국민대) 프레임 정적 강성 실험

목차

< Shock Absorber Test >

1. 실험을 통해 얻은 data를 가지고 damping characteristic curves를 그리시오.

2. Shock Absorber의 인장, 압축 시 감쇠력이 다른 이유를 승차감 차원에서 설명하시오.

3. 전자제어식 현가시스템(ECS : Electronic Controlled Suspension)의 기능인 차체의 자세 제어(handling control), 진동 제어(ride control), 주행 안정성 제어(driving safety control)에 대하여 간략히 설명하시오.

< 차체 프레임(Body Frame) 정적 강성 시험 >

1. 강도와 강성의 차이

2. 그래프

3. 계산

4. 고찰 및 느낀 점

본문내용

ing force가 크면 조종안정성은 높아지지만, 승차감이 떨어졌다. 즉, damping force가 크다고 해서 반드시 현가장치의 주요 설계목표를 달성시키는 것이 아니라는 것을 알게 되었다.
자동차에는 다양한 종류의 진동과 다양한 용도가 있다. 진동을 완화시킬 수 있으면서도, 목적과 용도에 따라 Shock Absorber의 damping characteristic을 설계해야 한다는 것을 알게 해주는 실험이었다.
< 차체 프레임(Body Frame) 정적 강성 시험 >
1. 강도와 강성의 차이
(1) 강도(strength) : 물체의 강한 정도.
재료에 하중이 걸린 경우, 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다.
인장강도· 압축강도· 굽힘강도· 비틀림 강도 등이 있다.
인장강도 - 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정
압축강도 - 짧은 기둥모양의 시료에 축 방향으로 압축하중을 가하여 측정
비틀림 강도 - 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산
(2) 강성(stiffness) : 재료에 변형을 가할때 재료가 그 변형에 저항하는 정도를 나타낸 것.
탄성체에 외부의 힘이 가해졌을 때의 변형은 힘이나 모멘트의 크기 외에 탄성체의 형상, 지지방법, 재료의 탄성계수 등에 따라서 달라진다.
일반적으로 재료의 강성은 단위변화량에 대한 외력의 값으로 나타낸다.
신장강성 : 인장에서 신장은 외력에 비례하는데, 단위신장을 주는 외력을 신장강성이라고 한다.
휨 강성 : 빔을 구부릴 때 빔의 처짐 곡선의 곡률은 휨모멘트 M에 비례하며, (탄성률 E)×(단면 2차 모멘트 I)에 반비례한다. 곡률은 휨모멘트 M이 같아도 E×I가 작을수록 크다. 그러므로 EI는 처짐 곡선에서 곡률의 크기를 나타내는 계수이다. 이것을 휨 강성이라고 한다.
비틀림 강성 : 막대를 비틀 때, 단위 길이 당의 비틀림 각은 비틀림 모멘트에 비례한다. 단위 비틀림 각을 주는 비틀림 모멘트를 비틀림 강성이라고 한다.
강도와 강성의 관계를 일상적으로 관찰할 수 있는 물건의 예를 들어보자.
① 강성은 낮고, 강도가 충분히 큰 경우 : 스프링, 고무공
② 강성이 높고, 강도가 약한 경우 : 유리컵, 계란
③ 강성도 강도도 크지 않은 경우 : 젤리
④ 적당한 강성과 강도를 가진 경우 : 야구방망이, 자동차
2. 그래프
Frame의 굽힘 강성 좌측 우측 변위
좌측 최대 변위 : 1.29 mm
우측 최대 변위 : 1.35 mm
Frame의 비틀림 강성 좌측 우측 변위
좌측 최대 변위 : 2.36 mm
우측 최대 변위 : 1.66 mm
Frame의 굽힘 선형성 확인 (좌측5번, 우측 5번)
Frame의 비틀림 선형성 확인 (좌측 3번, 우측 13번)
3. 계산
Frame의 굽힘 강성 계산
W
[kgf]
Frame Mass
[kg]
[m]
[m]
[m]
[m]
DODGE RAM
300
207
3.255
1.395
1.86
1.395
하중이 중간지점에 작용했으므로, 중간지점에서의 변위가 가장 정확한 값이고, 가장 확연히 드러나는 값이다. 따라서 5번 지점에서의 변위를 y값으로 하여 계산한다. 5번 지점에서의 좌측 최대 변위는 1.29 mm이고, 우측 변위는 1.35mm이고 두 값의 차이는 크지 않다.
y값이 클수록 강성 값이 더 작게 계산되는데, 차체의 안전을 위해서 근소한 차이지만 강성을 최소 평가하기 위해 1.35m를 y 값으로 계산한다.
y = 1.35m
Frame의 비틀림 강성 계산
T
[kgf.m]
Frame Mass
[kg]
B[m]
[m]
[m]
DODGE RAM
101.54
207
1.062
3.255
0.00152
=
4. 고찰 및 느낀 점
DODGE RAM 차량의 Under-Frame을 가지고 굽힘 변위와 비틀림 변위를 그래프로 나타내 보고, 강성을 계산해 보는 실험이었다.
정적 굽힘 강성 측정 시험에서는 추의 무게가 커질수록, 굽힘 변위 값이 커져 아래로 더 움푹한 그래프가 그려졌다. 또한, 하중이 가해진 중심 부근에서 굽힘 변위 값이 가장 컸다. 그래프에서 (-) 값을 나타내는 것은 하중에 의해 변위가 밑으로 내려갔다는 뜻이고, (+) 값은 변위가 위로 올라갔다는 뜻이다. 즉, 하중이 중심부에 작용함에 따라 끝 지점에서는 변위가 올라갔음을 확인 할 수 있다.
정적 비틀림 강성 시험에서는 차체의 후방 서스펜션 결합 부를 고정하고 전방 서스펜션 결합부에 서로 반대 방향의 비틀림 하중을 가하였기 때문에 좌측과 우측의 그래프 모양이 반대로 나타나는 경향성을 보였다. 추를 삼각 프레임 끝단에 올렸기 때문에 좌측과 우측에서 끝단 부분의 비틀림 변위 값이 큰 것을 알 수 있다. 비틀림 변위 역시 추의 무게가 늘어날수록 비틀림 변위 값이 커지는 것을 알 수 있다. 왼쪽 10번 데이터의 경우, 추의 무게가 54840g에서 73120g 으로 변하였는데도 비틀림 변위가 일정했는데, 그 이유는 측정자의 오차도 있지만, 하중이 작용하는 지점으로부터 멀리 떨어져 영향을 적게 미쳤기 때문이다.
좌측과 우측은 좌우 대칭이기 때문에 변위에서의 선형성이 확인되어야 한다. 굽힘 선형성에서는 좌측과 우측그래프가 거의 일치하였고, 비틀림 선형성에서는 x축에 대칭하여 선형성이 확인되었다.
대체로 이론과 일치하는 경향의 그래프가 그려졌지만, 그래프의 흐름에서 벗어난 몇 개의 지점이 얻어졌다. 오차의 원인으로 다이얼 게이지의 부정확한 측정을 들 수 있다. 디지털 값이 아닌 눈금으로 읽기 때문에 관측자의 위치에 따라 측정값이 다르게 읽힐 수 있고, 눈금사이가 멀어 정확한 값을 얻기 힘들었다. 또한, 추를 충격이 발생하지 않도록 주의하여 내려놓아도, 미세한 변위의 변화량을 측정하는 것이기 때문에 작은 충격도 무시할 수 없다. 측정되는 지점을 8개보다 더 많이 설정했다면, 정확하고 믿을 수 있는 그래프를 얻을 수 있었을 것이다.
미세한 양일지라도, 굽힘과 비틀림에 의해 발생한 변위가 부품에 영향을 줄 수 도 있다. 적당한 강성과 강도를 갖는 차체를 설계함으로써, 굽힘이나 비틀림에 대해 안전을 보장할 수 있는 튼튼한 차체를 만들어야 된다는 생각을 다시한 번 하게 되었다.

키워드

Shock Absorber Test,   damping characteristic curves,   현가시스템,   자세 제어,   주행 제어,   주행 안정성 제어,   감쇠력 제어