[논문]승용차 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈의 실험적 정강도 특성 평가

조원용; 최규재

doi:10.7467/ksae.2013.21.4.166

승용차 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈의 실험적 정강도 특성 평가
Experimental Static Strength Evaluation of a Passenger Car Aluminium Multi-link Suspension Corner Module 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.4, 2013년, pp.166 - 173

조원용 (군산대학교 자동차부품기술혁신센터) , 최규재 (군산대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

An aluminum suspension corner module is widely used in high class passenger cars to reduce vehicle weight and improve fuel economy. According to the change of material and suspension type, the evaluation of the static strength and failure mode of the corner module is important. In this study, static strength and failure mode analysis of aluminium multi-link suspension corner module is presented. Static strength test system is designed and static failure mode tests of the corner module are carried out in longitudinal, lateral, and vertical direction. From the resuls of the tests we found that the failure modes are different compare to those of the steel corner module. The static failure modes and load-displacement curves of this study will be used as a guidance in design of a passenger car aluminium multi-link suspension corner module.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 고급 승용차량에 적용된 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈에 대해 실험적 연구를 통하여 전후, 좌우, 상하방향의 정적 파손모드를 분석하고 정강도 특성을 고찰하였다. 이를 위해 본 논문에서는 멀티링크 현가장치 코너모듈의 정강도 시험 평가 시스템을 구축하고 방향별 대하중 작용에 따른 모듈 구성 부품의 정강도 및 파손모드를 분석하였다.
본 논문에서는 고급 승용차량에 적용된 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈에 대해 실험적 연구를 통하여 전후, 좌우, 상하방향의 정적 파손모드를 분석하고 정강도 특성을 고찰하였으며 다음과 같이 요약할 수 있다.

제안 방법

1) 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈의 정적 파손모드 분석을 위한 전용 시험 시스템을 설계 및 구축하였다.
대상 현가장치 코너모듈의 방향별 정강도 시험을 진행하기 위해서 수평 및 수직 반력지그를 설계 제작했으며 실차 장착상태를 구현하도록 모듈 각부의 고정 점(hard point)을 이용하여 장착 지그를 설계하였다. 또한 정강도 시험에서 정확한 하중 부여를 위하여 하중 인가용 어댑터(loading adapter)를 설계하였으며 어댑터는 시험 진행 시 모듈의 변형에 영향을 받지 않도록 고안하였다.
대상차량 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈의 정적 파손 모드 분석을 위하여 정강도 시험 평가시스템을 구축하였다. 현가장치 코너모듈을 장착할 U 프레임 지그를 설계하였으며 각 부품의 장착 위치는 실차 장착 위치와 동일하게 설계하였고 차량설계 위치에 휠 센터가 위치하도록 구성하였다.
대상 현가장치 코너모듈의 방향별 정강도 시험을 진행하기 위해서 수평 및 수직 반력지그를 설계 제작했으며 실차 장착상태를 구현하도록 모듈 각부의 고정 점(hard point)을 이용하여 장착 지그를 설계하였다. 또한 정강도 시험에서 정확한 하중 부여를 위하여 하중 인가용 어댑터(loading adapter)를 설계하였으며 어댑터는 시험 진행 시 모듈의 변형에 영향을 받지 않도록 고안하였다. 하중 인가부는 상하, 전후, 좌우 6방향으로 직진 하중을 가해야 하며 코너모듈 변형이 발생할지라도 동일한 방향의 하중을 가할 수 있도록 선형 운동 가이드(LM guide) 및 가이드-어댑터 조립부에 로드 앤드 베어링(rod end bearing)을 채용하였다.
상하, 좌우, 전후 방향으로 하중을 인가하여 코너모듈에 파손이 발생될 때까지 시험을 진행하였다. 한 방향 시험이 완료된 후 코너모듈을 분해하여 파손형태를 분석하였으며 새로운 코너모듈을 재조립한 후 다른 방향의 정강도 시험을 수행하였다.
하중 인가부는 상하, 전후, 좌우 6방향으로 직진 하중을 가해야 하며 코너모듈 변형이 발생할지라도 동일한 방향의 하중을 가할 수 있도록 선형 운동 가이드(LM guide) 및 가이드-어댑터 조립부에 로드 앤드 베어링(rod end bearing)을 채용하였다. 어댑터는 대상 모듈의 휠 너트(wheel nut)에 고정되도록 설계하였으며 타이어 접지점에 하중이 정확히 작용할 수 있도록 휠 옵셋(wheel offset)과 동하중 반경(dynamic loaded radius of tire)을 고려하여 어댑터 구조를 설계하였다. Fig.
따라서 본 논문에서는 고급 승용차량에 적용된 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈에 대해 실험적 연구를 통하여 전후, 좌우, 상하방향의 정적 파손모드를 분석하고 정강도 특성을 고찰하였다. 이를 위해 본 논문에서는 멀티링크 현가장치 코너모듈의 정강도 시험 평가 시스템을 구축하고 방향별 대하중 작용에 따른 모듈 구성 부품의 정강도 및 파손모드를 분석하였다.
정강도 시험을 진행하기 위해서는 전륜 현가장치 모듈을 U 프레임 지그에 장착한 후 전후, 좌후, 상하 방향으로 하중을 작용시켜야 하며 이때 시험 방향이외의 방향으로 하중 간섭이 일어나지 않도록 시스템을 설치하여야 한다. 이를 위해 설계 제작된 시험 시스템에 대상 현가장치 코너모듈을 장착하고 실제 차량과 동일한 조립 상태를 구현하도록 부품별 체결 토크를 준수하여 전체 모듈을 조립하였다. 조립된 코너모듈은 차량총중량(GVW) 상태의 설계위치에 맞추어 상하 변위를 고정하였으며 하방향의 경우 하강 스트로크(rebound stroke)로 고정하였다.
한 방향 시험이 완료된 후 코너모듈을 분해하여 파손형태를 분석하였으며 새로운 코너모듈을 재조립한 후 다른 방향의 정강도 시험을 수행하였다. 이에 따라 6개의 코너모듈에 대해 6개 방향으로 파손이 발생할 때까지 시험을 진행하였고 이에 따른 정적 파손모드와 하중-변위 곡선을 도출하였다.
이를 위해 설계 제작된 시험 시스템에 대상 현가장치 코너모듈을 장착하고 실제 차량과 동일한 조립 상태를 구현하도록 부품별 체결 토크를 준수하여 전체 모듈을 조립하였다. 조립된 코너모듈은 차량총중량(GVW) 상태의 설계위치에 맞추어 상하 변위를 고정하였으며 하방향의 경우 하강 스트로크(rebound stroke)로 고정하였다. 하중 인가 반대 편 모듈은 1G 상태를 유지하도록 고정하였다.
현가장치 코너모듈을 장착할 U 프레임 지그를 설계하였으며 각 부품의 장착 위치는 실차 장착 위치와 동일하게 설계하였고 차량설계 위치에 휠 센터가 위치하도록 구성하였다. 코너모듈에 정강도 시험을 수행하기 위해서는 대하중을 발생시키고 제어가 가능한 유압 액츄에이터가 필요하며 본 논문에서는 Table 2에 기술한 바와 같은 사양의 시스템을 사용하였다.
또한 정강도 시험에서 정확한 하중 부여를 위하여 하중 인가용 어댑터(loading adapter)를 설계하였으며 어댑터는 시험 진행 시 모듈의 변형에 영향을 받지 않도록 고안하였다. 하중 인가부는 상하, 전후, 좌우 6방향으로 직진 하중을 가해야 하며 코너모듈 변형이 발생할지라도 동일한 방향의 하중을 가할 수 있도록 선형 운동 가이드(LM guide) 및 가이드-어댑터 조립부에 로드 앤드 베어링(rod end bearing)을 채용하였다. 어댑터는 대상 모듈의 휠 너트(wheel nut)에 고정되도록 설계하였으며 타이어 접지점에 하중이 정확히 작용할 수 있도록 휠 옵셋(wheel offset)과 동하중 반경(dynamic loaded radius of tire)을 고려하여 어댑터 구조를 설계하였다.
상하, 좌우, 전후 방향으로 하중을 인가하여 코너모듈에 파손이 발생될 때까지 시험을 진행하였다. 한 방향 시험이 완료된 후 코너모듈을 분해하여 파손형태를 분석하였으며 새로운 코너모듈을 재조립한 후 다른 방향의 정강도 시험을 수행하였다. 이에 따라 6개의 코너모듈에 대해 6개 방향으로 파손이 발생할 때까지 시험을 진행하였고 이에 따른 정적 파손모드와 하중-변위 곡선을 도출하였다.
대상차량 알루미늄 멀티링크 현가장치 코너모듈의 정적 파손 모드 분석을 위하여 정강도 시험 평가시스템을 구축하였다. 현가장치 코너모듈을 장착할 U 프레임 지그를 설계하였으며 각 부품의 장착 위치는 실차 장착 위치와 동일하게 설계하였고 차량설계 위치에 휠 센터가 위치하도록 구성하였다. 코너모듈에 정강도 시험을 수행하기 위해서는 대하중을 발생시키고 제어가 가능한 유압 액츄에이터가 필요하며 본 논문에서는 Table 2에 기술한 바와 같은 사양의 시스템을 사용하였다.

대상 데이터

Table 1은 본 논문의 대상차량 제원을 기술한 것이며 현가장치는 Fig. 1에 도시한바와 같이 2개의 어퍼 암(upper arm), 로워 암(lower arm) 및 텐션 암(tension arm)으로 구성된 멀티링크 방식이며 텐션 암 이외의 암류와 너클(knuckle), 서브프레임(subframe)의 소재를 알루미늄으로 적용하였다. Fig.

성능/효과

2) 대하중 유입에 따른 주요 부품의 변형 및 파손 형태, 취약부 등 방향별 정적 파손모드를 분석하였으며 현가장치의 기구학적 특성과 재질 변화에따라 기존 스틸 코너모듈과 다른 파손 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
3) 각 방향의 정강도를 차량 중량과 기준설계하중에 대하여 비교 분석하였으며 모든 방향의 정강도가 기준설계하중을 만족하고 있으나 상하방향의 경우 추가적인 보완설계가 필요함을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문에서 실험적 연구를 통해 분석한 정적 파손모드 및 하중-변위 특성은 향후 알루미늄 소재를 적용한 멀티링크 현가장치 코너모듈 개발 시 비교기준으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 현가장치 코너모듈의 정적 파손 모드 분석의 필요성이 대두되고 있는 이유는 무엇인가?	3,4) 특히 자동차가 범프, pot hole 통과, 차도와 인도의 경계석 충돌 등 타이어로부터 대하중이 차량의 전후, 좌우, 상하로 들어왔을 때 모듈부품의 변형 및 좌굴, 파손이 일어나는데 이와 같은 대하중 입력 상황에 대한 정강도를 고려하여 현가장치 부품 및 모듈을 해석 설계하고있다.5,6) 그러나 알루미늄은 스틸에 비하여 연신율이 떨어지는 등 재질적 특성이 기존 스틸과 다르게 나타나기 때문에 대하중에 따른 파손 형태가 기존 스틸 현가장치 코너모듈과 달라지게 되어 알루미늄 현가장치 코너모듈의 정적 파손 모드 분석의 필요성이 대두되고 있다.
	자동차 현가장치에 알루미늄 부품들이 확대 적용되는 이유는 무엇인가?	자동차 현가장치는 노면으로부터 전달되는 진동이나 충격을 감쇠시킴으로써 차체의손상을 방지하고 승차감을 향상시키는 역할을 담당한다. 최근 스프링 하부 질량(unsprung mass)을 감소시켜 관성모멘트를 줄임으로써 승차감 및 조종 안전성을 확보하기 위하여 알루미늄 현가장치 부품들이 확대 적용되고 있다.
	현가장치 코너모듈 개발하기 위해서 어떤 실험이 실시되고 있는가?	일반적으로 현가장치 코너모듈을 개발하기 위해서는 강도 및 내구성을 확보해야 하며 개발된 모듈의 성능을 평가하기 위하여 내구시험 뿐만 아니라 정강도 시험을 실시하고 있다.3,4) 특히 자동차가 범프, pot hole 통과, 차도와 인도의 경계석 충돌 등 타이어로부터 대하중이 차량의 전후, 좌우, 상하로 들어왔을 때 모듈부품의 변형 및 좌굴, 파손이 일어나는데 이와 같은 대하중 입력 상황에 대한 정강도를 고려하여 현가장치 부품 및 모듈을 해석 설계하고있다.

참고문헌 (7)

R. Borns and D. Whitacre, "Optimizing Designs of Aluminum Suspension Components Using an Integrated Approach," SAE 2005-01-1387, 2005.
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H. S. Park, J. K. Kim, S. M. Seo, K. H. Lee and Y. C. Park, "Structural Design of a Front Lower Control Arm Considering Durability," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.8, No.4, pp.69-75, 2009.
B. C. Song, H. S. Park, Y. M. Kwon, S. H. Kim, Y. C. Park and K. H. Lee, "Structural Design of an Upper Control Arm Considering Static Strength," Transactions of KSAE, Vol.17, No.1, pp.190-196, 2009.
J. S. Koo, Y. G. Lee, J. S. Choi, D. G. Choo, S. Y. Shin and T. H. Lee, "Development of Automated Module Static Analysis System for Chassis," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.983-986, 2006.
D. C. Lee and J. I. Lee, "Structural Optimization Concept for Design of an Aluminium Control Arm," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.217, No.8, pp.647-656, 2003.

상세보기
S. P. Kim, J. K. Lee, Y. H. Oh and U. K. Lee, "The Development of Multi-link Suspensions for Hyundai Genesis," SAE 2009-01-0224, 2009.

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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