상용차는 많은 짐을 싣고 오랜 시간 주행하므로 승용차보다 훨씬 더 가혹한 하중 조건에 놓이게 된다

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정용 망절
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1 설계초기단계의상용차하중조건설정에대한연구 류승훈 1) 문지훈 1) 박종찬 1) 임정환 1) 현대기아자동차연구개발총괄본부상용선행개발팀 1) A study of load condition tageting of CV in the ealy design stage Seunghun Ryu* 1) Jihoon, Moon 1) Jongchan Pak 1) Jung hwan Lim 1) 1) HYUNDAI-KIA MOTORS R&D Cente, 772-1, Jangduk-Dong, Hwaseong-Si, Gyeonggi-Do, , Koea Commecial Vehicle Advanced Engineeing Team Abstact : In geneal, laboatoy test using oadsimulato has been used fo many yeas in the automotive industy to acceleate duability testing of vehicle. Due to the cost poblem of this physical test using pototype, the numbe of company adopting CAE to obtain initial design guide line has inceased. But, it is so difficult to estimate duability pefomance using a fatigue analysis in initial stage of a vehicle development. Theefoe, An 8-post vitual test ig model was established to epoduce physical test to the poving gound using pototype. And this VTL(Vitual Test Lab) is used to obtain the input load histoy about the main chassis pat and the CAB. This pape poposes two methods to evaluate duability in ealy design stage. One is the suggestion of stength citeion to satisfy taget life using the damages calculated fom the load histoy only befoe the initial decision of design shapes. The othe is that of the stength citeion obtained fom the stength analysis and load histoy afte the initial decision of design shapes. Though a seies of these pocesses, load conditions and allowable stess to be able to estimate the duability pefomances ae calculated using static stength analysis in the initial design stage. Key Wod : CV(Commecial Vehicle), Roadsimulato( 로드시뮬레이터 ), duability pefomance, CAE, VTL(Vitual Test Lab), foce histoy( 하중이력 ), stength citeion, load condition, allowable stess( 허용응력 ). 1. 서론대형트럭은차량중량이크고노면요철이심한길을주행하게된다. 또한, 많은짐을싣고오랜시간주행하므로승용차보다훨씬더가혹한하중조건에놓이게된다 1). 따라서, 차량의내구수명을신뢰성있게예측하는것은매우중요한일이다. 최근에는시험과더불어해석적기법이폭넓게사용되고있는데다음과같은 MSR(Modal stess ecovey), MSM(Modal supeposition Method) 과같은다양한해석적방법이도입되어신뢰성이점점증가하고있다 2). * 류승훈, sh@hyundai-moto.com 하지만대부분의설계과정에서내구해석은형상이거의확정된시점에서이루어지며, 설계초기에는정적해석으로강도만평가된다. 만약설계초기단계에서강도해석만으로내구수명까지평가할수있는하중기준을마련한다면설계기간을줄일수있을뿐아니라시험에서발생하는여러문제에대하여도미리대처할수있을것이다. 본연구에서는 24.5 톤대형덤프트럭의벨지언로에서의하중및가속도, 변위이력을 52 채널로나누어측정하였고, 이를바탕으로 ADAMS CAR Template 을활용하여 8-Post 로구성된 VTL(Vitual Test Laboatoy) 을구성하였다. VTL 을통해 CAB 및주요샤시단품에전달되는하중이력을산출한후내구해석을통해 Damage 를구하였다. 또한동일한 Damage 를발생시키는정현파를산출한후, 이때의응력진폭 (Amplitude) 을이용하여내구수명을평가할수

있는하중크기를구하였다. Output 2. 본론 2. 1 동역학모델의구성대형트럭 (8 4) 내구해석에필요한하중이 력 (Load histoy) 를얻기위해 Fig.1 과같이 8- Post 가상시험모델 (VTL) 을구축하였다.

Leaf Sping Toolkit 을활용하였다. Input Fig. 2 VTL 의 Input / Output 위치 2.2.1 VTL 입력신호산출 일반적으로, 대형트럭 Wheel Cente(W/C) 에서의가속도측정은매우어렵다. 따라서, Axle 에서가속도를측정한뒤이를 W/C 에서의가속도로변환하였다.

2동역학모델의검증 가상시험모델 (VTL) 의 입력신호는 Belgian, Heavy Duty, Pothole 노면에대한 Axle 부의수직 가속도 (8ch) 와 3 방향 Stain(24ch) 을계측하여 Wheel cente 수직변위와 3 방향하중이력으로 변환하여사용하였고, S/ABS 변위및 Fame, CAB

2 있는하중크기를구하였다. Output 2. 본론 2. 1 동역학모델의구성대형트럭 (8 4) 내구해석에필요한하중이 력 (Load histoy) 를얻기위해 Fig.1 과같이 8- Post 가상시험모델 (VTL) 을구축하였다. 또한, 유사차종의 VTL 구축시해당부분 (Template) 만변경하여모델링시간축소및신속한성능 예측이가능하도록총 20 개의 ADAMS CAR Template 을활용하여동역학모델을구성하였 으며특히, Leaf Sping 은 Clip 체결에의한 Contacto Foce 와 Fiction 등의비선형성을표 현할수있고신속한모델링이가능한 Leaf Sping Toolkit 을활용하였다. Input Fig. 2 VTL 의 Input / Output 위치 VTL 입력신호산출 일반적으로, 대형트럭 Wheel Cente(W/C) 에서의가속도측정은매우어렵다. 따라서, Axle 에서가속도를측정한뒤이를 W/C 에서의가속도로변환하였다. 이때두지점에서의관계식은 (1), (2) 와같다. Axle Fig.1 8-Post VTL Model 2. 2동역학모델의검증 가상시험모델 (VTL) 의 입력신호는 Belgian, Heavy Duty, Pothole 노면에대한 Axle 부의수직 가속도 (8ch) 와 3 방향 Stain(24ch) 을계측하여 Wheel cente 수직변위와 3 방향하중이력으로 변환하여사용하였고, S/ABS 변위및 Fame, CAB 가속도신호는가상시험모델의구동을통 해서구한값과비교하여모델의타당성을검토 하는데사용되었다. (Fig. 2 참조 ) al = a0 α ll al + a a a = a0 + α l 0 = 2 a α = l a a a ) = a L = a α L l al + l l l w/ c 0 l 0 l ll + l a a a ) = a + L = a + α L l w/c 0 0 ll + l Ll : wheel cente left hand L : wheel cente ight hand (1) (2) 이렇게얻어진 W/C 의 Vetical 방향으로작용하는가속도이력을적분하여변위이력을산출하였으며이때, 적분상수는필터링 (High pass filte) 을통하여즉, 0.5Hz 이하를 Cutoff 시켜산출하였다.

2.2.2 VTL 모델검증 Table..1 Compaison of Wheel Load (Static Condition of GVW) Wheel Cente Test (Kg) Newton VTL Eo Font_Left 4,635 45,423 47,392 4.33% Font_Right 4,850 47,530 47,656 0.

91% Rea_2_Right 4,910 48,118 48,201 0.17% Total 38,385 376,173 372,989 3.16% 먼저, VTL Model 을검증하기위하여 GVW 상태의축하중과 VTL 모델에서 Wheel eaction load 를비교해보았다. Table.1 에서보는바와같이최대오차는 8.1% 였으며축하중을평균한오차는 3.

3 2.2.2 VTL 모델검증 Table..1 Compaison of Wheel Load (Static Condition of GVW) Wheel Cente Test (Kg) Newton VTL Eo Font_Left 4,635 45,423 47, % Font_Right 4,850 47,530 47, % Font_2_Left 4,455 43,659 41, % Font_2_Right 4,665 45,717 42, % Rea_Left 5,120 50,176 49, % Rea_Right 4,845 47,481 49, % Rea_2_Left 4,905 48,069 47, % Rea_2_Right 4,910 48,118 48, % Total 38, , , % 먼저, VTL Model 을검증하기위하여 GVW 상태의축하중과 VTL 모델에서 Wheel eaction load 를비교해보았다. Table.1 에서보는바와같이최대오차는 8.1% 였으며축하중을평균한오차는 3.2% 에불과하여정적평형상태에서는충분한신뢰성을가지고있음을확인하였다. 다음으로, Fig. 2 에서와같이 Vetical 방향으로는변위이력을 Lateal, Longitudinal 방향으로는 Foce 이력을이용하여 VTL 을가진한후산출된가속도이력 (Fame, CAB Mounting 부 ) 과변위이력 (S/ABS) 을시험에서측정된값을비교하였으며한예로, Fame 부에서산출된가속도이력과시험으로측정된값을비교하여 Table. 2 에나타내었다. Min.~Max. Range 의최대 Eo 는약 11% 이며, RMS 의최대 Eo 는약 17% 이다. 그러나, 가속도성분의특성상이정도의 Eo 는내구해석에사용할수있을만큼충분한신뢰성을가지고있다고판단된다. Table. 2 Compaison of acceleation histoy at Fame Max Min Feq Range Point RMS [g] [g] [Hz] [g] FRAME FRT LH (Measued) 1.13 FRAME FRT LH (VTL) 1.09 FRAME RR LH (Measued) 1.11 FRAME RR LH (VTL) RMS : 17% Range : 5% RMS :14 % Range : 11% Static 방법이나 MSM 방법을통한내구해석을수행하는것이일반적이다. 그러나, 본논문에서는 VTL 모델이없을경우즉실차에서측정한가속도이력만을이용한방법을제시하였다. 여기서, 가속도이력을사용한이유는 CAB 마운팅부의로드셀을이용한하중이력측정은어려우나가속도이력측정은어렵지가않기때문이다 Cab 의내구해석및하중기준제시정적해석만으로 Cab 의내구수명을예측하 기위해서는정적해석시사용할하중크기 (Excitation load) 와목표수명 (Taget Life) 을보장하기위한허용응력 (Allowable stess) 을결정하는것이다. 1) Excited load 의산출초기설계단계즉, CAB 형상이결정되기전의강도기준설정을위하여 CAB 의 FEM 모델을이용하지않고가속도이력만을이용하여 Excited load 를설정하였다. 이를위해 MSC. Fatigue 의 Single Location Method 즉, 하중이력과 SN Cuve 특성만으로내구해석을수행하는방법을사용하였다. 일반적으로, Damage 산출을위해 stess histoy 가필요한데본논문에서는가속도이력에적절한 Scale facto(s/f) 를곱하여 stess histoy 로변환시켜 damage 를산출하였다. 이때, Damage 산출을위하여 Scale facto 값을찾는것이중요하다. Stess Histoy = Acceleation histoy S / F (3) 2. 3 Cab 내구수명평가를위한하중조건산출 Cab 의하중이력분석및정적해석 CAB 의내구해석은 VTL 을이용하여 CAB 마운팅부에서의하중이력을산출한후 Quasi- Fig3. Cab 구속조건및하중조건 Fig.3 에서와같이 Cab 에는총 4 군데의

Suspension point 를통해하중이입력된다. Load FE Modeling histoy( 가속도이력 ) 는 4 군데모두 T, L, H 세방 향으로획득하였으므로총 12 개가존재한다. 그러나, 각방향별로하중조건을산출하기위하여 4 곳의 Damage 를각각산출하여그평균값을산출한후 Fig.

4 Suspension point 를통해하중이입력된다. Load FE Modeling histoy( 가속도이력 ) 는 4 군데모두 T, L, H 세방 향으로획득하였으므로총 12 개가존재한다. 그러나, 각방향별로하중조건을산출하기위하여 4 곳의 Damage 를각각산출하여그평균값을산출한후 Fig.4 와같이 1,000 Cycle 정현파 (Sinusoidal Wave) 와동일한 Damage 값을가지는 Scale Facto(Amplitude stess) 를산출한다. 이때, Sinusoidal wave 에곱해진 Scale Facto, 즉 Amplitude stess 는실차에서측정한하중이력과동일한 Damage를산출하는등가상당응력 (Equivalent stess, ) 으로볼수있다. Define Taget Life Linea Static Analysis (Unde 1G-T,L,H) Find Damage Detemine Detemine > Random Signal Sinusoidal Wave Yes SAFE FAIL No 형상변경 Fig.5 하중산출흐름도 2. 4 샤시단품류내구수명평가를위한하중조건 산출일반적으로, 하중조건산출방법은두가지 방법이있으며첫째는세부적인형상이결정되 기전에장착위치에서의하중이력만으로설계 기준을설정하는것이고, 둘째는세부형상이 결정된후보다정밀한설계기준을제시하는것 이다. 첫째방법은앞의과정에서기술하였으므 로다음과정은둘째방법을제시하고자한다. Fig.4 Equivalent stess 산출 2) Allowable stess ( ) 산출 Cab 의응력해석결과에 1,000 Cycle 정현파 를입력하여피로해석을수행한후 S-N Cuve 상에서 Taget Life 에도달하기위한 Scale Facto 를구하여식 (4) 와같이 allowable stess 를산출 한다. = [σ max ] sinusoidal signal (Equivalent Stess) x Scale Facto) taget life (4) FEM 해석결과를활용한하중조건산출 1) FEM 해석및 Load histoy 추출 해석모델에 1N 을가했을때의최대응력 값 (σ unit load ) 을구하고 VTL 을활용하여해당 단품에입력되는하중이력을방향별로추출 한다. 2) 내구수명목표설정 가속내구로목표수명 T aget Life = 4( Safety facto) (5) 가속내구로거리 이때, 목표수명은 SN cuve 에서일반적으로 제시하는 Cycle Limit 인 10 7 Cycle 로설정했다. 이상의과정을정리하면 Fig. 5 와같다. 이것은가속내구로 ( 벨지언로 ) 를주행하여획득한 Load histoy를 1 Block으로하여목표수명으로설정한것이다. 이때, 가속내구로목표수명은필드목표수명 1X10 7 cycle에해당하는가속내구로에대한목표수명이다.

5 3) Damage 산출및주효방향설정 1) 에서구한응력해석결과와하중이력을 이용하여각방향별 Damage 를구한다. Table.3 에서보듯이 T, L 방향은무한수명이산출되므 로내구성능에이상없다고판단하고, H 방향 에대하여하중조건을산출한다. 만약 H 방향 에서도목표수명을만족할때에는하중조건을 설정하지않는다. Table..3 각방향별 Damage Diection Max. Stess (MPa) (Unit load) Max. Load (N) Max. Stess (MPa) (Random signal) (Random signal) Damage T 1.500E E E E-20 L 1.920E E E E-20 H 1.940E E E E-04 Excitation Load 를가하여구한최대응력 ( σ MAX ) 과 allowable stess 를비교하여다음과같이진 행한다. < σ MAX : 형상변경 (8) > σ MAX : 내구목표만족 (9) 식 (8) 과같이최대응력이 allowable stess 보다 클경우형상변경을통해구조보강을수행한다. Fig.6 에서지금까지의과정을정리하여도시 하였다. FE Modeling 4) Equivalent stess(σ Equivalent ) 산출 VTL 에서구한단품의랜덤한하중이력과 Linea Static Analysis (Unde Unit Load) 동일한 damage 가나오도록응력진폭이 1 인 정현파 (sinusoidal wave) 에적절한 scale facto 를 Find Damage Random Signal 구한다. 이때의 Scale Facto 가 Equivalent stess 이다. 일반적으로 SN cuve 는 1,000 Cycle 이상부터적용가능하므로본논문에서는 1,000 cycle 정현파를사용하였다. Damage > Taget Life Yes No Define Taget Life 5) Excitation Load 산출 Detemine Sinusoidal Wave 식 (6) 과같이 equivalent stess 를단위하중을입력하여구한 stess 로나누어구한다. Detemine Excitiation Load( N) = [ σ ] [ σ ] equivalent max unit _ load (6) > Yes No SAFE FAIL 형상변경 6) Allowable stess( ) 산출 S-N Cuve 상에서 Taget Life 에도달하기위 한 Scale Facto 를구하여식 (7) 과같이 Allowable stess( ) 를구한다. σ allowable = σ Equivalent Scale Facto (7) 마지막으로정적해석을통한내구수명을 예측하는방법은다음과같다. 실제단품에 Fig. 6 초기형상이결정된이후의하중조건산출절차 하중조건산출방법의강건성평가하중이력만을이용하여내구수명을평가하 기위해서는설계형상이변경되더라도동일한 하중조건 (Excitation Load, Allowable stess) 을적 용할수있어야한다. Fig.7 에서와같이 Seat Axle Backet 의형상변 경에대해동일한과정을적용하여하중조건이 동일수준으로산출되는지확인하였다.

잦은설계변경에도효과적으로적용할수있음 을검증하였다. Refeence Table.4 변경전후비교결과 Case 변경전 Max. Stess (Unit load) Life (Block) Equivalent sess (Mpa) Allowable stess (Mpa) Excitation Load A 0.0194 Mpa 2550 104.26 68.

6 잦은설계변경에도효과적으로적용할수있음 을검증하였다. Refeence Table.4 변경전후비교결과 Case 변경전 Max. Stess (Unit load) Life (Block) Equivalent sess (Mpa) Allowable stess (Mpa) Excitation Load A Mpa N B Mpa N Case A : Oiginal, 변경후 Fig. 7 Seat Axle Backet 형상변화 Case B : Modified 1) Seunghun Ryu, A study on the optimum design of the Font Stuctue of Heavy Duty Tuck Cab using Sensitivity analysis and Taguchi Method, Confeence of KSAE, ) Seunghun Ryu, Evaluation of Fatigue Life fo Lage Bus by using Vitual Test Model, Poceedings of The 12 th Automotive Technology Confeence, 2004 Table.4 에서와같이목표수명을만족하기위한 Excitation load 와 Allowable stess 의백분율은약 5% 이내의차이를보인다. 두결과에서보듯이부분적인설계변경으로인하여응력해석결과가바뀌면 Damage 는차이가나지만, 내구수명을평가하기위한하중조건은동일하게나오는것을확인할수있다. 3. 결론 상용차는승용차와달리매우다양한파생모델을가진다. 하지만 3축이상의트럭은기존의 ADAMS Ca 로는 VTL 모델구축이불가능하여내구해석을위한하중이력추출이어려웠다. 또한설계가끝난시점에서내구성평가가이루어져신속한대응이불가능하였다. 본연구에서는 8 4 덤프트럭과 8-Post VTL 모델을 ADAMS Template 으로구성하여다양한파생차종에도효과적으로대응할수있도록하였다. 그리고 Cab 과주요샤시단품류들의설계초기에정적해석만을통해내구성능을예측할수있는하중기준 (Excitation load, Allowable stess) 을마련하였다. 또한제시된하중조건이

Contents 4-2 Intoduction Fee-Body Diagam Reactions at Suppots and Connections fo a Two-Dimensional Stuctue Equilibium of a Rigid Body in Two Dimension

Chapte 4: Equilibium of Rigid Bodies ( 강체의평형 ) 최해진 hjchoi@cau.ac.k Contents 4-2 Intoduction Fee-Body Diagam Reactions at Suppots and Connections fo a Two-Dimensional Stuctue Equilibium of a Rigid Body