[논문]조향장치용 인텀 샤프트 설계변수 평가를 위한 수치적 연구

강영수; 두민수; 김정; 강범수; 송우진

doi:10.7736/kspe.2012.29.12.1351

조향장치용 인텀 샤프트 설계변수 평가를 위한 수치적 연구
Numerical Study on Evaluation of Design Parameters of Intermediate Shaft in Steering System 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.12, 2012년, pp.1351 - 1359

강영수 (부산대학교 항공우주공학과) , 두민수 ((주)태림산업 기술연구소) , 김정 (부산대학교 항공우주공학과) , 강범수 (부산대학교 항공우주공학과) , 송우진 (부산대학교 부품소재산학협력연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to the development of electric and hybrid vehicles, the trend has changed from hydraulic power steering system to electric power steering system (EPS). In this paper, design parameters are deduced through the structural analysis based on the finite element analysis for the intermediate shaft of the EPS on the market. By analyzing the design parameters, the structure design is improved to support the required high torque on the EPS. The numerical analysis is performed to obtain the improved design of the intermediate shaft model and the analysis results are compared with the existing model. It is noted through this numerical approach that the improved design of the intermediate shaft can be acquired the structural safety and high stiffness than existing model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 시중에 적용되는 전동식 조향장치용 인텀 샤프트의 구조해석을 수행하여 설계변수를 도출하고, 도출된 설계변수를 분석하여 보다 높은 토크를 지지할수 있는 설계개선에 대한 연구를 수행하였다. 또한 최종적으로 설계 변경된 인텀 샤프트 모델에 대한 유한요소 해석을 이용한 수치적 접근을 통하여 기존 모델과의 비교 분석을 수행하였다.
본 논문에서 새로운 볼과 핀의 조합을 찾으며, 최소화된 볼과 핀의 개수 및 간격을 찾기 위한 목적함수를 정의하였다.
67 Nm/deg 이다. 본 논문에서 인텀 샤프트의 설계변수를 통해 보다 높은 강성의 구조설계안을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 100 Nm 조향토크를 지지할 수 있는 고토크전달 모듈의 설계변수 도출 및 설계 개선이 목적이며, 이에 Yoke 결합부와 Spider Ass΄y 부를 제외한 Sliding 습동부만을 Fig. 2(a)와 같이 모델링하여 해석을 수행하였다.

가설 설정

볼과 핀에는 강구로서 SUJ2 의 물성을 정의하였다. 각 파트별 물성은 Table 1 에 나타내었지만 실제 제작을 위한 도면상에 표기된 재료의 성질을 살펴보면 Pipe Joint 의 경우 HV550(1822 MPa) 이상이고, Shaft Joint 의 경우 HV600(1990 MPa) 이상의 표면경도를 가지고 있다는 가정하에 해석적 평가가 이루어졌다.

제안 방법

Fig. 2(b)에 보이는 볼과 핀 배열은 현재 시중에 적용되고 있는 제품으로서 설계변수 도출을 위해 구조해석을 실행하였다.
제안하고자 하는 설계변수는 새로운 볼과 핀의 조합에서 응력 및 비틀림 각도가 기존의 제품보다 작거나 같아야 하며, 볼과 핀의 개수는 적거나 같아야 하고, 볼과 핀이 조합된 전체 길이가 기존제품보다 짧거나 같아야 한다는 것을 만족하여야 한다. 3.2 절의 단품별 해석을 통하여 2 개의 핀과 3~4 개의 볼을 구속 조건으로 설정하고, 핀의 간격에 따른 볼의 개수 및 간격에 따른 비교를 실시하였다.
볼의 개수는 3~4 개일 경우 응력의 증가율이 낮아지는 것을 앞선 결과를 통해 알 수 있었으며, 핀도 볼과 마찬가지로 2 개일 경우 응력의 증가율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 간격에 따른 변화는 핀의 간격을 변화 시키면서 해석을 수행하였고, 볼의 간격은 응력과 강성의 변화에 큰 영향을 주지 않는다고 판단하였기 때문에 핀과 핀의 사이 간격에 맞추어 3~4 개의 볼을 배치시키는 형태를 선택하였다. 기존의 제품에서 사용되는 볼과 핀의 개수는 4 개와 2 개이고, 새로운 볼과 핀이 배치된 길이도 기존의 볼과 핀의 배치보다 짧거나 같기 때문에 설계변수를 충족하고 있다.
개수에 따라, 간격에 따라, 핀이 고정되어있을 때 볼의 위치에 따라, 3 가지 경우에 대하여 설계 변수를 검토 하였다.
따라서 본 논문에서는 시중에 적용되는 전동식 조향장치용 인텀 샤프트의 구조해석을 수행하여 설계변수를 도출하고, 도출된 설계변수를 분석하여 보다 높은 토크를 지지할수 있는 설계개선에 대한 연구를 수행하였다. 또한 최종적으로 설계 변경된 인텀 샤프트 모델에 대한 유한요소 해석을 이용한 수치적 접근을 통하여 기존 모델과의 비교 분석을 수행하였다.
본 논문에서 기존의 제품을 토대로 새로운 볼과 핀 조합을 찾기 위한 연구가 유한요소해석을 통한 수치적 방법으로 수행되었으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
5 mm 까지 해석을 진행하였다. 볼과 핀의 조합은 하나의 볼과 핀을 사용하여 핀이 고정되어있을 때 볼의 위치를 판단하기 위해 5 가지 경우에 대하여 해석을 진행하였다.
볼과 핀이 중실축과 중공축에 접하여 있는 부분에 대해서 마찰계수 0.1 을 적용하였고, 요소망의 밀도는 응력 집중이 예상되는 곳에 Hex 요소를 사용하여 요소망의 밀도를 증가 시켰고, 나머지 파트에 Tetra 요소를 적용하였다. Fig.
볼의 개수는 1 개에서 최대 6 개까지 볼을 배치하고, 핀의 개수는 1 개에서 최대 4 개가 배치하여 해석을 검토 하였고, 볼의 간격은 6 개의 볼을 사용하여 최초 7.5 mm 의 간격에서 1 mm 씩 증감하여, 최소 5.5 mm, 최대 10.5 mm 에 대해 해석을 진행 하였고, 핀의 간격은 2 개의 핀을 사용하여 최초 7.5 mm 에서 10 mm 씩 증가 시켜 최대 47.5 mm 까지 해석을 진행하였다. 볼과 핀의 조합은 하나의 볼과 핀을 사용하여 핀이 고정되어있을 때 볼의 위치를 판단하기 위해 5 가지 경우에 대하여 해석을 진행하였다.
그러나 차이가 미비하며 고정되는 부품 재료비 및 가공비를 고려하여, 기존의 제품보다 길이가 짧은 것이 좋을 것이라 판단 된다. 제안하고자 하는 설계변수는 새로운 볼과 핀의 조합에서 응력 및 비틀림 각도가 기존의 제품보다 작거나 같아야 하며, 볼과 핀의 개수는 적거나 같아야 하고, 볼과 핀이 조합된 전체 길이가 기존제품보다 짧거나 같아야 한다는 것을 만족하여야 한다. 3.
2(b)에서 소개된 볼과 핀의 조합으로 유한요소 해석을 수행하였다. 축을 중심으로 중실축에 20~100 Nm 의 토크를 적용하고, 중공축 끝단면을 고정하여 응력 및 축방향에 대한 비틀림 변형량을 검토 하였다.
표준품에 사용되는 볼과 핀의 조합보다 우수한 설계안을 도출하기 위해 먼저 볼과 핀을 단품으로 해석을 수행하여 새로운 볼과 핀 조합의 설계변수를 검토 하였다.

대상 데이터

유한요소해석은 상용프로그램인 ANSYS Workbench 를 사용하여 해석을 수행하였다. 유한 요소 해석에 사용된 물성으로는 중실축(Shaft Joint)은 SWRCH4F 재료를 사용하고 중공축(Pipe Joint)은 STKM16A 의 재료를 사용하였다. 볼과 핀에는 강구로서 SUJ2 의 물성을 정의하였다.
해석 대상인 Sliding 습동부는 중실축(Shaft Joint)과 중공축(Pipe Joint)으로 구성되어있고, 볼과 핀에 의해서 두 축의 이동이 원활하게 설계 되어있다. Fig.

데이터처리

유한요소해석은 상용프로그램인 ANSYS Workbench 를 사용하여 해석을 수행하였다. 유한 요소 해석에 사용된 물성으로는 중실축(Shaft Joint)은 SWRCH4F 재료를 사용하고 중공축(Pipe Joint)은 STKM16A 의 재료를 사용하였다.

성능/효과

1) 볼에는 점접촉으로 미소영역만이 접하여 있어 조향토크를 견디기에는 높은 응력이 발생하지만 핀에서 대부분의 응력을 분산시켜주는 것을 알 수 있다.
2) 볼과 핀의 개수 증가는 강성의 변화에 영향을 주지만 동일 개수의 볼과 핀에서 간격과 조합에 따른 강성의 변화에는 무시할 만큼 적은 변화를 주고 있다.
3) 기존의 제품 볼과 핀 조합에서 최대 응력은 중실축 발생하며 1230 MPa 를 나타내고, 개선된 설계안(No. 1)의 볼과 핀 조합에서 중실축 발생하며 1160 MPa 를 나타내고 있다. 대략 90 MPa 정도의 응력이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 강성은 53 Nm/deg ~ 54 Nm/deg 비슷한 경향이지만 개선된 설계안이 미비하지만 우수한 것을 알 수 있다.
결론적으로 개수의 증가에 따라 응력의 분산률이 높아져 응력은 낮아지고, 변형률도 낮아지기 때문에 강성은 증가하는 모습을 보인다. 하지만 볼은 4 개 핀은 2 개 이상부터는 응력과 변형률의 감소률은 낮아지는 것을 해석을 통해 알 수 있다.
결론적으로 동일 개수의 볼과 핀을 사용하였을 경우, 간격이 증가함에 따라 응력은 증가하지만 변형량은 낮아져 강성이 증가하는 것을 알 수 있다. 하지만, 변형량의 감소률이 극히 작아 무시할 정도이다.
볼과 핀이 배치되는 전체 길이가 증가함에 따라 강성은 낮아진다. 그러나 차이가 미비하며 고정되는 부품 재료비 및 가공비를 고려하여, 기존의 제품보다 길이가 짧은 것이 좋을 것이라 판단 된다. 제안하고자 하는 설계변수는 새로운 볼과 핀의 조합에서 응력 및 비틀림 각도가 기존의 제품보다 작거나 같아야 하며, 볼과 핀의 개수는 적거나 같아야 하고, 볼과 핀이 조합된 전체 길이가 기존제품보다 짧거나 같아야 한다는 것을 만족하여야 한다.
1)의 볼과 핀 조합에서 중실축 발생하며 1160 MPa 를 나타내고 있다. 대략 90 MPa 정도의 응력이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 강성은 53 Nm/deg ~ 54 Nm/deg 비슷한 경향이지만 개선된 설계안이 미비하지만 우수한 것을 알 수 있다.
모든 설계안에서 20 Nm 의 토크에서는 비슷한 수준의 응력이 발생하지만, 100 Nm 급의 고토크에 도달하면서 응력은 개선된 설계안 No. 1 의 볼&핀 조합이 제일 우수한 결과를 보이고 있다.
볼의 위치에 따라 판단은 힘들지만, 핀과 동일선상에 위치하였을 때 값(Case_2, Case_4)이 대체적으로 안정적으로 보이고, 조합을 할 때 볼의 위치를 핀과 동일선상에 배치하는 것이 보다 우수할 것으로 판단된다.
핀의 간격에 따른 변화는 3 장에서 간격에 따른 결과에서 나타나듯 간격이 감소할수록 응력은 감소하는 것을 알 수 있었다. 이와 마찬가지로 3 개의 Slot 을 사용하는 표준품에 비해 6 개의 Slot 을 사용하면서 볼과 핀의 배치에 따른 간격이 감소하였고, 이에 따른 응력이 감소 한 것으로 판단된다.

후속연구

6 향후 자동차 엔진이 사라지거나 보조적인 수단으로 사용되는 친환경 하이브리드 자동차 및 전기자동차에는 필수적으로 사용되는 핵심 장치로 지존의 유압식 조향장치용 인텀 샤프트와 달리 고토크 전달 및 고강성 인텀 샤프트가 요구 되고 수요가 급증할 것이라 예상한다.
4) 이미 실험을 통해 100 Nm 급 고토크 인텀 샤프트가 시중에 적용되고 있다. 시중에 적용되는 제품과 수치적 비교를 통한 새로운 볼과 핀의 조합을 찾아 우수한 볼과 핀 조합을 검토 하였지만, 제품의 안전성을 확보하기 위해 추후 실험적인 연구가 요구 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조향장치를 힘의 종류에 따라 구분하라	자동차에는 차량의 진행방향을 조절하기 위한 조향장치(Steering System)가 장착되어있는데, 조향장치는 크게 운전자의 힘만으로 조향력을 조절하는 수동식과 기계힘으로 조향력을 보조하는 동력식 조향장치로 구분된다. 최근에는 운전자의 편의를 제공하기 위하여 동력식 조향장치(Power Steering System)를 적용하고 있으며, 이러한 동력식 조향장치는 엔진에 직접 체결되어 고압으로 시스템을 구동하는 유압식(Hydraulic)과 모터를 이용한 전동식(Electric)으로 구분된다.
	전동식 동력 조향장치의 장점은 무엇인가	전동식 동력 조향장치(Electric Power Assist Steering System, EPS)는 유압식 동력 조향장치 (Hydraulic Power Assist Steering System, HPS)에 비하여 무게감소, 불필요한 에너지 소모가 없어져 연비향상, 조향감 향상, 개발 및 제작 기간단축, 소형화 그리고 친환경 등 많은 장점을 가지고 있다.4 그러나, 기존의 유압식 스티어링 시스템은 조향 동력보조가 인텀 샤프트 하단에서 위치한 스티어링 기어박스에서 보조되므로 인텀 샤프트는 운전자의 조향토크만을 전달하는 단순 연결부위였기 때문에 부하 토크가 3~5 Nm 정도였으며, 구조적으로 중요한 부분이 아니였다.
	동력식 조향장치 중 전동식은 무엇으로 구성되어 있는가	1,2 전동식 조향장치는 Fig. 1 과 같이 스티어링 컬럼(Steering Column), 인텀 샤프트(Intermediate Shaft), 스티어링 기어(Manual Steering Gear) 등으로 구성된다.3

참고문헌 (8)

Yun, S. C., Jang, J. H., and Han, C. S., "Modeling of the Motor Driven Power Steering System," Proc. of KSAE Spring Conference, pp. 280-285, 2003.
Kim, C. K., Lee, I. K., and Cho, S. H., "Case Study of Tribological Failure Characteristics in Automotive Steering System," Journal of the KSTLE, Vol. 26, No. 1, pp. 61-67, 2010.
Kim, J. B., Yoo, W. S., and Sim, J. J., "Angular Velocity of Steering Column according to Spider Cross Angle in the Universal Joint," Proc. of KSAE Fall Conference, pp. 713-718, 2000.
Song, J. H., Boo, K. S., and Lee, J. I., "Evaluation of Performance and Development of Control Method of a New Electric Power Steering System(EPS-TT)," Journal of the KSAE, Vol. 12, No. 5, pp. 154-161, 2004.
Koo, K. M., Lee, J. H., Kim, J. M., and Park, J. N., "Evaluation of steering emotional quality with Intermediate Shaft Assembly according to Types and condition in steering system," KSAE Annual Conference, pp. 2501-2508, 2009.
Jang, B. C. and So, S. G., "Co-Simulation Technology Development with Electric Power Steering System and Full Vehicle," J. of the KSPE, Vol. 21, No. 1, pp. 94-100, 2004.
Choi, K. H., Jeong, Y. K., Lee, B. I., and Kim, H. Y., "Finite Element Analysis and Shape Design for Coated Intermediate Shaft of Steering System," KSAE Annual Conference, pp. 1284-1288, 2009.
Ueda, H., "Technical Trends regarding Intermediate Shaft in Steering Systems," Koyo Engineering Journal, No. 168, pp. 14-17, 2005.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증