Structural Strength Analysis on Recliner Case of Automotive Seat

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자동차 시트의 리크라이너 케이스에 대한 구조 강도 해석

한 문 식¹⁾․조 재 웅^*2)

계명대학교 기계자동차공학과¹⁾․공주대학교 기계자동차공학부²⁾

Structural Strength Analysis on Recliner Case of Automotive Seat

Moonsik Han¹⁾․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 30 July 2013 / Revised 4 October 2013 / Accepted 7 October 2013)

Abstract : Recliner of automotive seat has the function to control the angle and has a close relation to the safety of seat.

Therefore each of parts constituting recliner is important and recliner case to protect these parts from various dynamic loads is also important. As two kinds of recliner cases are designed and analyzed before manufacturing these products, this study result can be contributed to the strength durability.

Key words : Automotive seat(자동차 시트), Recliner case(리크라이너 케이스), Structural strength analysis(구조 강 도 해석), Fatigue analysis(피로 해석), Natural frequency analysis(고유 진동 해석)

1. 서 론¹⁾

오늘날의 자동차 시트는 승객과 항상 같이 움직이 며 호흡할 수 있는 제품으로 그 역할과 기능에 있어 서 다양한 기능 및 성능이 요구된다. 자동차 시트는 단순히 인체를 지지하는 것에 그치지 않고 안전성, 안락성, 편리성, 디자인 등이 종합적으로 고려된 것 으로 일반 좌석과는 다르게 인간공학과 감성공항이 깊게 반영되고 있으며, 안락성 측면에서 장시간 탑 승 시 피로가 적고 쾌적성을 유지하는 것이 중요하 다.^1,2) 또한 자동차 시트는 쿠션 부와 철제 구조물로 이루어지며, 철제 구조물은 다시 백 프레임, 리크라 이너, 시트 트랙으로 나누어진다. 이 중 리크라이너 는 시트 등받이의 각도를 조절하는 기능을 가지며, 시트 트랙과 백 프레임을 연결하는 역할 때문에 시트 의 안전성과 밀접한 영향이 있다.^3-5) 이에 따라 리크 라이너를 구성하는 각 부품들은 매우 중요하다고 할

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

수 있으며, 이러한 부품들을 자동차의 주행 중에 발 생하는 각종 충격들로부터 보호할 수 있는 리크라이 너 케이스 역시 중요하다고 할 수 있겠다. 본 연구에 서는 두 가지 유형의 리크라이너 케이스를 CATIA 프로그램을 사용하여 3D 모델링하였으며, 이를 유 한요소 해석 프로그램을 사용하여 피로 및 진동해석 을 수행하였다. 시뮬레이션 해석에서는 ANSYS 프 로그램을 사용하였고 형상이 다른 Model 1과 2를 서 로 비교하여 제품의 강도 내구성을 검토 하였다. 이 를 통해서, 자동차의 주행 중에 리크라이너의 케이 스에 일어나는 진동이나 피로현상에 대해 연구하였 으며, 제품을 제작하기 전에 두 가지 유형의 리크라 이너 케이스들을 설계 및 해석함으로서 제품의 강도 내구성 향상에 기여할 수 있다고 사료된다.^6,7)

2. 연구 모델 및 경계조건 2.1 연구모델

본 연구에서는 두 가지 유형의 리크라이너 케이

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(a) Model 1 (b) Model 2 Fig. 1 Analysis models

스를 3D 모델링하였다. 3D 설계된 리크라이너 케이 스의 모습은 Fig. 1과 같다. Model 1은 등받이 시트 가 한 칸 올라감에 따라 머리 받침대도 올라가 등받 이 각도가 잘 조절될 수 있는 장점이 있으나 트렁크 사이즈가 줄어드는 반면에 Model 2는 단순한 모델 로서 승차 공간을 활용할 수 있다.

본 연구 모델에서의 Mesh는 Hex dominant Method 를 이용하여 6면체의 요소로 분할하였으며, 절점과 요소수는 Table 1과 같다.

Table 1 Numbers of nodes and elements of model 1 and 2

Model 1 Model 2

Nodes 6994 3731

Elements 3506 1716

본 연구에서는 리크라이너 케이스의 재질을 구조 용강으로 설정하여 해석을 수행하였으며, 해석에 사용된 재질의 물성치는 Table 2와 같다.

Table 2 Material property of model

Item Value

Young's modulus (MPa) 200000

Poisson's ratio 0.3

Density (g/cc) 7.85

Tensile yield strength (MPa) 250 Tensile ultimate strength (MPa) 460

2.2 구속조건

재료의 특성은 동일 재료로 Table 2에 나타내었 다. 리크라이너 케이스의 피로를 해석하기 위한 피 로해석의 구속조건은 Fig. 3에 나타내었다. 차량이 주행 중에 급가속 때 사람으로부터 충격을 받는다 는 가정을 하여, 모델에 작용하는 하중을 계산하면 다음과 같다. 운행 중 자동차의 가속도(^)는 2m/s²로

(a) Model 1 (b) Model 2 Fig. 2 Constraint conditions

가정하고, 운전자의 질량()을 50kg으로 하고 리크 라이너의 길이 은 50mm로 하여 모멘트를 계산하 였으며 이렇게 얻어진 모멘트를 쉽게 조정하여, 극 한의 상황에서 사람으로부터 시트가 받게 되는 집 중하중( )으로 인한 모멘트( )는 5000 N･mm로 아래와 같은 식으로 계산되었다.

  ×    × ^

 ^ 

(1)

×   × 

 ⋅

(2)

이러한 하중 조건으로서 어셈블리에 작용할 때의 구조해석과 피로 및 고유 진동해석을 하였다. 모델 의 구속조건으로서는 Fig. 2와 같이 리크라이너 케 이스 밑의 구멍을 고정 지지대처럼 고정시키고, 리 크라이너의 윗구멍에 힘을 Z+방향으로 실제 차량 에 작용될 수 있는 5000 N･mm의 평균 하중모멘트를 가하였다.

3. 해석 및 결과 3.1 구조 해석

Fig. 3은 Fig. 2에서와 같은 구속 조건을 주어 리크 라이너 케이스가 받는 응력을 해석하여 나타낸 그 림이다. 리크라이너 케이스의 밑부분에서 Model 1 과 Model 2가 각각 242.65MPa과 126.61MPa로 최대 등가 응력이 가장 높게 나타났다. 또한 Fig. 4는 변형 량을 나타내는 그림으로 리크라이너 케이스의 윗부 분에서 각각 1.6453mm와 0.6778mm로 가장 큰 변형 이 일어났다. Model 1의 변형량이 Model 2의 변형량 보다 더 크기 때문에 Model 2의 구조강도가 Model 1 보다 더 양호하다고 볼 수 있다.

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Moonsik Han․Jaeung Cho

(a) Model 1 (b) Model 2 Fig. 3 Contours of equivalent stresses

(a) Model 1 (b) Model 2 Fig. 4 Contours of total deformations

3.2 피로 해석

Fig. 5는 불규칙 진폭 피로 하중조건들의 종류들 을 나타낸 그림들로서 SAE bracket history, SAE transmission 및 Sample history의 경우를 나타내고 있 다. 두 모델의 구속 조건은 Fig. 2와 같으며, 시트 리 크라이너가 받는 피로 하중에 의한 피로수명과 파 손에 대해서 해석하였다. 1 사이클 경과에 대한 응 력 진폭과 일정한 평균 응력의 내역을 나타낸다. 횡 축은 1사이클에 대한 것이고, 종축은 평균응력에 대 한 배율로서 불규칙적인 진폭으로 나타나는 응력들 을 선도로 나타낸 것이다. 그림에서도 볼 수 있는 바 와 같이 ‘SAE bracket history’의 경우는 아주 가혹한 산악 지형에서 적용할 수 있는 피로 하중조건이고 그 다음으로 ‘SAE transmission’의 경우는 대체로 비 포장도로의 경우로 적용할 수 있다. 그리고 아스팔 트로 잘 포장된 도로의 경우는 ‘Sample history’를 적 용할 수 있다.^7,8) 일반 운전자는 통상적으로 아스팔 트로 된 도로를 주로 운전하고 때때로 비포장도로 를 운전할 때와 극한 상황에서 가혹한 산악지형을 운전하는 경우도 있기 때문에 그러한 경우들을 비 교하였다. 따라서 이러한 경우를 고려하여 리크라 이너를 차량 부품 설계에 적용할 필요가 있다. 피로

(a) SAE bracket history

(b) SAE transmission

(c) Sample history Fig. 5 Load histories at nonuniform fatigue

에 대한 해석 결과의 출력들은 피로 수명, 파손을 포 함하고 있다. 각각의 출력들은 불규칙 진폭하중들 인 ‘SAE bracket history’, ‘SAE transmission’, ‘Sample history’의 하중들로서 서로 비교될 수 있다. 본 연구 의 모델에 대하여 사용 가능 수명에 대한 등고선 그 림들이 Fig. 6에 나타나 있다. 이 결과는 모델 전체에 걸쳐서 계산 될 수 있는데 불규칙 진폭 하중으로 본 모델에 작용됨으로써 이 결과의 등고선 그림들은 주어진 피로 분석에 대하여 사용 가능한 수명을 보 여 주고 있다. 두 모델 모두 같은 피로 하중을 받고 있고 ‘SAE bracket history’, ‘SAE transmission’ 및

‘Sample history’를 받은 경우들에서의 피로 수명의 등고선을 나타내었다. 해석결과 두 모델 모두 같은 양상을 나타내고 있고, 그림들에서 볼 수 있듯이 하 중의 변화가 극심한 ‘SAE bracket history’가 그 최대 수명이 3.3693×10⁵Cycle로 그 수명이 가장 작음을 알 수 있고 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우가 그 수명이 2×10⁷Cycle 정도로 가장 긴 것을 알 수 있었다. 두 모델 모두 ‘Sample history’의 경우 는 피로 수명은 ‘SAE bracket history’의 경우보다 약 60배 정도 수명이 길고 ‘SAE transmission’의 경우는

‘SAE bracket history’의 경우보다 3.5배 정도 수명이 길어짐을 알 수 있었으며. Fig. 7에서 볼 수 있는 바 와 같이, 등고선으로 된 피로 손상은 설계 수명을 사 용 가능 수명으로 나눈 것으로 피로 손상이 아주 적

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Structural Strength Analysis on Recliner Case of Automotive Seat

(a) Model 1

(b) Model 2 Fig. 6 Contour plots of fatigue

(a) Model 1

(b) Model 2 Fig. 7 Contour plots of fatigue damages

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한문식․조재웅

(a) Model 1

(b) Model 2 Fig. 8 Contours of displacements at natural frequencies of model 1

은 상태의 부분으로서, 3가지 경우들을 모두 비교할 수 있다. Fig. 7에서 보면 두 모델 모두 하중의 변화가 극심한 ‘SAE bracket history’에서 손상이 2968로 가장 많은 것을 볼 수가 있고 하중의 변화가 완만한

‘Sample history’의 경우는 그 손상이 50정도로 가장 적은 것을 알 수 있었다. 따라서 불규칙 피로 하중들 중에서는 하중의 변화가 극심한 ‘SAE bracket history’

의 경우가 대체적으로 가장 안정한 경향을 보이고 있 고, 비교적 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우가 가장 안정함을 보이고 있다. 피로 수명에서 값으로 제시한 2968은 1사이클에 하중을 가하는 횟 수들을 의미한다. 두 가지 형태의 리크라이너의 경우 를 비교하면, 두 모델의 파손은 거의 비슷하지만 Model 1의 파손이 Model 2보다 더 큰 것으로 보인다.

3.3 고유 진동수 해석

리크라이너 케이스의 고유진동수를 구하기 위해 Fig. 2에서 고정 조건만을 부여하여 해석을 수행하

였다. 1차부터 6차까지의 고유진동들에 대한 해석 결과를 Fig. 8과 Fig. 9에서 확인할 수 있다. Model 1 의 5차 모드에서의 최대 전변형량은 2561mm이고 Model 2의 4차 모드에서의 전변형량은 573mm로서 최대의 변형량을 보이고 있다. Model 1의 5차와 Model 2의 4차 모드에서의 그 위험 진동에 의한 영 향이 가장 클 것으로 예측할 수 있다. 변형이 쉬우며 공진이 일어날 가능성이 큰 것으로 보이는 Model 1 의 5차 모드의 진동수는 3698.8Hz이고 Model 2의 4 차 모드의 진동수는 2184.2Hz이다.

이러한 상태에서는 차체에 부착한 상태로 되어 있으나 차체에서는 실제로 가혹한 조건이라도 통상 이러한 진동수들 이상으로는 공진이 일어나지 않는 것으로 사료되어 이러한 리크라이너 설계의 내구성 검증에 유효하다고 사료된다. 따라서 본 연구 결과 를 자동차의 차체 부품인 리크라이너 설계에 응용 한다면, 피로 파손 방지 및 그 내구성을 예측하여 방 지 할 수 있다고 보인다.

(6)

(a) Model 1

(b) Model 2 Fig. 9 Contours of displacements at natural frequencies of model 2

4. 결 론

본 연구에서는 불규칙한 피로 하중을 받는 리크 라이너 케이스의 피로 수명과 그 손상 및 고유진동 수를 해석 할 수 있었다. 이러한 결과들을 이용하여 얻은 주요한 결론은 다음과 같다.

1) 구조해석 결과 최대 등가응력은 Model 1이 242.65MPa, Model 2는 126.61MPa로 나타났으며 전변형량은 Model 1이 1.6453mm, Model 2가 0.67779mm로 나타났다. Model 2의 구조강도가 Model 1보다 더 양호하다고 볼 수 있다.

2) 피로해석의 결과 두 모델 모두 하중의 변화가 극 심한 ‘SAE bracket history’에서 그 최대 수명이 3.3693×10⁵Cycle로 그 수명이 가장 작음을 알 수 있고 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경 우가 그 수명이 2×10⁷Cycle 정도로 가장 긴 것을 알 수 있었다. 두 모델 모두 ‘Sample history’의 경 우 피로 수명은 ‘SAE bracket history’의 경우보다 약 60배 정도 수명이 길고 ‘SAE transmission’의 경우 ‘SAE bracket history’의 경우보다 3.5배 정

도 수명이 길어짐을 알 수 있었다.

3) Modal analysis에서의 경우 Model 1의 최대 전변 형량은 5차 모드에서의 2561mm였고, 이때의 고 유 진동수는 3698.8Hz, Model 2의 최대 전변형량 은 4차 모드에서의 573mm였고, 고유 진동수는 2184.2Hz였다. 두 가지 모델들에 대한 해석 결과 에서 보면 실제상으로는 차량이 이러한 위험 진 동수들보다 낮은 진동수로 운행되기에 그 내구 성에 있어 양호함을 검증할 수 있었다.

후 기

본 연구는 지식경제부 지정 공주대학교 자동차 의장 및 편의부품 지역혁신센터의 지원에 의한 것 입니다.

References

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Moonsik Han․Jaeung Cho

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