[논문]자동차 휠의 종류별 피로 내구성 해석

한문식; 조재웅

doi:10.7467/ksae.2014.22.6.068

자동차 휠의 종류별 피로 내구성 해석
Fatigue Durability Analysis due to the Classes of Automotive Wheels 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.6, 2014년, pp.68 - 74

한문식 (계명대학교 기계자동차공학과) , 조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study analyzes structural stress and fatigue about three types of automotive wheels. As maximum equivalent stresses at 1, 2 and 3 types become lower than the yield stress of material and deformations become minute, theses types are thought be safe on durability. Type 2 model has the most fatigue life among three kinds of types and the rest of models with fatigue lives are shown in the order of type 1 and 3. As the most fatigue frequency of type 2 model happens at the state of average stress and amplitude stress on the stress range narrower than type 1 or 3, type 2 model becomes most stable. In case of type 2 with the state near the average stress of 0 MPa and the amplitude stress of 300MPa, the possibility of maximum damage becomes 30%. This stress state can be shown as the most damage possibility. These study results can be effectively utilized with the design on automotive wheel by anticipating and investigating prevention and durability against its damage.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 알루미늄 합금 휠의 형상별 응력에 따른 피로수명 예측을 통하여 알루미늄 휠의 안정성과 강도를 분석하였다. CATIA를 이용하여 자동차 휠을 모델링 후 ANSYS를 이용하여 알루미늄 합금 휠의 구조해석 결과에 의한 응력 값을 기반으로 하여 피로해석을 하였다.
본 논문은 총 3가지 Type의 휠에 대한 구조 및 피로 해석을 수행하여 다음과 같은 해석결과를 보였다.
본 연구에서는 현장에서 쉽게 볼 수 있는 변동 피로하중을 받는 휠을 시뮬레이션을 하였고 그 재료의 안전성과 수명 관계를 해석하였다. 이 휠은 자동차가 달리는데 가장 중요하고, 생명과 연관이 되어서 매우 안전해야 한다.

가설 설정

2) 피로 수명은 Type 2가 가장 많음을 보이고 있고 Type 1, Type 3순으로 되어 있다. 진폭 응력과 평균 응력에 대한 그 최대의 빈도수에 대해서는 Type 2 모델은 그 빈도수가 일어나는 응력 상태의 구간이 훨씬 적어 피로 하중에 대하여 가장 안정적인 것을 볼 수 있고, Type 1, Type 3 모델 순으로 응력 상태의 구간이 커져서 불안정함을 보이고 있다.

제안 방법

본 논문에서는 알루미늄 합금 휠의 형상별 응력에 따른 피로수명 예측을 통하여 알루미늄 휠의 안정성과 강도를 분석하였다. CATIA를 이용하여 자동차 휠을 모델링 후 ANSYS를 이용하여 알루미늄 합금 휠의 구조해석 결과에 의한 응력 값을 기반으로 하여 피로해석을 하였다.¹¹⁾
Fig. 6과 같이 실질적으로 받을 수 있는 하중의 변화가 심한 불규칙 진폭하중의 내역인 ‘SAE bracket history’로서 Type 1, 2 및 3인 세 가지 모델들을 비교하였다.
이 때의 압력은 통상적으로 휠에 받는 24000 Pa을 가하였다. 그리고 휠에 모멘트를 추가하여 Z방향으로 5 Nm를 작용시켜 구조 해석을 하여 등가응력과 전변형량을 검토하였다.
본 연구에서는 총 3가지 Type의 휠들을 설계하였으며, 휠은 원기둥 형태에서 구멍을 뚫고 안에 한 가지 형상을 그린 후 그 형상을 원형으로 배열해 보았다. Fig.
1의 (a), (b) 및 (c)와 같이 불가사리 모양의 휠인 Type 1, 다수의 원형 축대가 있는 모양의 휠인 Type 2, 축을 곡선 형태로 돌린 휠인 Type 3로서 그 형상 및 해석을 위한 메시 모양을 나타낸다. 총 3가지 형상에 따른 구조 및 피로해석을 실시하였고, Table 1은 본 모델의 재료인 알루미늄 휠에 대한 물성치를 나타낸다.¹¹⁾
휠에 하중을 가하여 피로해석을 수행하였다. 피로 해석에서는 자동차 휠 종류별에 따른 Fig. 2에서의 구속조건에서와 같이 고정 조건을 주고, 등속조인트의 오른쪽 Clamp가 회전하면서 피로를 받는 경우로서 모멘트 하중을 주어 피로 해석^5,6)을 수행하였다.
휠에 하중을 가하여 피로해석을 수행하였다. 피로 해석에서는 자동차 휠 종류별에 따른 Fig.

성능/효과

1) 구조해석 결과, 3가지의 Type을 가진 모델들의 최대 등가응력들이 항복응력보다 훨씬 작고 변형량도 작아서 안전하게 사용할 수 있다고 사료된다.
3) Type 2 모델이 피로에 대하여 가장 안정적이기는 하지만, 평균응력이 0 MPa과 응력폭이 300 MPa부근에서 30%의 손상가능성을 보이고 있어 Type 2 모델에 대해서는 이러한 응력 상태에서 파손의 가능성이 많다고 예측할 수 있다.
0138 mm이었다. 3가지의 Type를 가진 모델들의 최대 등가응력들이 항복응력보다 훨씬 작고 변형량도 작아서 안전하게 사용할 수 있다고 사료된다.
차가 주행되면 휠이 받는 반복응력은 몇 백만 번 이상이 되기 때문에, 이때까지 피로 균열이 발생되지 않아야 휠로서의 역할을 기능적으로 수행할 수 있게 되고 운전자의 안전을 지킬 수 있다.⁷⁾ 따라서 휠의 기본기능은 자동차 주행 시 타이어와 함께 자동차의 무게를 지지하며 도로에서 전달되는 충격을 흡수하는 역할을 하는 것이다. 휠은 자동차의 수직하중이나 가로 방향 하중, 구동, 제동 토크 등 주행 시에 발생하는 여러 형태의 하중을 받으면서 사용되므로 타이어를 유지하는 림이 강성을 갖추고 있고,⁸⁾ 피로에 대한 내구성이 요구된다.
휠의 모델들에 대한 구조해석을 한 결과, Fig. 3과 같이 Type1, Type 2 및 Type 3에 대한 각각의 최대등가응력은 26.602 MPa, 3.809 MPa 및 144.36 MPa이었다. 또한 Type1, Type 2 및 Type 3에 대한 각각의 전변형량은 0.

후속연구

4) 본 연구의 결과를 종합하여 실제 운행하는 자동차 휠들에 응용한다면 그 피로 파손 방지 및 내구성을 검토･예측하는데 활용이 클 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	휠 설계시 요구되는 부분은?	7) 따라서 휠의 기본기능은 자동차 주행 시 타이어와 함께 자동차의 무게를 지지하며 도로에서 전달되는 충격을 흡수하는 역할을 하는 것이다. 휠은 자동차의 수직하중이나 가로 방향 하중, 구동, 제동 토크 등 주행 시에 발생하는 여러 형태의 하중을 받으면서 사용되므로 타이어를 유지하는 림이 강성을 갖추고 있고,8) 피로에 대한 내구성이 요구된다.9,10)
	휠의 기본기능은?	차가 주행되면 휠이 받는 반복응력은 몇 백만 번 이상이 되기 때문에, 이때까지 피로 균열이 발생되지 않아야 휠로서의 역할을 기능적으로 수행할 수 있게 되고 운전자의 안전을 지킬 수 있다.7) 따라서 휠의 기본기능은 자동차 주행 시 타이어와 함께 자동차의 무게를 지지하며 도로에서 전달되는 충격을 흡수하는 역할을 하는 것이다. 휠은 자동차의 수직하중이나 가로 방향 하중, 구동, 제동 토크 등 주행 시에 발생하는 여러 형태의 하중을 받으면서 사용되므로 타이어를 유지하는 림이 강성을 갖추고 있고,8) 피로에 대한 내구성이 요구된다.
	파괴역학과 통계적인 방법을 이용하여 자동차 구조물의 어떤 연구에 적용되는가?	따라서 이를 규명하기 위한 여러 가지 연구가 광범위하게 이루어져 왔으며 이들에 대하여는 파괴역학과 통계적인 방법을 이용한 여러 가지 연구가 발표되고 있다.1) 자동차나 구조물에 있어서는 피로나 파괴를 규명하기 위해서 피로 균열, 압축 잔류응력, 또한 최적화 설계 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.2-4)

참고문헌 (11)

J. Y. Song, J. C. Park and Y. S. Ahn, "Effect of Cast Microstructure on Fatigue Behaviors of A356 Aluminum Alloy for Automotive Wheel," Trans. of the KFS, Vol.30, No.1, pp.46-51, 2010.
M. S. Kim, K. J. Ko, H. W. Song, C. G. Yang and K. M. Kim, "The Finite Element Analysis on 2-piece Orged Wheel for Fatigue Life Prediction," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.691-696, 2004.
M. S. Kim, K. J. Ko, J. H. Kim, C. G. Yang and K. M. Kim, "The Study on the Fatigue Life Prediction on Wheels through CAE," Transactions of KSAE, Vol.12, No.2, pp.117-122, 2004.
K. J. Ko, M. S. Kim, H. W. Song and C. G. Yang, "A Study on the Stiffness of a 13degreetype Impact Tester for Aluminum Wheels," Transactions of KSAE, Vol.14, No.4, pp.12-19, 2006.
B. W. Noh, S. I. Bae and D. K. Kim, "Structural Analysis of Aluminum Wheel for Automobiles," KSPE Fall Conference Proceedings, pp.822-825, 1997.
B. S. Kim, C. H. Chi and S. D. Mun, "An Experimental Study on Vibration Characteristics of Alalloy Wheel for Passenger Car," KSME Fall Conference Proceedings, pp.623-628, 2001.
B. S. Kim, "An Study on Vibration Characteristics of Automobile Al-alloy Wheel," Trans. of the KSMTE, Vol.14, No.3, pp.122-127, 2005.
J. U. Cho and M. S. Han, "Analysis of Fatigue Damage at Wheel under Variable Load," Trans. of the KSMTE, Vol.19, No.6, pp.717-894, 2010.
J. U. Cho and M. S. Han, "Structural Strength Analysis due to Rib Thickness of Lower Arm," Transactions of KSAE, Vol.22, No.1, pp.126-134, 2014.

원문보기 상세보기
J. U. Cho and M. S. Han, "Study on Structural Durability Analysis at Bicycle Saddle," Transactions of KSAE, Vol.21, No.5, pp.104-112, 2013.

원문보기 상세보기
J. Swanson, Ansys 12.0, Ansys Inc., USA, 2009.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자동차 휠의 종류별 피로 내구성 해석
Fatigue Durability Analysis due to the Classes of Automotive Wheels 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자동차 휠의 종류별 피로 내구성 해석 Fatigue Durability Analysis due to the Classes of Automotive Wheels 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

한문식 (136) 조재웅 (251)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자동차 휠의 종류별 피로 내구성 해석
Fatigue Durability Analysis due to the Classes of Automotive Wheels 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper