KR20010010575A - Method for estimating fatigue life of leaf spring in vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 차량의 리프 스프링 피로 수명 예측 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 안전성 및 승차감에 가장 중요한 리프 스프링의 피로 수명을 예측함으로써, 리프 스프링의 성능을 개선할 수 있도록 한 차량의 리프 스프링 피로 수명 예측 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a leaf spring fatigue life prediction method of a vehicle, and more particularly, by predicting the fatigue life of the leaf spring that is most important for vehicle safety and ride comfort, the leaf spring of the vehicle to improve the performance of the leaf spring A fatigue life prediction method.
일반적으로 차량에는 주행중 노면에서 받은 충격이나 진동을 완화하여 승차감과 자동차의 안정성을 향상하기 위한 여러 종류의 스프링이 있으나, 그 중에서도 링크의 역할 및 리어 서스펜션에 사용되고, 리지드 엑슬과 리프 스프링의 조합인 리프 스프링은 안정성 및 승차감을 보다 좋게 하는데 한계가 있고, 리프간에 마찰작용에 의하여 스프링으로서의 효과도 감소되는 내구성(피로수명)에서도 다소 문제가 있다.In general, there are various types of springs for relieving the shock or vibration received from the road surface while driving to improve the riding comfort and stability of the vehicle. Among them, the leaf is a combination of a rigid axle and a leaf spring. The spring has a limitation in improving stability and ride comfort, and also has some problems in durability (fatigue life) in which the effect as a spring is also reduced by friction between the leaves.
그러므로 상기 리프 스프링의 내구성(피로수명)개선 및 향상을 위하여 종래에는 설계 제작된 리프 스프링을 도 1 에 도시한 바와 같이, 별도의 고정구에 재치하고, 이어서 상부에서 유압 액츄에이터로 상기 리프 스프링을 눌러주는 즉 설계목표(10만 사이클)에 도달할 때까지 반복적으로 눌러 내구성을 시험하거나, 도 2 에 도시한 바와 같이, 설계 제작된 리프 스프링을 실차에 장착한 상태에서 벨지안로에 25KPH 로 5000km 주행시켜 리프 스프링에 크랙(crack)발생 유무를 검사하는 방법으로 내구성(피로 수명)을 시험하게 되었다.Therefore, in order to improve and improve durability (fatigue life) of the leaf spring, a conventionally designed leaf spring is mounted on a separate fixture as shown in FIG. 1, and then the leaf spring is pressed by a hydraulic actuator from the top. In other words, press repeatedly until the design target (100,000 cycles) is reached to test the durability, or as shown in FIG. The durability (fatigue life) was tested by checking the spring for cracks.
그러나 상기 내구성 시험방법들은 시험시료의 준비가 곤란할 뿐만 아니라, 시험시료 및 시험시 소요되는 비용과 시간을 많이 들게 되고, 뿐만 아니라 다양한 시험시료에 대한 시험에 어려움이 있다.However, the durability test methods are not only difficult to prepare a test sample, it takes a lot of cost and time required for the test sample and test, as well as difficult to test a variety of test samples.
또한 시험조건의 미소한 차이에 의하여 크랙이 일관성 없이 발생되므로 시험결과에 대한 분석을 하는데 어려움이 있어, 상기 방법으로는 리프 스프링에 대한 내구성(피로 수명)향상 및 개선을 위한 시험방법으로 미흡한 점을 가지게 되었다.In addition, because cracks are generated inconsistently due to slight differences in test conditions, it is difficult to analyze the test results. As a result, the test method for improving and improving durability (fatigue life) of leaf springs is insufficient. Had.
따라서 본 발명의 목적은 차량의 안전성 및 승차감에 중요한 역할을 수행하는 리프 스프링에 대하여 컴퓨터 이용기술로 주행 시뮬레이션을 수행하여 동하중을 산출하고, 이 동하중으로 동응력을 산출하여 상기 리프 스프링의 피로 수명을 예측할 수 있도록 하고자 하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to calculate the dynamic load by performing the driving simulation by computer-aided technology for the leaf spring that plays an important role in the safety and ride comfort of the vehicle, and to calculate the dynamic stress by the dynamic load to reduce the fatigue life I want to be able to predict it.
도 1은 종래 리프 스프링 피로 수명 예측 방법에 대한 정면도.1 is a front view of a conventional leaf spring fatigue life prediction method.
도 2는 종래 리프 스프링 피로 수명 예측 방법에 대한 측면도.Figure 2 is a side view of a conventional leaf spring fatigue life prediction method.
도 3은 본 발명 리프 스프링 피로 수명 예측 방법에 대한 플로우챠트.Figure 3 is a flow chart for the leaf spring fatigue life prediction method of the present invention.
도 4는 본 발명에 적용된 리프 스프링의 유한 요소 모델링.4 is a finite element modeling of a leaf spring applied to the present invention.
도 5는 본 발명 리프 스프링의 실주행시 동하중 작용상태를 나타낸 사시도.Figure 5 is a perspective view showing a dynamic load action state when running the leaf spring of the present invention.
도 6은 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 하중 변위 선도.6 is a load displacement diagram of a leaf spring applied to the present invention.
도 7은 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 하중 작용시 응력 분포도.Figure 7 is a stress distribution when the load action of the leaf spring applied to the present invention.
상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 시험하고자 하는 리프 스프링을 유한요소 모델로 제작하고, 다물체 동역학을 분석하여 동하중을 산출하는 단계와; 상기 단계에서 제작된 리프 스프링에 대하여 유한요소를 분석하고, 단위 하중대의 응력을 산출하는 단계와; 상기 단계에서 산출된 하중과 응력에 대하여 리프 스프링의 동응력을 산출하는 단계와; 상기 단계에서 산출된 동응력에 대하여 피로수명을 예측하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of preparing a leaf spring to be tested in a finite element model, and analyzing the multibody dynamics to calculate the dynamic load; Analyzing the finite element of the leaf spring fabricated in the above step and calculating the stress of the unit load band; Calculating the dynamic stress of the leaf spring with respect to the load and the stress calculated in the step; It is characterized by consisting of the step of predicting the fatigue life for the dynamic stress calculated in the above step.
그러므로 본 발명에 의하면, 리프 스프링을 유한요소 모델로 제작하고 이 제작된 리프 스프링에 대하여 동하중을 산출 및 단위하중 응력을 산출하며, 이 산출된 동하중과 단위하중 응력으로 실주행 동하중 및 응력을 산출함으로써, 리프 스위치의 손상에 따른 피로 수명을 해석하고 예측할 수 있게 되는 것이다.Therefore, according to the present invention, by forming a leaf spring as a finite element model and calculating the dynamic load and the unit load stress for the produced leaf spring, by calculating the actual running dynamic load and stress with the calculated dynamic load and unit load stress, The fatigue life of damage to the leaf switch can be analyzed and predicted.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention.
도 3 은 본 발명 리프 스위치의 피로 수명 예측 방법에 대한 플로우챠트로서, 시험하고자 하는 리프 스프링을 유한요소 모델로 제작하는 단계(30)와; 상기 단계(30)에서 제작된 리프 스프링에 대하여 동하중을 산출하는 단계(40)와; 상기 단계(30)에서 제작된 리프 스프링에 대하여 유한요소를 분석하고, 단위 하중대의 응력을 산출하는 단계(50)와; 상기 단계(40)(50)에서 산출된 각각의 동하중과 단위변위에 대하여 리프 스프링의 동응력을 산출하는 단계(60)와; 상기 단계(60)에서 산출된 동응력에 의한 손상을 마이너 룰에 의하여 피로수명을 예측하는 단계(70)로 이루어지도록 한 것이다.3 is a flowchart of a fatigue life prediction method of a leaf switch of the present invention, comprising: forming a leaf spring to be tested as a finite element model; Calculating a dynamic load with respect to the leaf spring produced in the step 30; Analyzing (50) the finite element of the leaf spring fabricated in the step (30) and calculating the stress of the unit load band; Calculating (60) the dynamic stress of the leaf spring for each dynamic load and unit displacement calculated in the above (40) (50); Damage due to the dynamic stress calculated in the step 60 is to be made to the step of predicting the fatigue life by a minor rule (70).
상기 동하중을 산출하는 단계(40)는 다물체 동역학을 분석하는 단계와; 상기 단계에서 분석된 동역학에 대하여 주행 시뮬레이션을 통한 실주행으로 동하중을 산출하는 단계로 이루어진다.The step of calculating dynamic load (40) includes analyzing multibody dynamics; Comprising the dynamic load in the step of calculating the dynamic load through the running simulation for the dynamics analyzed in the step.
상기 리프 스프링의 단위하중대의 응력산출 단계(50)는 유한요소의 분석과 하중대 변형선도 작성 단계와; 단위 하중에 대한 응력을 산출하는 단계로 이루어진다.Stress calculation step (50) of the unit load of the leaf spring comprises the steps of analyzing the finite element and the load versus strain diagram; Computing the stress on the unit load.
상기 리프 스프링의 동응력 산출단계(60)는 동하중과 단위응력에 대하여 중첩의 원리로 동응력을 산출한다.The dynamic stress calculation step 60 of the leaf spring calculates the dynamic stress based on the principle of superposition of the dynamic load and the unit stress.
도 4 는 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 모델링이고, 도 5 는 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 실주행시 동하중 작용상태를 나타낸 사시도 이며, 도 6 은 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 하중 변위 선도이고, 도 7 은 본 발명에 적용되는 리프 스프링의 하중 작용시 응력 분포도이다.Figure 4 is a model of the leaf spring applied to the present invention, Figure 5 is a perspective view showing the dynamic load action state when running the leaf spring applied to the present invention, Figure 6 is a load displacement diagram of the leaf spring applied to the present invention 7 is a stress distribution diagram under the load action of the leaf spring applied to the present invention.
그러므로 본 발명은 시험하고자 하는 리프 스프링을 유한요소 모델로 도 4 에 도시한 바와 같이 제작하게 되는데(단계30), 상기 유한요소 모델로 제작된 리프 스프링에 대하여 동하중을 산출하게 된다(단계40). 즉 도 5 에 도시한 바와 같이 다물체 동역학 분석에 의하여 실주행 조건하에서 주행 시뮬레이션을 수행하여 리프 스프링에 작용하는 동하중(f1)(f2)(f3)(f4)(f5)(f6)을 산출하게 된다.Therefore, the present invention is to produce the leaf spring to be tested as shown in Figure 4 as a finite element model (step 30), the dynamic load is calculated for the leaf spring produced by the finite element model (step 40). In other words, as shown in FIG. 5, driving simulation is performed under the actual running conditions by multibody dynamic analysis to calculate dynamic loads f1, f2, f3, f4, f5, and f6 acting on the leaf springs. .
이때 리프 스프링에 작용하는 상기 동하중 이력 산출은 다음과 같은 식에 의하여 산출된다At this time, the dynamic load history calculation acting on the leaf spring is calculated by the following equation.
여기서리프 스프링에서 차체에 작용하는 조인트 반작용력(Joint reaction force),; 리프 스프링에서 차체에 작용하는 조인트 반작용 모멘트here Joint reaction force on the body of the leaf spring, ; Joint reaction moment acting on the body of the leaf spring
(Joint reaction moment),; 기준좌표계에 대한 조인트 반작용력의 x ,y ,z 방향성분,; 기준좌표계에 대한 조인트 반작용 모멘트의 x ,y ,z 방향성분이고,; 가준좌표계의 x,y,z 방향 단위 벡터이다.Joint reaction moment, ; X, y, z direction components of joint reaction force with respect to the reference coordinate system, ; X, y, z direction component of the joint reaction moment with respect to the reference coordinate system, ; Unit vector in the x, y, z direction of the temporary coordinate system.
상기와 같이 동하중을 산출한 상태에서 리프 스프링에 대하여 유한요소를 분석하여 이 분석된 유한요소에 대하여 단위 하중의 응력을 산출하게 되는데(단계In the state of calculating the dynamic load as described above, the finite element is analyzed for the leaf spring to calculate the stress of the unit load for the analyzed finite element.
50), 이때 도 6 에 도시한 바와 같이 하중- 변형 이력선도를 작성한다.50) At this time, a load-strain hysteresis diagram is prepared as shown in FIG.
여기서 i 번째 동하중이 fi(t)라고 하면, 리프 스프링의 특정위치에서 동응력은 n 개의 동하중의 선형함수로 표현할 수 있다.If the i th dynamic load is f i (t), the dynamic stress at a specific position of the leaf spring can be expressed as a linear function of n dynamic loads.
따라서 동응력은 σi(t) = f[fi(t)], (i = 1,2 ……… n)Therefore, the dynamic stress is σ i (t) = f [f i (t)], (i = 1,2 ……… n)
이어서 상기 단계(40)에서 산출된 각각의 동하중에 대하여 리프 스프링의 동응력을 산출하게 되는데(단계60), 이때 동응력은 도 7 에 도시한 바와 같이 나타나게 되고, 상기 동응력 산출은 단계(50)의 동응력에 중첩의 원리(superposition's principle)를 적용하여 아래와 같이 산출한다.,Subsequently, the dynamic stress of the leaf spring is calculated for each dynamic load calculated in the step 40 (step 60), where the dynamic stress is shown as shown in FIG. 7, and the dynamic stress calculation is performed in step 50 By applying the superposition's principle to the dynamic stress of
여기서 Si; i번째 동하중에 대한 단위 힘을 부가해서 구한 응력이고, fi(t); i 번째 동하중이다.Where S i ; stress obtained by adding unit force to the i-th dynamic load, f i (t); i th dynamic load.
이와 같이 산출된 동응력은 차체 각 부위의 손상값을 해석하게 된다(단계70).The dynamic stress calculated as described above analyzes damage values of respective parts of the vehicle body (step 70).
그리고 상기 해석된 각 부위의 손상값은 아래 마이너 룰(miner's rule)에 의하여 피로 수명을 산출하게 되는데,And the damage value of each analyzed region is to calculate the fatigue life by the following minor rule (miner's rule),
여기서 하나의 하중 또는 일련의 하중에 의해서 소모된 수명의 양을 손상이라 하고, 상기 이러한 손상의 합을 누적손상 이라 한다.Here, the amount of life consumed by one load or a series of loads is called damage, and the sum of such damages is called cumulative damage.
누적손상량은 상기 마이너 룰을 이용한 식으로부터 계산하게 된다.Cumulative damage amount is calculated from the equation using the minor rule.
상기 마이너 룰은 ni는 동일 진폭을 갖는 사이클수이고, Ni는 특진 진폭에서의 피로수명 사이클 수 이다.In the minor rule, n i is the number of cycles having the same amplitude, and N i is the fatigue life cycle number at the specific amplitude.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 리프 스프링을 유한요소 모델로 제작하고 이 제작된 리프 스프링에 대하여 동하중을 산출 및 단위하중 응력을 산출하며, 이 산출된 동하중과 단위하중 응력으로 실주행 동하중 및 응력을 산출하여, 리프 스위치의 손상에 따른 피로 수명을 해석하고 예측할 수 있도록 함으로써, 내구성 을 시험하기 위하여 시험시료의 준비에 곤란성 및 시험시료 및 시험시 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있어 상기 리프 스프링에 대한 내구성(피로 수명)향상 및 개선을 효율적으로 수행할 수 있는 효과를 제공하게 되는 것이다.As described above, the present invention manufactures the leaf spring as a finite element model and calculates dynamic load and unit load stress for the produced leaf spring, and calculates the actual running dynamic load and stress based on the calculated dynamic load and unit load stress. By analyzing and predicting the fatigue life due to damage of the leaf switch, it is possible to greatly reduce the difficulty in preparing the test sample and the cost and time required for the test sample and the test to test the durability. It is to provide the effect that can effectively perform the improvement and improvement of durability (fatigue life).
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