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전기 자동차용 아우터 타이로드의 구조설계

Structural Design of the Outer Tie Rod for an Electrical Vehicle

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.9, 2013년, pp.4171 - 4177  

서부교 (동아대학교 대학원 기계공학과) ,  김종규 ((주)센트랄 중앙연구소) ,  이동진 ((주)센트랄 중앙연구소) ,  서선민 ((주)센트랄 중앙연구소) ,  이권희 (동아대학교 기계공학과) ,  박영철 (동아대학교 기계공학과)

초록
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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 파라미터설계변수로 정의하고 메타모델기반 최적화 기법을 적용하여 최적설계를 제시하였다. 그 결과 초기제품의 중량보다 9 % 감소를 실현하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (9)

  1. 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 

  2. 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 

  3. 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 

  4. 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. 

  5. 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. 

  6. 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. 

  7. MSC. Software Corporation. (2007). MSC.Fatigue BASIC User's Guide. Santa Ana. California. 

  8. 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. 

  9. 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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