[논문]각도변화에 따른 중장비용 엑셀 샤프트의 강도 평가

김용; 이성욱; 한동섭; 한근조

문제 정의

엑셀 샤프트는 양쪽의 스플라인 기어가 다른 기어에 연결되어 회전하게 되므로 한 쪽 끝부분이 회전이 가능하지만 기울어지지 않도록 구속조건을 설정하였다. 또한 제품의 최대 회전수는 900pm이고 최대전달 토크가 각각 155, 210 kgf-m 이므로 중장비 엑셀 사프트의 최대 상당응력을 살펴보기 위하여 자중과 각속도를 작용시겠다. Fig, 1은 모델링된 형상을 나타낸다³⁾.
본 연구에서는 하나의 축에서 다른 축으로 토크 및 회전을 전달하는 장치인 엑셀사프트의 각도를 변화시키면서 이 변화가 샤프트 및 크로스 베어링에 미치는 영향을 분석하여 변형된 형상 및 크로스 베어링 및 요크에 발생하는 응력 집중현상을 파악하고자한다. 이를 통해 중장비용 엑셀사프트에서 축 사이의 각도 변화에 대한 주요부의 강도를 평가하고자 한다²⁾.
본 연구에서는 하나의 축에서 다른 축으로 토크 및 회전을 전달하는 장치인 엑셀사프트의 각도를 변화시키면서 이 변화가 샤프트 및 크로스 베어링에 미치는 영향을 분석하여 변형된 형상 및 크로스 베어링 및 요크에 발생하는 응력 집중현상을 파악하고자한다. 이를 통해 중장비용 엑셀사프트에서 축 사이의 각도 변화에 대한 주요부의 강도를 평가하고자 한다²⁾.

제안 방법

Ø28인 엑셀 샤프트의 강도를 평가하기 위해 축과 축사이의 각도를 0°~50° 까지 5° 간격으로 각도(θ)를 변화시키면서 구동 하중을 받는 샤프트의 스프라인을 축 방향으로 155 kgf-m의 토크를 주고 반대 쪽 샤프트의 스프라인을 완전 고정시켜 토크에 의한 비틀림 모멘트가 좌우 샤프트 및 요크에 발생하도록 하여 유한요소해석을 수행하여 그 결과 값은 Table 1 에 나타내었다.
Ø30인 엑셀 샤프트의 강도를 평가하기 위해 축과 축사이의 각도를 0°~50° 까지 5 간격으로 각도(θ)를 변화시키면서 구동 하중을 받는 시프트의 스프라인을 축 방향으로 210kgf-m의 모멘트를 작용시키고 반대 쪽 샤프트의 스프라인을 완전고정을 하여 유한요소해석을 수행하였다.
축과 축 사이의 각도 변화가 중장비용 엑셀 샤프트의 강도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 범용 3D프로그램인 INVENTOR를 이용하여 Ø28, Ø130 인 요크를 모델링하여 A, B타입의 에셀사프트의 3D-모델링을 수행하였다. 그리고 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS WORKBENCH를 이용하여 모델링된 두 타임의 엑셀 샤프트의 구조안전성 평가를 수행 하였다. 해석을 위해 사용된 요소는 5절점 피라미드 요소를 사용하여 해석을 수행하였으며, element 수는 61101개, notle 수는 112488개를 각각 사용하였다.
본 연구는 엑셀 샤프트를 임의의 각도로 하여 일정한 토크를 주어 각도 변화에 대해 엑셀 샤프트의 주요부에 발생하는 분포응력을 비교 분석하여 안전한 내구성을 가지는 엑셀 샤프트를 설계 할 수 있도록 유한요소해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
엑셀 샤프트는 양쪽의 스플라인 기어가 다른 기어에 연결되어 회전하게 되므로 한 쪽 끝부분이 회전이 가능하지만 기울어지지 않도록 구속조건을 설정하였다. 또한 제품의 최대 회전수는 900pm이고 최대전달 토크가 각각 155, 210 kgf-m 이므로 중장비 엑셀 사프트의 최대 상당응력을 살펴보기 위하여 자중과 각속도를 작용시겠다.
축과 축 사이의 각도 변화가 중장비용 엑셀 샤프트의 강도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 범용 3D프로그램인 INVENTOR를 이용하여 Ø28, Ø130 인 요크를 모델링하여 A, B타입의 에셀사프트의 3D-모델링을 수행하였다.

대상 데이터

그리고 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS WORKBENCH를 이용하여 모델링된 두 타임의 엑셀 샤프트의 구조안전성 평가를 수행 하였다. 해석을 위해 사용된 요소는 5절점 피라미드 요소를 사용하여 해석을 수행하였으며, element 수는 61101개, notle 수는 112488개를 각각 사용하였다.

성능/효과

1) 직경 28mm 엑셀 샤프트에 대한 강도해석을 결과 각이 커질수록 발생하는 응력 값이 커진다는 것을 알 수 있었고, 사잇각이 10°~15° 일 때 발생하는 응력이 가장 적다는 것을 알 수 있었다.
2) 직경 30mm 엑셀 사프트에 대한 강도해석을 결과 각과 상관없이 대체적으로 비슷한 응력 값을 가지고, 각도가 5° 일 때 발생하는 응력이 비교적 적다는 것을 알 수 있었다.
3) 두 가지 타입의 샤프트를 주요부품별로 비교한 결과 각도에 따라 비교적 비슷한 응력분포를 가지며, 좌측 샤프트는 각도와 상관없이 최대발생응력과 최소발생응력의 차기 100MPa 정도 발생한다는 것을 알 수 있었다.
4) 엑셀 샤프트의 축과 축 사이의 각이 증가 할수록 발생하는 응력 값이 대체적으로 증가한다는 것을 알 수 있었다.
Table 1의 값을 살펴보면 1,55kgf-m의 토크가 샤프에 일정하게 작용할 때 사프트 및 요크에 작용하는 최대응력은 각도가 20°인 경우에 요크에서 발생하였으며, 일반적으로 각도가 클수록 엑셀 샤프트에 발생하는 응력이 커진다는 것을 볼 수 있었으며, Fig 2 는 20° 일 때 엑셀 샤프트에 발생하는 상당응력 분포도를 나타내었다.
그 결과 값은 Table 2와 같으며, 대체적으로 상당 응력 값은 Ø28인 엑셀 샤프트보다 트크게 나타났고 우측 샤프트에 발생하는 응력 값과 좌측 샤프트에 발생하는 응력 값이 대체적으로 반비례하는 반면 25°인 경우에만 비슷한 응력 값을 가진다는 것을 볼 있다.

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