Experimental Static Strength Evaluation of a Passenger Car ...€¦ · 장치는 로워 암과 어퍼 암이 각각 두 개의 링크로 구 성되어 기존 더블위시본 현가장치에

CopyrightⒸ 2013 KSAE / 124-22pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2013.21.4.166

<기술 논 문>

Transactions of KSAE, Vol. 21, No. 4, pp.166-173 (2013)

166

승용차 알루미늄 멀티링크 가장치 코 모듈의 실험 정강도 특성 평가

조 원 용1)․최 규 재*2)

군산 학교 자동차부품기술 신센터1)․군산 학교 기계자동차공학부

2)

Experimental Static Strength Evaluation of a Passenger Car Aluminium Multi-link Suspension Corner Module

Wonyong Cho1)․Gyoojae Choi*2)

1)Kunsan Automotive Technology Innovation Center, San 68 Miryong-dong, Gunsan-si, Jeonbuk 573-701, Korea2)School of Mechanical and Automotive Engineering, Kunsan National University, Jeonbuk 573-701, Korea

(Received 4 December 2012 / Revised 24 December 2012 / Accepted 3 January 2013)

Abstract : An aluminum suspension corner module is widely used in high class passenger cars to reduce vehicle weight and improve fuel economy. According to the change of material and suspension type, the evaluation of the static strength and failure mode of the corner module is important. In this study, static strength and failure mode analysis of aluminium multi-link suspension corner module is presented. Static strength test system is designed and static failure mode tests of the corner module are carried out in longitudinal, lateral, and vertical direction. From the resuls of the tests we found that the failure modes are different compare to those of the steel corner module. The static failure modes and load-displacement curves of this study will be used as a guidance in design of a passenger car aluminium multi-link suspension corner module.

Key words : Aluminum suspension corner module(알루미늄 가장치 코 모듈), Multi-link suspension(멀티링크 가장치), Static strength test(정강도 시험), Static failure mode(정 손모드)

1. 서 론1)

세계 으로 강화되고 있는 환경 규제로 인하여

자동차 산업의 이슈로 부각되고 있는 경량화 기술

의 확보는 자동차 업체의 경쟁력 제고와 직결되고

있다. 특히 연비 뿐만 아니라 승차감, 조종안정성 향상 등에 요한 역할을 하는 가장치 부품의 경량

화를 한 연구가 활발히 진행되고 있으며1,2) 알루미늄 부품의 용이 증가하고 있다. 이 알루미늄

가장치 코 모듈은 로어 암, 어퍼 암, 클 등 부분의 코 모듈 부품에 알루미늄을 용하여 스

링 하부 질량(unsprung mass)을 히 감소시킬 수

있어 고 차량 심으로 용을 확 하고 있다.

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

일반 으로 가장치 코 모듈을 개발하기 해

서는 강도 내구성을 확보해야 하며 개발된 모듈

의 성능을 평가하기 하여 내구시험 뿐만 아니라

정강도 시험을 실시하고 있다.3,4) 특히 자동차가 범, pot hole 통과, 차도와 인도의 경계석 충돌 등 타이어로부터 하 이 차량의 후, 좌우, 상하로 들어왔을 때 모듈 부품의 변형 좌굴, 손이 일어나는데 이와 같은 하 입력 상황에 한 정강도를

고려하여 가장치 부품 모듈을 해석 설계하고

있다.5,6) 그러나 알루미늄은 스틸에 비하여 연신율이 떨어지는 등 재질 특성이 기존 스틸과 다르게

나타나기 때문에 하 에 따른 손 형태가 기존

스틸 가장치 코 모듈과 달라지게 되어 알루미늄

가장치 코 모듈의 정 손 모드 분석의 필요


Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 21, No. 4, 2013 167

성이 두되고 있다.한 멀티링크 가장치는 고 차량에서 차량 운

동 성능을 향상시키고 설계 자유도를 확보하기

하여 채용이 증가하고 있다.7) 그러나 멀티링크 가장치는 로워 암과 어퍼 암이 각각 두 개의 링크로 구

성되어 기존 더블 시본 가장치에 비하여 부품수

가 증가하고 상 운동 발생부 가 많아 하 작

용 시 각 부품에 하게 하 배분이 이루어져야

하 에 견딜 수 있는 등 설계의 난이도가 높아지

게 된다.따라서 본 논문에서는 고 승용차량에 용된

알루미늄 멀티링크 가장치 코 모듈에 해 실험

연구를 통하여 후, 좌우, 상하방향의 정 손

모드를 분석하고 정강도 특성을 고찰하 다. 이를 해 본 논문에서는 멀티링크 가장치 코 모듈의

정강도 시험 평가 시스템을 구축하고 방향별 하

작용에 따른 모듈 구성 부품의 정강도 손모

드를 분석하 다.

2. 알루미늄 멀티링크 가장치 코 모듈

자동차 가장치는 노면으로부터 달되는 진동

이나 충격을 감쇠시킴으로써 차체의 손상을 방지하

고 승차감을 향상시키는 역할을 담당한다. 최근 스링 하부 질량(unsprung mass)을 감소시켜 성모멘트를 임으로써 승차감 조종 안 성을 확보

하기 하여 알루미늄 가장치 부품들이 확

용되고 있다.Table 1은 본 논문의 상차량 제원을 기술한 것

이며 가장치는 Fig. 1에 도시한 바와 같이 2개의 어퍼 암(upper arm), 로워 암(lower arm) 텐션 암

(tension arm)으로 구성된 멀티링크 방식이며 텐션 암 이외의 암류와 클(knuckle), 서 임(subframe)의 소재를 알루미늄으로 용하 다. Fig. 1(a)는 상차량 륜 알루미늄 가장치를 도시한 것이며

(b)는 가장치 코 모듈 부품을 도시한 것이다. 바퀴에 작용하는 후, 좌우, 상하의 하 을 각 링크가

하게 분산하여 받을 수 있는 구조로 되어 있으

며 일체형으로 된 어퍼 암과 로어 암을 가진 더블

시본식 가장치와 다른 하 달 구조를 가지고

있어 이에 따른 정 손모드 분석이 필요하다.

Table 1 Specification of a test vehicleItem Description

Suspension typeFront Multi LinkRear Multi Link

GVW 2,470kgWheel base 2,970mm

Overall length 5,060mm

(a) Front suspension module

(b) Corner module componentsFig. 1 Aluminium multi-link suspension corner module

3. 가장치 코 모듈 정강도 시험

3.1 시험 시스템

상차량 알루미늄 멀티링크 가장치 코 모듈

의 정 손 모드 분석을 하여 정강도 시험 평가

시스템을 구축하 다. 가장치 코 모듈을 장착할

U 임 지그를 설계하 으며 각 부품의 장착

치는 실차 장착 치와 동일하게 설계하 고 차량

설계 치에 휠 센터가 치하도록 구성하 다. 코모듈에 정강도 시험을 수행하기 해서는 하

을 발생시키고 제어가 가능한 유압 액 에이터가

필요하며 본 논문에서는 Table 2에 기술한 바와 같은 사양의 시스템을 사용하 다.

Wonyong Cho․Gyoojae Choi

한국자동차공학회논문집 제21권 제4호, 2013168

Table 2 Specification of static strength test facilitiesFacilities Specifications

Hydraulic actuator

Max. force 100kN Stroke ±125mm

Hydraulic power supply 340LPM, 3,000psiControl software MTS 793 software

상 가장치 코 모듈의 방향별 정강도 시험을

진행하기 해서 수평 수직 반력지그를 설계 제

작했으며 실차 장착상태를 구 하도록 모듈 각부의

고정 (hard point)을 이용하여 장착 지그를 설계하다. 한 정강도 시험에서 정확한 하 부여를

하여 하 인가용 어 터(loading adapter)를 설계하으며 어 터는 시험 진행 시 모듈의 변형에 향

을 받지 않도록 고안하 다. 하 인가부는 상하, 후, 좌우 6방향으로 직진 하 을 가해야 하며 코

모듈 변형이 발생할지라도 동일한 방향의 하 을

가할 수 있도록 선형 운동 가이드(LM guide) 가이드-어 터 조립부에 로드 앤드 베어링(rod end bearing)을 채용하 다. 어 터는 상 모듈의 휠 트(wheel nut)에 고정되도록 설계하 으며 타이어 지 에

하 이 정확히 작용할 수 있도록 휠 옵셋(wheel offset)과 동하 반경(dynamic loaded radius of tire)을 고려하여 어 터 구조를 설계하 다. Fig. 2는 정강도 시험을 진행하기 하여 액 에이터, 모듈 고정지그, 부하 인가 지그로 구성된 시험 시스템을 후, 좌우, 상하 방향별로 도시한 것이다.

3.2 시험방법

정강도 시험을 진행하기 해서는 륜 가장치

모듈을 U 임 지그에 장착한 후 후, 좌후, 상하 방향으로 하 을 작용시켜야 하며 이때 시험 방향

이외의 방향으로 하 간섭이 일어나지 않도록 시

스템을 설치하여야 한다. 이를 해 설계 제작된 시험 시스템에 상 가장치 코 모듈을 장착하고

실제 차량과 동일한 조립 상태를 구 하도록 부품

별 체결 토크를 수하여 체 모듈을 조립하 다. 조립된 코 모듈은 차량총 량(GVW) 상태의 설계 치에 맞추어 상하 변 를 고정하 으며 하방향의

경우 하강 스트로크(rebound stroke)로 고정하 다. 하 인가 반 편 모듈은 1G 상태를 유지하도록 고정하 다. 코 모듈에 인가되는 하 의 작용 속도

(a) Longitudinal direction

(b) Lateral direction

(c) Vertical directionFig. 2 Schematic design of static strength test system

는 0.3mm/s로 하 으며 이것은 정강도 시험 시 동

하 변화를 배제하기 하여 규정한 최 속도이다.상하, 좌우, 후 방향으로 하 을 인가하여 코

모듈에 손이 발생될 때까지 시험을 진행하 다. 한 방향 시험이 완료된 후 코 모듈을 분해하여

손형태를 분석하 으며 새로운 코 모듈을 재조립

한 후 다른 방향의 정강도 시험을 수행하 다. 이에 따라 6개의 코 모듈에 해 6개 방향으로 손이 발생할 때까지 시험을 진행하 고 이에 따른 정

손 모드와 하 -변 곡선을 도출하 다.



4. 시험결과 정 손모드 분석

4.1 후방향의 정 손모드 분석

Fig. 3은 후 방향에 한 정강도 시험 장면을 도시 한 것으로 Fig. 4와 5는 방향 하 -변 곡선과

코 모듈 손 부 를 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 최 하 49,686N, 변 53.02mm까지 텐션 암의 압축이 진행되었으며 이후 텐션 암의 굽

힘 발생으로 인하여 변 가 증가한 후 로어 암과

클을 연결하는 볼 조인트가 이탈되어 손이 발생

되었다. 이때의 변 는 119.2mm, 하 은 48,159N이었다.

Fig. 6과 7은 후방향 하 -변 곡선과 코 모듈

손 부 를 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 하 이 84,069N, 변 가 94.26mm일 때 손이 발생하 다. 휠 심부를 기 으로 작용하는 하 에

의해 서 임의 텐션 암 고정부가 뜯겨 나가는

형상으로 손이 발생하 다. 이것은 스틸 텐션 암

Fig. 3 Static strength test for longitudinal direction

Fig. 4 Displacement-load characteristics for forward direction

Fig. 5 Fracture scene for forward direction

Fig. 6 Displacement-load characteristics for backward direction

Fig. 7 Fracture scene for backward direction

이 충분한 인장강도를 가지고 후방향 하 을 지지

하지만 서 임 연결부가 뜯겨나가는 형태로

손이 일어나는 것은 연결부가 늘어나면서 변 가

증 하는 스틸 부품과는 다른 형태의 손모드를

보여주고 있다. 이것은 알루미늄의 연신율이 스틸에 비하여 작기 때문에 부러지듯이 손이 일어나

는 나타나는 상으로 볼 수 있다.

4.2 좌우방향의 정 손모드 분석

Fig. 8은 좌우 방향에 한 정강도 시험 장면을 도시 한 것이다. Fig. 9는 내측(inward) 방향 하 -변

곡선을 도시한 것이며 Fig. 10은 코 모듈 손 부

를 도시한 것이다. 타이어 지 으로 유입된 횡하

은 로어 암과 텐션 암에 의해 주로 지지되나 모멘

조원용․최규재


Fig. 8 Static strength test for lateral direction

Fig. 9 Displacement-load characteristics for inward direction

Fig. 10 Fracture scene for inward direction

트에 의해 허 베어링에 하 이 집 되면서 손

되었다. 이것은 로어 암, 텐션 암, 클, 어퍼 암 등 링크류의 강도가 충분하여 허 베어링에 손이 발

생한 것이며 이때의 하 은 48,712N, 변 는 75.31mm이다.

Fig. 11은 외측(outward) 방향 하 -변 곡선을

도시한 것이며 Fig. 12는 코 모듈 손 부 를 도시

한 것이다. 타이어 지면으로부터 코 모듈 외측

으로 작용된 하 은 이크 디스크에 모멘트를

발생시켜 디스크를 허 에 고정시키는 볼트를 탈거

Fig. 11 Displacement-load characteristics for outward direction

Fig. 12 Fracture scene for outward direction

시켰다. 이때 볼트가 순차 으로 탈거되면서 Fig. 11 그래 상에서 하 변동 형이 발생하 다.

4.3 상하방향의 정 손모드 분석

Fig. 13은 상하 방향에 한 정강도 시험 장면을 도시 한 것이다. Fig. 14는 상방향 하 -변 곡선을

도시한 것이며 Fig. 15에 코 모듈 손 부 를 도시

하 다. 상방향으로의 하 이 작용하면서 스 링의

압축에 따라 하 이 진 으로 증가되었으며 쇽업

소버 내부의 바운드 스톱퍼 후 압축되면서 하

이 격히 증가되었다. 쇽업소버 내부 바운드 스톱퍼가 최 로 압축된 후 로어 암과 클을 연결하

는 볼 조인트부에서 손이 발생하 다. 손 부는 스틸과 같이 늘어나면서 손이 이루어지지 않고

부러지는 듯한 손 형태를 가지고 있으며 이것은

알루미늄의 연신율이 낮은 특성을 반 한 것으로

단된다. 이때의 변 는 142.2mm, 하 42,118N으로 나타났다.

Fig. 16은 하방향 하 -변 곡선을 도시한 것이

며 Fig. 17에 코 모듈 손 부 를 도시하 다. 시험 기 치는 스 링에 의해 쇽업소버가 완 히



Fig. 13 Static strength test for vertical direction

Fig. 14 Displacement-load characteristics for upward direction

Fig. 15 Fracture scene for upward direction

늘어난 상태로 쇽업소버 내부의 리바운드 스톱퍼

에 하고 있는 상태에서 시험을 시작하 다. 하방향으로 하 이 작용되면서 쇽업소버 리바운드

스톱퍼가 압축됨에 따라 하 이 증가하다가 쇽업

소버 로드가 빠지면서 손이 발생하 다. 이것은 로어 암과 볼조인트에도 하 이 작용하지만 취약

한 쇽업소버 로드에서 먼 손이 발생한 것이다. 이때의 변 는 18.41mm, 하 은 14,200N으로 나타났다.

Fig. 16 Displacement-load characteristics for downward direction

Fig. 17 Fracture scene for downward direction

5. 정강도 특성 분석

Fig. 18은 코 모듈의 6 방향 손하 (정강도)을 차량 량에 한 비로 도시한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 후방향의 정강도가 14.46배로 가장 크며 이 값이 큰 것은 차량이 도로의 pot hole이나 범

등과 부딪치는 경우에 차량 량의 14.46배까지 견딜 수 있게 설계한 것을 의미한다. Fig. 19는 각 방향별로 정강도를 설계기 하 으로 나 어 도시한 것

Fig. 18 Static strength to vehicle weight ratio of the corner module for 6 directions

Wonyong Cho․Gyoojae Choi


Fig. 19 Measured maximum static strength to maximum design load ratio of the corner module for 6 directions

Fig. 20 Deformation of the corner module

으로 각 방향별로 어느 정도 안 율을 가지고 있는

지를 평가한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 모든 방향의 정강도가 설계기 하 을 상회하지만 상하

방향 정강도는 설계기 하 을 근소하게 상회하도

록 설계되어 있어 보완 설계가 필요하다고 할 수 있

다. Fig. 20은 각 방향별로 손이 발생할 때까지 최 변형량을 도시한 것으로 상하 방향을 제외한 경

우 75.31~119.2mm의 변형량을 보이고 있다.

6. 결 론

본 논문에서는 고 승용차량에 용된 알루미늄

멀티링크 가장치 코 모듈에 해 실험 연구를

통하여 후, 좌우, 상하방향의 정 손모드를 분

석하고 정강도 특성을 고찰하 으며 다음과 같이

요약할 수 있다.1) 알루미늄 멀티링크 가장치 코 모듈의 정

손모드 분석을 한 용 시험 시스템을 설계

구축하 다.2) 하 유입에 따른 주요 부품의 변형 손 형

태, 취약부 등 방향별 정 손모드를 분석하

으며 가장치의 기구학 특성과 재질 변화에

따라 기존 스틸 코 모듈과 다른 손 특성을 나

타냄을 확인할 수 있었다.3) 각 방향의 정강도를 차량 량과 기 설계하

에 하여 비교 분석하 으며 모든 방향의 정강

도가 기 설계하 을 만족하고 있으나 상하방

향의 경우 추가 인 보완설계가 필요함을 알 수

있었다.본 논문에서 실험 연구를 통해 분석한 정

손모드 하 -변 특성은 향후 알루미늄 소재를

용한 멀티링크 가장치 코 모듈 개발 시 비교

기 으로 활용될 수 있을 것이다.

후 기

본 논문은 지식경제부의 부품･소재기술개발사

업으로 수행된 연구결과임.

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Documents

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