Transactions of KSAE, Vol. 25, No. 4, pp.415-421 (2017) Copyright C 2017 KSAE / 149-03 pissn 1225-6382 / eissn 2234-0149 DOI https://doi.org/10.7467/ksae.2017.25.4.415 중형상용차용프로펠러샤프트의구조강도개선에관한연구 문홍주 *1) 심기중 1) 조규춘 1) 최규재 2) 고승기 2) 이영춘 3) 군산대학교기술혁신센터 1) 군산대학교기계자동차공학부 2) 화신기술연구소 3) A Study on the Structural Strength Improvement of the Propeller Shaft Using Medium Duty Commercial Vehicle Hongju Moon *1) Kijoong Sim 1) Kyuchun Cho 1) Gyoojae Choi 2) Seungkee Koh 2) Youngchoon Lee 3) 1) Kunsan Advanced Technology Innovation Center, Kunsan National University, Jeonbuk 54150, Korea 2) School of Mechanical & Automotive Engineering, Kunsan National University, Jeonbuk 54150, Korea 3) The Institute of Technology, Hwa Shin Co., 105 Seongseogongdanbuk-ro, Dalseo-gu, Daegu 42709, Korea (Received 5 April 2017 / Revised 21 April 2017 / Accepted 26 April 2017) Abstract : In this paper, we would like to suggest ways in which to improve the strength of the spider, which is the vulnerable part of the double cardan propeller shaft(dcps) in medium-duty commercial vehicles. DCPS is composed of a universal joint that consists of spider and yoke, tube, cover spline, and so on. To improve the spider s structural strength, the DCPS assembly model is designed with an ANSYS workbench. This developed model can analyze the strength of the DCPS, and can validate the results of the analysis through a strength test. Finally, we would like to introduce a new spider design that is 20 % stronger than previous DCPS models. Key words : Medium duty commercial vehicle( 중형상용차 ), Spider strength( 십자축강도 ), DCPS(Double Cardan Propeller Shaft, 프로펠러샤프트 ), Structural strength( 구조강도 ), Universal joint( 유니버설조인트 ), Improvement design( 개선설계 ) 1. 서론 1) 국내의자동차산업은기존의양적성장에서기술능력개발및독자기술확보를통한질적성장으로전환을꾀하고있다. 하지만, 상대적으로시장규모가작고기술개발수준이낮은상용차부품은국내기술개발이미흡하여선진기술을보유한해외선진업체가관련시장을독점하고있는실정이다. 특히, 상용차구동계의핵심부품인프로펠러샤프트 (Propeller shaft) 는변속기 (Transmission) 또는트랜스퍼케이스 (Transfer case) 와전 후륜차축 (Axle) 을연결하여구동력을바퀴에전달하는기능으로차축과의원활한회전력전달이가능하도록양끝에 * Corresponding author, E-mail: qwrrw00@kunsan.ac.kr 유니버설조인트 (Universal joint) 를사용하며요구조건에따라다양한구조의제품이적용되고있다. 또한, 주행중회전축의변화에도고토크, 고속회전이원활하게전달될수있는성능을갖추어야한다. 프로펠러샤프트에대한연구는차량특성, 사용조건을고려한최적제품설계, NVH 성능및시험을통한내구성이우수한제품개발과관련된연구가진행되고있다. 이호준등 1) 은프로펠러샤프트요크의하부 Pot hole 형상이비틀림변형형태에중요한영향을미칠수있음을보이고개선에효율적인하부형상을제안하였다. 송현석등 2) 은프로펠러샤프트구성부품인 R_yoke에대한내구성향상및응력저감을위 415
문홍주 심기중 조규춘 최규재 고승기 이영춘 2. 본론 Fig. 1 Universal joint for a propeller shaft 하여설계변수에대한민감도분석을바탕으로개선설계안을제시하였다. 한동섭등 3) 은구동축과피동축과연결되는프로펠러샤프트의교차각이강도에미치는영향을연구하였다. 김도식등 4) 은교정가속수명시험 (Calibrated accelerated life test, CALT) 방법을이용하여액슬구동축의수명을예측하는연구를수행하였다. Avrigean 등 5) 은유니버셜조인트의결합유형및빈도에관한시장조사자료를근거로하여스파이더부품을주요결합요소로선정하여이에대한연구를수행하였으며, 이외에도제품의신뢰성확보를위하여등속조인트에작용하는접촉하중및응력을이론적, 실험적으로평가하는연구, 6) 샤프트의경량화에따른강성및 NVH 특성변화에관한연구, 7) 샤프트의진동특성이구동계에미치는영향을평가하고진동저감방안을제시하는연구 8) 등이활발하게진행되고있다. 이상과같이내구성, 응력저감, NVH 특성등프로펠러샤프트구성부품에대한다양한연구가진행되었지만, 프로펠러샤프트의구성부품을조립한제품에대한유한요소해석적접근과시험을통한검증및이를통하여얻어진가장취약부품 ( 응력이집중된부품 ) 에대한개선에대한연구는많이이루어지지않고있다. 이에본논문에서는상용유한요소해석프로그램인 ANSYS를이용하여프로펠러샤프트조립제품에대한구조해석을통하여취약부품을확인하고취약부품의형상개선을통한강도향상을목표로하며시험을통하여검증하고자하였다. 또한, 이를근거로취약제품의설계변수에따른구조해석을통해제품의강도향상을위한개선설계안을제안하였다. 2.1 제품개요대상제품은 3.5 Ton 상용차의원활한회전력전달을위한더블카단프로펠러샤프트 (DCPS : Double cardan propeller shaft) 로주요부품은플랜지 / 센터 / 튜브요크 (Flange/Center/Tube yoke), 스파이더 (Spider), 요크샤프트 (Yoke shaft), 커버스플라인 (Cover spline), 튜브 (Tube) 등으로구성되어있다. 회전동력은플랜지요크 1번이변속기또는트랜스퍼케이스에연결되고플랜지요크 2번이차축에연결되어바퀴에전달된다. 주행중차축및엔진, 변속기의운동변위로회전축심이임의의각도로교착되어회전하더라도원활한동력전달이가능하도록 2개의유니버설조인트가적용되어있다. Fig. 2는프로펠러샤프트조립제품의부품구성을보여주고있다. Fig. 2 Propeller shaft configuration 2.2 해석모델생성유한요소해석진행을위하여 Yoke와 Spider로구성된유니버설조인트와원통의강관으로구성되는프로펠러샤프트의각부품을 3D Modeler인 CATIA V5를이용하여모델링하였으며구속조건을부여하여조립제품을구성하였다. 해석모델구성부품중 Cover spline, Yoke shaft의기어형상과 Spider 고정핀형상등해석시결과에영향이미비한부품들은메쉬생성과정의오류, 해석시간의단축을위하여 Yoke shaft 및 Cover spline의슬립이음형상등을단순화하였으며, 홀, 링, 튜브등을제거하였다. Fig. 3은간략화된형상을보여주고있다. 해석모델생성에적용된 Mesh는솔리드형상모델에주로사용되는 3차원요소인 Tetra 요소를사용 416 한국자동차공학회논문집제 25 권제 4 호, 2017
중형상용차용프로펠러샤프트의구조강도개선에관한연구 Fig. 3 Simplification of the propeller shaft parts Table 1 Material properties Name Material Young's modulus (GPa) Poisson's ratio Tensile yield strength (MPa) Spider SCM420 200 0.29 870 Flange yoke Cover yoke Tube spline Yoke shaft S45C FCD700 205 180 0.3 0.29 490 834 Center yoke SCM440 205 0.29 480 Tube StKM14b 200 0.3 350 하였으며, 설계관심부분인 Spier, Yoke shaft의 Mesh size를조밀하게조정하여 Node: 2,852,203 EA, Element :162,433 EA로해석모델을생성하였다. 개발제품인프로펠러샤프트의취약부를검토하기위하여탄성해석을수행하였으며, 이에필요한각구성품의물성데이터는 Table 1에보여주고있다. 이에 Spider 및 Cap&bearing의접촉면에회전이가능하도록 No separation( 접촉면슬립허용그외구속 ), Cap&bearing 및 Yoke간은 6 DOF을구속하여유니버설조인트의각도변경이가능하도록접촉조건을부여하였다. Cover spline 및 Yoke shaft 부품간에는서로간의슬립이허용되나추후개발제품의차량장착시 Flange yoke 1, 2의구속으로슬립에대한움직임은미미할것으로판단되어 6 DOF를완전구속하였다. 이외용접으로결합되는각부품들은 6 DOF 완전구속하여제품에대한접촉조건을선정하였다. 프로펠러샤프트의최대적용토크는엔진토크, 기어비등차종의사양에의해결정된다. 제품의취약부검토를위하여 Flange yoke 1에제품의요구회전동력 225 Kgf m에서 325 Kgf m까지 25 Kgf m씩증가시켜총 5가지의회전토크를인가하였다. 이를통하여취약부, 최대응력의발생부를검토하고자하였다. 구속조건은 Fig. 5와같이출력부인 Flange yoke 2 의볼트삽입부에 Cylindrical 조건을부여하여 Z축을제외한 x, y, Rx, Ry, Rz 방향을구속하였으며, 밑면에는 Frictionless support 조건을고려하여 Z축방향을구속하였다. 2.3 해석경계조건프로펠러샤프트의유니버설조인트는일치되지않는축중심선들을교차및변경하는요소로요크와스파이더부품사이에는원활한작동조건이부여되어야한다. Fig. 4 Contact conditions of analysis model Fig. 5 Load and boundary conditions of analysis model 2.4 해석결과위의경계조건을바탕으로토크인가시프로펠러샤프트의조립품, 각부품에대한유한요소해석을수행하였다. 가장큰응력값은스파이더부품에서발생하였으며요크샤프트, 센터요크부품순으로큰응력값이발생하였다. Fig. 6은프로펠러샤프트 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 4, 2017 417
Hongju Moon Kijoong Sim Kyuchun Cho Gyoojae Choi Seungkee Koh Youngchoon Lee Table 2 Maximum stress of the propeller shaft parts torque 225 Kgf m (a) Propeller shaft ass y Name Yield strength (MPa) Max stress (MPa) S.F. Flange yoke 1 490 137 3.6 Spider1 870 673 1.3 Yoke shaft 834 465 1.8 Cover_spline 480 147 3.3 Tube 350 178 2 Tube yoke 490 239 2.1 Spider2 870 765 1.1 Center yoke 480 282 1.7 Spider3 870 715 1.2 Flange yoke 1 490 204 2.4 (b) Spider 2 (765 MPa) (c) Yoke shaft (465 MPa) (d) Center yoke (282 MPa) Fig. 6 Analysis results of the propeller shaft 및큰응력값을갖는부품의해석결과를보여주고있다. 프로펠러샤프트의각구성부품에발생하는최대응력과안전계수 ( 항복강도 / 최대응력 ) 를 Table 2 에정리하였다. 부품별최대응력과취약지점을검토한결과 Spider 2 제품에서최대응력이 765 MPa이발생하였으며항복강도에대한안전계수는 1.1로계산되어가장취약한부품으로설계시충분히고려해야함을알수있었다. 부품별안전계수검토시각 Spider 2, 3, 1 부품, Center yoke, Yoke shaft 순으로제품의취약지점들이나타났다. Fig. 7(a), (b) 는 Spider 1, 2, 3, Yoke shaft, Center yoke 부품에대한적용토크별최대응력과안전계수의변화를보여주고있으며토크의증가에따라최대응력은동일한경향으로증가하고안전계수는감소하고있음을알수있었다. Spider 2, 3 부품은 275 Kgf m 토크인가시최대응력이 935 MPa, 874 MPa로항복강도를넘는응력이발생하였으며, Spier 1부품은토크 300 Kgf m 인가시최대응력 897 MPa 로 1미만의안전계수가도출되었다. 그외부품에서는최대적용토크 325 Kgf m까지제품의적용항복강도보다큰값으로충분한강도를갖는것으로나타났다. 이에설계된프로펠러샤프트에서도 CAE 해석을통해 Spider 부품이차량적용사양에대한중요설계변수임을확인할수있었다. 418 한국자동차공학회논문집제 25 권제 4 호, 2017
A Study on the Structural Strength Improvement of the Propeller Shaft Using Medium Duty Commercial Vehicle Fig. 8 Experimental equipment and set up (a) Stress of the weak parts according to torque (a) Strain gauge positions of the spider 2, 3 (b) Safety factor of the weak parts according to torque Fig. 7 Analysis results of the weak parts according to torque 2.5 해석신뢰도검증시험프로펠러샤프트의구조해석에대한신뢰성을검증을위해제품에해석조건과동일한회전토크를인가하여시험을수행하였으며, 해석시큰응력이도출되는 Spider 2 및 3 부품에서의 Strain을측정하여해석결과와비교하였다. 시험장비는 MTS사의 215.45C 로터리액추에이터 (Rotary actuator) 를사용하였다. 신뢰성검증시험은트랜스퍼케이스와결합되는 Flange yoke 2 부품을고정지그로구속하였으며, 변속기로동력을전달받는 Flang yoke 1 부품에개발제품의요구회전동력인 225 Kgf m 토크값을 1초에 1 속도로 8.5 까지회전하였다. Fig. 8은해석신뢰성을위한시험 Set-up 사진이며, Fig. 9(a), (b) 은시험전 Strain gage 부착위치와해석시측정위치를나타낸것이다. Fig. 10은구조해석결과로부터얻어진측정위치에서스트레인값 (FEM) 과신뢰성시험에서측정된스트레인값 (Test) 을보여주고있다. 신뢰성시험및 (b) Strain gauge installation Fig. 9 Measurement points of strain gage in test Fig. 10 Strain results to 4 points of spider 해석결과모두 Spider 2(point 3, 4) 부품이상대적으로 Spider 3(point 1, 2) 부품보다큰스트레인값이나타났으며, 최대 12 % 오차범위이내의유사한결과를얻었다. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 4, 2017 419
문홍주 심기중 조규춘 최규재 고승기 이영춘 2.6 프로펠러샤프트부품 (Spider) 설계개선 Spider 제품에대한안정성및강도향상을위하여초기설계모델을기준으로구조해석시부품의가장취약지점의형상을고려하였다. 고려된 Spider의형상지점은그림 Fig. 11의굴곡진 R 부분을검토하였으며, 기준모델의 3 mm에서 5 mm, 6 mm로 R값을확대하여응력변화를확인하였다. 또한, 이에따라 D 지점의설계치수를기준모델 5.12 mm에서 4.06 mm, 2.07 mm 변경하여 Spider 부품을설계하였다. (a) Stress of the spider according to torque Fig. 11 Design change of the spider (b) Safety factor of the spider according to torque Fig. 13 Analysis results of the changed spider according to torque (a) Stress of the spider 5 mm (b) Stress of the spider 6 mm Fig. 12 Analysis results of the changed spider according to 225 Kgf m 각 R 값을 5 mm, 6 mm로변경한 Spider 개선모델에대한최대응력을알아보기위하여변경된 Spider 모델을적용하여앞선해석조건을기준으로구조해석을수행하였다. Fig. 12는개선된 Spider 5 mm, 6 mm 설계모델을프로펠러샤프트조립품에적용하여구동토크 225 Kgf m 인가시의해석결과이며, Fig. 13은각적용토크에따른개선된 Spider 2 부품의최대응력및안전계수를나타낸것이다. 구조해석결과 Spider의 R 값이 3 mm 일경우 275 Kgf m 토크에서최대응력이 935 MPa, 5 mm는 300 Kgf m, 6 mm는 325 Kgf m 토크인가시최대응력 900 MPa, 914 MPa로적용재질의항복강도 (870 Mpa) 이상의값이도출되기시작하였으며, 각 Spider 별로명시된회전토크이하에서는 1이상의안전계수가도출되었다. 이에최종적으로 R 부분이 3 mm 에서 6 mm로설계변경시약 20 % (50 Kgf m) 의프로펠러샤프트의강도향상이가능함을알수있었다. 420 한국자동차공학회논문집제 25 권제 4 호, 2017
중형상용차용프로펠러샤프트의구조강도개선에관한연구 3. 결론본연구에서는 3.5 Ton 프로펠러샤프트의취약부품에대한강도향상을위하여유한요소방법을통하여제품의취약부를검토하고신뢰성시험을통해검증하였다. 검증된해석조건을바탕으로취약부인 Spider의설계현상을개선하는연구는통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 제품의토크별유한요소해석을통해 Spider 2, 3, 1, Center yoke, Yoke shaft 순으로제품의취약부품을도출하였으며, 이중설계된프로펠러샤프트에서 Spider 부분이차량적용사양에대한중요설계변수임을확인하였다. 2) 해석에대한신뢰성을검증하기위하여 225 Kgf m 토크인가시개발제품의가장취약부인 Spider 2, 3 부품에서 Strain을측정하여해석결과와비교를통해 Spider 2(point 3,4) 부품이상대적으로 Spider 3(point 1,2) 부품보다큰경향성확인과최대 12 % 오차범위이내의유사한결과를얻었다. 3) 검증된해석조건을통해개발제품의가장취약부인 Spider 부품의형상을 (R: 5 mm, 6 mm) 개선하였으며, 최종적으로 R 부분이 3 mm에서 6 mm 로설계변경시약 20 %(50 Kgf m) 의강도향상이가능함을알수있었다. 4) 본연구의결과는프로펠러샤프트주요부품의설계형상개선및강도향상등과같은연구에도움을줄수있을것으로기대된다. 후기본연구는산업통상자원부와한국산업기술진흥원이지원하는경제협력권산업육성사업으로수행된연구결과입니다 (R0002889). References 1) H. J. Lee, M. M. Kang, B. Y. Lee, G. H. Sug and J. Y. Kim, Bottom Pot Hole Shape Improvement and Structural Analysis of a Universal Joint Yoke for a Propeller Shaft, KSAE Spring Conference Proceedings, pp.37-45, 2010. 2) H. S. Song, D. H. Jung, Y. K. Seo and W. S. Jung, Durability Assessment and Design Modification of a Propeller Shaft of an Automotive, KSAE Spring Conference Proceedings, pp.846-849, 2011. 3) D. S. Han, S. H. Lee and G. J. Han, Strength Evaluation of a Propeller Shaft According to the Cross Angle, KSPE Conference Proceedings, pp.237-238, 2008. 4) D. S. Kim, H. E. Kim, S. H. Yoon and E. S. Kang, Lifetime Estimation of an Axle Drive Shaft by Calibrated Accelerated Life Test Method, KSME-A, Vol.34, No.3, pp.273-281, 2010. 5) E. Avrigean, A. M. Pascu and V. S. Oleksik, Study of the Cardan Cross Using the Experimental and Analytical Method, Procedia Engineering, Vol.100, pp.499-504, 2015. 6) B. K. Oh, Strength Analysis of Cross Groove Type Constant Velocity Joint Cage for Propeller Shaft, Transactions of KSAE, Vol.16, No.2, pp.74-79, 2008. 7) S. S. Kweon, K. W. Seo and H. S. An, Improve ment of NVH Performance for Premium Passenger Car Propeller Shaft, KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1345-1349, 2010. 8) E. O. Choi, B. M. Ahn, D. P. Hong and T. J. Chung, A Study on the Design of Propeller Shaft for Reduction of Torsional Vibration, Transactions of KSAE, Vol.7, No.7, pp.221-228, 1999. Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 25, No. 4, 2017 421