CopyrightⒸ2016 KSAE / 141-02 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.2.137
< 기 술 논 문 >
Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 2, pp.137-143 (2016)
위상최적설계를 통한 트레일러 제5차륜 연결구조물의 경량화 및 내구성
김 철*1)․이 승 윤1)․이 영 춘2)
경북대학교 기계공학부1)⋅화신 기술연구소2)
New Weight-reduction Design of the Fifth Wheel Coupler with a Trailer by Using Topology Optimization and Durability Tests
Cheol Kim*1)․Seung-Yoon Lee1)․Yong-Choon Lee2)
1)Department of Mechanical Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
2)R&D Center, Hwa-Shin Co. Ltd., 105 Seongseogongdanbuk-ro, Dalseo-gu, Daegu 42709, Korea (Received 27 May 2015 / Revised 2 December 2015 / Accepted 2 December 2015)
Abstract : The fifth wheel coupler is a heavy automotive coupling structure which connects a tractor and a trailer used for heavy-duty trucks widely. It is subjected to various loads simultaneously such as rolling, pitching and yawing loads as well as coupling frictional and impact loadings. Most of existing couplers have been overdesigned and, therefore, it is necessary to reduce the dead weight to increase the fuel efficiency. The topology optimization was applied in order to find conceptual layout designs which could show major load paths and ribs locations, and then the size structural optimization was performed in order to determine the heights and thicknesses of coupler ribs with the predetermined various loading conditions for the development of a new slim coupler with a minimum weight and high enough strength and stiffness. As the results of the topology optimum design, an efficient new coupling structure for truck trailers was designed. The weight of the new fifth wheel coupler was reduced by 4.9 %, compared with the existing one, even though all strength requirements were satisfied. The fatigue test of the new coupler was performed with cyclic vertical loads (+78.4 to +235.2 kN) and horizontal loads (-91.2 to +91.2 kN) simultaneously at 1 Hz and the life of 2,000,000 cycles were achieved without failure.
Key words : Topology optimization(위상최적화), 5th wheel coupler(제5차륜 연결구조물), Durability test(내구성 시험), Stress analysis(응력해석), Load analysis(하중해석)
1. 서 론1)
최근 자동차의 연비 향상을 위해서 부품 및 차체 의 경량화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최 적설계 알고리즘의 발전에 힘입어, 구조물과 자동 차부품의 최적화를 통한 경량화 및 성능개선에 대 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 송세일 등1)은 최 적화기법과 실험계획법을 연계하여 자동차도어의 경량화를 연구하였고 4.16 %의 경량화를 달성하였
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
다. 황영진 등2)은 수송기계부품인 캐리지를 균질화 법을 이용하여 위상최적화를 수행하여 약 27 % 경량 화된 모델을 설계하였다. 또한 김영철 등3)은 위상, 형상최적설계를 수행하여 크레인을 경량화 하였다.
김기주 등4)은 후방 서브프레임의 경량화를 위해서 AA6061 알루미늄합금 재로 대체하여 FEM 응력해 석을 하였다. 박준협 등5)은 경량화를 위하여 현가장 치의 강재 스프링 링크를 알루미늄합금 소재로 재 설계하기 위한 Ansys FEM 강도해석을 수행했고, 상 세 하중해석에 기초한 설계방법을 제시하였다.
김 철․이승윤․이영춘
(a) Coupling
(b) 5th wheel coupler
Fig. 1 Connecting a tractor and a trailer and a 5th wheel coupler
그러나 트럭(트랙터)과 트레일러를 체결해 주는 제5차륜 연결구조물(5th wheel coupler)은 무거운 중 량을 가짐에도 불구하고 체계적 설계최적화 기법을 이용한 경량화 연구의 사례는 없는 실정이다. Fig. 1 은 트랙터에 트레일러가 연결되는 과정과 제5차륜 연결구조물을 나타낸다.
본 연구에서는 트럭과 트레일러 체결 시 경계면 에서 발생하는 마찰력의 적용 유무, 응력 분포에 따 른 위상최적화 결과에 미치는 영향에 대한 해석을 체계적으로 진행하였다. 또한 트럭 주행 시 발생하 는 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 운동으로 인한 하중 의 방향과 크기를 계산하여 제5차륜 연결구조물에 작용시켰다. 이를 바탕으로 요구 성능을 만족하며 기존 형상과는 다른 형태의 보강구조(stiffener)를 갖 는 신 모델을 위상최적화기법으로 개발하였고, 기 존 형상과 비교하여 개선된 정도를 입증하였으며 그 내구강도를 시험하였다.
2. 위상최적설계 2.1 하중해석
트럭(트랙터+트레일러)의 체결 및 운행 조건을
Fig. 2 Load cases and directions described in Table 1 Table 1 Loading situations according to driving and connection
Case Situation Loads (kN)
① Gravitational force when a trailer is
connected 500
② Inertial force when a truck starts 120
③ Inertial force when a truck stops 120
④ Centrifugal force when a truck curves to
the left or right 120
⑤ Frictional force when a king-pin
contacts with a coupler 2.3
⑤* Impact force when a king-pin contacts
with a coupler 28.5
⑥ Frictional force when a truck connects
with a trailer 83.1
⑥* Impact force when a truck connects
with a trailer 35.2
⑦ Inertial force when a truck rolls to the
left or right 120
고려하여 제5차륜 연결구조에 가해지는 하중을 설 정하였다. 운행 및 체결 조건에 따른 하중은 Fig. 2에 도시되어 있으며 Table 1과 같이 9가지 상황에 따른 하중으로 구분하여 유한요소해석에 적용하였다.
Fig. 3과 같이 제5차륜 연결구조 하부에 있는 차 체와의 볼트 체결위치와 중앙의 킹핀(king pin)이 안 착되는 공간만이 고려된 최적설계 초기설계영역
위상최적설계를 통한 트레일러 제5차륜 연결구조물의 경량화 및 내구성
Table 2 Mechanical properties of ductile cast iron Young's modulus,
E (GPa)
Poisson's ratio,
Yield strength (MPa)
Density (kg/m3)
169 0.29 329 7,100
Fig. 3 Finite element model
(a) Vertical trailer weight and its distribution (① case)
(b) Centrifugal & rolling force and its distribution (④ & ⑦ cases)
(c) Inertia force and its distribution (② & ③ cases) Fig. 4 Load directions and distribution in a FE model
(3차원 벌크 형태)을 정하고, 4면체와 6면체 유한요 소를 사용하여 모델링하였다. 재료로 사용된 구상 흑연주철(ductile cast iron)의 물성값은 Table 2에 정 리하였다. Fig. 3의 트럭과 체결되는 8개의 볼트구멍 의 모든 절점을 구속하였다.
Fig. 4에는 Table 1에 있는 하중 종류에서 ① ~ ④, 그리고 ⑦ 경우의 하중(기존에 사용 중인 설계하중) 을 유한요소모델에 분포시킨 모습을 나타내었다.
그 외에 킹핀을 체결할 때 마찰력 및 충격하중(⑤ &
⑤*), 트레일러를 제5차륜 연결구조물에 연결시의 마찰력 및 충격하중(⑥ & ⑥*)은 다음 장에 상세히 그 유도과정을 기술하였다.
2.2. 킹핀의 마찰 및 충격하중
정확한 위상최적설계를 위해서 Fig. 5(a)와 같이 체결 시 발생하는 킹핀의 미끄럼에 의한 마찰과 충 격 하중을 처음으로 계산하였다. 이 하중은 현재까 지는 고려되지 않았다. Fig. 5(b)에는 킹 핀이 체결시 구조물의 경사진 가이드라인에 충돌하면서 발생하
(a) Friction between a king-pin and a 5th wheel coupler
(b) Calculation of an impact force by a king-pin
(c) Calculation of friction by a king-pin
Fig. 5 Friction and impact loads between a king-pin and a 5th wheel coupler
Cheol Kim․Seung-Yoon Lee․Yong-Choon Lee
는 충격량을 계산하기 위한 속도의 성분을 표시하 였다. 킹핀의 초기속도
와 충돌 후 가이드라인의 수직방향 성분
를 운동량-충격량 방정식에 대입 하여 충격하중()을 계산하였다. 킹핀에 실리는 질량은 m이다.
sin
(1)
(2)
Fig. 5(c)에는 접촉한 킹 핀이 체결을 위해 가이드 라인을 따라 이동함에 따라 발생하는 마찰력을 나 타내었다. 마찰계수
는 측정값인 0.78을 적용하여 마찰력()를 계산하면,
cos
(3)
(4)2.3 제5차륜 커플러 경사면의 마찰 및 충격하중 제5차륜 연결구조물의 경사면에는 Fig. 6과 같이 체결시 미끄럼 마찰력과 면에 수직한 충격하중이 작용한다. 경사각
, 속도
의 트레일러가 체 결되면서 발생되는 면에 수직한 속도 성분, 충격하 중()과 마찰력()은 다음과 같이 계산된다.
sin
(5)
(6)
cos
(7)2.4 위상 최적화
Fig. 3과 같이 내부가 재료로 꽉 찬 3차원 구조 덩 어리를 초기 설계영역으로 하여 위상최적설계를 수 행하여 하중경로(load path)에 배치될 적절한 보강 구조를 찾으려한다. 유한요소해석 기반 위상최적화 를 위하여 optistruct를 사용하였다. Fig. 7(a)는 킹핀
(a) Connection of a trailer and a 5th wheel coupler
(b) Velocity components during connection
Fig. 6 Friction and impact loads between a trailer and a 5th wheel coupler
과 제5륜 연결구조 경사면의 마찰과 충격을 고려하 지 않았을 때 얻어진 위상최적화 결과이다. 트럭과 트레일러가 체결될 때 발생하는 하중을 지지할 수 있는 구조물이 형성되지 않았기 때문에 비현실적인 구조가 형성되었다.
킹핀과 제5륜 연결구조 경사면의 마찰과 충격하 중을 포함한 Table 1의 모든 하중을 동시에 작용하 여 계산된 위상최적화 결과를 Fig. 8에 나타내었다.
3. 형상최적화 및 내구시험 3.1 형상최적화 및 응력해석
위상최적설계를 통해서 하중경로에 대한 보강구 조의 위치를 구하였다. 이후 최종 설계 형상을 확정 하기 위해서 Optistruct 해석을 통한 치수최적설계를 계속 수행하여 Fig. 9와 같은 형상을 개발하였다. 특 히, 응력집중이 우려되는 Fig. 9의 원 내부 구조를 응 력이 분산되도록 설계하였다.
Fig. 10(a)는 앞의 최적설계과정을 통해 새롭게 개 발한 제5차륜 연결구조에 대해서 응력해석을 한 결 과를 나타낸다. 비교를 위하여, 같은 하중을 사용하 여 기존의 제5차륜 연결구조에 대해서도 강도해석 을 수행했으며 그 결과를 Fig. 10(b)에 표시하였다.
기존의 연결구조물의 경우 볼트 체결부근에서 최 대응력이 451.7 MPa로 나타났으며, 최적화 모델은
New Weight-reduction Design of the Fifth Wheel Coupler with a Trailer by Using Topology Optimization and Durability Tests
Fig. 7 Topology optimization results without considering fric- tion and impact loads
Fig. 8 Completed topology optimum design
Fig. 9 Final design by the size optimization
237.1 MPa로 계산되어 응력이 약 47.5 % 감소하였 다. 또한 Fig. 10(a)에서 최적화에 따른 보강 립(rib) 의 최적 배열과 형상으로 응력이 골고루 분산된 모 습을 확인할 수 있다. 중량은 기존 구조의 98.3 kg에 서 최적화 모델은 93.5 kg으로, 4.9 % 줄어서 동시에 상당한 중량 및 응력 절감 효과를 얻었다.
3.2 제작 및 내구성 시험
수행된 해석에 대한 신뢰도를 검증하고, 피로내 구성을 확인하기 위하여 최적 설계된 신 모델에 대 해서 Fig. 11과 같은 실제 구조물을 제작하여 피로내
(a) New design by topology and shape optimization
(b) Conventional design currently used Fig. 10 Stress distribution of new and current couplers
구성 시험을 수행하였다. 또한, 비교를 위해서 기존 구조물에 대해서도 동일한 조건하에 피로내구성 시 험을 수행하였다. 시험장비로는 Fig. 12와 같은 MTS 224 유압작동기(hydraulic actuator)를 사용하였다.
시험조건은 Table 3에 명시된 범위 내의 하중을 2
×
10 사이클 동안
축 방향(Fig. 12 수평방향)과
축 방향(Fig. 12 수직방향)으로 동시에 가진 하였으 며, 각각의 축 방향으로 각각 2개의 센서를 부착하 여 각 사이클에 대한 변위도 측정하였다. 내구성 시 험의 사이클 종료 후 시험에 사용된 최적설계 연결 구조와 기존 제품을 분해하여 파손 및 결함 여부를 확인하였다. Fig. 13에서 알 수 있듯이 두 구조물 모 두 육안 상으로 파악할 수 있는 파손의 흔적은 관찰 되지 않았다. 이러한 피로내구성 시험의 결과로서, 최적설계기법으로 설계 제작된 구조물은 중량은 감 소했으나 피로 내구성은 기존의 구조물과 차이가 없음을 알 수 있다.김 철․이승윤․이영춘
Table 3 Durability test conditions Test Load
Cycle Frequency
(kN) (kN) (Hz)
+78.4 ~ +235.2 -91.2 ~ +91.2 × 1
Fig. 11 The 5th wheel coupler fabricated for tests
Fig. 12 MTS 224 Hydraulic Actuator
(a) New optimum design
(b) Conventional design currently used Fig. 13 No failure after × cycles of durability tests
Fig. 14 Displacement vs. the number of cycle for the new optimum design
Fig. 15 Displacement vs. the number of cycle for the conven- tional design
부착된 변위 센서를 통하여 측정된 각각의 반복 하중에 대한 최적설계된 커플러의 변위는 Fig. 15와 같다. 수직방향으로 11.5 mm, 수평방향으로 4.5 mm 의 변형이 발생했다. 기존의 커플러의 경우에는 수 직방향으로 12.5 mm, 수평방향으로 6.5 mm의 변형 이 발생했다. 최적설계된 커플러가 트레일러가 수 직으로 작용하는 하중에 대해서 변위가 더 작다.
4. 결 론
트레일러의 제5차륜 연결구조물에 대하여 유한 요소법 기반 위상최적화를 수행하여 효율적인 하중
위상최적설계를 통한 트레일러 제5차륜 연결구조물의 경량화 및 내구성
경로를 계산하고, 보강구조(rib)의 배치를 최적화하 여 경량화 하였다. 위상최적설계를 위한 하중으로 기존의 운행, 정지, 출발시의 하중 외에도 체결시의 마찰력과 충격하중을 새롭게 계산하여 적용하였다.
위상최적설계 결과를 이용하여 설계된 구조물에 대 한 응력해석 결과 최대응력이 기존 제품 구조 대비 47.5 % 감소했으며, 중량 또한 4.9 % 줄었다. 최적 설 계된 연결구조를 실물 크기로 제작하여 수직 및 수 평하중을 반복적으로
×
사이클 가하는 피로내 구성 시험을 수행한 결과 파손의 흔적이 발견되지 않았다. 본 시험을 통해서 위상최적화의 효과와 구 조물의 내구성을 확인하였다.후 기
본 연구는 교육부와 한국연구재단의 지역혁신인 력양성사업(2013 시범사업)으로 수행된 연구결과임.
References
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