WO2020017678A1 - 하이브리드 환봉 및 그 제조방법 - Google Patents

하이브리드 환봉 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2020017678A1
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hybrid
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metal
metal round
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이윤주
이혜경
황태호
장연정
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(주)에스에이치팩
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Definitions

  • the present invention relates to a hybrid round bar and a method for manufacturing the same. More specifically, in order to reduce the weight of a metal round bar, such as a conventional cylinder rod, in the method of manufacturing a hybrid round bar formed by forming a plastic composite layer on the outer circumferential surface of the metal round bar, A hybrid round bar manufacturing method comprising the step of deriving an optimal ratio of a metal round bar and a composite material layer.
  • Hydraulic cylinders are the core parts of construction machinery and high-altitude vehicles, such as the need for development of lightweight hydraulic cylinders in recent years.
  • the weight of hydraulic cylinder is reduced by 30%, the weight of total equipment such as construction equipment and high-altitude vehicle can be reduced by 6-15%, which can realize the result of improving energy efficiency in equipment operation.
  • the development of the hydraulic cylinder is attracting attention.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • a CFRP layer is formed on the outer circumferential surface by a filament winding method, and thus, a lightweight rod is manufactured by using a hybrid rod mixed with a metal material and CFRP.
  • the present invention has been made to solve the above problems, in order to reduce the weight of the existing metal round bar shape, such as the rod of the hydraulic cylinder, in manufacturing a hybrid round bar is formed on the outer peripheral surface of the metal round bar, the metal, It is an object of the present invention to provide a hybrid round bar manufacturing method comprising the step of deriving the optimal ratio of the round bar and the composite material layer.
  • a hybrid round bar manufacturing method comprising a metal round bar and a composite material layer formed on the outer circumferential surface of the metal round bar for weight reduction, (a) the hybrid The first diameter (OD), the length (L), the set buckling load (F), the terminal coefficient (n) and the first safety coefficient (SF1) of the round bar are set, and the material and elastic modulus (E) of the metal round bar are set.
  • the method for calculating the critical buckling load (PC) of the metal round bar in the step (b) is Rankine's method or Euler's method (Euler's) according to the calculated equipment method) is characterized in that any one method is applied.
  • the step (d) calculates the thickness (T) of the composite material layer by the optimal diameter (ID) of the metal round bar and the diameter (OD) of the hybrid round bar, and the calculated composite It is characterized in that it is performed by calculating the ratio of the composite layer to the thickness (T) of the material layer and the diameter (OD) of the hybrid round bar.
  • hybrid round bar according to the invention is characterized in that it is produced by any one of the methods described above.
  • FIG. 1 is a view showing a hybrid round bar according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing data calculated through the first embodiment of the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the data calculated through the second embodiment of the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • 5 is a graph showing the data calculated through the third embodiment of the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing data calculated through the fourth embodiment of the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • Figure 7 is a photograph showing the state after the buckling test of the hybrid round bar and the metal round bar and CFRP tube produced by the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 8 is a table showing the results of the buckling test of the hybrid round bar and the metal round bar and CFRP tube produced by the hybrid round bar manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the results of FIG. 8.
  • the present invention is to produce a hybrid round bar in which a composite layer is formed on the outer circumferential surface of the metal round bar in order to lighten the existing metal round bar shape, such as the rod of the hydraulic cylinder, the step of deriving the optimum ratio of the metal round bar and the composite layer It is to provide a hybrid round bar manufacturing method comprising a.
  • the hybrid round bar 100 has a composite layer 300 formed on an outer circumferential surface of the metal round bar 200, and the diameter OD of the hybrid round bar 100 is a metal round bar.
  • a manufacturing method including the step of deriving an optimal ratio of the metal round bar 200 and the composite layer 300 of the hybrid round bar 100 may include the hybrid round bar ( The first diameter (OD), the length (L), the set buckling load (F), the terminal coefficient (n), and the first safety coefficient (SF1), which is the set safety coefficient, and the metal round bar (200).
  • step (a) it is a step of calculating data for deriving an optimal ratio of the composite material layer 300 by setting specifications of the target hybrid round bar 100 and the metal round bar 200.
  • the slenderness ⁇ is calculated to calculate the critical buckling load PC of the metal round rod 200.
  • Step (b) of determining the method is performed.
  • the second diameter D is a value in the range of the first diameter OD or less, and when the first diameter OD is 70 mm, all length values of 70 mm or less may be the object.
  • the length L and the second diameter D are calculated using the following Equation 1, respectively, and the thin equipment ⁇ is calculated, and the metal round bar 200 according to the calculated thin equipment ⁇ value. Determining a method for calculating a critical buckling load PC of.
  • the critical buckling load PC of the metal round bar 200 is calculated by using a Rankin's method as shown in Equation 4, and the calculation Determining a method for calculating the critical buckling load (PC) of the metal round bar 200 by the Euler's method (Euler's method) as shown in Equation 5 when the value of the three pieces of equipment ( ⁇ ) falls within the range of Equation 3 Step.
  • the critical buckling load PC and the second safety coefficient SF2 of the metal round bar 200 are calculated using the determined critical buckling load PC calculation method and the second diameter D values, respectively, and the calculated second safety Step (c) of calculating a third safety factor SF3 of the metal round bar 200 that is closest to the first safety factor SF1 among the coefficients SF2 is performed.
  • the second safety factor SF2 is a value calculated for each of the values of the length L and the second diameter D
  • the third safety factor SF2 is the first of the calculated second safety factors SF2. It is the value closest to the safety factor (SF1).
  • the critical buckling load (PC) calculated by Euler's method is gradually reduced in value of the second diameter (D), and the critical buckling load (PC) is calculated by Rankine's method, the critical buckling load (PC) calculated by Euler's method ) Should be interpreted separately from each other.
  • the second diameter D corresponding to the third safety factor SF3 is the minimum diameter ID MIN of the metal round bar, and thus the optimal ratio of the metal round bar 200 and the composite material layer 300 to reduce the weight is determined.
  • Derivative step (d) is performed.
  • the present invention provides the metal round rod 200 and the composite layer 300 for weight reduction without considering the values of the physical properties and the strength against buckling of the composite layer 300. Since it is for calculating, the second diameter D corresponding to the third safety factor SF3 becomes the minimum diameter ID MIN of the metal round bar 200 that satisfies the first safety factor SF1.
  • the thickness T of the composite material layer 300 may be calculated by the following Equation 6 as the minimum diameter ID MIN of the metal round bar 200, and the calculated thickness T of the composite material layer 300 may be calculated.
  • the optimum ratio of the composite material layer 300 to the furnace hybrid round bar 100 is to be calculated by the following equation (7).
  • Terminal coefficient table Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-pinned n 0.25 2.046 4 One
  • PC Critical Buckling Load
  • SF2 Actual Safety Factor Table of Metal Round Bars D L ⁇ Method PC SF2 65 1500 92.31 Euler 80716 8.072 60 1500 100 Euler 58602 5.860 58 1500 103.45 Euler 51170 5.117 55 1500 109.09 Euler 41377 4.138 51 1500 117.65 Euler 30591 3.059 39 1500 153.45 Euler 10461 1.046
  • the critical buckling load (PC) and the second safety factor (SF2) of the metal round bar are calculated after calculating the respective small lengths ( ⁇ ) with the second diameter (D) values.
  • the second safety coefficient SF2 that is closest to the first safety coefficient SF1 among the second safety coefficients SF2 is 2.025
  • the 2.025 value is the third safety coefficient SF3.
  • the minimum diameter ID MIN of the metal round bar corresponding to the third safety factor SF3 is 46 mm.
  • the optimized composite layer thickness (T) is 9.5 mm and the composite layer in the hybrid round bar is 29.2% (0.0292).
  • Terminal coefficient table Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-pinned n 0.25 2.046 4 One
  • PC Critical Buckling Load
  • SF2 Actual Safety Factor Table of Metal Round Bars D L ⁇ Method PC SF2 65 1500 92.31 Euler 27436 2.744 60 1500 100 Euler 19919 1.992 55 1500 109.09 Euler 14064 1.406 54 1500 111.11 Euler 13069 1.307 51 1500 117.65 Euler 10398 1.040
  • the critical buckling load (PC) and the second safety coefficient (SF2) of the metal round bar are calculated after calculating the respective small lengths ( ⁇ ) with the second diameter (D) values.
  • the second safety coefficient SF2 that is closest to the first safety coefficient SF1 among the second safety coefficients SF2 is 2.128, and the 2.128 value becomes the third safety coefficient SF3.
  • the minimum diameter ID MIN of the metal round bar corresponding to the third safety factor SF3 is 61 mm.
  • the optimized composite layer thickness (T) is 2 mm and the proportion of the composite layer in the hybrid round bar is 6.15% (0.0615).
  • Hybrid Bar Set Point Length (L) 700 mm First diameter (OD) 65 mm Setting load (F) 10000 kgf Terminal coefficient (n) One Pined-pinned First safety factor (SF1) 2
  • Terminal coefficient table Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-pinned n 0.25 2.046 4 One
  • PC Critical Buckling Load
  • SF2 Actual Safety Factor Table of Metal Round Bars D L ⁇ Method PC SF2 65 700 43.08 Rankine 118587 11.859 60 700 46.67 Rankine 96509 9.651 55 700 50.91 Rankine 76673 7.667 48 700 58.33 Rankine 52761 5.276 44 700 63.64 Rankine 41165 4.117 40 700 70 Rankine 31099 3.110 32 700 87.5 Rankine 15569 1.557
  • the critical buckling load (PC) and the second safety coefficient (SF2) of the metal round bar are calculated after calculating the respective small lengths ( ⁇ ) with the second diameter (D) values.
  • the second safety factor SF2 that is closest to the first safety factor SF1 among the second safety coefficients SF2 is 2.068
  • the 2.068 value becomes the third safety factor SF3.
  • the minimum diameter ID MIN of the metal round bar corresponding to the third safety factor SF3 is 35 mm.
  • the optimized composite layer thickness (T) is 15 mm and the proportion of the composite layer in the hybrid round bar is 46.2% (0.462).
  • Hybrid Bar Set Point Length (L) 700 mm First diameter (OD) 65 mm Setting load (F) 10000 kgf Terminal coefficient (n) One Pined-pinned First safety factor (SF1) 2
  • Terminal coefficient table Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-pinned n 0.25 2.046 4 One
  • PC Critical Buckling Load
  • SF2 Actual Safety Factor Table of Metal Round Bars D L ⁇ Method PC SF2 65 700 43.08 Rankine 73614 7.361 60 700 46.67 Rankine 57121 5.712 54 700 51.85 Rankine 40527 4.053 50 700 56 Rankine 31340 3.134 37 700 75.67 Rankine 10948 1.095 34 700 82.35 Rankine 8056 0.806 32 700 87.5 Rankine 6450 0.645
  • the critical buckling load (PC) and the second safety factor (SF2) of the metal round bar were calculated after calculating the respective small lengths ( ⁇ ) with the second diameter (D) values.
  • the second safety coefficient SF2 that is closest to the first safety coefficient SF1 among the second safety coefficients SF2 is 2.022
  • the 2.022 value is the third safety coefficient SF3.
  • the minimum diameter ID MIN of the metal round bar corresponding to the third safety factor SF3 is 44 mm.
  • the optimized composite layer thickness (T) is 10.5 mm and the ratio of the composite layer in the hybrid round bar is 32.3% (0.323).
  • the hybrid round bar according to the present invention is applied to a rod of a hydraulic cylinder, and the results of the buckling test with the rod and the CFRP tube of another metal material are as follows.
  • the actual hybrid round bar (# 3) is larger than the sum of the experimental value (19.1) of the CFRP TUBE (# 4) alone and the calculated round bar (45.5) of the hybrid round bar (# 3).

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Abstract

본 발명은 유압실린더의 로드와 같은 기존의 금속 환봉 형태를 경량화하기 위해, 금속 환봉의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 환봉을 제조함에 있어서, 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 환봉 제조방법을 제공하기 위한 것이다. 이로 인해 하이브리드 환봉을 제조함에 있어 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 구현할 수 있는 이종 재질 간의 최적 비율을 도출할 수 있게 됨에 따라, 금속재질의 환봉류 및 튜브류와 더불어 관련된 장치의 경량화에 기여할 수 있는 이점이 있다.

Description

하이브리드 환봉 및 그 제조방법
본 발명은 하이브리드 환봉 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 실린더 로드 등과 같은 금속 환봉의 경량화를 위해, 금속 환봉의 외주면에 플라스틱 복합재료 층을 형성하여 이루어지는 하이브리드 환봉의 제조방법에서, 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 환봉 제조방법에 관한 것이다.
유압실린더는 건설기계 및 고소차 등의 핵심부품으로, 최근 경량화된 유압실린더의 개발의 필요성이 대두되고 있다.
즉 유압실린더의 무게를 30% 감소시키면 건설기계 및 고소차 등의 총장비 무게를 6~15% 감소시킬 수 있게 되는데, 이는 장비 운용에 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 결과를 구현할 수 있게 됨으로써 경량화된 유압실린더의 개발이 주목을 받고 있는 추세이다.
이러한 유압실린더의 경량화를 위해 실린더 튜브 및 로드의 전체 또는 일부분을 고강도 고탄성의 경량 구조재로 주목받고 있는 첨단 플라스틱 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic)으로 형성하고 있다.
특히 환봉 형태의 실린더 로드의 경우 필라멘트 와인딩 기법으로 외주면에 CFRP층을 형성하여 금속소재와 CFRP가 혼합된 하이브리드 타입 로드로 제조하여 경량화를 구현하고 있는 추세이다.
그러나 하이브리드 타입 로드를 제조함에 있어서 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 이루기 위해서는 금속과 CFRP의 적절한 비율을 산정하여 제조해야 하는데, 이와 같은 비율을 산정하는 방법에 대한 연구 개발이 미진한 실정이다.
따라서 경량화된 유압실린더의 개발에 기여할 수 있도록 하이브리드 타입 로드의 이종 재질 간의 최적 비율을 제시할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유압실린더의 로드와 같은 기존의 금속 환봉 형태를 경량화하기 위해, 금속 환봉의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 환봉을 제조함에 있어서, 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 환봉 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 환봉 제조방법에 따르면, 금속 환봉 및, 경량화를 위해 상기 금속 환봉의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 환봉의 제조방법은, (a) 상기 하이브리드 환봉의 제1 직경(OD), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 환봉의 재질 및 탄성계수(E)를 설정하는 단계; (b) 상기 제1 직경(OD) 이하 범위의 제2 직경(D)값들 및 상기 길이(L)로, 세장비를 산출하여 상기 제2 직경(D)값 각각에 대한 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계; (c) 상기 결정된 방법 및 상기 제2 직경(D)값 각각에 대한 상기 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 환봉의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및, (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 직경(D)값을 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)으로 하여 경량화를 위한 상기 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법은 산출된 세장비에 따라 랭킨의 방법(Rankine's method) 또는 오일러의 방법(Euler's method) 중 어느 하나의 방법이 적용되는 것을 특징으로 한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계는 상기 금속 환봉의 최적 직경(ID)과 하이브리드 환봉의 직경(OD)으로 복합재료 층의 두께(T)를 산출하고, 상기 산출된 복합재료 층의 두께(T)와 하이브리드 환봉의 직경(OD)으로 복합재료 층의 비율을 산출함으로써 수행되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에 따른 하이브리드 환봉은 상술된 방법들 중 어느 하나의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
하이브리드 환봉을 제조함에 있어 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 구현할 수 있는 이종 재질 간의 최적 비율을 도출할 수 있게 됨에 따라, 금속재질의 환봉류 및 튜브류와 더불어 관련된 장치의 경량화에 기여할 수 있는 이점이 있다.
이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 환봉을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법을 순서도로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 제1 실시예를 통해 산출된 데이터를 그래프로 나타낸 그림이다.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 제2 실시예를 통해 산출된 데이터를 그래프로 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 제3 실시예를 통해 산출된 데이터를 그래프로 나타낸 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 제4 실시예를 통해 산출된 데이터를 그래프로 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법으로 제조된 하이브리드 환봉과 금속 환봉 및 CFRP 튜브의 좌굴 시험 후 상태를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법으로 제조된 하이브리드 환봉과 금속 환봉 및 CFRP 튜브의 좌굴 시험 결과를 표로 나타낸 그림이다.
도 9는 도 8의 결과값을 그래프로 나타낸 그림이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
본 발명은 유압실린더의 로드와 같은 기존의 금속 환봉 형태를 경량화하기 위해, 금속 환봉의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 환봉을 제조함에 있어서, 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 환봉 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 본 발명에 따라 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출함에 있어 복합재료 층의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 좌굴 실험의 결과에 의한 데이터로만 제시함을 주지하는 바이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 환봉(100)은 금속 환봉(200)의 외주면에 복합재료 층(300)이 형성되어 있으며, 하이브리드 환봉(100)의 직경(OD)은 금속 환봉(200)의 직경(ID) 및 복합재료 층(300)의 두께(T)를 포함한다.
이와 함께 상술된 도면과 더불어 도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 환봉(100)의 금속 환봉(200)과 복합재료 층(300)의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 제조방법은 상기 하이브리드 환봉(100)의 설정 직경인 제1 직경(OD), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 금속 환봉(200)의 재질, 탄성계수(E) 및 밀도 등의 물성치를 설정하는 (a) 단계가 수행된다.
이와 같은 (a) 단계에서는 목표로 하는 하이브리드 환봉(100) 및 금속 환봉(200)의 제원을 설정하여 최적비율의 복합재료 층(300)을 도출하기 위한 데이터를 산정하는 단계이다.
다음으로 제1 직경(OD) 이하 범위의 제2 직경(D)값들 및 길이(L)로, 세장비(λ, Slenderness)를 산출하여 금속 환봉(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 (b) 단계가 수행된다. 여기에서 제2 직경(D)은 제1 직경(OD) 이하 범위의 값들로 제1 직경(OD)가 70mm인 경우 70mm이하의 모든 길이 값이 대상이 될 수 있다.
이러한 (b) 단계에서는 길이(L) 및 제2 직경(D) 값 각각을 아래의 수학식 1을 통해 세장비(λ)를 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값에 따라 금속 환봉(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
즉, 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 2의 범위에 해당되는 경우 수학식 4와 같은 랜킨의 방법(Rankin's method)으로 금속 환봉(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 3의 범위에 해당되는 경우 수학식 5와 같은 오일러의 방법(Euler's method)으로 금속 환봉(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000001
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000002
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000003
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000004
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000005
이어서 결정된 임계 좌굴하중(PC) 산출 방법 및 제2 직경(D) 값들 각각으로, 금속 환봉(200)의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 환봉(200)의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 (c) 단계가 수행된다. 여기에서 제2 안전계수(SF2)는 길이(L)과 제2 직경(D) 값 각각에 대해 산출된 값이며, 제3 안전계수(SF2)는 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 값이다.
여기에서 산출된 세장비(λ)의 값이 오일러의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하여 오일러의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)을 산출할 경우 제2 직경(D) 값들이 점진적으로 줄어드는 과정에서 세장비(λ)의 값이 랜킨의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하게 될 수 있다. 이와 같은 경우 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들과 랜킨의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들은 하이브리드 환봉의 구조적인 경계조건에서 서로 다른 구조로 되어 있는 것이므로 상호 간의 값이 유기적으로 연결될 수 없다.
따라서 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)이 점진적으로 제2 직경(D) 값이 줄어들어 랜킨의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)이 산출된다면, 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC) 값과 상호 분리하여 해석되어야 할 것이다.
마지막으로, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 직경(D)를 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)으로 하여 경량화를 위한 금속 환봉(200)과 복합재료 층(300)의 최적 비율을 도출하는 (d) 단계가 수행된다.
이러한 (d) 단계에서는 전술한 바와 같이 본 발명은 복합재료 층(300)의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 감안하지 않은 채로 경량화를 위한 금속 환봉(200)과 복합재료 층(300)을 산출하기 위한 것이므로, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 직경(D)가 제1 안전계수(SF1)를 만족하는 금속 환봉(200)의 최소 직경(ID MIN)이 된다.
따라서 금속 환봉(200)의 최소 직경(ID MIN)으로 복합재료 층(300)의 두께(T)를 아래의 수학식 6으로 산출할 수 있으며, 산출된 복합재료 층(300)의 두께(T)로 하이브리드 환봉(100) 대비 복합재료 층(300)의 최적 비율을 아래의 수학식 7로 산출할 수 있게 되는 것이다.
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000006
Figure PCTKR2018008264-appb-img-000007
이하에서는 바람직한 실시예들을 통해 본 발명 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 이해를 돕고자 한다.
제1 실시예
하이브리드 환봉의 설정값
길이(L) 1500 mm
직경(OD) 65 mm
설정 적용하중(F) 10000 kgf
단말계수(n) 1 Pined-Pined
설정 안전계수(SF1) 2
금속 환봉의 설정값
재질 SM45C 고강도강
탄성계수 21,000 kgf/㎟
밀도 7.85 kgf/㎟
단말계수 Table
Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-Pined
n 0.25 2.046 4 1
금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 실제 안전계수(SF2) Table
D L λ Method PC SF2
65 1500 92.31 Euler 80716 8.072
60 1500 100 Euler 58602 5.860
58 1500 103.45 Euler 51170 5.117
55 1500 109.09 Euler 41377 4.138
51 1500 117.65 Euler 30591 3.059
39 1500 153.45 Euler 10461 1.046
표 1 내지 표 4 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 직경(D) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.025이며, 이 2.025 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)은 46mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 9.5mm가 되며 하이브리드 환봉에서 복합재료 층의 비율은 29.2%(0.0292)가 되는 것이다.
제2 실시예
하이브리드 환봉의 설정값
길이(L) 1500 mm
직경(OD) 65 mm
설정 적용하중(F) 10000 kgf
단말계수(n) 1 Pined-Pined
설정 안전계수(SF1) 2
금속 환봉의 설정값
재질 AI7075 알루미늄
탄성계수 7183.01 kgf/㎟
밀도 2.70 kgf/㎟
단말계수 Table
Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-Pined
n 0.25 2.046 4 1
금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 실제 안전계수(SF2) Table
D L λ Method PC SF2
65 1500 92.31 Euler 27436 2.744
60 1500 100 Euler 19919 1.992
55 1500 109.09 Euler 14064 1.406
54 1500 111.11 Euler 13069 1.307
51 1500 117.65 Euler 10398 1.040
표 5 내지 표 8 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 직경(D) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.128이며, 이 2.128 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)은 61mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 2mm가 되며 하이브리드 환봉에서 복합재료 층의 비율은 6.15%(0.0615)가 되는 것이다.
제3 실시예
하이브리드 환봉의 설정값
길이(L) 700 mm
제1 직경(OD) 65 mm
설정 적용하중(F) 10000 kgf
단말계수(n) 1 Pined-Pined
제1 안전계수(SF1) 2
금속 환봉의 설정값
재질 SM45C 고강도강
탄성계수 21,000 kgf/㎟
밀도 7.85 kgf/㎟
단말계수 Table
Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-Pined
n 0.25 2.046 4 1
랜킨의 방법에서 압축강도(σ c) 및 실험정수(a) Table
정수 재료
주철 일반강 고강도강 목재 Al7075
56 34 49 5 51
0.00063 0.00013 0.0002 0.00133 0.0007
금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 실제 안전계수(SF2) Table
D L λ Method PC SF2
65 700 43.08 Rankine 118587 11.859
60 700 46.67 Rankine 96509 9.651
55 700 50.91 Rankine 76673 7.667
48 700 58.33 Rankine 52761 5.276
44 700 63.64 Rankine 41165 4.117
40 700 70 Rankine 31099 3.110
32 700 87.5 Rankine 15569 1.557
표 9 내지 표 13 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 직경(D) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.068이며, 이 2.068 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)은 35mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 15mm가 되며 하이브리드 환봉에서 복합재료 층의 비율은 46.2%(0.462)가 되는 것이다.
제4 실시예
하이브리드 환봉의 설정값
길이(L) 700 mm
제1 직경(OD) 65 mm
설정 적용하중(F) 10000 kgf
단말계수(n) 1 Pined-Pined
제1 안전계수(SF1) 2
금속 환봉의 설정값
재질 AI7075 알루미늄
탄성계수 7183.01 kgf/㎟
밀도 2.70 kgf/㎟
단말계수 Table
Fixed-Free Fixed-Pinned Fixed-Fixed Pined-Pined
n 0.25 2.046 4 1
랜킨의 방법에서 압축강도(σ c) 및 실험정수(a) Table
정수 재료
주철 일반강 고강도강 목재 Al7075
56 34 49 5 51
0.00063 0.00013 0.0002 0.00133 0.0007
금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 실제 안전계수(SF2) Table
D L λ Method PC SF2
65 700 43.08 Rankine 73614 7.361
60 700 46.67 Rankine 57121 5.712
54 700 51.85 Rankine 40527 4.053
50 700 56 Rankine 31340 3.134
37 700 75.67 Rankine 10948 1.095
34 700 82.35 Rankine 8056 0.806
32 700 87.5 Rankine 6450 0.645
표 14 내지 표 18 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 직경(D) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.022이며, 이 2.022 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)은 44mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 10.5mm가 되며 하이브리드 환봉에서 복합재료 층의 비율은 32.3%(0.323)가 되는 것이다.
산출 결과 비교
항목 재질 L OD 복합재료 층 무게(금속+복합재료)kg
제1 실시예 SM45C+CFRP 1500mm 65mm 46mm 29.2% 19.6+3.9=23.5
제2 실시예 Al7075+CFRP 1500mm 65mm 61mm 6.2% 11.8+0.9=12.7
제3 실시예 SM45C+CFRP 700mm 65mm 65mm 46.2% 5.3+2.6=7.9
제4 실시예 Al7075+CFRP 700mm 65mm 44mm 32.3% 2.9+2.0=4.9
금속(ONLY) SM45C 1500mm 65mm 65mm 0 39.1
금속(ONLY) SM45C 700mm 65mm 65mm 0 18.2
밀도 Table
스틸 알루미늄 CFRP
ρ(kgf/㎟) 7.85 2.70 1.60
표 19에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 환봉 제조방법의 제1 실시예와 금속으로만 제조되는 길이 1500mm 환봉을 비교해보면 15.6kg의 무게 차이가 나며, 이 만큼 경량화에 기여할 수 있음을 알 수 있다.
이와 함께 도 7 내지 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 하이브리드 환봉을 유압실린더의 로드에 적용시켜 다른 금속재질의 로드 및 CFRP 튜브와 함께 좌굴 시험을 진행한 결과를 살펴보면 다음과 같다.
본 좌굴 시험은 2018년 6월 21일부터 22일까지 2일간 명지대학교에서 상기 각 로드의 압축 시험을 통하여 좌굴 강도를 측정하였다.
도 6에 도시된 바와 같이 시험 결과로 본 발명에 따른 하이브리드 환봉(#3)의 경우 금속 로드(#1)보다 상대적으로 금속의 비율이 줄었음에도 CFRP 층에 의하여 기존의 재료와 비슷한 수준의 실제 시험값(#1: 96.7, #3: 90.4)을 보여 CFRP 층이 경량화에 기여하면서도 충분한 강도를 하이브리드 환봉에 제공한다는 것을 실험적으로 증명하였다.
그리고 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 CFRP TUBE(#4) 단독의 실험값(19.1)과 하이브리드 환봉(#3)에서 금속 환봉의 계산값(45.5)의 합보다 실제 하이브리 환봉(#3)의 좌굴 강도가 높은 값을 보임으로써 본 발명에 따라 하이브리드 환봉을 제조할 경우 기존 금속재질의 환봉과 동등한 수준의 좌굴 강도 확보가 가능할 것으로 예상된다
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
하이브리드 환봉을 제조함에 있어 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 구현할 수 있는 이종 재질 간의 최적 비율을 도출할 수 있게 됨에 따라, 금속재질의 환봉류 및 튜브류와 더불어 관련된 장치의 경량화에 기여할 수 있는 이점이 있다.
이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

Claims (4)

  1. 금속 환봉 및, 경량화를 위해 상기 금속 환봉의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 환봉의 제조방법은,
    (a) 상기 하이브리드 환봉의 제1 직경(OD), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 환봉의 재질 및 탄성계수(E)를 설정하는 단계;
    (b) 상기 제1 직경(OD) 이하 범위의 제2 직경(D)값들 및 상기 길이(L)로, 세장비를 산출하여 상기 제2 직경(D)값 각각에 대한 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계;
    (c) 상기 결정된 방법 및 상기 제2 직경(D)값 각각에 대한 상기 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 환봉의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 직경(D)값을 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)으로 하여 경량화를 위한 상기 금속 환봉과 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 환봉 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 금속 환봉의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법은,
    산출된 세장비에 따라 랭킨의 방법(Rankine's method) 또는 오일러의 방법(Euler's method) 중 어느 하나의 방법이 적용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 환봉 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    상기 금속 환봉의 최소 직경(ID MIN)과 하이브리드 환봉의 직경(OD)으로 복합재료 층의 두께(T)를 산출하고,
    상기 산출된 복합재료 층의 두께(T)와 하이브리드 환봉의 직경(OD)으로 복합재료 층의 비율을 산출함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 환봉 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 하이브리드 환봉 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 환봉.
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