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문제 정의
- 본 연구에서는 자동차용 중공 스테빌라이저바에 대해서 중량 감소로 인한 두께 감소는 내구 수명에 상당한 영향을 미치며, 이러한 내구 수명 증대를 위해 내측 쇼트피닝을 적용하여 피로 수명 향상할 수 있는 방안을 검토하였다.
제안 방법
- Table 3에 기술된 중공 스테빌라이저바의 중량저 감비율(W/R)에 따른 내외측의 응력 변화는 유한 요소 해석(FEA, Finite element analysis)을 통해 검토 하였다. 해석에 사용된 프로그램은MSC/Marc 비선 형해석솔버(Non-linear solver)를 사용하였다.
- 경계 조건은 Fig. 6의 내구시험 조건과 동일하게 2곳의 지지부(Mounting) 절점(node)을 회전이 가능하고 상하 움직임이 없도록 구속한 후양쪽 끝단에서 동일한 상대 변위(±38.5mm)를 가하여 그 때 작용하는 밴딩부의 내측 및 외측의 최대 주응력(Max. principal stress)을 계산하였다.
- 스테빌라이저바 내구시험은 고속내구시험기(High speed oscillator for stabilizer bar, iABG, GER)를 사용 하였으며, 8 Hz 속도로 실시하였다. 이때 양끝단에 가해지는 변위값은 ±38.
- 스테빌라이저바의 내구시험은 Fig. 6과 같이 양 쪽의 마운팅부를 베어링으로 지지하고 양끝 단에서 변위를 가하여 스테빌라이저바가 절손될 때까 지의 피로 수명을 구하였다.
- 성형된 스테빌라이저바는 열처리후 Table 4와같은 조건으로 쇼트피닝 가공하였다. 외측쇼트피닝 가공은 대차식 외측 쇼트피닝기(conveyer shot peening machine, Daewon, KOR)를 사용하였으며, 내측쇼트피닝은 Fig. 4와 같은 에어 분사식 내측 쇼트피닝기(Inner shot peening machine, Rosler Oberflachen-technik GmbH,GER)를 이용하여 실시하 였다. 내측 쇼트피닝 가공은 쇼트피닝 분사 노즐이 회전 및 전진하면서 파이프 내측으로 삽입되어 파이프 내측을 쇼트피닝 가공하게 된다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 중공 스테빌라이저바의 소재로 사용되고 있는 압연강판재(34Mn5, DIN1.1166)를사용하여 조관 인발하여 파이프를 제작하였다.
이론/모형
- 쇼트피닝 가공에 따라 표면부는 압축잔류응력이 발생하게 되며 이러한 압축잔류응력은 균열의 발생을 지연시키는 역할을 하게 된다. 내측 쇼트피닝 가공에 의한 압축 잔류응력 측정은 최대응력 지점부인 밴딩부의 단면을 절단하여 내측쇼트피닝 가공면을 X선 회절법(X-ray diffraction method)으로 표면부의 압축잔류응력 값을 측정하였다.
- Table 3에 기술된 중공 스테빌라이저바의 중량저 감비율(W/R)에 따른 내외측의 응력 변화는 유한 요소 해석(FEA, Finite element analysis)을 통해 검토 하였다. 해석에 사용된 프로그램은MSC/Marc 비선 형해석솔버(Non-linear solver)를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 중공 스테빌라이저바의 경량화율이 증가할 수록 파이프의 외경은 커지고 두께는 감소하는 경향을 나타낸다.
- (2) 경량화율이 증가할수록 중공 스테빌라이저바의 외측응력 및 내측응력이 급격하게 증가한다. 외측응력 증가율에 비해 내측응력 증가율은 약 2 배 정도 빠르게 증가한다.
- (3) 경량화율이 증가할수록 중공 스테빌라이저 바의 내구 수명이 감소하며, 내측 쇼트피닝 가공을 실시하면 내구 수명을 증대할 수 있다.
- 내측 쇼트피닝 가공한 스테빌라이저바의 경우에는 내측 쇼트피닝 가공하지 않은 스테빌라이저바에 비해 내구 수명이 332%, 284%, 147%, 127% 향상되는 결과를 나타내었다.
- 동일한 변위(하중)에 대해서 중실 스테빌라이저 바와 중공 스테빌라이저바에 작용하는 최대 응력을 비교한 결과가 Table 6에 나타내었다. 동일한 변위(하중)가 작용할 때 중실(Solid) 대비 중공 스테빌라이저바의 중량 저감 비율(W/R)이 36%(Tube 1)에서 48%(Tube 4)로 증가됨에 따라서 외측 응력은 21%에서 46%까지 증가하였다. 또한 중공 사양만 비교하면 Tube1에서 Tube 4로 중량 저감율이 높아질수록 외측응력은 20%까지 증가되었다.
- 동일한 변위(하중)가 작용할 때 중실(Solid) 대비 중공 스테빌라이저바의 중량 저감 비율(W/R)이 36%(Tube 1)에서 48%(Tube 4)로 증가됨에 따라서 외측 응력은 21%에서 46%까지 증가하였다. 또한 중공 사양만 비교하면 Tube1에서 Tube 4로 중량 저감율이 높아질수록 외측응력은 20%까지 증가되었다. 이는 같은 강성을 갖고 있는 스테빌라이저바에서도 설계시 중량저감율(두께)을 고려야만 정확한 내구 수명 예측이 가능할 것이다.
- 또한, 중공 스테빌라이저에 내측응력도 중량 저감 비율(W/R)이 증가할수록 최대 39%까지 내측응 력이 증가됨이 해석적으로 나타났다.
- 또한, 피로 파단은 응력 최대 지점인 밴딩부와 마운팅부 사이에서 나타났으며, Table 9와 같이 경량화 비율이 증가함에 따라 균열의 발생 위치는 외측 표면에서 내측으로 변화하는 경향을 나타내었다.
- 이러한 파이프 밴딩부의 내측 파단도 내측 쇼트 피닝 가공을 적용함에 따라서 내측 경량화율 45 % 이상의 파이프에서 내측 파단 현상이 감소 됨을 나타내었다. 이러한 현상은 파이프 내측에도 쇼트피닝 가공에 따른 압축잔류응력 영향으로 인해 피로 균열 발생이 지연되어 피로 수명이 증가 하였음을 알 수 있었다.
- 중공 스테빌라이자바의 중량 저감 비율(W/R)이 36%를 기준으로 해서 중량 저감 비율이 48%까지 증가함에 따라서 내구수명은 Tube 1(W/R 36%) 대비하여 89%, 55%, 44%로 수명이 급격하게 감소되었다.
- 8은 중량 저감율(W/R)에 따른 내외측의 응력 변화량(Stress increase rate)을 그래프로 나타내었다. 중량 저감율(W/R)이 증가함에 따라서 외측보다 내측 응력의 증가율이 약 2배 정도 기울기가 급하게 증가하는 경향을 나타내었다.
후속연구
- 이러한 연구 개발도 추가적인 중량 저감에 있어서 파이프의 두께(t)가 감소하면서 파이프의 외측이 아닌 내측에서 피로 균열이 발생되어 일반적인 외측 쇼트피닝만으로는 한계점에 다 달았다. 이러한 내측 피로 균열 파괴에 대한 대안으로서 내측 쇼트피닝 공법을 적용한 스테빌라이저바가 개발되고 있다.
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