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문제 정의
- 본 연구에서는 고주파 열처리된 자동차 드라이브 샤프트의 피로수명을 평가하기 위하여, 열처리를 통하여 유효 경화깊이가 서로 다른 시편을 제작하여 비틀림 전단변형률 제어시험을 수행하였다. 얻어진 재료 물성값을 이용하여 피로해석을 통한 드라이브 샤프트의 피로수명을 평가하였으며, 시제품 피로시험 결과와 비교하여 해석결과를 검증하였다
- 본 연구에서는 고주파 열처리에 따른 자동차 드라이브 샤프트의 비틀림 하중에 대한 피로수명을 평가하였다. 고주파 열처리에 따른 피로 특성 변화를 알아보기 위해 모재와 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편 두 종류를 제작하여 비틀림 전단변형률 제어 피로시험을 진행하였고, 변형률 기반 피로수명 평가방법에 필요한 피로 물성값을 구하였다.
제안 방법
- (1) 시편의 비틀림 전단변형률 제어시험을 통하여 드라이브 샤프트 피로수명 평가에 필요한 재료 물성값 G, Kt ′, nt′, τf′, γf′, bt 및 ct을 구하였다.
- 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편을 만들기 위해, 시편에 맞는 가열코일(Coil)을 별도로 제작하고 고주파 열처리가 진행되었다. 이후 4시간 동안 템퍼링(Tempering)을 진행하여 열처리 과정을 마무리하였다.
- 본 연구에서는 고주파 열처리에 따른 자동차 드라이브 샤프트의 비틀림 하중에 대한 피로수명을 평가하였다. 고주파 열처리에 따른 피로 특성 변화를 알아보기 위해 모재와 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편 두 종류를 제작하여 비틀림 전단변형률 제어 피로시험을 진행하였고, 변형률 기반 피로수명 평가방법에 필요한 피로 물성값을 구하였다. 얻어진 피로 물성값을 유한요소해석 프로그램인 ANSYS nCode DesignLife(6)에 적용하여 드라이브 샤프트의 변형률 기반 피로해석을 진행하였다.
- 두 번째 시험은 반복 변형률 제어 증분단계시험(Cyclic strain-controlled incremental step test)으로 반복변형에 따른 재료의 경화·연화 현상을 관찰하고, 반복 응력-변형률 선도(Cyclic stress-strain response curve)를 구하여 커브피팅을 통해 Kt ′와 nt′을 얻어낸다.
- 마지막 시험은 반복변형률 제어 피로시험(Cyclic strain-controlled fatigue test)으로 피로해석에 적용되는 변형률-수명(γα-N) 선도의 재료물성치인 τf′, γf′, bt 및ct을 구한다.
- 반복변형률 제어 증분단계시험을 위하여 7단계의 변형률 증가·감소가 포함된 1개 블록이 설정되었고, 경화·연화 현상이 안정화 될 때까지 여러 번 진행되었다.
- 형상보정계수는 시편의 표점간거리와 단면 2차 모멘트의 관계를 고려하여 단면이 일정한 시편과 사용된 시편 형상에 대한 비율을 나타낸다. 비틀림 전단변형률 추정식의 정도를 검증하기 위하여 서로 다른 토크가 부과되는 조건에서 유한요소해석을 수행하였다. 서로 간의 오차가 5% 내외로, 제안한 비틀림 전단변형률 추정식이 유효하다는 것을 알 수 있다.
- 시제품 피로시험은 자동차 부품업체에서 보유하고 있는 유압서보식 비틀림 피로시험기를 이용하여 진행되었고, 0~134 kgf · m과 0~188 kgf · m의 하중조건에서 피로수명이 각각 1,000,000 및 150,000 cycles 이상을 만족하는 가속시험 조건의 성능시험으로 진행되었다.
- 반복변형률 제어 피로시험을 위해 각 시편의 종류에 따라 8~10개의 시편이 사용되었다. 시험기 속도를 1 Hz로 일정하게 유지하였으며 무한수명 기준(Run-out)은 2,000,000 cycles로 설정하였다. 실험결과를 아래 식과 같이 Basquin의 탄성변형률과 Manson-Coffin의 소성변형률의 합으로 표현되는 반복 변형률-수명(ra-N) 선도(7~9)로 커브피팅하였다.
- 시험기 속도를 1 Hz로 일정하게 유지하였으며 무한수명 기준(Run-out)은 2,000,000 cycles로 설정하였다. 실험결과를 아래 식과 같이 Basquin의 탄성변형률과 Manson-Coffin의 소성변형률의 합으로 표현되는 반복 변형률-수명(ra-N) 선도(7~9)로 커브피팅하였다.
- 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편을 만들기 위해, 시편에 맞는 가열코일(Coil)을 별도로 제작하고 고주파 열처리가 진행되었다. 이후 4시간 동안 템퍼링(Tempering)을 진행하여 열처리 과정을 마무리하였다. 조직검사 과정에서 비커스 경도 기준치 400 Hv를 만족하는 유효 경화깊이는 각각 0.
- 본 연구에서 다음과 같은 3가지 종류의 시험이 수행되었다. 첫 번째 시험은 정적비틀림 시험(Monotonic twisting test)으로 재료의 정적 비틀림 거동을 살펴보고, 전단탄성계수 G를 구하였다. 두 번째 시험은 반복 변형률 제어 증분단계시험(Cyclic strain-controlled incremental step test)으로 반복변형에 따른 재료의 경화·연화 현상을 관찰하고, 반복 응력-변형률 선도(Cyclic stress-strain response curve)를 구하여 커브피팅을 통해 Kt ′와 nt′을 얻어낸다.
- 피로수명 해석 결과를 검증하기 위해, 드라이브 샤프트 시제품을 이용하여 피로시험을 실시하였다. 시제품 피로시험은 자동차 부품업체에서 보유하고 있는 유압서보식 비틀림 피로시험기를 이용하여 진행되었고, 0~134 kgf · m과 0~188 kgf · m의 하중조건에서 피로수명이 각각 1,000,000 및 150,000 cycles 이상을 만족하는 가속시험 조건의 성능시험으로 진행되었다.
대상 데이터
- 드라이브 샤프트의 사용 재료는 SAE10B38M2로서 화학조성비는 Table 1과 같다. 비틀림 전단변형률 제어실험을 위해 Fig.
- 반복변형률 제어 피로시험을 위해 각 시편의 종류에 따라 8~10개의 시편이 사용되었다. 시험기 속도를 1 Hz로 일정하게 유지하였으며 무한수명 기준(Run-out)은 2,000,000 cycles로 설정하였다.
- 비틀림 전단변형률 제어시험을 위하여 450 N·m 용량의 서보전기모터 구동 방식의 비틀림 시험기가 이용되었다.
- 유한요소해석을 위하여 메시 크기가 1.5mm이고 평균 메시 품질이 0.87인 유한요소모델을 만들었다. TJ 및 BJ 체결 축은 테트라 메시로 그리고 Tube는 헥사 메시로 형성되었다.
- 은 비틀림 전단성분에 대한 피로강도지수 및 피로연성지수이다. 파괴수명은 ASTM E606/E606M(10) 규격에서 제안된 초기하중 대비 하중전달능력의 50% 감소로 정의하였다. Fig.
데이터처리
- 본 연구에서는 고주파 열처리된 자동차 드라이브 샤프트의 피로수명을 평가하기 위하여, 열처리를 통하여 유효 경화깊이가 서로 다른 시편을 제작하여 비틀림 전단변형률 제어시험을 수행하였다. 얻어진 재료 물성값을 이용하여 피로해석을 통한 드라이브 샤프트의 피로수명을 평가하였으며, 시제품 피로시험 결과와 비교하여 해석결과를 검증하였다
- 고주파 열처리에 따른 피로 특성 변화를 알아보기 위해 모재와 경화깊이가 서로 다른 고주파 열처리 시편 두 종류를 제작하여 비틀림 전단변형률 제어 피로시험을 진행하였고, 변형률 기반 피로수명 평가방법에 필요한 피로 물성값을 구하였다. 얻어진 피로 물성값을 유한요소해석 프로그램인 ANSYS nCode DesignLife(6)에 적용하여 드라이브 샤프트의 변형률 기반 피로해석을 진행하였다. 피로해석으로 얻어진 결과를 시제품을 이용한 피로시험의 결과와 비교하여 해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 얻어진 피로 물성값을 유한요소해석 프로그램인 ANSYS nCode DesignLife(6)에 적용하여 드라이브 샤프트의 변형률 기반 피로해석을 진행하였다. 피로해석으로 얻어진 결과를 시제품을 이용한 피로시험의 결과와 비교하여 해석 기법의 타당성을 검증하였다.
이론/모형
- 부과된 토크는 가속시험 조건인 0~134 kgf · m 및 0~188 kgf · m이다. 응력조합 방법으로 Maximum Shear Strain 이론이 적용되었고, 탄소성변형률 보정을 위하여 Hoffmann과Seeger가 제안한 등가응력-변형률기법이 적용되었고, 평균응력 효과를 고려하기 위해 SWT이론(11)이 사용되었다. 크기효과(Size effect) 계수(12)는 축의 평균직경을 고려하여 0.
- 응력조합 방법으로 Maximum Shear Strain 이론이 적용되었고, 탄소성변형률 보정을 위하여 Hoffmann과Seeger가 제안한 등가응력-변형률기법이 적용되었고, 평균응력 효과를 고려하기 위해 SWT이론(11)이 사용되었다. 크기효과(Size effect) 계수(12)는 축의 평균직경을 고려하여 0.87로 하였고, 표면마무리 효과(Surface roughness effect)는 드라이브 샤프트 제조공정의 가공 표면거칠기 Rz값을 이용하여 FKM-Richtlinie(13)에서 제안된 관계식으로 고려되었다.
- 피로해석은 ANSYS nCode DesignLife(6)을 이용하여 수행되었으며, 드라이브 샤프트에 적용된 피로물성값은 축의 경화깊이 비율 40%와 유사한 유효 경화깊이 1.7 mm 시편의 것이 적용되었다. 하중경계조건으로 TJ 체결 축의 스플라인 부분은 고정하였으며, BJ 체결 축의 스플라인 부분에는 토크가 부과되었다.
성능/효과
- (2) 유효 경화깊이 0.9 mm 및 1.7 mm 시편에 대한 변형률-수명(γa-N) 선도는 서로 유사하였다.
- (3) 드라이브 샤프트의 경화깊이 비율 40%와 유사한 유효 경화깊이 1.7 mm 시편의 재료물성값을 이용한 피로수명 평가에서 비틀림 하중조건 0~134 kgf · m 및 0~188 kgf · m에 추정된 피로수명은 각각 1,884,000 cycles 및 125,900 cycles이다.
- (4) 피로해석 결과를 검증하기 위하여 실시된 시제품 피로시험에서는 실제 파손부위가 피로해석에서 추정된 파손 위치와 일치하였고, 피로해석을 통해 추정된 피로수명은 시제품 피로시험의 결과와 비교하여 피로한도 영역에서 다소 길게 평가되었지만, 그 외의 영역에서는 거의 일치하였다.
- 0~134 kgf · m 및 0~188 kgf · m 하중조건에서 최소수명은 각각 1,884,000 및 125,900 cycles로 계산되었으며, 최소수명이 나타난 부위는 두 경우 모두 BJ 체결 축 스플라인 가공이 시작되는 곳에서 나타났다.
- 8은 시제품 피로시험의 결과이다. 두 가지 하중조건에서 모두 BJ 체결 축 스플라인 시작 부분에서 피로파손이 발생하였으며, 피로해석에서 예측된 피로파손 위험도가 가장 높은 부분과 일치하였다.
- 3은 정적 비틀림 시험의 결과이다. 모재의 경우 뚜렷한 항복응력과 전단강도가 나타났으며, 전단탄성계수 G는 78.7 GPa로 얻어졌다. 고주파 열처리 시편의 경우 유효 경화깊이가 커짐에 따라 전단강도가 크게 증가하였으며 취성 거동이 강하게 나타나면서 파단될 때까지의 변형률이 급격히 감소하였다.
- 모재의 경우 반복변형에 따라 경화현상이 발생하였고 7개 블록 이후 반복 응력-변형률 선도가 안정화되었으며, 고주파 열처리 시편의 경우 3개 블록 이후 안정화 되었다. Fig.
- 4는 안정화 된 이후 블록에서 얻어진 반복 응력-변형률 선도이다. 모재의 반복 응력-변형률 선도는 변형률 폭이 넓은 형태를 보여주고 있으며, 고주파 열처리 시편의 경우 좁은 폭의 반복 응력-변형률 선도가 나타났다. 반복 응력-변형률 선도의 Kt′와 nt′를 그림에 같이 표기하였다.
- 비틀림 전단변형률 추정식의 정도를 검증하기 위하여 서로 다른 토크가 부과되는 조건에서 유한요소해석을 수행하였다. 서로 간의 오차가 5% 내외로, 제안한 비틀림 전단변형률 추정식이 유효하다는 것을 알 수 있다.
- 이후 4시간 동안 템퍼링(Tempering)을 진행하여 열처리 과정을 마무리하였다. 조직검사 과정에서 비커스 경도 기준치 400 Hv를 만족하는 유효 경화깊이는 각각 0.9 mm 및 1.7 mm로 측정되었으며, 이는 시편 최소반경 4 mm 대비 22.5% 및 42.5% 깊이로 경화되었음을 의미한다. Fig.
후속연구
- 본 연구에서 수행한 피로해석 기법은 시제품 시험으로 통해 얻은 피로수명과 유사한 결과를 제공할 수 있으며, 이를 실무에 적용하면 제품의 요구수명 만족 여부를 보다 정교하게 추정할 수 있어 시제품 인증시험에 소요되는 비용과 시간을 절약할 수 있을 것으로 사료된다.
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