KR101956349B1 - Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen - Google Patents

Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen Download PDF

Info

Publication number
KR101956349B1
KR101956349B1 KR1020170013026A KR20170013026A KR101956349B1 KR 101956349 B1 KR101956349 B1 KR 101956349B1 KR 1020170013026 A KR1020170013026 A KR 1020170013026A KR 20170013026 A KR20170013026 A KR 20170013026A KR 101956349 B1 KR101956349 B1 KR 101956349B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
specimen
drive shaft
heat treatment
high frequency
frequency heat
Prior art date
Application number
KR1020170013026A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20180088225A (en
Inventor
한승호
김태영
김태안
이동진
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 동아대학교 산학협력단 filed Critical 동아대학교 산학협력단
Priority to KR1020170013026A priority Critical patent/KR101956349B1/en
Publication of KR20180088225A publication Critical patent/KR20180088225A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101956349B1 publication Critical patent/KR101956349B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/26Investigating twisting or coiling properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72Investigating presence of flaws

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

본 발명은 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일에 관한 것이다. 상기 피로 수명 예측 방법은, 고주파 열처리를 통한 구동축 표면의 경화깊이를 결정하는 경화깊이 산정단계와; 상기 구동축으로 사용할 금속재료를 이용해, 실제 구동축을 대신하여 비틀림 시험에 사용될 시편을 가공하는 비틀림 피로 시편 가공단계와; 상기 시편 가공단계를 통해 준비된 시편을 고주파 열처리하되, 상기 경화깊이 사정단계를 통해 산정된 경화깊이에 비례하는 깊이만큼 경화시키는 시편 고주파 열처리단계와; 상기 고주파 열처리단계를 통해 얻은 시편을 시험장치에 세팅한 상태로 비틀림력을 가하며 시험하는 시험진행단계와; 상기 시험진행단계를 통해 얻은 데이터를 이용해 자동차 구동축의 피로 수명을 평가하는 수명 예측 및 평가단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 피로수명 예측 방법은, 재료단위 피로시험방식을 취하여 구동축의 형상이 변경되더라도 정략적인 피로수명 평가 및 물성값 획득이 가능한, 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 수명 예측을 할 수 있다.
The present invention relates to a method for predicting fatigue life according to a high frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a specimen, and a specimen and an induction heating coil for heat treatment of the specimen. The fatigue life predicting method includes: a hardening depth calculating step of determining a hardening depth of a surface of a drive shaft through high frequency heat treatment; A torsional fatigue specimen processing step of using a metal material to be used as the drive shaft to process a specimen to be used in a twist test instead of an actual drive shaft; A specimen high frequency heat treatment step of subjecting the specimen prepared through the specimen processing step to a high frequency heat treatment and curing the specimen to a depth proportional to the hardening depth calculated through the hardening depth determination step; A test progress step of testing the specimen obtained through the high-frequency heat treatment step while applying a twisting force while setting the specimen on the test apparatus; And a life prediction and evaluation step of evaluating the fatigue life of the automobile drive shaft using the data obtained through the test progress step.
The fatigue life prediction method as described above can estimate the fatigue life and the property value of the drive shaft even when the shape of the drive shaft is changed by taking the material unit fatigue test method and predict the service life of the automobile drive shaft using the specimen .

Description

시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일{Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen}{Fatigue Life Prediction Method for High Temperature Heat Treatment of Automobile Driving Shaft Using Induced Heating Coil for Heat Piping for Specimen and Specimen Specimen}

본 발명은 자동차 구동축의 피로수명 평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일에 관한 것이다. More particularly, the present invention relates to a method for predicting fatigue life according to a high-frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a specimen, and a specimen and an induction heating coil for heat treatment of the specimen.

자동차 구동축은 엔진에서 발생하는 높은 토크를 바퀴로 전달하는 동력 전달장치용 핵심 부품이다. 이러한 구동축은 엔진의 토크와 주행 시 발생하는 실동하중에 안정적으로 견딜 수 있어야 하며, 그를 위해 높은 강도 및 강성은 물론 피로강도 성능을 갖추어야 한다. 특히 상기한 물리적 성질을 만족시키기 위하여 후공정으로서의 고주파 열처리를 적용하고 있다.The automotive drive shaft is a key part of the power transmission system that transmits the high torque generated by the engine to the wheels. Such a drive shaft must be able to withstand the torque of the engine and the actual load generated during running, and it must have high strength and rigidity as well as fatigue strength performance. In particular, a high frequency heat treatment as a post process is applied to satisfy the above physical properties.

한편, 일반적인 구동축 설계는, 정적강도 및 강성설계를 통해 안전율을 충족하도록 개발되고 있으며, 유한요소해석 및 간단한 시험을 통해 부품 요구 성능을 평가하고 있다.On the other hand, the general drive shaft design has been developed to meet the safety factor through the design of static strength and stiffness, and evaluates the part demand performance through finite element analysis and simple test.

하지만 피로파괴 성능 지표인 피로수명은 고주파 열처리에 따른 재료 특성 변화로 인해 유한요소해석을 이용하여 평가하기 곤란하다. 이에 따라 시제품을 고주파 열처리하고 별도의 피로시험을 통해 구동축의 요구수명 만족 여부를 판단하고 있다. However, fatigue life, which is an index of fatigue failure performance, is difficult to evaluate using finite element analysis due to changes in material properties due to high frequency heat treatment. Therefore, the prototype is subjected to high frequency heat treatment and a fatigue test is performed to judge whether the life expectancy of the drive shaft is satisfied.

그런데, 시제품을 직접 고주파 열처리한 후 장시간 동안 피로를 가하여 피로시험을 진행하는 것은, 제품 개발 비용의 증가는 물론 개발기간이 길어지는 문제점을 갖고 있다.However, the fatigue test is carried out by subjecting the prototype product to high-frequency heat treatment and fatigue for a long period of time, which leads to an increase in the product development cost and a long development period.

이에 따라, 단기간 피로파손이 발생하지 않는 신뢰성 높은 부품 개발을 위하여, 고주파 열처리된 구동축에 대하여, 열처리 정도에 따라 변화하는 재료의 물성값을 반영한 피로수명 평가기법을 실무 설계공정에 적용할 수 있는 방법이 요구되고 있다.Accordingly, in order to develop a reliable component in which short-term fatigue failure does not occur, a method of applying a fatigue life evaluation technique that reflects physical property values of a material varying with heat treatment degree to a high-frequency heat- Is required.

국내등록특허공보 제10-0851148호(자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법)Korean Patent Registration No. 10-0851148 (Durability analysis method of weld portion of steel sheet for automobile)

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 재료단위 피로시험방식을 취하여 구동축의 형상이 변경되더라도 정략적인 피로수명 평가 및 물성값 획득이 가능한, 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 수명 예측 방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention has been made to overcome the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method of predicting the service life of an automobile drive shaft using a test piece capable of evaluating a fatigue life and obtaining a physical property value even if the shape of a drive shaft is changed, The purpose is to provide.

또한, 본 발명은, 고주파 열처리 공정에 따라 재료 특성이 반영된 재료 물성값을 구하기 위한 열처리가 가능한 시편을 제공함에 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide a specimen which can be heat-treated to obtain a material property value reflecting a material characteristic according to a high-frequency heat treatment process.

또한, 본 발명은 시편에 대한 고주파 열처리가 간단하고 경화깊이를 조절할 수 있는 시편 열처리용 유도가열코일을 제공함에 목적이 있다.It is another object of the present invention to provide an induction heating coil for heat treatment of a specimen, which can easily perform a high frequency heat treatment on a specimen and adjust a depth of curing.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법은, 고주파 열처리를 통한 구동축 표면의 경화깊이를 결정하는 경화깊이 산정단계와; 상기 구동축으로 사용할 금속재료를 이용해, 실제 구동축을 대신하여 비틀림 시험에 사용될 시편을 가공하는 비틀림 피로 시편 가공단계와; 상기 시편 가공단계를 통해 준비된 시편을 고주파 열처리하되, 상기 경화깊이 사정단계를 통해 산정된 경화깊이에 비례하는 깊이만큼 경화시키는 시편 고주파 열처리단계와; 상기 고주파 열처리단계를 통해 얻은 시편을 시험장치에 세팅한 상태로 비틀림력을 가하며 시험하는 시험진행단계와; 상기 시험진행단계를 통해 얻은 데이터를 이용해 자동차 구동축의 피로 수명을 평가하는 수명 예측 및 평가단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, a fatigue life predicting method according to a high frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a test piece of the present invention comprises: a curing depth calculating step of determining a curing depth of a surface of a drive shaft through high frequency heat treatment; A torsional fatigue specimen processing step of using a metal material to be used as the drive shaft to process a specimen to be used in a twist test instead of an actual drive shaft; A specimen high frequency heat treatment step of subjecting the specimen prepared through the specimen processing step to a high frequency heat treatment and curing the specimen to a depth proportional to the hardening depth calculated through the hardening depth determination step; A test progress step of testing the specimen obtained through the high-frequency heat treatment step while applying a twisting force while setting the specimen on the test apparatus; And a life prediction and evaluation step of evaluating the fatigue life of the automobile drive shaft using the data obtained through the test progress step.

또한, 상기 시험진행단계에는; 정적 비틀림시험공정, 반복 변형율 제어 증분 단계시험 공정, 반복 변형율 제어 피로시험 공정이 포함되는 것을 특징으로 한다.Further, in the test progressing step, A static torsional test process, a repeated strain control incremental test process, and a cyclic strain control fatigue test process.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시편은, 고주파 열처리된 자동차 구동축의 비틀림 피로수명 평가를 위해 사용되는 것으로서, 반대방향의 비틀림력을 제공하는 반복 비틀림 시험장치에 물려 고정되며 정사각 단면을 가지는 척부와, 상기 척부의 사이부에 위치하고, 가해진 비틀림력에 의해 파단되는 파단부를 포함하며, 상기 파단부의 최소직경은 척부 두께의 0.66배 이상 1배 미만인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a specimen for use in evaluating the torsional fatigue life of a high-frequency heat-treated automobile drive shaft, which is fixed to a repeated torsion test apparatus for providing a torsional force in the opposite direction, And a rupture portion located between the chuck portions and fractured by an applied twisting force, wherein a minimum diameter of the rupture portion is 0.66 times or more and less than 1 times the thickness of the chuck portion.

아울러, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유도가열코일은, 고주파 열처리된 자동차 구동축의 비틀림 피로수명 평가를 위해 사용되는 막대형 시편에 고주파 열을 가하여, 시편에 원하는 경화깊이를 형성하는 것으로서, 상기 시편을 그 내부 영역으로 통과시킨 상태로 고정되며, 시편의 길이방향 이동시 시편에 고주파열을 가하는 고주파출력부와, 외부로부터 인가된 고주파에너지를 고주파출력부로 인가하는 고주파유도부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the induction heating coil of the present invention forms a desired hardening depth in a specimen by applying a high-frequency heat to a rod-shaped specimen used for evaluating a torsional fatigue life of a high- And a high-frequency induction unit for applying high-frequency energy applied from the outside to the high-frequency output unit, wherein the high-frequency induction unit is fixed while passing the specimen through the inner region thereof, .

또한, 상기 고주파출력부는, 일측이 개방된 부분 원호의 형태를 취하는 것을 특징으로 한다.Further, the high-frequency output section is characterized in that it takes the form of a partial arc having one side open.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법은, 재료단위 피로시험방식을 취하여 구동축의 형상이 변경되더라도 정략적인 피로수명 평가 및 물성값 획득이 가능한, 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 수명 예측을 할 수 있다.The method of predicting the fatigue life according to the high-frequency heat treatment of the automobile drive shaft using the test piece of the present invention as described above is a method of estimating the fatigue life of the automobile drive shaft by using the material unit fatigue test method, The lifetime of the automobile drive shaft can be predicted by the high-frequency heat treatment.

또한, 본 발명에 따른 시편 열처리용 유도가열코일은, 시편에 대한 고주파 열처리가 간단하고 경화깊이를 조절할 수 있다.In addition, the induction heating coil for heat treatment of a specimen according to the present invention can easily perform a high-frequency heat treatment on a specimen and adjust the depth of curing.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법을 나타내 보인 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피로수명 예측 방법을 위해 사용되는 시편 및 유도가열코일을 도시한 도면이다.
도 4는 상기 도 2에 도시한 시편의 측면도이다.
1 is a flowchart showing a method of predicting fatigue life according to high frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a test piece according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2 and 3 are views showing a test piece and an induction heating coil used for the fatigue life prediction method according to an embodiment of the present invention.
4 is a side view of the specimen shown in FIG.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, one embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

알려진 바와같이, 피로시험은 2가지로 분류된다. 하나는 피로수명을 평가하고자 하는 구조물이나 부품 그 자체나 일부분을 취하여 시험하는 부품단위 피로시험 방법이고, 나머지 하나는 구조물이나 기계부품에 사용되는 재료와 동일한 재료를 시편으로 제작하여 피로시험을 진행하는 재료단위 피로시험이다.As is known, the fatigue test is divided into two types. One is the component fatigue test method that tests the fatigue life of a structure or a component itself or a part to evaluate the fatigue life. The other is the fatigue test using the same material as the material used for the structure or machine parts. Material unit fatigue test.

본 실시예에서 다루어지는 피로 수명 예측방법은, 재료단위 피로시험에 해당한다. 즉, 자동차에 사용되는 구동축과 동일한 소재를 가짐은 물론, 자동차의 구동축에 행해지는 고주파 열처리와 동일한 고주파 열처리(열처리 깊이는 비율식으로 계산)를 수행한 시편을 제작하고, 이를 시험장치에 물려 시험데이터를 얻는 과정을 포함하는 과정을 포함하는 것이다.The fatigue life prediction method covered in this embodiment corresponds to the material fatigue test. That is, a specimen having the same material as the drive shaft used in a car, as well as a high-frequency heat treatment (heat treatment depth is calculated in a proportional manner) identical to the high frequency heat treatment performed on a drive shaft of an automobile is manufactured, And a process of obtaining data.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법을 나타내 보인 순서도이다.1 is a flowchart showing a method of predicting fatigue life according to high frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a test piece according to an embodiment of the present invention.

도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법은, 경화깊이 산정단계(101)와, 비틀림 피로시편 가공단계(103)와, 시편 고주파 열처리단계(105)와, 시험진행단계(107)와, 수명예측 및 평가단계(109)를 포함한다. 경화 깊이는 고주파 열처리를 통해 경화된 시편의 금속조직의 깊이를 의미한다. As shown in the figure, the method for predicting fatigue life according to the high-frequency heat treatment according to the present embodiment includes a curing depth calculating step 101, a torsional fatigue specimen processing step 103, a specimen high frequency heat treatment step 105, A step 107, and a life prediction and evaluation step 109. [ The depth of hardening refers to the depth of the metal structure of the hardened specimen through the high frequency heat treatment.

상기 경화깊이 산정단계(101)는 시편에 형성할 열처리 깊이를 결정하는 과정으로서, 경화깊이는 실제 구동축에 형성되는 경화깊이에 따라 달라진다.The hardening depth calculating step 101 is a process of determining a thermal processing depth to be formed on the test piece, and the hardening depth varies depending on the hardening depth formed on the actual driving shaft.

가령, 직경이 25mm인 구동축에 형성된 열처리 경화깊이가 5mm 라면, 경화깊이 비율은 40%이며. 이러한 비율은 시편에 그대로 적용되는 것이다. 이를테면 시편의 최소직경이 8mm 일 때 시편의 경화깊이는 직경의 40%인 1.6mm인 것이다.For example, if the heat treatment curing depth formed on a drive shaft having a diameter of 25 mm is 5 mm, the cure depth ratio is 40%. These ratios apply to the Psalms. For example, when the minimum diameter of a specimen is 8 mm, the depth of the specimen is 1.6 mm, which is 40% of the diameter.

상기 경과깊이 산정단계(101)를 통해 경화 깊이가 결정되었다면, 비틀림 피로 시편 가공단계(103)를 통해 시편을 제작한다. 시편은 SAE10B38M2 강을 이용해 제작할 수 있으며 도 4의 형태를 취한다. 시편(11)의 형상에 대한 설명은 후술하기로 한다.If the hardening depth is determined through the elongation depth calculation step (101), the specimen is manufactured through the torsional fatigue specimen preparation step (103). The specimen can be fabricated using SAE10B38M2 steel and takes the form of Fig. The shape of the specimen 11 will be described later.

이어지는 시편 고주파 열처리단계(105)는 시편에 고주파 에너지를 가하여 산정된 경화깊이의 열처리층을 형성하는 과정이다.The subsequent specimen RF heat treatment step 105 is a process of forming a heat treatment layer having a hardened depth estimated by applying high frequency energy to the specimen.

상기 고주파 열처리단계(105)를 수행하기 위하여 도 2에 도시한 타입의 유도가열코일(13)이 사용된다. An induction heating coil 13 of the type shown in FIG. 2 is used to perform the high frequency heat treatment step 105.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유도가열코일(13)은, 일측으로 개방된 부분 원호형 고주파출력부(13a)와, 상기 고주파출력부(13a)와 일체를 이루며 외부의 고주파발생부(15)와 연결되는 고주파유도부(13b)를 갖는다.2 and 3, the induction heating coil 13 includes a partially arc-shaped high-frequency output section 13a which is open to one side, and a high-frequency generating section 13b which is integrated with the high-frequency output section 13a, And a high frequency induction portion 13b connected to the high frequency induction portion 15a.

특히 상기 유도가열코일(13)은 후크(hook)의 형태를 취하며, 시편(11)의 길이방향 임의의 지점에서 시편(11)을 걸어 그 내측에 수용할 수 있다. 상기 고주파출력부(13a)의 직경은 시편(11)을 수용할 수 있도록 충분한 사이즈를 갖는다.In particular, the induction heating coil 13 takes the form of a hook, and the specimen 11 can be received at an arbitrary position in the longitudinal direction of the specimen 11 to be accommodated therein. The diameter of the high frequency output portion 13a is sufficiently large to accommodate the test piece 11.

상기 고주파출력부(13a)는 시편(11)을 수용한 상태로, 고주파에너지를 출력하여 시편(11)의 금속조직을 경화시킨다. 특히 고주파출력부(13a)가 고주파 에너지를 출력하는 동안 시편(11)을 길이방향으로 직선 이동시켜 시편(11)의 전체면이 열처리 되도록 한다. The high-frequency output section 13a outputs high-frequency energy in a state of accommodating the test piece 11 to harden the metal structure of the test piece 11. In particular, while the high-frequency output section 13a outputs high-frequency energy, the specimen 11 is linearly moved in the longitudinal direction so that the entire surface of the specimen 11 is heat-treated.

시편의 이송속도 및 지연시간과, 고주파출력부(13a)의 출력 등 고주파 열처리 과정의 셋팅조건에 따라 시편(11)의 경화깊이를 다르게 구현할 수 있음은 당연하다. 셋팅 조건을 적절히 조절하여 원하는 경화깊이를 형성할 수 있는 것이다.It is natural that the curing depth of the specimen 11 can be varied depending on the setting conditions of the high frequency heat treatment process such as the feed rate and the delay time of the specimen and the output of the high frequency output section 13a. The desired setting depth can be formed by appropriately adjusting the setting conditions.

이어지는 시험진행단계(107)는 고주파 열처리가 완료된 시편(11)을 시험장치에 장착한 상태로 진행하는 과정으로서, 정적 비틀림시험공정(107a), 반복 변형율 제어 증분 단계시험 공정(107b), 반복 변형율 제어 피로시험 공정(107c)을 포함한다.The subsequent test progressing step 107 is a step of proceeding with the specimen 11 having been subjected to the high-frequency heat treatment in a state where it is mounted on the testing apparatus. The static torsion testing step 107a, the repeated strain control incremental step testing step 107b, And a control fatigue testing process 107c.

참고로 상기 시험장치는, 시편의 양측 척부(11a)를 물어 고정한 상태로 반복적 비틀림력을 가하는 장치로서, 고정척과 회전축과 제어패널부 등을 갖는다. 상기 제어패널부는 토크센서를 통해 획득된 데이터를 수집하여 저장하는 부분이다.For reference, the test apparatus is a device for applying repetitive twisting forces in a state where the two side portions 11a of the specimen are fixed by being fixed, and has a fixing chuck, a rotary shaft, a control panel portion, and the like. The control panel unit collects and stores data acquired through the torque sensor.

상기 정적 비틀림 시험 공정(107a)은, 시편(11)의 정적 비틀림 거동을 살펴보고 전단 탄성계수(G, Shear Modulus)을 구하기 위해 진행하는 과정이다.The static torsional test process 107a is a process of looking at the static torsional behavior of the specimen 11 and calculating the shear modulus (G).

또한, 반복 변형율 제어 증분 단계 시험 공정(107b)은 재료의 반복 변형에 따른 경화 또는 연화 현상을 관찰하고 반복 응력-변형률 선도를 구하기 위한 시험이다.In addition, the repeated strain control incremental step test step 107b is a test for observing the hardening or softening phenomenon caused by the repeated deformation of the material and obtaining the repeated stress-strain curve.

상기 반복 변형률 제어 증분단계 시험 공정(107b)을 진행하면 아래와 같은 안정화된 히스테리시스 루프 형태의 응력-변형률 선도를 얻을 수 있다. 안정화된 히스테리시스 루프 그래프에서 정점을 연결하여 수식에 대한 커브피팅(Curve Fitting)을 통해 반복 응력-변형률 선도를 구할 수 있다.The stress-strain curve in the form of a stabilized hysteresis loop as shown below can be obtained by proceeding to the repeated strain control incremental step test step 107b. By connecting the vertices in a stabilized hysteresis loop graph, you can obtain the cyclic stress-strain curve by curve fitting on the formula.

Figure 112017009695203-pat00001
,
Figure 112017009695203-pat00002
= 비틀림 전단변형률 진폭
Figure 112017009695203-pat00001
,
Figure 112017009695203-pat00002
= Torsional shear strain amplitude

Figure 112017009695203-pat00003
= 비틀림 전단응력 진폭
Figure 112017009695203-pat00003
= Torsional shear stress amplitude

Figure 112017009695203-pat00004
= 재료의 전단 탄성계수 (Shear Modulus)
Figure 112017009695203-pat00004
= Shear modulus of material (shear modulus)

Figure 112017009695203-pat00005
= 반복 강도계수 (Cyclic Strength Coefficient)
Figure 112017009695203-pat00005
= Cyclic Strength Coefficient

Figure 112017009695203-pat00006
= 반복 변형률 경화지수 (Cyclic Strain Hardening Exponent)
Figure 112017009695203-pat00006
= Cyclic Strain Hardening Exponent

[수식1][Equation 1]

Figure 112017009695203-pat00007
Figure 112017009695203-pat00007

[응력 - 변형률 선도][Stress-strain diagram]

Figure 112017009695203-pat00008
Figure 112017009695203-pat00008

한편, 반복 변형율 제어 피로시험 공정(107c)은, 변형률-수명 선도를 구하고자 동일한 여러 개의 시편을 이용하여 진행하는 과정이다. On the other hand, the cyclic strain control fatigue testing process 107c is a process of using several identical specimens to obtain a strain-life diagram.

변형률-수명 선도는, 탄성변형항 피로수명 관계식과 소성변형항 피로수명 관계식의 합으로 표현되는데, 탄성변형항 피로수명 관계식은 Basquin가 제안한 탄성변형항 피로수명 관계식을 이용하며, 소성변형항 피로수명 관계식은 Manson-Coffin이 제안한 관계식을 이용한다. 아래와 같은 그래프 통해 변형률-수명 선도의 피로 물성값을 얻을 수 있음.The strain-life diagram is expressed as the sum of the elastic deformation fatigue life relation and the plastic deformation fatigue life relation. The elastic deformation fatigue life relation is based on the elastic deformation fatigue life relation proposed by Basquin, The relational expression uses the relation proposed by Manson-Coffin. The fatigue properties of the strain-life diagram can be obtained through the following graph.

Figure 112017009695203-pat00009
= 피로 전단강도계수 (Fatigue Shear Strength Coefficient)
Figure 112017009695203-pat00009
Fatigue Shear Strength Coefficient (Fatigue Shear Strength Coefficient)

Figure 112017009695203-pat00010
= 피로 전단연성계수 (Fatigue Shear Ductility Coefficient)
Figure 112017009695203-pat00010
Fatigue Shear Ductility Coefficient

bt= 피로강도지수 (Fatigue Strength Exponent) bt = Fatigue Strength Exponent

ct= 피로연성지수 (Fatigue Ductility Exponent) ct = Fatigue Ductility Exponent

[수식2][Equation 2]

Figure 112017009695203-pat00011
Figure 112017009695203-pat00011

이러한 반복 변형율 제어 피로 시험(107c)은, 8 개 내지 10개의 서로 다른 변형률 진폭을 결정하여 진행된다. 이 때, 피로시험의 무한수명 기준(Run-out)은 2,000,000 cycles로 설정하고 그 이상 넘어갈 경우 시험을 종료한다.This cyclic strain control fatigue test 107c proceeds by determining 8 to 10 different strain amplitudes. At this time, the infinite life-time criterion (Run-out) of the fatigue test is set to 2,000,000 cycles.

또한, 주어진 변형률 진폭에서 탄성변형률과 소성변형률을 추정하기 위해 피로시험이 충분히 진행된 상태에서 얻어진 안정화된 히스테리시스 루프 형태의 응력-변형률 선도가 필요한데, 안정화 여부를 판단하기 위해 피로시험시 시험장비 제어패널부를 통해 각도-토크 데이터를 모니터링하면서 반복수가 충분히 지남에 따라 변동이 일정하게 유지되었다고 판단되었을 때 시험장비 속도를 일시적으로 늦춰 각도-토크 데이터를 수집하고, 이를 안정화된 히스테리시스 루프로 활용할 수 있다.In order to estimate the elastic strain and plastic strain at a given strain amplitude, it is necessary to obtain a stress-strain curve in the form of a stabilized hysteresis loop obtained in a state in which the fatigue test is sufficiently advanced. In the fatigue test, Torque data can be collected and utilized as a stabilized hysteresis loop by temporarily delaying the test equipment when it is determined that the variation has remained constant as the number of iterations has been sufficiently maintained while monitoring the angle-torque data.

특히 피로수명은 ASTM E606/E606M 규격을 인용하여, 하중 전달 능력이 초기하중의 50% 감소하였을 때의 반복수로 정의한다.In particular, the fatigue life is defined as the number of repetitions when the load carrying capacity is reduced by 50% of the initial load, citing ASTM E606 / E606M.

위 시험으로 얻어진 재료 물성값과 피로 물성값들은 고주파 열처리에 따른 재료 특성 변화가 반영된 물성값으로써, 유한요소해석인 피로해석을 통해 구동축의 피로수명 평가를 정량적으로 평가할 수 있는 자료로 사용된다.The material properties and the fatigue properties obtained by the above tests are used as quantitative evaluation of the fatigue life evaluation of the drive shaft through the fatigue analysis, which is a finite element analysis.

상기 과정을 통해 시험진행단계(107)가 완료되었다면 수평예측 및 평가단계(109)가 이어진다. 상기 수명에측 및 평가단계(109)는 위의 시험단계(107)를 통해 수집된 데이터를 종합하여 자동차 구동축의 피로 수명을 평가하는 과정이다.If the test progress step 107 is completed, the horizontal prediction and evaluation step 109 is performed. The lifetime and evaluation step 109 is a process for evaluating the fatigue life of an automobile drive shaft by synthesizing the data collected through the above test step 107. [

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피로수명 예측 방법을 위해 사용되는 시편(11) 및 유도가열코일(13)을 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 상기 도 2에 도시한 시편의 측면도이다.FIGS. 2 and 3 are views showing a test piece 11 and an induction heating coil 13 used for the fatigue life prediction method according to an embodiment of the present invention. 4 is a side view of the specimen shown in Fig. 2. Fig.

도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 피로수명 예측 방법의 진행을 위해 사용되는 시편(11)은, 막대의 형태를 취하며 양단부에 척부(11a)를 가지고 중앙에는 파단부(11b)를 제공한다. 이러한 구조는 작은 각도에서도 충분한 비틀림 전단변형이 발생할 수 있도록 고려된 것이다.As shown in the drawing, the specimen 11 used for the progress of the fatigue life prediction method according to the present embodiment takes the form of a rod and has a chuck portion 11a at both ends and a rupture portion 11b at the center . This structure is considered to allow sufficient torsional shear deformation to occur even at small angles.

상기 척부(11a)는 시험장치의 척에 물리는 부분으로서 정사각형의 단면형태를 갖는다. 또한 파단부(11b)는 척부(11a)에 가해진 비틀림력에 의해 파단되는 부분이다. 즉 파단되는 부분은 파단부(11b)의 내측 범위에 포함된다.The chuck portion 11a has a square cross-sectional shape as a portion of the chuck portion of the test apparatus. The rupture portion 11b is a portion that is broken by the twisting force applied to the chuck portion 11a. That is, the portion to be broken is included in the inner range of the rupture portion 11b.

아울러 상기한 바와같이, 상기 파단부(11b)의 최소직경(D2)는 파단부(11b)의 두께(D1) 보다 작다. 상기한 바와같이, 최소직경(D2)은 파단부의 두께(D2)의 0.66 배 이상이고 1배 미만이다.In addition, as described above, the minimum diameter D2 of the breaking portion 11b is smaller than the thickness D1 of the breaking portion 11b. As described above, the minimum diameter D2 is 0.66 times or more and less than 1 times the thickness D2 of the rupture portion.

한편, 도 3에 도시한 바와같이, 상기 유도가열코일(13)의 고주파출력부(13a)는 그 내부에 상기 척부(11a)를 수용할 수 있는 최소한의 직경을 갖는다. 특히 후크의 형태를 취하여 시편(11)의 길이방향 아무 곳에서도 시편(11)을 걸어 그 내부에 수용할 수 있다.3, the high frequency output portion 13a of the induction heating coil 13 has a minimum diameter capable of accommodating the chuck portion 11a therein. In particular, the specimen 11 can be held in the inside of the specimen 11 by taking the form of a hook, anywhere in the longitudinal direction of the specimen 11.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.

11:시편 11a:척부
11b:파단부 13:유도가열코일
13a:고주파출력부 13b:고주파유도부
15:고주파발생부
11: Psalm 11a: chuck
11b: rupture portion 13: induction heating coil
13a: high frequency output section 13b: high frequency induction section
15:

Claims (5)

고주파 열처리된 자동차 구동축의 비틀림 피로수명 평가를 위해 사용되는 막대형 시편에 고주파 열을 가하여, 시편에 원하는 경화깊이를 형성하는 것으로서,
상기 시편은 반대방향의 비틀림력을 제공하는 반복 비틀림 시험장치에 물려 고정되며 정사각 단면을 가지는 척부와, 상기 척부의 사이부에 위치하고, 가해진 비틀림력에 의해 파단되는 파단부를 포함하며, 상기 파단부의 최소직경은 척부 두께의 0.66배 이상 1배 미만이고,
상기 시편을 통과시킨 상태로 고정할 수 있는 소정의 내부 영역을 구비하여 시편의 길이방향 이동시 시편에 고주파열을 가하는 고주파출력부와,
외부로부터 인가된 고주파에너지를 고주파출력부로 인가하는 고주파유도부를 포함하고,
상기 고주파 출력부 및 고주파유도부는 일체를 이루는 것을 특징으로 하는 시편 열처리용 유도가열코일.
Frequency heat is applied to the rod-shaped specimen used for evaluating the torsional fatigue life of the high-frequency heat-treated automobile drive shaft to form a desired hardening depth in the specimen,
Wherein the specimen includes a chuck portion having a square cross section fixed to a repeated torsion testing apparatus provided with a twisting force in the opposite direction and a rupture portion located between the chuck portions and fractured by an applied twisting force, The diameter is 0.66 times or more and less than 1 times the thickness of the chuck,
A high-frequency output unit having a predetermined inner region that can be fixed while passing through the specimen and applying a high-frequency heat to the specimen when the specimen is moved in the longitudinal direction;
And a high frequency induction unit for applying high frequency energy externally applied to the high frequency output unit,
Wherein the high-frequency output unit and the high-frequency induction unit are integrally formed.
제 1항에 있어서,
상기 고주파출력부는, 일측이 개방된 부분 원호의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 시편 열처리용 유도가열코일.
The method according to claim 1,
Wherein the high-frequency output section takes the form of a partial arc having one side opened.
제 1항 또는 제 2항의 시편 열처리용 유도가열코일을 사용한 피로수명 예측방법에 있어서,
고주파 열처리를 통한 구동축 표면의 경화깊이를 결정하는 경화깊이 산정단계와;
상기 구동축으로 사용할 금속재료와 동일한 재료를 이용해, 실제 구동축을 대신하여 비틀림 시험에 사용될 시편을 가공하는 비틀림 피로 시편 가공단계와;
상기 시편 가공단계를 통해 준비된 시편을 고주파 열처리하되, 상기 경화깊이 산정단계를 통해 산정된 경화깊이에 비례하는 깊이만큼 경화시키는 시편 고주파 열처리단계와;
상기 고주파 열처리단계를 통해 얻은 시편을 시험장치에 세팅한 상태로 비틀림력을 가하며 시험하는 시험진행단계와;
상기 시험진행단계를 통해 얻은 데이터를 이용해 자동차 구동축의 피로 수명을 평가하는 수명 예측 및 평가단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법.
A method for predicting fatigue life using an induction heating coil for heat treatment of a specimen according to claim 1 or 2,
A hardening depth calculating step of determining a hardening depth of the surface of the drive shaft through high frequency heat treatment;
A torsional fatigue specimen processing step of processing a specimen to be used for a torsional test instead of an actual drive shaft by using the same material as the metal material to be used as the drive shaft;
A specimen high frequency heat treatment step of subjecting the specimen prepared through the specimen preparation step to a high frequency heat treatment and curing the specimen to a depth proportional to the depth of curing calculated through the curing depth calculation step;
A test progress step of testing the specimen obtained through the high-frequency heat treatment step while applying a twisting force while setting the specimen on the test apparatus;
And estimating a fatigue life of the automobile drive shaft using the data obtained through the test progression step. The method of predicting fatigue life according to the high frequency heat treatment of an automobile drive shaft using a specimen.
제 3항에 있어서,
상기 시험진행단계에는;
정적 비틀림시험 공정, 반복 변형율 제어 증분 단계시험 공정, 반복 변형율 제어 피로시험 공정이 포함되는 것을 특징으로 하는 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법.
The method of claim 3,
In the test progress step,
A static torsional test process, a repeated strain control incremental test process, and a cyclic strain control fatigue test process. The method of predicting fatigue life according to high frequency heat treatment of automobile drive shafts using a specimen.
삭제delete
KR1020170013026A 2017-01-26 2017-01-26 Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen KR101956349B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170013026A KR101956349B1 (en) 2017-01-26 2017-01-26 Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170013026A KR101956349B1 (en) 2017-01-26 2017-01-26 Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180088225A KR20180088225A (en) 2018-08-03
KR101956349B1 true KR101956349B1 (en) 2019-03-11

Family

ID=63250514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170013026A KR101956349B1 (en) 2017-01-26 2017-01-26 Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101956349B1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2780826B2 (en) 1989-11-10 1998-07-30 株式会社鷺宮製作所 Thermal fatigue test method
KR200278781Y1 (en) 2002-03-29 2002-06-20 주식회사 에스에이씨 Test sample uniformity heating device of hot torsion testing machine
JP2006162472A (en) 2004-12-08 2006-06-22 Sumitomo Metal Ind Ltd Method, device and test piece for testing thermal fatigue
JP2007278779A (en) 2006-04-05 2007-10-25 Shimadzu Corp Test method for thermal fatigue, test piece for thermal fatigue test, and test piece mounting joint for thermal fatigue test
JP2008058017A (en) 2006-08-29 2008-03-13 Shimadzu Corp Metal thermal fatigue testing machine
JP2009084624A (en) 2007-09-28 2009-04-23 Delta Tooling Co Ltd Coil for induction-heating and high frequency heat treatment apparatus
JP2012108102A (en) * 2010-10-28 2012-06-07 Kobe Steel Ltd Method for evaluating fatigue fracture of cylindrical metal material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100851148B1 (en) 2006-12-19 2008-08-08 주식회사 포스코 Method for analyzing endurance of welding part of steel sheet for automobile

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2780826B2 (en) 1989-11-10 1998-07-30 株式会社鷺宮製作所 Thermal fatigue test method
KR200278781Y1 (en) 2002-03-29 2002-06-20 주식회사 에스에이씨 Test sample uniformity heating device of hot torsion testing machine
JP2006162472A (en) 2004-12-08 2006-06-22 Sumitomo Metal Ind Ltd Method, device and test piece for testing thermal fatigue
JP2007278779A (en) 2006-04-05 2007-10-25 Shimadzu Corp Test method for thermal fatigue, test piece for thermal fatigue test, and test piece mounting joint for thermal fatigue test
JP2008058017A (en) 2006-08-29 2008-03-13 Shimadzu Corp Metal thermal fatigue testing machine
JP2009084624A (en) 2007-09-28 2009-04-23 Delta Tooling Co Ltd Coil for induction-heating and high frequency heat treatment apparatus
JP2012108102A (en) * 2010-10-28 2012-06-07 Kobe Steel Ltd Method for evaluating fatigue fracture of cylindrical metal material

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김태안 외, 차량용 프로펠러 샤프트의 비틀림 피로수명 평가, 대한기계학회춘추학술대회논문집, 대한기계학회, 2017.04. pp365-366
김태영 외, 비틀림 하중을 받는 고주파열처리 드라이브 차축의 피로 수명 평가, 대한기계학회논문집A권제41권제6호, 대한기계학회, 2017.06 pp567-573
박원조, 고주파 표면경화된 SM53C강의 파괴인성 특성, 한국안전학회지, 2008.2.21, 제23권제1호, pp 12-14*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180088225A (en) 2018-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sum et al. Finite element, critical-plane, fatigue life prediction of simple and complex contact configurations
Ince et al. A generalized fatigue damage parameter for multiaxial fatigue life prediction under proportional and non-proportional loadings
Shamsaei et al. Effect of hardness on multiaxial fatigue behaviour and some simple approximations for steels
Oh et al. A finite element ductile failure simulation method using stress-modified fracture strain model
Mars et al. A literature survey on fatigue analysis approaches for rubber
Sakane et al. Notch effect on multiaxial low cycle fatigue
Sun et al. Proportional and non-proportional hardening behavior of dual-phase steels
Del Llano-Vizcaya et al. Multiaxial fatigue and failure analysis of helical compression springs
Antunes et al. Effect of crack closure on non-linear crack tip parameters
Liu et al. Steady ratcheting strains accumulation in varying temperature fatigue tests of PMMA
Grüning et al. Cyclic stress–strain behavior and damage of tool steel AISI H11 under isothermal and thermal fatigue conditions
Badnava et al. Determination of combined hardening material parameters under strain controlled cyclic loading by using the genetic algorithm method
Serri et al. Finite element analysis of the effects of martensitic phase transformation in TRIP steel sheet forming
Kreethi et al. Ratcheting life prediction of quenched–tempered 42CrMo4 steel
KR101956349B1 (en) Fatigue Life Prediction Method by High Frequency Heat Treatment of Automobile Drive Shaft Using Specimen and Specimen and Induction Heating Coil for Heat the Specimen
Zhai et al. Numerical analysis for small punch creep tests by finite-element method
Shamdani et al. A comparative numerical study of combined cold expansion and local torsion on fastener holes
Collin Thermo-mechanical fatigue of castiron for engine applications
Dietrich et al. Accumulation of damage in A336 GR5 structural steel subject to complex stress loading
Yuenyong et al. Micromechanics based modelling of fatigue crack initiation of high strength steel
Hosseini et al. Study of hardening and cyclic plastic behaviour around the crack tip of C (T) specimen made by as‐received and annealed copper
Loporcaro et al. Strain-ageing effects on the residual low-cycle fatigue life of low-carbon steel reinforcement
Kühne et al. Fatigue analysis of rolled components considering transient cyclic material behaviour and residual stresses
Goyal et al. Effect of notch on low cycle fatigue behaviour of 316 LN stainless steel
Haghshenas et al. Fixing induction heat treatment flaws of an automotive transmission output shaft

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant