서킷 주행조건을 고려한 자동차용 휠의 복합축 응력 해석모델 개발

Abstract

자동차용 휠&타이어 어셈블리는 차량의 하중을 지지하고 차량이 안정적으로 주행할 수 있도록 차량의 구동력과 제동력을 전달하는 역할을 한다. 또한 노면으로부터 전달되는 충격을 1차적으로 흡수하는 매우 중요한 부품이다. 따라서 휠&타이어 어셈블리는 차량의 수직하중, 횡하중, 제동력 등 다양한 외력을 견디는 강성을 확보하고 노면 충격을 감쇠하여야 한다. 또한 자동차의 수명과 거의 동등한 내구성을 확보해야 한다. 최근 소비자는 휠 아치 디자인의 영향으로 대형 휠과 차량의 스포티한 드라이빙을 위해 주행 조정안정성을 선호하고 있으며, 연비가 좋은 차를 선호한다. 이로 인해 휠은 대형화되고 있지만 연비 향상을 위해서 경량화를 확보해야 한다. 경량화 설계로 인해 실차 주행시 휠 크랙이 발생하는 사례가 있으며 이를 극복하기 위해서는 고강성 최적화 설계와 이를 검증할 수 있는 방법이 필요하다. 휠 설계 및 성능을 검증하기 위해서 선진화된 유럽 및 북미 제작사에서는 기존의 단축 휠 시험이 아닌 복합축 휠 내구시험법을 적용하고 있다. 유럽 및 북미 차량 제작사에 휠을 판매하기 위해서는 복합축 휠 내구시험법을 반드시 검증해야 하는데 해외에서만 평가가 가능한 실정이다. 이로 인해 높은 시험비용과 부족한 개발 기간의 문제가 발생하고 있다. 때문에 복합축 휠 내구시험법을 모사할 수 있는 복합축 휠 응력 해석모델 개발이 필요하다. 본 논문에서는 국내 유일의 F1 서킷 주행시험장 주행조건을 기반으로 한 복합축 휠 응력 해석모델을 개발하고 이를 검증하는 방법에 대하여 제시하였다.

복합축 휠 응력해석모델 개발을 위하여 2가지 요소를 제안하였다. 첫 번째로 타이어 온도에 따른 강성 변화를 예측하는 시뮬레이션 방법을 제안하였다. 타이어는 고무가 주원료인 탄성체로써 열에 의한 특성변화가 심하다. 타이어의 온도에 따라 타이어의 수직방향과 횡방향 탄성계수가 변화하게 되고, 이는 휠에 발생하는 응력에도 영향을 끼친다. 타이어의 주 구성 요소인 고무 재료 모델을 ABAQUS에서 사용할 수 있는 Marlow 모델을 이용하여 온도별 재료 특성을 생성하고, ABAQUS에서 제공하는 USDFLD, HETVAL등의 서브 루틴(User subroutine)을 이용하여 고무의 내부 발열을 정의하였다. 열해석과 구조동역학 해석이 순차적으로 자동 수행되며, 온도 상승에 의한 타이어 변형과 이로 인한 경계조건 변화가 실시간으로 계산되어 해석모델에 적용되도록 하였다. 두 번째로 열처리 후 휠에 발생하는 부위별 강성 변화를 적용하였다. 알루미늄 휠의 원료인 알루미늄 합금은 알루미늄에 철, 구리, 아연 등을 첨가하여 제조하는데, 열처리 과정을 거쳐 강도를 향상시킴으로써 높은 내구성을 갖게 된다. 문제는 휠이 한 가지 재료로 제작되었더라도, 열처리 과정 중 두께가 다른 스포크, 허브, 림부의 강성이 모두 달라지는 현상이 발생한다. 본 논문에서는 실험계획법에 따른 다양한 조건에서의 열처리 후 휠의 강성을 예측할 수 있는 수학 모델을 제시하였다. 이 모델을 이용하면 열처리 조건을 변화시켰을 때의 휠의 강성 변화를 쉽게 예측할 수 있다는 장점이 있다. 다음으로 알루미늄 휠에 대한 유한요소모델을 생성하여 동적 선회 피로 시험 조건을 적용하여 해석을 수행하여, 휠의 부위별 변형률 결과를 시험결과와 비교함으로써 본 논문에서 제시한 강성 수학 모델의 신뢰성을 검증하였다. 위의 두 가지 요소가 적용된 복합축 휠 응력 해석모델을 검증하기 위하여 국내 유일의 F1 서킷 주행시험장 주행조건을 기반으로 한 복합축 휠 내구시험법을 개발하는 방안을 제안하였다. 대상 차량에 휠 하중 측정 센서와 GPS 및 IMU 등을 설치하고, 휠의 크랙 예상부위에 스트레인게이지를 장착한 후 F1 서킷에 대한 RLDA 평가를 수행하여 피로손상이론을 기반으로 서킷주행용 복합축 휠 내구시험법을 개발하였다. 마지막으로 복합축 응력 해석모델을 복합축 휠 내구시험법의 시험조건을 모사하여 해석을 수행하였고, 해석결과와 시험결과를 비교함으로서 본 해석방법의 유효성을 검증할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 해석 방법을 적용함으로서 휠 개발에 있어 시간과 비용이 축소되어 개발 경쟁력이 향상될 수 있을 것으로 기대된다.