[논문]CAE 해석을 이용한 자동차용 AA6061 Knuckle의 경량화 설계

김기주

doi:10.5762/kais.2016.17.9.663

초록
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연료의 경제성을 증가시키는 것이 신차 개발에 필수불가결한 이슈가 되고 있으며 연료 경제성을 개선하기 위한 가장 중요한 문제는 차량 무게를 감소시키는 것이다. 본 연구에서는 연료 경제성을 증가시키기 위하여 알루미늄 합금 소재와 같은 경량 소재를 사용하여 무게를 감량시키는 것에 관한 연구를 진행하였다. 이를 위하여 너클(knuckle)의 경량화 설계과정을 주철 소재인 기존 재질 대신에 310 MPa 급의 알루미늄 6061-T6 합금으로 대체함으로써 설계 형상의 변경에 따라 von-Mises stress의 변화를 살펴보는 방법을 통하여 제시하고자 한다. 재료의 변화에 따른 너클 동강성 해석결과를 비교하였으며 FCD600 주철 소재 대비 6061 알루미늄 합금으로 설계된 너클의 동강성은 약 30% 내외 더 우수한 것으로 나타났다. 보통 동강성의 경우 진동에도 영향을 주기 때문에 동강성이 큰 경우 진동적으로도 우수한 경향을 나타낸다. 본 연구를 통하여 경량화 설계에 대한 가이드가 되는 성과를 얻을 수 있었으며 차량용 너클 개발을 위한 최적 설계 조건을 제시하는 데 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Increasing fuel economy and reducing air pollution have been unavoidable issues in the development of new cars, and one of the important methods is decreasing vehicle weight. Weight can be reduced by using lightweight materials such as aluminum alloy. Dynamic stiffness analysis was performed and com...

Increasing fuel economy and reducing air pollution have been unavoidable issues in the development of new cars, and one of the important methods is decreasing vehicle weight. Weight can be reduced by using lightweight materials such as aluminum alloy. Dynamic stiffness analysis was performed and compared for different materials for the knuckle for a car. The dynamic stiffness of 6061 aluminum alloy was about 30% higher than that of FCD600 cast iron. Usually, materials that have high dynamic stiffness show excellent vibration resistance because the dynamic stiffness can affect the vibration characteristics. In order to design a lighter and more reliable chassis component using 6061 aluminum alloy (AA6061-T6), a new knuckle shape is suggested by adding section ribs to an existing knuckle model. The effect of each design change on the reliability and component weight was investigated using computer aided engineering (CAE).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인장강도 310MPa급 AA6061-T6 알루미늄 합금 소재를 이용한 너클(knuckle)의 경량화 설계 과정을 기존의 상용화로 검증된 FCD600 철합금소재로 제작된 너클을 참고로 하여 설계변경과 구조적인 강건성 평가를 CAE (Computer Aided Engineering)를 이용해 다루고자 한다. 특히, 섀시(chassis)부품에 부여되는 각 하중조건의 변화에 따른 응력(stress)의 변화를 비교하여 경량 너클을 설계하는 방법을 제시하고자 한다[2-5].

제안 방법

본 연구에서는 인장강도 310 MPa급 AA6061-T6 알루미늄 합금 소재를 이용한 너클의 경량화 설계과정을 기존의 상용화로 검증된 구상흑연주철 (FCD600) 소재로 제작된 너클을 참고로 하여 CAE를 이용해 계산하였으며 구조해석 계산 결과를 설계에 응용하였다. FCD600소재로 너클을 제작할 경우 무게가 7.

대상 데이터

Table 1 및 Table 2에 본 논문에서 다루고자 하는 주철소재(FCD600) 및 알루미늄 합금(AA6061-T6)의 합금성분을 나타내었다. 또한 Table 3에 본 논문에서 연구하고자 하는 너클의 FCD600 재질과 알루미늄 합금의 합금성분표와 재질(6061-T6 Aluminum Alloy) 특성을 비교하여 나타내었다.

이론/모형

CAE 해석은 상용프로그램으로 검증된 Nastran 프로그램을 이용하였으며 Solid 요소망(element)을 사용하여 해석에 사용하였다. 너클의 경우 하중분배 문제를 고려하여 부여하는 하중은 로컬좌표(Local coordinate) 상 각 조립 부품에 차량무게에 따라 분배되는 조립하중을 배분하여 부여하였다[2].

성능/효과

본 연구에서는 인장강도 310 MPa급 AA6061-T6 알루미늄 합금 소재를 이용한 너클의 경량화 설계과정을 기존의 상용화로 검증된 구상흑연주철 (FCD600) 소재로 제작된 너클을 참고로 하여 CAE를 이용해 계산하였으며 구조해석 계산 결과를 설계에 응용하였다. FCD600소재로 너클을 제작할 경우 무게가 7.12 kg이었으나 너클 하단부 주요 취약부위를 개선하는 설계변경 후 6061 알루미늄합금 소재를 적용할 경우 3.58 kg으로 50% 이상 감량되었으며 향후 상세한 주행실험을 통하여 안전율을 높이고 강성을 보강하더라도 30% 이상의 경량 설계는 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 동강성해석을 병행하였으며 FCD600 주철 소재 대비 6061 알루미늄 합금으로 설계된 너클의 동강성은 약 30% 내외 더 우수한 것으로 나타났다.
58 kg으로 50% 이상 감량되었으며 향후 상세한 주행실험을 통하여 안전율을 높이고 강성을 보강하더라도 30% 이상의 경량 설계는 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 동강성해석을 병행하였으며 FCD600 주철 소재 대비 6061 알루미늄 합금으로 설계된 너클의 동강성은 약 30% 내외 더 우수한 것으로 나타났다. 보통 동강성의 경우 차량 승차감에 영향을 주는 진동에도 영향이 나타나기 때문에 동강성이 큰 6061 알루미늄 합금 적용 너클의 경우가 진동적으로 우수할 것이다.
이상의 해석결과에서 알 수 있듯이 최대응력 값은 알루미늄 합금으로 소재 변경 시 설계변경을 통하여 상당 부분 완화 된 것을 알 수 있으며 이로부터 경량설계가 가능함을 확인 할 수 있었다. 특히 당초 FCD600 소재로 너클을 제작할 경우 무게가 7.
이상의 해석결과에서 알 수 있듯이 최대응력 값은 알루미늄 합금으로 소재 변경 시 설계변경을 통하여 상당 부분 완화 된 것을 알 수 있으며 이로부터 경량설계가 가능함을 확인 할 수 있었다. 특히 당초 FCD600 소재로 너클을 제작할 경우 무게가 7.12 kg이었으나 강성을 보강하는 설계변경 후 6061 알루미늄합금 소재를 적용할 경우 3.58 kg으로 약 50% 감량되었으며 향후 상세한 주행실험을 통하여 안전율을 높이고 강성을 보강하더라도 30% 이상의 경량 설계는 가능한 것을 알 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	요즘 유럽과 일본 및 미국외 많은 나라들은 대기오염과 지구온난화를 방지하기 위해서 어떤 법규를 만들고 있는가?	요즘 유럽과 일본 및 미국외 많은 나라들은 대기오염과 지구온난화를 방지하기 위하여 CO2의 배출을 감소시킬 것을 목적으로 새로운 자동차 개발 및 판매에 대한 법규를 만들고 있다[1]. 미국의 캘리포니아의 경우 연방법안을 떠나서 배기가스 저방출 차량(LEV; low emission vehicles)과 배기가스 제로 차량(ZEV; zero emission vehicles)을 의무적으로 판매하도록 지자체 법령을 바꿀 정도로 이 문제가 이슈화 되고 있다[2].
	미국의 캘리포니아는 연방법안을 떠나서 어떤 지자체 법령을 내렸는가?	요즘 유럽과 일본 및 미국외 많은 나라들은 대기오염과 지구온난화를 방지하기 위하여 CO2의 배출을 감소시킬 것을 목적으로 새로운 자동차 개발 및 판매에 대한 법규를 만들고 있다[1]. 미국의 캘리포니아의 경우 연방법안을 떠나서 배기가스 저방출 차량(LEV; low emission vehicles)과 배기가스 제로 차량(ZEV; zero emission vehicles)을 의무적으로 판매하도록 지자체 법령을 바꿀 정도로 이 문제가 이슈화 되고 있다[2]. 차량의 무게를 줄이기 위해서는 기존 철강 소재로 되어 있는 자동차 부품을 알루미늄 합금 소재로 변경하고 상대적으로 강성이 철강재료보다 낮은 알루미늄 합금 소재의 설계를 강성이 높아지도록 설계함으로서 가능해 지고 있다[3].
	인장강도 310 MPa급 AA6061-T6 알루미늄 합금 소재를 이용한 너클의 경량화 설계과정을 기존의 상용화로 검증된 구상흑연주철 (FCD600) 소재로 제작된 너클을 참고로 하여 CAE를 이용해 계산하였으며 구조해석 계산 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 인장강도 310 MPa급 AA6061-T6 알루미늄 합금 소재를 이용한 너클의 경량화 설계과정을 기존의 상용화로 검증된 구상흑연주철 (FCD600) 소재로 제작된 너클을 참고로 하여 CAE를 이용해 계산하였으며 구조해석 계산 결과를 설계에 응용하였다. FCD600소재로 너클을 제작할 경우 무게가 7.12 kg이었으나 너클 하단부 주요 취약부위를 개선하는 설계변경 후 6061 알루미늄합금 소재를 적용할 경우 3.58 kg으로 50% 이상 감량되었으며 향후 상세한 주행실험을 통하여 안전율을 높이고 강성을 보강하더라도 30% 이상의 경량 설계는 가능한 것을 알 수 있었다. 또한 동강성해석을 병행하였으며 FCD600 주철 소재 대비 6061 알루미늄 합금으로 설계된 너클의 동강성은 약 30% 내외 더 우수한 것으로 나타났다. 보통 동강성의 경우 차량 승차감에 영향을 주는 진동에도 영향이 나타나기 때문에 동강성이 큰 6061 알루미늄 합금 적용 너클의 경우가 진동적으로 우수할 것이다.

참고문헌 (5)

J.-H. Park, K. J. Kim, "Optimal Design of Camber Link Component for Light Weight Automobile Using CAE (Computer Aided Engineering)", International J. of Precision Engineering and Manufacturing, Vol. 14, No. 8, pp. 1433-1437, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12541-013-0193-9

원문보기 상세보기
K. J. Kim, J. H. Lim, J.-H. Park, B.-I. Choi, J. W. Lee, Y. J. Kim, "Light-Weight Design of Automotive AA6061 Rear Sub-frame Based on CAE Simulation", KSAE, Vol. 20, No. 3, pp. 77-82, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2012.20.3.077

원문보기 상세보기
J.-H. Park, K. J. Kim, "Light-Weight Design of Automotive Spring Link Based on Computer Aided Engineering", KSAE, Vol. 21, No. 5, pp. 157-161, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2013.21.5.157

원문보기 상세보기
Suspension analysis load input formulas, ETA analysis input report, France, pp. 1-14, 1990.
K. J. Kim, "Light-Weight Design of Automotive Wheel Carrier by Using CAE (Computer Aided Engineering", KSMT, to be published, 2016.

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