학사학위논문토션바 스프링의 강성에 대한해석적 연구Computational Study on the Stiffness of the Torsion Bar Spring00대학교 기계자동차공학부자동차공학전공0 0 02010. 2.학사학위논문토션바 스프링의 강성에 대한해석적 연구Computational Study on the Stiffness of the Torsion Bar Spring지도교수 0 0 0이 논문을 졸업논문으로 제출함2009. 11.00대학교 기계자동차공학부자동차공학전공0 0 0학사학위논문0 0 0의 졸업논문을 인준함2009. 12.심사위원장 (인)심 사 위 원 (인)목 차Ⅰ. 서론11. 연구배경12. 연구목적13. 연구방법1Ⅱ. 현가장치21. 현가장치의개요21)현가장치의 정의22)현가장치의 필요성22. 스프링31)기본사항32)스프링의 종류5(1) 판스프링5(2) 코일스프링6(3) 토션바스프링6(4) 공기스프링73. 토션바 적용차종84. 스프링재료의 물성치91)구조강92)티타늄9Ⅲ. 모델링과 해석101. 모델링101)브라케드 모델링102)토션바 모델링153)암 모델링164)토션바 스프링 어셈블리192. Simulation241)Simulation 재질 설정과 조건242)Simulation 검사항목 삽입과 실행29IV. 결론 및 향후과제361. 결론362. 향후과제38참고문헌39I. 서 론1. 연구배경자동차가 대중화됨에 따라 고객의 자동차에 대한 지식과 요구수준이 점차 높아지고 있으며, 자동차의 용도, 편리성, 경제성뿐만 아니라 출력, 정숙성, 승차감, 조종안정성 등의 기능적인 성능도 차를 구매하는 데 많은 영향을 미치고 있다. 현대 사회의 요구에 부응하여, 엔진과차체뿐만 아니라 샤시부품의 기술개발도 계속진보하고 있다.2. 연구목적현가장치가 갖추어야 할 첫번째 조건은 노면에서 받는 충격을 완화하기 위해 지면에 수직한 상하 방향으로 움직일 수 있는 유연성이 필요하다는 점이다. 그리고 두번째로는 여러 운전 조건에 대하여 바퀴에 발생하는 구동력, 제동력 및 선회 안전한 운전’ 으로 규정지을 수 있다. 이것을 다른 말로 표현하면 ‘승차감과 조종안정성 향상’ 으로 표현된다.‘유연하고 편안한 운전’ 은 평판한 노면의 직진 주행보다 울퉁불퉁한 비포장도로를 주행할 때 외부의 흔들림이 운전자에게 전달되지 않도록 이를 중간에서 차단하여야 확실하게 보장받을 수 있으며 그렇게 되어야만 좋은 차라고 할 수 있다.‘안정되고 편안한 운전’ 은 평탄한 노면의 직진 주행보다 비포장도로에서 커브 길을 회전하는 경우, 급 정차, 급 출발 시에 차체의 속도와 바퀴의 속도 차에 의하여 차량의 자세가 불안정해지는데, 이는 차량의 원심력 및 관성력에 의하여 롤링이나 피칭이 일어나서 차량의 자세가 불안정해지는 것이다.그런데 이러한 현상을 그대로 두면 차량의 일부분에만 집중적인 하중이 반복되어 부품에 편 마모가 일어나거나 운전자에게 불안감을 조성하여 안전한 운전분위기를 보장하지 못하므로 이와 같은 차량의 불안정한 자세를 최대한으로 줄이면 당연히 좋은 차가 될 수 있는 것이다.현가장치는 이와 같이 운전자에게 기분 좋은 승차감과 조종의 안정성을 주기 위하여 차량의 불안정한 흔들림이나 진동을 흡수하는 장치인 것이다. 현가장치는 그 외에도 몇 가지의 다른 역할을 담당하는데 일반적으로 현가장치의 목적을 다음과 같이 정리할 수 있다.(1) 차량의 무게를 지지(2) 도로상의 요철을 통과할 때 흔들림과 충격에 대한 완충작용(3) 타이어와 도로사이의 견인력 유지(4) 바퀴의 정렬상태 유지이상의 역할수행을 위하여 자동차에서 현가장치는 반드시 필요한 것이다.2. 스프링1) 기본사항스프링은 승차감 향상, 주행안전성 향상 및 차륜정렬 요소 보호의 역할을 한다. 차체에 대한 완충작용이 작으면 승차감과 주행안전성이 나빠지고 역학적 차륜 부하변동이 커진다.스프링의 역학과 관계있는 차량의 운동은 롤링, 피칭, 요잉, 그리고 상하 바운싱, 차체 자세변화 등이다.(1) 승차감(乘車感)자동차가 단일 방해물 또는 물결 모양의 노면을 주행하면 차체와 차륜은 수직운동을 하게 된다. 승차감을 위해프링을 사용하면 스프링 특정곡선을 비선형이 되도록 할 수 있다. 이 때 부하가 가해지면 차체의 고유진동수는 조금밖에 달라지지 않는다. 다판 스프링을 사용하게 되면 작동 중에 개개의 판사이에서 마찰이 일어나 진동을 다소 완화 하는 작용이 일어난다. 이것이 판 스프링에서의 댐핑작용이다.Fig 3 판스프링(2) 코일스프링승용차에서 가장 흔하게 사용되는 코일스프링은 원형단면의 스프링강 봉재를 코일 형태로 감은 것이며 외형은 주로 원통형, 원뿔형 등이 있고 형태에 따라 다양한 스프링상수를 나타낸다. 이들은 횡방향의 힘에 대해서는 저항력이 없으므로 주로 수직형으로 장착되어 차체축에 작용하는 힘만을 흡수한다. 이 때는 차체 플레이트와 가이드로드에 플레이트를 설치해야 한다. 코일스프링은 판 스프링과는 달리 진동에 대한 감쇠작용이 없으며 안정성을 좋게 하기 위하여 코일의 양단면이 평면으로 가공되어 있고 그 부분은 스프링의 작용과 관계없는 부분이므로 총감김수에서 이 부분을 제외한 유효감김수를 스프링의 강성으로 계산한다.Fig 4 코일스프링(3) 토션바 스프링토션바는 스프링강으로 된 원형의 봉이나 겹판형식을 사용한다. 차체에 고정시켜 차륜이 양쪽에서 불균형을 이룰 때 토션바가 비틀려서 스프링력을 발생시킨다. 토션바도 코일스프링과 같이 진동에 대해서는 감쇠작용이 없으므로 쇽업서버를 병용할 필요가 있다. 이 스프링은 단위중량당 에너지 흡수율이 다른 스프링에 비하여 크므로 경량화할 수 있으며 구조도 간단히 할 수 있는 등의 장점이 있다.Fig 5 토션바 스프링(4) 공기 스프링공기 스프링은 공기의 압축력을 이용하여 스프링 기능을 수행하도록 한 것으로서 압축공기로 채워진 고무실린더 또는 공기주머니를 가지고 있으며, 하부 컨트롤 아암과 함께 위아래로 움직임으로써 스프링 작용을 위한 압축공기를 만들어낸다. 공기주머니 위쪽에는 밸브가 있어 공기를 더하거나 배출하도록 열리고 밸브에 연결된 공기압축기는 공기스프링의 팽창상태를 유지하게 된다. 여기에는 높이 조절 기능이 있어 스프링의 높이를 일정하시작했.Fig 9 브라케트 SketchFig 10 브라케트 SketchSketch에서 ()누른뒤 Pad()를 이용하여 박스를 만들었다.Fig 11 브라케트 완성박스를 완성하면 해당면을 클릭하여 다시 스케치를 했다.Fig 12 브라케트 Pocket()을 이용하여 스케치한 후 Pocket()을 이용하여 안으로 만들었다.Fig 13 브라케트 Pocket만든 후에 다시 모서리에 D10mm를 똑같은 방법으로 만들었다.Fig 14 브라케트 PocketFig 15 브라케트 Pocket 완성2) 토션바 모델링Fig 16 토션바 Sketch()을 이용하여 스케치했다.Fig 17 토션바 SketchPad()를 이용하여 기둥을 만들었다.3) 암 모델링Fig 18 암 Sketch()을 이용하여 지금이 다른 2개를 만든다. 그 뒤로 () 으로 연결했다.Fig 19 암 SketchPad()를 이용하여 만들었다.Fig 20 암 Sketch()을 이용하여 스케치하여 Pocket()을 이용하여 만들었다.Fig 21 암 Sketch()을 이용하여 스케치하여 Pad()를 이용하여 원기둥을 만들었다.Fig 22 암 Sketch양쪽 동일하게 만들어 줬다.3) 토션바 스프링 어셈블리Fig 23 CATIA 어셈블리 초기화면Fig 24 CATIA 어셈블리 불러오기아이콘을 이용하여 파일을 열기 했다.Fig 25 CATIA 어셈블리()을 이용하여 각각의 부품을 자유시점으로 만들어 줬다.Fig 26 CATIA 어셈블리()을 이용하여 면과 면을 일직선 시켜주고()업그레이드를 하여일치 시켰다.Fig 27 CATIA 어셈블리1차적인 어셈블리가 우선 했다.Fig 28 CATIA 어셈블리()이용하여 물체의 중심선과 중심선을 일치시켜 ()업그레이드시켰다.Fig 29 CATIA 어셈블리()을 이용하여 면과 면을 일직선 시켜주고()업그레이드를 하여일치 시켰다.Fig 30 CATIA 어셈블리()이용하여 물체의 중심선과 중심선을 일치시켜 ()업그레이드 시켰다.Fig 31 CATIA 어셈블리 완성어셈블리가 완료가 됬다.저장시에g 44 SimulationAPPLY를 적용하면 구속된 면의 개수 FACE가 나온다.Fig 45 Simulation하중조건을 부여 했다.Fig 46 Simulation하중조건을 하려는 면들을 지정했다.Fig 47 SimulationAPPLY를 적용하면 하중된 면의 개수 FACE가 확인한다.Fig 48 SimulationAPPLY를 클릭하면 하중조건이 걸리면서 DEFINE BY의 벡터를 COMPONENTS로 변경했다.Fig 49 Simulation하중방향으로 하중값 10000 Pa 을 입력했습니다.Fig 50 Simulation등가응력을 지정했다.Fig 51 Simulation전체 변형량을 지정했다.Fig 52 SimulationFig 53 SimulationSOLVE를 클릭하여 해석을 실행 한다.Fig 54 Simulation전체 변형량을 선으로 보인다.Fig 55 Simulation토션바스프링을 해석 하였다.IV. 결론 및 향후과제1. 결 론Fig 56 모델별 조건변경 위치표 2 응력 결과 수치A모델B모델C모델D모델조건Diameter : 40mmHeight : 200mmDiameter : 10mmHeight : 200mmDiameter : 40mmHeight : 400mmDiameter : 40mmHeight : 100mm응력St2.061.263.601.74Ti2.061.263.671.73표 3 전체 변형량 결과 수치A모델B모델C모델D모델조건Diameter : 40mmHeight : 200mmDiameter : 10mmHeight : 200mmDiameter : 40mmHeight : 400mmDiameter : 40mmHeight : 100mm전체 변형량St0.00050.05210.00097.6932Ti0.00050.11220.00180.0002A~D 모델 까지의 해석을 결과 재료를 구조강과 티타늄 합금을 가지고 해봤습니다. 그리고 각각의 토션바 스프링의 길이와 두께를 다르게 하여 총 8번의 해석을 하였다. 표2 응력에서는 구조강이 1.26으로 B모델이 가
