사출 압력
원형
소재두께(2.5 mm)
원형
소재두께(3.0 mm)
원형
소재두께(3.5 mm)
50% - -
48% -
45%
43%
그림 6.5 원형 소재두께별 알루미늄 바의 사출압력에 의한 변형
사출 압력
사다리꼴 소재두께(2.5 mm)
사다리꼴 소재두께(3.0 mm)
사다리꼴 소재두께(3.5 mm)
50% - -
48%
45% -
43% - -
그림 6.6 사다리꼴 소재두께별 알루미늄 바의 사출압력에 의한 변형
6.3.2 개발품의 진동시험 분석
자동차의 진동을 시험하는 방법에는 고유진동수를 구하기 위해 공진점을 검출하 는 시험방법과 진동시 나타나는 특성을 확인하기 위한 진동기능시험, 일정한 진동 수로 가진하여 진동에 대한 부품의 내구성을 조사하는 진동내구시험, 마지막으로 일정한 비율로 진동수를 연속적으로 증감하여 가진하고, 진동에 대한 부품의 내구 성을 조사하는 스위프 진동내구시험 방법이 있다.
공진점 검출을 위한 시험, 즉 고유진동특성을 파악하는 시험은 시스템의 동적특 성을 분석하기 위해 주로 사용되고, 해석모델의 검증을 위해 주로 사용된다. 진동내 구시험은 제품의 내구성을 검증하기 위해 수행되는데 어떤 부품이 사용되는 환경이 고유진동에 의한 공진점이 일어나는 환경과 공진점이 없는 환경으로 구분하여 각각 의 환경에서 최소한 어느 정도의 수명을 요구하는 상황에서 실험적 분석방법으로 사용된다.
본 연구에서는 CBN(Craig Bampton Nodal Method)를 사용하여 진동 위상최적화를 설계한 카울크로스 멤버의 해석적 검증을 위한 시험으로 공진점 검출을 위한 시험 방법으로 시험을 분석하였다. 그리고 이후 공진점을 기준으로 KSR1034기준으로 가 진 주파수에 의한 진동내구시험분석을 하였다.
공진점 검출을 위한 고유모드 분석실험은 진동실험을 통해서 고유진동수, 감쇠비, 진동형을 결정하는 실험으로 실험에 의한 결과를 분석할 때 기본개념은 다음과 같 다.
구조물이나 어떤 시스템이 가진될 때, 감쇠가 크지 않으면 그 응답은 가진진동수 가 고유진동수와 일치하는 공진에서 뾰족한 피크를 보인다. 그리고 가진진동수가 고유진동수를 통과하면서 응답의 위상차이는 180˚가 되며 공진의 위상은 90˚이다.
임팩트 해머를 사용한 모달시험 분석방법은 그림6.7과 같다. 테스트기에 가속도 센서 부착을 통해 임팩트 해머로부터 나오는 충격가진을 분석하는 방법이다. 본 연 구에서 임팩트 해머는 B&K 8206-002, 진동측정시스템은 B&K3560D, 가속도계센서 는 B&K4506B, 진동분석시스템은 B&K Pulse를 사용하였다. 이와 같은 충격 가진 시험방법은 측정속도가 빠르고, 설치가 쉬우며 가진점 변경이 용이하고, 가진기에 의한 구조적 부하가 최소로 잡히는 장점이 있다. 측정방법은 각각의 포인트에 대해 전/후, 상/하, 좌/우 방향에 대해 측정하고, 각각의 가속도를 Overlapping하여 공진분 석을 한다.
이후 공진점 검출 후, 5 Hz에서 100 Hz까지 주파수 대역에서 공진점을 기준으로 공진점이 있는 경우와 없는 경우로 나누어 시험을 하며, 공진점이 없는 경우는 67 Hz 진동수에 진동가속도 29.4 m/s2(3G)조건으로 상하는 4시간, 전후, 좌우는 2시간씩 시험을 한다. 그리고 공진점이 있는 경우는 상하는 1시간, 전후, 좌우는 0.5시간씩 시험을 하고, 67 Hz, 29.4 m/s2(3G)조건으로 상하는 3시간, 전후, 좌우는 1.5시간씩 시험을 한다.
그림 6.7 Impact hammer modal test schematic
가진기에 의한 시험방법은 그림 6.8과 같이 시험물에 가속도 센서를 부착하고, 신 호발생기에서 신호를 주어, 가진기를 통해 오는 진폭을 신호조절기 및 분석기를 통 해 신호를 측정하는 방법으로 분석된다. 분석방법은 시험이 진동수가 Reference
Point와 일치하는지와 이후 시험 후 시험품 외관분석을 통해 Crack 여부를 분석한
다.
그림 6.8 Exciter modal test schematic
(1) 하이브리드 카울 크로스멤버 고유진동시험
개발품에 대한 고유진동시험은 그림 6.9와 같이 실시하였고 신호분석은 6포인트 를 기준으로 상하, 전후, 좌우에 센스를 부착하였다. 신호분석 결과 상하방향에서 1 차 공진모드 41 Hz에서 발생하였고, 2차공진모드는 전후방향 44 Hz에서 발생하였 다. 그리고 이후 3차모드는 56 Hz, 88 Hz에서 발생하였다. 그림6.10~6.12는 각각의
Channel Point에서 발생되는 주파수 응답함수를 나타내었다. 각각의 포인트 값을 오
버랩을 통해 공진점을 분석한다.
그림 6.9 Modal test set up
X-axis(lateral) FRF at all point
X-axis FRF at each point
그림 6.10 X-axis(longitudinal) FRF(Frequency Response Function) at all point
Y-axis(lateral) FRF at all point
Y-axis FRF at each point
그림 6.11 Y-axis(longitudinal) FRF(Frequency Response Function) at all point
Z-axis(lateral) FRF at all point
Z-axis FRF at each point
그림 6.12 Z-axis(longitudinal) FRF(Frequency Response Function) at all point
(2) 하이브리드 카울 크로스멤버 진동내구시험
하이브리드 카울 크로스멤버의 진동내구시험은 각각의 방향에 대한 공진점을 기
준으로 KS R 1034시험방법에 의거하여 표6.1과 같은 시험조건으로 시험분석 하였
다. 여기에서 비고란의 고유진동수는 앞에서 시험한 고유진동수 결과값을 나타내었 다.
구분 진동수(Hz) 시험시간(h) 진동가속도(G) 비고
상·하
88 1
3 88Hz
(공유진동수)
67 3
전·후
56 0.5
3 56Hz
(공유진동수)
67 1.5
좌·우 67 2 3 없음
(공유진동수) 표 6.1 진동내구시험 조건
시험장비는 고유진동 측정과는 달리 시험품의 전체 가진조건을 고려하여 아랫면 이 플랫한 조건으로 지그를 제작하고, 제작된 지그는 100 Hz까지 공진이 없도록 제 작하였다. 시험장비는 10톤 진동시험장비로 IMV사 제품으로 가진력이 100,000(Nm), 10,204 (kgf)까지 가능하며, 가진 주파수는 5 ~ 2,500 Hz까지이며, 진폭은 51 mm, 속 도는 3 m/s까지 제어가 가능하다.
시험은 진동내구조건에 맞추어 상하, 전후, 좌우에 대해 각각 시험을 하였고, 그림 6.13과 같이 지그에 카울 크로스멤버를 장착하였다.
그림 6.13 진동내구시험 Set up
표6.1의 조건으로 그림 6.13의 시험 장치를 통해 진동내구 시험을 실시한 결과를 그림 6.14에 나타내었다. 진동내구시험결과 분석은 진동내구 시험 후 개발품의 크랙 이 발생했는지에 대한 여부를 육안 검사하는 방식이다.
진동내구시험 후 육안검사 결과 크랙부위는 발생하지 않았으며 특히 크랙은 볼트 부위나 노치가 있는 부위에서 발생하나 본 연구에서 개발된 개발품은 크랙이 발생 하지 않았다.
시험 전 시험 후
그림 6.14 진동내구시험 전·후 비교
시험 전 시험 후
그림 6.14 To be continued
시험 전 시험 후
그림 6.14 To be continued
6.3.3 개발품의 헤드 임팩트(Head Impact) 평가
완성자동차 기업의 경우 차량의 충돌 발생시 승객 및 운전자의 머리 부분의 상해 를 감소시키기 위해 자동차의 실내 의장부품에 대한 평가를 강화하고 있다. 이에 관련 부품을 개발할 경우 상품성을 위해 반듯이 시험해야 하는 요소이다.
본 연구는 크래쉬패드를 고정하고 자동차 차체에 고정하는 카울 크로스멤버를 개 발하는 것으로 본 시험과정과 큰 의미가 없을 수도 있다. 그러나 기존의 카울 크로 스멤버의 경우 스틸로 되어 있어 자동차 내 탑승자의 헤드 충격에 의해 카울 크로 스멤버가 자동차 차체에서 분리 될 수 있다는 가정은 하지 않았다. 그러나 본 연구 에서 개발되는 카울 크로스멤버는 자동차 차체와 고정되는 부분의 일부가 마그네슘 또는 유리섬유 복합소재의 플라스틱으로 되어 있어 탑승자의 헤드 충격의 영향을 고려하지 않을 수 없다.
본 시험은 머리 모형을 크래쉬패드에 24.1 km/hr의 속도로 충돌하였을 때 머리모 형의 감가속도는 최고 가속도 기준 3 ms 동안 평가 가속도가 80 G 이하이여야 한 다. 또한 머리 모형이 크래쉬패드에 충돌시 크래쉬패드부의 파손에 의해 날카로운 모서리가 발생 하지 않아야 한다.
헤드 임팩트 시험 조건은 머리 모형은 무게 6.8kg과 지름 165 mm로 일반 성인의 머리 모형이라 할 수 있으며 이를 충격기에 장착하여 크래쉬패드에 가격하게 된다.
충격속도는 24.1 km/hr ± 0.6 km/hr이고 충격 위치 및 각도는 자동차 충돌시 탑승자 가 시트에 앉은 상태에서 앞으로 헤드가 크래쉬패드 방향으로 전진할 때 크래쉬 패 드에 충격되는 위치의 수직방향을 기준으로 타격된다.
이러한 조건들은 FMVSS 201 규정으로 미국의 충돌시험 법규로 내장재에 대한 테스트 규정을 국내에서도 같은 규정으로 사용하고 있다. 실물에서의 크래쉬패드의 경우 3차원 형상으로 탑승자의 헤드와 크래쉬패드와의 수직 방향을 찾기는 쉬운 일 이 아니다. 따라서 설계 DATA 또는 충돌 해석 DATA를 통해 크래쉬 패드 위치에 따른 수직 방향을 측정하여 제시하여야 하며 이를 그림 6.16에 나타내었다.
그림 6.15 헤드 임팩트 타격조건
충격위치 #1 #2 #3 #4
충격각도 68˚ 64˚ 75˚ 23˚
충격위치 충격각도 그림 6.16 헤드 임팩트 시험의 충격 위치 및 각도
표6.2는 헤드 임팩트 시험 결과로 머리 모형을 크래쉬패드에 24.1 km/hr ± 0.6 km/hr의 속도 범위 내에서 시험 하었으며 이때의 머리모형의 감가속도는 최고 가속 도 기준 3 ms 동안 평가 가속도는 최대 51.6으로 나타나 FMVSS 201 규정으로 미 국의 충돌시험 법규 80G 이하로 만족 하였다. 그림 6.17은 충격시험 전·후 사진을 나타내었으며, 그림 6.18은 헤드 임팩트 시험 후 인체 상해 그래프를 나타내었다.
충격위치 충격각도
시험결과 충격속도 판정
(km/hr)
감가속도(G) [구간(ms)]
날카로운 모서리여부
#1 68˚ 24.10 51.6
[81.3~85.4] 무 만족
#2 64˚ 24.03 49.7
[87.6~90.6] 무 만족
#3 75˚ 24.07 50.1
[88.1~91.2] 무 만족
#4 23˚ 24.43 51.4
[82.2~85.2] 무 만족
그림 6.2 헤드 임팩트 결과
충격
위치 시험 전 시험 후
#1
#2
#3
#4
그림 6.17 헤드 임팩트 시험 전·후 사진
충격
위치 시험 펄스
#1
#2
#3
#4
그림 6.18 헤드 임팩트 시험 후 인체 상해 그래프