1. 서 론
차량 개발 중 평가되는 항목으로 로드휠의 필드 내구 문제 발생을 예방하기 위하여, 단품 내구 시험인 굽힘 방향 피로 시험(Cornering Fatigue Test, CFT)과 반경 방향 피로 시험(Radial Fatigue Test, RFT)이 국가 표준인 KS R ISO 3006에 기반하여 이루어지고 있다.(1) CFT와 RFT는 각각 휠의 디스크와 림 영역의 내구 성능 평가를 위한 시험이며, 당사에서는 위 표준에 기반한 로드휠 ES(Engineering Specification)를 제정하여 개발에 적용 중이다. 주행 중 휠의 파단 시에는 큰 사고로 이루어질 수 있으므로 개발 단계의 성능 평가가 매우 중요하다.(2,3) 지난 2017년 1월 「자동차 및 자동차 부품 성능과 기준에 관한 규칙」 개정안이 공포되었고, 유예기간 1년 후인 2018년 1월부터는 안전기준 개정안 기준으로 휠을 개발 중이다. 이 기준은 유럽 기준인 ECE R-124로부터 개정 되었는데, 적용 하중 및 목표 수명 기준이 기존 조건과 일부 상이하다. 때문에 국내 제작사는 기존-개정안 간 내구 가혹도를 비교 검토 할 필요가 있다. 유한요소 해석은 많은 비용과 시간을 필요로 하는 다수의 반복된 시험 대신 부품의 기계적 특성을 빠르게 검토할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 자동차 휠 내구 시험법의 안전기준 개정안이 기존안 대비 가혹 한지 유한요소해석을 이용하여 검토 하였으며, 이에 대한 대응 방안을 고찰해보았다.
2. 본 론
2.1. 모델 선정
당사에서 개발 완료 및 개발중인 차량의 스틸/알루미늄 휠 중 각각 4종과 8종을 사이즈 및 재질 별로 Table 1과 같이 선정하였다.
Table 1.
The list of Steel/Aluminum wheels
2.2. 검토 조건
내구 해석에 앞서 CFT 및 RFT의 하중 및 수명 조건을 비교하였다. 안전기준 기존안과 개정안 기준 하중 계산식이 다르며 목표 수명 또한 다르기 때문에 어떤 조건이 더 가혹할 지는 시험 또는 해석이 없이 예측이 불가능하다.
2.2.1. 굽힘 방향 피로 시험(CFT)
차량 선회 시 횡 하중에 관한 내구 성능 개발을 위하여 굽힘 방향 피로 시험(CFT)이 이루어지고 있다. CFT는 Fig. 1과 같이 휠을 고정시키고 휠 하부에서 굽힘 모멘트를 반복적으로 가하여 내구 성능을 평가한다.
식 (1)은 CFT시험의 모멘트 하중(M) 계산 식이다(1). 식의 각 파라미터와 목표 수명이 기존 대비 변경되었으며, 상세 값은 국가 표준 KS R ISO 3006에서 확인 가능하다. 개정안은 기존안 기준과 다르게 두 개의 하중 조건으로 각각의 목표 수명을 평가한다.
μ : 마찰계수
R : 타이어 반지름
d : 휠의 인셋(inset) 또는 아웃셋(outset)
Fv : 제작사 규정 휠 최대 하중
S : 가속 시험 계수
2.2.2. 반경 방향 피로 시험(RFT)
CFT와 마찬가지로 주행 시 차량 중량에 따른 반경 뱡향 내구 성능 개발을 위하여 반경 방향 내구 시험(RFT)이 이루어진다. Fig. 2와 같이 휠을 장착 한 후 반경 방향으로 하중을 반복적으로 가하여 내구 성능을 평가한다.
식 (2)는 RFT 시험의 반경 방향 하중(Ft) 계산 식이다.(1) 이 또한 기존안 기준 대비 안전률과 목표 수명이 변경되었다.
Fv : 제작사 규정 휠 최대 하중
K : 가속 시험 계수
2.3. 내구 성능 검토
2.3.1. 변형률-수명 접근법
탄-소성 변형을 갖는 부재의 전 변형률은 탄성 변형률과 소성 변형률의 합이므로 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
위 식에서 탄성변형률은 피로 강도 계수 σ'f와 피로 강도 지수 b로, 소성변형률은 피로 연성 계수 ε'f와 피로 연성 지수 c를 이용하여 다시 나타낼 수 있으며, 식 (3)은 식 (4)와 같이 변환 될 수 있다.
식 (4)의 변형률-수명 접근법과 Miner’s rule, Rainflow Counting를 이용하여 휠의 누적 데미지를 합산, 내구 수명(Nf)을 계산하였다.
2.3.2. 유한 요소 해석
당사의 해석 표준을 적용하여 모든 휠 모델의 메쉬 사이즈, 타입, 하중 적용 방법 등을 모두 동일하게 적용하였고, Fig. 3의 스틸/알루미늄 휠 해석 모델 예시이다. Hypermesh를 이용하여 메쉬 모델링 하였고, Abaqus를 이용 정적 해석을 수행하였다. 정적 하중 해석 결과를 내구 해석 프로그램인 MSC fatigue를 이용하여 해석을 수행하였다. 기존-개정안 기준 간의 내구 성능을 내구지수 개념을 이용하여 상대 비교 하였으며, 내구지수 1.0 이상일 시 목표 수명 만족으로 판단하고 지수가 클수록 내구 성능이 유리하다.
2.3.3. CFT 해석 결과
Fig. 4에 SC 16인치 스틸/AC 16인치 알루미늄 휠의 CFT 해석 결과를 나타내었다. 기존안과 개정안 기준으로 내구 해석 시 취약부는 동일하게 나타났고, 내구 지수 차이만 있었다. CFT 의 취약부는 스틸 휠의 경우 벤트 홀, 알루미늄 휠의 경우 스포크 중간에 위치한다. 각 스틸/알루미늄 휠의 기존안과 개정안 CFT내구지수를 Table 2에 나타내었고 이를 Fig. 5에 상대 비교하였다.
Table 2.
The CFT safety factor of Base/Revision criteria
한 개의 하중-수명 조건이었던 기존안과 다르게 안전기준 개정안은 하중-수명 조건이 각각 다른 Case1, Case2 두 개의 조건을 만족하도록 변경되었다. 스틸 휠의 CFT내구지수는 기존안 대비 개정안 기준 Case1 하중 적용 시 동등 수준이며, Case2 하중 적용 시 8~14%내구지수 증가 양상을 보였다. Case1, 2 하중 모두 기존안 대비 개정안 기준 내구 지수가 높아 유리할 것으로 판단된다.
알루미늄 휠의 개정안 Case1 하중은 식 (1)과 개정안 기준 파라미터를 이용하여 계산 시 모두 기존안 기준보다 작고, 목표 수명은 같으므로 해석 또는 시험 수행 없이도 개정안이 덜 가혹하다고 판단할 수 있다. Case2 하중은 개정안 기준이 기존안 기준 대비 내구지수가 15~20% 크다.
위의 결과에서 스틸/알루미늄 휠 안전기준 개정안 기준 CFT내구 성능은 기존안 기준 대비 동등 이상 수준으로 예상된다.
2.3.4. RFT 해석 결과
식 (2)의 반경 방향 하중(Ft) 계산 시 스틸 휠의 경우 기존안과 개정안 기준 하중 크기가 동일하고, 목표 수명은 기존안 대비 개정안이 작기 때문에 스틸 휠 RFT 내구 성능은 해석 검토 없이 개정안이 유리할 것으로 판단된다.
Fig. 6은 일반 타이어 사이즈의 15인치 알루미늄 휠과 저 편평비 타이어 사이즈의 18인치 알루미늄 휠의 RFT해석 결과이다. RFT내구 해석의 경우 반경 방향의 하중이 반복적으로 들어오기 때문에 최 취약 부는 모두 림의 반경 방향에서 나타났다. 마찬가지로 기존안과 개정안 기준의 내구 해석 취약부 위치는 동일하였고, 내구지수 차이만 있었다. 각 휠의 내구 지수 및 타이어 사이즈 정보를 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
The RFT safety factor of Base/Revision criteria
Fig. 7은 알루미늄 휠의 기존안/개정안 기준 내구지수를 상대 비교한 결과이다. 일반 사이즈 타이어가 적용되는 휠의 경우 기존안 대비 개정안 기준 내구지수가 4~7% 증가하였고, 저 편평비 사이즈 타이어가 적용되는 휠의 경우 2~4% 내구지수가 감소하였다. 저 편평비 휠은 타이어 단면 높이가 일반 타이어보다 작아 림에 적용되는 하중이 더 가혹할 것으로 판단된다.
기존안 대비 개정안 기준 알루미늄 휠 RFT내구 성능은 일반 사이즈 타이어일 경우 동등 이상, 저 편평비 사이즈 타이어일 경우 미소 가혹 수준으로 예상된다. 하지만 현재 개발 기준 성능 여유가 있는 편이고, 기존-개정안 기준 간 내구 가혹도 차이가 크지 않으 므로 개발 대응 가능 할 것으로 판단된다.
3. 결 론
위와 같은 자동차 휠 안전기준 개정에 따른 내구 가혹도 검토를 통하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
1) 스틸/알루미늄 휠 안전기준 개정안 기준 CFT내구 성능은 기존안 기준 대비 동등 이상 수준으로 예상된다.
2) 안전기준 기존안 대비 개정안 기준 알루미늄 휠 RFT내구 성능은 일반 타이어일 경우 동등 이상, 저 편평비 타이어일 경우 미소 가혹수준으로 예상된다. 하지만 현재 개발 기준 보다 성능 여유가 있는 편이고, 기존-개정안 기준 간 성능 차이가 크지 않으므로 개발 대응 가능할 것으로 판단된다.
3) 산포인자로 인한 시험의 불확실성을 피하고 다수의 중복된 시험 수행 없이 휠 내구 가혹도 검토를 통하여 안전기준 개정안 대응 가능성을 판단하였다.
