[논문]자주포 발전기 스플라인 축 내구성 향상을 위한 최적 설계 기법

김병호; 강현제; 박영일; 서재현

doi:10.9766/kimst.2015.18.5.485

자주포 발전기 스플라인 축 내구성 향상을 위한 최적 설계 기법
The Optimal Design Technique for Improving Durability of Spline Shaft of the Self Propelled Artillery' Generator 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.18 no.5, 2015년, pp.485 - 491

김병호 (국방기술품질원 창원센터) , 강현제 (국방기술품질원 창원센터) , 박영일 (국방기술품질원 창원센터) , 서재현 (국방기술품질원 창원센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the experimental and analytical investigation on structural integrity evaluation of spline shaft of self propelled artillery' generator were carried out. For this work, macro and microstructure fractography of spline shaft were observed. According to the results of the structure analysis and simulation, the shaft was redesigned and optimized. To improve the stiffness and shear stress, the material was changed from the SNCM220 to SNCM439 and surface roughness and protective coating treatment are changed to increase the stress relaxation, respectively. From the result of the torsion test of shaft and accelerated life test of generator, the shaft of a SNCM439 with heat-treatment(Q/T) and electroless nickel plating was superior quality reliability and durability than the others. Therefore, modeling and simulation corresponded well with the experimental result and structural safety was confirmed by generator performing.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 자주포 핵심부품인 발전기 스플라인 축에 대해 파단면 조직분석, 모델링 및 해석프로그램을 이용한 이론 전단파괴강도를 분석하여^[3,4] 새로운 축을 설계/제작하였고, 개발된 스플라인 축과 기계적 특성 및 발전기의 가속수명시험을 통해 신뢰성을 비교 분석하여 설계 안전성을 검토하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서 수행한 자주포의 발전기 스플라인 축에 가해지는 하중은 반경 반향으로 가해지는 하중만 존재 한다고 가정하여 최대부하에서의 하중을 설계하여 이론적 전단강도를 계산 하였다. 이때 사용된 자주포 발전기는 2,350 rpm, 28 VDC, 650 A에서 최대부하가 발생하므로 이때의 출력 및 비틀림에 의한 전단강도를 구하면 Table 1과 같다.

제안 방법

6에 나타내었다. Table 5는 발전기 내구도 시험조건을 나타낸 것으로 25시간을 1주기로 동작 조건 100시간 동안 발전기를 동작한 후 전기적 성능및 스플라인 축 비파괴검사 (MT, 자분탐상)을 통해 파손여부를 관찰 하였다. Table 6은 내구도 시험 후발전기 성능결과를 나타내며, Fig.
일반적으로 소재의 피로한도를 결정하기 위해서 시험편은 매우 정밀하게 가공하고, 제어된 조건에서 시험이 된다. 그러나 실제 기계가공품의 피로한도는 피로한도에 영향을 미치는 표면계수 및 노치 민감도 등의 인자를 고려하여 수정 값을 사용해야하기 때문에, 본 연구에서는 수정된 피로한도를 계산식에 적용하여 분석하였다.
이전의 스플라인 축의 재질은 내마모성에 적합한 SNCM220 합금강을 적용하였지만, 축 재질로는 피로강도 및 강성이 요구 되므로 SNCM220 합금강 보다 열처리 특성 및 강성이 뛰어난 SCNM439 합금강으로 변경하였다. 그리고 열처 리방법은 표면경화처리인 침탄처리에서 담금질 및 뜨임 열처리로 하여 재질 표면 및 심부에 대해 인성을 부여하도록 설계하였다. 최종적으로 피막처리는 금속의 표면에 산화층이 발생되어 피로수명을 감소시킬 수있는 흑색산화피막에서 표면조도 및 내마모성을 향상 시키기 위해 무전해 니켈도금으로 변경하여 각각의 시험편에 대해 2개씩 제작한 설계조건을 Table 3에 나타내었다.
2(c) 축의 중심부에서는 인장응력으로 인한 연성파면인 딤플형(dimple pattern)이 관찰된다. 따라서 스플라인 축의 미세파면사진을 통해 기존의 축의 조기파괴 현상은 실제로 가해지는 전단응력에 비해 축의 강도가 낮아 피로파괴가 발생한다는 것으로 판단 할 수 있었으며, 실제로 이를 분석하기 위해 축의 정적강도를 분석 하였다.
또한, 안전성 및 신뢰성을 고도화하기 위해 구조설 계와 더불어 재질설계를 수행하였다. 이전의 스플라인 축의 재질은 내마모성에 적합한 SNCM220 합금강을 적용하였지만, 축 재질로는 피로강도 및 강성이 요구 되므로 SNCM220 합금강 보다 열처리 특성 및 강성이 뛰어난 SCNM439 합금강으로 변경하였다.
또한, 정적강도 검토를 위해 스플라인 축 해석 프로그램인 3G를 사용하여 최대 등가응력을 산출하였다. 실제 스플라인 부를 완전 고정할 경우, 치형부 끝에 가장 큰 응력이 작용하는 것으로 해석됨에 따라 노치 부에 응력이 많이 걸릴 수 있도록 그 뒷부분을 고정하여 해석하였고 해석 시 경계조건은 Fig.
본 연구는 자주포 발전기 스플라인 축의 안전성 증대에 대한 연구를 위해 스플라인 축의 미세조직 관찰및 강도 분석을 통해 설계방안을 도출 및 제작하였고, 실제 발전기에 장착하여 내구성시험을 수행한 결론은 다음과 같다.
스플라인 축 재료의 피로강도를 검토하기 위해 다음 식을 적용하여 측정한 시편을 이용하여 피로한도를 산출하였다.
스플라인 축의 비틀림 시험을 위해 Fig. 5처럼 지그를 제작하여, 스플라인 고정지그 1(잇수 16)에 스플라인을 고정하고 반대편 스플라인 고정지그 2(잇수 24, 토크렌치 장착용)에 토크렌치(686.5 N ․ m)를 조립하여 파단이 발생할 때까지 토크를 서서히 인가하고 각 시험편에 대해 2개씩 파단 값을 측정하였다. 이 때, Table 4는 비틀림 시험 결과를 나타내었다.
이 때, 축 스플라인 축의 항복강도는 심부 경도 HrC 20(실측값)을 통해 인장강도로 환산하여^[5], 70 %로 적용하였다.
자주포 발전기 스플라인 축 구조와 모델링 결과 축에 걸리는 최대전단강도(116.40 N/mm²)에 비해 축 재료의 피로강도(74.53 N/mm²)가 낮아 축의 피로파괴에 직접적인 원인으로 분석되며, 이 외 압축/인장 잔류응력 등 피로강도에 영향을 주는 축 소재, 열처리방법및 보호피막처리를 개선하여 시험하였다.
자주포 발전기 스플라인 축 구조와 모델링 결과를 통해 스플라인 축에 대한 피로한도를 증가시키기 위해 서는 표면 거칠기(표면계수)를 감소시키고, 노치부의 응력집중 해소를 위해 Table 2과 같이 재설계하여 피로한도를 산출하였다. Table 2에서 표면 거칠기가 6.
최적화 설계된 스플라인 축에 대한 신뢰도 입증을 위해 실제 적용되는 자주포 발전기에 장착하여 100시간의 가속수명시험을 수행하였으며, 시험에 사용된 장비는 Fig. 6에 나타내었다. Table 5는 발전기 내구도 시험조건을 나타낸 것으로 25시간을 1주기로 동작 조건 100시간 동안 발전기를 동작한 후 전기적 성능및 스플라인 축 비파괴검사 (MT, 자분탐상)을 통해 파손여부를 관찰 하였다.
그리고 열처 리방법은 표면경화처리인 침탄처리에서 담금질 및 뜨임 열처리로 하여 재질 표면 및 심부에 대해 인성을 부여하도록 설계하였다. 최종적으로 피막처리는 금속의 표면에 산화층이 발생되어 피로수명을 감소시킬 수있는 흑색산화피막에서 표면조도 및 내마모성을 향상 시키기 위해 무전해 니켈도금으로 변경하여 각각의 시험편에 대해 2개씩 제작한 설계조건을 Table 3에 나타내었다.

성능/효과

(1) 스플라인 축의 파단면 관찰 결과 거시조직에서는 비치마크가 관찰되었고 미세조직에서는 파괴 기점 에서 축의 중심부로 스트라이에이션(striation, 줄무늬)이 확대되어 최종적으로 중심부에서 인장응력에 의한 딤플(Dimple)파괴가 발생되어 전형적이 피로 파괴 현상임을 관찰하였다.
(2) 스플라인 축 구조 설계에 대한 피로강도 측면에서 분석한 결과 기존 축 재료의 전단 피로강도(74.53 N/mm²)는 축에 걸리는 최대 전단강도(116.40 N/mm²)보다 낮아 전단피로파괴가 발생하였고, 표면조도 및 피로응력 집중계수가 향상된 스플라인 축의 전단피로강도는 262.81 N/mm²로 기존대비 약 250 % 향상된 것으로 설계되었다.
(3) 스플라인 축에 대한 파단시험 결과 최적화된 제품이 기존 제품에 비해 비틀림 강도가 약 51.6 % 향상되었으며, 자주포 발전기에 조립하여 100시간 내구도 시험을 수행한 결과 발전기 성능을 모두 만족하였고, 스플라인 축의 미세균열은 발생하지 않았다.
이 때, Table 4는 비틀림 시험 결과를 나타내었다. SNCM439 합금강은 개선 전 상태인 침탄경화, 흑색산화피막을 동일사양으로 적용하였을 경우 SNCM220 합금강 비틀림 강도(299.0 N ․ m) 보다 평균적으로 약 6.4 %(323.5 N ․ m) 증가하였고, 흑색산화피막을 무전해 니켈도금으로 변경 시는 약 19.3 %(362.5 N ․ m)가 증가하였다.
따라서 본 연구에서는 구조해석 및 설계 시 적용한 해석방법은 타당하며, 최적화 된 자주포 발전기 스플 라인 축에 대한 신뢰성 및 안전성은 증대되었다.
따라서 아래의 식으로부터 개선된 피로강도는 262.81 N/mm²로 스플라인 축에 걸리는 최대 전단강도 (116.70 N/mm²) 보다 향상되어 피로수명은 증가될 것으로 판단된다.
또한 소재 SNCM439 합금강을 사용하여 담금질 및뜨임처리를 하였을 경우는 이전 상태보다 약 51.6 % 비틀림 강도가 크게 증가됨을 알 수 있었다.
7은 내구도 시험후 발전기에 나타내고 있다. 발전기 내구도 시험 결과, 출력확인 및 내압 모두 규격을 충족 하였으며 분리된 스플라인 축을 자분탐상에 의한 비파괴 시험한 결과 어떠한 미세균열 및 손상된 부분은 발견되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자주포란?	자주포(Self propelled artillery)는 스스로 움직여 사격할 수 있도록 무한궤도 등의 차체에 탑재한 야전포를 말하며, 제2차 세계대전에서 전차와 작전행동을 함께하면서 대포에 기동력을 부여하기 위해 개발되었다.
	K9 자주포 체계는 무엇으로 구성되어있는가?	이러한 자주포는 종전의 견인포에 비해 기동력이 월등히 뛰어나며, 최근에는 40 km 이상의 긴 거리를 사격할 수 있는 자주포가 국내기술로 전력화됨으로써 국내 방위산업의 기술력이 세계적인 수준에 이르고 있는 추세이다. 국내 연구 개발된 K9 자주포 체계는 크게 무장장치, 동력장치, 사통장치 및 통신장치 등으로 구성되어 있으며, 이 중에서도 자주포의 운용 특성상 포의 핵심인 무장기술과 기동력의 핵심인 동력장치(엔진 + 변속기) 기술이 매우 중요하다. 또한 최근에는 전자식 기술로의 고도화로 작동전원을 공급하는 발전기 시스템 기술이 요구되고 있다.
	자주포에 발전기 시스템 기술이 요구되는 까닭은 무엇인가?	국내 연구 개발된 K9 자주포 체계는 크게 무장장치, 동력장치, 사통장치 및 통신장치 등으로 구성되어 있으며, 이 중에서도 자주포의 운용 특성상 포의 핵심인 무장기술과 기동력의 핵심인 동력장치(엔진 + 변속기) 기술이 매우 중요하다. 또한 최근에는 전자식 기술로의 고도화로 작동전원을 공급하는 발전기 시스템 기술이 요구되고 있다. 최근 국내에서 개발된 K9 자주포용 발전기는 종래의 K55, K77용 발전기에 대비 하여 오일 냉각방식을 채택하여 단위 체적당 발전용량을 획기적으로 증대시켰으며, 계자공급에서 Brushless 방식을 적용함으로 인해 EMI/EMC에 대한 성능을 향상시켰다[1,2].

참고문헌 (5)

Jung J. W., Jung U. H., Kim C. S., Yu Y. S., Park K. C. and Park K. C., "Structural Integrity Evaluation for Crane Bracket of Armored Recovery Vehicle," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 16, No. 5, pp. 653-658, 2013.

원문보기 상세보기
DTaQ, "A Report on Durability Improvement for Spline Shaft of Alternator of K9," 2011
Chu S. H and Liu C., "Finite Element Simulation of Fracture Toughness Test," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 4, pp. 491-496, 2013.

원문보기 상세보기
Chu S. J. and Liu C., "Determination of True Stress-True Strain Curves from Tensile Tests with the Aid of Finite Element Analysis Simulation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 35, No. 1, pp. 25-31, 2011.

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ASTM A370 "Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products," 2014.

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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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