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문제 정의
- 본 연구에서는 인풋샤프트의 신뢰성 확보를 위해, 현재 양산되고 있는 대형 세단 차량에 탑재되는 후륜 자동변속기의 대상 구동계내구시험결과를 분석하여 인풋샤프트의 부하조건을 분석하였다.
제안 방법
- 3) 3800 cc급 대형 세단 차량에 탑재되는 후륜 자동변속기의 대상 구동계 내구시험 데이터를 분석하여 자동변속기의 Input Shaft의 누적 손상도(Cumulative damage)를 계산하였으며, 누적 손상 효과를 고려한 등가 토크 약 340 Nm를 산출하였다.
- Fig. 1과 같이 총 3회의 비틀림 파단 시험을 통하여 평균 1500 Nm의 비틀림 파단강도를 확인하였다.
- Input Shaft의 비틀림 피로 내구시험 조건으로 비틀림 시험기의 가진 주파수는 10 Hz를 사용하였고, 부하조건은 ETL(Engine Torque Limit)을 고려한 최대 입력토크를 상한 하중으로 하는 정현파 편진 하중으로 시험하였다.1)
- Input Shaft의 주 고장모드를 확인하기 위하여 비틀림 피로 내구시험을 실시하였고, 비틀림 피로 내구시험 결과와 파손 부위 등을 분석하였다.
- Input Shaft의 피로한도 및 피로손상지수(λ)를 확인하기 위해 Fig. 3과 같은 T-N Curve를 생성하기 위한 시험을 진행하였다.
- 신뢰도, 보증거리, 시험시간, 시료 수 등을 고려한 자동변속기 인풋샤프트의 가속 수명시험의 타당성을 확인하기 위하여 가속 시험조건으로의 비틀림 피로내구시험을 실시하였다. 또한 가속성이 성립하는지 확인하기 위하여 기존 비틀림 피로내구시험결과와의 파손부의 위치 및 형태를 확인하였고 와이불 분포에서의 형상모수 값을 비교하였다.
- 비틀림 시험기를 이용하여 인풋샤프트의 비틀림 피로 내구시험을 실시하였으며, 비틀림 시험기의 가진 주파수는 10 Hz를 사용하였고, 부하조건은 역승모형의 가속모델을 적용하기 위해 사용조건을 고려한 설계허용토크 이하의 시험토크를 상한 하중으로 하는 정현파 편진 하중으로 시험하였다.2)
- 비틀림 파단강도 확인시험 및 비틀림 피로내구 시험을 위해 반드시 축정렬이 필요하며, 비틀림 각도를 5°/min의 속도로 제어하여 비틀림 파단시험을 실시하였다.
- 비틀림 파단토크를 1.0으로 하여 7개의 토크수준으로 시험하였으며, 6개 수준에서는 각 7대씩 시험 하였고 비틀림 피로한도가 발생하는 토크 수준에서는 3대의 샘플로 피로한도를 확인하였다.
- 시험결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 시험 샘플을 7대로 하여 가속 비틀림 피로 내구시험을 실시하였으며, 각 샘플의 가속 비틀림 피로 내구 시험결과는 Table 1과 같다.
- 시험기간 단축을 위해 역승모형을 적용하여 가속 수명 시험을 설계하고자 하며, 스트레스 수준은 사용조건에 해당하는, 엔진의 최대토크이상이며 설계허용토크 이하로 설정하였다.
- 신뢰도, 보증거리, 시험시간, 시료 수 등을 고려한 자동변속기 인풋샤프트의 가속 수명시험의 타당성을 확인하기 위하여 가속 시험조건으로의 비틀림 피로내구시험을 실시하였다. 또한 가속성이 성립하는지 확인하기 위하여 기존 비틀림 피로내구시험결과와의 파손부의 위치 및 형태를 확인하였고 와이불 분포에서의 형상모수 값을 비교하였다.
- 엔진의 최대토크이상이며 설계허용토크 이하로 사용조건에 해당하는 스트레스 수준을 설정하고, 시험기간 단축을 위해 역승모형을 적용하여 설계된 가속 비틀림 피로 내구시험을 실시하였다.
- 인풋샤프트 가속 수명시험의 부하조건을 결정하기 위하여 3800 cc급 대형 세단 차량에 탑재되는 후륜 자동변속기의 대상 구동계 내구시험 데이터를 분석하였고, 이를 위하여 부하에 대한 피로손상의 정도를 정량화하기 위해, 인풋샤프트에 가해지는 누적 손상도(Cumulative damage)를 계산하였으며, 누적 손상 효과를 고려한 Miner’s Rule을 도입하여 등가 토크를 산출하여 인풋샤프트가 받게 되는 부하량을 확인하였다.
- 인풋샤프트의 비틀림 파단강도 및 비틀림 피로내구시험의 기준을 확인하기 위하여 최대 비틀림토크 용량 5000 Nm와 비틀림 각도 제어범위 -45°~ 45°의 제어가 가능한 비틀림 시험 장비를 사용하여 비틀림 파단강도 시험 및 비틀림 피로 내구시험을 실시하였다.
- 자동변속기 Input Shaft의 주 고장모드는 반복되는 부하(토크)에 따른 피로파괴로, 차량의 운행조건을 대표하는 대상 구동계 내구시험 관점에서 신뢰도, 보증거리, 시험시간, 시료 수 등을 고려한 자동변속기 Input Shaft 단품에 대한 비틀림 수명평가를 위한 신뢰성 시험방법을 고안하였다.
- 자동변속기 인풋샤프트의 고장모드 분석을 위하여 엔진으로부터 전달받는 토크를 고려한 당 사의 시험평가 기준에 따른 비틀림 파단시험과 비틀림 피로 내구시험을 실시하였다.
- 자동변속기의 개발목표에 따라 구성품의 신뢰성 확보는 반드시 필요하며, 이에 따른 인풋샤프트의 신뢰성 시험을 설계하고, 비틀림 피로 내구시험과의 비교를 통하여 가속성이 성립됨을 검증하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 7개의 토크수준에서 총 45대의 샘플로 비틀림 피로 내구 시험을 실시하여 T-N Curve를 Fig. 4와 같이 생성하였다.
데이터처리
- 또한 가속모델을 적용한 무고장 가속 수명평가 방법을 적용하여 신뢰성 평가를 수행하였다.
성능/효과
- 1) 자동변속기 인풋샤프트는 와이블 분포를 따르고, 와이블 분포의 형상모수(β)값이 5.28과 5.91로 유사함을 확인할 수 있었다.
- 2) 자동변속기 인풋샤프트의 7개의 토크수준에 따른 비틀림 피로 내구 시험으로 T-N Curve를 생성하였고, T-N Curve로부터 피로손상지수(λ) 11.36을 확인할 수 있었다.
- 4) 스트레스 수준은 사용조건에 해당하는 엔진의 최대토크이상이며 설계허용토크 이하로 설정하여 가속계수(AF)를 22.77로 산출하였다.
- 가속 비틀림 피로내구 시험결과를 이용하여 Fig. 6과 같이 와이불 분포의 형상모수(β)값이 5.91임을 확인할 수 있었다.
- 가속 수명시험 결과와 기초시험의 결과를 분석하여 가속 수명평가 방법의 적합성을 판단하였고 기존의 평가방법과 잘 일치함을 확인하였다.
- 비틀림 피로한도는 비틀림 파단토크의 25 % 수준에서 확인 되었고, T-N Curve로부터 피로손상지수(λ) 11.36을 확인할 수 있었다.
- 시험 샘플을 7대로 하여 비틀림 피로 내구시험을 실시하였으며, 각 샘플의 수명결과인 비틀림 피로 내구시험 결과를 이용하여 Fig. 2와 같이 와이불 분포의 형상모수(β)값이 5.28임을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구의 형상모수(β)산출, T-N Curve 생성, 등가 토크 산출방법, 스트레스 수준 설정 등의 제시로 자동변속기의 구성품에 대한 신뢰성시험 설계 시 본 연구가 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 향후 자동변속기의 내부 구성품에 대한 신뢰성시험 설계 시 본 연구의 절차 및 결과가 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
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