자동차 현가장치 경량화 번역(한국어 원본)자동차 현가장치는 차량의 승차감, 외부 충돌에 의한 안정성, 주행 차량의 조정 안정성을 담당하는 부품이며, FLCA(Front Lower Control Arm)은 차량의 맥퍼슨 현가계에서 knuckle과 sub-frame 사이에 위치하여 종 방향과 횡 방향의 운동을 구속하는 부품이다. 근래 들어 현가장치의 경량화 일환으로 일반 강을 고장력 강으로 대체하는 방법이 주로 사용되고 있다. 현가장치가 다른 부품에 비하여 경량화가 느리게 진행되는 이유는 플라스틱, 복합 재, 마그네슘 등의 경량재료가 강성, 강도 및 내구성능을 모두 요구하는 부품에 적합하지 않기 때문이다. 그러나 현가 부품의 경량화는 차체를 비롯한 sprung mass의 경량화에 비해 약 2~3배의 연비 향상을 기대할 수 있기 때문에 지속적인 경량화가 요구되고 있는 실정이다.[1~3] 전세계적으로 생산되고 있는 FLCA의 steel grade는 450~550MPa grade이며, 최근 들어 700MPa grade를 적용하는 사례가 늘고 있다. FEM 결과의 정확도는 초기 설계 단계에서 proto제품을 제작하여 시험하기 까지 경량화에 상당히 큰 영향을 미친다. 본 논문에서는 550MPa steel grade를 적용하여 양산하고 있는 FLCA제품의 재료를 1GPa steel grade를 적용하여, 성형 시 문제되는 부분의 형상을 개선하고 해석상의 금형 모델을 실제로 가공하여 proto 제품을 제작 하였다. 그 결과 상당히 신뢰성 있는 결과를 도출 하였다. 또한 강도 및 내구해석의 신뢰성 향상을 위하여 상용 software인 Pam-Stamp의 out file을 Abaqus와 Nastran의 file format에 mapping할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이러한 mapping 결과를 가지고 강도와 내구 해석에 적용하여 해석 결과의 신뢰성을 검증 하였다.
2 GETTING STARTED
FLCA의 차량 성능 평가는 차량 주행 방향의 측면에서 들어오는 longitudinal 방향에 대한 buckling 과 durability 성능을 만족해야만 된다. Lateral 방향의 경우 longitudinal 방향의 buckling과 fatigue성능을 만족하면 대부분 target을 만족하며, 요구성능 또한 낮기 때문에 가장 악조건인 longitudinal 방향에 대한 buckling 과 fatigue 성능에 중점을 두고 결과를 도출 하였다.
2.1 성형해석을 통한 금형 설계 및 제품 제작
최근에는 고강도강을 사용하면서 경량화와 안전성을 동시에 확보하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 고강도강일수록 성형성이 낮아지고 스프링백이 크게 발생하기 때문에 해석을 통해 발생되는 문제와 성형 시 고려해야 할 사항을 예측해야만 한다. 따라서 두께 4.0mm의 550MPa grade강판 소재를 사용하여 현재 양산되고 있는 공정과 동일하게 초고강도강을 이용한 성형해석을 수행하였다. 성형해석에 사용된 재료는 두께 3.2mm의 1GPa grade 강판이며, 소재의 두께를 줄여 경량화와 강도를 학보하고자 하였다. 그리고 양산 모델과 유사한 성능을 도출하도록 concept 설계를 통해 제품의 설계 변경을 제시하고 성형성을 검토하였다. 1공정은 stamping이며 single action으로 진행 된다. Stamping stroke는 15mm이고 blanking holding force는 60ton이다. 2공정에서는 trimming 및 piercing을 진행하고, 3공정에서는 closing공정을 진행한다. 3공정은 상형과 하형의 닫힘 공정으로 진행하면서 소재의 측벽 부위를 성형하고 2공정에서 piercing된 hole부의 burring 공정이 동시에 진행 된다. 그리고 마지막으로 riding bush의 B-Pin이 장착되는 부위를 Cam Flange가 튜브형상으로 성형한다. 성형해석 결과 1공정에서는 최대두께감소율 16%를 보이며 성형이 완료 되었지만 3공정에서 찢어짐이 발생하였다. 따라서 성형해석 결과를 바탕으로 기존 설계 모델의 hard point는 동일하게 유지하고, package에 문제가 없는 조건으로 제품 형상을 수정하여 성형해석을 다시 수행하였다. 그 결과 찢어지는 부위가 성형됨을 확인 하였다. figure 1. 은 제품형상 수정 전 수행한 성형해석 결과이며 figure 2.는 제품형상 수정 후 성형해석 결과이다. 따라서 수정된 금형을 이용한 성형해석 결과를 바탕으로 금형을 제작하고 try-out을 진행 하였다. 성형해석과의 결과 비교를 위하여 figure2 와 같이 두께 변화가 가장 큰 부분에 대하여 소재 변화율을 비교 하였으며 그 결과는 table 1.과 같다. 해석과 시제품의 두께 변화율에 대한 error rate는 10%미만으로 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있었다.
2.2 Mapping 기법 개발
상용 software인 Pam-stamp의 성형해석 결과를 읽어 드린 후 searching 알고리즘을 이용하여 Abaqus 및 Nastran input 파일에 thickness, residual stress x, y, z direction 및 equivalent plastic strain을 mapping할 수 있는 프로그램을 개발 하였다. Abaqus input file의 기본 형태는 다음과 같다. *NODAL THICKNESS에서 성형해석 결과의 두께 값을 입력하고, 각각의 유한요소에 SECTION을 생성할 수 있도록 프로그램을 CODING하였다.[4] 잔류응력에 대한 값은 *INITIAL CONDITION, TYPE=STRESS와 같이 표현되며 x, y, z 방향별 성형해석 결과를 입력하면 된다. 마지막으로 equivalent plastic strain의 경우 *INITIAL CONDITION, TYPE=HARDING으로 구분되며 성형해석 결과값을 각 요소별 section에 mapping하면 된다.[5] 구조해석용 유한요소 모델의 경우 figure 3.에서 보듯이 각 절점을 target으로 삼아 이를 기준으로 반지름이 R인 원을 가상적으로 생성시키고, 이 원 안에 포함되는 성형해석 모델의 절점을 찾은 다음 보간법(interpolation)을 이용해 구조 해석용 모델의 절점에 값을 입력하도록 구성하였다. 이는 equation 1. 과 같으며 여기서 εp(equivalent plastic strain) 에 관한 target은 구조해석용 유한요소 모델, source는 성형해석 유한요소 모델, R은 가상원의 반지름, Li는 source노드와 target노드의 거리이다. 두께의 경우 원 안에 해당하는 각 절점과 평균값을 사용하여 구조해석용 모델에 부여하였다.[6] |
자동차 현가장치 경량화 번역(영어 번역본)Suspension systems are responsible for the vehicles’ roadholding/handling and braking for good active safety and driving pleasure, and keeping vehicle occupants comfortable and a ride quality well isolated from road noise, bumps, and vibration, etc. FLCA (Front Lower Control Arm) is located between the knuckle and the sub-frame of Macpherson suspension system to constrain the vehicle movements in longitudinal and lateral directions. Recently, general steels have been replaced with high strength steels as a part of weight reduction of suspension systems. The weight reduction of suspension systems is more difficult than weight reductions of other vehicle components because the light-weight materials such as plastics, composites, and magnesium do not satisfy the rigidity, hardness, and endurance that are required by the suspension components. However, more researches and studies are necessary for the weight reduction in suspension systems because it can accomplish fuel efficiency improvements that are approximately 2~3 times of the improvements achieved by weight reductions of chassis and sprung masses.[1~3] 450~550 MPa grade steels have been traditionally used for the FLCA throughout the world and use of 700MPa grade steels have begun to gradually increase recently. The accuracy of FEM results have substantial influence on the weight reductions from the initial design stages to the production and testing of proto-type products.
In this study, the materials used for FLCA, in which 550MPa steel grade is used, were replaced with 1GPa steel grade, the shapes have been improved to resolve fabrication issues, and the interpretation tool model was actually fabricated to produce proto type products. As the results, it was able to produce results with relatively high reliability. Additionally, in order to improve the reliabilities of hardness and endurance analysis, a program which enabled mapping of Pam-Stamp’s out file in the file formats of Abaqus and Nastran was developed. These mapping results were then applied to the hardness and endurance analysis to validate the reliabilities of analysis results.
2 GETTING STARTED
The vehicle performance evaluation of FLCA must meet the buckling and durability performance requirements in longitudinal direction which is from the lateral side of the moving direction of vehicles.
In case of lateral directions, because most of the targets are satisfied if the buckling and fatigue performance in the longitudinal direction are satisfied and the requirements are relatively low, results were derived by assuming the bucking and fatigue performance in the longitudinal directions under worst case scenarios.
2.1 Tool Design and Product Fabrication through Forming Analysis
The objectives of recent studies are focused on accomplishing light weight design and assuring safety at the same time while using high strength steels. However, the higher strength of the steels means the lower high strength steels and the higher springbacks. Therefore, the problems that may arise during fabrication and matters that need to be addressed must be predicted through analysis. So, a forming analysis for the super high strength steels was performed under the process that is identical to what is currently being used and by using 550 MPa grade steel sheets with 4.0 mm thickness.
The thickness of steel sheets used for the forming analysis is 3.2 mm and the intention was to ensure the strength and weight reduction by reducing the thickness. Also, changes to the product design were suggested and the formability was reviewed through concept designs in order to produce performances that are similar to the mass production models. Stamping is the Process 1 which is a single action process. The stamping stroke is 15 mm and the blanking holding force is 60 tons. Trimming and piercing are performed in the Process 2, and closing is performed in the Process 3. The Process 3 consists of closings of upper parts and bottom parts. The side walls of the parts are also formed and the pierced holes are burred in the Process 3 as well. Then, at the last process, the Cam Flange forms the parts where B-Pins of riding bushes are to be fixed into tube shapes. The results of forming analysis showed that the maximum thickness reduction of 16% was accomplished in the Process 1, but some tearing occurred in the Process 3. Thus, another forming analysis was performed after setting the conditions in such a way that there is no problem in the package while keeping the hard points of previous design model the same based on the forming analysis results. As the results, it was confirmed that the parts were formed without any tearing. The Figure 1 shows the results of forming analysis before the product shape changes and the Figure 2 shows the results of forming analysis after the shape changes. Therefore, try-outs were conducted after making a tool using the results obtained from the forming analysis for the corrected tool. For the comparisons of the forming analysis, the materials’ rates of change have been compared as shown in the Figure 2 and the results are shown in the Table 2. The error rates for the rates of changes of thicknesses of the analysis and the prototypes are below 10%, which imply that the results are reliable.
2.2 Development of Mapping Method
A program which allows mappings of thickness, residual stress in x, y, and z directions, and equivalent plastic strain over Abaqus and Nastrain input files after reading the forming analysis results produced by Pam-stamp. The basic configuration of Abagus input file is as the following.
*The program was coded in such way that the forming analysis results are entered in NODAL THICKNESS and SECTION can be created in each finite elements.[4] The values of residual stress are expressed as *INITIAL CONDITION, TYPE=STRESS and the forming analysis results in x, y, and z directions can be entered. Lastly, for the equivalent plastic strain, the configuration is *INITIAL CONDITION, TYPE=HARDING and the forming analysis result values can be mapped into the sections of each elements.[5] As for the finite element model for the structural analysis, it was configured as shown in the Figure 3, so that each nodal point is used as the reference point of an imaginary circle with a radius R and the nodal points of the forming analysis model included in this circle are identified, and then the values are entered for the nodal points of the model for structural analysis by using interpolation. This is shown as the Equation 1 below and here, the target related to the εp(equivalent plastic strain) is the finite element model for structural analysis, source is the finite element model for forming analysis, R is the radius of the imaginary circle, and Li is the distance between the source node and the target node. In case of the thickness, each nodal points and the average values which fall in the circle were assigned to the structural analysis model.[6] |
