KR101881839B1 - 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 플로우 포밍으로 제작되는 클러치 하우징의 내구성 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

맨드릴, 상기 맨드릴에 결속된 성형전 몸체, 및 상기 맨드릴과 상기 성형전 몸체가 회전하는 상황에서 상기 성형전 몸체의 외면을 가압하는 가압롤러를 요소로 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여, 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 방법은, 가압롤러의 이동속도를 제어하는 단계, 가압롤러에 의한 맨드릴의 부하를 기록하는 단계, 및 기록된 맨드릴의 부하를 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 단계를 포함한다.

Description

컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 플로우 포밍으로 제작되는 클러치 하우징의 내구성 추정 방법 {METHOD OF ANALYZING DURABILITY OF CLUTCH HOUSING PRODUCED VIA FLOW FORMING USING COMPUTER SIMULATION}
본 발명은 클러치 하우징의 제조에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 플로우 포밍을 이용하여 생산되는 클러치 하우징의 내구성을 시뮬레이션 결과에서부터 추정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
다판식 마찰 클러치는 마찰판 간의 간격에 의해서 동력의 전달 여부를 결정하는 축이음 부재이다. 다판식 마찰 클러치에는 클러치 하우징 및 회전 허브가 제공되되, 클러치 하우징에는 철판 플레이트가 결속되고 회전 허브에는 마찰판 플레이트가 결속되며, 이들 종류가 다른 플레이트들은 서로 교대로 배치된다.
클러치 하우징 또는 회전 허브의 이동에 의해서 플레이트 간의 접촉 또는 분리가 결정될 수 있으며, 플레이트 간의 마찰력에 의해서 클러치 하우징에서 회전 허브로 또는 회전 허브에서 클러치 하우징으로 회전력이 전달될 수 있다.
일반적으로 다판식 마찰 클러치는 큰 힘을 단속하는 용도로 사용될 수 있으며, 건식보다는 습식의 환경에서 주로 사용되고 있다.
한국등록특허 제10-1596413호 및 한국등록특허 제10-1734330호를 보면, 플로우 포밍을 이용하여 클러치 하우징을 제작하는 과정이 설명되어 있다. 각 특허에서는 스플라인 몰드가 형성된 성형축이 제공되며, 성형축을 기준으로 롤러 또는 가압부재가 성형축의 축방향으로 이동하면서 성형축에 대응되는 형상을 클러치 하우징의 내면에 형성할 수 있다.
플로우 포밍의 특성상 클러치 하우징의 퀄리티는 다양한 조건에 의해서 결정될 수 있다. 하지만 현실적으로 다양한 조건을 실제로 적용해서 생산하는 것은 비효율적이라는 단점이 있다.
본 발명은 클러치 하우징을 플로우 포밍으로 실제로 제작하기 전에, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하되 생산되는 클러치 하우징의 내구성을 추정할 수 있는 기준을 제시할 수 있다.
본 발명은 내구성을 대표할 수 있는 파라미터로서 제품의 수명을 정의하고, 제품의 수명을 시뮬레이션 단계에서부터 추정할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 클러치 하우징의 내구성 추정 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 맨드릴, 상기 맨드릴에 결속된 성형전 몸체, 및 상기 맨드릴과 상기 성형전 몸체가 회전하는 상황에서 상기 성형전 몸체의 외면을 가압하는 가압롤러를 요소로 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여, 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 방법은, 가압롤러의 이동속도를 제어하는 단계, 가압롤러에 의한 맨드릴의 부하를 기록하는 단계, 및 기록된 맨드릴의 부하를 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 단계를 포함한다.
맨드릴의 부하를 기록하는 단계에서, 가압롤러의 이동거리에 따라 맨들릴의 축으로 가해지는 부하를 전과정에 걸쳐 기록할 수 있으며, 이동거리에 따라 기록된 맨드릴의 부하 중 최대치를 추출하고, 추출된 최대치를 대표값으로 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정할 수 있다.
경우에 따라서는 맨드릴 부하를 이용하되, 다른 대표값을 이용할 수 있으며, 예를 들어, 전구간에 따른 맨드릴 부하의 평균값, 일정 구간에서의 맨드릴 부하의 평균값, 복수 구간 또는 지점에서의 맨드릴 부하를 이용한 산출값 등을 이용할 수도 있다.
내구성은 특정 수치 또는 수명 등으로 정의될 수 있으며, 본 실시예에서는 기록된 맨드릴의 부하를 이용하여 클러치 하우징의 유효 응력 최대값을 산출하고, 산출된 유효 응력 최대값을 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정하게 할 수 있다.
본 발명의 클러치 하우징의 내구성 추정 방법에 따르면, 클러치 하우징을 플로우 포밍으로 실제로 제작하기 전에, 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하되 생산되는 클러치 하우징의 내구성을 추정할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴을 이용하여 플로우 포밍 과정을 통해 클러치 하우징을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 하우징의 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 시뮬레이션 결과에 따라 플로우 포밍 후 두께별 해석 결과를 확인하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 도 6의 시뮬레이션 결과로서 가압롤러의 이동속도에 따른 플로우 포밍 과정 중 맨드릴 및 롤러들의 부하를 예측하여 도시한 그래프들이다.
도 11 내지 도 14는 도 6의 시뮬레이션 결과로서 플로우 포밍 과정 중 A 롤러, B 롤러, C 롤러 및 맨드릴의 예측 부하를 이동속도 별로 비교한 그래프 및 표들이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴을 이용하여 플로우 포밍 과정을 통해 클러치 하우징을 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 성형전 몸체(10)는 플로우 포밍이 가능한 탄소강과 같은 합금으로 제조될 수 있으며, 후술하는 연결 허브를 위한 내부 원통(11), 수용 드럼을 위한 외부 원통(12), 및 내부 원통(11)과 외부 원통(12)을 연결하는 연장판(13)이 일체로 형성될 수 있다.
이러한 성형전 몸체(10)를 플로우 포밍하여 도 2에 도시되는 클러치 하우징(100)을 제조할 수 있으며, 클러치 하우징(100)은 연결 허브(110), 수용 드럼(120), 및 연결부(130)를 가진다. 성형전 몸체(10)에서 내부 원통(11)과 외부 원통(12)는 일체로 제공될 수 있지만, 별도로 제공된 후 추후에 용접 또는 열박음, 리벳팅 등을 이용하여 상호 결속될 수도 있다.
다판식 마찰 클러치의 동력 전달 구조에 따르면, 연결 허브(110) 내측에는 허브 스플라인(111)이 형성되어 있으며, 허브 스플라인(111)에는 제1 축이 결속될 수 있다. 그리고, 수용 드럼(120) 내측에는 역시 스플라인 형상의 이동 가이드(121)가 형성되며, 이동 가이드(121)에는 철판 플레이트가 결속될 수 있다. 또한, 수용 드럼(120) 내부에서 마찰 플레이트가 철판 플레이트 사이에 배치되고, 수용 드럼(120) 내부에 배치되는 회전 허브에는 마찰 플레이트에 결속될 수 있다. 따라서, 클러치 하우징에 연결되는 제2 축은 마찰 플레이트 및 철판 플레이트의 접속 상태에 따라서 제1 축의 회전력을 전달 받을 수 있다.
연결부(130)는 연결 허브(110)와 수용 드럼(120)을 연결하며, 비틀림 응력이 적용되는 부분으로 일정 이상의 강도가 요구된다. 이를 위해서 연결 허브(110) 주변을 따라서 연결부(130)에 링 형상의 보강 플랜지(112)를 더 형성할 수도 있다. 이 외에도 연결부(130)에는 오일 홈(113) 등이 더 형성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 클러치 하우징(100)은 성형전 몸체(10)로부터 성형되며, 성형전 몸체(10) 내측으로 삽입되는 맨드릴(200)을 이용하여 성형전 몸체(10)를 고정 및 회전하는 과정에서 시작할 수 있다.
도 4를 참조하면, 맨드릴(200)은 회전체로서 그 외면은 클러치 하우징(100)의 수용 드럼 내면에 형성된 이동 가이드에 대응하는 스플라인 몰드(210)를 포함하고 있다.
맨드릴(200)이 외부 원통에 삽입된 상태에서 회전하면, 가압롤러(20)로 외부 원통을 가압할 수 있다. 가압롤러(20)에 의해서 플로우 포밍된 성형전 몸체(10)는 도 2에 도시되는 바와 같은 클러치 하우징(100)로 소성변형된다. 물론, 오일 홈과 같은 관통이 필요한 부분은 추후 펀칭이나 프레스를 통해 제공할 수 있다.
가압롤러(20)가 성형전 몸체(10) 외면을 가압한 상태에서 이동하면서 성형전 몸체를 변형시킬 수 있다. 가압롤러가 롤러의 형태로 제공되는 경우에는 롤러가 이동하는 것뿐만 아니라, 회전하면서 플로우 포밍할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 플로우 포밍에 의해서 최종적으로 클러치 하우징(100)은 내면에 철판 플레이트를 위한 이동 가이드(121)를 포함하며, 이동 가이드(121)는 맨드릴(200)의 스플라인 몰드(210)에 대응하는 형상으로 형성되어 있다.
도 2와는 달리, 오일 홈(113)이 형성되어 있지는 않지만, 보강 플랜지(112) 등의 외형은 부분적으로 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 클러치 하우징의 시뮬레이션 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 중앙에 맨드릴(200)이 배치되며, 맨드릴(200)에는 성형전 몸체(10)가 고정된 상태를 가정하고 있다. 그리고, 성형전 몸체(10)의 주변으로 3개의 가압롤러(A, B, C)가 배치되어 성형전 몸체(10)의 외면을 이동하면서 가압할 수가 있다.
도면에서 (a)는 가압롤러가 성형전 몸체(10)를 가압하기 이전이며, (b) 및 (c)에는 가압롤러(A, B, C) 또는 맨드릴(200)이 회전하면서 가압롤러(A, B, C)로 하여금 성형전 몸체(10)의 외면을 가압하게 하고, 가압롤러(A, B, C)는 도면 상 위에서 아래로 이동하면서 플로우 포밍으로 도 5와 같은 클러치 하우징을 형성할 수가 있다.
본 실시예에서 성형전 몸체(10)로는 AISI-1045 규격의 철강을 사용하며, 맨드릴은 AISI-D2 (JIS-SKD11_COLD) 규격의 철강으로 정의하였다. 또한, 맨드릴(200)의 스핀들 회전속도는 약 250rpm으로 설정하였으며, 플로우 포밍 후의 클러치 하우징 두께는 약 4.5mm로 설정하였다.
다만, 가압롤러(A, B, C)의 이동속도는 400mm/min, 500mm/min 및 600mm/min으로 조건을 세분화하여 시뮬레이션 결과를 얻었다.
도 7은 도 6의 시뮬레이션 결과에 따라 플로우 포밍 후 두께별 해석 결과를 확인하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 이동속도가 400mm/min 인 경우는 노란색 이미지로 표시하고, 이동속도가 500mm/min 인 경우는 녹색 이미지로 표시하고, 이동속도가 600mm/min 인 경우는 자주색 이미지로 표시하였다.
세 경우의 이미지를 하나로 겹쳐서 소성 변형의 결과를 상호 비교하였다. 비교된 내용에 따르면 이동 가이드가 형성되는 스플라인 영역에서 상대적으로 자주색(이동속도 600mm/min) 영역의 분포도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 상대적으로 이송속도가 높은 경우에 성형성이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
하지만, 이는 단순한 참고적인 성향으로서, 전체적으로 성형성에서 큰 차이가 없는 것으로 확인될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 도 6의 시뮬레이션 결과로서 가압롤러의 이동속도에 따른 플로우 포밍 과정 중 맨드릴 및 롤러들의 부하를 예측하여 도시한 그래프들이다.
도 8을 참조하면, 가압롤러의 이동속도가 400mm/min인 경우, 맨드릴(녹색), A 롤러(청색), B 롤러(노란색) 및 C 롤러(주황색)에 가해지는 응력을 가압롤러의 이동거리, 즉 스트로크(stroke)에 따라 예측할 수가 있다. 그에 따르면, 가압롤러의 이동속도가 400mm/min인 경우, 약 12.8mm 이동한 거리에서 맨드릴의 응력이 약 3.7*10^5 N으로 최대치가 나왔으며, 이는 롤러로 가해지는 응력에 비해 약 4.1~11.1 배 정도 차이가 나는 것으로 확인되었다.
도 9를 참조하면, 가압롤러의 이동속도가 500mm/min인 경우, 맨드릴(녹색), A 롤러(청색), B 롤러(노란색) 및 C 롤러(주황색)에 가해지는 응력을 가압롤러의 이동거리, 즉 스트로크(stroke)에 따라 예측할 수가 있다. 그에 따르면, 가압롤러의 이동속도가 500mm/min인 경우, 약 13.8mm 이동한 거리에서 맨드릴의 응력이 약 4.19*10^5 N으로 최대치가 나왔으며, 이는 롤러로 가해지는 응력에 비해 약 4.2~12.3 배 정도 차이가 나는 것으로 확인되었다.
도 10을 참조하면, 가압롤러의 이동속도가 600mm/min인 경우, 맨드릴(녹색), A 롤러(청색), B 롤러(노란색) 및 C 롤러(주황색)에 가해지는 응력을 가압롤러의 이동거리, 즉 스트로크(stroke)에 따라 예측할 수가 있다. 그에 따르면, 가압롤러의 이동속도가 600mm/min인 경우, 약 8.4mm 이동한 거리에서 맨드릴의 응력이 약 4.38*10^5 N으로 최대치가 나왔으며, 이는 롤러로 가해지는 응력에 비해 약 3.5~30.2 배 정도 차이가 나는 것으로 확인되었다.
위 내용을 정리하면, 가압롤러에 가해지는 부하에 비해서 맨드릴에 가해지는 부하가 최소 4배 이상 차이가 나도록 가해지며, 이동속도에 따라 가해지는 부하도 각각 370kN, 419kN 및 438kN 정도로 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한, 가압롤러의 이동거리가 약 5~15mm 정도되는 초반 과정에서 맨드릴의 부하가 집중되는 것을 알 수 있다.
또한, 맨드릴의 예측 부하 최대값이 이동속도가 400mm/min 인 경우에 대비하여 이동속도가 500mm/min 경우가 약 13% 상승되며, 이동속도가 500mm/min 인 경우에 대비하여 이동속도가 600mm/min 경우가 약 5% 상승되는 것으로 나타났다.
도 11 내지 도 14는 도 6의 시뮬레이션 결과로서 플로우 포밍 과정 중 A 롤러, B 롤러, C 롤러 및 맨드릴의 예측 부하를 이동속도 별로 비교한 그래프 및 표들이다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 롤러의 이동거리 중 5~20mm 구간에서 예측부하가 집중됨을 알 수 있으며, C 롤러의 일부 구간을 제외하고는 롤러의 이동속도가 증가함에 따라 예측 부하가 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
정리하면, 가압롤러의 이동속도가 증가함에 따라 롤러 및 맨드릴의 부하가 증가하는 것을 알 수 있었다. 물론, 이동속도가 증가하면, 도 7에서 설명한 바와 같이, 성형성이 상대적으로 개선될 수 있지만, 이동속도가 성형성에 미치는 영향이 상대적으로 낮음을 알 수 있었다.
또한, 이동속도에 따라 클러치 하우징의 제품 수명을 비교한 결과, 이동속도가 400mm/min에서 600mm/min까지 100mm/min 단위로 증가하면서, 실제 제품의 유효 응력 최대값이 이동속도가 400mm/min일 때 1420Mpa, 500mm/min일 때 1450Mpa 이었고, 600mm/min일 때 1460Mpa이 측정되었다. 결과적으로 이동속도가 400mm/min일 때보다 600mm/min일 때, 유효 응력 최대값이 약 4천만 파스칼(N/m2) 정도가 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
이는 제품의 내구성 및 수명에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 즉, 제품의 내구성 및 수명을 평가함에 있어서, 이동거리에 따라 맨드릴에 가해지는 부하의 최대치가 얼마인지 확인할 수 있으며, 그 최대치를 이용하여 제품의 내구성 및 수명을 평가할 수가 있다.
맨드릴, 맨드릴에 결속된 성형전 몸체, 및 맨드릴과 상기 성형전 몸체가 회전하는 상황에서 상기 성형전 몸체의 외면을 가압하는 가압롤러를 요소로 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여, 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 방법은, 가압롤러의 이동속도를 제어하는 단계, 가압롤러에 의한 맨드릴의 부하를 기록하는 단계, 및 기록된 맨드릴의 부하를 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 단계를 포함하여 진행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 맨드릴의 부하를 기록하는 단계에서는, 가압롤러의 이동거리에 따라 0~40mm 구간에서 맨들릴의 축으로 가해지는 부하를 전과정에 걸쳐 기록할 수 있으며, 이동거리에 따라 기록된 맨드릴의 부하 중 최대치를 추출하고, 추출된 최대치를 대표값으로 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정할 수 있다.
내구성은 특정 수치 또는 수명 등으로 정의될 수 있으며, 본 실시예에서는 기록된 맨드릴의 부하를 이용하여 클러치 하우징의 유효 응력 최대값을 산출하고, 산출된 유효 응력 최대값을 이용하여 클러치 하우징의 내구성을 추정하게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10：성형전 몸체 11：내부 원통
12：외부 원통 13：연장판
20：가압롤러 30：성형축
100：클러치 하우징 110：연결 허브
120 : 수용 드럼 121 : 이동 가이드
130 : 연결부 200 : 맨드릴
201 : 원통 모재 210 : 스플라인 몰드

Claims (4)

  1. 맨드릴, 상기 맨드릴에 결속된 성형전 몸체, 및 상기 맨드릴과 상기 성형전 몸체가 회전하는 상황에서 상기 성형전 몸체의 외면을 가압하는 가압롤러를 요소로 포함하는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여, 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 방법에 있어서,
    상기 가압롤러의 이동속도를 제어하는 단계;
    상기 가압롤러에 의한 상기 맨드릴의 부하를 기록하는 단계; 및
    기록된 상기 맨드릴의 부하를 이용하여 상기 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 맨드릴의 부하를 기록하는 단계에서, 상기 가압롤러의 이동거리에 따라 상기 맨드릴의 축으로 가해지는 부하를 전과정에 걸쳐 기록하고,
    상기 이동거리에 따라 기록된 상기 맨드릴의 부하 중 최대치를 추출하고, 추출된 상기 최대치를 대표값으로 이용하여 상기 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 것을 특징으로 하는 플로우 포밍의 생산되는 클러치 하우징의 내구성 추정 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    기록된 상기 맨드릴의 부하를 이용하여 상기 클러치 하우징의 유효 응력 최대값을 산출하고, 산출된 상기 유효 응력 최대값을 이용하여 상기 클러치 하우징의 내구성을 추정하는 것을 특징으로 하는 플로우 포밍의 생산되는 클러치 하우징의 내구성 추정 방법.
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