[논문]Computer Simulation of Deformation in a Rubber Boots for Translation and Rotation of CV-joint for Automobile

Lee, Min-A; Lyu, Min-Young

doi:10.7473/ec.2020.55.2.88

Computer Simulation of Deformation in a Rubber Boots for Translation and Rotation of CV-joint for Automobile 원문보기

Elastomers and composites = 엘라스토머 및 콤포지트, v.55 no.2, 2020년, pp.88 - 94

Lee, Min-A (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology) , Lyu, Min-Young (Department of Mechanical System Design Engineering, Seoul National University of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Automobile industry, along with the automobile steering system, is rapidly changing and developing. The constant velocity joint transmits power to the wheels of vehicles without changing their angular velocity based on the movement of the steering wheel. Moreover, it controls their movement to act as a buffer. In order to prevent the excessive increase in temperature caused by the movement of vehicles, boots are attached to the constant velocity joint and lubricant is injected into the boots. The boots maintain the lubrication and protect the constant velocity joint from sand, water, and so on. As the wheels of the vehicle rotate, the boots are acted upon by forces such as bending, compression, and tension. Additionally, self-contact occurs to boots. Therefore, their durability deteriorates over time. To prevent this problem, polychloroprene rubber was initially used however, it was replaced by thermoplastic polyester elastomers due to their excellent fatigue durability. In this study, the structural analysis of boots was conducted. The results showed the deformation patterns of the boots based on the translation and rotation of the constant velocity joint. Moreover, it confirmed the location that was vulnerable to deformation. This study can be used to potentially design high-quality constant velocity joint boots.

주제어

표/그림 (12)

그림 Figure 1. Three study models: assembled geometry of boots and CV-joint.
그림 Figure 2. Boundary conditions for simulation.
그림 Figure 3. Loading condition for simulation.
그림 Figure 4. Mesh generation of CV-joint and boots for computer simulation.
표 Table 1. Material Property of Boots and CV-joint
표 Table 2. True Stress-Strain Curve Data Fitted by Ogden 3^rd Model
표 Table 3. Translation and Rotation of CV-joint
그림 Figure 5. Initial and deformed shape according to translation and rotation of CV-joint.
그림 Figure 6. Detailed deformation of boots according to CV-joint rotation angle for model 1.
그림 Figure 7. Detailed deformation of boots according to CV-joint rotation angle for model 2.
그림 Figure 8. Detailed deformation of boots according to CV-joint rotation angle for model 3.
그림 Figure 9. Strain distribution after translation and rotation of CV-joint.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 상용 구조해석 프로그램(Abaqus)을 이용하여 등속조인트와 TPEE 소재의 부츠가 결합된 세 가지 형상에서 등속조인트의 이동과 회전에 따라 부츠의 변형 양상을 확인하 였다. 각도가 변함에 따라 부츠의 자체접촉 및 부츠와 등속조인트의 접촉양상을 관찰하고 반복적인 접촉에 의해 변형에 취약한 부분을 확인하고자 한다. 이러한 연구는 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구는 등속조인트와 TPEE 소재의 부츠가 결합된 세 가지 형상에서 등속조인트의 이동과 회전에 따라 부츠의 변형 양상을 모사하였다. 각도가 변함에 따라 부츠의 자체접촉 및 부츠와 등속조인트의 접촉양상을 관찰하고 반복적인 접촉에 의해 변형에 취약한 부분을 확인하였다.

제안 방법

본 연구는 등속조인트와 TPEE 소재의 부츠가 결합된 세 가지 형상에서 등속조인트의 이동과 회전에 따라 부츠의 변형 양상을 모사하였다. 각도가 변함에 따라 부츠의 자체접촉 및 부츠와 등속조인트의 접촉양상을 관찰하고 반복적인 접촉에 의해 변형에 취약한 부분을 확인하였다.
이러한 연구는 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다. 또한 등속조인트 부츠변형에 취약한 부분을 판단하는 결과 분석 방법을 제시하였다.
본 연구는 등속조인트의 회전에 따라 부츠의 변형양상을 모사하였고 부츠변형에 취약한 부분을 판단하였다. 이러한 연구를 통해 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다.
본 연구는 상용 구조해석 프로그램(Abaqus)을 이용하여 등속조인트와 TPEE 소재의 부츠가 결합된 세 가지 형상에서 등속조인트의 이동과 회전에 따라 부츠의 변형 양상을 확인하 였다. 각도가 변함에 따라 부츠의 자체접촉 및 부츠와 등속조인트의 접촉양상을 관찰하고 반복적인 접촉에 의해 변형에 취약한 부분을 확인하고자 한다.
등속조인트 부츠의 초기연구는 설계자의 경험에만 의존하여 설계하고 실험을 통해 변형에 대한 취약 부위를 찾아내어 다시 설계에 반영하는 등의 방식으로 이루어졌으므로 시간과 경비면에서 비효율적이다. 하지만 컴퓨터의 발달로 유한요소법을 사용하여 고무와 같은 비선형의 탄성 거동을 보이는 재료에 대해 제품의 변형거동을 시뮬레이션으로 살펴볼 수 있게 되었다.⁸ 클로로프렌 고무 소재를 등속조인트 부츠에 적용한 유한요소해석 연구는 S.
Figure 4는 메시 형상이다. 해석을 위해 등속조인트와 부츠에 적용한 요소는 선택적 저감적분법을 이용하는 8절점 3차원 brick요소(C3D8H) hexa 형태를 적용하였다. 모델 1의 부츠와 등속조인트의 요소수는 총 126,223개, 모델 2는 총 101,385개, 모델 3은 총 114,602개이며 세 모델 모두 굽힘에 의한 영향을 고려하기 위해서 두께 방향으로는 3개의 요소를 생성하였다.

대상 데이터

세 가지 모델에서 부츠의 길이는 모두 상이하며 등속조인트의 형상은 모델 1과 모델 2가 동일하다. 모델 1의 부츠는 여섯 개의 외측 굴곡과 다섯 개의 내측 굴곡으로 이루어져 있으며 총 길이는 127mm이다. 모델 2의 부츠는 여섯 개의 외측 굴곡과 다섯 개의 내측굴곡으로 이루어져 있고 총 길이는 124.
해석을 위해 등속조인트와 부츠에 적용한 요소는 선택적 저감적분법을 이용하는 8절점 3차원 brick요소(C3D8H) hexa 형태를 적용하였다. 모델 1의 부츠와 등속조인트의 요소수는 총 126,223개, 모델 2는 총 101,385개, 모델 3은 총 114,602개이며 세 모델 모두 굽힘에 의한 영향을 고려하기 위해서 두께 방향으로는 3개의 요소를 생성하였다.
모델 1의 부츠는 여섯 개의 외측 굴곡과 다섯 개의 내측 굴곡으로 이루어져 있으며 총 길이는 127mm이다. 모델 2의 부츠는 여섯 개의 외측 굴곡과 다섯 개의 내측굴곡으로 이루어져 있고 총 길이는 124.1mm이다. 모델 3의 부츠는 다섯 개의 외측굴곡과 네 개의 내측 굴곡으로 이루어져 있으며 총 길이 128mm로, 모델 1과 2에 비해 더 넓은 간격의 외측굴곡과 내측굴곡의 형태를 가지고 있다.

데이터처리

Mahesh Dutt.는 ANSYS 프로그램을 사용하여 비선형 고무부츠의 변형양상을 확인하였다.¹² 해석과 실험을 비교하여 부츠의 해석을 검증한 연구는 Nelson Woo 외 2명이 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Abaqus를 사용하여 explicit 해석을 수행하였다. 실제와 유사한 결과를 얻기 위해 full 3D 모델을 사용하였다.
비압축성 TPEE 소재의 변형 해석에서 널리 쓰이는 변형률 에너지 포텐셜에는 Mooney-Rivlin 모델과 Ogden 모델이 있다. 본 연구의 등속조인트 부츠의 변형해석을 위해서 N = 3인 Ogden 모델을 적용하였고 관련 수식은 식 (5)에 표현하였다.
본 연구에서는 Abaqus를 사용하여 explicit 해석을 수행하였다. 실제와 유사한 결과를 얻기 위해 full 3D 모델을 사용하였다. Figure 2는 컴퓨터 모사를 위한 경계조건 중 contact 조건을 보여주고 있다.
TPEE 소재는 금속과는 달리 대변형에서 탄성을 유지하는 초탄성 특성을 가지고 있다. 초탄성 특성을 나타내는 재료의 컴퓨터 모사를 위해서는 변형률 에너지 포텐셜 모델을 사용한다. 변형률 에너지 포텐셜은 변형률 불변 계수의 함수로 식 (1)과 같이 표현된다.

성능/효과

등속조인트 33.70° 회전 이후 굽힘 변형을 방해하는 네 번째 굴곡의 변형률을 보면 약 33% 정도로 최대 변형률을 보이는 부분을 제외하고 가장 큰 변형을 보이고 있다. 모델 2의 최대 변형률은 약 77% 정도로 부츠의 대경과 부츠의 주름이 만나는 부분에서 국부적으로 나타났다.
최대 변형률이 나타나는 부분을 제외하고 부츠의 평균 변형률은 약 19% 정도로 나타난다. 또한 세 번째 굴곡의 변형률을 보면 약 27% 정도로 최대 변형률을 보이는 부분을 제외하고 가장 큰 변형을 보이고 있다.
모델 1의 등속조인트 회전에 따른 변형양상을 볼 때 33.70° 회전 이후부터 부츠의 네, 다섯 번째 내측 굴곡이 등속조인트와 접촉하여 압축되면서 굽힘 변형을 방해 하는 경향을 확인할 수 있다.
각 모델의 등속조인트 최대 회전 시의 변형률은 Figure 9에 나타나 있다. 모델 1의 최대 변형률은 약 46% 정도로 부츠의 대경과 부츠의 주름이 만나는 부분에서 국부적으로 나타났다. 최대 변형률이 나타나는 부분을 제외하고 부츠의 평균 변형률은 약 22% 정도로 나타난다.
마찬가지로 해석 완료 시점인 50° 회전에서도 모든 부츠의 내측굴곡이 등속조 인트와 접촉하였다. 모델 2의 등속조인트 회전에 따른 변형양 상을 볼 때 32.29° 회전 이후부터 부츠의 네 번째와 다섯 번째 내측굴곡이 등속조인트와 접촉하여 압축되면서 굽힘 변형을 방해하는 경향을 확인할 수 있다.
70° 회전 이후 굽힘 변형을 방해하는 네 번째 굴곡의 변형률을 보면 약 33% 정도로 최대 변형률을 보이는 부분을 제외하고 가장 큰 변형을 보이고 있다. 모델 2의 최대 변형률은 약 77% 정도로 부츠의 대경과 부츠의 주름이 만나는 부분에서 국부적으로 나타났다. 최대 변형률이 나타나는 부분을 제외하고 부츠의 평균 변형률은 약 35% 정도로 나타난다.
등속조인트 44°에서 부츠의 모든 내측굴곡이 등속조인트와 접촉하였다. 모델 3의 등속조인트 회전에 따른 변형양상을 볼 때 33.70° 회전 이후부터 부츠의 네 번째 내측굴곡이 등속조인트와 접촉하여 압축되면서 굽힘 변형을 방해하는 경향을 확인할 수 있다.
네 번째 굴곡의 변형률을 보면 약 33% 정도로 최대 변형률을 보이는 부분을 제외하고 가장 큰 변형을 보이고 있다. 모델 3의 최대 변형률은 약 42% 정도로 부츠의 대경과 부츠의 주름이 만나는 부분에서 국부적으로 나타났다. 최대 변형률이 나타나는 부분을 제외하고 부츠의 평균 변형률은 약 19% 정도로 나타난다.

후속연구

이러한 연구를 통해 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다. 또한 부츠변형에 취약한 부분을 확인하는 분석방법으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
각도가 변함에 따라 부츠의 자체접촉 및 부츠와 등속조인트의 접촉양상을 관찰하고 반복적인 접촉에 의해 변형에 취약한 부분을 확인하고자 한다. 이러한 연구는 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다. 또한 등속조인트 부츠변형에 취약한 부분을 판단하는 결과 분석 방법을 제시하였다.
본 연구는 등속조인트의 회전에 따라 부츠의 변형양상을 모사하였고 부츠변형에 취약한 부분을 판단하였다. 이러한 연구를 통해 부츠 생산을 위한 비용과 시간을 절감할 수 있으며 향후 부츠 디자인을 위한 연구자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다. 또한 부츠변형에 취약한 부분을 확인하는 분석방법으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

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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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