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문제 정의
- 본 연구에서는 형상 별 타이로드 엔드 모델들에 대하여 시뮬레이션 구조 해석 및 피로 해석을 수행하여 각 타이로드 엔드 모델들의 변형량과 등가 응력 분포, 피로 수명에 대하여 연구하였으며, 이를 토대로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 먼저, 타이로드에 적용되어 고정되는 부분에 Fixed support 조건을 주어 고정시킨 뒤, 너클에 조향력을 전달해주는 지지부에 차량 자체의 무게와 탑승자의 무게를 고려하여 600N의 힘을 가하는 Force 조건을 적용하였다. 다른 두 가지 모델인 타이로드 엔드 모델 B형과 C형 역시 동일한 경계 조건을 부여하여 해석을 수행하였으며, 형상에 따른 각 타이로드 엔드 모델들의 변형량과 등가 응력 분포, 피로 수명의 내구성을 연구해보고자 하였으며, 각 타이로드 엔드 모델들의 재질은 Structural steel로 다음의 [Table 1]은 타이로드 엔드모델들의 물성치이다[14,15].
- 4]는 시뮬레이션 해석을 수행하기위해 각 타이로드 엔드 모델들에 적용한 경계 조건을 나타낸 것으로 세 가지의 타이로드 모델들 모두 동일한 경계 조건이 적용되었기에 타이로드 엔드 모델 A형을 예로 들어 설명한다. 먼저, 타이로드에 적용되어 고정되는 부분에 Fixed support 조건을 주어 고정시킨 뒤, 너클에 조향력을 전달해주는 지지부에 차량 자체의 무게와 탑승자의 무게를 고려하여 600N의 힘을 가하는 Force 조건을 적용하였다. 다른 두 가지 모델인 타이로드 엔드 모델 B형과 C형 역시 동일한 경계 조건을 부여하여 해석을 수행하였으며, 형상에 따른 각 타이로드 엔드 모델들의 변형량과 등가 응력 분포, 피로 수명의 내구성을 연구해보고자 하였으며, 각 타이로드 엔드 모델들의 재질은 Structural steel로 다음의 [Table 1]은 타이로드 엔드모델들의 물성치이다[14,15].
- 본 연구에서는 시중에서 판매되고 있는 타이로드 엔드들을 참고하여 다음에 도시된 [Fig. 1]과 [Fig. 2], 그리고 [Fig. 3]과 같이 CATIA V5 R11 3D 설계 프로그램을 사용하여 타이로드 엔드 모델 A형과 B형, C형 총 세 가지 형상의 타이로드 엔드 모델들을 설계하였다[11,12,13].
- 또한, 경량화 연구와 함께 해당 부품이 충분한 강성을 지닐 수 있도록 하기 위한 연구 역시 필요하게 되었다[3,4,5,6,7]. 이에 따라 본 연구에서는 타이로드 엔드의 형상에 따른 변형량과 등가 응력, 피로 수명에 대하여 연구하였으며, 이를 위해 총 세 가지 형상의 타이로드 엔드를 CATIA V5 R11 프로그램으로 3D 모델링 한 뒤, ANSYS 유한요소해석 프로그램으로 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 이를 통하여 형상에 따른 타이로드 엔드 모델들의 내구성을 예측할 수 있었고, 보다 나은 타이로드 엔드의 설계 및 개발을 위한 데이터를 확보할 수 있었다.
성능/효과
- 2) 타이로드 엔드 모델 B형은 타이로드 엔드 모델 A형에 비하면 최대 등가 응력과 최대 피로 수명이 개선되었으나, C형에 비하면 최대 등가 응력과 특히 최대 피로 수명이 크게 떨어지는 것으로 나타났다.
- 3) 타이로드 엔드 모델 C형의 경우가 다른 타이로드엔드 모델들과 비교하여 최대 변형량과 최대 응력, 최대 피로 수명 및 최소 피로 수명의 분포 범위의 모든 비교 항목들이 가장 좋은 것으로 나타나 해당 모델이 자동차의 타이로드에 적용하기에 가장 튼튼하고, 적합한 모델인 것으로 판단된다.
- 5) 본 연구를 통해 도출한 데이터들은 기존의 타이로드 엔드들보다 향상된 내구성을 지닌 타이로드 엔드의 설계 및 개발에 활용될 수 있을 것으로 사료되며, 또한 그동안 자동차의 내부에 장착되는 부품인 만큼 디자인이 무시되는 경향이 있었는데, 형상에 대한 연구를 진행함으로 발생하는 응력이나 변형을 방지하고, 기존의 투박한 디자인에서 조금이나마 벗어날 수 있는, 디자인 면에서 융합 기술로의 접목도 가능하여 미적인 감각을 나타낼 수 있다.
- 0402mm로 나타났다. 각 모델들을 상호 비교하였을 때, 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 변형량이 가장 작게 나타났으며, 세 가지 타이로드 엔드 모델 모두 너클에 조향력을 전달해주는 지지부의 끝부분에서 최대 변형이 발생하는 것으로 나타났다.
- 피로해석 결과, 타이로드 엔드 모델 A형의 경우 최대 피로 수명은 약 336,930cycle, 타이로드 엔드 모델 B형의 최대 피로 수명은 약 1,171,000cycle로 나타났으며, 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 피로 수명은 약 20,000,000cycle로 나타났다. 세 가지 형상의 타이로드 엔드 모델 모두 너클에 조향력을 전달해주는 지지부와 그 주변에서 최소 수명을 보였는데 타이로드 엔드 모델 A형, B형, C형 순으로 최소 수명 범위가 점차 좁아지는 경향을 보였다.
- 13]은 각각의 타이로드 엔드 모델들의 시뮬레이션 피로 해석 결과로 각 타이로드 엔드 모델들의 피로 수명을 나타낸 것이다. 피로해석 결과, 타이로드 엔드 모델 A형의 경우 최대 피로 수명은 약 336,930cycle, 타이로드 엔드 모델 B형의 최대 피로 수명은 약 1,171,000cycle로 나타났으며, 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 피로 수명은 약 20,000,000cycle로 나타났다. 세 가지 형상의 타이로드 엔드 모델 모두 너클에 조향력을 전달해주는 지지부와 그 주변에서 최소 수명을 보였는데 타이로드 엔드 모델 A형, B형, C형 순으로 최소 수명 범위가 점차 좁아지는 경향을 보였다.
- 794MPa로 나타났다. 해당 결과들을 토대로 비교를 하였을 때, 타이로드 엔드 모델 C형이 최대 등가 응력이 가장 작게 나타났으며, 또한 최대 변형량 비교에서처럼 각 타이로드 엔드 모델들의 최대 등가 응력 발생 위치는 굉장히 유사하게 나타났다. 이는 모두 타이로드와의 고정부와 너클에 조향력을 전달해주는 지지부의 중간 지점에서부터 발생하는 경향을 보였다.
- 7]은 각각 타이로드 엔드 모델 A형과 타이로드 엔드 모델 B형, 타이로드 엔드 모델 C형의 시뮬레이션 구조 해석 결과로 각 타이로드 엔드 모델들의 변형량을 나타낸 것이다. 해석 수행 결과, 타이로드 엔드 모델 A형의 최대 변형량은 약 0.0614mm로 나타났으며, 타이로드 엔드 모델 B형의 경우 최대 변형량은 약 0.0648mm, 그리고 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 변형량은 약 0.0402mm로 나타났다. 각 모델들을 상호 비교하였을 때, 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 변형량이 가장 작게 나타났으며, 세 가지 타이로드 엔드 모델 모두 너클에 조향력을 전달해주는 지지부의 끝부분에서 최대 변형이 발생하는 것으로 나타났다.
- 10]의 경우 각 타이로드 엔드 모델들의 시뮬레이션 구조 해석 결과로 타이로드 엔드 모델들의 등가 응력 분포를 나타낸 것이다. 해석결과, 타이로드 엔드 모델 A형의 최대 등가 응력은 약 160.27MPa로 나타났으며, 타이로드 엔드 모델 B형에서 발생하는 최대 등가 응력은 약 90.889MPa로 나타났다. 타이로드 엔드 모델 C형의 최대 등가 응력의 경우는 약 84.
후속연구
- 1) 타이로드 엔드 모델 A형의 경우 다른 타이로드 엔드 모델 B형과 C형과 비교하여 최대 등가 응력, 최대 피로 수명 및 최소 피로 수명의 분포 범위가 가장 크게 나타나 이를 개선하기 위한 연구가 더 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 4) 세 가지의 타이로드 엔드 모델들 모두 너클에 조향력을 전달해주는 지지부 혹은 지지부의 끝부분에서 취약한 경향을 보였는데 이는 응력 집중 현상 때문인 것으로 판단되며, 추후 이러한 응력 집중 현상을 해소하기 위한 설계 형상의 변화를 통한 개량, 적용소재, 취약 부위에 덧댐 방식을 이용한 이종 재료접합 등 보다 다양한 관점에서의 연구를 수행해야할 것이다.
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