아우터 타이로드는 다른 차량 부품에 비해서 중량이 적지만, 차량 성능이 개선됨에 따라 부품의 수 및 중량에 증가하는 추세에 있다. 그러므로 자동차 연비 향상을 위해서는 경량화가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 전기 자동차용 아우터 타이로드의 경량화 설계를 위한 기초연구로서 구조성능을 검토하기 위한 유한요소해석을 수행하였다. 개발되는 아우터 타이로드의 재질은 일반 강을 이용하였고 좌굴 및 내구 성능을 검토하였다. 조향계 및 현가계 부품의 개발 시 관성력하중, 충격하중, 좌굴하중 및 내구하중에 의한 강도를 검토하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서는 극악한 하중으로 알려진 좌굴특성과 내구특성 만을 검토하였다. 또한 아우터 타이로드의 단면형상을 결정하는 파라미터를 설계변수로 정의하고 메타모델기반 최적화 기법을 적용하여 최적설계를 제시하였다. 그 결과 초기제품의 중량보다 9 % 감소를 실현하였다.
아우터 타이로드는 다른 차량 부품에 비해서 중량이 적지만, 차량 성능이 개선됨에 따라 부품의 수 및 중량에 증가하는 추세에 있다. 그러므로 자동차 연비 향상을 위해서는 경량화가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 전기 자동차용 아우터 타이로드의 경량화 설계를 위한 기초연구로서 구조성능을 검토하기 위한 유한요소해석을 수행하였다. 개발되는 아우터 타이로드의 재질은 일반 강을 이용하였고 좌굴 및 내구 성능을 검토하였다. 조향계 및 현가계 부품의 개발 시 관성력하중, 충격하중, 좌굴하중 및 내구하중에 의한 강도를 검토하는 것이 일반적이지만, 본 연구에서는 극악한 하중으로 알려진 좌굴특성과 내구특성 만을 검토하였다. 또한 아우터 타이로드의 단면형상을 결정하는 파라미터를 설계변수로 정의하고 메타모델기반 최적화 기법을 적용하여 최적설계를 제시하였다. 그 결과 초기제품의 중량보다 9 % 감소를 실현하였다.
Outer tie rod is lighter than other, but there is the trend item weight and the number is increasing due to vehicle performance improvement. Thus, to improve vehicle fuel efficiency, weight lightening is essential. Therefore, this research performed the finite element analysis to investigate the str...
Outer tie rod is lighter than other, but there is the trend item weight and the number is increasing due to vehicle performance improvement. Thus, to improve vehicle fuel efficiency, weight lightening is essential. Therefore, this research performed the finite element analysis to investigate the structural performance of the outer tie rod for an electrical vehicle. This study was performed as the preliminary study for a lightweight design of the outer tie rod. The weight of outer tie rod was optimized by adopting the steel material and applying the trial and error method. The strengths due to durability and buckling should be considered in the structural design of an outer tie rod. Furthermore, the meta model-based optimization was applied to obtain its lightweight design, leading to 9 % weigh reduction.
Outer tie rod is lighter than other, but there is the trend item weight and the number is increasing due to vehicle performance improvement. Thus, to improve vehicle fuel efficiency, weight lightening is essential. Therefore, this research performed the finite element analysis to investigate the structural performance of the outer tie rod for an electrical vehicle. This study was performed as the preliminary study for a lightweight design of the outer tie rod. The weight of outer tie rod was optimized by adopting the steel material and applying the trial and error method. The strengths due to durability and buckling should be considered in the structural design of an outer tie rod. Furthermore, the meta model-based optimization was applied to obtain its lightweight design, leading to 9 % weigh reduction.
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문제 정의
본 연구에서의 아우터 타이로드의 구조 성능은 좌굴 및 내구를 고려하고 있으며, 경험적으로 이 두 성능 중, 좌굴 성능이 보다 엄격한 조건에 해당된다. 따라서 본 연구에서는 좌굴만을 고려하여 최적설계를 찾고, 이 설계에 대해 내구기준을 만족하는 지를 검토한다. 그 과정을 Fig.
본 연구에서 메타모델을 이용한 구조설계에서 얻어진 최적화 모델에 대하여 정적 내구해석 방법으로 피로 수명 예측을 하였다. 정적 내구해석은 구조해석을 우선 실시하고 그 결과에 하중 이력을 적용하여 피로 수명을 예측하는 방법이다.
본 연구에서 전기 자동차용 조향계 부품인 아우터 타이로드에 대하여 좌굴하중과 내구 기준을 적용하여 형상최적설계를 수행하였으며, 그에 따른 결과로 중량을 감소시킨 아우터 타이로드 모델을 제시하였다.
본 연구에서는 전기자동차용 아우터 타이로드의 재료인 S45C에 대해 구조해석 및 최적화를 진행하였다. 초기 모델에 대하여 구조적인 제한 조건과 성능적인 제한 조건을 만족하면서 중량을 감소시킨 설계를 제시하였다.
가설 설정
하지만 본 제품은 차량 제조사의 요구에 따라 강으로 제작되어야한다. 둘째 초기 모델의 원형 단면 형상은 좌굴에 취약하다. 이 단면을 타원형으로 바꿔 중량을 감소시킨 최적설계 연구 사례[2]가 있지만, 아우터 타이로드를 가공 시에 가공성에 대한 문제가 있기 때문에 다른 형태의 형상은 고려할 수 없다.
제안 방법
1. 아우터 타이로드 초기 모델을 수정하여, 초기 모델과의 좌굴하중 값을 비교하였다. 그 결과, 좌굴하중 최소 기준인 18 kN을 상회하였다.
2. 좌굴하중 최소 기준을 만족한 아우터 타이로드 모델에 설계변수를 지정하고, 크리깅 메타모델을 이용하여 좌굴하중 기준에 만족하도록 경량화를 진행하였다. 최적화 모델은 387 g이며, 기존모델에 비해 약 9 %의 경량화를 이루었다.
2와 같이 전기 자동차용 아우터 타이로드의 초기 모델을 선정하였다. 기존 모델에서 소켓부와 타이로드 사이의 각도와 라운드를 고려하여 모델링을 하였다.
이는 기존의 상용 프로그램에 들어있는 구조최적설계 모듈을 적용 할 때, 유한요소(finite element)가 왜곡되어 최적화 진행이 어렵게 되는 단점을 해결하기위한 것이다. 메타모델의 간편한 적용을 위하여 좌굴(buckling) 성능만을 제한조건으로 설정하고 아우터 타이로드의 최적화를 진행하였다. 아우터 타이로드의 내구 해석과 좌굴 강도 해석을 위하여 각각 MSC.
하중 이력의 도로 하중 측정인 RLDA(road load data acquisition)[9] 값을 사용하거나, 여러 가지 파형을 이용한 해석이 가능하다. 본 과제에서는 등가하중에 의한 피로해석을 실시하기 때문에 삼각함수에서 나타나는 Sine 파형을 이용하여 피로해석을 수행한다. Fig.
실험계획법으로는 수치 해석, 행렬 연산, 신호 처리, 간편한 그래픽(graphic) 기능 등을 통합하여 고성능의 수치 계산 및 결과의 가시화 기능을 제공하는 프로그램인 MATLAB에 내장되어 있는 라틴하이퍼큐브(Latin Hypercube Design, LHD) 생성 명령어인 lhsdesign을 이용하여 표본점 50개를 생성하였다.
아우터 타이로드의 형상 최적화는 소켓부와 이어지는 타이로드의 길이, 두께와 라운딩곡선에 대한 설계변수를 정의하였다. 아우터 타이로드의 전체길이는 고정되어 있고, 타이로드의 끝 부분은 인너 타이로드와 결합하기 때문에 설계 변수에서 제외되었으며, 경량화를 위한 설계 변수는 좌굴 하중에 의한 응력집중(stress concentration)이 발생이 예측되어지는 소켓부와 타이로드 곡선과 곡선이 끝나는 지점에서의 길이와 그 길이에 대한 두께에 대하여 설계변수를 설정하였다. Fig.
본 연구에서는 전기자동차용 아우터 타이로드의 재료인 S45C에 대해 구조해석 및 최적화를 진행하였다. 초기 모델에 대하여 구조적인 제한 조건과 성능적인 제한 조건을 만족하면서 중량을 감소시킨 설계를 제시하였다. 적용한 최적화 기법은 크리깅(kriging)을 이용한 메타모델(meta-model) 방법을 적용하였다.
추가적으로 최적화된 모델을 축방향 힘에 대하여 내구해석을 진행하였고, 3가지의 내구기준에 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 최종적으로 경량화 설계를 완료한 아우터 타이로드 모델을 제시하였다.
대상 데이터
아우터 타이로드의 구조해석에서는 아우터 및 인너 타이로드를 결합시키기 위해 존재하는 볼트(bolt) 및 너트부(nut)는 해석결과에 영향을 미치지 않는다. 따라서 본 연구에서 적용한 볼트 및 너트를 제외한 캐드 모델(CAD model)의 중량은 약 430 g이다.
본 연구에서의 아우터 타이로드는 전기자동차에 장착되는 부품으로 A업체에서 생산하기 위하여 설계 중인 제품으로 설계를 위한 초기 모델은 강을 기준으로 하였을 때 450 g의 중량을 가지고 있다.
이와 같은 제약을 고려하여 Fig. 2와 같이 전기 자동차용 아우터 타이로드의 초기 모델을 선정하였다. 기존 모델에서 소켓부와 타이로드 사이의 각도와 라운드를 고려하여 모델링을 하였다.
Fatigue를 사용하여 피로해석을 수행하려면 재료에 대한 피로 물성과 하중 이력이 필요하다. 피로 물성은 ϵ-N 데이터나 S-N 데이터를 사용한다. 하중 이력의 도로 하중 측정인 RLDA(road load data acquisition)[9] 값을 사용하거나, 여러 가지 파형을 이용한 해석이 가능하다.
이론/모형
Fatigue[7]에서 제공하는 선형탄성구간 구조해석의 결과를 소성영역까지 고려하여 보정할 수 있는 Neuber Rule을 적용하였다. 또한 평면 응력효과를 고려하기 위해 내구 평가 지수인 SWT(Smith-Watson-Topper)방법을 적용하였다.[8] MSC.
메타모델의 간편한 적용을 위하여 좌굴(buckling) 성능만을 제한조건으로 설정하고 아우터 타이로드의 최적화를 진행하였다. 아우터 타이로드의 내구 해석과 좌굴 강도 해석을 위하여 각각 MSC.Fatigue와 ABAQUS V6.10.3을 사용하였다[5,6].
아우터 타이로드의 좌굴 강도를 평가하기 위하여 ABAQUS를 사용하였다. 좌굴 강도 해석의 결과를 Fig.
내구해석을 위한 하중은 A업체에서 제공받은 축 방향 하중으로 적용하였다. 이 때 피로 수명 예측을 위하여 변형률-수명법을 사용하였다.
일반적으로 구조해석은 선형 탄성구간에서 수행하기 때문에 소성영역에서의 해를 고려할 수 없는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 MSC.Fatigue[7]에서 제공하는 선형탄성구간 구조해석의 결과를 소성영역까지 고려하여 보정할 수 있는 Neuber Rule을 적용하였다. 또한 평면 응력효과를 고려하기 위해 내구 평가 지수인 SWT(Smith-Watson-Topper)방법을 적용하였다.
초기 모델에 대하여 구조적인 제한 조건과 성능적인 제한 조건을 만족하면서 중량을 감소시킨 설계를 제시하였다. 적용한 최적화 기법은 크리깅(kriging)을 이용한 메타모델(meta-model) 방법을 적용하였다. 이는 기존의 상용 프로그램에 들어있는 구조최적설계 모듈을 적용 할 때, 유한요소(finite element)가 왜곡되어 최적화 진행이 어렵게 되는 단점을 해결하기위한 것이다.
성능/효과
3. 추가적으로 최적화된 모델을 축방향 힘에 대하여 내구해석을 진행하였고, 3가지의 내구기준에 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 최종적으로 경량화 설계를 완료한 아우터 타이로드 모델을 제시하였다.
4에 나타내었다. 유한요소해석을 위해 수정된 CAD모델의 대한 좌굴 강도는 초기 제품보다 기준을 상회하는 것으로 나타났다.
좌굴하중 최소 기준을 만족한 아우터 타이로드 모델에 설계변수를 지정하고, 크리깅 메타모델을 이용하여 좌굴하중 기준에 만족하도록 경량화를 진행하였다. 최적화 모델은 387 g이며, 기존모델에 비해 약 9 %의 경량화를 이루었다.
후속연구
4. 추후에 단조공정을 고려한 아우터 타이로드의 성형 기술에 대하여 연구를 진행할 계획이다.
현재 자동차 산업에서 가장 중심이 되는 화두는 지구 온난화에 대응하기 위해 연비가 높고 배기가스의 배출이 적은 친환경 자동차의 개발이라고 할 수 있다. 연비향상과 배기가스 저감 기술은 서로 연계성이 높은 기술로 세계 각국에서는 차량의 연비규제를 실시하고 있으며 이는 향후 새로운 기술 장벽으로 작용 할 것으로 예상된다. 따라서 국내에서도 연비가 높은 자동차를 만들기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다[1,2].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
조향계 링크구조에서 조향력은 어떻게 바퀴에 전달되는가?
1은 조향계 링크구조(link structure)를 나타내고 있다. 조향 휠(steering wheel)에서 조향기어(steering gear), 피트먼 암(pitman arm), 릴레이 로드(relay rod), 인너 타이로드(inner tie rod, ITR)를 거친 조향력이 아우터 타이로드를 거쳐 최종적으로 너클을 통해 바퀴에 전달된다.
경량화 기술의 장점은 무엇인가?
한편 최근 가장 기술 개발이 활발한 하이브리드 자동차 (hybrid vehicle), 전기자동차 등 신 에너지원을 활용하는 기술은 적용확대를 위한 시간이 필요하고 새로운 인프라(infrastructure) 구축이 요구되는 등의 문제점이 있다. 하지만 경량화 기술은 상대적으로 적용이 용이하고 기존 내연기관 자동차와 전기구동 자동차에 모두 적용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 차량의 안전성과 편이성에 대한 요구 증대로 차량에 장착되는 부품의 수 및 중량이 증가하는 추세에 있어 자동차의 연비 향상을 위해서는 경량화가 필수적이므로 이에 대한 국내 기술개발이 필요하다.
아우터 타이로드는 어떤 부품인가?
아우터 타이로드는 차량의 핸들의 움직임에 따라 방향을 전환하는 기능을 하는 조향기관에 속하는 부품이다. Fig.
참고문헌 (9)
J.K. Kim, S.M. Seo, Y.J. Kim, D.J. Lee, S. Lee, Y.C. Park, K.H. Lee "Structural Performance Test of Optimized Outer Tie Rod," Journal of Automobile Engineering, Vol. 11, No. 5, pp. 82-87 2012
Song B. C., Park Y. C., Kang S. W., Lee K. H.,"Structural Optimization of an Upper Control Arm, Considering the Strength," Journal of Automobile Engineering, Vol. 223, No. 6, pp. 727-735, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1243/09544070JAUTO1090
K.H.Ko, S.C.Choi, "A study on the improvement of vehicle fuel economy by fuel-cut" ournal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 2, pp. 498-503, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.2.498
J.W.Jo, M.S.Han, "A Study on Simulation Analysis of Fatigue Deformation at Automotive Arm" Journal of The Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 8, No. 3, pp. 427-431, 2007.
S.I.song, K.j.Bae, K.H.Lee, G.G. Park, "Lightweight Design for Automotive Door Using Optimizations and Design of Experiments," Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol.10, No.1, 2002, pp. 125-132.
Y.C.Park, D.P.Yun, G.J.Han, M.H. Bae, D.B.Jin, B.J.Lee, "Stress Analysis of Lower Arm for Change of Section Shape(1)," Transactions of Korea Society of Automotive Engineers, Vol.6, 1998,pp. 99-107.
J.K.Kim, Y.M.Kwon, Y.C.Park, K.H.Lee, "Shape Design of an Outer Tie Rod, Considering Durability Criteria" Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 8, No. 4, pp. 54-60, 2009.
J.M.Ryoo, J.S.Yang, K.J.Han, "A study in Vehicle durability test method with 4post Road Simulator" Journal of The Korean Society of Automotive Engineers, pp. 1571-1575, 2009.
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