경량 상용차용 고압 다이캐스팅 알루미늄 서스펜션 크로스 빔의 수치 해석 및 실험 분석

본 소개 자료는 La Metallurgia Italiana에서 발행한 "Numerical and experimental analysis of a high pressure die casting Aluminum suspension cross beam for light commercial vehicles" 논문의 연구 내용입니다.

1. 개요:

  • 제목: 경량 상용차용 고압 다이캐스팅 알루미늄 서스펜션 크로스 빔의 수치 해석 및 실험 분석 (Numerical and experimental analysis of a high pressure die casting Aluminum suspension cross beam for light commercial vehicles)
  • 저자: S. Cecchel, D. Ferrario
  • 출판 연도: 2016
  • 발표 저널/학회: La Metallurgia Italiana
  • 키워드: 알루미늄 - 고압 다이캐스팅 - 서스펜션 - 크로스 빔 - 상용차 - 경량화 - 자동차 (ALUMINUM - HIGH PRESSURE DIE CASTING - SUSPENSION - CROSS BEAM - COMMERCIAL VEHICLE - LIGHTWEIGHT - AUTOMOTIVE)

2. 요약

본 논문의 목적은 자동차, 특히 상용차 및 버스의 경량화 최적화를 개선하고 심화하는 것입니다. 구체적으로, 이 연구의 목표는 알루미늄 합금으로 경량 상용차(LCV)를 위한 기술적으로 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 안전 부품을 개발하는 것입니다. LCV 용 독립 프런트 서스펜션을 위한 다양한 알루미늄 크로스 빔 솔루션이 분석되었으며, 기존의 용접된 판금 구조에 비해 거의 40/50%의 중량 절감 목표를 가지고 있습니다.

또한, 향상된 내식성, 도장 또는 음극 전착 불필요, 재활용성 및 수명 종료 시 잔존 가치에 대한 이점 등 추가적인 환경적 이점을 고려해야 합니다.

이 프로젝트의 목표는 다음과 같은 방법을 통해 달성되었습니다. 여러 가지 경량화 솔루션에 대한 기술 및 경제적 연구와 최상의 사례 선택; 구조적 FEA 및 주조 공정 시뮬레이션, 요람에서 무덤까지의 수명 주기 평가(여기서는 설명되지 않음), 프로토타입 제작 및 예비 실험 상관 관계를 통해 선택된 솔루션 개선.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

차량 중량 감소는 연료 소비 및 환경 배출을 줄임으로써 자동차 탄소 발자국을 줄이는 획기적인 방법입니다. 또한 경량화는 출력 대 중량 비율과 승객 안전을 향상시키고 페이로드 증가를 허용합니다 [1].

선행 연구 현황:

최근 몇 년 동안 자동차의 경량화 설계가 기하급수적으로 증가했습니다. 그러나 "강철"과 "철"의 사용은 특히 안전 관련 부품의 경우 상용차 및 버스에서 여전히 우세합니다 [2]. 상용차용 서스펜션 크로스 빔은 일반적으로 판금 부품이나 강철 튜브를 함께 용접하고 부식을 방지하기 위해 보호됩니다. 주요 기술 동향은 특정 자동차 부문에 따라 고강도 강철, 경합금 또는 복합 재료와 같은 대체 재료를 찾고 있습니다.

연구 필요성:

경합금 및 복합 재료가 최상의 중량 이점을 제공하더라도 이러한 기술의 LCV 사용은 파단 시 응력 및 강성이 높아야 하고 비용 제한이 있기 때문에 제한적입니다. 특히, 현재 알려진 기술 수준에서 알루미늄으로 된 서스펜션 크로스 빔은 이러한 범위의 차량에서 개발된 적이 없습니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

알루미늄 합금으로 경량 상용차(LCV)를 위한 기술적으로 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 안전 관련 서스펜션 부품을 개발하여 이러한 기술 수준을 극복합니다. 완전한 서스펜션 어셈블리에 대한 예비 벤치마크를 수행하여 더 높은 경량화 이점을 제공하는 요소를 평가하고 서스펜션 크로스 빔 요소에서 연구 대상을 간략하게 설명합니다.

핵심 연구:

이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 연구된 구성 요소의 형상과 생산 기술을 기계적 특성을 최적화하고 사용되는 재료를 줄임으로써 완전히 고안했습니다.

5. 연구 방법

다양한 서스펜션 크로스 빔 경량화 솔루션이 개발되었습니다(Fig. 1). 각 솔루션에 대해 재료, 프로세스, 기술 및 비즈니스 사례를 자세히 분석하고 예비 유한 요소 해석(구조적 MSC/MarcMentat 및 프로세스 ESI PROCAST)을 수행했습니다.

주요 하중 설정 조건의 힘을 결정하기 위해 서스펜션 시스템의 탄성 운동학적 다물체 모델을 정의하고 MSC/AdamsCar에서 수행했습니다. 이러한 하중은 MSC Marc/Mentat에서 수행된 구조적 FEA의 입력으로 사용되었으며 결과는 ESI/PROCAST 프로세스 FEA의 출력과 비교되었습니다.

다이가 제조되었고 일부 프로토타입이 주조되었습니다(Fig. 3). 설계 중에 수행된 유한 요소 해석은 다이 제조(예: 국부 냉각, 스퀴즈, 칠벤트, 게이트 주입 등) 및 초기 프로세스 매개변수 정의에 유용했습니다. 주조는 적절한 X선 기계와 3D 스캐너 장치를 통해 분석되어 거시적 결함(다공성 및 변형)을 식별했습니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

다양한 분석 결과를 비교한 결과, 가장 가볍고 경제적인 잠재력을 가진 솔루션은 고압 다이캐스팅 알루미늄이라는 결론을 내렸습니다. 이 솔루션의 실현 가능성은 적절한 재료를 사용하고 서론에서 설명된 구조적 한계를 극복할 수 있는 새로운 설계 개념을 통해 달성되었습니다.

생산을 위해 선택된 합금은 AlSi9MgMn(Tab. 1)으로, 주조 상태에서 향상된 기계적 특성을 보장합니다(Tab.1). 구성 요소의 전체 길이에 걸쳐 슬라이더를 추가하여 얻은 완전 중공 구조(Fig. 2). 슬라이더는 언더컷을 피하기 위해 널리 사용되는 기술이지만 특히 LCV 분야에서 중공 구조 부품 제조에는 적용되지 않습니다.

이 솔루션은 강철 기준선에 비해 주요 수직 하중 방향에서 구성 요소 강성을 약 40% 향상시킵니다.
이 구성 요소의 제조에는 고톤수(최소 3000t) 진공 기계가 필요합니다.
단계 순서로 서스펜션 크로스 빔의 경량화가 증가했습니다(초기 35%에서 47%로).
X선 결과는 FEM 시뮬레이션 중에 이미 평가된 가장 두꺼운 부분에서 일부 다공성이 있음을 확인했습니다(Fig. 4). 다공성은 최소화되었고 정확한 하드 포인트 정렬이 달성되었습니다.

Fig. 1 - Cross beams: -1) HPDC aluminum, 2) LPDC and extruded aluminum, 3) LPDC and CFRP, 4) Extruded aluminum
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
Fig. 2 - a) Sliders layout b) Cross beam hollowed longitudinal section c) remarkable hollow sections
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)
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)

그림 이름 목록:

  • Fig. 1 - 크로스 빔: -1) HPDC 알루미늄, 2) LPDC 및 압출 알루미늄, 3) LPDC 및 CFRP, 4) 압출 알루미늄
  • Tab. 1 - AlSi9MgMn의 화학 조성(왼쪽) [5], AlSi9MgMn의 기계적 특성(오른쪽)[5]
  • Fig. 2 - a) 슬라이더 레이아웃 b) 크로스 빔 중공 종단면 c) 주목할만한 중공 단면
  • Fig. 3 - 다이 및 프로토타입
  • Fig. 4 - a) 첫 번째 실험 활동의 구성 요소에 대한 X선, b) FEM 시뮬레이션, c) 최종 실험 활동(공정 매개변수 최적화)의 구성 요소에 대한 X선으로 다공성 식별

7. 결론:

주요 결과 요약:

이 논문은 알루미늄 합금으로 경량 상용차(LCV)를 위한 기술적으로 신뢰할 수 있고 비용 효율적인 안전 부품을 개발하여 상용차의 경량화 최적화를 향상시킵니다. 가장 좋은 솔루션은 고압 다이캐스팅 알루미늄 부품입니다.

연구된 구성 요소의 형상과 생산 기술은 기계적 특성을 최적화하고 사용되는 재료를 줄임으로써 완전히 고안되었습니다. 설계는 구조 및 공정 유한 요소 해석의 추가 반복 덕분에 향상되었습니다.

적절한 구성 요소 저항은 1차 AlSi9MgMn 합금을 선택하고 기존의 고압 다이캐스팅 평면 또는 "U" 모양을 구성 요소의 전체 길이에 걸쳐 슬라이더를 추가하여 얻은 완전 중공 구조로 대체함으로써 달성되었습니다.

연구 결과 요약. 연구의 학문적 의의, 연구의 실제적 함의

프로토타입 제조는 주조의 상당한 치수(약 1260x450mm) 및 슬라이더(조각과 거의 동일)와 다이(조각의 약 2배)의 결과로 고톤수(최소 3000t) 진공 기계에서 수행되었습니다.
일부 다이 수정과 적절한 공정 매개변수의 신중한 반복 선택 덕분에 다공성이 최소화되고 정확한 하드 포인트 정렬이 달성되었습니다.

8. 참고 문헌:

  • [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 found-ry research, 4, (2014), p. 20-27.
  • [4] R.MOSCHINI, R.MOLINA, XXXI Congresso tecnico di fon-deria ASSOFOND, (2012).
  • [5] RHEINFELDEN, Leghe d'alluminio da pressocolata.

9. 저작권:

  • 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" 기반.
  • 논문 출처: La Metallurgia Italiana - n. 6 2016

본 자료는 위 논문을 소개하기 위해 제작되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용하는 것을 금합니다. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

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Tags: aluminum alloy; ,CAD; ,Die casting; ,High pressure die casting; ,STEP; ,자동차; ,해석