[논문]클러치 스냅링부 파괴 예측을 위한 구조응력기법 연구

김주희; 명만식; 오창식; 김윤재

doi:10.3795/ksme-a.2016.40.2.175

클러치 스냅링부 파괴 예측을 위한 구조응력기법 연구
A Study of Structural Stress Technique for Fracture Prediction of an Auto-Mobile Clutch Snap-Ring 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.40 no.2, 2016년, pp.175 - 183

김주희 (육군사관학교) , 명만식 (삼성전자) , 오창식 (한국원자력안전기술원) , 김윤재 (고려대학교)

초록
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복잡한 기계장치에 대한 내구신뢰성 평가는 단순한 응력해석을 통해 피로수명을 예측하는 것이 일반적인 방법이다. 하지만 기존 방법은 유한요소 해석 시 여러 가지 요인에 의해 일관된 응력해석 결과를 얻기 어려워 해석자에 따라 상이한 수명을 예측하는 단점을 지닌다. 하지만 구조응력을 기반으로 하는 내구신뢰성 평가 기법은 이러한 단점을 보완하여 보다 합리적인 결과를 제공해 준다. 구조응력기법은 유한요소 모델의 요소 수와 요소 형태에 무관하게 일관된 응력결과를 제공하기 때문에 신뢰성이 높은 내구도 평가 결과를 얻을 수 있다. 해석조건 및 환경에 독립적인 결과를 제공해 주는 구조응력은 최근 대형선박 설계 및 각종 기계장치의 피로수명 예측에 종종 활용되고 있어 보다 깊이 있고 체계적인 연구가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 (a) 유한요소모델의 형태에 상관없이 요소에 독립적인 구조응력 산출기법을 제시하고, (b) 이를 이용하여 자동차 클러치 스냅링부의 구조응력 산출하여 피로파괴를 예측하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The endurance reliability assessment of a highly complex mechanism is generally predicted by the fatigue life based on simple stress analysis. This study discusses various fatigue life assessment techniques for an automobile clutch snap ring. Finite element analyses were conducted to determine the structural stress on the snap ring. Structural stress that is insensitive in regards to the mesh size and type definition is presented in this study. The structural stress definition is consistent with elementary structural mechanics theory and provides an effective measure of a stress state that pertains to fatigue behavior of welded joints in the form of both membrane and bending components. Numerical procedures for both solid models and shell or plate element models are presented to demonstrate the mesh-size insensitivity when extracting the structural stress parameters. Conventional finite element models can be used with the structural stress calculations as a post-processing procedure. The two major implications from this research were: (a) structural stresses pertaining to fatigue behavior can be consistently calculated in a mesh-insensitive manner regardless of the types of finite element models; and (b) by comparing with the clutch snap-ring fatigue test data, we should predict the fatigue fractures of an automobile clutch snap ring using this method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 요소형태에 독립적인 구조응력의 물리적 특징을 확인하고, 복잡한 형태의 자동차 클러치 스냅링부의 구조응력을 산출하여 피로시험을 통해 확인된 스냅링부 파괴와의 상관관계를 통해 구조응력기법의 효용성을 제시하고자 한다.
공칭응력과 핫 스팟 응력에 비해 큰 매력은 요소크기와 종류에 영향을 받지 않는다는 것이다. 본 연구에서는 앞에서 제시한 응력 집중부를 가진 판 재 구조물에 대해 요소 민감도 분석를 실시하였다. 먼저 2차원 유한요소해석에서 주로 사용되는 사각형 메쉬와 삼각형 메쉬에 대한 민감도 분석을 실시하였다.
본 연구에서는 이러한 구조응력의 개념과 결과도출을 위한 합리적인 절차를 제시하였으며, 특히 복잡한 자동차 클러치 드럼의 내구 신뢰성 평가를 위해 유한요소해석으로부터 구조응력을 산출하여 피로시험결과와 상호 연관성을 확인함으로써 새로운 내구신뢰도 평가 기준을 제시하였다.

제안 방법

먼저 2차원 유한요소해석에서 주로 사용되는 사각형 메쉬와 삼각형 메쉬에 대한 민감도 분석을 실시하였다. Fig. 6 에서 보는 바와 같이 판재 용접 구조물에 하중 100MPa 의 인장력을 부여하여 요소 크기(element size) 및 요소 형태(element type)에 따른 구조응력 변화를 확인하였다. 메쉬 크기(a/b ) 는 0.
이는 클러치 드럼 내부 구성품에 의한 굽힘 효과가 단일모델에서는 미미하게 반영된 결과로 판단된다. 따라서 굽힘 효과를 보다 현실적으로 반영하기 위해 스냅링을 포함하여 모델을 단순화하였다. Table 4는 최종해석모델에 적용된 구성품과 해석조건을 보여준다.
또한 Mid-drum 과 Outer-drum 은 용접으로 연결되어 있다. 따라서 전체모델의 경계조건은 Mid-drum 과 Inner-drum 접촉부에 z 방향(축 방향) 대칭 조건을 부여하였다. 또한, 모델은 전체의 1/6모델이므로 원주방향(y)으로 cyclic symmetry 조건을 부여하였다.
본 연구에서는 앞에서 제시한 응력 집중부를 가진 판 재 구조물에 대해 요소 민감도 분석를 실시하였다. 먼저 2차원 유한요소해석에서 주로 사용되는 사각형 메쉬와 삼각형 메쉬에 대한 민감도 분석을 실시하였다. Fig.
먼저 피스톤에 작용하는 힘을 작용압력으로부터 구하고, 이를 드럽 접촉부 면적을 통해 드럼부 작용 압력을 계산한다(작용압력 16 bar 에 대한 하중).
6 에서 보는 바와 같이 판재 용접 구조물에 하중 100MPa 의 인장력을 부여하여 요소 크기(element size) 및 요소 형태(element type)에 따른 구조응력 변화를 확인하였다. 메쉬 크기(a/b ) 는 0.16t/0.1t ~ 2.0t/1.0t 범위에서 다양하게 비교하였다(0.16t/0.1t = case1). 자유요소(free mesh)인 삼각요소도 마찬가지로 다양한 요소 크기를 적용하였다.
1t = case1). 사면체 요소도 마찬가지로 다양한 크기에 대한 민감도 해석을 수행하였다. Fig.
이를 위해 클러치 드럼부의 구조응력-수명 곡선을 얻기 위해 실시된 피로시험 결과와 유한요소해석 결과를 상호 비교해 보았다. 실제 피로실험에서는 회전하지 않는 상태에서 압력만 가해지기 때문에 작용 압력과 스프링 반력 1667 N 만을 적용하여 실험이 수행되었다.
13은 클러치 드럼부 전체모델과 단일모델에 대한 유한요소 해석 결과를 보여준다. 전체모델의 경우 피스톤의 압력과 스프링의 반력을 고려하였으며, 단일 모델의 경우 이를 환산하여 클러치 스냅링부에 직접 압력을 가하였다. 단일모델의 하중 계산은 다음과 같다.
최종 선정된 단순모델을 대상으로 클러치 드럼 내에 작용하는 하중별(16, 20, 22bar) 구조응력을 계산하였다. 참고로 모델 단순화를 위해 적용된 클러치 드럼은 기능개선 소요에 의해 부분적인 디자인 변경이 있었지만 본 연구의 논리적 전개에는 영향을 미치지 않음을 밝힌다.
실제 피로 실험에서는 회전이 없는 상태에서 실험이 실시되기 때문에 원심력 F_CP'와 F_CP 는 고려하지 않는다. 피스톤에 작용하는 압력(Apply pressure)은 16/20/22 bar 를 부여하여 클러치 스냉링 부위가 파괴될 때까지 피로 실험을 수행하였다.

대상 데이터

15와 같다. 전체모델은 전체 클러치 드럼의 1/6모델이며 단일 모델은 클러치 드럼의 outer drum 만 해석대상으로 선정된 모델이다. 앞에서 확인한 바와 같이 단일모델로 간략화 하는 것은 해석결과에 대한 오차로 적절성이 부족하여 최종적으로 단순모델을 도입하였다.

데이터처리

이를 위해 클러치 드럼부의 구조응력-수명 곡선을 얻기 위해 실시된 피로시험 결과와 유한요소해석 결과를 상호 비교해 보았다. 실제 피로실험에서는 회전하지 않는 상태에서 압력만 가해지기 때문에 작용 압력과 스프링 반력 1667 N 만을 적용하여 실험이 수행되었다.

이론/모형

기본적으로 자동변속기 클러치 전체 형상의 1/6모델인 원주방향 cyclic symmetric 모델을 사용하였다. 구성요소는 크게 드럼부와 디스크/플레이트부, 그리고 스냅링부로 나눌 수 있다.
10은 유한요소 해석을 위한 클러치 드럼의 형상과 이를 통해 유한요소로 모델링된 메쉬 형상을 보여준다. 형상 모델링은 ABAQUS 6.9 상용 프로그램을 이용하였으며 형상 최적화에 따른 해석 효율성을 확보하기 위해 사면체 요소(Free mesh)를 사용하였다.

성능/효과

20(a)는 피로실험을 통해 발생된 스냅링 홈부의 파괴 형상을 보여준다. 구조응력의 결과가 암시해 주는 것과 같이 스냅링 홈부의 중앙에서 균열이 발생하여 전파되는 것을 확인할 수 있으며, 이는 구조응력이 스냅링 홈부의 중앙에서 최대값이 나오는 것과 일치함을 알 수 있었다.
그림에서 볼 수 있듯이 구조응력은 요소의 크기와 무관하게 일정한 값을 가짐을 알 수 있으며, SCF = 1.18 을 기준으로 약 0.5%(사각 요소) ~ 2.4%(삼각 요소) 오차 범위 내에서 항상 일정한 값을 가짐을 확인하였다.
16과 같다. 단일모델과 비교 시 구조응력 경향과 오차는 충분히 개선되었으며 전체적으로 보수적인 결과를 얻을 수 있었다. 또한 해석과정에서 많은 접촉조건을 생략함으로써 해석의 효율성을 높일 수 있었다.
따라서, 유한요소 해석 시에 구조응력 추출 지점과 정확한 요소 분할만 주의하면(크랙의 진행방향으로 요소를 분할해야 함), 요소 크기 및 형태에 상관없이 동일한 구조응력 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
단일모델과 비교 시 구조응력 경향과 오차는 충분히 개선되었으며 전체적으로 보수적인 결과를 얻을 수 있었다. 또한 해석과정에서 많은 접촉조건을 생략함으로써 해석의 효율성을 높일 수 있었다.
단순모델의 해석시간은 CPU Time 기준으로 전체모델보다 약 30% 감소한다(전체모델 : 22,902s, 단순모델 : 16,284s). 비록 단일모델에 비해 해석시간의 효율성은 감소했지만 Fig. 16에서 보는 바와 같이 보다 정확한 구조응력을 예측함을 확인할 수 있다. 실제로 평균 구조응력은 오차는 약 2.
14는 전체모델과 단일모델의 구조응력 결과를 비교한 그림이다. 스냅링 파괴 예상지점에 서부터 구조응력을 비교한 결과 응력분포는 유사하지만 상대적인 크기는 전체모델보다 낮은 비보수적 값이 도출되었다.
전체모델은 이들 구성요소 전체를 포함한 것을 말하며, 단일모델은 클러치 구성요소 중 Outer-drum 만을 이용한 모델을 말한다. 유한요소 해석 시 전체모델과 단일모델의 해석시간은 각각 22,902s, 2,443s 가 소요되어 CPU Time을 기준으로 약 10 배 이상 향상되는 것을 확인하였다.
17에서 보는 바와 같다. 전체적으로 중앙부에서 최대 구조응력이 발생함을 확인하였고, 압력증가에 따라 구조응력은 선형적으로 증가하였다. Fig.
최종 선정된 단순모델을 대상으로 클러치 드럼 내에 작용하는 하중별(16, 20, 22bar) 구조응력을 계산하였다. 참고로 모델 단순화를 위해 적용된 클러치 드럼은 기능개선 소요에 의해 부분적인 디자인 변경이 있었지만 본 연구의 논리적 전개에는 영향을 미치지 않음을 밝힌다.
참고로 유한요소 해석 결과 구조응력은 약 118.5 MPa 임이 확인되었으며, 막응력은 약 100 MPa 이고, 굽힘응력은 약 18.5 MPa 이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복잡한 기계장치에 대한 내구신뢰성 평가에 일반적인 방법은 무엇인가?	복잡한 기계장치에 대한 내구신뢰성 평가는 단순한 응력해석을 통해 피로수명을 예측하는 것이 일반적인 방법이다. 하지만 기존 방법은 유한요소 해석시 다양한 요인에 의해 일관된 응력해석 결과를 얻기 어려운 단점을 지니고 있다.
	각종 구조물의 피로파괴는 어디에서 일어나는가?	각종 구조물의 피로파괴는 주로 응력이 집중되는 불연속부 또는 용접 연결부 등에서 발생한다. 이러한 구조물의 피로설계는 Fig.
	응력해석을 통해 피로수명을 예측하는 방법의 단점은 무엇인가?	복잡한 기계장치에 대한 내구신뢰성 평가는 단순한 응력해석을 통해 피로수명을 예측하는 것이 일반적인 방법이다. 하지만 기존 방법은 유한요소 해석시 다양한 요인에 의해 일관된 응력해석 결과를 얻기 어려운 단점을 지니고 있다. 또한 응력 불연속부에서의 응력집중현상은 구조물의 실제 내구성을 평가하기 위한 참조응력으로 사용하는데도 제한사항이 많은 것으로 알려져 있다. 구조응력을 기반으로 하는 내구신뢰성 평가 기법은 이러한 단점을 보완하여 보다 합리적인 결과를 예측할 수 있는 기법으로 최근 대형 선박 설계 및 각종 기계장치의 피로수명예측에 활용되고 있다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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Kang, H. T., Dong, P. and Hong, J. K., 2007, "Fatigue Analysis of Spot Welds Using a Mesh-Insensitive Structural Stress Approach," International Journal of Fatigue 29, pp. 1546-1553

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ABAQUS Version 6.7, 2008, User's Manual, Dassault Systemes

저자의 다른 논문 :

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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