[자동차재료] 캘리퍼 하우징의 경량화 방안

소개글

[자동차재료] 캘리퍼 하우징의 경량화 방안에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 대상물 개요 및 경량화 필요성

2. 캘리퍼의 국내외 동향

3. 경량화 방안
3-1 가공성 문제 (하이드로 포밍을 이용한 가공)
(1) 하이드로 포밍의 장점
(2) 하이드로포밍의 특징
3-2 대체 재료의 선택 (알루미늄-413)
알루미늄의 특징
※ 알루미늄의 물성치
3-3 환경적인 측면
(1) 알루미늄의 재활용성 및 환경적 측면에서의 효과
(2) 하이드로 포밍의 환경적 측면
3-4 재료수급의 문제 (가격상승 분석)
3-5 조립성 문제

4. 경량화 효과
4-1 경량화 정도
4-2 경량화에 따른 구조해석 (안전성 분석)
4-2-1 최대응력부분
4-2-2 발생압력
4-2-3 Hyper Mesh를 이용한 구조해석
4-3 가격 상승 저감 정도

5. 참고문헌

본문내용

Expansion
Thermal
Conductivity
Electrical
Conductivity
360
0.095
1035-1105
0.230
11.6
65.3
30
380
0.099
1000-1100
0.230
12.2
55.6
27
383
0.099
960-1080
0.230
11.7
55.6
23
384
0.102
960-1080
0.230
11.6
56
23
390
0.098
950-1200
-
10.0
77.4
27
413
0.096
1065-1080
0.230
11.3
70.1
31
3-3 환경적인 측면
(1) 알루미늄의 재활용성 및 환경적 측면에서의 효과
전문가들은 중형차 기준으로 스틸을 알루미늄으로 바꿔 10%만 경량화해도 15%의 연비 개선을 이룰 수 있다고 말한다. 실제로 국산 GM대우는 중형 세단 `토스카\'의 엔진에 국내 최초로 고압주조 방식 알루미늄 실린더 블록을 적용해 연비가 ℓ당 9.5㎞에서 10.8㎞로 14%의 향상을 가져왔으며, 경차 `마티즈\'에도 초고장력 강판을 사용해 연비를 18.1㎞에서 20.9㎞로 15% 향상시키기도 했다. 또 자동차에 들어가는 알루미늄을 약 90% 재생하거나 재활용 할 수 있어서 방출 가스나 폐기물 등을 획기적으로 줄일 수 있다. 다시 말해서 알루미늄을 재활용함으로써 유한한 광물자원의 수명 연장과 에너지 절약, 환경오염의 감소, 매립지의 수요 감소, 폐기물 처리 비용의 절감, 알루미늄의 재활용으로 인한 무역수지 개선 등 이득이 많다. 그리고 알루미늄은 1차 제련소를 건설하는 데는 장기적이고도 막대한 설비투자비가 소요되는 반면에 알루미늄 재생 공장의 경우에는 비교적 소규모의 건설투자로 건설이 가능하며 조업의 탄력성이 우술할 뿐 아니라 생산 공정도 단순하기 때문에 재활용성도 높다. 그 결과 유럽에서는 거의 전 차량에 대해 재생을 요하는 법령이 도입되었다. 서유럽의 경우 차량 1대당 알루미늄 사용량은 1990년 50kg에서 2002년 100kg으로 증가했으며 2010년에는 200kg으로 증가할 전망이다.
(2) 하이드로 포밍의 환경적 측면
복잡한 단면을 가진 경량 중공 부품의 일체화 성형이 가능하고 가공공정, 용접 및 조립공정을 줄일 수 있게 되면서 부품 개수의 삭감과 성형틀 비용의 삭감이 가능하게 됐고 용접 플랜지가 없기 때문에 경량화 및 재료 절감의 향상을 얻을 수 있었다.
3-4 재료수급의 문제 (가격상승 분석)
LME의 현물가격의 변화 예측(Bloomberg 비철금속 가격예상)표에서 살펴 보면 알 수 있듯이 07년 대비 알루미늄의 가격 추이는 약11.5% 증가하였다. 여타 다른 금속들의 증가추이 또한 -15.7%(주석)에서 16.5%(아연)까지 변화를 보이고 있어 알루미늄의 가격변동 폭이 다른 금속들에 비해 크다고 볼 수는 없다.
3-5 조립성 문제
캘리퍼 하우징은 단품으로 이루어져 있으므로 조립성 문제는 발생하지 않는다.
4. 경량화 효과
4-1 경량화 정도
프로이로 모델링한 캘리퍼 하우징 형상에 FCD450과 알루미늄-413의 밀도를 입력하여 질량을 구하였다.
재 료
질 량
FCD450캘리퍼
3.57kg
알루미늄-413 캘리퍼
1.24kg
3.57kg -> 1.24kg 약 65%의 질량 감소효과 (캘리퍼캐리어 제외 시)
4-2 경량화에 따른 구조해석 (안전성 분석)
4-2-1 최대응력부분
캘리퍼 하우징에 발생하는 응력은 실린더 유압에 의해 비례하며, 최고 응력이 발생하는 위치는 핑거부와 브릿지부의 접점(A부분)이다.
Fig. 1-1 최고 응력이 발생하는 부분
4-2-2 발생압력
Fig. 1-2 실린더 유압과 응력의 관계
위의 그래프에서 나타나듯이 실린더 유압이 12MPa이상이 걸릴 경우 응력이 270MPa정도이며 Damage가 100% 가해져서 파단이 일어남을 볼 수 있다. 이 그래프를 토대로 하여 실린더의 최고 유압은 10MPa로 설정하고 구조 해석에 적용하는 압력값은 7MPa, 10MPa 을 각각 주어서 응력을 측정한다.
4-2-3 Hyper Mesh를 이용한 구조해석
1> 7MPa
Fig. 4.1-2 7MPa Von Misses Stress
① 에서 언급한 바와 같이 핀 주위의 응력은 고려하지 않고, 직각 부분에 가장 많은 응력이 걸리며, 이 값 또한 탄성영역 안에 있으므로 캘리퍼의 작동에는 영향이 없다.
FCD450사용시 안전계수를 고려하면 =4.01
ALUMINUM-413 사용시
안전계수가 약 35%감소하나 112MPa의 응력이 발생할 경우에도 그 값이 탄성영역이내의 응력이다.
2> 10MPa
Fig. 4.1-3 10MPa Von Misses Stress
① 에서 언급한 바와 같이 핀 주위의 응력은 고려하지 않으며 가장 많은 응력이 걸리는 부분은 직각 부분이며 직각 부분의 응력 값은 160~202MPa이 걸린다.
FCD450사용시 안전계수를 고려하면 =2.22
ALUMINUM ALLOY 413 사용시
안전계수가 약 35%감소하고 202MPa의 응력이 발생하게 된다. 이는ALUMINUM ALLOY 413의 항복강도 범위를 넘어가게 된다. 그로인해 소성변형이 일어날 수 있으므로 캘리퍼의 모델링 변화를 통하여 안전계수를 높일 필요성이 있다.
4-3 가격 상승 저감 정도
FCD450을 이용하여 캘리퍼 하우징을 제작할 경우에 3.57kg의 캘리퍼 제작시 구상흑연 주철 구입비용으로 약 11,781원(3300원/kg)이 필요하고 AL413을 사용할 경우 1.24kg의 캘리퍼 제작시 17,980원(14500원/kg)의 AL413 구입비용이 필요하게 된다. 캘리퍼 1개 제작시 약 6199원의 재료비가 추가된다.
5. 참고문헌
1) bloomberg, 2008년 비철금속 가격전망 2008.1.2 이재호 연구원
2) 알루미늄 합금의 환경친화적 고속가공 특성 2004.3 배정철,황인옥,강익수
3) 캘리퍼 하우징의 형상 최적설계, 최재석, pp. 1~2
4) 디스크 브레이크의 편마모 방지를 위한 Finger 안쪽면 윗 부분이 가공된 캘리퍼 하우징의 유한 요소 해석, 김남경, 강종표, pp. 89~90, 93
5) 아바쿠스를 이용한 캘리퍼 브레이크의 응력해석, 임문혁, 신현명, pp. 65~66

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