유기압현수장치 내구도 향상을 위한 주피스톤 형상에 관한 연구

K9 현수장치에 관련한 연구내용

유기압현수장치(HSU: Hydro-pneumatic Suspension Unit)

본 연구 대상인 유기압현수장치는 야지주행시 기동성능이 매우 우수하고 승무원 의 승차감이 좋아 전투력을 증대시킬 수 있으므로 신규 개발되는 궤도차량에는 유 기압현수장치를 장착하는 추세이며, 현재까지 3단계로 발전되어 왔다. 1세대 유기압현수장치는 저압, 내장형으로 작동유와 가스가 분리피스톤에 의해 분리되어 있으며 AS90, M60 장비등에 적용중이며, 2세대 유기압현수장치는 가스가 유연한 막으로 제작된 공간 속에 채워져 있어 분리피스톤이 없으며 MAX10 장비에 적용 하고 있다. 그리고 3세대 유기압현수장치는 피스톤, 실린더등 모든 부품이 아암에 위치하며 M1A1에 적용하고 있다.

K9에 적용한 유기압현수장치는 영국 AIR LOG사에서 개발된 1세대 유기압현 수장치로 43톤용으로 개발되어 45톤인 AS90에 사용중인 제품으로 전투중량 47 톤의 K9에 적용하는데 신뢰성이 입증되지 않아 이를 확인하기 위해 내구도시험 실시중 Fig 2.1에서 보는 바와 같이 주피스톤 씨일 안착부에 크랙이 발생되어 내 구수명을 만족하지 못함에 따라 이에 대한 문제점 해결이 선결과제로 대두되었다.

주피스톤의 크랙은 재질선정 오류, 가공미흡 및 취급부주의로 인한 결함, 설계오 류로 인한 과도한 응력집중 등 여러 종류의 원인이 있을 수 있으나, 주피스톤 재 질은 동합금(PB1)으로 제품기능, 인장강도 및 조립부품과의 마모등을 감안하여 원 제작사에서 선정한 재질이고, 절삭가공 및 취급부주의에 대해서는 실용시제시 제 품확인이 정확히 수행되었으므로 주피스톤 씨일 안착부에 과도한 응력집중으로 크 랙이 발생된 것으로 추정되었다.

기존의 궤도장비는 차량 주행시 발생되는 진동과 충격을 감소시키는 역할을 토 션바와 직동형 댐퍼의 두 개의 부품으로 하고 있으나, 유기압현수장치는 토션바의 스프링역할과 댐퍼의 감쇠역할인 두 가지 기능을 동시에 가지고 있으며, 유기압현 수장치 구조 및 작동원리, 스프링특성, 감쇠특성에 대한 이론적 고찰을 해보면 다 음과 같다.

K9 유기압현수장치는 Fig. 2.2에서 보는 바와 같이 실린더, 주피스톤, 댐퍼조립체, 보틀엔드, 콘로드 등으로 구성되어 있으며, Table 1, Fig. 2.3과 같이 최대 휠변위 는 375mm이고 초기 가스 충진압력은 최대 170bar이다. Fig. 2.3에서 알 수 있듯 이 정적위치는 유기압현수장치가 장착된 차량이 정지되어 있을 때의 높이이며, 자 운스(Jounce)는 로드휠(road wheel)이 지면에서 수직으로 최대로 올라간 상태를 말하고, 리바운드는 로드휠이 차체에서 최대로 멀어지는 방향으로 유기압현수장치 에 수직하중이 영(Zero)인 상태이다.

즉 차량이 장애물 통과시 로드휠이 자운스 방향으로 움직이면 로드휠은 로드암 회전축을 중심으로 회전하고 이러한 회전운동은 크랭크와 콘로드(cone road)에 의해 직선운동으로 바뀌며, 직선운동으로 주피스톤에 의하여 밀려진 작동유는 오 리피스와 접시스프링(disc spring)으로 구성된 댐퍼조립체에 의해 막힌 통로를 밀 고 통과하여 보틀엔드의 분리피스톤을 눌러 질소가스를 압축한다. 이때 유체가 댐 퍼조립체를 통과하면서 생기는 압력강하에 의하여 감쇠력(damping force)이 발생 하고 질소가스의 압축력에 의하여 스프링력(spring force)이 발생된다. 따라서 댐 퍼조립체의 오리피스와 접시스프링은 작동유의 흐름을 제한하는 감쇠 기능을 담당 하고 보틀엔드의 질소가스는 에너지를 저장하는 스프링 역할을 한다.

 

 

유기압현수장치(Hydro-pneumatic Suspension Unit)의 신뢰성 입증을 위한 내 구도시험 실시중 주피스톤 씨일 안착부에 크랙이 발생되어 이를 근본적으로 해결 하기 위해 주피스톤 형상을 11가지로 모델링하여 형상별 응력해석 및 피로해석을 통해 가장 적합한 주피스톤 형상을 선정 제작하여 내구도시험과 실차시험을 통해 스프링특성 및 감쇠특성을 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

첫째, 구조해석 및 피로해석 결과 기존모델의 최대 응력집중은 곡률 R1 에 약 47.6kgf/mm²이 작용하였으며, 피로손상누적계수는 17.6 으로 실 용시제 내구도시험시 크랙이 발생된 주피스톤 씨일 안 착부와일치 함을알수있었으며,이를근본적으로해결하기위 해 주피스톤 형 상을 11가지로 모델링하여 형상별 구조해석 및 피로해석 한 결과 타입 6모델이 응력집중부 응력감소 효과가 51.9%(22.9kgf/mm²) 이며 누적피로손상계수가 0.2로 가장 적합함 을 알 수 있었다.

둘째, 기존모델과 최적모델을 적용한 유기압현수장치의 내구도시험을 실시하여 스프링특성과 감쇠특성을 비교 분석한 결과, 개선전 제품의 내구수명 은 약 38만 싸이클로 목표 내구수명인 60만 싸이클을 만족하지 못 하였으나 최적모델은 내구수명이 약 67만 싸이클 이상으로 목표 내구수명을 만족하였다.

셋째, 최적모델에 대한 실차시험을 실시하여 시험전.후 스프링특성 및 감쇠특성을 비교 분석한 결과 특성저하가 거의 없어 내구수명 및 신뢰성을 만족함을 확인할 수 있었다.

 

출처

http://lib4.changwon.ac.kr/cwu_img/cwu61624.pdf