[논문]유한요소해석을 통한 특수차량용 선회베어링의 구조 안전성 평가

서현수; 이호준; 안태수

doi:10.5762/kais.2021.22.1.511

유한요소해석을 통한 특수차량용 선회베어링의 구조 안전성 평가
Structural Stability Evaluation for Special Vehicle Slewing Bearing using Finite Element Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.1, 2021년, pp.511 - 519

서현수 (국방기술품질원) , 이호준 (국방기술품질원) , 안태수 (원진엠앤티)

초록
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저고도 비행으로 접근하는 적 비행 체계를 신속한 대응 사격으로 제압하는 대공화기용 특수 차량에 차체와 포탑의 회전동력 전달에 선회 베어링이 적용되고 있다. 특수 차량의 전투 임무 수행 과정에서 포탑 하중과 사격 시 발생되는 충격 하중 등이 복합적으로 작용할 때 구조적 안정성이 확보되어야 성공적인 기능 발휘가 가능하다. 선회 베어링의 구성품 중 링기어, 롤러 및 와이어 레이스의 형상과 소재 특성을 고려하여 차량의 포탑 구동과 사격에 의해 작용하는 복합 하중에 대한 구성품의 안정성을 평가하고자 하였다. 안정성 평가를 위한 연구 방법으로는 공학 이론을 바탕으로 구성품의 강도 특성을 수치적 계산을 통해 살펴보고, 다음으로 상용 해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 구성 부품들에 대한 유한 요소 해석을 수행하였다. 이론적 해석과 유한 요소 해석 결과의 상호 비교 결과 매우 유사함을 확인할 수 있었다. 해석 중심으로 수행된 선회 베어링에 대한 구조 안정성 평가 결과로 보아 국산화 개발초기 예비 설계 단계에서 결정한 선회 베어링의 설계 강도가 충분함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Slewing bearing is applied to the transmission of rotational power of the body and turret in a special vehicle for anti-aircraft weapons that overcomes the enemy flight system approaching at low altitudes with rapid response fire. When the turret load and impact load generated when shooting are combined in performing the combat mission of a special vehicle, structural stability must be secured to achieve a successful function. Among the components of the slewing bearing, the stability of the components against the complex loads acting by the turret drive and shooting was evaluated by considering the shape and material characteristics of the ring-gear, roller, and wire-race. As a research method for stability evaluation, based on engineering theory, the strength characteristics of the components were examined by numerical calculations. Finite element analysis was performed on components using the ANSYS analysis program. The results of theoretical analysis and the results of finite element analysis were very similar. A structural stability evaluation for the slewing bearing, which was performed mainly on the analysis, confirmed that the design strength of the slewing bearing determined in the preliminary design in the early stage of localization development was sufficient.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Slewing bearing (a) Appearance of slewing bearing (b) Internal structure
그림 Fig. 2. Location boundary condition (a) Top view (b) Side view
그림 Fig. 3. Hertz contact analysis model
표 Table 1. Load boundary conditions
그림 Fig. 4. Ring gear appearance
표 Table 2. Results of theoretic structural safety analysis
표 Table 3. Characteristic of ring gear
표 Table 4. Results of theoretic ring gear stress analysis
그림 Fig. 5. Structural analysis model of slewing bearing
그림 Fig. 6. Boundary conditions
그림 Fig. 7. Analysis flowchart
그림 Fig. 8. Analysis results of deformation (mm) (a) Inner ring (b) Wire race
그림 Fig. 9. Analysis result of stress (MPa) (a) Inner ring (launching angle 45°) (b) Wire race (launching angle 0°) (c) Roller (launching angle 85°)
그림 Fig. 10. Gear strength analysis model (a) Modeling (b) FE model(mesh shape)
표 Table 5. Results of FEM slewing bearing strain analysis
표 Table 6. Results of FEM slewing bearing stress analysis
그림 Fig. 11. Strength analysis boundary condition (a) Gear tooth contact condition (b) Ring gear & pinion boundary condition
그림 Fig. 12. Gear strength analysis (a) Ring gear & pinion contact stress (b) Pinion contact stress (c) Ring gear contact stress
그림 Fig. 13. Safety factor of gear
표 Table 7. Results of FEM ring gear stress analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 군사목적용 특수차량에 적용되는 선회베어링에 대해 Hertz 접촉이론과 Lewis Equation을 바탕으로 한 이론적 해석과 ANSYS 해석소프트웨어를 이용한 유한요소해석 결과를 바탕으로 선회베어링의 구조 안정성을 평가한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 현재 군수품 분야의 부품국산화 과제로 개발 중인 대공화기용 특수차량에 적용된 선회베어링의 주요 부품들 중 링기어, 롤러 및 와이어 레이스의 형상과 소재 특성을 고려하여 포탑의 구동과 사격 시 작용하는 복합하중에 대한 구성품의 안정성을 평가하고자 하였다. 먼저 공학이론을 바탕으로 구성품의 강도특성을 수치적 계산을 통해 살펴보고, 다음으로 상용 해석프로그램인 ANSYS를 이용하여 구성부품에 대한 유한요소해석을 수행한 후 이론적인 계산결과와 상호 비교분석을 통해 구조적 안정성을 평가하고자 한다.

가설 설정

원인이 있다. 기어의 굽힘응력 계산은 기어를 균일강도의 외팔보로 가정하고, Lewis 식을 적용하였으며, 굽힘 응력 (σb)은 Eq. (7), 압축응력(σc)은 Eq.

제안 방법

Table 1은 외부하중에 대한 경계조건으로 차량의 상부 구조물인 포탑의 축방향 하중과 사격에 따른 포신방향의 충격력 그리고 포탑 회전 시 발생하는 링 기어의 구동토크로 분류하였다.
2는 포탑에 대한 좌표 경계조건으로서 베어링의 회전축 및 바닥면을 기준으로 포탑의 무게중심과 포신의 회전중심 좌표로 나타내었으나, 상세치수는 군사보안 관계상 명기하지 않았다. 공학이론식의 적용을 위해 주어진 경계조건으로부터 포탑의 축방향 하중, 경방향 하중 및 모멘트 하중 등의 복합하중을 구할 수 있으며, 포신의 발사 각도에 따른 사격 충격력과 링기어의 구동토크 및 소재(A7075-T6)의 항복응력값 등을 고려하여 해석을 수행하였다. 여기서 와이어 레이스와 롤러의 경우는 군사용 부품으로 보안관계상 적용소재는 명기하지 않고 물성치만 사용하였다.
하였다. 먼저 공학이론을 바탕으로 구성품의 강도특성을 수치적 계산을 통해 살펴보고, 다음으로 상용 해석프로그램인 ANSYS를 이용하여 구성부품에 대한 유한요소해석을 수행한 후 이론적인 계산결과와 상호 비교분석을 통해 구조적 안정성을 평가하고자 한다.
본 연구는 부품국산화개발 예비설계 과정에서 고가의 시제 제작비 소요, 기계가공 수준 등의 제한 요소를 고려하여 해석으로만 수행하였다. 적용한 링기어, 와이어 레이스 및 롤러에 대한 형상과 소재 선정 모두가 구조 안정성이 있음을 확인하였으며, 해석결과의 검증은 향후 결정된 설계사양에 따라 제작된 시제품에 대한 시험평가를 통하여 확인할 필요가 있겠다.
선회베어링의 구조적 안정성 평가는 내・외부 구성품 중 Fig. 1 (b)와 같이 부품간의 접촉을 통해 하중 지지와 회전구동력의 전달을 수행하는 와이어 레이스, 롤러 그리고 링기어에 적합한 공학이론식인 Hertz 접촉 이론과 Lewis equation을 이용한 이론적 해석, 상용 해석 프로그램인 ANSYS(R18.2)를 이용하여 3.5 GHz CPU, 32.0 GB RAM, 64 bit WORKSTATION 환경에서 구조해석을 수행하였다.
선회베어링의 변형과 응력을 확인하기 위하여 구조물 지지부품 중에서 가장 많은 힘을 받는 내·외측링과 와이어 레이스, 롤러에 대해 해석하였다. 여기서 롤러는 구조가 단순하고 경도가 가장 높아 변형에 영향이 없을 것으로 판단된다.
(11) 에 따라 할 수 있고 그 결과는 Table 4와 같다. 여기서 Fne 접선방향 하중으로 구동모터에 의한 기어구동토크 (13, 980 Nm)와 Table 1에 나타낸 사격 시 발생하는 충격력에 의한 토크 영향을 모두 고려한 값인 27, 333 Nm 를 링기어 강도계산에 적용하였다.
유한요소해석을 위한 모델은 대칭형 원형구조로서 1/2모델을 구현하여 해석을 실시하였다. Fig.
7 mm로하여 해석하였다. 접촉조건은 ‘No Separation’ 조건으로서 Fig. 11과 같이 피니언을 고정하여 링기어를 구동하는 경계조건을 적용하였다.
10과 같이 링기어와 피니언에 대한 유한요소 해석모델을 생성하였다. 피니언의 메쉬 크기는 1 mm, 피니언과 접촉하는 링기어 이빨의 메쉬 크기는 0.7 mm로하여 해석하였다. 접촉조건은 ‘No Separation’ 조건으로서 Fig.
5는 해석을 위한 유한요소 모델과 메쉬 형상을 나타내고 있으며, 노드 및 엘레먼트 수는 각각 1, 494, 437개, 405, 791개로 하여 해석을 수행하였다. 해석은 발사 각도 0°, -10°, 45° 그리고 85°에 대하여 수행하고 결과를 도출하였으며, 하중조건은 Table 1을 적용하였다. Fig.

대상 데이터

구현하여 해석을 실시하였다. Fig. 5는 해석을 위한 유한요소 모델과 메쉬 형상을 나타내고 있으며, 노드 및 엘레먼트 수는 각각 1, 494, 437개, 405, 791개로 하여 해석을 수행하였다. 해석은 발사 각도 0°, -10°, 45° 그리고 85°에 대하여 수행하고 결과를 도출하였으며, 하중조건은 Table 1을 적용하였다.
본 연구의 대상인 선회베어링은 직경이 2m가 넘는 대형 구조물로서 그 형상과 내부 구조는 Fig. 1과 같다. 외부 구조물인 링기어(Ring Gear), 외측링(Outer Ring), 내측링(Inner Ring)이 상대 물체에 구속되어 지지되며, 내부의 와이어 레이스(Wire Race)와 롤러(Roller)가 구속물체 간에 생기는 접촉마찰을 최소화 함으로써 차량 포탑의 미끄럼 회전운동이 가능하도록 한다.
공학이론식의 적용을 위해 주어진 경계조건으로부터 포탑의 축방향 하중, 경방향 하중 및 모멘트 하중 등의 복합하중을 구할 수 있으며, 포신의 발사 각도에 따른 사격 충격력과 링기어의 구동토크 및 소재(A7075-T6)의 항복응력값 등을 고려하여 해석을 수행하였다. 여기서 와이어 레이스와 롤러의 경우는 군사용 부품으로 보안관계상 적용소재는 명기하지 않고 물성치만 사용하였다.

성능/효과

기어강도 해석에서는 이론적 해석결과와 유한요소해석 결과가 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 소재의 항복강도 501. MPa 대비 발생압력 344.
결과 값이 동일한 경향임을 확인하였다. 또한 적용한 롤러와 와이어 레이스의 안정성 평가를 위해 소재의 항복강도와 발생한 최대 접촉압력을 비교한 결과 와이어 레이스 소재의 항복응력 959 MPa 대비 발생한 최대접촉압력은 186.62 MPa로 최소 4.6 이상의 안전률을 확인하였다. 이는 적용한 소재가 강도 면 에서 충분히 안전함을 확인할 수 있다.
12와 Table 7은 기어 구동토크와 사격충격에 의한 토크의 경계조건을 적용한 링기어와 피니언의 응력해석 결과를 나타내고 있다. 링기어 이빨에 발생한 최 대응력은 325.2 MPa이며, 피니언 최대응력 280.2 MPa로 피니언 보다 링기어 이빨에서 최대응력이 발생하였으며, 이는 이론적인 해석 결과와 비교해 볼 때 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
와이어 레이스의 안전율은 최소 4.6로서 안정성은 충분히 확보한 것으로 판단되며, 이같이 유한요소해석 모델의 최대 응력값은 Table 2에 나타낸 이론값 보다 10~15 % 높게 나타났으나, 전체적으로 이론적 해석 결과와 잘 일치함을 확인하였다.
5로 링기어 치의 안정성은 충분히 안전하다고 판단할 수 있다. 이같이 유한요소해석 모델의 최대 응력 값은 Table 4에 나타낸 이론적 해석 결과와 비교해보면 5 % 이내 오차 범위의 정확한 결과 값으로서 전체적으로 이론적 해석 결과와 잘 일치함을 확인할 수 있다.
접촉압력의 이론적 해석결과와 유한요소해석 결과의 오차는 약 10~15 % 차이를 보이나, 포신의 발사 각도에 따른 결과 값이 동일한 경향임을 확인하였다. 또한 적용한 롤러와 와이어 레이스의 안정성 평가를 위해 소재의 항복강도와 발생한 최대 접촉압력을 비교한 결과 와이어 레이스 소재의 항복응력 959 MPa 대비 발생한 최대접촉압력은 186.

후속연구

해석으로만 수행하였다. 적용한 링기어, 와이어 레이스 및 롤러에 대한 형상과 소재 선정 모두가 구조 안정성이 있음을 확인하였으며, 해석결과의 검증은 향후 결정된 설계사양에 따라 제작된 시제품에 대한 시험평가를 통하여 확인할 필요가 있겠다.

참고문헌 (10)

C. K. Kim, S. R. Lee, "Analysis of Contact Stress in Slewing Ring Bearings," Journal of the KSTLE, Vol. 11, No. 2, pp. 24-33, 1995.
X. Shan, T. Xie, and W. Chen, "A New Method for Determining the Preload in a Wire Race Ball Bearing, " Tribology Int., Vol. 40, pp. 869-875, 2007. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/J.triboint.2006.09.003

상세보기
X. Shan, T. Xie, and W. Chen, "A Simple Approach for Determining the Preload of a Wire Race Ball Bearing," Appl. Phys. & Eng., Vol. 11, No. 7, pp. 511-519, 2010. DOI: https://doi.org/10.1631/Jzus.A0900583

상세보기
X. Shan, L. Wang, T. Xie, and W. Chen, "Mathematical Modeling and Experimental Verification of the Radial Stiffness for a Wire Race Ball Bearing," Appl. Mech. & Mat., Vol. 120, pp. 343-348, 2011. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.120.343

상세보기
Robert Kunc, Ivan Prebil "Numerical determination of carrying capacity of large rolling bearings" Journal of Materials Processing Technology, Vol. 155-156, pp. 1696-1703, 2004.

상세보기
Srecko Glodez, Rok Potocnik, Joze Flasker "Computational model for calculation of static capacity and lifetime of large slewing bearing's raceway" Mechanism and Machine Theory, Vol. 47, pp.16-30, 2012. DOI : https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2011.08.010

상세보기
Marek Krynke, Jacek Selejdak, Stanislaw Borkowski "The quality of materials applied for slewing bearing raceway - Technical Paper" Materials Engineering - Materialove inzinierstvo, Vol. 19, pp. 157-163, 2012
M. S. Kim, J. S. Kim and D. H. Lim, "Gear Design Optimization for Low Noise Slewing System of Excavator," Proceeding of KSNVE Conference, pp. 733-736, 2016.
V. Karaveer, A. Mogrekar and T.P.R. Joseph, "Modeling and Finite Element Analysis of Spur Gear", International Journal of Current Engineering and Technology, Vol. 3, No. 5, pp. 2014-2107, 2013.
K. Sim, H. Moon, G. Choi, S. Koh and N. Jeon, "Bending Stress Analysis of the Transfer Case Helical Gear for the 3.5ton Commercial Vehicle," Transactions of KSAE, Vol. 25, No. 4, pp. 474-480, 2017. DOI : https://doi.org/10.7467/KSAE.2017.25.4.474

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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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