[논문]승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 구조 해석과 피로 수명 예측

강성수; 이종화

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.10.1315

승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 구조 해석과 피로 수명 예측
Evaluation of Fatigue Life and Structural Analysis for Dish-Type and Spoke-Type Automobile Wheels 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.10, 2011년, pp.1315 - 1321

초록
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제품 생산과 실험에 앞서 설계 단계에서의 강도 평가가 이루어져야 하며, 이 단계에서 범용 프로그램인 ANSYS 의 도입 및 활용은 제품의 생산과 강도 평가에 있어서 시간과 비용의 절감 등 여러 가지 이점을 갖게 한다. 본 연구에서는 ANSYS 를 이용하여 승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입의 휠을 3 차원 형상으로 모델링하고 구조해석과 피로해석을 수행하였다. 디쉬 타입과 스포크 타입에 대한 해석 결과를 비교해 보면, 디쉬 타입이 스포크 타입보다 변형이 적게 일어나고 최대등가응력도 작음을 알 수 있다. 그럼에도 불구하고, 스포크 타입이 경량과 우수한 냉각성능으로 인해 자주 사용되고 있다. 수명에 대한 피로 해석 결과, 알루미늄 휠이 스틸 휠보다 피로 저항력이 우수함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Prior to the experimental and production stages of goods, the strengths should be evaluated in the design stage. The introduction of commercial codes at the design stage gives benefits such as cost and time economies in the production and strength evaluation. In this study, structural analysis and fatigue analysis are carried out using ANSYS modeling of the 3D geometry of the wheel. In a comparison of dish-type and spoke-type wheels, it is shown that the deformation and maximum equivalent stress for the dish-type wheels are lower than those for spoke-type wheels. Nevertheless, spoke-type wheels are often used because they are light and have exhibit excellent cooling performance. Furthermore, according to the results of life analysis, aluminum wheels show improved resistance to fatigue compared to steel wheels.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 제품 생산과 실험적인 강도평가에 앞서 설계 단계에서의 강도평가가 이루어져야 하며, 이 단계에서 범용 프로그램인 ANSYS 의 도입 및 활용은 제품의 생산과 강도평가에 있어서 시간과 비용의 절감 등 여러 가지 이점을 갖게 한다.^(13,14) 본 연구에서는 ANSYS 를 이용하여 승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입의 휠을 3 차원 형상으로 모델링하고 구조해석과 피로해석을 수행하고자 한다. 이에 필요한 구속조건과 충격하중 조건을 통하여, 응력이 집중되는 부분을 예상하며, 그 정도를 파악함으로써 구조적인 강도 평가와 피로해석 및 수명 예측을 실시하고 알루미늄과 구조용 강 등의 휠 재질에 따른 영향을 분석해 보고자 한다.
^(13,14) 본 연구에서는 ANSYS 를 이용하여 승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입의 휠을 3 차원 형상으로 모델링하고 구조해석과 피로해석을 수행하고자 한다. 이에 필요한 구속조건과 충격하중 조건을 통하여, 응력이 집중되는 부분을 예상하며, 그 정도를 파악함으로써 구조적인 강도 평가와 피로해석 및 수명 예측을 실시하고 알루미늄과 구조용 강 등의 휠 재질에 따른 영향을 분석해 보고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS 를 이용하여 승용차용 디쉬 타입과 스포크 타입의 휠에 대한 구조해석과 피로해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
실제 휠의 충격시험은 2 기압으로 조절된 타이어를 휠에 장착시킨 상태에서 응력을 받도록 하고 있다. 하지만 기술적으로 매우 어려운 실험이므로 본 해석에서는 타이어를 고려한 경계 조건은 생략하였으며 휠 만을 고려하여 모델링 하였다.

이론/모형

연강에 적합한 Goodman 이론⁽¹⁶⁾에 따라, Fig. 9와 같이 인장 하중의 적용과 제거를 반복하여 피로수명 예측을 실시하였으며, Fig. 10 은 알루미늄합금에 대한 S-N 곡선을 나타내고 있다. 일반적으로 최대등가응력이 발생하는 위치에서 최소수명이 발생하게 되는데 알루미늄 강 재질의 휠에 대한 피로해석에 따른 수명 예측 결과, Fig.

성능/효과

(1) 디쉬 타입과 스포크 타입에 대한 해석 결과를 보면, 디쉬 타입이 스포크 타입에 비해 변형이 33% 정도로 적게 일어나고 최대등가응력도 23% 정도로 작음을 알 수 있다.
(2) 알루미늄 합금과 구조용 강의 재질에 대한 영향을 알고자 해석한 결과, 디쉬 타입과 스포크 타입에 관계없이 최대등가응력은 거의 비슷하였으나, 최대변형량은 타입에 관계없이 모두 알루미늄합금의 경우가 구조용 강에 비해 3 배 정도 컸음을 알 수 있다.
(3) 디쉬 타입의 최소 안전율이 스포크 타입에 비해 약 4.4 배 정도 큰 것으로 나타났고, 위치에 따른 안전율을 비교해 보면 디쉬 타입의 경우가 스포크 타입에 비해 전반적으로 작은 차이를 보였으며, 스포크 타입의 경우는 허브와 스포크의 연결 부위에서 상대적인 안전율의 차이가 크게 나타나 이 부분이 특히 취약함을 확인할 수 있었다.
105mm 이었다. 또한 구조용 강 재질에 대한 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 구조해석을 실시한 결과, Table 4 와 같이 디쉬 타입과 스포크 타입에 대한 최대등가응력은 각각 14.78MPa 과 65.43MPa 이었으며, 디쉬 타입과 스포크 타입에 대한 최대변형량은 각각 0.012mm 와 0.037 mm 를 나타내었다. 즉 최대변형량은 타입에 상관없이 알루미늄 합금의 경우가 구조용 강에 비해 3 배 정도 컸음을 알 수 있었다.
17MPa 이었다. 또한 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 변형량을 조사한 결과, Fig. 8 과 같이 디쉬 타입에 대한 최대변형량은 0.035mm 이었으며, 스포크 타입에 대한 최대변형량은 0.105mm 이었다. 또한 구조용 강 재질에 대한 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 구조해석을 실시한 결과, Table 4 와 같이 디쉬 타입과 스포크 타입에 대한 최대등가응력은 각각 14.
0044 를 나타났다. 또한 위치에 따른 안전율의 분포를 보면, 디쉬 타입이 스포크 타입에 비해 전반적으로 작은 차이를 보였으며, 스포크 타입은 허브와 스포크의 연결 부위에서 상대적인 안전율의 차이를 크게 나타내어 이 부분이 특히 취약함을 확인할 수 있었다.
알루미늄 합금에 대한 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 구조해석을 실시한 결과, Fig. 7 과 같이 디쉬 타입에 대한 최대등가응력은 14.79MPa 이었으며 , 스포크 타입에 대한 최대등가응력은 65.17MPa 이었다. 또한 디쉬 타입과 스포크 타입 휠에 대한 변형량을 조사한 결과, Fig.
이를 위해 구조해석에서 구한 최대등가응력과 알루미늄 합금의 인장항복강도(130MPa)를 기준으로 안전율(safety factor)을 계산한 결과, Fig. 11 과 같이 디쉬 타입의 안전율은 최소 8.816 을 나타났고, 스포크 타입의 경우는 최소 2.0044 를 나타났다. 또한 위치에 따른 안전율의 분포를 보면, 디쉬 타입이 스포크 타입에 비해 전반적으로 작은 차이를 보였으며, 스포크 타입은 허브와 스포크의 연결 부위에서 상대적인 안전율의 차이를 크게 나타내어 이 부분이 특히 취약함을 확인할 수 있었다.
10 은 알루미늄합금에 대한 S-N 곡선을 나타내고 있다. 일반적으로 최대등가응력이 발생하는 위치에서 최소수명이 발생하게 되는데 알루미늄 강 재질의 휠에 대한 피로해석에 따른 수명 예측 결과, Fig. 11 과 같이 스포크 타입 휠에 대해 10E7 의 수명을 갖는 것으로 나타났다. 구조물의 설계에 있어서 고려해야 할 중요한 사항 중의 하나는 하중을 지지하거나 이송시키도록 설계된 물체의 부하능력을 들 수 있으며, 하중을 견뎌야 하는 구조물의 파단을 피하기 위해선 구조물이 실제로 지지할 수 있는 하중이 사용 중 견디는 데 필요한 하중보다 커야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 휠의 장점은?	알루미늄 휠은 스틸 휠에 비해 내식성이 우수하고 무게가 가벼우며 충격 흡수성이 우수하여 승차감이 좋은 장점이 있다. 하지만 단조와 주조에 의한 승용차용 알루미늄 휠 제품은 형상과 크기에 따라 제조 시 발생할 수 있는 여러 가지 결함을 내재하고 있으며, 이로 인해 제품에 작용하는 여러 종류의 복합 및 반복하중에 대한 문제점을 보이고 있다.
	휠의 강도평가와 관련된 종래의 연구에는 무엇이 있는가?	휠의 강도평가와 관련한 종래의 연구를 살펴보면 다음과 같다. 먼저 Noh 등(5)은 충격시험에 대한 선형탄성해석을 수행함으로써 충격시의 응력이 집중되는 부분과 내충격성을 파악하였고, Jeong(6)은 자동차 디자인의 안전성과 연료절감이라는 문제를 해결하기 위해 경량화 합금 휠에 관한 디자인 방안을 제시하였으며, Kim(7,8)은 주파수 응답함수법을 이용한 실험적인 방법으로 알루미늄 휠과 스틸 휠의 진동 특성을 파악하였다. 또한 다른 Kim(9)은 자동차용 알루미늄 휠의 내구 신뢰성을 확보하기 위해, 유한요소법과 유연체를 이용한 동역학적 해석 기법을 이용하여 응력해석과 내구해석을 실시하였으며, Cho 등(10)은 타이어의 압력과 코너링의 하중 등의 불규칙한 피로 하중을 받는 휠에 대한 피로 수명과 손상 가능성을 예측하였다. 나아가, Sherwood 등(11)은 항공기용 타이어와 휠의 접촉 압력 분포를 계산하는 방법에 대하여 연구하였고, Kalyanasundaram 등(12)은 휠의 무게와 강성, 관성모멘트 등을 고려한 유한요소해석과 최적화를 통하여 휠체어용 휠에 대한 재설계를 실시하였다.
	림의 폭에 따른 영향은?	먼저, 림 부위는 타이어와 밀착되어 공기압을 유지시켜 주는 부위이며, 림 폭은 타이어의 편평 비와 밀접한 관계가 있으며, 림 폭이 작은 경우는 사이드 월 부분이 지나치게 노출되어 위험이 따르고, 림 폭이 지나치게 큰 경우에는 연비가 증가되며 차체와의 간섭 등의 원인이 되기도 한다. 또한 디스크 부분은 휠의 디자인이 구사되어 있는 전면 부위를 말하며 차체와 체결하여 주는 허브 축 볼트 구멍 등이 포함되어 있다.

참고문헌 (16)
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Sherwood, J., A., Ayres, J., M., Gross, T., S. and Watt, D., 1995, "An Investigation of Tire-Wheel Interface Loads Using ADINA," Computers & Structures, Vol.56, No.2-3, pp.377-387.

상세보기
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상세보기
Moaveni, S., 2008, Theory and Application with ANSYS, Pearson Education/Prentice Hall., USA.
Swanson, J., 2009, Ansys 12.0, Ansys Inc., USA.
Kim, K., S., Lim, H., S. , Kim, D., G. and Cho, J., G., 2010, Automotive Chassis, Goomibook, Korea.
Song, M., J., Jung, S., Y., Hwang, B., C. and Kim, C., 2010, "A Study on Structure Analysis and Fatigue Life of the Common Rail Pipe," Trans. of Materials Processing, Vol.19, No.2, pp.88-94.

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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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