Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 3, pp.352-359 (2015) Copyright C 2015 KSAE / 136-14 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/ksae.2015.23.3.352 허브스페이스의구조적안전성해석에대한연구 한문식 1) 조재웅 *2) 계명대학교기계자동차공학과 1) 공주대학교기계자동차공학부 2) A Study on Structural Safety Analysis of Hub Space Moonsik Han 1) Jaeung Cho *2) 1) Department of Mechanical & Automotive Engineering, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea 2) Department of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University, Chungnam 330-717, Korea (Received 26 September 2014 / Revised 21 February 2015 / Accepted 1 March 2015) Abstract : This study investigates the analysis result of structure and fatigue due to the models of the hub space with bolt joint at wheel and the existence or nonexistence of hub ring as the part of suspension system of vehicle. As the static analysis result, the structural vulnerability can be found at hub bolt and the center of wheel at three models. Model 2 and 3 have nearly same deformation and model 1 can be endured at the least load among three models. As the fatigue analysis result, fatigue lives of three models are same at the severest load of SAE bracket history. As many screw threads of weak bolts are jointed in case of model 1, model 1 is shown to be the weakest at fatigue damage among three models. By the result of this study, model 1 with bolt joint becomes most weakest among three models. As model 2 with no hub ring and model 3 with hub ring have the nearly same states of analysis results, hub ring is shown to have no influence on the safety of automotive driving. Key words : Fatigue( 피로 ), Hub space( 허브스페이스 ), Bolt joint( 볼트체결 ), Hub bolt( 허브볼트 ), Hub ring( 허브링 ), Screw thread( 나사산 ), Safety( 안전성 ) 1. 서론 1) 자동차는시대에따라그성격이변하게된다. 타고다니거나, 소유하거나, 그리고개성을살리는도구등시대에따른자동차에대한생각은점점다양하게변화되고있다. 이때문에자동차메이커들도업그레이드, 혹은스페셜이라는명칭을통해신차를출시하고있지만실제로자동차튜닝과다를바없고튜닝이라고하면많은사람들이불법이라는생각을먼저떠올린다. 1,2) 따라서본논문에서는운전자들이하는수많은튜닝중가장흔한휠드레스업과관련하여허브스페이스안전성에대해알아보고자한다. 보통휠과타이어는자동차튜닝이라하 * Corresponding author, E-mail: jucho@kongju.ac.kr 면빼놓을수가없을정도로가장흔한튜닝이다. 그이유는성능업그레이드와또하나인외관성때문이다. 이러한튜닝은밖에서자동차를바라봤을때타이어와휠의끝부분이휠하우스밖으로나오게해서웅장한느낌을주게할수있다. 그러나휠과타이어를교체하는비용이많이부담스러운것이사실이다. 3-5) 그러한이유로사람들은저렴한비용으로휠과타이어를교체한것과같은효과를얻을수있는허브스페이스에관심을갖기시작한다. 허브스페이스란, 휠과허브사이에어느정도의두께를가지는일종의어댑터를끼워넣는것으로장착시외관상의드레스업을해준다. 허브스페이스비장착오리지널차량과비교분석으로서는, 허브스페이스설치시장점으로는코너링시설치를안한 352
허브스페이스의구조적안전성해석에대한연구 기존의경우보다회전반경이늘어나고진폭이넓어짐으로서안정된승차감을보장해주고브레이킹에서도안정성을보인다. 시속 60마일에서정지까지브레이킹성능은휠크기가클수록유리한데, 휠의크기가 13인치이상이면간섭이생겨서허브스페이스가반드시필요하다. 또한 RPM이거의떨어지지않아가속페달을수시로밟았다땟다하는데전혀충격없이힘있게출발할수있어연비상승효과까지얻을수있다. 그리고허브스페이스는주물방식이라많이차륜이무거워지긴하나로터는경량이라동력손실은크게없다. 차륜이무거워져무게중심이낮아져서쇼바의물렁거림을해소할수있는점이다. 이러한허브스페이스는시중에서여러종류의허브스페이스를구할수있다. 재질이다른것에서부터시작하여여러종류의두께, 체결방식이있는데이렇게흔한휠을자동차에잘장착시킬수있는방법을가지고허브스페이스에대한안정성의유무로동호회사람들이나자동차튜닝에관심있는사람들은현재까지도찬반논쟁이끊이지않고있다. 그럼에도불구하고현재까지허브스페이스에대한논문자료를찾아보기힘들다. 따라서본연구에서는수많은허브스페이스중체결방식의차이와, 허브스페이스에있는허브링의유무가안전에어떠한영향이있는지알아보고자한다. CATIA 를통하여볼트체결식허브스페이스와허브링이있는허브스페이스, 허브링이없는허브스페이스를모델링하여 ANSYS를통해해석을하여허브스페이스의안전성문제에대하여고찰하였다. 6-11) Model 3은삽입식허브링이있는것이다. 이모델은알루미늄재료로서그물성치는 Table 1에나타나있다. 그리고각형상별모델들의절점과요소의개수는 Table 2와같다. 2. 연구모델 2.1 해석모델본연구에서는자동차의현가장치중허브와허브스페이스, 그리고휠까지모두어셈블리한형상을모델로삼고모델의형상은실제허브스페이스형상과휠은 BMW휠의인터넷참고자료를찾았으며허브의경우힘을받는고정부위의역할만하므로간단한형상으로 CATIA를이용하여모델링한후 ANSYS를이용하여해석하였다. Fig. 1에보면본연구의 Model 1은볼트체결방식으로연결하는것이며, Model 2는삽입식허브링이없는것이며, Fig. 1 Configurations of models Table 1 Material property Young's modulus (GPa) 71 Poisson's ratio 0.33 Density (kg/mm 3 ) 2.77 10-6 Tensile yield strength (MPa) 280 Compressive yield strength (MPa) 280 Tensile ultimate strength (MPa) 310 Compressive ultimate strength (MPa) 0 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 23, No. 3, 2015 353
Moonsik Han Jaeung Cho Table 2 Nodes and elements at models Model Nodes Elements Model 1 137162 67131 Model 2 46721 154521 Model 3 46901 157833 2.2 모델의경계조건 세가지모델들은같은작업환경에서해석하므로세가지모델들은모두같은경계조건으로하였다. Fig. 2에서와같이너클과닿는곳인허브의뒷면을고정시켰고휠이타이어와닿는면적에일반적으로자동차의휠에서작용되는 0.24MPa 의압력을가하였고허브뒷면에모멘트를 2948.9 N m 의힘으로가하였다. 이와같이적용한근거로서는차량중량이 15 Ton인대형자동차에서허브스페이스에의해서받을수있는최대압력을 0.24MPa이라고가정하여각각의모델들에압력을가하였다. 그리고허브스페이스의회전에의해서받을수있는최대 Moment를 2948.9 N m 로가정하여각각의모델들에서허브스페이스의안쪽에가하였다. 12) (a) Total deformation of model 1 (b) Equivalent Stress of model 1 Fig. 3 Structural analysis of model 1 (a) Total deformation of model 2 Fig. 2 Boundary condition of model 3.1 구조해석 3. 해석결과 구조해석결과 Fig. 3, 4 및 5는 Model 1, 2 및 3에대한각각의세가지모델들에대하여등가응력과전변형량의등고선들을보았다. 그림들에서보면, Model 1은 26.069MPa의최대의등가응력과 0.025013mm 의최대변형량을보이고 Model 2는 17.919MPa의최대의등가응력과 0.021868mm의최대변형량을 (b) Equivalent stress of model 2 Fig. 4 Structural analysis of model 2 354 한국자동차공학회논문집제 23 권제 3 호, 2015
A Study on Structural Safety Analysis of Hub Space (a) Total deformation of model 3 을알수있다. 구조해석결과, Model 3이 Model 1과 Model 2보다덜변형되는것을알수있다. 그리고최고등가응력의경우엔 Model 2가다른형상의모델에비하여가장작은것을확인할수있다. 하지만 Model 2와 Model 3의경우에큰차이는없어보이며 Model 1 또한큰차이가보이지는않는다. 세가지모델모두허브링과휠이맞닿는부위에서변형량이발생되는것을확인할수있다. 당연히예상할수있듯이볼트부위의힘이다른부위보다약하기때문이라고추측할수있다. 하지만등가응력으로봤을때휠이맞닿은부위에서의응력이거의작용하지않는다. 구조적해석으로봤을때 3개의 Model의구조적차이가두드러지지않음을확인할수있다. 굳이세가지모델을비교하였을때등가응력은거의의미가없다고판단되므로변형량을가지고확인을한다고하면허브스페이스의허브링이있는 Model 3이가장안전하다고할수있겠다. (b) Equivalent Stress of model 3 Fig. 5 Structural analysis of model 3 보이고있으며 Model 3은 17.944MPa의최대의등가응력과 0.021494mm의최대변형량을보이고있음 3.2 피로해석허브스페이스의피로하중에의한피로수명과파손에대하여해석하였다. Fig. 6과같이경과되는 1 사이클에대한응력진폭과평균응력인피로하중의내역 4) 으로서 SAE bracket history, 하중을세가지 Fig. 6 Load history at nonuniform fatigue load Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 23, No. 3, 2015 355
한문식 조재웅 Fig. 7 Contour plots of fatigue life Fig. 8 Contour plots of fatigue damage 모델들에작용하였다. 그림에서도볼수있는바와같이 SAE bracket history 의경우는그림에서볼수있듯이피로하중조건이가장극심한산간지방에서적용할수있다. 1) Fig. 7과 8은 Model 1, 2 및 3에대한각각의모델들에대한피로수명과파손의등고선들을보았다. 그리고등고선으로된피로손상은설계수명을사용가능수명으로나눈것으로정의된다. 볼트체결식허브스페이스의피로수명은 3.3693 10 5 Cycle이고, 삽입식허브스페이스중허브링이없는것은피로수명이 3.3693 10 5 Cycle이다. 그리고나머지허브링이있는허브스페이스의같은경우는 3.3693 10 5 Cycle을나타내는것을볼수있다. 파손의경우에는볼트체결식허브스페이스의피로파손이 2968, 허브링이없는것은피로파손이 2968, 나머지허브링이있는허브스페이스의경우는 2968이다. 피로수명의경우는세가지모델이모두일치하는것을확인할수있다. 이는피로수명에있어서세제품의차이는없다는것을보여주며, 또한피로파손의경우는수치들이같지만볼트체결식허브스페이스의체결부분에더많은붉은색부분 356 한국자동차공학회논문집제 23 권제 3 호, 2015
허브스페이스의구조적안전성해석에대한연구 을보일수있다. 이는볼트체결식자체가아무래도볼트의체결부위가많아지면서볼트에부하가걸려피로파손이높게나온것으로추측할수있다. 이로서허브스페이스의체결식이나삽입식이자동차운행에있어큰무리를주지않는다고생각할수있다. 또한허브링의유무도안전성에있어그렇게큰차이가없음을알수있다. Fig. 9는 Model 1, 2 및 3에대한각각의모델들에대하여각각임계위치에대한 Rainflow 매트릭스들에대한그림들이다. 또한다음의그림들은 SAE bracket history 의불규칙진폭하중을적용하였다. 그리고이그림들은본해석에가해지는하중내역의구성으로서진폭응력과평균응력에대한그빈도수들로서그려지는데, z축은주어진진폭응력과 Fig. 9 Plots of rainflow matrices of models Fig. 10 Plots of damage matrices of models Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 23, No. 3, 2015 357
Moonsik Han Jaeung Cho 평균응력에대한빈도수에해당된다. 세가지모델이모두공통적으로 SAE bracket history 의경우가상대적인손상은평균응력이 0 부근의상태에서최대의빈도수를나타내는데, 그림들에서보면 Model 1의경우가 80 정도로서상대적인손상을가장많이일으키고나머지의경우는 75 정도로둘다비슷한값을나타내고있다. Fig. 10은 Model 1, 2 및 3에대한각각의모델들에대하여파손에대한임계위치에서의 Damage 매트릭스들에대한그림들로서불규칙진폭하중에대해서만적용되는데 109사이클의무한수명에대한상대적손상가능성을나타내고있다. 그림들에서보면 Model 1의경우가 10% 의 Damage로가장큰손상가능성을보이고있다. 나머지의경우는 9.5% 정도로둘다비슷한값을나타내고있다. 4. 결론본연구는자동차의현가장치의부품인휠에서의허브스페이스와허브링의유무에대한구조및피로해석을통하여다음과같은해석결과를보았다. 1) 정적인구조해석결과, 3가지모델모두허브볼트와휠의중심부분에서취약점이발견되었고총변형량을비교하여보면 Model 1은약 0.025013mm, Model 2는약 0.021868mm, Model 3은약 0.021494mm의변형을보이고있어 Model 3이 Model 1과 Model 2보다덜변형되는것을알수있다. 3개의모델중 Model 2나 3은거의같이변형되나다른모델에비하여 Model 1이가장하중을덜견딘다고볼수있다고사료된다. 2) 피로해석의결과로서는 SAE bracket history인가장극심한하중조건에서 Model 1,2 및 3 모두피로수명의값이같았으며, 피로파손의경우에세개의모델들중에서 Model 1의경우에, 약한볼트나사산부분이많이체결되어있어서피로파손에더취약하다고볼수있다. 3) 본연구의결과를종합하여볼때볼트체결식인 Model 1의경우가가장불안정되었다고판단이된다. 또한허브링이없는경우인 Model 2와허브링이있는 Model 3의경우에서구조및피로해석의양상이거의같이나타나허브링의유무 로인하여자동차운행안전성의영향이크게없을것으로사료된다. References 1) C. K. Lee and Y. C. Kim, A Study on the Progressive Die Design and Making of Gas Boiler Exhaust Pipe, Journal of KAIS, Vol.14, No.9, pp.4111-4116, 2013. 2) S. N. Park, Development Trend of Car Seat Technology, Auto Journal, KSAE, Vol.31, No.4, pp.26-33, 2009. 3) J. H. Kim, D. U. Park, J. H. Lee, M. G. Kim and W. S. Yoo, Evaluation of Ride Comfort considering Seat Vibration, KSAE Spring Conference Proceedings, pp.933-938, 2002. 4) H. Y. Kim, K. T. Lee, H. I. Choi, S. T. Kim, C. S. Park and D. J. Lee, Structural Analysis for the Development of Round Recliner, KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1361-1366, 2003. 5) S. K. Jung, C. H. Lee, S. M. Shin, R. S. Myong, T. H. Cho, H. H. Jeong and J. H. Jung, An Investigation of Icing Effects on the Aerodynamic Characteristics of KC-100 Aircraft, Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.38, No.6, pp.530-536, 2010. 6) C. H. Ryu and S. W. Ra, Mission Planning and Control Analysis Algorithms for the Safe Flight of an Unmanned Aerial Vehicle, Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.33, No.3, pp.71-77, 2005. 7) J. H. Choi and J. H. Kim, Research for Effective Vibrational Rapping Performance of Multiple Electrostatic Precipitators in Series and Parallel Arrangements, Journal of KAIS, Vol.14, No.9, pp.4136-4141, 2013. 8) W. B. Kim, Evaluation of Fatigue Strength Share Effect of the Rust due to Corrosion at Ship Structural Plate, Journal of KAIS, Vol.14, No.5, pp.2063-2068, 2013. 9) S. J. Luo, Y. T. Fu and Y. X. Zhou, Perceptual Matching of Shape Design Style between Wheel Hub and Car Type, International Journal of 358 한국자동차공학회논문집제 23 권제 3 호, 2015
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