[논문]결합부 강화구조용 탄소복합재 자동차 부품 개발

고관호; 이민구; 허몽영

doi:10.7234/composres.2018.31.6.392

결합부 강화구조용 탄소복합재 자동차 부품 개발
Development of the CFRP Automobile Parts Using the Joint Structure of the Dissimilar Material 원문보기

Composites research = 복합재료, v.31 no.6, 2018년, pp.392 - 397

고관호 (Composites Processing Division, Korea Institute of Carbon Convergence Technology) , 이민구 (Composites Processing Division, Korea Institute of Carbon Convergence Technology) , 허몽영 (Composites Processing Division, Korea Institute of Carbon Convergence Technology)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 기존의 스틸재 타이로드를 브레이딩 공법을 적용한 탄소복합재로 개발하고자 하였다. 탄소복합재 타이로드는 기존 제품과 동등한 성능을 만족시키기 위하여 브레이딩 직조에 필요한 코어 단면설계, 코어와 탄소섬유의 접합부에 대한 구조형상설계를 진행하였다. 그리고 브레이딩 공법을 적용한 시편을 제작하여 시험평가를 통해 구조해석에 적용하였다. 제작 공정은 브레이딩 직조 후 인퓨전 공정을 거쳐 후경화 공정까지 진행하였으며 최종 제품에 대한 시험평가는 인장 시험, 비틀림 시험, 압축 시험과 피로시험을 순차적으로 진행하여 모두 만족시켰다. 또한 탄소복합재 타이로드의 중량을 기존 제품 대비 약 37% 정도 경량화시킬 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the development purpose is to replace steel Tie Rod of commercial vehicle to the carbon composite by a braiding process. CFRP tie rod was designed to meet the performance requirements of existing products by designing the cross section of the core for braiding weaving and the structural design of the joint between the core and the carbon fiber. The specimens were fabricated by braiding method and applied to structural analysis through test evaluation. The manufacturing process proceeded from braiding to infusion through post-curing process. The test evaluation of the final product was satisfactorily carried out by sequentially performing tensile test, torsion test, compression test and fatigue test. In addition, the weight of CFRP tie rod could be reduced by about 37% compared to existing products.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Shape of TIE ROD
그림 Fig. 2. Core shape of CFRP TIE ROD
그림 Fig. 3. Test equipment of tensile test
그림 Fig. 4. After shape of specimen for UD18 and UD36 in tensile test
그림 Fig. 5. Load/Boundary Condition for tensile and torsion
그림 Fig. 6. Load/Boundary Condition for compression
표 Table 1. Tensile test results of specimen for UD18 and UD36
표 Table 2. Analysis result for final design
그림 Fig. 7. Stress distribution of dir. 0° and 90° for Compression
그림 Fig. 8. Stress distribution of dir. 0° and 90° for Tensile
그림 Fig. 9. Stress distribution of dir. 0° and 90° for Torsion
그림 Fig. 10. Braiding process of CFRP TIE ROD
그림 Fig. 11. Infusion process of CFRP TIE ROD
그림 Fig. 12. CFRP TIE ROD
그림 Fig. 13. Three types of Core shape for ball joint region
그림 Fig. 14. Test process of tensile test for ball joint region
그림 Fig. 15. Test process of torsion test
그림 Fig. 16. Test process of compression test for TIE ROD
그림 Fig. 17. Test process of Fatigue test for TIE ROD
표 Table 3. Test result of CFRP TIE ROD for tensile and torsion
표 Table 4. Test result of CFRP TIE ROD

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 브레이딩 공법을 이용하여 기존 스틸 제품을 탄소복합재로 대체하기 위한 구조 설계, 해석 및 시험평가를 실시하였다. 특히 타이로드의 핵심 설계요소인 코어재의 형상 및 단면설계를 진행하였고 복합재 해석을 통하여 구조 검토를 진행하였다.

제안 방법

특히 타이로드의 핵심 설계요소인 코어재의 형상 및 단면설계를 진행하였고 복합재 해석을 통하여 구조 검토를 진행하였다. 그리고 별도의 샘플을 제작 후 인장 및 비틀림 시험을 통해 코어재 단면과 CFRP 두께에 대한 타당성을 검증하였고, 순차적으로 압축시험과 피로시험을 통해 타이로드의 최종 설계안에 대한 강도 및 내구성을 평가하였다.
타이로드 설계는 구조해석을 위하여 시편에 대한 물성평가를 먼저 진행한 후 코어재 및 복합재 설계를 위한 구조해석을 통하여 설계를 완료하였다. 그리고 복합재 타이로드를 제작한 후 시험 평가를 진행하였으며, 시험 평가의 경우 시간단축과 제작의 용이성을 위해 별도의 샘플을 제작하여 체결부에 대한 인장시험과 비틀림시험을 진행하였다. 그리고 나서 최종 제품에 대한 압축시험과 피로내구시험을 통해 제품의 시험평가를 완료하였다.
따라서, 인장 시험과 비틀림 시험을 모두 만족하는 c타입의 형상을 최종 설계안으로 확정하여 타이로드를 제작 후 압축 시험과 피로내구 시험을 추가로 진행하였다.
본 연구에서는 기존의 탄소강관을 사용하여 제작되는 상용차용 타이로드의 부품인 링크로드의 구조재료를 피로특성이 우수한 탄소복합소재로 대체하여 피로내구를 만족시키는 타이로드의 경량화 설계를 진행하였고 구조해석을 통해 이를 검증하였으며, 브레이딩 공정으로 탄소복합재 타이로드를 제작한 후 피로내구시험을 통해 제품에 대한 안전성 및 해석의 타당성을 평가하였다.
코어재는 외경에 따른 해석을 통해 설계 검토를 하였고, 복합재의 경우 두께에 대한 구조해석을 통해 설계 검증을 진행하였으며, 로드부 피로 파손의 경우는 타이로드에 작용하는 최대 응력이 재료가 가지는 인장강도의 40% 수준으로 설계한도를 설정하였다[2].
코어재와 복합재 결합부 설계는 결합력 강화를 위해 총 3가지 타입으로 형상설계 후 제작하여 시험평가를 진행하였다. 타이로드의 설계 기준은 인장시험의 경우 147.
본 연구에서는 브레이딩 공법을 이용하여 기존 스틸 제품을 탄소복합재로 대체하기 위한 구조 설계, 해석 및 시험평가를 실시하였다. 특히 타이로드의 핵심 설계요소인 코어재의 형상 및 단면설계를 진행하였고 복합재 해석을 통하여 구조 검토를 진행하였다. 그리고 별도의 샘플을 제작 후 인장 및 비틀림 시험을 통해 코어재 단면과 CFRP 두께에 대한 타당성을 검증하였고, 순차적으로 압축시험과 피로시험을 통해 타이로드의 최종 설계안에 대한 강도 및 내구성을 평가하였다.

대상 데이터

초기 타이로드 설계 및 구조해석을 위하여 브레이딩 시편에 대한 인장 시험을 하였다. 브레이딩 성형에 사용된 섬유는 Toho Tenax UTS50(12K) 탄소섬유이고, 고분자 수지로는 Kinetix R118-H141이 사용되었다. 시편 제작에는 성형 시 고려되는 변수인 축방향 섬유의 수 18개, 36개에 대한 강도 비교를 위하여 각각 4 ply씩 적층 후 시편을 5개씩 제작하였다.
브레이딩 성형에 사용된 섬유는 Toho Tenax UTS50(12K) 탄소섬유이고, 고분자 수지로는 Kinetix R118-H141이 사용되었다. 시편 제작에는 성형 시 고려되는 변수인 축방향 섬유의 수 18개, 36개에 대한 강도 비교를 위하여 각각 4 ply씩 적층 후 시편을 5개씩 제작하였다.
프리폼 제작공정에서 탄소섬유는 Toho Tenax UTS50(12K)를 사용하였고, 인퓨전 공정에서는 수지 Kinetix R118과 경화제 H141를 4:1의 비율로 혼합하여 상온에서 24시간 경화하였다. 후경화 공정에서 제품을 오븐에 넣고 40^oC에서 16시간 경화시켜 Fig.

데이터처리

복합재 타이로드에 대한 구조해석은 상용소프트웨어인 Midas NFX 프로그램을 사용하였고, 정적해석을 통해 설계검토 및 로드부의 피로파손 여부를 예측하였다.

이론/모형

인장 시험은 ASTM D3039 규격에 준하는 방법으로 진행되었으며, 30 ton MTS 만능재료시험기를 사용하였다. 또한 시편의 변형률 측정을 위하여 시편 중앙에 변형률게이지를 부착하고 재하속도 2 mm/min으로 시험을 진행하였다.

성능/효과

따라서, 코어재의 직경을 Ø40으로 변경하고 CFRP 두께를 증가시키면서 추가 해석을 진행하였다. CFRP 두께 2 t일 때 압축과 비틀림에서 각각 568 MPa, 111 MPa로 파손이 일어날 것으로 예상되었으며 CFRP 두께 3 t일 때 모든 해석에서 만족하는 결과가 나와 최종설계안으로 확정하였다.
본 연구를 통하여 개발된 타이로드의 중량은 6.1 kg으로 기존 스틸 제품 11.7 kg 대비 약 48% 경량화 효과가 있었으며, 코어재와 복합재의 결합부 설계 및 해석 등 복합재 해석에 대한 설계기술을 확보할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상용차용 타이로드의 역할은 무엇인가?	상용차용 타이로드는 차량의 조향시스템을 구성하는 하나의 부품으로 운전자의 조향의지를 마지막으로 너클에 전달하여 차량을 원하는 방향으로 회전시키는 역할을 한다.
	소재의 경량화가 환경오염 방지와 연료절감에 중요한 요소인 이유는?	그 중 직접적인 큰 효과가 기대되는 것으로 자동차 그 자체를 가볍게 하는 것이다. 특히 소재의 경량화는 엔진효율을 높여 자동차의 성능향상을 극대화시키고 그로 인해 연비향상을 도모할 수 있어서, 결국 소재의 경량화는 환경오염 방지와 연료절감에 가장 적합하고 중요한 요소이다[1].
	브레이딩 공법 이용해 탄소복합재로 대체한 결과, 어느정도의 경량화가 있었는가?	본 연구를 통하여 개발된 타이로드의 중량은 6.1 kg으로 기존 스틸 제품 11.7 kg 대비 약 48% 경량화 효과가 있었으며, 코어재와 복합재의 결합부 설계 및 해석 등 복합재 해석에 대한 설계기술을 확보할 수 있었다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증