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문제 정의
- 본 연구에서는 경량구조와 승차감 향상을 위한 탄소섬유/에폭시 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 설계하고 제작하였다. 제작의 용이성을 위해 휠의 스포크와 외측 림 부는 알루미늄으로 구성하고 내측 림 부는 복합재료로 구성하여 두 구조를 접착제를 이용하여 접착하는 방식을 제시하였다.
- 본 연구자들을 포함하여 몇몇 연구자들은 스포크 부의 복잡한 형상에 기인한 근본적인 문제를 해결하기 위해, 복잡한 형상을 가진 스포크 부는 기존의 금속재질을 사용하고 비교적 형상이 단순한 림(Rim) 부를 섬유 강화 복합재료로 설계하여 두 이종재료를 체결하는 방식을 제시하였다[7-9]. 본 연구에서는 이와 같은 최근 방식을 도입하여 휠의 림 부를 탄소섬유/에폭시 복합재료로 설계하고, 기존의 알루미늄 스포크 부와 접착제로 접착하는 방식을 제안하였다.
- 본 연구에서는 일반적인 승용차 휠의 설계 기준을 유한 요소해석 기법을 이용해 평가하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 복합재료를 이용한 차량용 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 제작하기 위해 해석 및 실험적 연구를 수행하였다. 복합재료와 알루미늄의 접착 부분을 설계하고 다양한 시뮬레이션을 통하여 휠의 안정성을 검토하였다.
- 135%인 알루미늄 휠에 비해 32% 증가하였다. 이를 통해 높은 승차감이 요구되는 최근의 경향에 부합하는 고성능 휠로서의 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 제작한 시제품의 성능을 평가하기 위해 진동 실험을 수행하고 그 결과를 기존의 알루미늄 휠의 실험결과와 비교 하였다. Fig. 11과 같이 휠이 최소한으로 구속되도록 스포크 부를 끈으로 고정하고, 충격 해머와 가진기를 사용하여 진동실험을 수행하였다. 제작한 시제품과 기존의 알루미늄 휠을 각각 10회씩 반복하여 실험하고 실험결과의 평균값을 비교하였다.
- 9). 금형은 원활한 열전달을 위하여 비교적 열전도율이 높은 알루미늄을 이용하였고, 추가적인 구멍가공을 통해 탈형이 쉽도록 고안하였다. 해석된 결과를 바탕으로 휠의 알루미늄 부분과 복합재료 부분이 접착길이 35 mm, 접착두께 0.
- 위에서 제작한 금형을 이용해 복합재료 부분을 성형하였다. 금형의 각 파트를 체결 후, 축방향 경사 형상에 복합재료를 원활하게 적용하기 위하여 일정간격으로 자른 복합재료를 10 mm씩 중첩되게 적층하였다. 적층 과정에서 섬유의 연속성을 최대한 확보하기 위해 중첩위치에서의 섬유방향을 일치시켰다.
- 승용차 휠의 경우 30 ton에 대한 정적 측면하중 내구성이 요구된다. 따라서 정적 측면하중 실험을 유한요소해석 기법으로 구현하여 접착 길이 및 두께에 따른 에폭시 접착층의 최대 전단응력을 계산하고 접착부의 형상 및 조건을 결정하였다. 해석 개요는 Fig.
- 복합재료와 알루미늄의 접착 부분을 설계하고 다양한 시뮬레이션을 통하여 휠의 안정성을 검토하였다. 또한 알루미늄 스포크부와 복합재료 림부와의 효율적인 접착을 위해 접착부에 각각 홈(Groove)과 돌기구조를 설계하여 접착시 구조물의 자동조심 및 접착지그 역할을 할 수 있도록 설계하였다. 유한요소해석을 통해 접착부의 최종 설계사양을 결정한 후 금형을 제작하여 시제품을 만들고 해당 제품의 진동테스트 결과를 바탕으로 우수성을 확인하였다.
- 림의 회전 및 굽힘 피로성능 역시 유한요소 해석을 통하여 평가하였다. 전체적인 해석조건을 Fig.
- 설계된 휠을 제작하기 위해 금속 금형 및 실리콘 금형을 제작한 후 금형 내부에 복합재료를 적층하는 방식을 통해 진공백 성형법으로 시제품을 제작하였다. 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착과정에서 두 구조의 회전 축을 일치시키고, 접착과정 중 고정지그의 역할을 할 수 있는 홈과 돌기 구조를 도입하여 접착과정의 효율을 증가시켰다. 제작된 시제품의 성능을 평가하기 위해 진동실험을 수행하였다.
- 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠에서 복합재료로 구성된 내측 부분을 제작하기 위해 4등분된 외측 금형을 제작하였다(Fig. 9). 금형은 원활한 열전달을 위하여 비교적 열전도율이 높은 알루미늄을 이용하였고, 추가적인 구멍가공을 통해 탈형이 쉽도록 고안하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 복합재료를 이용한 차량용 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 제작하기 위해 해석 및 실험적 연구를 수행하였다. 복합재료와 알루미늄의 접착 부분을 설계하고 다양한 시뮬레이션을 통하여 휠의 안정성을 검토하였다. 또한 알루미늄 스포크부와 복합재료 림부와의 효율적인 접착을 위해 접착부에 각각 홈(Groove)과 돌기구조를 설계하여 접착시 구조물의 자동조심 및 접착지그 역할을 할 수 있도록 설계하였다.
- 5 mm로 결정하였으며, 이러한 접착부 조건에 대해 주요 하중조건을 유한요소해석에 적용한 결과, 모든 구조물에서 파손응력보다 낮은 수준의 응력이 발생함을 확인하였다. 설계된 휠을 제작하기 위해 금속 금형 및 실리콘 금형을 제작한 후 금형 내부에 복합재료를 적층하는 방식을 통해 진공백 성형법으로 시제품을 제작하였다. 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착과정에서 두 구조의 회전 축을 일치시키고, 접착과정 중 고정지그의 역할을 할 수 있는 홈과 돌기 구조를 도입하여 접착과정의 효율을 증가시켰다.
- 또한 알루미늄 스포크부와 복합재료 림부와의 효율적인 접착을 위해 접착부에 각각 홈(Groove)과 돌기구조를 설계하여 접착시 구조물의 자동조심 및 접착지그 역할을 할 수 있도록 설계하였다. 유한요소해석을 통해 접착부의 최종 설계사양을 결정한 후 금형을 제작하여 시제품을 만들고 해당 제품의 진동테스트 결과를 바탕으로 우수성을 확인하였다.
- 평직구조의 복합재료를 각 층간에 차로 적층함으로써 섬유 단속에 따른 영향을 최소화 하였다. 이후 실리콘 내부 금형을 체결한 후 진공백 성형을 위해 테프론 필름, 브리더 그리고 진공 필름 등을 이용하여 포장해 주었다. 이후 진공백 성형법으로 오토클레이브 안에서 온도와 압력을 가하여 성형하였다.
- 이후 실리콘 내부 금형을 체결한 후 진공백 성형을 위해 테프론 필름, 브리더 그리고 진공 필름 등을 이용하여 포장해 주었다. 이후 진공백 성형법으로 오토클레이브 안에서 온도와 압력을 가하여 성형하였다. 성형은 30분간 80℃까지 가열 후 30분간 80℃를 유지하였다.
- 8에 제시하였다. 자동차 업체에서 권장하는 2,000,000 사이클의 회전 피로파괴 기준을 확인하기 위해 휠에 실험 하중을 구현하여 적용한 후 발생한 응력을 살펴보았다. 각 재료의 피로곡선에서 2,000,000 사이클에 해당하는 하중을 기준 하중으로 설정하여 해석 응력값이 기준하중보다 작을 경우 안전하다고 판단하였다.
- 제작의 용이성을 위해 휠의 스포크와 외측 림 부는 알루미늄으로 구성하고 내측 림 부는 복합재료로 구성하여 두 구조를 접착제를 이용하여 접착하는 방식을 제시하였다. 자동차 휠의 설계기준을 유한요소해석 기법으로 모사하여 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착 사양(접착길이 및 접착두께)을 결정하고, 주요 하중조건에 대한 응력 해석을 통해 구조의 안전성을 검증하였다. 해석결과 접착 길이가 길고, 접착 두께가 두꺼울수록 안전성이 증가하였지만, 본 연구에서는 휠 형상을 고려하여 접착길이를 35 mm, 접착두께를 0.
- 또한 이 두 부분을 접착해 주는 접착층이 이 사이에 존재한다. 자동차 휠이 고속으로 회전하는 구조임을 고려하여 알루미늄과 복합재료 두 구조의 동심축 일치를 보장하고, 알루미늄 부와 복합재료 부의 효율적인 접착을 위해 Fig. 2와 같이 홈과 돌기 구조를 적용하였다.
- 5에 제시하였다. 적절한 접착조건을 구하기 위해, 접착길이와 접착두께를 설계변수로 하여 다양한 응력해석을 수행하였다.
- 금형의 각 파트를 체결 후, 축방향 경사 형상에 복합재료를 원활하게 적용하기 위하여 일정간격으로 자른 복합재료를 10 mm씩 중첩되게 적층하였다. 적층 과정에서 섬유의 연속성을 최대한 확보하기 위해 중첩위치에서의 섬유방향을 일치시켰다. 평직구조의 복합재료를 각 층간에 차로 적층함으로써 섬유 단속에 따른 영향을 최소화 하였다.
- 6과 같다. 접착길이는 10 mm, 20 mm, 30 mm 그리고 35 mm에 대하여, 접착두께는 0.1 mm, 0.3 mm 그리고 0.5 mm에 대하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 에폭시 접착층은 모든 경우 실험하중으로부터 안전한 것으로 나타났다.
- 접착제로 접착될 알루미늄과 복합재료 구조의 접착력을 확인하기 위해 복합재료-알루미늄 단면겹치기 접착 조인트의 인장실험을 수행하였다. 시편의 형상을 Fig.
- 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착과정에서 두 구조의 회전 축을 일치시키고, 접착과정 중 고정지그의 역할을 할 수 있는 홈과 돌기 구조를 도입하여 접착과정의 효율을 증가시켰다. 제작된 시제품의 성능을 평가하기 위해 진동실험을 수행하였다. 진동실험 수행 결과 복합재료를 적용함으로써 기존 알루미늄 휠에 비하여 고유진동수가 16% 증가하였으며, 감쇠능이 32% 증가하였고, 무게가 10% 경량화되었다.
- 본 연구에서는 경량구조와 승차감 향상을 위한 탄소섬유/에폭시 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 설계하고 제작하였다. 제작의 용이성을 위해 휠의 스포크와 외측 림 부는 알루미늄으로 구성하고 내측 림 부는 복합재료로 구성하여 두 구조를 접착제를 이용하여 접착하는 방식을 제시하였다. 자동차 휠의 설계기준을 유한요소해석 기법으로 모사하여 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착 사양(접착길이 및 접착두께)을 결정하고, 주요 하중조건에 대한 응력 해석을 통해 구조의 안전성을 검증하였다.
- 적층 과정에서 섬유의 연속성을 최대한 확보하기 위해 중첩위치에서의 섬유방향을 일치시켰다. 평직구조의 복합재료를 각 층간에 차로 적층함으로써 섬유 단속에 따른 영향을 최소화 하였다. 이후 실리콘 내부 금형을 체결한 후 진공백 성형을 위해 테프론 필름, 브리더 그리고 진공 필름 등을 이용하여 포장해 주었다.
- 금형은 원활한 열전달을 위하여 비교적 열전도율이 높은 알루미늄을 이용하였고, 추가적인 구멍가공을 통해 탈형이 쉽도록 고안하였다. 해석된 결과를 바탕으로 휠의 알루미늄 부분과 복합재료 부분이 접착길이 35 mm, 접착두께 0.5 mm를 갖도록 설계하였다. 내측 금형은 복합재료가 외측 금형에 효과적으로 압밀 될 수 있도록 금형용 실리콘을 사용하여 제작하였다.
대상 데이터
- 5 mm를 갖도록 설계하였다. 내측 금형은 복합재료가 외측 금형에 효과적으로 압밀 될 수 있도록 금형용 실리콘을 사용하여 제작하였다.
- 본 연구에 사용할 접착제(Loctite 3128)의 물성을 확인 하기 위하여 인장 실험을 실시하였다. 실험표준 규격(ASTM D638)를 참고하여 시편을 제작하고 실험을 수행하였다.
- 4(a)에 제시하였다. 시편의 복합재료 부는 실제 휠 제작에 사용될 적층순서를 고려하여 [0]8T로 적층되었으며, 알루미늄과 복합재료 사이에 0.5 mm의 접착층을 형성하도록 제작되었다. 실험은 실험표준 규격(ASTM D1002, D5868)에 따라 실시되었다.
- 차량용 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 제작하기 위해 알루미늄(6061-T6), 직물형 탄소섬유/에폭시 복합재료 (WSN3k, SK Chemical, Korea) 그리고 에폭시 접착제(Loctite 3128)가 사용되었다. 이 재료에 대한 물성을 Table 1에 정리 하였다.
데이터처리
- 11과 같이 휠이 최소한으로 구속되도록 스포크 부를 끈으로 고정하고, 충격 해머와 가진기를 사용하여 진동실험을 수행하였다. 제작한 시제품과 기존의 알루미늄 휠을 각각 10회씩 반복하여 실험하고 실험결과의 평균값을 비교하였다. 알루미늄 휠과 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠의 주파수 응답함수는 Fig.
- 제작한 시제품의 성능을 평가하기 위해 진동 실험을 수행하고 그 결과를 기존의 알루미늄 휠의 실험결과와 비교 하였다. Fig.
이론/모형
- 5 mm의 접착층을 형성하도록 제작되었다. 실험은 실험표준 규격(ASTM D1002, D5868)에 따라 실시되었다. 만능 시험기(MTS 810)를 이용하여 1.
- 본 연구에 사용할 접착제(Loctite 3128)의 물성을 확인 하기 위하여 인장 실험을 실시하였다. 실험표준 규격(ASTM D638)를 참고하여 시편을 제작하고 실험을 수행하였다. 실험은 만능 시험기(MTS-810)를 이용하여 1.
성능/효과
- 자동차 업체에서 권장하는 2,000,000 사이클의 회전 피로파괴 기준을 확인하기 위해 휠에 실험 하중을 구현하여 적용한 후 발생한 응력을 살펴보았다. 각 재료의 피로곡선에서 2,000,000 사이클에 해당하는 하중을 기준 하중으로 설정하여 해석 응력값이 기준하중보다 작을 경우 안전하다고 판단하였다. 정적 측면 하중 해석 시 확인된 가장 우수한 접착 조건(길이 35 mm, 두께 0.
- 이에 따라 노면이나 타이어에 가해지는 저 주파수 대역에서 나타나는 공진현상이 일어날 확률이 다소 줄어들 것으로 판단된다. 두 휠의 감쇠능을 계산한 결과 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠이 0.178%로 감쇠능이 0.135%인 알루미늄 휠에 비해 32% 증가하였다. 이를 통해 높은 승차감이 요구되는 최근의 경향에 부합하는 고성능 휠로서의 가능성을 확인하였다.
- 또한 접착층의 전단응력은 접착 길이 및 두께와 반비례 하는 것으로 나타났다. Fig.
- 각 재료의 피로곡선에서 2,000,000 사이클에 해당하는 하중을 기준 하중으로 설정하여 해석 응력값이 기준하중보다 작을 경우 안전하다고 판단하였다. 정적 측면 하중 해석 시 확인된 가장 우수한 접착 조건(길이 35 mm, 두께 0.5 mm)으로 해석을 수행한 결과 복합재료, 알루미늄, 그리고 에폭시 접착층 모두 각 재료의 피로 강도보다 낮은 응력이 작용하는 것을 확인하였다. 또한 굽힘 피로파괴의 경우도 같은 기준과 방법으로 평가하였다.
- 진동실험 결과 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠의 고유진동수는 602 Hz로 측정되었으며, 512 Hz의 고유진동수를 갖는 알루미늄 휠에 비해 약 16% 증가하였다. 이에 따라 노면이나 타이어에 가해지는 저 주파수 대역에서 나타나는 공진현상이 일어날 확률이 다소 줄어들 것으로 판단된다.
- 제작된 시제품의 성능을 평가하기 위해 진동실험을 수행하였다. 진동실험 수행 결과 복합재료를 적용함으로써 기존 알루미늄 휠에 비하여 고유진동수가 16% 증가하였으며, 감쇠능이 32% 증가하였고, 무게가 10% 경량화되었다. 이 연구결과는 차량의 연비 및 승차감 개선에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 5 mm에 대하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 에폭시 접착층은 모든 경우 실험하중으로부터 안전한 것으로 나타났다.
- 자동차 휠의 설계기준을 유한요소해석 기법으로 모사하여 복합재료 부와 알루미늄 부의 접착 사양(접착길이 및 접착두께)을 결정하고, 주요 하중조건에 대한 응력 해석을 통해 구조의 안전성을 검증하였다. 해석결과 접착 길이가 길고, 접착 두께가 두꺼울수록 안전성이 증가하였지만, 본 연구에서는 휠 형상을 고려하여 접착길이를 35 mm, 접착두께를 0.5 mm로 결정하였으며, 이러한 접착부 조건에 대해 주요 하중조건을 유한요소해석에 적용한 결과, 모든 구조물에서 파손응력보다 낮은 수준의 응력이 발생함을 확인하였다. 설계된 휠을 제작하기 위해 금속 금형 및 실리콘 금형을 제작한 후 금형 내부에 복합재료를 적층하는 방식을 통해 진공백 성형법으로 시제품을 제작하였다.
후속연구
- 진동실험 수행 결과 복합재료를 적용함으로써 기존 알루미늄 휠에 비하여 고유진동수가 16% 증가하였으며, 감쇠능이 32% 증가하였고, 무게가 10% 경량화되었다. 이 연구결과는 차량의 연비 및 승차감 개선에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 제안한 복합재료-알루미늄 하이브리드 휠을 제작하기 위해서는 이종재료간의 접착에 관한 연구가 수행되어야 한다. Kelly 등[10]은 복합재료-금속 단면겹치기 조인트의 피로수명에 관한 연구를 진행하고 그 결과를 복합재료-금속하이브리드 휠 설계에 이용하였다.
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