최대하중을 고려한 커넥팅로드 형상 해석(1)

1.개요

 

자동차의 연비향상, 고 효율화, 경량화는 현재 매우 관심이 집중되고 있는 요소들이며 서로 유기적으로 연관되어 있다. 이러한 요소들의 향상을 위해서는 다른 여타의 부품들에 대한 개선도 중요하지만 특히 자동차내의 운동계 부품의 개선이 필수적이다. 이러한 운동계 부품은 동력을 전달하거나, 운동의 형태를 전환하는 등의 역할을 하면서 각각의 형상이나 질량에 상응하는 관성모멘트를 가지게 된다. 이는 연비향상 등의 개선을 위한 중요한 관심사지만 굽힘이나 압축 인장으로 인한 하중에 대해서도 안정성이 함께 지켜져야 하므로 개선이 용이하지 않다. 커넥팅로드 또한 실린더 폭발에 의한 피스톤 왕복운동을 크랭크축의 회전으로 전달, 전환 시켜주는 운동계 부품으로서 커넥팅로드의 하중을 고려한 Shank부 형상개선은 내구성 효율의 향상등의 목적에 중요한 과제가 된다. 왕복기간 내 연료의 폭발에 의한 직선왕복 운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 커넥팅로드의 강도적 측면은 엔진의 내구성 및 신뢰성을 결정짓는 중요한 요소로 작용하게 된다. 운전 중 압축력, 인장력, 휨 등 하중을 반복적으로 받으므로 이를 견딜 수 있는 충분한 강성이 필요하다. 최대 압축응력이 작용하여 대부분의 커넥팅로드의 파단이 쉽게 일어나는 shank 부분에 대한 강도를 고려한 단면의 형상개선은 중요하다고 할 수 있다.

최대압축력과 인장력을 고려해 커넥팅로드의 shank부의 단면의 형상개선은 단순히 내구성 향상에 국한되는 것이 아니라 엔진의 성능에도 상당한 영향을 미친다. 유한요소해석 기법의 발달은 신뢰성 높은 3차원 해석적 평가법 개발의 뒷받침이 되고 있다. 커넥팅로드의 shank부의 단면의 형상개선은 엔진 내구성 향상에 조력함으로써 결과적으로 큰 경제적 효과를 낳을 수 있다. 그리고 엔진의 성능을 향상 시켜줌으로써 소비자의 요구에 더욱 접근할 수 있다. 따라서 커넥팅로드의 내구성 향상을 실현하고 결과의 신뢰성을 뒷받침하기 위한 다양한 설계가 필요하다.

 

 

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2. 관련 이론

 

Connecting rod는 엔진 내에서 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 축의 회전운동으로 변환시킨다. 구조적으로 크게 대단부(Big end), 소단부(Small end), Shank 부로 구별된다. 엔진이 2회전 마다 주기적으로, 폭발력에 의한 압축하중과 운동질량에 의한 관성력이 작용하게 된다.

 

 

Material	C70S6
(mass of piston)	60.71g
R (radius at small end)	8mm, 12mm
L (distance between piston and crank shaft)	140mm
r (length of crank arm)	47.5mm
D (diameter of piston)	91.9mm
(mass of small end)	28.77g
(mass of big end)	38.54g
(distance from piston pin to weight center of small end)	3.98mm(R=8mm) 4.35mm(R=12mm)

 

shank부에 작용하는 하중

커넥팅 로드의 각각의 영역에서 부하되는 최대 인장하중은 배기 행정 말기 상사점에서 관성력에 의한 것으로 각도=0 일 때 발생된다. 그리고 최대 압축하중의 경우에는 폭발 행정 말기 하사점(각도=180)에서 발생하는 관성력으로 구성된다.

커넥팅 로드가 엔진 내부에서 받을 수 있는 가장 가혹한 조건으로 설정한 크랭크축의 회전속도 6500rpm에서 각각의 하중을 계산해보면 최대 인장하중 및 압축은 7.33kN, -16.62kN이 그리고 shank부에 가해지는 전단하중은 2.4kN이다.