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차체부품접합을 위한 Flow Drill Screw 시험
최현범(Hyun Bum CHOI),최강훈(Kang Hun CHOI),이상헌(Sang Heun LEE) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
전 세계적으로 강화되는 환경정책으로 인한 자동차 배기가스 규제에 대응을 위한 연비개선 방안도출은 각 자동차 메이커에서 주요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 전기 에너지를 동력원으로 하는 전기 자동차는 주행거리 확보를 위하여 배터리 용량을 늘렸으며, 이에 따른 차체 중량이 증가하는 문제가 야기되었다. 이에 전체 중량의 30%를 구성하는 차체 (BIW : Body In White)를 경량소재를 적용함으로 중량 감소를 통한 연비개선을 달성하고자 하는 연구로 알루미늄 등 경량소재를 차체부품으로 점차적으로 적용이 늘어나고 있다. 이에, 경량소재 차체부품간의 접합의 중요성이 커지고 있다. 본 논문에서는 알루미늄 차체부품 간 접합으로 국내/해외 양산차 모델에서 접합부재(Drilling Screw)를 고속회전 마찰로 박판의 부품을 관통하여 결합되는 Flow Drill Screw를 이용하여 이종소재별 접합시험을 진행하였다. 시편은 KS B 0851 규격을 참고하여 100*30mm 사각재로 겹침시편으로 제작을 하였으며, 소재 구성은 Al 6061, ALDC12 그리고 590/780MPa급 고장력강으로 구성하였다. 당사에서 선행된 알루미늄 박판 Flow Drill Screw 접합 조건과 관련 해외 업체와의 검토를 통하여 접합 Drill Tool 조건을 선행 조건 대비하여 증가한 툴 회전수 및 툴 가압력등을 Fig 1와 같이 설정하였고 강판을 별도의 홀 가공없이 접합을 진행하기 위한 신규 접합부재를 선정하였다. 제작된 접합시편은 만능재료시험기로 2mm/min 인장속도로 구성별 Flow Drill Screw 접합강도를 측정하였다. 접합강도 시험결과는 Al 6061/590MPa는 7.19KN, Al6061/780MPa는 7.58KN으로 나타났으며, ALDC12/590MPa는 6.22KN 그리고 ALDC12/780MPa는 6.84KN으로 나타났다. 접합강도인 4.7KN이상을 확보한다는 목표치는 달성하였으며, Flow Drill Screw 접합시편 파단형상을 살펴보면, Al6061 경우 접합부재가 파단이 되는 반면, ALDC12는 모재가 파단된 형상으로 나타나 ALDC 12의 모재 조직내 기공 등 취약부로 인하여 Al6061 대비하여 낮은 접합강도 값 가지는 것으로 판단된다. [그림 본문 참조]
최현범(Hyun Bum CHOI),백승엽(Seung Yeup BACK),최강훈(Kang Hun CHOI),이상헌(Sang Heun LEE) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.6
전 세계적으로 강화되는 환경정책으로 인한 자동차 배기가스 규제에 대응을 위한 연비개선 방안도출은 각 자동차 메이커에서 주요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 전기 에너지를 동력원으로 하는 전기 자동차는 주행거리 확보를 위하여 배터리 용량을 늘렸으며, 이에 따른 차체 중량이 증가하는 문제가 야기되었다. 이에 전체 중량의 30%를 구성하는 차체 (BIW : Body In White)를 경량소재를 적용함으로 중량 감소를 통한 연비개선을 달성하고자 하는 연구는 지속적으로 수행되고 있으며 차체 외 후드(Hood), 테일게이트(T/Gate), 도어(Door) 등에 확대되어 일체형 프레임 구조 및 경량 재질 적용 등 영향을 미치고 있다. 하지만, 국내 완성차 업체는 해외 완성차 업체와 비교하여 소극적인 변화를 보여주고 있다. 본 연구에서는 해외 경쟁차의 프론트 도어 실물에 대하여 비틀림 정강성(Torsion Static stiffness) 및 동강성(Dynamic stiffness) 시혐을 수행하여 국내 완성차 도어 기준 또는 강성시험 결과와 비교하여 구조적인 차이점을 도출하고자 한다. 유럽 업체 1종 및 아시아 1종으로 해외 경쟁차의 프론트 도어를 선정하였으며, Door Frame 일체형, 분리형과 Door Inpact beam 형태에 따라 PNL형태와 환봉(Pipe) 형태 등으로 구조를 나눌수 있다. 비틀림 정강성은 Fig 1 같이 도어를 고정 한 후, 도어 상단 코너에 350N의 하중을 가하여 비틀림 변형량을 측정하였다. 측정결과 유럽차종은 12.55mm, 아시아 차종은 17.36mm, 유럽차종 만 국내 완성차 기준인 16mm 이하 기준을 만족하였다. 특히, 아시아 차종은 프레임 도어 형태로 프레임 용접연결부위가 하중 가하는 경우, 응력 집중되는 취약부 역할을 하여 이와 같은 결과 차이가 나타난 것으로 판단된다. 정강성은 Fig 2와 같이 도어를 메달아 진동해머로 도어의 지정부위를 타격하여 나타난 진동값을 구하였다. 동강성 시험 결과, 1차 고유진동수는 유럽차종은 33.08Hz, 아시아 차종은 38.85Hz로 나타나 둘 다 공진 주파수 30Hz를 회피한 결과를 나타났다. [그림 본문 참조]
최현범(Hyun Bum Choi),최강훈(Ganghun Choi),이상헌(SangHeun Lee),박승연(Seungyeun Pack),김재열(Jae Yeal Kim) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
전 세계적으로 지구 대기환경에 대한 연비 규제강화는 매년 4~5%강화되는 추세로 규제 불만족시 벌금 부과, 경우에 따라서는 판매 금지 등 제한 조치가 내려지고 있다. 특히, 배터리 전기차량 (Battery Electric Vehicle) 모델이 포함된 친환경 차량 라인 업 확대로 배터리 팩 중량으로 인한 차체중량 증가로 인하여 경량 차체 부품 개발의 중요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 고강도 알루미늄/고강도 강 소재 적용하여 양산품 대비 20% 경량화된 센터플로어 모듈에 대한 정강성 및 동강성 시험을 통하여 양산개발 기준을 달성여부를 확인하였다. 경량 센터 플로어는 알루미늄 7000계를 압출 제작된 SIDE SILL, 알루미늄 6000계열 냉간 프레스 성형 차체 PNL, 1GPa급 고강도 강 CROSS MEMBER로 제작되었다. 경량 센터플로어 정강성은 프론터 및 리어 플로어 연결되는 부분을 고정한 뒤, Photo 1과 같이 탑승자 위치인 CROSS MEMBER-FR에 수직한 방향으로 하중을 각 부분별로 10Kgf씩 증가하여 50Kgf까지 변위를 측정하여 Table 1. 같이 하중 대비 경량 센터플로어 변위량을 계산하여 산출하였다. 정강성 측정결과 하중 증가에 따라 미미한 값 차이는 있으나 평균 1195N/mm로 양산 정강성 기준인 1000N/mm를 상회한 결과를 얻었으며, 모사 해석으로 오차율 11.2%로 1330.14N/mm로 정강성 기준에 만족한 결과값이 나타났다. 동강성 시험은 정강성 시험과 동일하게 고정된 경계조건에서 Photo 2과 같이 경량 센터플로어를 진동해머로 타격하여 나타난 1차 고유진동수를 측정하는 방법으로 진행하였다. 동강성 시험결과, 1차 37.7Hz로 측정되었으며, 동강성 모사 해석결과, 오차율 11%인 1차 33.56Hz로 도출되어 주행 중 발생하는 고유 진동수 영역 20~30Hz를 회피하는 것으로 나타났다.
최현범(Hyun Bum CHOI),박승연(Seung Youn PARK),최강훈(Kang Hun CHOI),이상헌(Sang Heun LEE) 대한기계학회 2020 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2020 No.8
최근, 오토캠핑 등의 여가활동과 인터넷 쇼핑으로 인한 택배화물 수송물량의 증가로 현 상용차 확장모델에 대한 요구가 대두 되고 있다. 하지만, 대다수 상용차는 디젤기관을 동력원으로 하기에 강화된 정부의 환경정책으로 인한 자동차 배기가스 규제에 대응을 위한 연비개선 방안도출은 각 자동차 메이커에서 주요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 자동차 총 중량의 30% 내외를 구성하는 차체 (BIW : Body In White)는 경량소재를 적용함으로 중량 감소를 통한 연비개선을 달성하고자 하는 연구는 지속적으로 수행되고 있다. 상용차체는 반복되는 중량물 상하차, 오토캠핑에 의한 취사장비 및 거주자 탑승 등으로 강도와 안전성 확보가 가능한 고장력 강 선정하여 두께 감소를 통하여 경량화를 구현하고 있다. 본 연구에서는 고장력 강을 적용한 상용차체의 후방부 (Rear Floor) 확장모델에 대한 동강성(Dynamic stiffness) 을 기존 상용차체와 해석을 수행하여 비교하여 동등이상 확보가 가능한 개선안을 도출하고자 한다. 먼저, 기존 상용차체와 개발 확장된 상용차체 Modal Test를 통한 1차 고유진동수 범위를 통한 강성비교를 수행하였다. 동강성 해석결과, 기존 상용차체의 1차 고유진동수는 20.3Hz, 개발 상용차체는 18.7Hz로 저하된 결과값으로 차체확장이 시작되는 지점부터 취약부로 도출되어 길이연장 및 소재두께 감소가 원인으로 판단된다. 개발 확장된 상용차체 개선으로 취약부에 적용을 위한 REINF-BRKT를 강성확보를 위해 굴곡 형상 및 중량 절감을 위하여 홀(Hole)을 반영 제작하였다. 개선1차 개발 상용차체 동강성 해석결과는 20.2Hz로 기존 상용차체와 동등한 결과값을 나타냈다. 또한, 동시성형기술로 제작된 SIDE MBR RR-RR를 개발 상용차체에 적용된 동강성 해석결과는 23.7Hz로 기존 상용차체 보다 높은 결과값이 나타나 본 연구에서 최종 목표로 한 동시성형 제품 적용에 대한 경량 및 동강성 증가 효과를 갖는 확장된 상용차체 모델을 확보 하였다. [그림 본문 참조]