초록 ▼

자동차 엔진의 피스턴과 크랭크 샤프를 연결하는 연결봉은 변동하는 동하중을 받는 중요 부품으로서 이의 설계와 가공을 위하여는 윤활 공학, 응력 해석, 소성 역학, 전산기 이용 설계 분야가 모두 관련되어 공동으로 해결해야 하고 이의 연구 결과는 그외의 기계 요소 및 시스템의 설계에 널리 이용될 수 있으므로 기계 시스템의 설계에 대한 기초연구의 주요 대상이 된다. 이에 따라 윤활 공학 분야에서는 "변동하중을 받는 부품간의 탄성 유체 윤활에 관한 연구", 응용 역학 분야에서는 "변형 종속적인 하중을 받는 부재의 응력 해석에 관한 연구",

자동차 엔진의 피스턴과 크랭크 샤프를 연결하는 연결봉은 변동하는 동하중을 받는 중요 부품으로서 이의 설계와 가공을 위하여는 윤활 공학, 응력 해석, 소성 역학, 전산기 이용 설계 분야가 모두 관련되어 공동으로 해결해야 하고 이의 연구 결과는 그외의 기계 요소 및 시스템의 설계에 널리 이용될 수 있으므로 기계 시스템의 설계에 대한 기초연구의 주요 대상이 된다. 이에 따라 윤활 공학 분야에서는 "변동하중을 받는 부품간의 탄성 유체 윤활에 관한 연구", 응용 역학 분야에서는 "변형 종속적인 하중을 받는 부재의 응력 해석에 관한 연구", 소성 역학 분야에서는 "단조 부품의 설계와 형단조 금형설계의 기초 연구", 전산기 이용 설계 분야에서는 "복합형상을 갖는 기계 부품 설계 및 가공을 위한 CAD시스템의 연구"를 수행함에 있어서 연결봉을 공동의 연구대상으로 삼는다. 제1세부 과제에서는 연결봉의 대단부 베어링(big-end bearing)과 크랭크 샤프트 저어널의 상대운동에 의해 일어나는 우막압력을 레이놀즈 방정식의 해석을 통하여 구하고 이 압력의 합력과 외력과 외력과의 평형에 근거하여 운동방정식을 세워 Runge-Kutta방법으로 수치 적분하였다. 이로써 피스톤에 가해지는 가스폭발압력으로 형성되는 힘이 연결봉을 통하여 크랭크 샤프트로 전달되는 과정에서 샤프트 저어널과 대단부 베어링의 상대적 운동궤적이 계산되며 최소윤활틈새높이와 그 위치가 정해진다. 이러한 것은 베어링 및 저어널의 직경과 폭, 그리고 틈새의 함수가 되므로 크랭크 샤프트시스템 설계에 중요한 역할을 한다. 해석의 신뢰성을 검증하기 위하여 저어널과 베어링의 윤활상태에서의 상대운동궤적을 측정하고 계산결과와 비교검토하였다. 실험 장치에서 변동하중을 발생하는 방법이 어려워서 저 및 중하중에서는 좋은 결과를 내었고 고하중하에서의 실험을 위하여는 고가의 센서 및 유압제어 장치가 필요함을 인식하였다. 연구의 결과로 나온 유막압력해석 프로그램과 상대운동궤적 계산 프로그램은 관련분야에 널리 쓰일 것이다.
제2세부연구과제에서는 변형종속적인 하중을 받는 기계시스템의 예로써 자동차엔진의 연결봉 시스템을 선택하여 베어링의 변형과 압력분포를 동시에 수렴시키기 위한 결합해법을 정식화하였다. 또한 Newton-Raphson법을 변형한 Fast Newton-Raphson 법과 고차유한요소를 사용하여 계산시간을 단축하였으며 음압보정 및 유체윤활영역과 케비테이션영역의 구분을 위하여 Complementarity알고리즘이 사용되었다.
전용유한요소해석 프로그램을 작성하여 Ruston and Hornsby 6VER-X Mk III디이젤 엔진에 대한 수치해석을 수행한 결과 베어링의 탄성변형을 고려하였을 때의 최소유막두께 및 동력손실은 베어리의 변형을 무시하였을 때와 큰 차이가 없으나 저어널 중심의 궤적은 crank 각 350°에서 초기유막두께의 최대 1.43 배까지 증가하였으며 최대유막압력은 전반적으로 크게 감소하여 최대하중이 가해지는 crank 각 10°에서 강체베어링에 비해 22%정도 감소하였다.
제3세부 과제에서는, 단조부품설계를 위하여 최종 제품의 형상을 단조 가공할 수 있는 형상으로 수정하였다. 즉, 최종 제품을 모델링한 후, 이것에 분할선, 단조 분할면, 기계 가공 여유, 웨브 두께, 리브 폭, 경사각, 모서리 반경등을 부가하였다. 또한, 단조물을 해석 가능한 단순한 형상의 요소들로 분할하고, 초등해법을 이용하여 각각의 요소에 대한 하중 및 응력 분포를 계산하여 종합함으로써 전체 단조 하중을 계산하였다.
형단조 가공시 가장 중요한 과제인 완전한 다이 충만과 최소의 재료 손실을 위하여는 가공중 재료의 변형 양상을 보다 실제에 가깝게 시뮬레이션해야 한다. 전형적인 형상인 기브-웨브형에 대한 형단조 가공에 적용할 수 있는 UBET프로그램을 개발하여 재료의 유동 양상, 단조 하중 및 다이 충만도를 계산하였으며, 플라스티씬을 사용한 단조 실험으로 부터 해석 결과의 타당성을 검증하였다.
새로운 예지가공형 설계방안을 제시하여 여러가지 형상의 예비가공형 설계에 적용하였으며, 에비 성형 단계의 수 및 각 단계에서의 예비가공형의 형상을 결정하였다. 또한, 커넥팅 로드에 대한 형단조 예비가공형을 구하였으며, 해석 결과를 토대로 납을 사용한 단조 실험을 수행하여 완제품을 얻었다.
제4세부과제에서 연구 개발된 내용을 대별하면 다음과 같다.
-skin/sweep기능을 근간으로 한 형상 모델링 시스템의 개발
-유한 요소 해석을 위한 유한 요소 해석 전후 처리 시스템의 개발
-삼차원 형상의 수치제어 밀링 가공을 위한 공구 경로 자동 생성 및 경로 확인 시스템의 개발 삼차원 형상 모델링 시스템의 원활한 작동을 위해, 이차원 및 삼차원 자료 구조가 확정 사용되었고, 단면 형상editor, 단면 절단 기능, 접합기능 및 Euler Operator등이 부가적으로 개발되었다. 유한요소 해석전처리 시스템으로 사면체 유한 요소의 자동 생성 알고리즘과 육면체 유한 요소 자동 생성 알고리즘이 연구 개발되었다.
수치 제어 공구경로 자동 생성 및 경로 확인 시스템에선 자유 곡면에 대한 공구 경로계산도 가능하도록 NURB(Non-Uniform Rational B-spline)로 표현되는 곡선 및 곡면을 다루는 여러가지의 부프로그램들이 추가적으로 개발, 사용되었다. 구체적으로 연구된 것은 PS cartesean 및 Parametric 방법, Contouring과 Spiral 방법, Pocketing 및 Gouging문제 등이다.

Abstract ▼

The connecting rod which connect the crank shaft to the piston of the automotive engine is the important parts excited by dynamic loads. For the design and manufacturing of this part, lubrication engineering, stress analysis, mechnics of plasticity and CAD must be considered together. The results of

The connecting rod which connect the crank shaft to the piston of the automotive engine is the important parts excited by dynamic loads. For the design and manufacturing of this part, lubrication engineering, stress analysis, mechnics of plasticity and CAD must be considered together. The results of these analysis are usable to the design procedure of another machine elements or systems, so that they are important parts of the machine system design. Therefore connecting rod is chosen as the common object in research project which is devided into four subprojects:
l.A study on the Elastohydrodynamic Lubrication Dynamically loaded Machine Parts in Lubrication Engineering Field.
2.A study on the Analysis of Deformation and Stress of the members subject into their Deformation-Dependent Loads in Applied Mechanics.
3. A study on the Computer Aided Forging Design and Preform Design in Closcd-Die Forging in Mechnics of Plasticity.
4. A study on the CAD system for the design and Manufacturing of the complex-shaped machine parts in CAD.
In the first subproject, oil-film pressure induced by the relative motion between the big-end bearing of the connecting rod and the journal of the crank shaft are calculated by the analysis of Reynold's equation. Equations of motion based on the equilibrium between the resultant force of this pressure and external forces are derived and then numerical integrations using Runge-Kutta Method are performed. From this analysis the locus of the relative motion between the shaft journal and the big-end bearing are calculated and the magnitude of the minimum lubricating clearance are determined. Because these are the function of the clearance, diameters and the widths of the bearing and the journal, these results are playing the important role in the design of the crank shaft system. To verify the reliability of this analysis, relative motion~ between the journal and the bearing in the lubricating conditions are measured an~4ompared with the calculated results. In the condition of the low and the middle level pressures, we got good results. But we recognized that high cost sensor and hydraulic control system are required because it is difficult to generate dynamic loads. The Oil-film analysis program which results from this research will be widely used in the relative fields.
In the 2nd sub-project, as an example of mechanical systems subjected to their deformation-dependent loads, the connecting rod-bearing system is selected. The coupled governing equations of deformation and pressure distribution are formulated and simultaneously solved. The Fast Newton-Raphson method and higher-order elements are used for the reduction of computation time. To divide the lubricated and cavitated regions, the complementarity algorithm by Murty is used.
The above scheme is coded into a finite element program to apply to the Ruston arld Hornsby 6 VE~X Mk III diesel big-end bearing. The result shows that minimum film thickness and power loss for the elastic and the ngid bearing model are of little difference. Journal center orbits of the elastic bearing model are, however, shown to increase up to 1.43 times the initial film thickness at crank angle of 350? It is also shown that the maximum film pressure of the elastic bearing model is decreased over the entire cycle and by up to 22 % of that of the rigid bearing model at crank angle of 10?when the maximum load is applied.
In the 3rd sub-project, the section geometries of final product were modified to make a forging fro~n a machined part. The design features that are modified include : parting line, the forging plane, the finishing allowance, the web thickness, the rib width, the draft angle, and the corner and fillet radii. A forging was viewed as being composed of several components. Forces and stresses were calculated for every component by the computerized slab method and then added together to give total forging load and stresses.
A prime concern in the closed-die forging is to ensure the complete filling in cavity at minimum cost, which will achieve a reduction of material losses. Therefore it is necessary to simulate the material flow behavior precisely. A UBET program was developed to simulate closed-die forging process with rib-web type cavity. The material flow behavior and forging loads during deformation were analyzed and verified by experiment with plasticine.
A new preform design procedure using UBET was suggested. The procedure was applied to obtain the preforms for the products with various cross sections. The number of preforming operations and the shape of each preform were determined and verified. And also, the developed UBET simuiator and preforrn design scheme were applied to closed-die forging of connecting rod. The shape of preform for connecting rod was determined and final product was obtained by the experiment with lead.
In the fourth subproject, the following problems have been considered. -
Development of a geometric modeling system based on skinning and sweeping -
Development of Pre/Post processor for finite element analysis - Development of NC tool path generation and verification system for NC milling machining of 3D object
For the development of a geometric modeling system, 2D and 3D data structures have been established, and 2D Fofile editor, sectioning operation, glue operation, and Euler operators have been also developed.
As a FeFocessor for the finite element analysis, the algorithms of automatic mesh generation of tetrahedron elements and hexahedron elements have been developed.
For the development of the NC tool path generation and verification system, many utility programs for handling curves and surfaces represented by the Non-Uniform Rational B-splines have been developed to enable the machining of the sculptured surfaces. By using the utility Fograms, several different machining options such as PS cartesian machining, spiral-shaped machining, contouring, pocketing, etc. have been implemented with avoiding the gouging.

목차 Contents

• 1장 서론...17
• 1절 연구 배경...17
• 2절 연구 목적...20
• 2장 연구 내용...22
• 1절 엔진 베어링과 크랭크 샤프트의 동적 거동 연구...22
• 2절 변형 종속적인 하중을 받는 부재의 변형 및 응력 해석에 관한 연구내용...29
• 3절 단조 부품 설계와 형단조 금형설계의 기초 연구...31
• 4절 복합 형상을 갖는 기계부품의 설계및 가공을 위한 CAD 시스템의 연구...33
• 3장 연구 결과...35
• 1절 저어널의 중심궤적 계산...35
• 2절 변형 종속적인 하중을 받는 부재의 변형 및 응력 해석에 관한 연구결과...40
• 3절 단조 부품...47
• 4절 복합 형상을 갖는 기계부품의 설계및 가공을 위한 CAD 시스템의 연구...67
• 4장 고찰...72
• 1절 유막 압력 해석에 대한 고찰...72
• 2절 변형 종속적인 하중을 받는 부재의 변형 및 응력 해석에 관한 연구의 고찰...73
• 3절 복합 형상을 갖는 기계부품의 설계 및 가공을 위한 CAD 시스템의 연구...74
• 5장 결론...76
• 6장 참고 문헌...81
• 제 2 장 엔진 베어링과 크랭크 샤프트의 동적 거동 연구...93
• 제 3 장 연구 결과...162
• 제 4 장 고 찰...176
• 제 5 장 결 론...179
• 제 6 장 참고 문헌...181
• 제 1 장 서 론...187
• 제 1 장 서론...187
• 제 2 장 기초이론...191
• 제 1 절 베어링계...191
• 제 2 절 가정...192
• 제 3 절 지배방정식...192
• 제 3 장 결합해법의 정식화...197
• 제 1 절 Newton - Raphson 화...197
• 제 2 절 유한요소화...203
• 제 4 장 음압보정 및 영역구분...203
• 제 5 장 컴플라이언스행렬...207
• 제 6 장 계산절차...211
• 제 7 장 결과 및 고찰...213
• 제 1 절 모델링...213
• 제 2 절 해석결과...224
• 1. Newton - Raphson 법의 비교...224
• 2. Time step 의 영향...225
• 3. 유한요소의 갯수의 영향...225
• 4. 탄성변형의 영향...226
• 제 3 절 연결봉의 응력측정실험...259
• 제 8 장 결론...261
• 참 고 문 헌...263
• 제 1 장 서 론...271
• 제 1 절 개 요...271
• 제 2 절 역사적 배경...273
• 제 3 절 연구 목적 및 내용...275
• 제 2 장 단조 부품 설계 및 단조 하중 계산...277
• 제 1 절 단조 부품의 자동 설계...277
• 제 2 절 Modular analysis를 이용한 단조하중 및 응력 계산...282
• 1. 초등해법에 의한 응력, 하중 계산...282
• 2. 단조가공시 재료의 유동...286
• 3. 커넥팅 로드에 대한 수치해석...287
• 제 3 장 UBET를 이용한 형단조 가공 해석...291
• 제 1 절 UBET이론...291
• 1. 동적 가용 속도장...291
• 2. UBET...294
• 제 2 절 재료의 유동...298
• 1. 단계 진행 및 가공 경화...298
• 2. 요소 재구성...299
• 3. 재료 유동과 프로그램의 구성...303
• 제 3 절 실 험...306
• 1. 플라스티씬 시편 제작...306
• 2. 실험 장치...307
• 3. 재료 시험...308
• 제 4 절 결과 및 토론...311
• 제 4 장 형단조 예비 가공형 설계...321
• 제 1 절 개요 및 목적...321
• 제 2 절 예비가공형 설계 방안...322
• 1. 역추적법...322
• 2. UBET에 의한 예비가공형 설계 방안...324
• 제 3 절 실 험...326
• 제 4 절 결과 및 토론...327
• 제 5 장 커넥팅 로드에 대한 형단조 예비가공형 설계...341
• 제 1 절 단조물의 형상과 예비가공형...341
• 제 2 절 종래의 설계방안...343
• 제 3 절 UBET를 이용한 에비
• 제 7 장 참고 문헌...355
• 제 1 장 서론...369
• 제 1 절 연구 배경...369
• 제 2 절 연구의 내용 및 범위...370
• 1. 데이터 구조...370
• 2. 형상모델링 시스템...371
• 3. 유한요소 해석 전,후처리 시스템...371
• 4. 수치제어 공구경로 계산 및 확인...372
• 제 2 장 연구 방법...373
• 제 1 절 데이터 구조의 확정...373
• 1. 이차원 데이터 구조...373
• 2. 삼차원 데이터 구조...375
• 제 2 절 형상모델링 시스템...378
• 1. 단면형상 에디터(editor)...378
• 가. NURB...378
• 나. 편집기 각 기능의 설명...380
• 2.스위핑 및 스키닝 기능...385
• 가. 곡선의 동질화...385
• 나. 보간점의 매개변수 결정...386
• 다. 보간점의 결정...387
• 라. B-spline 곡면의 보간...390
• 3. Euler Operator...394
• 4. 결합을 위한 glue 기능...399
• 5. 단면절단 기능...401
• 가. Data Structure...401
• 나. 교선의 계산...402
• 다. 수정 작업...402
• 라. Face 분류...404
• 마. On-face의 재분류...405
• 바. 물체의 분리 작업...407
• 제 3 절 유한요소 해석 전,후처리 시스템...411
• 1. 사면체 요소의 자동생성...411
• 가. 연구 방향...412
• 나. 자료 구조...414
• 다. 사면체 좌표 시스템의 정의...420
• 라. Octree 의 구성...423
• 2. 육면체 요소의 자동생성...443
• 3. 유한요소 해석 후처리 시스템...447
• 제 4 절 NC 공구경로 계산 및 확인 기능...448
• 1. 서론...448
• 2. 이론...448
• 3. Menu Structure...451
• 4. CL-data 의 계산 방식에 따른 분류...456
• 제 3 장 결과...477
• 제 1 절 형상모델링 시스템...477
• 1. 단면형상 에디터(editor)...477
• 2. 스위핑 및 스키닝 기능...477
• 3. 단면 절단 기능...481
• 제 2 절 유한요소의 자동생성...485
• 제 3 절 NC 공구 경로 계산 및 확인...487
• 제 4 장 고찰...489
• 제 1 절 형상모델링 시스템...489
• 제 2 절 유한요소 해석 전,후처리 시스템...489
• 제 3 절 수치제어 공구경로 계산 및 확인기능...490
• 제 5 장 결론...491
• 참고 문헌...493