토션빔의 단면형상에 따른 비틀림 강성(1)

이 연구는 최근 출시된 르노삼성자동차의 “SM6 탈리스만”의 후륜 현가장치인 AM링크를 장착한 토션빔에 대한 궁금증으로 시작되었다. 학사의 수준에 맞게 경계조건을 적용하였으며, 토션빔의 여러 단면형상에서 단순 비틀림에 의한 비틀림강성과 최대 전단응력을 비교해 보기 위함이다.

현재 경차, 준중형차량의 경우 구조가 간단하면서, 저렴한 토션 빔 현가장치를 많이 사용하고 있다. 스프링과 뎀퍼의 위치에 따라 공간활용을 최대로 할 수 있으며, 빔의 단면형상만을 가지고 비틀림강성을 조절 할 수 있다. 토션빔의 재질도 물론 중요하지만 단면의 형상에 따라 그 단면에 발생하는 최대응력의 차이가 크므로 단면형상은 설계에 중요한 요소이다. 토션 빔 현가장치의 구조는 강성을 가진 트레일링 암에 수직방향과 전후방향의 굽힘이 가능한 단면 CASE1(‘V’자 형), CASE2(‘ㄷ’자 형), CASE3(‘U'자 형)등의 여러 단면이 그림1과 같이 용접되어 있으며, 토션 빔의 단면형상은 지면의 어떠한 요철을 차가 밟았을 때 토션 빔에 비틀림현상이 일어나고, 그것이 얼마나 충격을 흡수하나, 그리고 그 단면형상에서의 최대응력을 고려하여 결정짓게 된다.

토션빔의 설계 및 해석에 대한 연구는 최적의 단면을 설계를 목적으로 무게를 동일하게 하기 위해 단면길이 즉, 단면의 넓이를 같게 하여 각단면의 변수를 조금씩 변화시키며 Remote displacement로 비틀림을 주어 그 때의 단면에서 최대전단응력이 발생하는 위치와 비틀림강성을 비교한다. ANSYS Statics structure tool을 이용하여 유한요소 해석법에 의거하여 시뮬레이션을 하고, 단순 수계산이 가능한 중실축과 중공축으로 계산과 시뮬레이션값을 비교하여 프로그램의 신뢰성을 보여주고, 그 후, 시뮬레이션을 진행할 것이다.

 

1. 관련이론

 

토션빔 현가장치는 트레일링암과 이에 용접되는 토션빔, 차륜, 댐퍼와 스프링으로 구성된다.

-토션빔은 좌측차륜과 우측차륜을 연결하는 일체형 현가장치(rigid axle suspension)이다.

-토션빔 현가장치는 차량의 운동 시 후륜 현가장치의 비틀림으로 충격을 흡수하여 승차감을 높여주는 현가장치이다.

 

이 식을 통해 극관성모멘트와 비틀림강성 및 최대전단응력을 구할 수 있다.

 

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2. 경계조건

 

1. 토션빔 현가장치는 주로 경차, 소형, 준중형 차에 적용되므로 국산차의 대표적인 준중형 차인 아반떼 AD로 가정하여 토션빔의 길이를 설정하여 적용한다.

2. 차량의 폭은 1,800mm이며 용접부와 트레일링암의 휘어진 부분의 길이, 휠의 폭을 합쳐서 250mm이라 설정하여 총길이를 1,800-250*2=1,300mm로 빔의 길이를 설정하였다.

 

재료의 재원

Structure Steel

 

property	value	unit
Density	7850
Young's modulus	2E+11	Pa
poisson's ratio	0.3
Bulk modulus	1.6667E+11	Pa
Shear modulus	7.6923E+10	Pa
Strength coefficient	9.2E+08	Pa
Strength Exponent	-0.106
Ductility coefficient	0.213
Ductility Exponent	-0.47
Cydic Strength coefficient	1E+09	Pa
Cydic Strength Hardning Exponent	0.2
Tensile Yield Strength	2.5E+0.8	Pa
compressive Yield Strength	2.5E+0.8	Pa
Tensile Ultimate Strength	4.6E+0.8	Pa
compressive Ultimate Strength	0	Pa