[논문]군용차량 휠 조립체 내구성 향상 방법론 연구

신철호; 강태우; 김선진; 나철주

doi:10.5762/kais.2018.19.11.521

군용차량 휠 조립체 내구성 향상 방법론 연구
Design Technique for Durability Improvement of Military Vehicle Wheel 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.11, 2018년, pp.521 - 528

신철호 (국방기술품질원) , 강태우 (국방기술품질원) , 김선진 (국방기술품질원) , 나철주 (기아자동차(주))

초록
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전투목적으로 개발된 군용차량은 타이어 압력이 손실되더라도 일정시간동안 일정거리를 달릴 수 있도록 런플랫시스템을 도입하였다. 런플랫을 적용하기 위하여 휠을 외측림과 내측림으로 구성된 2개의 부분으로 구성하고, 클램핑 볼트를 체결함으로써 외측림과 내측림을 조립한다. 이 클램핑 볼트는 휠의 내구성을 결정하는 중요 부품이다. 실제로 휠의 내측림과 외측림의 파손보다는 클램핑볼트의 파손이 발생되어 휠을 사용하지 못하는 빈도가 높다. 따라서, 클램핑 볼트의 내구성능이 휠의 내구성능과 연관이 크다고 할 수 있다. 본 연구는 휠의 내구성을 향상시키기 위하여 휠조립체를 시험하고 클램핑 볼트를 개발하는 과정을 다루었다. 기존에 정립된 내구시험 조건의 불충분성을 식별하였으며, 휠조립체의 내구성을 보다 정확히 확인할 수 있도록 통제해야 하는 시험조건을 제시하였다. 정립된 시험조건을 기반으로, 성능이 개선된 클램핑 볼트를 시험하였다. 시험조건을 확인한 결과 기존 제품보다 최소 168% 내구성이 향상됨을 확인할 수 있었다. 본 연구는 휠 조립체의 내구시험 방법과 클램핑 볼트를 개발하는 과정에서 고려해야 할 요소를 제시한 것에 의미가 있다 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Military vehicles use run-flat wheels for emergency situations. Run-flat wheels can run required distance in a defined duration with the pressure loss tire. For the application of a run-flat system, wheels are designed in 2 pieces, including an inner rim and outer rim. These rims are assembled using clamping bolts. Clamping bolts determine the durability of military vehicle wheels because fracture of clamping bolts account for most wheel failures. For improving wheel durability, clamping bolt durability must be improved. In this study, wheel test conditions and bolt design were investigated. Existing test standards are not sufficient to conduct endurance tests. Supplementary conditions were investigated. Using these modified test conditions, the durability of wheels including clamping bolts was tested and verified. Results found the durability of wheels improved more than 168%. This study also proposes improvements in the design process of clamping bolts.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Wheel assebly(without tire)
그림 Fig. 2. Fracture surface of bolt
그림 Fig. 3. Schemetic of dynamic radial fatigue test
표 Table 1. Acceleration Factor(K) and Cycles
그림 Fig. 4. Tire tread surface swelling caused by heat
그림 Fig. 5. Shapes of SNCM439 and SCM440 bolts
그림 Fig. 6. Serration length contacting outer rim
표 Table 2. Chemical components of bolt materials
그림 Fig. 7. Lock nut deformation method
그림 Fig. 8. Schemetic of Bolt fatigue test
그림 Fig. 9. Tensile load of bolt fatigue test
표 Table 3. Endurance test results(unit : cycle)
표 Table 4. Radial fatigue test results of Model 2 bolt(unit : cycle)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 군용 휠 조립체의 내구수명을 균일하게 시험할 수 있는 방법을 제시하였으며, 내구수명 개선을 위한 볼트 2개 모델을 설계하고 평가하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구는 기존에 생산된 클램핑 볼트와 호환성이 있으나, 향상된 내구수명을 가지는 개선된 클램핑 볼트를 개발하는 것을 목표로 하였다. 개선 전 클램핑 볼트는 약 105만회의 내구수명을 갖는 것으로 확인되었다.
본 연구는 클램핑 볼트가 절손되는 현상을 최소화하기 위한 클램핑 볼트의 설계 방법론과 이에 대한 성능시험 결과에 대하여 다루도록 하겠다. 휠의 내구수명을 향상시키기 위하여 클램핑 볼트를 개선한 이유는 클램핑볼트의 파손이 휠에서 나타나는 파손현상의 대부분을 차지하기 때문이다.
제품 개선 전/후 성능 비교를 위하여 휠의 정확한 시험 조건을 설정에 대하여 연구하였으며, 결정된 연구 방법을 이용하여 개선된 제품의 성능을 입증하는 과정을 기술하였다. 이를 통하여, 휠 조립체의 시험 방법과 내구성이 뛰어난 클램핑 볼트를 설계할 수 있는 방법론, 개선된 내구시험 결과를 제시하였다.
휠의 내구시험을 규정한 유사규격인 ‘KS R ISO 3894: 2014, 도로 차량 -상용차의 휠/림-시험방법’,‘KS R ISO 3006: 2013, 도로 차량-승용차용 휠-시험방법’을 검토한 결과 휠의 회전속도와 냉각방식에 대해서는 규정하지 않음을 알 수 있었다[4,5]. 이에 따라, 정확한 내구성 향상 정도를 확인하기 위하여 기존에 규정된 시험방법들이 불충분함을 인식하였으며, 보다 균일한 조건의 시험을 수행하기 위하여 휠의 내구시험 조건에 대해서 연구하였다.

제안 방법

2.1.3에서 언급한 바와 같이 잠금너트의 조임토크 감소가 클램핑 볼트 수명에 영향을 미치므로 잠금너트의풀림현상을 해소하고자 잠금너트를 새롭게 설계하였다. 기존에 사용하던 잠금너트는 풀림방지를 위하여 너트의한 대변을 Fig.
대량으로 볼트를 만드는 일반적인 과정은 선재(Wire rod)입고, 선재를 적합한 외경으로 인발(Drawing), 적합한 길이로 절단, 볼트 머리부 성형을 위한 단조(Forging), 나사산 및 세레이션부 전조(Form rolling) 순으로 이루어 진다. Model 1을 소량(300개) 만드는 과정에서, 인발 작업을 하지 않고 선반을 이용한 기계가공을 하였다. 기계가공을 함으로써, 선재의 둘레방향으로 미세한 가공편차가 발생하였다[7].
일반적인 기계가공용 강재의 강도보강은 SM(탄소강), SCM(크롬-몰리브덴강), SNCM(니켈-크롬몰리브덴강)계열 재질 순으로 하는 것이 일반적이다. SCM440을 주재질로 사용하고 있기 때문에, SNCM 계열 재질중 SNCM439를 선정하여 12T(인장강도 1,200MPa)급이며, 기존볼트와 호환성 있는 볼트를 설계하였다.
휠 조립체를 한 개의 시스템으로 본다면, 내측림과 외측림을 변경하여 개선하는 방법도 고려할 수 있었다. 그러나, 사용 중인 휠과 호환성을 가지고, 개선효과 대비 비용을 고려하였기 때문에 클램핑 볼트와 잠금너트 만을 설계변경하여 성능 개선하였다. 보다 큰 개선폭을 갖기 위해서는 내측림, 외측림을 변경하고 클램핑볼트의 체결 개수를 증가시키는 방향으로 연구활동이 수행되어야 할 것이다.
따라서, 휠 고무의 변성을 방지하기 위하여 냉각용 팬(Fan)을 설치하여 휠의 비정상적인 온도 상승을 예방하였으며, 타이어 트레드 온도를 주기적(2시간)으로 측정하여 40℃ 이하로 관리하도록 설정하였다. 시험과정에서 트레드 온도가 40℃를 초과할 경우에는 타이어를 냉각한 후에 시험을 진행하도록 하였다.
볼트 내구수명 향상을 위하여, 볼트의 재질과 형상을 변경한 Model 1을 설계하였다. 기존 클램핑 볼트는 KS D 3867 SCM440 재질로 만들어졌으며, QT(Quenching and Tempering)처리를 통해 HRC(경도) 39~45로 설정되어 있었다.
볼트 단품에 대해서 검증을 한 후에, 휠 조립체에 대해서 내구시험을 수행하였다. 내구시험방법은 KS R4055를 따랐으며, KS규격에서 명시하지 않은 내용은 본 논문의 2.
개선품 검증은 두 가지 방법을 수행하였다. 볼트의 내구성 개선을 통한 휠 조립체의 내구성 향상을 이루는 것이 연구의 목적이었기 때문에, 볼트 단품에 대한 검증을 한 후에 휠의 내구수명을 시험하였다. 볼트의 내구성 개선을 확인하기 위하여 개선전 볼트와 개선 후 볼트(Bolt Model 2) 단품을 각 각 2개씩 이용한 인장력 가진 내구시험을 수행하였다.
볼트의 내구성 개선을 통한 휠 조립체의 내구성 향상을 이루는 것이 연구의 목적이었기 때문에, 볼트 단품에 대한 검증을 한 후에 휠의 내구수명을 시험하였다. 볼트의 내구성 개선을 확인하기 위하여 개선전 볼트와 개선 후 볼트(Bolt Model 2) 단품을 각 각 2개씩 이용한 인장력 가진 내구시험을 수행하였다.
볼트 머리부 직경을 1mm 키우려고 하였으나, 1mm 증가에 따른 성형성 저하가 발생될 수 있어 기존과 동일하게 20mm으로 설정하였다. 볼트의 장기적인 수명을 위하여 표면처리를 인산염 피막처리(내식성 기준 없음)에서 지오메트도금(내식성 : 중성염수분무 600시간 이상)을 적용하였다.
개선 전 볼트는 SCM440을 이용한 12T(인장강도 1,200MPa)급 볼트이다. 이를 개선하기 위하여 14T(인장강도 1,400Mpa)급 볼트인 Model 2를 설계하였다. 14T급 볼트를 제작하기 위하여 초고장력 선재 ‘MB14'를 사용하여 설계하였다.
즉, 잠금너트의 조임토크가 클램핑 볼트 내구수명에 영향을 끼친다고 볼수 있다. 이에 따라, 시험조건을 일정하게 유지시키기 위하여 시험도중 볼트의 토크를 주기적(2시간마다)으로 확인하고, 토크를 정상범위로 설정하는 과정을 거쳤다.
8과 같이, 볼트 나사산 끝단을 너트로 고정시키고 볼트머리부에 인장력을 가했다. 인장력은 Fig. 9에 표시한 것과 같이 평균값을 73.8kN, 가진폭(Load amplitude)을 10.5kN으로 하는 외력을 가하였다. 그 결과, Table 3와 같이 기존볼트는 895,579회, 886,327회의 수명을 각 각 가졌으며, 평균적으로 약 89만회의 내구수명을 보였다.
비용적인 면을 고려하지 않고, 기술적인 면을 고려한 경우에는 클램핑 볼트의 개수를 늘려 내구수명을 연장하는 것이 일반적인 방법이라고 생각할 수 있으나, 2003년 이후 생산된 기존 휠에도 호환성이 있으면서 내구성 향상을 할 수 있도록 제품을 개선하였다. 제품 개선 전/후 성능 비교를 위하여 휠의 정확한 시험 조건을 설정에 대하여 연구하였으며, 결정된 연구 방법을 이용하여 개선된 제품의 성능을 입증하는 과정을 기술하였다. 이를 통하여, 휠 조립체의 시험 방법과 내구성이 뛰어난 클램핑 볼트를 설계할 수 있는 방법론, 개선된 내구시험 결과를 제시하였다.
해당 논문은 휠 조립체의 내구수명을 향상시키기 위하여 클램핑 볼트와 잠금너트 만을 변경하였다. 휠 조립체를 한 개의 시스템으로 본다면, 내측림과 외측림을 변경하여 개선하는 방법도 고려할 수 있었다.

대상 데이터

14T급 볼트를 제작하기 위하여 초고장력 선재 ‘MB14'를 사용하여 설계하였다.
개선 전 볼트는 SCM440을 이용한 12T(인장강도 1,200MPa)급 볼트이다. 이를 개선하기 위하여 14T(인장강도 1,400Mpa)급 볼트인 Model 2를 설계하였다.
군용차량은 모레, 자갈, 진흙 등의 험로를 주행하기 위해서 러그(Lug) 패턴 또는 블록(Block) 패턴의 타이어를 사용한다. 이러한 러그와 블록형 패턴을 만들기 위해서는 트레드의 깊이가 크도록 제작한다.
1에서 언급한 바와 같이 시험을 수행하였다. 시험을 위하여 2개의 시편(휠조립체)을 제작하였다. 개선품을 검증하기 이전에 제품의 내구수명 100% 향상을 목표로 하였다.
연구에 사용된 휠은 1.25톤을 적재중량으로 설정한 K311A1 군용차량의 휠이다. 해당 휠은 ‘KS R 4055 :1996, 자동차용 디스크 휠’을 시험방법 기준으로 설정하였다[2].

이론/모형

볼트 단품에 대해서 검증을 한 후에, 휠 조립체에 대해서 내구시험을 수행하였다. 내구시험방법은 KS R4055를 따랐으며, KS규격에서 명시하지 않은 내용은 본 논문의 2.1에서 언급한 바와 같이 시험을 수행하였다. 시험을 위하여 2개의 시편(휠조립체)을 제작하였다.

성능/효과

또한, KS R ISO 3894에서 ‘너트의 토크값을 점검하고 정기적으로 조정해 준다’라고 규격에 명시하였다. 100만회전을 하면 어느 정도의 조임토크 감소가 있는지 시험한 결과, 평균적으로 36%의 조임토크 감소현상을 보였다. 추가적으로, 조임토크가 클램핑볼트 수명에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 시험초기부터 12개의너트중, 7개의 너트 조임토크를 낮게 설정하여(군부대에서 운용중인 실제 휠 조립토크 재현) 시험한 결과, 클램핑 볼트의 내구수명이 60% 감소함을 확인할 수 있었다.
2. Bolt Model 1을 제작하는 과정에서 선재의 내경을조정하는 방법으로 선반을 이용한 기계가공을 이용하였으며, 가공면의 조도가 좋지 않을 경우 볼트를 만드는 과정에 적합하지 않다.
3. Bolt Model 2의 단품 내구수명을 확인한 결과, 기존 볼트보다 30%의 수명 향상 효과를 나타내었다.
4. Bolt Model 2와 Nut Mode 1을 동시에 사용한 휠 조립체는 최소 168%의 내구성능 개선효과를 나타냈다.
KS R 4055의 방법을 기준으로 시험을 수행하기 전규격을 검토과정에서, 해당 규격의 시험방법이 충분하지 않음을 인지 할 수 있었다. 휠의 회전속도와 휠의 냉각방식 등을 규정하지 않은 것이다.
1번 시편(휠조립체)는2,686,236회에서 외측림 미세 균열을 보여 시험을 중단하였고, 2번 시편은 3,785,379회전에서 지속적(3회) 타이어파손으로 인하여 시험을 중단하였다. 개선전 사양으로 내구시험을 하였을 때는 클램핑 볼트가 가장먼저 파손되었으나(타이어 제외), 개선된 사양에서는 100%이상 향상된 성능을 보이며 클램핑 볼트 이외의 부품이 파손되는 것을 확인할 수 있었다.
KS 규격 등 관련 규격에서는 회전속도를 명시하지 않았으나 휠을 전문적으로 제작하는 업체에 확인한 결과, 국내 자동차 제조사의 일반적인 회전속도 요구사항은 60km/h라 확인할 수 있었다. 군용차량의 최고속도가 90~100km 수준으로 요구되는 것과 민수차량에 비해서 저속으로 운행됨을 감안하여, 군용차량 휠의 회전속도는 40km/h으로 하는 것으로 결정하였다. 가속계수(K)를 1.
시험조건을 설정하기 위해서 휠을 냉각시키지 않고 시험을 해본결과, 시간이 지남에 따라 휠 접촉면에서 발생되는 소음이 증가되었다. 또한, Fig. 4와 같이 구동드럼과 접촉하는 타이어 트레드 고무의 부풀음과 트레드표면 1~2mm 깊이 고무의 색이 짙어지는 변성 현상을 확인할 수 있었다. 휠의 내구시험을 하는 동안 트레드에마킹된 글자가 희미해지는 수준 정도로 트레드 마모가 거의 일어나지 않기 때문에, 트레드 고무 변성은 시험에 영향을 주는 인자라고 할 수 있다.
시험조건을 설정하기 위해서 휠을 냉각시키지 않고 시험을 해본결과, 시간이 지남에 따라 휠 접촉면에서 발생되는 소음이 증가되었다. 또한, Fig.
이를 통해, 기존 잠금너트의 풀림토크는 27kgf·cm이고, 개선된 잠금너트의 풀림토크는 40kgf·cm으로 약 48%의 개선효과를 나타내었다.
100만회전을 하면 어느 정도의 조임토크 감소가 있는지 시험한 결과, 평균적으로 36%의 조임토크 감소현상을 보였다. 추가적으로, 조임토크가 클램핑볼트 수명에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보기 위하여 시험초기부터 12개의너트중, 7개의 너트 조임토크를 낮게 설정하여(군부대에서 운용중인 실제 휠 조립토크 재현) 시험한 결과, 클램핑 볼트의 내구수명이 60% 감소함을 확인할 수 있었다. 즉, 잠금너트의 조임토크가 클램핑 볼트 내구수명에 영향을 끼친다고 볼수 있다.

후속연구

그러나, 사용 중인 휠과 호환성을 가지고, 개선효과 대비 비용을 고려하였기 때문에 클램핑 볼트와 잠금너트 만을 설계변경하여 성능 개선하였다. 보다 큰 개선폭을 갖기 위해서는 내측림, 외측림을 변경하고 클램핑볼트의 체결 개수를 증가시키는 방향으로 연구활동이 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군용차량에서 휠 조립체(이하 휠)의 역할은?	군에서 운용하는 대부분의 차량은 바퀴를 이용하여구동하는 장륜차량(Wheeled Vehicle)의 형태를 지니고 있다. 군용차량의 휠 조립체(이하 휠)는 지면과 직접 접촉하여, 동력을 지면에 전달하고 지면에서 전달되는 충격을 1차적으로 감쇠시키는 역할을 한다. 특히, 군용차량은 일반 차량과 달리 비포장도로(Unpaved road)의 운행 비율이 높기 때문에 일반 차량보다 더 높은 내구성이 요구되는 부품이다.
	일반차량과 군용차량에서 런플랫 시스템의 차이점은?	이를 가능하게 하는 것이 런플랫 시스템이다. 일반 승용차는 타이어의 사이드 월(Sidewall)을 두껍게 만든 런플랫 시스템을 구현하는 것이 일반적이나, 차량의 중량이 비교적 무거운 군용차량의 경우에는 타이어와 휠 사이에 플라스틱으로 만든 링을 삽입한 런플랫 시스템을 이용하는 것이 일반적이다. 이 플라스틱 링을 삽입하기 위해서는 휠을 분리할 수 있도록 설계를 한다.
	군용차량에서 더 높은 내구성의 휠 조립체가 요구되는 이유는?	군용차량의 휠 조립체(이하 휠)는 지면과 직접 접촉하여, 동력을 지면에 전달하고 지면에서 전달되는 충격을 1차적으로 감쇠시키는 역할을 한다. 특히, 군용차량은 일반 차량과 달리 비포장도로(Unpaved road)의 운행 비율이 높기 때문에 일반 차량보다 더 높은 내구성이 요구되는 부품이다.

참고문헌 (7)

K. H. Suh, B. G. Song, H. S. Yoon, "Relative Road Damage Analysis with Driving Modes of a Military Vehicle", Transactions of KSAE, Vol.24, No.2, pp. 225-231, 2016.

원문보기 상세보기
KS R 4055 : Disk Wheels for Automobiles, 1996.
G. S. Yu, N. R. Lee, Y. H. Yeo, B. C. Lee, "Accelerated Life Prediction of the Rubber for Combat Boots", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.16, No.12 pp. 8637-8642, 2015.

원문보기 상세보기
KS R 3894 : Road vehicles-Wheels/rims for commercial vehicles-test methods, 2009.
KS R ISO 3006 : Road vehicles-Passenger car wheels for road use-test methods, 2013.
S. J. Hong, H. G. Lee, "An Experimental Study of Tire Safety & Economical Efficiency with Respect to Inflation Pressure", Transactions of KSAE, Vol.18, No.1, pp. 8-13, 2010.
M. I. Bae, "Observation of Chip Shape and Tool Damage with Interrupted Cutting of Carbon Steel for Machine Structures(SM20C)", Journal of Korean Society of Manufacturing process Engineers, Vol.17, No.2, pp. 103-108, 2018.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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