일렉트릭 모빌리티 스티어링 너클의 복합재료 적용과 형상최적설계
Composite material application and shape optimization design of electric mobility steering knuckles
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초록
본 연구에서는 CFRP(탄소섬유강화플라스틱) 소재를 활용한 위상 최적화를 통해 전기차(EV: Electric Vehicle) 전 륜 액슬 너클의 무게를 줄이고 성능을 향상시키는 것을 목표로 최적설계 연구를 수행하였다. 현재 생산되고 있는 주요 차 종은 알루미늄 합금소재 기반의 스티어링 너클을 사용하고 있으나, 향후 전기차 전비(EV’s Energy Efficiency) 특성을 더욱 향상시키고, 현가하 질량(unstrung mass) 감소를 통한 차량주행성능(vehicle maneuverability performance) 강화를 위해, CFRP 복합소재를 적용하고 유한요소해석(Finite Element Analysis)과 위상최적화(topology optimization)을 적용하여, 전륜 스티어링 너클 캐리어의 경량화와 성능을 예측하였다. 본 연구의 복합재료 적용과 최적설계를 통해 기존 알루미늄 합금 스티어링 너 클 제품과 비교하여 약 50.7 %의 중량 경량화를 달성했으며, 이를 통해 무게 감소는 차량의 에너지 효율 및 주행 성능 향상 에 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 다양한 하중 조건(정하중, 가속, 감속, 선회)에서 유한요소해석을 수행한 결과, CFRP 스티어링 너클은 높은 강성과 안정성을 유지하는 동시에 우수한 응력 분포 개선과 안전율을 가질 수 있도록 형상 최적화 를 수행하였다. 향후, 전기차를 비롯한 차량 섀시 설계 및 개발에서 요구되는 기술수준 제고에 기여하고자 하며, 연구 결과 를 현업에 적용하여 신개념 제품 개발을 위한 기술자료로 활용하고자 한다.
Abstract
This study aimed to reduce the weight and improve the performance of an electric vehicle (EV) front axle knuckle by utilizing topology optimization using CFRP materials. Aluminum alloy-based steering knuckles are currently used in major vehicle models production. To further improve the energy efficiency and maneuverability of electric vehicles and reduce unsprung mass, CFRP composites material change and finite element analysis and topology optimization technology were applied to predict weight loss and performance of the front steering knuckle carriers. Through the application of composite materials and the optimal design, we achieved a weight reduction of about 50.7 % compared to the existing aluminum alloy steering knuckle products. From the analysis results under various load conditions (static loading, driving, braking, cornering), it was found that the shape of the CFRP steering knuckle can improve stress distribution and demonstrate excellent safety while maintaining high rigidity and stability. In addition, it is expected that this weight reduction will be applied to contribute to the improvement of vehicle energy efficiency and driving performance. We intend to apply these research results to the industrial field and use them as technical data for the development of new product concepts