[논문]자동차 경량화를 위한 다이캐스팅용 알루미늄합금 브레이크 페달의 강도해석

조승현; 장준영

doi:10.7735/ksmte.2016.25.2.138

자동차 경량화를 위한 다이캐스팅용 알루미늄합금 브레이크 페달의 강도해석
Strength Analysis of Die-cast Aluminum-alloy Brake Pedals for use in Lightweight Cars 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.25 no.2, 2016년, pp.138 - 142

조승현 (Department of Mechanical Engineering, Dongyang Mirae University) , 장준영 (Department of Mechanical Engineering, Dongyang Mirae University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a strength analysis was performed to assess die-cast aluminum alloy brake pedals as an improved alternative to wrought alloys. Aluminum brake pedal shapes are considered to be suitable for the die-casting process. The strength criterion of Volvo trucks was used as the criterion for the pedal strength. The results of this analysis showed that the frame thickness of the aluminum brake pedal must be increased from 12 mm to 18 mm to have a strength superior to that of a steel brake pedal. Additionally, the stress and weight of the aluminum brake pedal were found to be approximately 24% and 26% lower than those of the steel brake pedal, respectively. Mounting tests and strength assessments verified that the proposed die-cast aluminum alloy brake pedal demonstrated sufficient strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자동차 경량화와 다이캐스팅 공법으로 전신재 부품 제작을 위해 개발된 알루미늄합금으로 브레이크 페달을 개발하기 위한 강도해석을 수행하였다. 기존 스틸 브레이크 페달을 3차원 스캐너를 이용한 역설계로 모델링한 후 CAE 해석을 함으로써 현 수준을 파악하고 스틸 브레이크 페달 대비 우수한 알루미늄 브레이크 페달의 구조를 제시하였다.
이러한 문제점들을 개선하기 위해 국내에서는 Al₂Ca를 ppm 단위로 제어한 내산화성이 강한 Mg을 Al에 사용하여 강도-연신율의 동반제어가 가능한 Al합금이 개발된 바 있다. 이러한 신소재 Al합금을 적용하여 본 논문에서는 브레이크 페달의 강건설계를 연구하였다. 본 논문에서 제시된 Al소재 브레이크 페달의 강도 우수성은 기 개발된 Al합금이 자동차 경량화를 위해 다양한 자동차용 전신재(wrought alloy)로의 적용 가능성을 보여주고 있다.

제안 방법

본 논문에서는 자동차 경량화와 다이캐스팅 공법으로 전신재 부품 제작을 위해 개발된 알루미늄합금으로 브레이크 페달을 개발하기 위한 강도해석을 수행하였다. 기존 스틸 브레이크 페달을 3차원 스캐너를 이용한 역설계로 모델링한 후 CAE 해석을 함으로써 현 수준을 파악하고 스틸 브레이크 페달 대비 우수한 알루미늄 브레이크 페달의 구조를 제시하였다. 이때 다이캐스팅 공법에 적합한 형상을 고려하였는데, 중공형태로 되어있던 브레이크 페달의 실린더와 프레임을 중실형태로 변경하였고 발판의 형상도 변경하였다.
7은 600 N의 수직하중이 발판에 가해질 때 발생한 최대 von Mises 응력과 300 N의 수평방향 하중이 발판의 측면에 가해질 때 발생한 변위량을 브레이크 페달의 프레임 두께변화에 따라 표시한 그림으로서 프레임 두께는 12 mm, 13 mm, 14 mm, 18 mm, 22 mm, 24 mm로 6종을 해석하였다. 동일한 조건에서 스틸 브레이크 페달에서 발생한 최대 von Mises 응력과 수평방향 변위량이 각각 147.5 MPa과 4.12 mm인데 Al 브레이크 페달 프레임의 두께가 18 mm로 스틸 브레이크 페달과 동일할 때 발생한 최대 von Mises 응력과 수평방향 변위량이 각각 112 MPa과 2.8 mm로 기존 스틸 브레이크 페달보다 모두 우수한 강도를 확보한 것으로 판단되어 프레임 두께는 18 mm로 결정하였다.

대상 데이터

본 논문에서 브레이크 페달로 적용하고자 하는 Al합금은 고강도, 고신율 연계형 다이캐스팅용 Al합금으로서 단순합금화(Mg 첨가)가 아닌 복합합금(Mg+Al2Ca)이다. Al2Ca의 Al합금에서의 작용으로 Al합금은 조직이 미세화하여 강도와 신율이 동시에 향상되었다.

성능/효과

해석결과에 의하면 알루미늄 브레이크 페달의 응력은 스틸 브레이크 페달 대비 약 24% 감소하였고 무게는 약 37% 경량화 되었다. 강도해석을 통해 설계된 브레이크 페달은 플라스틱 프로토 타입으로 제작하여 실차의 장착테스트를 거쳐 시제품으로 제작된 후 실험을 함으로써 디자인과 강도해석의 적절성을 확인하였다. 이와 같은 연구결과는 다이캐스팅 공법과 강도가 향상된 알루미늄합금으로 다양한 자동차 부품을 제조할 수 있음을 시사하고 있으며 향후 다양한 관련 연구가 진행될 것으로 예상된다.
이러한 신소재 Al합금을 적용하여 본 논문에서는 브레이크 페달의 강건설계를 연구하였다. 본 논문에서 제시된 Al소재 브레이크 페달의 강도 우수성은 기 개발된 Al합금이 자동차 경량화를 위해 다양한 자동차용 전신재(wrought alloy)로의 적용 가능성을 보여주고 있다.
강도해석을 위해 적용 차량인 볼보 트럭의 강도기준인 600 N 수직하중과 300 N의 수평하중을 각각 적용하였으며 스틸 브레이크 페달보다 우수한 강도와 변형량을 갖도록 알루미늄 브레이크 페달의 프레임 두께를 기존 12 mm에서 18 mm로 증가시켰다. 해석결과에 의하면 알루미늄 브레이크 페달의 응력은 스틸 브레이크 페달 대비 약 24% 감소하였고 무게는 약 37% 경량화 되었다. 강도해석을 통해 설계된 브레이크 페달은 플라스틱 프로토 타입으로 제작하여 실차의 장착테스트를 거쳐 시제품으로 제작된 후 실험을 함으로써 디자인과 강도해석의 적절성을 확인하였다.

후속연구

강도해석을 통해 설계된 브레이크 페달은 플라스틱 프로토 타입으로 제작하여 실차의 장착테스트를 거쳐 시제품으로 제작된 후 실험을 함으로써 디자인과 강도해석의 적절성을 확인하였다. 이와 같은 연구결과는 다이캐스팅 공법과 강도가 향상된 알루미늄합금으로 다양한 자동차 부품을 제조할 수 있음을 시사하고 있으며 향후 다양한 관련 연구가 진행될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 무게를 경량화 하는 기술을 개발하는 것이 중요한 이유는?	그러나 안전성, 편의성, 감성을 갖춘 차량의 수요로 차량의 무게가 증가하는 추세로 최근 20년간(1990~2010) 연간 평균 15 kg씩 무게가 증가하였다. 세계 각국의 연비와 환경규제를 만족시켜야 할 뿐만 아니라 자동차 무게는 연비 효율, 주행저항 감소, 승차감, 제동성 등에 가장 큰 영향을 미치는 핵심설계 항목이기 때문에 경량화 기술개발은 매우 중요하다. 차량 무게를 줄이기 위한 연구는 1980년대부터 지속적으로 진행되어 왔다.
	차량 무게를 줄이기 위한 연구는 언제부터 진행되었는가?	세계 각국의 연비와 환경규제를 만족시켜야 할 뿐만 아니라 자동차 무게는 연비 효율, 주행저항 감소, 승차감, 제동성 등에 가장 큰 영향을 미치는 핵심설계 항목이기 때문에 경량화 기술개발은 매우 중요하다. 차량 무게를 줄이기 위한 연구는 1980년대부터 지속적으로 진행되어 왔다. 자동차 부품의 경량화 연구는 꾸준히 이루어지는데[1-4], 최근에는 CFRP와 같은 경량 복합소재의 적용[5-7], 철강재를 대체하는 알루미늄, 주물, 마그네슘 등의 비철합금의 연구[8-10], 제조공법의 변경을 통한 경량화 연구[11,12] 등이 활발하게 이루어지고 있다.
	최근 자동차산업 분야는 경량화 기술개발에 기업의 명운이 달려있다고 해도 과언이 아닐 만큼 많은 연구개발을 진행되는 이유는?	최근 자동차산업 분야는 경량화 기술개발에 기업의 명운이 달려있다고 해도 과언이 아닐 만큼 많은 연구개발을 진행하고 있다. 이것은 국제 환경규제 강화와 연비규제 뿐만 아니라 에너지 자원의 불안정한 가격 등으로 자동차 연비향상 기술이 핵심적인 자동차의 차별화 기술로 인식되기 때문이다. 그러나 안전성, 편의성, 감성을 갖춘 차량의 수요로 차량의 무게가 증가하는 추세로 최근 20년간(1990~2010) 연간 평균 15 kg씩 무게가 증가하였다.

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