2.0 을 사용하여 해석하였다. 또한 설계요구조건을 정의하기 위하여 볼 스터드에 작용하는 응력의 평균 및 분산을 반응치로 설정하였다. 그리고 완성된 볼조인트의 유격량을 시험하는 유격시험해석을 통해 최적의 설계를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ball joint is a rotating and swiveling element that is typically the interface between two parts. In an automobile, the ball joint is the component that connects the control arms to the steering knuckles by playing a role of bearing. The ball joint can also be installed in linkage systems for motion control applications. This paper describes the simulation strategy for a ball joint analysis, considering manufacturing process. Its manufacturing process can be divided into plugging and spinning. Then, the interested response is selected as the stress distribution generated between its ball and bearing. In this paper, a commercial code of NX DAFUL 2.0 using an implicit integration method is introduced to calculate the response. In addition, the gap analysis is performed to investigate the fitness. Also, the optimum design is suggested through case studies.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 구조 동역학 프로그램을 이용하여 볼 조인트의 제작 공정에 관한 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 볼 스터드의 표면에 작용하는 응력값에 대한 평가보다는 볼 스터드 표면에 작용하는 응력의 균일성을 평가하였다. 응력의 균일성 평가 방법은 볼 스터드 표면 5 개의 점으로 대표 되는 응력값의 평균과 분산을 평가하였다.
본 연구에서는 볼 조인트의 제작 공정시 및 공정 완료 후 볼 조인트의 응력상태를 공정의 진행 상황에 따라 확인하기 위하여 볼 조인트의 공정해석 방법을 제안하고자 한다. 볼 조인트의 제작공정은 코킹(Caulking)공정이라 하며, 코킹공정은 플러깅(Plugging)공정과 스피닝(Spinning)공정으로 나뉜다.
본 연구에서는 우수한 모델을 결정하기 위하여 제안된 3 개의 모델을 가지고 구조 동역학 해석을 수행하였다. 이를 Table 1 에 표시하였다.

제안 방법

(1) 본 연구에서는 NX DAFUL 2.0 을 이용하여 구현이 어려웠던 코킹공정 및 유격시험에 관한 해석을 수행하였다.
(3) 코킹 해석 후, 유격시험해석을 연속적으로 수행하여 실제 현상과 동일한 해석 절차를 적용함으로서 해석의 신뢰성을 제고하였다.
(4) 볼 조인트의 성능에 영향을 미치는 두개의 설계변수를 설정하고 케이스 스터디를 통해 최적의 모델을 제시하였다. 그러나 이를 극히 제안된 경우의 해석을 통해 선정된 해이다.
먼저 볼 조인트의 유한요소 해석을 위하여 CAD 모델링한다. 그 다음 코킹공정 해석을 수행하고 코킹공정 해석이 완료된 볼 조인트를 연속해서 유격시험 해석한다. 이 방법은 코킹공정 해석에서 얻어진 잔류응력 및 소성변형 형상을 유격시험 해석시 적용함으로서, 공정시 소성변형으로 인한 볼 조인트의 응력상태를 고려하여 유격시험 해석이 가능하다는 장점이 있다.
3 과 같이 사면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. 그 외 소켓, 플러그, 볼 스터드는 육면체 요소를 사용하여 모델링하였다. 또한 대변형이 발생하는 부분의 요소는 2mm 크기의 요소로 조밀하게 모델링하였다.
그 외 소켓, 플러그, 볼 스터드는 육면체 요소를 사용하여 모델링하였다. 또한 대변형이 발생하는 부분의 요소는 2mm 크기의 요소로 조밀하게 모델링하였다.
본 연구에서는 기존의 방법으로 불가능했던 코킹공정 해석을 구조 동역학 방법을 이용하여 해석하였고, 코킹공정 해석과 유격시험해석과정을 연속적으로 수행함으로서 유격시험해석에 대한 신뢰성을 확보하였다. 또한 제안된 모델 중 우수한 모델을 선정하기 위하여 볼 조인트의 주요 설계변수를 설정하고 설계 요구조건을 만족하는 설계를 제시하였다.
본 연구에서 제안하고자 하는 유한요소 해석 절차는 아래와 같다. 먼저 볼 조인트의 유한요소 해석을 위하여 CAD 모델링한다. 그 다음 코킹공정 해석을 수행하고 코킹공정 해석이 완료된 볼 조인트를 연속해서 유격시험 해석한다.
본 연구에서는 기존의 방법으로 불가능했던 코킹공정 해석을 구조 동역학 방법을 이용하여 해석하였고, 코킹공정 해석과 유격시험해석과정을 연속적으로 수행함으로서 유격시험해석에 대한 신뢰성을 확보하였다. 또한 제안된 모델 중 우수한 모델을 선정하기 위하여 볼 조인트의 주요 설계변수를 설정하고 설계 요구조건을 만족하는 설계를 제시하였다.
본 연구에서는 플러깅 해석, 스피닝 해석과 유격시험해석을 구조 동역학 해석을 통하여 제작 공정시 부품에 작용하는 응력분포와 공정 완료후 볼 조인트의 유격 시험시 변위를 확인 하였다.
볼 조인트의 유격시험해석은 볼 조인트에 실제 작용하중보다 과도한 하중을 ±Z 방향으로 작용시켜 베어링과 볼 스터드 사이에 발생하는 유격량을 평가한다.
볼 조인트의 유한요소모델은 비교적 형상이 복잡하고 정확한 형상 구현이 요구되는 베어링의 경우 Fig. 3 과 같이 사면체 요소를 사용하여 모델링 하였다. 그 외 소켓, 플러그, 볼 스터드는 육면체 요소를 사용하여 모델링하였다.

대상 데이터

각 부품의 재료 물성치는 볼 조인트의 제작사인 A 사에서 수행한 인장실험을 통해 결정되었으며, 소켓 S45C, 베어링 NYLON, 플러그 SPCC, 볼 스터드 SCM435 로 이루어져 있다. 각 부품의 응력변형률 선도를 Fig.
본 연구의 해석모델은 A 사에서 생산되는 중대형 승용차의 현가장치에 사용되는 볼 조인트로서 Fig. 1 과 같은 위치에 사용된다. 볼 조인트는 소켓(Socket), 플러그(Plug), 베어링(Bearing), 볼 스터드(Ball stud)의 4 가지 부품으로 구성되어있으며 부품 구성을 Fig.
1 과 같은 위치에 사용된다. 볼 조인트는 소켓(Socket), 플러그(Plug), 베어링(Bearing), 볼 스터드(Ball stud)의 4 가지 부품으로 구성되어있으며 부품 구성을 Fig. 2 에 표시하였다. 볼 조인트의 소켓은 가조립 된 볼 조인트의 몸체 역할을 하는 부품으로서 소성변형하여 볼 조인트의 기밀성을 유지하는 역할을 한다.

데이터처리

본 연구에서는 볼 스터드의 표면에 작용하는 응력값에 대한 평가보다는 볼 스터드 표면에 작용하는 응력의 균일성을 평가하였다. 응력의 균일성 평가 방법은 볼 스터드 표면 5 개의 점으로 대표 되는 응력값의 평균과 분산을 평가하였다. 볼 스터드에 발생하는 응력을 산출하기 위한 5 개의 점을 Fig.
그러나 구조 동역학 해석방법은 해석 수행시 소요되는 시간이 길다는 문제를 가지고 있다. 이러한 문제를 암시적 수치 적분 방법을 사용하여 해석하는 상용프로그램 NX DAFUL2.0 을 이용하여 해결하였다. 일반적으로 구조 동역학 해석시 암시적 적분 방법이 명시적 적분 방법에 비해 계산 시간이 많이 소요된다.

성능/효과

그리고 평균응력의 최대값과 분산을 Table 2 에 나타내었다. Table 2 의 결과에 의하면 초기 모델인 CASE 2 번 모델의 값이 0.157MPa 로서 3 번 모델의 값 0.106MPa 에 비해 약 67%정도 우수하다고 평가된다. 또한 볼 조인트의 유격시험 해석시 시간에 따른 각 모델의 변위를 Fig.
둘째, 유격시험 해석시 코킹이 완료된 볼 조인트를 모델링하여 사용함으로서 볼 조인트에서 발생한 유격량을 신뢰할 수 없다. 그러나 본 연구에서 적용한 구조동역학 해석방법은 기존의 해석방법이 가지는 문제점을 해결하였다. 본 연구에서 제안하고자 하는 유한요소 해석 절차는 아래와 같다.

후속연구

그러나 이를 극히 제안된 경우의 해석을 통해 선정된 해이다. 따라서 향후 과제로 보다 향상된 볼 조인트의 설계를 위하여 최적화 기법을 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼 조인트는 무슨 역할을 하는 기계요소인가?	볼 조인트는 두 요소 사이에서 회전 및 이동이 원활하도록 돕는 역할을 하는 기계요소이다. 본 연구의 대상인 볼 조인트는 중대형 승용차량용 볼 조인트로서 너클과 컨트롤 암의 운동을 돕는다.
	볼 조인트는 여러 종류의 반복하중에 의하여 균열 및 마모가 발생하는데 이와 같은 손상은 어떤 문제의 원인이 되는가?	볼 조인트는 여러 종류의 반복하중을 받고 있으며 이러한 반복하중에 의하여 균열 및 마모가 발생한다. 이와 같은 손상은 자동차의 안전성에 문제를 초래하며 운전자의 승차감 감소, 볼 조인트의 기밀성 저감 및 현가계의 전반적인 내구성능 저하의 원인이 된다. 따라서 볼 조인트의 높은 내구 신뢰성 확보가 요구된다.
	볼 조인트의 제작공정은 어떻게 나눌 수 있는가?	본 연구에서는 볼 조인트의 공정 및 시험에 관한 해석 방법을 제안하고자 한다. 볼 조인트의 제작공정은 플러깅 공정과 스피닝 공정으로 나눌 수 있다. 볼 조인트의 제작공정 및 성능시험을 암시적 수치 적분법을 적용한 상용 동역학 프로그램인 NX DAFUL 2.

참고문헌 (6)

Koh, S. K. and Hwang, H. Y., 2006, " Stress Analysis of Rubber Spring Seats for Automotive Steering Ball Joints using Finite Element Method," Trans. of the KSAE, Vol. 2, pp. 1172-1177.
Yoo, D. W. and Lee, J. H., 2009, "A Study on the Sliding Ball joint of Parallel Kinematic Mechanism," Trans. of the KSME (A), Vol. 33, No. 9, pp. 982-989.

원문보기 상세보기
NX DAFUL 2.0, 2009, User's Manual, Ver 3.0, Virtual Motion.
Ryu, H. S., Jang, J. S., Choi, J. H. and Bea, D. S., 2004, "Track System Interactions Betweem the Track Link and Ground," Trans. of the KSME (A), Vol. 28, No. 11, pp. 1711-1718.
Park, C. K., Lee, K. K., Lee, T. H. and Bea, D. S., 2003, "Optimization of a Train Suspension using Kriging Model," Trans. of the KSME (A), Vol. 27, No. 6, pp. 864-870.

원문보기 상세보기
HYPER MESH 10.0, 2010, User's Manual, Altair.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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