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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.2 pp.153-159
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.2.153

A Study on the Development of the Driveshaft for a 3.5-Ton Commercial Vehicle

Ki-Joong Sim*, Hong-Ju Moon*#, Namjin Jeon**
*Kunsan Advanced Technology Innovation Center, Kunsan National UNIV.
**The Institute of Technology, Hwa Shin Co
Corresponding Author : cadcam10@kunsan.ac.kr Tel: +82-63-469-4866, Fax: +82-63-462-4868
14/01/2018 04/03/2018 17/03/2018

Abstract


This paper suggests a way to improve the strength of the driveshaft, which is a vulnerable part of the drive axle system, for a 3.5-ton commercial vehicle. The driveshaft is composed of a universal joint with a spider and yoke, yoke shaft, etc. The driveshaft is developed by choosing design parameters for the spider and yoke such as the diameter and distance through the structural analysis of the driveshaft’s components. Some driveshaft design cases have been made and analyzed with ANSYS; the strength of the driveshaft parts are validated from these results to propose an optimal design case. Finally, we suggest a driveshaft system that satisfies the working conditions for a 3.5-ton commercial vehicle.



3.5톤 상용차용 구동축 개발에 관한 연구

심 기중*, 문 홍주*#, 전 남진**
*군산대학교 기술혁신센터
**(주)화신

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    R0002889

    Korea Institute for Advancement of Technology

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    상용차 구동 차축의 구동축은 종감속 장치를 거쳐 전달된 구동력을 바퀴에 전달하는 축으로 한 끝은 차동 장치의 사이드 기어에 결합되고 다른 끝은 구동 바퀴에 결합된다.

    특히, 조향 시에도 속도 변화 없이 회전력을 원 활하게 전달할 수 있도록 축과 유니버설조인트로 구성되어 있으며, 좁은 공간에서 큰 구동력을 전 달하는 제품으로 진동과 소음의 억제, 요구하는 동력을 원활하게 전달할 수 있는 비틀림, 굽힘 강 도를 만족하는 경량화 제품을 필요로 하고 있다. 구동축의 개발은 차량이 요구하는 구동력의 크기 에 따라 등속조인트의 종류와 핵심 구성 부품의 형상, 축 크기를 고려하여 결정된다.

    부품 경량화, 진동과 소음의 억제 및 구조적 강 성을 만족하는 구동 차축에 적용되는 축에 대한 연구는 상용 구조해석 소프트웨어를 이용한 사전 예측 및 검증에 대한 연구가 주로 이루어지고 있 다. 국대선 등[1]은 일체형 중공 구동축의 구조 안 정성 분석을 위하여 구동축에 대한 탄소성 유한요 소해석 모델을 생성하고 설계된 제품이 극한 강도 에서 파단이 발생되지 않음을 보였으며, 응력-수 명 피로해석을 수행하여 요구 수명을 만족함을 보 였다. 이호준 등[2]은 유한요소해석을 통하여 프로 펠러 샤프트 요크의 하부 포트 홀(Pot hole) 형상 이 비틀림 변형에 영향을 미칠 수 있음을 보이고 강도 개선에 효율적인 하부 형상을 제안하였다. 송현석 등[3]은 프로펠러 샤프트 구성 부품인 R_yoke에 대한 내구성 향상과 응력 저감을 위하 여 설계 변수에 대한 민감도 분석을 바탕으로 개 선 설계안을 제시하였다. 한동섭 등[4]은 구동축과 피동 축이 연결되는 프로펠러 샤프트의 교차각이 강도에 미치는 영향을 연구하였다. E. Avrigean 등 [5]은 유니버셜 조인트의 결합 유형 및 빈도에 관 한 시장조사 자료를 근거로 스파이더 부품을 주요 결함 요소로 선정하여 이에 대한 연구를 수행하였 으며, 이외에도 제품의 신뢰성 확보를 위하여 등 속조인트에 작용하는 접촉 하중 및 응력을 이론 적, 실험적으로 평가하는 연구[6], 샤프트의 경량화 에 따른 강성 및 NVH 특성변화에 관환 연구[7], 샤프트의 진동 특성이 구동계에 미치는 영향을 평 가하고 진동 저감 및 해석에 관한 연구[8~10]등 이 활발하게 진행되고 있다.

    위와 같이 내구성, 응력저감, 진동 소음 특성 등 다양한 연구가 진행 되었지만 구동 차축의 구 동 축 개발과 관련된 연구는 아직 미미하다. 이에 본 논문에서는 3.5톤 상용차에 적용할 구동 축 개 발을 위하여 유한요소해석 프로그램을 활용한 설 계 검증과 취약 부품의 형상을 개선하여 제품의 신뢰성을 높이고자 하였으며, 시제품 제작과 성능 시험을 통하여 적절한 제품을 개발하고자 하였다.

    2. 구조해석 모델 생성

    2.1 제품구성 및 메쉬생성

    대상 제품은 3.5톤 상용차의 구동축으로 차동장 치의 사이드 기어로부터 구동바퀴까지 구동력을 원활하게 전달하는 기능으로 더블카단 형식의 등 속조인트와 충분한 비틀림 강성을 갖는 축으로 구 성되어 있다. Fig. 1은 3.5톤 상용차용 구동축의 구성을 보여주고 있다. Fig. 2

    차량의 급격한 가감속, 조향 및 과하중 조건에 서도 충분한 비틀림, 굽힘 강도를 필요로 하는 제 품으로 더블카단 형식의 등속조인트는 센터 요크 에 2개의 십자축(Spider)이 결합되고 2개의 십자축 은 축에 결합된 요크와 연결되어 조향 시 회전 축 심이 임의의 각도로 교차되어도 원활한 동력전달 이 가능하다.

    구동축의 구조해석을 위하여 더블카단 조인트 의 센터 요크, 스파이더 및 요크 샤프트 부품을 Catia V5를 이용하여 모델링하고 구속조건을 부여 하여 조립 제품을 완성하였다. 해석 모델 구성 부 품 중 스파이더 고정 핀, 축, 요크의 미세형상 및 홀 등 해석 결과에 영향이 미미한 형상은 모델 생 성 과정의 오류, 해석 시간 단축을 위하여 단순화 하거나 제거하였다.

    해석 모델에 적용된 메쉬는 솔리드 모델링 제 품에 주로 사용되는 Tetra 메쉬를 사용하였으며, 스파이더, 요크 등 취약 제품으로 예상되는 부분 은 2~3 mm 크기의 메쉬를 생성하여 해석의 정확 도를 높이고자 하였다.

    Fig. 3에서 조립품, 각 부품에 대한 완성된 해석 모델을 보여주고 있으며, 취약 부품을 검토하기 위하여 탄성해석을 수행하였다. 구동축 각 부품의 물성데이터는 Table 1 에 보여주고 있다.

    구동축은 축 중심이 교차되는 상황에서 조인트 부에 원활한 작동이 가능하도록 접촉 조건을 부여 하였다. 더블카단 조인트를 구성하는 센터요크, 스 파이더, 요크 사이에는 조인트의 원활한 각도 변 경이 가능하도록 베어링이 삽입되어 있다. 각도 변경이 가능한 조건을 위하여 스파이더와 베이링 접촉면에서 회전이 가능하도록 접촉면 슬립을 허 용하는 “No separation”, 요크와 베어링 접촉면에는 슬립 및 떨어짐을 허용하지 않는 “Bonded” 접촉 조건을 적용하였다. Fig. 4는 해석모델에 적용된 접촉 조건을 보여주고 있다.Fig. 5

    하중 및 구속조건은 Fig. 5와 같이 구동 바퀴와 연결되는 요크 샤프트의 끝 부분은 축 방향 움직 임이 미미할 것으로 판단되어 완전 구속하였다. 차동장치의 사이드 기어를 통하여 구동축에 전달 되는 입력토크는 변속기, 중간 변속기, 종감속 장 치의 변속비를 고려하여 계산하였으며, 취약부 검 토를 위하여 2,000 N·m 토크를 기준으로 500 N·m 씩 증가시켜 총 5가지 입력 토크에 대한 최대 응 력 분포를 검토하였다.

    해석 결과를 바탕으로 개발품의 각 부품별 최 대응력 발생 부분에 대한 검토를 진행하였으며, 취약부 강도 개선을 위한 설계변경 모델(요크, 스 파이더 부의 반경 및 길이 변경)에 대한 해석을 진행하여 개발 목표에 가장 적합한 구동축을 개발 하고자 하였다. Fig. 6은 스파이더 외경 및 길이 변화 등 설계 변경 요소를 보여주고 있으며 총 4 가지 케이스에 대하여 해석을 수행하였다.

    3. 해석결과 및 제품개선

    3.1 기본모델 해석(Case 1)

    구동축의 최대응력 및 취약부 검토를 위하여 입력토크 변화에 따른 유한요소해석을 수행하였 다. 각 입력토크에서 최대응력은 토크의 증가에 따라 선형적으로 증가하였고 동일한 위치에서 발 생하였다. 또한, 각 부품의 항복응력 대비 최대응 력을 검토한 결과 스파이더1 부품에서 안전율이 1.2로 가장 낮았으며 Inner/outer yoke shaft, Yoke 순이었다. Fig. 7은 입력토크 2,000 N·m에서 구동 축 부품의 해석결과를 보여주고 있다.

    구동축 각 부품에 발생하는 최대 응력과 안전 계수(항복강도/ 최대응력)를 Table 2에 정리 하였 다.

    부품별 최대응력과 취약부를 검토한 결과 출력 부와 연결되는 스파이더 1에서 786 MPa 최대응력 이 발생하였으며 항복응력에 대한 안전계수는 1.2 로 계산되어 가장 취약한 부품이었다. 스파이더 2 또한 비슷한 크기의 최대응력과 안전계수를 보여 설계 시 스파이더 부품의 강도를 충분히 고려해야 함을 알 수 있었다. 부품별 안전계수 검토 시 입 력축, 출력축, 센터 요크, 출력 요크, 입력 요크 순 으로 취약함을 알 수 있었다.

    Fig. 8은 Spider, Shaft, Yoke 부품의 입력 토크 별 최대 응력을 보여주며, 토크의 증가에 따라 최 대 응력은 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있 었다. 스파이더 부품은 2,000 N·m 입력 토크 인가 시 최대응력이 786 MPa, 784 MPa로 항복 응력에 근접하였으며, 입력 토크 3,000 N·m 인가 시 항복 응력을 넘는 980 MPa 의 최대응력이 발생하였다. 그 외 부품에서는 최대 적용 토크 3,500 N·m 까 지 항복 응력보다 작은 값으로 충분한 강도를 갖 는 것을 알 수 있었다. 설계된 구동축에서 스파이 더 부품이 차량 사양에 적합한 제품 개발을 위한 취약 제품으로 입력 토크 3,000 N·m에서 안전한 제품을 개발하기 위하여 스파이더와 요크 연결부 의 직경과 길이를 변경하여 추가적인 해석을 진행 하였다.

    3.1 설계변경 모델 해석(Case 2, 3, 4)

    기본 모델과 비교하여 스파이더 길이를 20 mm 줄인 제품의 입력 토크의 변화에 따른 최대응력과 취약부를 분석하였다. 해석 결과 스파이더의 최대 응력은 7% 정도 작아졌으며 동일한 위치에서 발 생하였다. 스파이더 길이가 짧아짐에 따라 스파이 더에 발생하는 최대응력은 작아지나 스파이더에 연결되는 입출력 요크의 최대응력은 상승하는 것 을 알 수 있었다. 길이가 변경된 스파이더 제품은 2,500 N·m 입력 토크 인가 시 최대응력이 959 MPa, 940 MPa로 항복 응력에 근접하였으며, 입력 토크 3,000 N·m 인가 시 최대응력 1,152 MPa 로 항복 응력을 초과하였다. 그 외 부품에서는 입력 토크 3,500 N·m 까지 제품의 항복응력보다 작은 최대응력 값을 보였다.

    기본 모델 대비 스파이더 길이를 20 mm 줄이 고 직경을 6 mm 늘린 제품에 대하여 입력 토크 변화에 따른 최대응력과 취약부를 알아보았다. 기 준 모델과 비교하여 스파이더의 최대응력이 대략 51% (786 MPa -> 381 MPa)정도 크게 감소하였으 며 발생 부위는 동일하였다. 스파이더의 직경이 증가함에 따라 입출력 축의 최대응력은 감소하며, 입출력 요크의 최대응력은 증가함을 알 수 있었 다. 길이와 직경이 변경된 스파이더 부품은 3,000 N·m 입력토크 인가 시 모든 부품에서 제품의 항 복응력보다 작은 최대응력 값을 보였으며, 최대 4,000 N·m 토크 인가 시 모든 부품에서는 제품의 항복응력을 만족하는 결과를 얻었다. 반면에 스파 이더의 취약부의 강도 보강으로 입출력 축의 최대 응력이 크게 상승하여 취약부로 나타남을 알 수 있었다. Fig. 9는 주요 부품의 해석결과를 보여주 고 있으며, Fig. 10은 입력 토크별 각 부품의 최대 응력을 보여주고 있으며 입출력 축의 최대응력이 스파이더 부품보다 큰 것을 알 수 있다.

    기본 모델 대비 스파이더 길이를 9 mm 줄이고 직경을 6 mm 늘린 제품에 대하여 입력 토크 변 화에 따른 최대응력과 취약부를 분석하였다. 기본 모델과 비교하여 스파이더의 최대응력이 대략 44% (786 MPa -> 437 MPa)감소하며 최대응력 발 생 부위는 동일하였다. 변경된 스파이더 부품은 4,000 N·m 토크 인가 시 항복응력보다 작은 최대 응력이 발생하였으며, 입출력 요크, 축의 최대응력 은 케이스 3번과 비교하여 작게 증가하여 좀 더 안전함 제품임을 확인하였다. Fig. 11은 케이스 3, 4번의 해석결과를 비교하여 보여주고 있다.

    이상의 4가지 케이스에 대한 구조해석을 통한 구동축의 검증 결과 길이, 직경 변화에 의한 각 부품 별 최대응력의 발생 위치는 동일하게 유지되 었으나 취약 부품의 보강 방법에 따라 최대응력 및 취약부의 변화가 발생하였다. 구동축의 가장 취약한 부품인 스파이더는 길이는 작게, 직경은 크게 할수록 제품의 강도가 상승하지만 연결 부품 의 최대응력 변화 및 안전율을 고려하여 스파이더 형상을 결정해야 한다. 본 연구에서는 길이는 9 mm 줄이고 직경을 6 mm 늘린 제품이 스파이더 의 최대응력 감소와 연결부품의 최대응력 상승을 고려할 때 가장 최적의 제품이었다.

    4. 시제품 제작 및 시험평가

    구동축의 구조해석 결과를 반영하여 스파이더 및 요크 부의 설계 변경제품에 제조공정을 반영하여 최종 제품에 대한 3D 모델링을 완성하였다.

    완성된 설계를 근거로 부품의 제조, 가공, 열처리 및 조립과정을 통하여 더블카단 타입 구동축 시제 품을 완성하였다. Fig. 12는 더블카단 타입의 구동 축 조립품의 3D설계와 개발 시제품을 보여주고 있 다.

    설계 모델을 기준으로 제작된 3.5톤 상용차용 시 제품에 대한 정적강도, 내구성능 시험으로 제품의 성능을 확인하였다. 정적강도 시험은 MTS사의 215.45C의 로터리 액츄에이터를 이용하였으며, 해석 조건과 동일하게 400 Kgf․m 토크를 인가하여 강도 시험을 진행한 후 각 부품의 파손 및 균열여부를 확인하였다. 내구시험은 150 Kgf․m 토크를 인가하 여 15만회의 시험 후 제품의 이상 유무를 확인하였 다. Fig. 13은 시험장비 세팅 사진과 제품에 인가된 목표 토크 값을 보여주고 있다. 시험 후 각 부품에 대한 육안 검사 시 균열 및 파손일 발생하지 않았 다. 정강도 시험 및 내구시험 모두 정상적인 조건 에서 시험이 진행되었으며 제품이 요구하는 성능을 모두 만족하였다. 이는 제작된 시제품이 3.5톤 차량 에 적용할 수 있는 충분한 성능을 갖는 제품임을 알 수 있었다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 3.5톤 상용차의 차축 구동축 개 발을 위하여 설계된 제품에 대하여 구조해석 기술 을 적용하여 최대응력 발생, 취약부를 확인하였고 시험평가로 검증하였다. 구동축의 작동 조건을 고 려하여 다양한 입력 토크에서 구조해석을 수행하 였고 스파이더 부품의 직경, 길이 등 설계 변경된 제품 개발과정에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 입력 토크 변화에 대한 구동축의 해석 결과 가장 취약부는 스파이더 부품이었다. 스파이더 의 길이와 직경을 변경하면서 주요 부품의 최 대응력과 안전율을 검토하였으며, 적용 토크를 만족하는 제품을 설계 개발하였다.

    2. 스파이더 길이를 20 mm 줄이고 직경을 6 mm 크게 한 제품의 해석 결과 스파이더의 최대응 력은 기본 모델 대비 대략 51% 감소하였으며, 입출력 요크, 축의 최대응력이 증가하였다. 입 력 토크 4,000 N·m 토크 인가 시 스파이더의 최대응력은 762 MPa로 항복 응력 이내 값을 보였지만 입출력 축의 최대응력이 1,025 MPa 로 크게 상승하였다.

    3. 스파이더 길이를 9 mm 줄이고 직경을 6 mm 크게 한 제품의 해석 결과 최대응력은 기준 모델 대비 대략 44% 감소하였으며, 입출력 요 크, 축의 최대응력은 케이스 3번과 비교하여 작게 증가하였다. 스파이더의 응력 감소와 연 결 부품의 응력 증가를 고려할 때 가장 적절 한 설계 변경 제품으로 판단하였다.

    4. 개발된 구동축은 3.5톤 상용차의 구동축에 사 용할 수 있는 신뢰성 있는 제품임을 정적강도, 내구시험을 통하여 확인하였으며, 향후 실차 장착 시험을 통하여 개발품의 적용 및 생산이 가능할 것으로 판단된다.

    후 기

    “본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원 이 지원하는 경제협력권산업 육성사업으로 수행된 연구결과입니다.(R0002889)”

    Figure

    KSMPE-17-153_F1.gif
    Drive shaft configuration
    KSMPE-17-153_F2.gif
    Simplified model of the drive shaft
    KSMPE-17-153_F3.gif
    Mesh generation of the drive shaft
    KSMPE-17-153_F4.gif
    Contact conditions of analysis model
    KSMPE-17-153_F5.gif
    Boundary conditions of analysis model
    KSMPE-17-153_F6.gif
    Design parameters of the spider
    KSMPE-17-153_F7.gif
    Analysis results of the drive shaft
    KSMPE-17-153_F8.gif
    Maximum stress of the parts according to input torque
    KSMPE-17-153_F9.gif
    Stress results of the drive shaft parts (Case3)
    KSMPE-17-153_F10.gif
    Stress results of the parts according to input torque (Case3)
    KSMPE-17-153_F11.gif
    Maximum stress comparison(case3, case4)
    KSMPE-17-153_F12.gif
    Drive shaft design and sample product
    KSMPE-17-153_F13.gif
    Test set-up and conditions of the drive shaft

    Table

    Material properties of the axle shaft

    Maximum stress of the drive shaft parts with torque 2,000 N·m

    Reference

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