KR20180088225A - 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법 및 이를 위한 시편과 시편 열처리용 유도가열코일 - Google Patents

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.

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}

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.

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.

한편, 일반적인 구동축 설계는, 정적강도 및 강성설계를 통해 안전율을 충족하도록 개발되고 있으며, 유한요소해석 및 간단한 시험을 통해 부품 요구 성능을 평가하고 있다.

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.

그런데, 시제품을 직접 고주파 열처리한 후 장시간 동안 피로를 가하여 피로시험을 진행하는 것은, 제품 개발 비용의 증가는 물론 개발기간이 길어지는 문제점을 갖고 있다.

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.

국내등록특허공보 제10-0851148호(자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법)

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.

또한, 본 발명은, 고주파 열처리 공정에 따라 재료 특성이 반영된 재료 물성값을 구하기 위한 열처리가 가능한 시편을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 시편에 대한 고주파 열처리가 간단하고 경화깊이를 조절할 수 있는 시편 열처리용 유도가열코일을 제공함에 목적이 있다.

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.

또한, 상기 시험진행단계에는; 정적 비틀림시험공정, 반복 변형율 제어 증분 단계시험 공정, 반복 변형율 제어 피로시험 공정이 포함되는 것을 특징으로 한다.

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.

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.

또한, 상기 고주파출력부는, 일측이 개방된 부분 원호의 형태를 취하는 것을 특징으로 한다.

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.

또한, 본 발명에 따른 시편 열처리용 유도가열코일은, 시편에 대한 고주파 열처리가 간단하고 경화깊이를 조절할 수 있다.

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.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

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.

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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법을 나타내 보인 순서도이다.

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.

상기 경화깊이 산정단계(101)는 시편에 형성할 열처리 깊이를 결정하는 과정으로서, 경화깊이는 실제 구동축에 형성되는 경화깊이에 따라 달라진다.

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.

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.

이어지는 시편 고주파 열처리단계(105)는 시편에 고주파 에너지를 가하여 산정된 경화깊이의 열처리층을 형성하는 과정이다.

상기 고주파 열처리단계(105)를 수행하기 위하여 도 2에 도시한 타입의 유도가열코일(13)이 사용된다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

상기 정적 비틀림 시험 공정(107a)은, 시편(11)의 정적 비틀림 거동을 살펴보고 전단 탄성계수(G, Shear Modulus)을 구하기 위해 진행하는 과정이다.

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.

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.

,

= 비틀림 전단변형률 진폭

= 비틀림 전단응력 진폭

= 재료의 전단 탄성계수 (Shear Modulus)

= 반복 강도계수 (Cyclic Strength Coefficient)

= 반복 변형률 경화지수 (Cyclic Strain Hardening Exponent)

[수식1]

[응력 - 변형률 선도]

한편, 반복 변형율 제어 피로시험 공정(107c)은, 변형률-수명 선도를 구하고자 동일한 여러 개의 시편을 이용하여 진행하는 과정이다.

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.

= 피로 전단강도계수 (Fatigue Shear Strength Coefficient)

= 피로 전단연성계수 (Fatigue Shear Ductility Coefficient)

bt= 피로강도지수 (Fatigue Strength Exponent)

ct= 피로연성지수 (Fatigue Ductility Exponent)

[수식2]

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.

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.

특히 피로수명은 ASTM E606/E606M 규격을 인용하여, 하중 전달 능력이 초기하중의 50% 감소하였을 때의 반복수로 정의한다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

11:시편 11a:척부
11b:파단부 13:유도가열코일
13a:고주파출력부 13b:고주파유도부
15:고주파발생부

Claims (5)

1. 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 하는 시편을 이용한 자동차 구동축의 고주파열처리에 따른 피로수명 예측 방법.
2. 제 1항에 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.
3. 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 하는 시편.
4. 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 하는 시편 열처리용 유도가열코일.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 고주파출력부는, 일측이 개방된 부분 원호의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 시편 열처리용 유도가열코일.
   
   
   
   

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