[논문]자동차 파워스티어링 호스의 열내압 특성 유한요소해석

노기태; 전도형; 최주형; 조진래

문제 정의

본 논문에서는 파워스티어링 호스에 대한 swaging 과정과 호스의 제작 후 실제 시험에서 사용되는 내압 시험 그리고 작동유와 대기로부터 유입되는 각각의 열이 호스에 미치는 영향을 알기 위해 열해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 swagging 후의 형상에 대해서 내압해석을 수행하여 호스 내부에 저압 및 고압이 작용 할 때의 성능에 대해 알아볼 것이다. 호스 내압 해석을 통해 호스 내부에 압력 유동이 발생할 경우 호스의 취약 부분을 유추할 수 있을 것이며 더 나아가서 오일 누유 메커니즘 및 고무파단 메커니즘 개발의 중요한 설계인자를 도출하는 과정을 기술 할 것이다.

가설 설정

열 해석을 수행하기 위해 호스는 수평으로 놓인 긴 원관으로 가정하였으며, 호스의 외부는 분위기 온도 135C인 자연대류로 가정하였다. 호스의 내부는 150C의 작동유가 흐르고 있으며, 온도경계층이 완전 발달한 상태로 가정하였다.
호스의 내부는 150C의 작동유가 흐르고 있으며, 온도경계층이 완전 발달한 상태로 가정하였다. 변위 경계조건은 swaging과정과 같다

제안 방법

Fig.2 에서 실제 실험 자료와 James-Green-Simpson 모델인 스](1) 에 의해 구해진 Mooney-Rivlin 3차 모델을 비교해 보았다. 그결과 전 구간에 걸쳐 실제 거동과 매우 유사한 형태로 나타남을 볼 수 있다.
swaging 된 형상의 호스에 내압이 작용하지 않고 순수하게 열을 받게 되는 호스의 변형률과 형상 변화에 대해 유한요소 해석을 수행하였다.
대류 열전달 계수를 산출 하기 위해 호스의 외부의 막온도를 구하였고, 이 온도를 기준으로 하여 대기의 물성치를 결정하였다. 대류 열전달 계수를 구하기 위해서 Nu(Nusselt )수를 구해야 한다.
만약 제작 불량으로 인해 호스에서 누유가 발생한다면 nipple과 내면 고무가 접촉하는 부분일 가능성이 매우 높으므로 nipple과 접촉하는 부분의 변형률을 측정하였다. Fig.
따라서 MARC를 이용한 내압 해석에서 최고압일때와 최저압일 때의 내면고무의 변형률 급변 위치와 차이를 통해 실제 반복 가압 시험때와 동일한 결과를 얻을 수 있다고 사료된다. 먼저 호스는 swaging 공정이 끝난 결과의 초기 형상으로 내압 해석을 실시하였다. 내압이 lObar일 때 내면 고무에서 발생하는 변형률은 nipple의 모서리부분과 nipple 끝단부에서 가장 큰 변형률을 나타내었다.
통하여 jaw에 의해 결합된다. 본 연구에서는 이러한 결합을 끝낸 후 형상 자료를 바탕으로 내압해석과 열해석을 수행한다.
이상으로 구해진 대류 열전달 계수와 열팽창 계수, 비열 등을 사용하여 열해석을 하게 되고, 열해석을 바탕으로 변형률 분포를 나타내게 된다. 앞에서 언급하였듯이 호스의 파손은 내면 고무에서 주로 발생하기 때문에 변형률을 호스의 내면고무, 즉 nipple과 맞닫는 지점에서의 변형률을 절점 값을 이용해 내면을 따라서 도시 하였다. Fig.
l에서 호스는 3개의 고무층으로 이루어 져 있고 각 층 사이에 나일론66 재질의 편조사가 층을 이루고 있다. 여기에 사용된 고무는 CSM 유형의 고무가 사용되고 있으며, 인장 압축 실험을 통해 얻어진 자료를 바탕으로 비선형 해석 프로그램인 MSC. MARC에서 Mooney-Rivlin 3차 모델인 James-Green-Simpson 모델(3)을 사용하여 계수를 구하였고(4), 구해진 각 계수를 Table.
파워스티어링 호스는 축대칭 형상이므로 본 연구에서는 모델을 축대칭 2차원 형상으로 모델링하였다.

대상 데이터

그결과 전 구간에 걸쳐 실제 거동과 매우 유사한 형태로 나타남을 볼 수 있다. 호스와 결합되는 강재는 SMRCH₁₀A와 S15C를 사용되었고 각각 sleeve와 nipple에 사용되었다.

이론/모형

여기에 사용된 고무는 CSM 유형의 고무가 사용되고 있으며, 인장 압축 실험을 통해 얻어진 자료를 바탕으로 비선형 해석 프로그램인 MSC. MARC에서 Mooney-Rivlin 3차 모델인 James-Green-Simpson 모델(3)을 사용하여 계수를 구하였고(4), 구해진 각 계수를 Table. 1에 나타내었다.

성능/효과

1) swaging에 의해 발생한 고무의 변형률은 내면고무에서 발생하였으며, 그 크기는 고무의 파단 변형률에 미치지 못한다.
2) 내압 해석을 통해 내면 고무에서 nipple 끝단 부분의 고무와 nipple의 돌기 부분에서 큰 변형률의 변화를 보이고 있어 호스의 파손이 예상되는 부분을 예상할 수 있다.
3) 열응력 해석결과 호스의 변형률 발생 증가에는 큰 영향을 미치지만 일정 시간이 지난 후 온도 분포가 정상상태를 이루면서 변형률의 변화를 나타내지 않기 때문에 호스 파손의 직접적인 원인이 되지 않는다.
먼저 호스는 swaging 공정이 끝난 결과의 초기 형상으로 내압 해석을 실시하였다. 내압이 lObar일 때 내면 고무에서 발생하는 변형률은 nipple의 모서리부분과 nipple 끝단부에서 가장 큰 변형률을 나타내었다. 내압이 140bar일 때 변형률은 lObar 일 때와 비교하면 현저한 차이를 나타낸다.
특히 내압을 직접적으로 받게 되는 내면고무에서 파단이 예상되며 내면 고무중변형률의 급변 지점이 파단 지점이 될 것이다. 따라서 MARC를 이용한 내압 해석에서 최고압일때와 최저압일 때의 내면고무의 변형률 급변 위치와 차이를 통해 실제 반복 가압 시험때와 동일한 결과를 얻을 수 있다고 사료된다. 먼저 호스는 swaging 공정이 끝난 결과의 초기 형상으로 내압 해석을 실시하였다.
이상의 결론에서 swaging 공정에 의한 호스의 파손보다 내압과 열이 파손에 더 큰 영향을 준다. 내압과 열에 의한 호스의 파손을 방지하기 위해서는 nipple의 길이와 형상과 swaging 후의 sleeve의 형상 변경을 통해 내압이 발생하더라도 변형률 변화가 크게 발생하지 않도록 설계 형상 변화가 필요하며, 열에 의한 변형률이 크게 발생하지 않게 하기 위해서 작동유의 냉각 또한 중요한 인자가 된다.
한편 실제 반복 가압 실험에서 호스의 팽창 정도를 측정하였는데 최대 압력인 140bar에서 호스 지름의 3~6%의 변화가 나타났다. 유한요소 해석을 통해서는 내압이 lObar일 때 0.

후속연구

것이 필요하다. 또한 관련된 설계 기술은 선진국에 계속 의존할 수는 없는 실정이므로, 국내의 독자적인 설계 기술의 확보와 계속적인 제품의 성능 향상을 위해서는 실험 및 수치해석적 방법을 통해 강재와 고압호스 조립부의 거동에 대한 심도 있는 연구가 필요하다(1)(2)
것이다. 호스 내압 해석을 통해 호스 내부에 압력 유동이 발생할 경우 호스의 취약 부분을 유추할 수 있을 것이며 더 나아가서 오일 누유 메커니즘 및 고무파단 메커니즘 개발의 중요한 설계인자를 도출하는 과정을 기술 할 것이다.

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