이 소개 자료는 "[La Metallurgia Italiana]"에서 발행한 논문 "[Numerical and experimental analysis of a high pressure die casting Aluminum suspension cross beam for light commercial vehicles]"을 기반으로 합니다.
1. 개요:
- 제목: Numerical and experimental analysis of a high pressure die casting Aluminum suspension cross beam for light commercial vehicles (경상용차용 고압 다이캐스팅 알루미늄 서스펜션 크로스 빔의 수치적 및 실험적 분석)
- 저자: S. Cecchel, D. Ferrario
- 발행 연도: 2016
- 발행 학술지/학회: La Metallurgia Italiana - n. 6 2016
- 키워드: ALUMINUM - HIGH PRESSURE DIE CASTING - SUSPENSION - CROSS BEAM - COMMERCIAL VEHICLE - LIGHTWEIGHT - AUTOMOTIVE (알루미늄 - 고압 다이캐스팅 - 서스펜션 - 크로스 빔 - 상용차 - 경량화 - 자동차)
2. 초록 (Abstract):
본 논문의 목적은 자동차, 특히 상용차 및 버스 분야에서의 경량화 최적화를 강화하고 심화하는 데 있다. 구체적으로, 이 연구의 목표는 경상용차(LCVs)용 알루미늄 합금으로 기술적으로 신뢰성 있고 비용 효율적인 안전 부품을 개발하는 것이다. 이를 위해, 기존의 용접된 판금 구조 대비 약 40/50%의 중량 절감 목표를 가지고 LCVs용 독립 전륜 서스펜션을 위한 다양한 알루미늄 크로스 빔 솔루션이 분석되었다. 또한, 개선된 내부식성, 도장 또는 전착 도장 불필요, 재활용성 및 수명 종료 시 잔존 가치 향상과 같은 추가적인 환경적 이점도 고려되어야 한다. 상세하게는, 이 프로젝트의 목표는 다음과 같은 과정을 통해 달성되었다: 여러 경량화 솔루션에 대한 기술적 및 경제적 연구와 최적 사례 선정; 구조적 FEA 및 주조 공정 시뮬레이션의 도움을 받아 선택된 솔루션 개선; 수명 주기 평가(Life Cycle Assessment, 여기서는 설명되지 않음); 프로토타입 제작 및 예비 실험적 상관관계 분석.
3. 서론 (Introduction):
차량 중량 감소는 연비 향상과 환경 배출 감소를 통해 자동차의 탄소 발자국을 완화하는 주목할 만한 방법이다. 나아가, 경량화는 출력 대 중량비를 개선하고 승객 안전성을 높이며 적재량을 증가시킨다 [1]. 이러한 이유로 최근 몇 년간 자동차 분야의 경량화 설계는 기하급수적으로 증가했다. 그럼에도 불구하고, 특히 안전 관련 부품의 경우 상용차와 버스에서는 "강철(steel)"과 "철(iron)"의 사용이 여전히 지배적이다 [2]. 이는 높은 파단 응력과 강성 요구 조건 및 비용 제한 때문이다. 특히, 현재 알려진 기술 수준에서는 이 범위의 차량에 알루미늄으로 된 서스펜션 크로스 빔이 개발된 적이 없다. 서스펜션 크로스 빔의 기능은 프레임과의 연결을 보장하고 모든 서스펜션 요소(예: 컨트롤 암, 범퍼, 스프링 등), 조향 시스템 및 구동계 부품을 지지하며 모든 이론적인 운동학적 서스펜션 "하드 포인트(hard points)"를 연결하는 것이다. 이러한 중요한 기능을 충족시키기 위해, 이 부품들은 미션 하중(피로, 과부하, 충격적인 단일 이벤트 등)에 견뎌야 하고, 우수한 차량 핸들링을 위한 높은 강성을 보장해야 하며, 도로 진동을 줄여야 하고, LCVs에서 빈번한 잠재적 과부하(표준, 적재량, 가속 등)를 지지해야 하며, 결과적인 응력을 섀시 프레임을 따라 올바르게 분산시켜야 한다. 따라서 상용차용 서스펜션 크로스 빔은 일반적으로 금속 판재 부품이나 강관을 함께 용접하고 부식 방지를 위해 보호 처리하여 제작된다. 이 연구의 목표는 알루미늄 합금으로 기술적으로 신뢰성 있고 비용 효율적인 LCVs용 안전 관련 서스펜션 부품을 개발하여 이러한 현재 기술 수준을 극복하는 것이다. 기계적 특성을 최적화하고 사용되는 재료를 줄임으로써 최종 구조는 기계적 저항 및 강성 측면에서 기존 시스템과 동등하거나 더 우수할 것이다.
4. 연구 요약 (Summary of the study):
연구 주제 배경 (Background of the research topic):
자동차 산업은 연비 향상, 배출가스 저감, 차량 성능 및 적재량 개선을 위해 경량화 솔루션을 모색하고 있다. 상용차(LCVs)의 경우, 서스펜션 크로스 빔과 같은 안전 부품은 높은 기계적 요구 사항과 비용 제약으로 인해 전통적으로 강철로 제작된다. 알루미늄과 같은 재료를 사용한 경량 대안 개발은 도전 과제이지만 상당한 이점을 제공한다.
기존 연구 현황 (Status of previous research):
고장력강(Advanced High Strength Steel), 경합금, 복합재료와 같은 대체 재료가 경량화를 위해 탐색되고 있지만, LCV 안전 부품에서의 적용은 비용 및 높은 응력 저항과 강성 필요성 때문에 제한적이다 [2]. 다이캐스팅에서 중공 구조를 만드는 특정 기술(예: 솔트 코어, 세라믹 코어, 가스 사출 공정 등) [3, 4]이 존재하지만, LCV 크로스 빔과 같은 응용 분야에서 지속 가능한 산업화를 위해서는 추가적인 개발이 필요하다. 연구 당시에는 이 범위의 차량용 알루미늄 서스펜션 크로스 빔이 개발된 것으로 알려지지 않았다.
연구 목적 (Purpose of the study):
주요 목표는 LCVs용으로 기술적으로 신뢰성 있고 비용 효율적인 알루미늄 합금 서스펜션 크로스 빔을 개발하여, 기존의 용접된 강철 구조 대비 40-50%의 중량 절감을 달성하는 것이었다. 추가적인 목표는 개선된 내부식성(도장/전착 도장 제거), 재활용성, 수명 종료 가치와 같은 환경적 이점을 활용하는 것이었다.
핵심 연구 (Core study):
이 연구는 LCV 전륜 서스펜션 크로스 빔에 대한 다양한 경량화 솔루션을 분석하는 것을 포함했다 (Fig. 1). 초기에는 네 가지 개념이 고려되었다: 1) HPDC 알루미늄, 2) LPDC 및 압출 알루미늄, 3) LPDC 및 CFRP, 4) 압출 알루미늄. 기술-경제적 분석 및 예비 FEA(구조 MSC/MarcMentat, 공정 ESI PROCAST) 후, HPDC 알루미늄이 가장 유망한 솔루션으로 선정되었다. 탄성-운동학적 다물체 시뮬레이션(MSC/AdamsCar)에서 도출된 하중 입력을 사용하여 추가적인 구조 및 공정 FEA 반복을 통해 설계가 개선되었다. 핵심 혁신은 기존의 평면 또는 "U"자 형상을 부품 전체 길이에 걸쳐 슬라이더를 사용하여 얻어진 완전한 중공 구조로 대체한 것이었다 (Fig. 2). 이는 우수한 주조 상태 기계적 특성을 가진 AlSi9MgMn 합금(Tab. 1)의 선택과 결합되었다. 프로토타입은 고톤수(>= 3000 t) 진공 HPDC 기계를 사용하여 생산되었고(Fig. 3), 다공성 및 변형에 관한 FEA 예측을 검증하기 위해 실험적으로 분석(X-ray, 3D 스캐닝)되었으며(Fig. 4), 이는 공정 최적화로 이어졌다.
5. 연구 방법론 (Research Methodology)
연구 설계 (Research Design):
본 연구는 다양한 경량화 개념의 비교 분석 후, 선택된 HPDC 알루미늄 솔루션에 대한 반복적인 설계 최적화 프로세스를 사용했다. 여기에는 구조적 FEA, 주조 공정 시뮬레이션, 다물체 동역학 시뮬레이션의 통합이 포함되었다. 최적화된 설계는 이후 프로토타입으로 제작되어 실험적 검증을 거쳤으며, 시뮬레이션 결과와 물리적 측정값을 상호 연관시켰다.
데이터 수집 및 분석 방법 (Data Collection and Analysis Methods):
사용된 방법은 다음과 같다:
- 서스펜션 부품 벤치마킹.
- 다양한 경량화 솔루션의 기술적 및 경제적 분석.
- 유한 요소 해석 (FEA): 구조 해석 (MSC/MarcMentat) 및 주조 공정 시뮬레이션 (ESI PROCAST).
- 하중 조건을 결정하기 위한 탄성-운동학적 다물체 모델링 (MSC/AdamsCar).
- 재료 특성 분석 (AlSi9MgMn 데이터 사용, Tab. 1).
- 프로토타입 제작을 위한 고압 다이캐스팅 (HPDC).
- 비파괴 검사: 내부 다공성 식별을 위한 X-ray 분석.
- 치수 분석: 변형 측정 및 하드 포인트 정렬 검증을 위한 3D 스캐닝.
- 시뮬레이션 예측(다공성, 변형)과 실험 결과 간의 비교 및 상관관계 분석.
연구 주제 및 범위 (Research Topics and Scope):
이 연구는 경상용차(LCVs)용 경량 알루미늄 서스펜션 크로스 빔의 설계, 분석 및 제조에 구체적으로 초점을 맞췄다. 범위는 다음과 같다:
- 다양한 경량 재료 및 공정(HPDC, LPDC, 압출, CFRP) 평가.
- 특정 알루미늄 합금(AlSi9MgMn)의 선택 및 적용.
- 전체 길이 슬라이더를 사용한 HPDC를 통한 혁신적인 중공 부품 설계 및 분석 개발.
- 구조적 성능 및 주조 공정 가능성 시뮬레이션.
- 제조 요구 사항 고려 (대형 HPDC 기계, 금형 설계).
- 프로토타이핑 및 실험적 검증 (다공성, 치수 정확도).
- 중량 및 강성 측면에서 기존 강철 부품 기준선과의 비교.
6. 주요 결과 (Key Results):
주요 결과 (Key Results):
- 고압 다이캐스팅(HPDC) 알루미늄이 고려된 옵션 중 가장 경량이고 경제적으로 실행 가능한 솔루션으로 확인되었다.
- AlSi9MgMn 합금이 선정되었으며(Tab. 1), 이는 고온 T6 열처리와 관련된 변형을 피하는 데 중요한 우수한 주조 상태 기계적 특성을 제공한다. 저항성 증가 가능성을 위해 저온 T5 처리도 평가되었다.
- 부품 전체 길이를 커버하는 슬라이더를 사용하여 HPDC로 성공적으로 설계되고 구현된 새로운 완전 중공 크로스 빔 구조 (Fig. 2).
- 이 중공 설계는 FEA로 확인된 바와 같이, 주 수직 하중 방향에서 강철 기준선 대비 약 40%의 부품 강성 향상을 가져왔다.
- 최적화 반복 과정에서 초기 35% 목표 대비 47%의 전체 경량화가 달성되어, 강철 기준선 대비 40-50% 목표를 충족했다.
- 저철분, 저구리 AlSi9MgMn 합금의 높은 내부식성 덕분에 전착 도장 및 페인팅 처리가 필요 없게 되었다.
- 고톤수(최소 3000 t) 진공 HPDC 기계에서 프로토타입이 성공적으로 제조되어, 복잡한 슬라이더를 가진 대형 부품(~1260x450 mm) 생산의 실현 가능성을 검증했다 (Fig. 3).
- X-ray 분석 결과, 가장 두꺼운 단면에서 FEM 시뮬레이션 예측과 일치하는 다공성의 존재가 확인되었다 (Fig. 4a, 4b). 후속 금형 수정 및 반복적인 공정 파라미터 최적화를 통해 이러한 다공성이 최소화되었다 (Fig. 4c).
- 치수 분석 결과, 최대 굽힘 변형은 ~1.8 mm/엣지로, 시뮬레이션된 3.8 mm보다 작았지만 방향은 일치했다. 최적화 후 올바른 하드 포인트 정렬이 달성되었다.
Fig. 1 - Cross beams: -1) HPDC aluminum, 2) LPDC and extruded aluminum, 3) LPDC and CFRP, 4) Extruded aluminum
Fig. 2 - a) Sliders layout b) Cross beam hollowed longitudinal section c) remarkable hollow sections
그림 이름 목록 (Figure Name List):
- Fig. 1 - Cross beams: -1) HPDC aluminum, 2) LPDC and extruded aluminum, 3) LPDC and CFRP, 4) Extruded aluminum
- Tab. 1 - Chemical composition AlSi9MgMn (left) [5], Mechanical properties AlSi9MgMn (right)[5]
- Fig. 2 - a) Sliders layout b) Cross beam hollowed longitudinal section c) remarkable hollow sections
- Fig. 3 - Dies and prototypes
- Fig. 4 - Porosity identify by a) X-ray on components from the first experimental activity, b) FEM simulations, c) X-ray on components from the final experimental activity (optimization of process parameters)
7. 결론 (Conclusion):
본 연구는 HPDC를 사용하여 LCVs용 기술적으로 신뢰성 있고 비용 효율적인 경량 알루미늄 합금 서스펜션 크로스 빔의 개발을 성공적으로 입증했다. AlSi9MgMn 합금을 선택하고 전체 길이 슬라이더 사용을 통해 달성된 혁신적인 중공 구조 설계를 구현함으로써 상당한 중량 절감(47%)과 강성 향상(강철 대비 ~40%)이 실현되었다. 이 복잡하고 큰 부품을 HPDC를 통해 제조하는 것의 실현 가능성은 프로토타이핑을 통해 확인되었다. 실험 분석은 시뮬레이션 예측을 검증했으며, 후속 공정 최적화는 다공성을 성공적으로 최소화하고 하드 포인트 정렬을 포함한 올바른 치수 정확도를 보장했다. 이 프로젝트는 전통적인 한계를 극복하고 안전이 중요한 LCV 부품에 대해 강철에 대한 실행 가능한 경량 대안을 제공했다. 다음 단계는 테스트 벤치 로드 시뮬레이터, 인장, 기계적 및 미세 구조 테스트, 염수 분무 테스트 등으로 구성된 상세한 검증 및 테스트 활동을 포함한다.
8. 참고 문헌 (References):
- [1] J. HIRSCH, Materials forum volume 28, (2004), p 15.
- [2] S.DAS, JOM, 8, (2000), p.41-44.
- [3] L. KALLIEN, T. WEIDLER, M. BECKER, International foundry research, 4, (2014), p. 20-27.
- [4] R.MOSCHINI, R.MOLINA, XXXI Congresso tecnico di fonderia ASSOFOND, (2012).
- [5] RHEINFELDEN, Leghe d'alluminio da pressocolata.
9. 저작권 (Copyright):
- 이 자료는 "S. Cecchel, D. Ferrario"의 논문입니다. "[Numerical and experimental analysis of a high pressure die casting Aluminum suspension cross beam for light commercial vehicles]" 논문을 기반으로 합니다.
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