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무용접 조향 축의 단조 공정 해석 및 신뢰성 평가 연구
The Evaluation of Reliability and Forged Process Analysis on Non-weld Forged Steering Shaft 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.6, 2013년, pp.201 - 208  

나완용 (신성대학교 자동차공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, there has been an active study about weight reduction for automotive. This study is prediction and evaluation of one pice type steering component, which is universial joint. Steering system is a core of major safe device in vehicle. Universial shaft adopted in steering system transmit stee...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 공정은 도면 공정 중 마지막 공정을 제외한 이전 공정에서 일어나는 소재 변화에 목적을 두고 진행 하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 이러한 일체형 조향축의 생산성 향상을 위한 해석과 일체형에 따른 성형공정을 해석하여 전체적인 제품 개발에 기여하고자 하였다. 이러한 Universal Joint는 국내 소형차량 적용시 그모듈 부품이 1.
  • 철강소재를 활용한 Universal Joint Module 성형가공, 공정, 특성을 기반으로 하여 알루미늄을 이용한 경량소재 및 경량화 공법을 통하여 해외선진 Universal Joint Module에 비하여 우수한 경량성 및 기계적 특성을 나타내는 무용접에 의한 안전성향상 및 경량 Universal Joint Module 개발이 이루어지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 일체형 조향축 개발에 따른 성형공정 해석과 제품의 신뢰성을 확보하기 위한 제반 기술을 연구하여 제품 생산에 필요한 기술을 기여하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 구조 강도 해석을 통해 일체형 조향 샤프트의 안전성 평가를 수행하였으며, 알루미늄을 적용한 경우와 기존 스틸 재질을 적용한 경우의 강도해석을 통해 경량화 조향 샤프트의 가능성을 검토하였다. 또한 스틸 재질의 일체형 조향샤프트의 시작품을 제작하고 실차 상태 성능 평가를 다양한 운전조건 하에서 기존의스틸재질 용접형 조향 샤프트와 비교하여 평가함으로써 일체형 조향 샤프트의 기존품 대체 가능성을 검토하였다.
  • 본 연구에서는 원가 절감 및 생산성 향상을 위하여 자동차 조향기의 클램프 요크를 냉간 단조로 성형하는 공정을 개발하고자 한다. 먼저 클램프 요크에 요구되는 설계 조건 및 기존 공정의 문제점을 분석한다.
  • 이에 따라 경량화 및 안전성 확보차원의 시너지 효과를 나타낼 수 있는 자동차 부품기반기술을 개발화 하는데 있어 Yoke 부가 무용접형 일체형으로 형성될 수 있도록 단조금형, 단조초경, 단조공정 등의 개발에 따른 단조 공법에 의하여 1차년도 기존차량의 안전성 향상을 위한 철강재로 이루어진 경량화 공법에 따른 일체형 Shaft Joint와 Pipe Joint의 개발을 선행함으로써 기존조향 부품의 안전성 향상을 통하여 급속한 제품화 / 사업화의 기반 조성을 이루고자 한다.

가설 설정

  • 금형설계의해석조건은다음과같이가정하여실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Universal Joint Module의 특징은 무엇인가? Universal Joint Module은 Shaft Joint와 Pipe Joint의 암수구조물이 결합한 형태로서 결합부위가 사각, 스플라인형, 세레이션 형이 있으며 각각 프레스 공법 또는 주조에 의해 성형된 요크부와 냉간단조에 의한 개략적 예비성형과 스웨이징 및 절삭공정에 의하여 성형된 축 및 파이프부의 용접에 의하여 가공되어 조립됨으로써 모듈화 하는경향이있다.
용접의 단점은 무엇인가? 용접에 의한 Universal Joint Module 부품은 단시간에 재료를 국부적으로 접합하므로 요크부와 축, 파이프부의 재질 변화, 용접균열 수축 변형 및 잔류 응력 등의 결함에 의한 계면간 파괴를 일으키기 쉬우며 용접부위에 응력 집중이 생기기 쉽고 용접은 품질 관리가 곤란하며 용접조건에 따라 부품의 물성이 좌우되는 단점을 가지고 있다.
본 연구에서 제품의 경량화에 따른 제품의 금형 설계와 성형 공정의 최적화를 연구한 결과는 무엇인가? 1) 동일 형상에 대하여 강과 알루미늄을 적용하여 구조 해석을 실시한 결과 알루미늄 모델의 경우강 대비 0.5% 응력이 상승하였으나, 이는 구조해석 기준치인 재질의 항복응력 (17kgf/mm2)과비교하여 매우 낮은 수치로써 기준치를 만족하고 있음을 알 수 있다. 2) 비틀림 각을 고려할 경우 알루미늄 모델에서 강 대비 약 3배 정도의 비틀림 각이 발생하는 것으로 나타났으며 세레이션 연결부의 결합 상태에 따라서 알루미늄 모델의 경우 더 큰 비틀림 각이 발생할 가능성이있다는것을 확인하였다. 3) 내구 해석을 실시한 결과 각각 적용된 재질 기준으로 강과 알루미늄의 경우 무한 수명을 나타내고 있음을 파악하였고 기존 강으로 제작된 조향 축을 알루미늄으로 대체할 경우 최대 60% 이상의 중량 저감 효과가 있으며, 형상 최적화를 통하여 추가적인 중량 저감이 가능하다는 결과를 얻었다. 4) 항복 응력(29.5kgf/mm2) 대비 최대 발생 응력 (7.46kgf/mm2)이 편차가 크므로 항복 응력 기준을 만족하면서 기존 형상에서 중량이 저감된 모델을 최적화 해석을 통하여 찾을수 있었다.
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참고문헌 (3)

  1. J. J. Sim, K. S. Kim and W. S. Yoo, "Modelinh of a Steering System and Design of an Intermediate Shaft," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.601-606, 2000. 

  2. I. R. Park and Y. I. You, "Theoretical Study of Steering Effort-using Autosim," KASE Fall Conference Proceedings, pp.497-502,1999. 

  3. H. H. Coeles and Y. P. Chin, "Computer-aided Analysis of a Steering Column Using Cardan Universial Joints," SAE 841204, 1984. 

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