자동차 서스펜션 모듈

자동차 서스펜션 모듈

개요

• 1. 서론(자동차 서스펜션 모듈이란)

• 2. 대상체 및 내구해석 절차

• 3. 고장물리 서스펜션

• 4. 피로내구 설계

• 5. 통합설계시스템

• 6결론

자동차 서스펜션의 모듈이란.

• 모듈(Module) 생산방식이란 자동차 조립공정의 일부를 부품업체에 이관하는 것을 말한다. 대표적인 모듈생산 품목은 운전석, 섀시, 프론트엔드, 도어, 시트 등.

• 자동차에 들어가는 2만여개의 작은 부품을 대형 부품회사가 6~7개 덩어리로 묶어 중간 부품(모듈 부품)으로 만들면, 자동차 업체가 이를 조립해 완성차를 만드는 선진국형 생산 방식이다. 

• 예컨대 운전석 모듈의 경우 종전에는 완성차업체가 계기판, 핸들, 에어콘장치, 에어백 등을 생산라인에서 일일이 조립했지만 모듈화를 통해 부품사가 이를 미리 완성해 공급하고 완성차는 운전석모듈을 생산차량에 끼워넣기만 하면 된다.

• 완성차업체는 수만개의 부품을 조립하는 공정을 모듈화를 통해 수천개, 수백개로 대폭 줄일 수 있다.

• 90년대 중반 유럽을 중심으로 시작된 자동차생산의 모듈방식은 원가절감에서 큰 효과를 보고 있다. 독일의 폴크스바겐과 미국 포드는 90년대 후반부터 도입했으며 제너럴모터스(GM) 역시 주력생산방식으로 채택하고 있다. 

• 도요타 닛산을 비롯한 일본업체들도 잇따라 모듈방식 도입에 나섰으며 한국의 자동차메이커들도 모듈화 작업을 한창 진행하고 있다. 

대상체

• 2.2 내구해석 절차

• 초기설계 단계에서 주요설계변수의 선정을 통

• 한 형상최적화 작업이 이루어진다. PSG를 이용한

• CATIA 기반의 파라메트릭 모델링 작업과 손쉬운

• 형상변경을 통해 형상 데이터가 제공되고, 이를

• 통해 내구해석이 이루어진다. Fig. 2와 같이 총

• 10단계의 절차가 순차적으로 또는 상호 보완적으

• 로 실행된다. 첫 번째 단계에서 형상정보를 포함

• 하고 있는 CAD 파일이 CAE 전처리 도구로 입력

• 되고 유한요소해석을 위한 메쉬작업이 이루어진

• 다. 이때, 용접부에 대하여 서스펜션 모듈에 적합

• 한 모델링 작업이 이루어진다. 이때 메쉬는 쉘요

• 소로서, 3차원 솔리드 CAD 형상의 중립면에 위

• 치하게 되고, 용접 연결부는 용접요소를 생성시

• 킨다. 하중 및 경계조건은 MPC(Multi-Point

• Constraint) 기능을 활용하여 구현하며, 다음 단계

• 에서 구조해석과 피로해석을 수행하여 피로내구

• 지수를 계산하게 된다.

고장물리 기반 서스펜션 모듈 모델링

• 3.1 고장메커니즘

• 서스펜션 모듈은 전절에서 설명하였듯이 컨트

• 롤 암, 크로스멤버, 캐리어부, 현가스프링 장착부

• 및 스토퍼 등 다양한 부품으로 조립되어 있고 차

• 량의 움직임(Braking, Cornering, Bumping)에 의한

• 정하중과 GVW(Gross Vehicle Weight) 가속도 변

• 화에 따른 피로하중 진폭이 끊임없이 부과된다.

• 특히, 컨트롤 암과 크로스멤버는 경량화를 목적

• 으로 여러 판넬을 용접으로 접합하여 제작하는

• 데, 이는 필연적으로 용접부의 높은 피로민감도

• 로 인해 대부분의 고장 발생 원인을 제공한다.

• 용접부의 불규칙한 기하학적인 불연속부에 작용

• 하는 노치응력 또는 변형률과 이들의 반복 응답

• 특성을 고려한 노치변형률법이 적용되어 용접부

• 에 발생하는 피로균열발생 수명을 평가한다.

• Smith 등(7)이 제안한 이론식으로 산출된 피로수명

• 은 식(1)과 같이 피로내구지수로 표현되며, 1 이

• 상의 값을 갖게 형상 설계변수를 변화시킨다.

서스펜션 모듈 모델링

• 각 구성품들은 Seam Welding에 의하여 연결된

• 다. 용접부를 표현하기 위해서는 Base가 되는 구

• 성품의 모서리에서 대상이 되는 구성품의 면

• (Target Surface)으로 사각형요소를 생성하고 용접

• 요소와 연결된 요소도 반드시 사각형요소가 되도

• 록 해야 한다. 용접 부위에 사각형요소를 생성하

• 면서, 연결부위의 메쉬를 수정하는 과정은 반복

• 적이고 많은 시간이 소요된다. 이 과정은 용접요

• 소 생성 유틸리티를 적용하여 반복적인 작업을

• 최소화하였다. 사용자는 용접으로 연결되는 모서

• 리와 면, 그리고 용접요소 생성시 리메쉬를 수행

• 할 영역을 Mesh Layer로 지정하면 된다. Fig. 3은

• 용접요소를 생성하고 용접부위를 리메쉬한 결과

• 이다.

피로내구의 설계

• . 피로내구설계의 실무절차

• 6.1 피로내구설계 시나리오

• 설계 초기단계에서 서스펜션 모듈 부품의 형상

• 최적화를 위하여 대상체의 주요 설계변수를 선정

• 하고, 이의 변화에 따른 피로내구수명의 변화를

• 검토해야 한다. 대상 부품별 설계 시나리오를 모

• 식도로 나타내면 Fig. 8과 같다.

• 6.2 해석결과

• Fig. 9는 대표적으로 RR Cross member의 결과

• 로서 형상설계변수의 변화에 따라 Val_Lif와

• FEM_Mass가 변화되는 것을 볼 수 있으며,

• FEM_Mass가 최소가 되면서 Val_Lif가 최대가 되

• 는 형상설계를 선정할 수 있다.

결론

• 자동차 서스펜션 모듈의 피로파손의 PoF를 고

• 려한 피로내구지수의 계산법을 통하여 주요 부품

• 인 FR Lower arm, RR Lower arm 및 RR Cross

• member의 형상설계의 실무절차를 분석하였다. 또

• 한, 멀티 에이전트 기반 엔지니어링 통합 프레임

• 워크를 이용한 통합설계시스템을 개발하여 실무

• 적인 설계 시나리오를 적용하여 통합설계 시스템

• 의 효율분석을 실시한 결과 일인당 공수절감 효

• 과가 40% 이상임을 확인 하였다.