Structural Strength Analysis of ATV Knuckle

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ATV 너클의 구조강도 해석

한 문 식¹⁾․조 재 웅^*2)

계명대학교 기계자동차공학과¹⁾․공주대학교 기계자동차공학부²⁾

Structural Strength Analysis of ATV Knuckle

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 16 July 2012 / Revised 2 August 2012 / Accepted 10 August 2012)

Abstract : This study analyzes structural analysis with fatigue and natural frequency on ATV knuckle. The maximum equivalent stresses are happened at the end of knuckle in case of model 1, 2 and 3. As these stresses are below the allowable stress, these models can be stable structurally. The fatigue damage possibility at model 1 becomes more than model 2 and 3. Model 2 or 3 has more durability than model 1 at fatigue. As the resonances are happened at the frequency more than 2000 Hz in case of model 1, 2 and 3, there is no resonance possibilities at real driving. Prevention against damage and durability prediction on automotive chassis parts can be effectively improved by applying this study result on knuckle and improving structural strength.

Key words : ATV knuckle(ATV 너클), Fatigue damage(피로 손상), Resonance(공진), Frequency(진동수), Durability(내구성), Structural strength(구조 강도)

1. 서 론¹⁾

일반적으로 강도상에 있어서 충분한 허용응력으 로 설계된 기계라 할지라도 의외로 항복응력보다 훨씬 낮은 응력 하에서도 파괴가 잘 일어나기도 한 다. 따라서 이를 규명하기 위해서 여러 가지 연구가 광범위하게 이루어져 왔으며 피로나 충돌 파괴를 이용한 여러 가지 연구가 발표되고 있다. 대부분의 피로 파괴는 불규칙적으로 일어나고 있어 이론 해 석에 의하지 않고서는 그 예측이 불가능한 실정이 다. 사륜오토바이의 섀시 부품 중 너클은 주행 중 노 면으로부터 받은 충격이나 진동을 암으로 전달하여 주행 중 얼라이먼트가 틀어지는 것을 방지하여 직 진성을 향상시키도록 설계하고 있다.^1-4)

본 연구에서는 정확하고 효율적인 해석 결과를

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

얻어 낼 수 있고 피로 및 진동의 해석 결과들에 대하 여 수렴성이 좋은 Ansys 프로그램을 사용하였다. 또 한 이러한 ATV(All-terrain vehicle) 너클이 피로 하중 에 의한 변형을 받는 경우와 안전성과 수명 관계를 해석하였고 진동에 대한 구조해석을 하였다. 그 연 구 내용으로서는 피로를 받는 ATV 너클의 모든 부 분에 대하여 그 수명과 손상들을 예측 하고 고유진 동의 영향을 해석할 수 있었다. 이러한 본 연구 결과 를 종합하여 자동차의 섀시 부품에 응용한다면, 파 손 방지 및 그 내구성을 예측하여 구조 강도를 개선 하는 데에 그 활용성이 클 것으로 사료된다.⁵⁾

2. 모델 및 해석 2.1 연구 모델

본 연구 모델은 Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3과 같이 같은 용도의 3가지 모델은 몸체, 축 으로 구성되어 있다.

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한문식․조재웅

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 1 Configurations of model 1, 2 and 3

위 3가지 모델들은 ATV라 불리는 125cc 오토바이 용이며, 4륜 오토바이의 앞바퀴 쪽에 들어가는 부품 으로 오른쪽에 들어가는 것을 모델링하였다. Table 1 과 같이 몸체는 알루미늄 재질이고, 축은 구조용 강 이다. 각 모델의 차이점은 암이 결합되는 부분의 각 이 다르고 타이로드가 연결되는 부분의 높이가 달라 차량에 결합 시 얼라이먼트의 차이가 있다.

Table 1 Material properties

Material Structural steel Aluminum alloy Young's modulus (MPa) 200,000 71,000

Poisson's ratio 0.3 0.33

Density (kg/m³) 7850 2770

Tensile yield strength

(MPa) 250 280

Compressive yield strength

(MPa) 250 280

Tensile ultimate strength

(MPa) 460 310

2.2 모델의 구속조건

Model 1, 2 및 3의 구속조건들은 Fig. 2와 같이 ATV 너클과 암, 타이로드가 연결되는 부분들을 각 각 고정시키고, Fig. 3과 같이 ATV 너클의 축 부분에 실제 차량에 작용될 수 있는 500N의 하중을 횡 방향 으로 각각 가하였다.

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3

Fig. 2 Conditions of fixed supports at model 1, 2 and 3

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ATV 너클의 구조강도 해석

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3

Fig. 3 Conditions of forces at model 1, 2 and 3

2.3 구조 및 피로 해석

Fig. 4(a)는 Model 1에서 ATV 너클이 받는 응력을 나타낸 그림이다. 축의 끝부분에서 26.893MPa로 등 가 응력이 가장 높게 나타났다. 또한 Fig. 4(b)는 변 형량을 나타내는 그림으로 0.070249mm로 가장 큰 변형이 일어났다. 차례로 Model 2에서는 Fig. 5(a) 및 5(b)와 같이 42.949MPa 및 0.1064013mm의 최대의 등가응력 및 변형이 일어나고, Model 3에서는 Fig.

6(a) 및 6(b)와 같이 27.019MPa 및 0.040503mm의 최 대의 등가응력 및 변형이 일어났다.

(a) Contour of equivalent stress

(b) Contour of total deformation

Fig. 4 Contours of equivalent stress and total deformation at model 1

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Moonsik Han․Jaeung Cho

위 해석에 의하면 ATV 너클의 축의 끝부분에서 응력이 가장 크게 걸렸다. Model 1과 3는 각각 최대 응력이 26.893, 27.019MPa로 가장 적게 발생하였고, Model 2에서 42.949MPa로 최대 응력이 가장 크게 발생하였다. 또, 최대의 전변형량은 Model 1, 2 및 3 공히 0.1mm로서 나타났다. 비교적 다른 모델들에 비하여 Model 2가 가장 응력을 가장 많이 받는 구조 로 되어 있으나 허용 응력 이내에 충분히 들어 있어 구조적으로 안전하다고 판단된다.

피로를 받는 ATV 너클의 모든 부분에 대하여 그 수명과 손상들을 예측 할 수 있고, 하중 변화에 따른 피로 수명의 영향을 해석 할 수 있었다. 피로해석을 할 때의 모델의 경계조건은 Fig. 2와 Fig. 3과 같은 구 조해석 구속 조건으로서 설정하여준다. 피로해석에 서는 Fig. 7에서와 같이 피로 해석에 적용한 불규칙 변동 피로 하중에 대한 형태를 보이고 있다.⁶⁾ 세로 축은 평균하중에 대한 적용 배율에 대한 내역으로 서 SAE bracket history이고 각각 582~-990까지의 적 용 범위를 보이고 있다.

Fig. 7 Fatigue loading history

Fig. 8은 본 연구의 모델들에 대하여 Life와 Damage를 나타낸 그림으로서 사용 가능 수명에 대 한 등고선 그림과 설계 수명을 사용 가능 수명으로 나눈 등고선으로 된 피로 손상으로 되어 있다. 세 가

(a) Model 1

(b) Model 2

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Structural Strength Analysis of ATV Knuckle

(c) Model 3 Fig. 8 Fatigue life and damage at model 1,2,3

지 모델들 공히, 최대 수명 및 최대 손상이 3.3693×

10⁵이고 10³²로 되어 있으나 Model 1의 손상 가능성 이 Model 2나 3보다 훨씬 많음을 알 수 있다. 이 모델 들에서 0으로 나타낸 빨간색 부분은 수명이 0으로 서 이미 손상이 된 부분을 가리킨다.

2.4 고유진동해석

ATV 너클의 고유진동수를 구하기 위해 진동 해 석을 수행하였다. Fig. 9, 10 및 11은 Model 1, 2 및 3에 대한 각 모드에서의 6가지 진동해석에 따른 결과 값 을 나타낸 그림들이다. Model 1은 모드 1에서 1490Hz의 값을 가지고 모드 5까지 점차 상승하다가 모드 6에서 7338.1Hz로 가장 높은 진동수를 갖는다.

Model 2는 모드 1 및 2가 서로 2300Hz로 비슷한 값을 가지다가 모드 3부터 급격히 상승하여 6000Hz이상 의 진동수를 갖고, 모드 6에서 7594.7Hz로 가장 높은 진동수를 갖는다. Model 3은 Model 2와 마찬가지로 모드 1 및 2에서 2400Hz의 진동수를 가지고 있으나, 모드 3부터 5000Hz이상의 진동수를 갖게 되고, 모드 6에서 7684.3Hz으로 가장 높은 진동수를 갖는다. 온 로드 차량의 조향장치에서는 실제로 가혹한 조건이 라도 통상 26Hz 진동수 이상으로는 공진이 일어나

(a) Mode 1

(b) Mode 2

(c) Mode 3

(d) Mode 4

(6)

한문식․조재웅

(e) Mode 5

(f) Mode 6

Fig. 9 Total deformations at natural frequencies on mode 1, 2, 3, 4, 5 and 6 in case of model 1

(a) Mode 1

(b) Mode 2

(c) Mode 3

(d) Mode 4

(e) Mode 5

(f) Mode 6

(7)

ATV 너클의 구조강도 해석

(a) Mode 1

(b) Mode 2

(c) Mode 3

(d) Mode 4

(e) Mode 5

(f) Mode 6

지 않는 것으로 사료된다. 본 연구에서 모델링한 오 프로드용 ATV 너클은 이보다 훨씬 큰 2000Hz에서 공진이 일어날 가능성이 없기 때문에 실제 주행 중 에는 공진이 발생할 경우는 없다고 사료된다.⁵⁾ 따라 서 본 연구 결과를 자동차의 섀시 부품에 응용한다 면, 피로 파손 방지 및 그 내구성을 예측할 수 있다.

3. 결 론

본 연구에서는 ATV 너클에 대하여 실제 차량에 작용될 수 있는 하중을 가하여 피로 및 진동에 대한 구조 해석을 하였다. 이러한 해석 결과들을 도출하 여 얻은 주요 결론들은 다음과 같다.

1) Model 2에서 42.949MPa로 ATV 너클의 축의 끝 부분에서 최대 응력이 가장 크게 발생하여 Model 2가 가장 응력을 가장 많이 받는 구조로 되어 있으나 Model 1, 2 및 3 경우들 공히, 허용 응 력이내에 충분히 들어 있어 구조적으로는 안전

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Moonsik Han․Jaeung Cho

하다고 판단된다.

2) 피로에서는 Model 1의 손상 가능성이 Model 2나 3보다 훨씬 많음을 알 수 있다. Model 2나 3가 Model 1보다 내구성이 더 좋다고 사료된다.

3) Model 1, 2 및 3에서는 2000Hz 보다 클 때 공진이 일어날 가능성이 크다. 실제 주행 중에는 3가지 모델 다 공진이 발생할 경우는 없다고 판단된다.

4) 본 연구 결과를 자동차의 섀시 부품에 응용한다 면, 파손 방지 및 그 내구성을 예측하여 구조 강도 를 개선하는데 그 활용성이 클 것으로 사료된다.

References

1) Y. C. Ji, N. I. Jeon, W. J. Seo, M. S. Doo and I.

S. Chung, “The Structural Analysis on the Damper Spring Module of McPherson Suspen- sion,” Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.691-696, 2004.

2) J. H. Park, J. S. Lee and W. K. Baek, “Optimal Design of A MacPherson Strut Suspension with A Carrier,” Autumn Conference Proceedings, KSAE, pp.861-865, 2006.

3) J. H. Seong, K. W. Lee, G. B. Park, H. J. Yang and K. J. Woo, “Study on Sway and Dynamic Characteristics of a Railway Vehicle,” Autumn Conference Proceedigns, KSR, pp.1770-1775, 2008.

4) D. W. Park, D. S. An and S. A. Kwon, “Effect of Surface Profiles on Pavement Fatigue Life,”

Journal of the KSRE, Vol.11, No.2, pp.167- 174, 2009.

5) J. U. Cho, O. B. Kwon and M. S. Han, “Struc- tural Strength Analysis of Automotive Suspen- sion,” Transactions of KSMTE, Vol.19, No.1, pp.89-93, 2010.

6) J. Swanson, Ansys 12.0, Ansys Inc., USA, 2009.