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가설 설정
- 부쉬의 반경 방향 회전은 LCA 의 좌굴 발생 이후에는 크지만 좌굴 발생전에는 작게 나타난다. 즉, 본 연구에서의 관심은 좌굴 발생 시점이며, 좌굴 하중까지의 부쉬의 반경 방향 회전은 작으므로, 부쉬의 반경 방향 회전 강성은 국부적인 인장 및 압축에 의해 표현이 가능할 것으로 가정하였다. 이를 묘사하기 위해 Fig.
제안 방법
- 특히 고무의 비선형성에 관한 부분에 있어서 병진 운동과 회전 운동의 커플링 효과를 들 수 있다.(2) 그러므로 본 논문에서는 LCA 의 대하중 해석을 좀 더 신뢰성 높게 해석할 수 있도록 고무 부쉬의 비선형성, 즉 병진, 회전의 커플링을 고려하여 연구를 수행하였다.
- 그러므로 본 논문에서는 1)강성 커플링, 2)부쉬 빠짐 & 끼임, 및 3)볼 조인트 최대 회전각에 대해서 고려 하였다.
- (3) 이러한 조건에서도 일반차량 주행조건 이상으로 큰 하중이 들어오게 되므로 고무가 과도하게 변형하게 되고, 이로 인해 부품의 자세가 변하여, 부품의 좌굴에 큰 영향을 주게 된다. 대하중 강도 해석을 묘사하기 위해 부쉬 단품으로 축 방향, 반경 방향으로 하중을 가하고 Fig.3 과 같이 하중-변위 특성을 얻었다.
- LCA 의 대하중 강도 거동을 보기 위해 Fig.4 와 같이 A, G 포인트는 지그에 고정하고 볼조인트에서 차량 후향 방향으로 힘을 주어 좌굴이 발생하도록 시험을 수행하였다. 동일 차종의 3 개의 샘플에 대해서 Fig.
- (4) Fig. 8 은 Connector Lock 의 특성을 나타내며, 입력값은 부쉬의 강성과 락(Lock) 발생 거리를 정의하게 되는데 부쉬의 강성은 A 부쉬의 빠짐 시험 결과를 이용하였으며, Lock 발생거리는 내부 파이프의 높이와 외부 파이프의 높이 차이의 25%를 적용하였다.
- 즉, 본 연구에서의 관심은 좌굴 발생 시점이며, 좌굴 하중까지의 부쉬의 반경 방향 회전은 작으므로, 부쉬의 반경 방향 회전 강성은 국부적인 인장 및 압축에 의해 표현이 가능할 것으로 가정하였다. 이를 묘사하기 위해 Fig.6 a)에서처럼 기존의 하나의 층으로(1-Layer) 이루어지던 강체 요소를 5 개의 층(5-Layer)으로 구분하였다. 그리고 각각의 스프링 강성은 부쉬 단품 강성 시험 결과의 20%를 각각의 5-Layer 의 강성으로 적용하였다.
- 6 a)에서처럼 기존의 하나의 층으로(1-Layer) 이루어지던 강체 요소를 5 개의 층(5-Layer)으로 구분하였다. 그리고 각각의 스프링 강성은 부쉬 단품 강성 시험 결과의 20%를 각각의 5-Layer 의 강성으로 적용하였다. 그리고 회전에 대한 강성은 각 Layer 의 반경 방향 반력과 중심과의 거리로부터 회전에 대한 강성이 발생하게 된다.
- 기존의 모델링 기법은 볼 조인트에 z 방향 변위를 구속하고 –x 방향으로 하중 또는 변위를 적용하므로 360°회전이 가능하다. 그러므로 본 연구에서는 최대 회전각을 정의하는 방법으로 비선형 스프링을 사용하였다. 일정 회전각 내에서의 회전 강성은 ‘0’에 가깝고 일정 회전각 이후에서는 회전 강성을 아주 높게 적용하였다.
- 3 개의 LCA 단품을 이용해서 측정한 좌굴 하중은 Table 1 과 같이 각각 2,106kg, 2,122kg, 2,160kg으로 좌굴 하중의 평균은 2,130kgf 이다. 대하중 강도해석은 기존 부쉬 모델링 방법과 새롭게 제시된 모델링 방법으로 수행하였으며, 이때의 좌굴하중은 각각 1,604kgf, 2,130kgf 이다. 그림에서 보는 바와 같이 기존의 모델링 방법을 이용하였을 때는 시험에 의한 좌굴하중의 75% 수준이지만, 부쉬 커플링효과, 부쉬 빠짐력, 볼조인트 회전각을 고려한 해석 좌굴 하중을 시험에 의한 좌굴 하중과 동일하게 맞출 수 있었다
- 여기서 제안한 3 가지의 부쉬 및 볼 조인트 모델링 방법은 부쉬의 3 차원 모델링에 의한 수고를 덜어주면서도, 시험과 잘 일치하는 결과를 주고 있다. 따라서, 광범위하게 적용되고 있는 역 L 형 타입의 전륜 LCA 의 대하중 강도 해석 시에 본 연구에서 제안한 기법을 사용함으로써, 신뢰성 있는 좌굴 하중의 예측이 가능하게 되었다.
- 전륜 LCA 의 대하중 강도 해석의 신뢰도 향상을 위해 새로운 모델링 기법을 제안하고 시험과 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3) 볼 조인트 부의 대변형 시 발생할 수 있는 소켓과 볼 스터드의 간섭을 고려하기 위해 비선형 스프링을 적용하여 그 유용성을 검증하였다.
대상 데이터
- 3 개의 LCA 단품을 이용해서 측정한 좌굴 하중은 Table 1 과 같이 각각 2,106kg, 2,122kg, 2,160kg으로 좌굴 하중의 평균은 2,130kgf 이다. 대하중 강도해석은 기존 부쉬 모델링 방법과 새롭게 제시된 모델링 방법으로 수행하였으며, 이때의 좌굴하중은 각각 1,604kgf, 2,130kgf 이다.
이론/모형
- 1) A 부쉬의 변형 특징인 빠짐과 끼임 현상을 고려하기 위해 ABAQUS 의 Connector Lock 기법을 적용하여 그 유용성을 검증하였다.
성능/효과
- 3 가지의 모델링 기법이 LCA 의 좌굴 하중에 미치는 영향도를 분석해 보면, 부쉬 강성 및 커플링 효과가 전체 좌굴하중의 15% 정도의 영향을 주고 있으며, 다른 두 가지 기법은 각각 5% 정도의 영향을 주고 있다. 그러나, 부쉬 강성 및 커플링 효과가 가장 큰 영향을 주지만, 다른 2 가지의 모델링 방법들도 무시할 수 없는 수준이라 하겠다.
- 여기서 제안한 3 가지의 부쉬 및 볼 조인트 모델링 방법은 부쉬의 3 차원 모델링에 의한 수고를 덜어주면서도, 시험과 잘 일치하는 결과를 주고 있다. 따라서, 광범위하게 적용되고 있는 역 L 형 타입의 전륜 LCA 의 대하중 강도 해석 시에 본 연구에서 제안한 기법을 사용함으로써, 신뢰성 있는 좌굴 하중의 예측이 가능하게 되었다.
- 2) G 부쉬의 병진과 회전 방향의 강성 커플링 현상을 고려하기 위해 5-Layer 기법을 새롭게 제안하였으며, 그 유용성을 검증하였다.
- 4) 제안된 3 가지의 모델링 기법을 이용하여 L 형 LCA 에서의 좌굴해석을 수행하여 시험과 잘 일치하는 거동을 묘사할 수 있었으며, 향후 동일 형태의 LCA 에 광범위하게 적용이 가능하다
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