합성판스프링의 강성 및 감쇠성능 분석

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6842(2022) 이 기사 인용

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판 스프링의 경량 설계는 연료 소비를 줄이고 차량 편안함을 향상시키는 데 도움이 됩니다. 복합 재료를 사용하면 판 스프링의 무게를 분명히 줄일 수 있습니다. 강성과 감쇠는 판스프링의 특성에 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 유리섬유 부설 각도와 부피 함량이 합성 리프 스프링의 강성과 감쇠에 미치는 영향을 실험과 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 결과는 판 스프링의 강성과 감쇠 특성이 섬유 부설 각도 및 섬유 부피 함량과 관련이 있음을 보여줍니다. 부피함유량과 층수가 일정한 경우 강성은 부설각도에 따라 비선형적으로 감소하는 관계를 보이고 감쇠계수는 부설각도에 따라 선형적으로 증가한다. 부설 각도와 층 수가 일정하면 강성은 섬유 부피 함량에 따라 선형적으로 증가합니다. 감쇠 계수는 섬유 부피 함량과 비선형 감소 관계를 갖습니다. 연구 유형은 합성 리프 스프링의 설계, 분석 및 최적화에 대한 이론적 기초와 참고 자료를 제공할 수 있습니다.

환경 보호, 에너지 절약 및 배기가스 감소의 필요성으로 인해 경량화는 현재 자동차 개발 추세가 되었습니다. 또한 경량 차량은 출력, 편안함을 향상시키고 재료를 절약하며 비용을 절감할 수 있습니다1. 자동차 경량화 기술은 디자인, 소재, 제조 기술이 통합적으로 적용되는 기술입니다. 경량화를 달성하는 두 가지 주요 방법은 구조 최적화 설계와 신소재 적용입니다. 동일한 구조의 강철과 비교하여 복합재료를 사용하면 무게를 크게 줄일 수 있으며, 특히 저밀도 복합재료의 개발은 자동차 경량화에 더 많은 잠재력을 제공합니다2. 많은 복합 재료 중에서 유리 섬유 수지 매트릭스 복합 재료는 낮은 밀도, 높은 강도 및 강성, 우수한 탄성 및 내식성 등의 특성을 가지고 있습니다. 그리고 복합 재료는 항공 우주, 자동차 산업, 기계 제조 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다3, 4. 상용차 서스펜션 시스템의 탄성 요소는 대부분 판스프링입니다. 그러나 판스프링의 무게가 크고 감쇠 성능이 좋지 않아 차량의 경량화와 승차감에 도움이 되지 않습니다. 서스펜션의 무게를 줄이고 서스펜션의 감쇠 성능을 향상시키기 위해 합성 리프 스프링이 주요 연구 대상이 되었습니다5,6.

최근 자동차 섀시의 진동과 소음을 줄이는 효과적인 방법 중 하나로 유리섬유 강화 복합 판스프링이 주목을 받고 있습니다. Ke et al.7은 판스프링 설계 방법, 강성 계산 및 최적화 방법을 소개했습니다. Guduru et al.8은 일종의 유리 섬유 에폭시 수지 단일체 복합 판 스프링을 개발했는데, 이는 판 스프링에 비해 무게를 69.4% 줄였습니다. 다양한 복합 재료의 기계적 특성을 연구함으로써 단일 판 스프링 제조에 가장 적합한 재료가 얻어졌습니다. Al-Obaidi 등9은 판 스프링 제조용 복합 재료의 기계적 특성을 연구했습니다. 결과는 합성 리프 스프링의 하중 지지 능력이 섬유의 부설 각도 및 부피 함량과 관련이 있으며 매트릭스 유형이 강성에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. Nishant Varma et al.10은 합성 판 스프링의 고유 진동수가 판 스프링의 고유 진동수보다 93% 더 높다는 것을 보여주었습니다. Chavhan et al.11은 E-유리 섬유 에폭시 수지 복합 판 스프링을 준비하고 기계적 특성을 연구했습니다. 그 결과, 합성판스프링의 강도는 강철판스프링에 가깝지만, 합성판스프링의 무게는 79.13% 감소한 것으로 나타났다. 저자들은 논문에서 합성판스프링의 제작이 간단하다고 소개하고 있지만, 이 결론은 엄격하지 않다고 생각합니다. 합성 판스프링의 제조는 경량성, 강성, 강도, 피로, 변형 등 다양한 요소를 고려해야 한다. 그리고 제조 공정도 상당히 복잡하여 그렇지 않으면 판스프링 샘플을 실제 차량에 사용할 수 없다. Umanath 등12은 탄소섬유와 파인애플 섬유를 복합재료로 이용한 판스프링의 제조방법을 소개하였다. 두 개의 합성 리프 스프링의 강도와 강성을 논문에서 비교했습니다. 다양한 유형의 복합 리프 스프링의 강도와 경도를 비교하기 전에 섬유 레이업 각도, 부피 함량 및 리프 스프링 강성을 동일하게 제어해야 합니다. 동시에 피로 성능도 판스프링의 중요한 성능이므로 본 논문에서는 비교 분석이 없습니다. Rajendran et al.13은 동일한 설계 매개변수와 최적화 조건에서 7판 스프링 대신 단일 판 스프링을 사용하면 75.6%의 무게를 줄일 수 있다고 소개했습니다. 판스프링의 변형은 차량의 승차감과 핸들링 성능에 큰 영향을 미칩니다. 저자가 합성 판스프링을 최적화할 때 선정된 최적화 대상은 판스프링의 무게, 강성, 강도였으며 판스프링의 변형계수도 동시에 고려해야 한다. Hajime Kishi 등14은 진공 주입 성형 공정에 의한 복합 적층체 제조를 소개하고 ±60° 및 ±45°의 누워 각도를 갖는 유리 섬유 적층체의 기계적 특성을 비교했습니다. 복합 라미네이트는 가볍고 벽이 얇은 구조로, 감쇠 특성은 센서의 질량과 공기 감쇠에 의해 쉽게 영향을 받습니다. 저자는 연구 과정에서 위의 요소들을 고려해야 합니다. 다양한 적층 방법과 화학적 처리가 복합재의 기계적 특성과 자유 진동 특성에 미치는 영향은 문헌에서 논의되었습니다. Margherita Basso 등16은 인장 크리프 시험과 강성 저하 시험을 통해 짧은 유리 섬유 강화 고분자 복합재의 비선형 거동을 설명했습니다.