Study on Structural Safety Analysis of Upper Arm

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어퍼암의 구조적 안전성 해석에 대한 연구

조 재 웅¹⁾․한 문 식^*2)

공주대학교 기계자동차공학부¹⁾․계명대학교 기계자동차공학과²⁾

Study on Structural Safety Analysis of Upper Arm

Jaeung Cho¹⁾․Moonsik Han^*2)

1)Department of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University, Chungnam 330-717, Korea

2)Department of Mechanical & Automotive Engineering, Keimyung University, Daegu 704-701, Korea (Received 31 August 2012 / Revised 21 September 2012 / Accepted 9 October 2012)

Abstract : This study analyzes upper arm as the part of suspension through the structural analyses of fatigue. Maximum displacement is shown at the knuckle joint connected with the bracket of automotive body. Among the cases of nonuniform fatigue loads, ‘SAE bracket history’ with the severest change of load becomes most unstable but ‘Sample history’ becomes most stable. Maximum life at ‘Sample history’ or ‘SAE transmission’ can be shown with 60 or 3.5 times more than ‘SAE bracket history’ respectively. In case of ‘Sample history’ with the average stress of -4×10

⁴

to 4×10

⁴

MPa and the amplitude stress 0 to 8×10

⁴

MPa, the possibility of maximum damage becomes 3%. This stress state can be shown with 5 or 6 times more than the damage possibility of ‘SAE Bracket history’ or ‘SAE transmission’. This study result is applied with the design of upper arm and it can be useful at predicting prevention and durability against its damage.

Key words : Upper arm(어퍼암), Von mises equivalent stress(본미세스 등가응력), Total deformation(전변형량), Nonuniform fatigue loads(불규칙 피로 하중들), Fatigue life(피로수명), Fatigue damage(피로 손상), Rainflow(레인 플로우)

1. 서 론¹⁾

20세기 후반에 접어들면서 선진 각국의 자동차 산업은 기존의 양적 생산에서 기술능력 개발 및 독 자기술 확보를 통한 질적 생산으로의 전환을 꾀하 고 있다.¹⁾ 이러한 질적 생산으로의 발전을 뒷받침하 기 위해서는 자동차의 디자인이나, 각 부품의 독자 적인 설계능력이 무엇보다도 중요하며, 이에 대한 기술 개발이 이루어질 때 경쟁력을 갖춘 자동차 산 업을 이끌어 갈 수 있다. 이러한 자동차 부품 중 승 차감이나 안전에 관련된 부분으로는 현가장치나 자 동차 전체의 구조와 섀시 등이 있으며, 승차감과 직

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

접적인 연관이 가장 큰 것이 현가장치라 할 수 있 다.^1,2) 이 현가장치 부품 중에 어퍼암은 승차감을 좋 게 하는 역할을 하지만, 어퍼암에 변형이 생기면 노 면이 고르지 못한 도로 겨울철 방지턱을 넘는데 하 체에서 삐그덕 삐그덕거리는 잡음이 들린다.

또한 어퍼암 볼의 유격이 생겨 소음이 발생하고 자동차 하체의 내구성이 떨어진다.³⁾ 본 연구에서는 시중에 운행되어지고 있는 중형자동차인 갤로퍼, 그랜져TG 및 무쏘/뉴코란도의 자동차의 현가 장치 의 부품 중 하나인 실제 어퍼암에 대하여 그 내구성 을 구조 해석을 통하여 검토하고자 하였다. 따라서 이 3가지의 어퍼암들을 CATIA를 통하여 3D 모델링 하였으며, 이를 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS

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조재웅․한문식

(a) Model 1 (a) Model 1

(b) Model 2 (b) Model 2

(c) Model 3 (c) Model 3

Fig. 1 Configurations of models Fig. 2 Meshes of models 를 이용하여 구조 및 피로해석을 수행하였다.^4,5) 이

를 통하여 시제품 제작 이전에 신뢰할 만한 시험 결 과를 예측할 수 있었고 궁극적으로 다양한 부품 설 계방안에 대한 성능 비교평가가 가능하여 최종적으 로 개발 제품의 품질 향상에 기여할 수 있다고 사료 된다.^6,7) 본 연구의 결과를 종합하여 어퍼암의 부품 설계에 응용한다면, 그 파손 방지 및 내구성을 검토 하여 그 설계에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.

2. 모델 및 해석 2.1 연구 모델

본 연구에서는 자동차의 현가장치 중 어퍼암을

모델로 삼고 너클과 연결되는 헤드부에 힘을 주었 을 때 나타나는 구조 변화를 구한다. 모델의 형상은 실제 어퍼암 형상을 참조하여 CATIA를 이용하여 모델링한 후 ANSYS를 이용하여 해석하였다.⁵⁾ Model 1, 2 및 3에 대한 3가지 모델들에 대한 해석 대 상의 형상들은 Fig. 1과 같다. 또한 Fig. 2는 이 형상 들에 대한 Mesh들이다. 이 모델은 구조용 강으로서 그 물성치는 Table 1에 나타나 있다. 그리고 각 형상 별 모델들의 절점과 요소의 개수는 Table 2와 같다.

2.2 모델의 경계조건

3가지 모델들의 경계조건은 Fig. 3과 같이 차체의

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(a) Model 1 (a) Model 1

(b) Model 2 (b) Model 2

(c) Model 3 (c) Model 3

Fig. 3 Fixed support conditions of models Fig. 4 Force conditions of models Table 1 Material property

Young's modulus (MPa) 200000

Poisson's ratio 0.3

Density (kg/mm³) 7.85×10^-6 Tensile yield strength (MPa) 250 Compressive yield strength (MPa) 250 Tensile ultimate strength (MPa) 460 Compressive ultimate strength (MPa) 0 브라켓과 설치되는 부를 고정시켰으며, Fig. 4와 같

Table 2 Nodes and elements at models

Model Nodes Elements

Model 1 6998 3317

Model 2 5175 2614

Model 3 2720 1320

이 통상 운행하는 중형 자동차의 어퍼암 너클에 고 정되어 힘을 받는 헤드 부에서 최대로 받을 수 있는 하중을 100kg으로 가정하여 1000N을 작용하였다.

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Jaeung Cho․Moonsik Han

(a) Total deformation at model 1 (b) von-Mises stress at model 1 Fig. 5 Structural analysis of model 1

2.3 구조 해석

구조해석 결과 Fig. 5, 6 및 7은 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 세가지 모델들에 대하여 등가응력과 전변형량의 등고선들을 보았다. 그림들에서 보면, Model 1은 124.03MPa의 최대의 등가응력과 0.66785mm

의 최대변형량을 보이고 Model 2는 103.66MPa의 최 대의 등가응력과 0.4122mm의 최대의 변형량을 보 이고 있으며 Model 3은 79.43MPa의 최대의 등가응 력과 0.19382mm의 최대변형량을 보이고 있음을 알 수 있다. 구조해석 결과, Model 3이 Model 1과 Model

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Study on Structural Safety Analysis of Upper Arm

(a) SAE bracket history

(b) SAE transmission

(c) Sample history Fig. 8 Load histories at nonuniform fatigue loads

2보다 덜 변형되는 것을 알 수 있다. 그리고 최고 등 가응력 역시 Model 3이 다른 형상의 모델에 비하여 가장 작은 것을 확인할 수 있으며, 3개의 모델 모두 차체에 체결되는 부위에서 최대의 등가응력이 생겨 그 강도가 약해질 수 있음을 알 수 있다. 즉 3개의 모 델 중 Model 3이 다른 모델에 비하여 더 큰 하중을

견딜 수 있을 것으로 사료된다.

2.4 피로 해석

어퍼암이 받는 피로 하중에 의한 피로수명과 파 손에 대해서 해석하였다. Fig. 8과 같이 경과되는 1 사이클에 대한 응력 진폭과 평균 응력인 피로 하중

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(a) SAE bracket history (a) SAE bracket history

(b) SAE transmission (b) SAE transmission

(c) Sample history (c) Sample history

Fig. 9 Contour plots of fatigue life of model 1 Fig. 10 Contour plots of fatigue damage of model 1 의 내역⁵⁾으로서 SAE bracket history, SAE transmis-

sion, Sample history의 하중들을 3가지 모델들에 작 용하였다. 그림에서도 볼 수 있는 바와 같이 ‘SAE bracket history’의 경우는 그림에서 볼 수 있듯이 산 간 지방에서 적용할 수 있는 피로 하중조건이고 그 다음으로 ‘SAE transmission’의 경우는 대체로 비포 장도로의 경우로 적용될 수 있다. 그리고 아스팔트 로 잘 포장된 도로의 경우는 ‘Sample history’를 적용 할 수 있다. Fig. 9부터 14는 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 세가지 모델들에 대한 피로수명 및 파손의

등고선들을 보았다. 그리고 등고선으로 된 피로 손 상은 설계 수명을 사용 가능 수명으로 나눈 것으로 정의된다. 세가지 모델들이 공통적으로 그림들에서 와 같이 SAE bracket history가 그 최대 수명이 3.3693×10⁵ Cycle로 그 수명이 가장 작음을 알 수 있 었고, 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우 가 그 수명이 2×10⁷Cycle 정도로 가장 긴 것을 알 수 있었다. 또한 ‘SAE transmission’의 경우는 1.171×10⁶ Cycle이 되었다. 이 세 가지 모델 공히, ‘Sample history’

의 경우는 최대의 피로 수명은 ‘SAE bracket history’

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Fig. 11 Contour plots of fatigue life of model 2 Fig. 12 Contour plots of fatigue damage of model 2

의 경우보다 약 60배 정도 수명이 길고, ‘SAE transmission’의 경우는 ‘SAE bracket history’의 경우보다 3.5배 정도 수명이 길어짐을 알 수 있었다. 그림들에 서와 같이 피로 손상은 최저 손상으로서 Model 1, 2

및 3 경우들을 공히 비교할 수 있다. 그림들에서 보 면 하중의 변화가 극심한 ‘SAE Bracket’의 경우가 손상이 2968로 가장 많은 것을 볼 수가 있고 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우가 그 손상이

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Fig. 13 Contour plots of fatigue life of model 3 Fig. 14 Contour plots of fatigue damage of model 3

50 정도로 가장 적은 것을 알 수 있었다. 따라서 불 규칙 피로 하중들 중에서는 하중의 변화가 극심한

‘SAE bracket history’의 경우가 대체적으로 가장 불 안정한 경향을 보이고 있고, 비교적 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우가 가장 안정함을 보 이고 있다.

Fig. 15, 17 및 19는 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의

세가지 모델들에 대하여 각각 임계 위치에 대한 Rainflow 매트릭스들에 대한 그림들이다. ‘SAE bracket history’, ‘SAE transmission’, ‘Sample history’들의 3가지 불규칙 진폭하중에 대해서만 적용된다.

그리고 그림들은 본 해석에 가해지는 하중 내역 의 구성으로서 진폭 응력과 평균 응력에 대한 그 빈 도수들로서 그려지는데, z축은 주어진 진폭 응력과

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Fig. 15 Plots of rainflow matrices of model 1 Fig. 16 Plots of damage matrices of model 1

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평균 응력에 대한 빈도수에 해당된다.

3가지 모델이 모두 공통적으로 ‘SAE bracket history’의 경우가 상대적인 손상은 평균응력이 0 부 근의 상태에서 최대의 빈도수가 80 정도로서 상대 적인 손상을 많이 일으켜 어떤 다른 경우들보다는 더 파손의 가능성이 더 일어남을 알 수 있었다. 또한

‘Sample history’의 경우는 이 상태에서 최대의 빈도 수가 5정도로서 손상을 가장 적게 일으켜 그 파손의 가능성이 가장 적음을 알 수 있었다.

Fig. 16, 18 및 20은 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 세가지 모델들에 대하여 파손에 대한 임계 위치에 서의 Damage 매트릭스들에 대한 그림들로서 불규 칙 진폭하중에 대해서만 적용되는데 10⁹사이클의 무한 수명에 대한 상대적 손상 가능성을 나타내고 있다.

그림들에서 보면 3가지 모델이 모두 공통적으로

‘Sample history’의 경우가 다소 안정된 경향을 보이 고 있으나 평균 응력이 -4×10⁴부터 4×10⁴MPa이고 응력 진폭 0부터 8×10⁴ MPa에 있어서 최대 약 3%의 손상 가능성을 보이고 있어 이 부분의 응력 상태가 파손의 가능성이 많다고 예측 할 수 있었다.

그리고 ‘Sample history’의 경우가 최대 3% 정도의 파손가능성을 보이는 ‘SAE bracket history’나 ‘SAE transmission’경우보다 5배에서 6배내지 파손의 가 능성이 큼을 알 수 있었다. 본 연구의 결과를 종합하 여 어퍼암의 부품 설계에 응용한다면, 그 파손 방지 및 내구성을 검토하여 그 설계에 유용하게 활용될 것으로 사료된다.

3. 결 론

본 연구는 자동차의 현가장치의 부품인 어퍼암의 형상에 따른 구조 및 피로 해석을 통하여 다음과 같 은 해석 결과를 보았다.

1) 구조해석 결과, 3가지 모델 모두 너클에 연결되 는 체결 부위에서 Model 1은 약 0.7mm, Model 2 는 약 0.4mm, Model 3은 약 0.2mm의 변형을 보이 고 있어 Model 3이 Model 1과 Model 2보다 덜 변 형되는 것을 알 수 있다. 3개의 모델 중 Model 3이 다른 모델에 비하여 더 큰 하중을 견딜 수 있을 것 으로 사료된다. 그리고 3가지 모델 모두 차체의

브라켓과 체결되는 부위에서 등가응력이 커져서 그 강도가 약해질 수 있음을 알 수 있었다.

2) 세 가지 모델 공히, ‘Sample history’의 경우는 최 대의 피로 수명은 ‘SAE bracket history’의 경우보 다 약 60배 정도 수명이 길고, ‘SAE transmission’

의 경우는 ‘SAE bracket history’의 경우보다 3.5 배 정도 수명이 길어짐을 알 수 있었다.

3) 세가지 모델 공히, 불규칙 피로 하중들 중에서는 하중의 변화가 극심한 ‘SAE bracket history’의 경 우가 대체적으로 가장 불안정한 경향을 보이고 있고, 비교적 하중의 변화가 완만한 ‘Sample history’의 경우가 가장 안정함을 보이고 있다. 그 리고 ‘Sample history’의 경우가 안정된 경향을 보 이고 있으나 평균 응력이 -4×10⁴부터 4×10⁴ MPa 이고, 응력 진폭 0부터 8×10⁴ MPa에 있어서 최대 약 3% 정도의 손상 가능성을 보이고 있어 이 부 분의 응력 상태가 ‘SAE bracket history’나 ‘SAE transmission’의 경우보다 5내지 6배의 파손의 가 능성이 많다고 예측할 수 있었다.

4) 본 연구의 결과를 종합하여 어퍼암의 부품 설계 에 응용한다면, 그 파손 방지 및 내구성을 검토 하여 그 설계에 유용하게 활용 될 것으로 사료 된다.

References

1) S. S. Kang and S. K. Cho, “Structural Design and Analysis for the Reinforced Frame of Vehicle,” Journal of the KSMTE, Vol.19, No.4, pp.504-510, 2010.

2) S. C. Yoon, K. S. Baik, S. T. Kwon and M. Y.

Kim, “Structure Analysis of Body Structure for Electrical Multiple Unit,” Fall Conference Pro- ceeding of KSPE, pp.20-23, 2004.

3) I. S. Sohn and J. G. Lee, “A Study of Electrical Control Kit for Damping Force of Automotive Shock Absorber,” Transactions of KSAE, Vol.16, No.3, pp.1-6, 2008.

4) J. U. Cho and M. S. Han, “Analysis of Fatigue Damage at Wheel under Variable Load,” Journal of the KSMTE, Vol.19, No.6, pp.753-759, 2010.

5) J. Swanson, ANSYS 12.0, ANSYS Inc., USA, 2010.

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6) S. H. Kim, S. W. Kang, M. H. Kim, Y. W. Jang, W. I. Ha and J. S. Park, “Structural Stress and Fatigue Testing of Edge Details,” Proceedings of KWJS Spring Conference, pp.267-269, 2004.

7) Y. S. Kim, J. K. Cho, M. J. Kim, K. M. Cho

and C. T. Hyun, “A Productivity Analysis of Tower Crane Installation Progress Based on Simulation Technique,” Journal of the Korea Institute of Building Construction, Vol.10, No.2, pp.33-40, 2010.