A Study on Structural Safety Analysis of Hub Space

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허브스페이스의 구조적 안전성 해석에 대한 연구

한 문 식¹⁾․조 재 웅^*2)

계명대학교 기계자동차공학과¹⁾․공주대학교 기계자동차공학부²⁾

A Study on Structural Safety Analysis of Hub Space

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 26 September 2014 / Revised 21 February 2015 / Accepted 1 March 2015)

Abstract : This study investigates the analysis result of structure and fatigue due to the models of the hub space with bolt joint at wheel and the existence or nonexistence of hub ring as the part of suspension system of vehicle. As the static analysis result, the structural vulnerability can be found at hub bolt and the center of wheel at three models. Model 2 and 3 have nearly same deformation and model 1 can be endured at the least load among three models. As the fatigue analysis result, fatigue lives of three models are same at the severest load of SAE bracket history. As many screw threads of weak bolts are jointed in case of model 1, model 1 is shown to be the weakest at fatigue damage among three models. By the result of this study, model 1 with bolt joint becomes most weakest among three models. As model 2 with no hub ring and model 3 with hub ring have the nearly same states of analysis results, hub ring is shown to have no influence on the safety of automotive driving.

Key words : Fatigue(피로), Hub space(허브 스페이스), Bolt joint(볼트 체결), Hub bolt(허브 볼트), Hub ring(허브 링), Screw thread(나사산), Safety(안전성)

1. 서 론¹⁾

자동차는 시대에 따라 그 성격이 변하게 된다. 타 고 다니거나, 소유하거나, 그리고 개성을 살리는 도 구 등 시대에 따른 자동차에 대한 생각은 점점 다양 하게 변화되고 있다. 이 때문에 자동차 메이커들도 업그레이드, 혹은 스페셜이라는 명칭을 통해 신차 를 출시하고 있지만 실제로 자동차 튜닝과 다를 바 없고 튜닝이라고 하면 많은 사람들이 불법이라는 생각을 먼저 떠올린다.^1,2) 따라서 본 논문에서는 운 전자들이 하는 수많은 튜닝 중 가장 흔한 휠 드레스 업과 관련하여 허브스페이스 안전성에 대해 알아보 고자 한다. 보통 휠과 타이어는 자동차 튜닝 이라하

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

면 빼놓을 수가 없을 정도로 가장 흔한 튜닝이다. 그 이유는 성능 업그레이드와 또 하나인 외관성 때문 이다. 이러한 튜닝은 밖에서 자동차를 바라봤을 때 타이어와 휠의 끝부분이 휠 하우스 밖으로 나오게 해서 웅장한 느낌을 주게 할 수 있다. 그러나 휠과 타이어를 교체하는 비용이 많이 부담스러운 것이 사실이다.^3-5) 그러한 이유로 사람들은 저렴한 비용 으로 휠과 타이어를 교체한 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 허브스페이스에 관심을 갖기 시작한다. 허 브스페이스란, 휠과 허브사이에 어느 정도의 두께 를 가지는 일종의 어댑터를 끼워 넣는 것으로 장착 시 외관상의 드레스업을 해 준다. 허브 스페이스 비 장착 오리지널 차량과 비교분석으로서는, 허브 스 페이스 설치시 장점으로는 코너링시 설치를 안한

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기존의 경우보다 회전 반경이 늘어나고 진폭이 넓 어짐으로서 안정된 승차감을 보장해 주고 브레이킹 에서도 안정성을 보인다. 시속 60마일에서 정지까 지 브레이킹 성능은 휠 크기가 클수록 유리한데, 휠 의 크기가 13인치이상이면 간섭이 생겨서 허브 스 페이스가 반드시 필요하다. 또한 RPM이 거의 떨어 지지 않아 가속 페달을 수시로 밟았다 땟다 하는데 전혀 충격없이 힘있게 출발할 수 있어 연비 상승효 과까지 얻을 수 있다. 그리고 허브스페이스는 주물 방식이라 많이 차륜이 무거워지긴 하나 로터는 경 량이라 동력 손실은 크게 없다. 차륜이 무거워져 무 게 중심이 낮아져서 쇼바의 물렁거림을 해소할 수 있는 점이다. 이러한 허브스페이스는 시중에서 여 러 종류의 허브스페이스를 구할 수 있다. 재질이 다 른 것에서부터 시작하여 여러 종류의 두께, 체결방 식이 있는데 이렇게 흔한 휠을 자동차에 잘 장착시 킬 수 있는 방법을 가지고 허브스페이스에 대한 안 정성의 유무로 동호회 사람들이나 자동차 튜닝에 관심있는 사람들은 현재까지도 찬반논쟁이 끊이지 않고 있다. 그럼에도 불구하고 현재까지 허브스페 이스에 대한 논문자료를 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 수많은 허브스페이스 중 체결방식의 차이와, 허브스페이스에 있는 허브링의 유무가 안 전에 어떠한 영향이 있는지 알아보고자 한다. CATIA 를 통하여 볼트체결식 허브스페이스와 허브링이 있 는 허브스페이스, 허브링이 없는 허브스페이스를 모델링하여 ANSYS를 통해 해석을 하여 허브스페 이스의 안전성 문제에 대하여 고찰하였다.^6-11)

2. 연구 모델 2.1 해석 모델

본 연구에서는 자동차의 현가장치 중 허브와 허 브스페이스, 그리고 휠까지 모두 어셈블리한 형상 을 모델로 삼고 모델의 형상은 실제 허브스페이스 형상과 휠은 BMW휠의 인터넷 참고자료를 찾았으 며 허브의 경우 힘을 받는 고정부위의 역할만 하므 로 간단한 형상으로 CATIA를 이용하여 모델링한 후 ANSYS를 이용하여 해석하였다. Fig. 1에 보면 본 연구의 Model 1은 볼트체결 방식으로 연결하는 것 이며, Model 2는 삽입식 허브링이 없는 것이며,

Model 3은 삽입식 허브링이 있는 것이다. 이 모델은 알루미늄재료로서 그 물성치는 Table 1에 나타나 있 다. 그리고 각 형상별 모델들의 절점과 요소의 개수 는 Table 2와 같다.

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 1 Configurations of models

Table 1 Material property

Young's modulus (GPa) 71

Poisson's ratio 0.33

Density (kg/mm³) 2.77 × 10^-6 Tensile yield strength (MPa) 280 Compressive yield strength (MPa) 280 Tensile ultimate strength (MPa) 310 Compressive ultimate strength (MPa) 0

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Moonsik Han․Jaeung Cho

Table 2 Nodes and elements at models

Model Nodes Elements

Model 1 137162 67131

Model 2 46721 154521

Model 3 46901 157833

2.2 모델의 경계조건

세 가지 모델들은 같은 작업환경에서 해석하므로 세 가지 모델들은 모두 같은 경계조건으로 하였다.

Fig. 2에서와 같이 너클과 닿는 곳인 허브의 뒷면을 고정시켰고 휠이 타이어와 닿는 면적에 일반적으로 자동차의 휠에서 작용되는 0.24MPa 의 압력을 가하 였고 허브 뒷면에 모멘트를 2948.9 N･m 의 힘으로 가하였다. 이와 같이 적용한 근거로서는 차량 중량 이 15 Ton인 대형 자동차에서 허브 스페이스에 의해 서 받을 수 있는 최대 압력을 0.24MPa이라고 가정하 여 각각의 모델들에 압력을 가하였다. 그리고 허브 스페이스의 회전에 의해서 받을 수 있는 최대 Moment를 2948.9 N･m 로 가정하여 각각의 모델들 에서 허브 스페이스의 안쪽에 가하였다.¹²⁾

Fig. 2 Boundary condition of model

3. 해석 결과 3.1 구조해석

구조해석 결과 Fig. 3, 4 및 5는 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 세 가지 모델들에 대하여 등가응력과 전변형량의 등고선들을 보았다. 그림들에서 보면, Model 1은 26.069MPa의 최대의 등가응력과 0.025013mm 의 최대 변형량을 보이고 Model 2는 17.919MPa의 최대의 등가응력과 0.021868mm의 최대 변형량을

(a) Total deformation of model 1

(b) Equivalent Stress of model 1 Fig. 3 Structural analysis of model 1

(a) Total deformation of model 2

(b) Equivalent stress of model 2 Fig. 4 Structural analysis of model 2

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A Study on Structural Safety Analysis of Hub Space

Fig. 6 Load history at nonuniform fatigue load (a) Total deformation of model 3

(b) Equivalent Stress of model 3 Fig. 5 Structural analysis of model 3

보이고 있으며 Model 3은 17.944MPa의 최대의 등가 응력과 0.021494mm의 최대 변형량을 보이고 있음

을 알 수 있다. 구조해석 결과, Model 3이 Model 1과 Model 2보다 덜 변형되는 것을 알 수 있다. 그리고 최고 등가응력의 경우엔 Model 2가 다른 형상의 모 델에 비하여 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 하지만 Model 2와 Model 3의 경우에 큰 차이는 없어 보이며 Model 1 또한 큰 차이가 보이지는 않는다. 세 가지 모델 모두 허브링과 휠이 맞닿는 부위에서 변형량 이 발생되는 것을 확인할 수 있다. 당연히 예상할 수 있듯이 볼트 부위의 힘이 다른 부위보다 약하기 때 문이라고 추측할 수 있다. 하지만 등가응력으로 봤 을 때 휠이 맞닿은 부위에서의 응력이 거의 작용하 지 않는다. 구조적 해석으로 봤을 때 3개의 Model의 구조적 차이가 두드러지지 않음을 확인할 수 있다.

굳이 세 가지 모델을 비교하였을 때 등가응력은 거 의 의미가 없다고 판단되므로 변형량을 가지고 확 인을 한다고 하면 허브스페이스의 허브링이 있는 Model 3이 가장 안전하다고 할 수 있겠다.

3.2 피로해석

허브스페이스의 피로 하중에 의한 피로수명과 파 손에 대하여 해석하였다. Fig. 6과 같이 경과되는 1 사이클에 대한 응력 진폭과 평균 응력인 피로 하중 의 내역⁴⁾으로서 SAE bracket history, 하중을 세 가지

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한문식․조재웅

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 7 Contour plots of fatigue life

모델들에 작용하였다. 그림에서도 볼 수 있는 바와 같이 ‘SAE bracket history’의 경우는 그림에서 볼 수 있듯이 피로 하중 조건이 가장 극심한 산간 지방에 서 적용할 수 있다.¹⁾ Fig. 7과 8은 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 모델들에 대한 피로수명과 파손의 등 고선들을 보았다. 그리고 등고선으로 된 피로 손상 은 설계 수명을 사용 가능 수명으로 나눈 것으로 정 의된다. 볼트체결식 허브스페이스의 피로수명은 3.3693 × 10⁵ Cycle이고, 삽입식 허브스페이스 중 허브 링이 없는 것은 피로수명이 3.3693 × 10⁵ Cycle이다.

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 8 Contour plots of fatigue damage

그리고 나머지 허브링이 있는 허브 스페이스의 같 은 경우는 3.3693 × 10⁵ Cycle을 나타내는 것을 볼 수 있다. 파손의 경우에는 볼트체결식 허브스페이스의 피로파손이 2968, 허브링이 없는 것은 피로파손이 2968, 나머지 허브링이 있는 허브스페이스의 경우 는 2968이다. 피로수명의 경우는 세 가지 모델이 모 두 일치하는 것을 확인할 수 있다. 이는 피로수명에 있어서 세 제품의 차이는 없다는 것을 보여 주며, 또 한 피로파손의 경우는 수치들이 같지만 볼트체결식 허브스페이스의 체결 부분에 더 많은 붉은색 부분

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을 보일 수 있다. 이는 볼트 체결식 자체가 아무래도 볼트의 체결부위가 많아지면서 볼트에 부하가 걸려 피로파손이 높게 나온 것으로 추측할 수 있다. 이로 서 허브스페이스의 체결식이나 삽입식이 자동차운 행에 있어 큰 무리를 주지 않는다고 생각할 수 있다.

또한 허브링의 유무도 안전성에 있어 그렇게 큰 차 이가 없음을 알 수 있다.

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 9 Plots of rainflow matrices of models

Fig. 9는 Model 1, 2 및 3에 대한 각각의 모델들에 대하여 각각 임계 위치에 대한 Rainflow 매트릭스들 에 대한 그림들이다. 또한 다음의 그림들은 ‘SAE bracket history’의 불규칙 진폭하중을 적용하였다.

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

(a) Model 1

(b) Model 2

(c) Model 3 Fig. 10 Plots of damage matrices of models

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Moonsik Han․Jaeung Cho

평균 응력에 대한 빈도수에 해당된다. 세 가지 모델 이 모두 공통적으로 ‘SAE bracket history’의 경우가 상대적인 손상은 평균응력이 0 부근의 상태에서 최 대의 빈도수를 나타내는데, 그림들에서 보면 Model 1의 경우가 80 정도로서 상대적인 손상을 가장 많이 일으키고 나머지의 경우는 75 정도로 둘다 비슷한 값을 나타내고 있다. Fig. 10은 Model 1, 2 및 3에 대 한 각각의 모델들에 대하여 파손에 대한 임계 위치 에서의 Damage 매트릭스들에 대한 그림들로서 불 규칙 진폭하중에 대해서만 적용되는데 109사이클 의 무한 수명에 대한 상대적 손상 가능성을 나타내 고 있다. 그림들에서 보면 Model 1의 경우가 10%의 Damage로 가장 큰 손상가능성을 보이고 있다. 나머 지의 경우는 9.5% 정도로 둘 다 비슷한 값을 나타내 고 있다.

4. 결 론

본 연구는 자동차의 현가 장치의 부품인 휠에서의 허브스페이스와 허브링의 유무에 대한 구조 및 피 로 해석을 통하여 다음과 같은 해석 결과를 보았다.

1) 정적인 구조해석 결과, 3가지 모델 모두 허브 볼 트와 휠의 중심부분에서 취약점이 발견되었고 총 변형량을 비교하여 보면 Model 1은 약 0.025013mm, Model 2는 약 0.021868mm, Model 3은 약 0.021494mm의 변형을 보이고 있어 Model 3이 Model 1과 Model 2보다 덜 변형되는 것을 알 수 있다. 3개의 모델 중 Model 2나 3은 거의 같이 변 형되나 다른 모델에 비하여 Model 1이 가장 하중 을 덜 견딘다고 볼 수 있다고 사료된다.

2) 피로해석의 결과로서는 SAE bracket history인 가 장 극심한 하중조건에서 Model 1,2 및 3 모두 피 로수명의 값이 같았으며, 피로파손의 경우에 세 개의 모델들 중에서 Model 1의 경우에, 약한 볼 트 나사산 부분이 많이 체결되어 있어서 피로파 손에 더 취약하다고 볼 수 있다.

3) 본 연구의 결과를 종합하여 볼 때 볼트체결식인 Model 1의 경우가 가장 불안정되었다고 판단이 된다. 또한 허브링이 없는 경우인 Model 2와 허 브링이 있는 Model 3의 경우에서 구조 및 피로 해석의 양상이 거의 같이 나타나 허브링의 유무

로 인하여 자동차 운행 안전성의 영향이 크게 없 을 것으로 사료된다.

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