본 논문은 특수 차량용 동력 전달계 부품인 구동축의 가속 수명 시험을 수행하는 것이다. 동력 전달계 부품의 수명 평가를 위하여 사용환경의 주행 부하 스펙트럼의 데이터가 필요하나, 특수 차량의 경우 부하 스펙트럼을 구할 수 없는 경우가 대부분이다. 따라서, 본 논문에서는 차량 데이터와 특수 주행로 조건에 기반하여 주행 부하 로드 스펙트럼을 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 가속 수명 시험에는 역승 모델을 적용하였고, 마이너 법칙을 사용하여 등가 토크를 구하였으며, 구동축 가속 수명 시험을 위하여 교정 가속법을 사용하였다. 피로시험은 세 수준의 스트레스로 수행하였으며, 사용자 스트레스 수준의 수명은 외삽법을 사용하여 예측 하였고, 실제 시험 결과와 부하 스펙트럼 데이터와의 비교로 수명을 검증하였다.
본 논문은 특수 차량용 동력 전달계 부품인 구동축의 가속 수명 시험을 수행하는 것이다. 동력 전달계 부품의 수명 평가를 위하여 사용환경의 주행 부하 스펙트럼의 데이터가 필요하나, 특수 차량의 경우 부하 스펙트럼을 구할 수 없는 경우가 대부분이다. 따라서, 본 논문에서는 차량 데이터와 특수 주행로 조건에 기반하여 주행 부하 로드 스펙트럼을 모델링하고 시뮬레이션 하였다. 가속 수명 시험에는 역승 모델을 적용하였고, 마이너 법칙을 사용하여 등가 토크를 구하였으며, 구동축 가속 수명 시험을 위하여 교정 가속법을 사용하였다. 피로시험은 세 수준의 스트레스로 수행하였으며, 사용자 스트레스 수준의 수명은 외삽법을 사용하여 예측 하였고, 실제 시험 결과와 부하 스펙트럼 데이터와의 비교로 수명을 검증하였다.
This paper proposes an accelerated life evaluation of drive shaft for the power train parts of special purpose vehicle. It is necessary the real load data of usage level driving load condition for life evaluation of power train parts, but we can't get the load spectrum data for evaluation in many ca...
This paper proposes an accelerated life evaluation of drive shaft for the power train parts of special purpose vehicle. It is necessary the real load data of usage level driving load condition for life evaluation of power train parts, but we can't get the load spectrum data for evaluation in many case of special purpose vehicle. So, in this paper, the road load spectrum data for evaluation is created by modeling and simulation based on vehicle data and special road condition. The inverse power model is used for accelerated life test. The equivalent torque of load spectrum is achieved using the Miner's Rule. This paper also proposes the calibrated acceleration life test method for drive shaft. The fatigue test is performed through three stress levels. The lifetime at normal stress level is predicted by extrapolation, and is verified through comparison of experimental results and load spectrum data.
This paper proposes an accelerated life evaluation of drive shaft for the power train parts of special purpose vehicle. It is necessary the real load data of usage level driving load condition for life evaluation of power train parts, but we can't get the load spectrum data for evaluation in many case of special purpose vehicle. So, in this paper, the road load spectrum data for evaluation is created by modeling and simulation based on vehicle data and special road condition. The inverse power model is used for accelerated life test. The equivalent torque of load spectrum is achieved using the Miner's Rule. This paper also proposes the calibrated acceleration life test method for drive shaft. The fatigue test is performed through three stress levels. The lifetime at normal stress level is predicted by extrapolation, and is verified through comparison of experimental results and load spectrum data.
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문제 정의
본 연구에서는 특수 차량용 동력 전달 부품에 대한 수명 시험 방법을 설계하고 수행하였다. 수명 평가를 위해서는 대상 시료의 수명과 실제 현장 작동 조건의 수명 비교가 필요한데, 실제 측정되어 분석된 데이터가 없는 경우, 차량과 주행로를 모델링하고, 각 주행로 조건 별로 주행부하와 손상도를 계산하여 실제 주행 조건의 부하 스펙트럼을 결정하는 방법을 제안하였다.
가설 설정
가속지수 m 은 일반적으로 알려진 값을 이용하기도 하며 실제 데이터를 획득하여 사용하면 정확한 값을 적용할 수 있으나, 시험비용에 대한 부담으로 쉽게 획득하기는 어렵다. 유사한 추진축에 대한 가속지수 값 4.5 를 가정하여 누적 손상 값과 등가토크 값을 구하였다.(4) 등가토크 값은 1,066 N·m 로 정격토크 값의 약 27% 임을 확인 할 수 있다.
특히 각 수준별 시험 샘플 수가 적어 형상모수가 너무 크게 추정되었다. 이를 보완하기 위해 동일한 메커니즘에 대한 형상모수 값인 3.67(4)을 가정하여 와이베이즈(Weibayes) 분석을 적용하였다. 반면 가속지수 값은 4.
제안 방법
피로수명시험을 위하여 Fig. 7 의 (a)와 같이 유압식 로타리 액추에이터 시험장비에 시료를 설치하고 피로시험을 수행하였다. 시료의 수명분석을 위하여 3 수준 스트레스로 피로시험을 수행하였으며 그 결과는 Table 6 과 같다.
저수준 값은 상위 2 수준 시험 후 분석 후 시험 스트레스를 정하여 시험을 수행하였으며, 저수준 시험에서는 시험장비 이상으로 시료 1 개 시험이 중단되었다. 각 수준마다 최소 2 개의 시료가 있어야 정확한 분석이 가능하나 추가적으로 시료 제공이 이루어지지 않아 시험을 중단하였다. 피로시험 고장 부위를 조사한 결과, Fig.
특수 차량용 동력 전달 부품의 특성상 고동력, 고부하이며, 비용과 제공 시료수의 한계로 신뢰성 있는 평가를 하는데 어려움이 있다. 그러나, 제공되는 최소 시료 수 내에서 최대한 정확한 시험을 수행할 수 있도록 교정 가속 수명 시험을 적용한 가속 수명 평가 방법을 제안하였으며, 형상 모수와 가속 지수 값과 같은 수명 특성 값을 획득할 수 있었다. 이 특성값들은 유사한 동력 전달 축의 가속 수명 시험에 많은 활용이 기대되고, 동력 전달 계통에서 동력 전달 축이나 기어박스처럼 가변부하를 받는 다양한 부품에 대하여 본 논문에서 제안된 방법으로 수명 평가 활용이 기대된다.
본 연구에서는 특수 차량용 동력 전달 부품인 구동축의 수명 시험 평가를 위하여 사용자가 요구하는 차량 주행로와 차량을 모델링하고 각 노면 조건별 주행부하 값을 계산하였으며, 각 시간별 분포를 배분하여 각 동력 전달 부품에 인가되는 부하 스펙트럼을 작성하여 평가를 위한 사용 요구 조건의 목표 수명 값을 결정하였다. 이 기준 부하 스펙트럼을 수명 목표로 설정하였고, 개발되는 구동축의 신뢰성평가를 위하여 가속 수명 시험법 설계가 필요하여 경제성을 고려하면서 구동축의 수명 데이터를 가능한 정확하게 얻기 위한 교정 가속 수명 시험법을 사용하여 가속 수명 평가를 수행 하였다.
본 연구에서는 특수 차량용 동력 전달 부품에 대한 수명 시험 방법을 설계하고 수행하였다. 수명 평가를 위해서는 대상 시료의 수명과 실제 현장 작동 조건의 수명 비교가 필요한데, 실제 측정되어 분석된 데이터가 없는 경우, 차량과 주행로를 모델링하고, 각 주행로 조건 별로 주행부하와 손상도를 계산하여 실제 주행 조건의 부하 스펙트럼을 결정하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서는 특수 차량용 동력 전달 부품인 구동축의 수명 시험 평가를 위하여 사용자가 요구하는 차량 주행로와 차량을 모델링하고 각 노면 조건별 주행부하 값을 계산하였으며, 각 시간별 분포를 배분하여 각 동력 전달 부품에 인가되는 부하 스펙트럼을 작성하여 평가를 위한 사용 요구 조건의 목표 수명 값을 결정하였다. 이 기준 부하 스펙트럼을 수명 목표로 설정하였고, 개발되는 구동축의 신뢰성평가를 위하여 가속 수명 시험법 설계가 필요하여 경제성을 고려하면서 구동축의 수명 데이터를 가능한 정확하게 얻기 위한 교정 가속 수명 시험법을 사용하여 가속 수명 평가를 수행 하였다.(3~6)
5 배값으로 하였다. 저수준 값은 상위 2 수준 시험 후 분석 후 시험 스트레스를 정하여 시험을 수행하였으며, 저수준 시험에서는 시험장비 이상으로 시료 1 개 시험이 중단되었다. 각 수준마다 최소 2 개의 시료가 있어야 정확한 분석이 가능하나 추가적으로 시료 제공이 이루어지지 않아 시험을 중단하였다.
5 와 같이 좀더 다양한 조건으로 세분화 하였다. 제조사에서 제공된 각종 차량 데이터와 주행로 조건 등을 엑셀 프로그램에서 식으로 작성하여 주행 부하를 산출 하였다. 구름저항, 공기저항, 구배 저항 값 등을 산출 하였고, 동력 전달계 각 부품 별로도 산출이 가능하며, 구배 시 각 축별로 변경되는 부하계산도 가능하다.
대상 데이터
사용자가 요구하는 주행로 환경이 있으며, 본 연구 대상 구동축의 요구 환경은 특수한 주행로이며 이러한 요구 조건은 주로 군 관련된 자료를 참조하여 제안되고 있으며, 주행로에 대한 기본 자료는 미군에서 나온 Test Requirement for Wheeled Transport-type Vehicle(AMCP 706-355:US Army)와 Mission Profile for LAV Armoured Wheeled Vehicle(US Marine Corps) 자료를 기반으로 사용되고 있다. 국내에서도 주로 미군 체계를 참조하고 있고, 현재 고유의 주행로 조건이 없으므로 이 자료를 참조하였다. 보증수명 거리 MKBF(Mean Kilometer Between Failure), 등판 각도, 장애 물 정보와 야지, 비포장, 포장 도로의 비율 등이 명시되어 있으며, Table 1 과 Table 2 는 미육군 및 해군의 주행로 요구 조건 표이다.
수명 시험 대상 부품은 Fig. 1 과 같이 특수 목적 차량에 사용되는 전륜 액슬의 구동축으로 차동 기어와 휠 허브 기어 사이에 장착된다. 차량의 동력 전달계 부품을 시험하기 위해서는 차량이 주행하는 환경 조건을 알아야 한다.
시험 대상 구동축은 8×8 구동 차량의 전축 즉, 1 열과 2 열 액슬에 장착되는 액슬의 차동기어와 허브 기어 사이의 동력을 전달하는 구동축이다.
데이터처리
시험 데이터의 수명분포를 결정하기 위해 과거 경험과 MINITAB 을 이용한 적합도 검정을 실시하였다. 3,200N·m 에서는 대수 정규 분포가 더 적합한 것으로 보이나 시료 한 개에 의한 결과이므로 큰 의미를 부여할 수 없고, 시료 수가 적은 3,200 N·m 조건을 제외한 나머지 2 조건에서는 와이블 분포가 적합한 것으로 분석되었으며, 해당 그래프는 Fig.
이론/모형
ALTA 프로그램을 이용하여 가속시험 결과를 분석하였으며, 가속모델은 역승모델을 적용하였다. 최대우도법을 이용하여 모수를 추정하였으며, 형상모수와 가속지수의 추정치는 29.
실사용 조건은 부하 스펙트럼으로부터 마이너 법칙을 사용하여 등가토크를 산출하였으며, 그 값은 1,066 N·m 이며 누적 사이클은 약 2.0348×107사이클이다.
성능/효과
(4) 등가토크 값은 1,066 N·m 로 정격토크 값의 약 27% 임을 확인 할 수 있다.
피로시험 고장 부위를 조사한 결과, Fig. 7 의 (b)와 같이 구동축에서의 고장 부분은 모두 크로스키트 부위가 파괴 되었으며, 이는 전형적인 구동축의 고장모드이며, 가속 수명 시험 모형의 적합성을 확인할 수 있었다.
와이베이즈 분석결과로부터 사용조건 즉, 1,066 N·m 토크 값에서 평균수명과 B10 수명은 4.6230×107 사이클과 2.5040×107 사이클로 나타났다.
ALTA 프로그램을 이용하여 가속시험 결과를 분석하였으며, 가속모델은 역승모델을 적용하였다. 최대우도법을 이용하여 모수를 추정하였으며, 형상모수와 가속지수의 추정치는 29.6 과 4.5 로 나타났다. 특히 각 수준별 시험 샘플 수가 적어 형상모수가 너무 크게 추정되었다.
후속연구
그러나, 제공되는 최소 시료 수 내에서 최대한 정확한 시험을 수행할 수 있도록 교정 가속 수명 시험을 적용한 가속 수명 평가 방법을 제안하였으며, 형상 모수와 가속 지수 값과 같은 수명 특성 값을 획득할 수 있었다. 이 특성값들은 유사한 동력 전달 축의 가속 수명 시험에 많은 활용이 기대되고, 동력 전달 계통에서 동력 전달 축이나 기어박스처럼 가변부하를 받는 다양한 부품에 대하여 본 논문에서 제안된 방법으로 수명 평가 활용이 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
특수 목적용 차륜형 차량은 무엇인가?
특수 목적용 차륜형 차량은 일반 상용 차량과 달리 일반 도로뿐 아니라 야지를 비롯한 특수 노면에서의 기동성을 요구하는 차량이다. 특수한 목적으로 사용되는 차량으로 포장 및 비포장도로 외에도 모래, 진흙, 등 특수한 노면에서도 기동성을 발휘하여야 하는 차량으로 특수차로 분류되며 특히, 방산용 차량으로 많이 사용되고 있다.
특수차량의 실측 데이터를 활용하기가 불가능한 이유는 무엇인가?
승용차를 비롯한 양산화 되어 있는 차종은 실제 주행환경 데이터 취득이 가능하여 부하 스펙트럼 분석이 많이 이루어져 있어서 차량 개발에서 정확한 데이터를 비교하여 평가 할 수 있다.(1) 그러나, 특수차량의 경우에는 측정하거나 참조할 만한 차량이 존재하지 않는 경우가 대부분이라 실측 데이터를 활용하기가 불가능하다. 특수 차량용 구동 부품은 고동력 고부하를 사용하는 부품으로 시험용 시료 수 제한, 고비용, 고성능 시험장비 등으로 시험 수행에 제약이 많다.
특수 목적용 차륜형 차량은 국내에서 어떤 분야에 사용되는가?
특수한 목적으로 사용되는 차량으로 포장 및 비포장도로 외에도 모래, 진흙, 등 특수한 노면에서도 기동성을 발휘하여야 하는 차량으로 특수차로 분류되며 특히, 방산용 차량으로 많이 사용되고 있다. 기존 국내에서는 험로 주파용으로 궤도 차량이 많이 사용되었으나, 현재는 경량화 및 기동성 향상, 도로포장률 상승 및 야지 주행 비율 감소, 산악지역 대비 도심 주행 빈도 증가, 차륜형 차량 기술 발전으로 야지주파 능력이 향상된 차륜형 특수차량이 많이 적용되어 사용되고 있다.
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