오일 표면 결함의 영향

May 28, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21131(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구의 목적은 직경 2.5mm를 임계결함깊이로 하는 2300MPa급 오일템퍼링 와이어(OT Wire)에 미세결함을 적용하였을 때 자동차 엔진 밸브 스프링의 피로수명을 평가하는 것이다. 먼저, 서브모델링 기법을 이용한 FE해석을 통해 밸브스프링 제조공정 중 OT 와이어의 표면결함 변형을 도출하고, 최종 스프링의 잔류응력을 측정하여 스프링 응력해석 모델에 적용하였다. 둘째, 밸브스프링의 강도를 분석하여 잔류응력 유무를 확인하고, 표면결함에 따른 인가응력 정도를 비교하였다. 셋째, OT 와이어를 이용한 회전 굽힘 피로 시험을 통해 도출된 S-N 곡선에 스프링 강도 해석을 통해 도출된 표면 결함에 대한 응력을 적용하여 미세 결함이 스프링의 피로 수명에 미치는 영향을 평가했습니다. 기존 표면 결함 관리 기준인 결함 깊이 40μm는 피로 수명을 감소시키지 않습니다.

경량 자동차 부품은 자동차의 연비를 향상시키기 위해 자동차 산업에서 큰 수요가 있습니다. 이에 따라 최근 초고장력강(AHSS)의 적용이 증가하고 있다. 자동차 엔진 밸브 스프링은 내열성, 내피로성, 내새그성이 우수한 오일 강화 와이어(OT Wire)를 주로 구성합니다.

현재 사용 중인 OT 와이어는 높은 인장 강도(1900~2100 MPa)로 인해 엔진 밸브 스프링의 크기와 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다. 주변 부품과의 마찰을 줄여 연비를 향상시킬 수 있습니다1. 이러한 장점으로 인해 고장력 전선의 사용이 급증하고 있으며, 2300MPa급 초고강도 전선이 개발되고 있다. 자동차 엔진 밸브 스프링은 높은 수준의 반복 응력 하에서 작동하기 때문에 긴 피로 수명이 요구됩니다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위해 제조업체에서는 일반적으로 5.5 × 107 사이클 이상의 피로 수명을 고려하여 밸브 스프링을 설계하고, 피로 수명을 향상시키기 위해 쇼트 피닝 및 핫 세팅 공정을 통해 밸브 스프링 표면에 잔류 응력을 가합니다2.

기존 작동환경에서 자동차 코일스프링의 피로수명에 대한 다양한 연구가 충분히 진행되어 왔다. Gzalet al. 정적 하중 하에서 작은 나선 각도를 갖는 타원형 단면 나선형 스프링의 분석적, 실험적 및 유한 요소(FE) 분석을 제시했습니다. 본 연구는 종횡비와 스프링 지수의 함수로서 최대 전단응력의 위치를 ​​명확하고 간단하게 표현하고, 실제 설계 측면에서 중요한 매개변수인 최대 전단응력을 분석적으로 구할 수 있게 해줍니다3. Pastorcicet al. 서비스 실패 후 개인 차량에서 제거된 코일 스프링의 고장 및 피로 해석 결과를 설명했습니다. 실험적 방법을 사용하여 파손된 스프링을 조사한 결과, 이는 부식 피로 파손의 예라고 결론을 내릴 수 있습니다4. Konget al. 자동차 코일 스프링의 피로 수명 평가를 위한 다중 선형 회귀 기반 스프링 내구성 모델을 개발했습니다5. Putraet al. 노면 거칠기로 인한 자동차 코일 스프링의 수명을 결정합니다. 그러나 제조과정에서 발생하는 표면결함 결함이 자동차 코일스프링의 수명에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 거의 없다6.

제조 과정에서 발생하는 표면 결함으로 인해 밸브 스프링에 국부적인 응력 집중이 발생하여 피로 수명이 크게 단축됩니다. 밸브스프링의 표면결함은 사용된 원재료의 표면결함, 공구의 결함, Cold Coiling 공정에서의 취급부주의 등 다양한 요인에 의해 발생됩니다7. 원재료의 표면결함은 열간압연과 Multi Pass Drawing 공정으로 인해 급격하게 경사진 V자 형태를 띠는 반면, 성형공구 및 부주의한 취급으로 인해 발생하는 결점은 완만한 경사를 이루는 “U”자 모양을 나타낸다8,9, 10,11. V자형 결함은 U자형 결함보다 더 높은 응력 집중을 유발합니다. 따라서 일반적으로 초기 재료에는 엄격한 결함 관리 표준이 적용됩니다.