캠볼트 최적 형상을 도출하기 위하여 캠볼트 설계 인자 중 항복 축력 영향 요소 및 각 요소별 최적 형상을 도출해야 한다. 결과의 정합성 및 신뢰성 확보를 위하여 각 인자별 다양한 조합의 캠볼트 형상에 대한 항복 축력값이 필요하므로, FEA를 이용하여 각 설계 인자별 조합에 따른 항복 축력 산출을 진행하였다. 캠볼트 설계 인자들 중 캠 조정용 홈 형상 관련 설계 인자를 3종 선정하였으며, 선정한 설계 인자는 Fig. 5에 나타내었다[3].

Fig. 5 
Cambolt slot design factors

캠볼트 형상별 축력 부여 시 응력 분포 및 항복 축력 산출을 위한 FEA 해석 모델은 Fig. 6과 같이 구성하였다. 해석 모델은 CATIA를 사용하여 모델링하였고, 격자 생성은 Hypermesh, 인장 해석은 Abaqus를 사용하였다. 나사산부의 경우 응력이 집중되어 수렴성이 떨어지므로 Mesh Size를 0.1로 생성하였으며, 볼트 상단부 및 지그 모델의 Mesh Size는 1.0 mm로 생성하였다. 캠볼트 형상에 따라 다소 차이가 있으나 Node 개수는 약 1,000,000개, Element는 약 5,000,000개 내외로 생성하였다. 볼트 축력 부여 방식은 볼트의 인장/항복을 관찰하기 위하여 Shank 부에 Pretension Section을 생성하여 인장력을 부여하는 Pretension Bolt 기법을 사용하였으며, Contact Property는 Penalty Method를 사용하였다[4].

Fig. 6 
Cambolt FEA modeling and results

각 접촉면의 마찰계수는 실제 부품의 마찰계수 시험 값을 적용하였다. Material Properties는 각각 캠볼트 및 플랜지 너트에 사용되는 10.9, 8.8 T의 물성치를 적용하였으며[5], 축력 부여시 지그의 변형에 의한 영향을 배제하기 위하여 지그는 Rigid Body로 설정하였다.

해당 모델링의 정합성을 검증하기 위하여 실부품 인장 시험 및 FEA 결과를 비교하였다. 비교 결과 FEA 및 실부품 인장 시험의 거동이 매우 유사함을 확인하였다(Fig. 7 참조).

Fig. 7 
Cambolt elongation graph

캠볼트 주요 설계 인자별 항복 축력 영향성을 평가하고 각 형상별 FEA 결과 정합성 검증을 위하여 기존 형상을 기준으로 각 인자별 치수를 변경하여 캠볼트를 모델링한 뒤 항복 축력 해석 모델을 통해 각 사양별 항복 축력을 산출하고 시제품을 제작하여 항복 축력 거동 경향성을 비교하였다. 아래 Table 1은 각 단일 설계 인자별 해석 사양을 표기하였다.

Design factor	Specifications
Slot length [mm]	32	29	27	24
Slot depth [mm]	1.5		2.0
Slot shape	U/V	U single		V single

• ① Slot Length: 플레이트 삽입 최소 필요 길이(24), 최대 길이(32) 기준 3 mm 간격으로 4 Level로 선정
• ② Slot Depth: 1.5 미만일 시 캠플레이트 고정 불가하고 단조 금형 편차 고려 1.5, 2.0 mm 2 Level로 선정
• ③ Slot Shape: 홈 형상 및 홈 개수별 성능 비교 위한 3 Level 선정(U/V: U Shape, V Shape 복합 형상)

FEA 및 시제품 실측 결과는 Fig. 8에 나타낸 것처럼 해석 결과와 실측 결과가 동일한 경향성을 보이는 것으로 나타났으며, 각 인자별 항복 축력 기여도는 각각 Slot Shape, Slot Depth, Slot Length 순으로 나타났다. 3가지 인자 모두 나사산부의 유효 단면적의 증가에 따라 항복 축력이 증가하는 결과를 보였으며, 유효 단면적 증가에 미치는 영향이 클수록 항복 축력 증가에 크게 기여하는 것으로 나타났다. 절댓값에 있어서 차이가 발생한 부분은 해석 시 사용한 물성치와 실부품의 물성치 차이에서 기인한 것으로 확인되어 이후 해석시 실부품의 물성치를 적용하여 해석을 진행하였다.

Fig. 8 
Verification results by design factor

앞선 단일 설계 인자별 검증을 통해 FEA와 실부품 계측의 경향성이 동일함을 확인하였으므로, FEA를 활용한 직교표 실험을 통해 다양한 조합의 항복 거동을 관찰하였다. 설계 제어 인자로는 캠볼트 설계 인자 3종으로 선정하였으며, 각 제어 인자 정의 및 수준은 Table 2에 정리하였다. 제어 수준 선정 기준은 설계 인자별 해석 정합성 검증 당시 설계 사양 선정 사유와 동일하다. 노이즈 인자로는 체결 공구, 표면처리에 의한 마찰계수 편차 등이 있으나 FEA 분석을 통해 해당 노이즈 인자를 배제할 수 있어 고려하지 않았다.

Control factor	Level 1	Level 2 (Current spec.)	Level 3
Slot length [mm]	29	32	27
Slot shape	U single	U/V	V single
Slot depth [mm]	1.5	2.0	N/A

제어 인자에 따라 모델링을 실시하여 총 9개의 모델을 구성하였다. 항복 축력 검증은 각 모델별로 FEA 모델을 구성하여 해석을 통해 산출하였다. 모델별 제어 인자 조합 및 항복 축력 결과는 Table 3에 정리하였다.

FEA 결과를 토대로 직교표 실험을 실시하였다. 각 시험 결과는 Table 3에 정리된 바와 같고, 이를 바탕으로 반응표를 작성한 결과는 Fig. 9에 나온 바와 같다. S/N 비 및 Mean 값을 통해 도출한 각 인자별 최적 형상은 다음과 같다.

Fig. 9 
DFSS result (S/N ratio, mean value)

또한 앞서 시행한 단일 설계 인자별 시험 결과(실측 및 해석)와 본 직교표 실험 결과의 제어 인자별 기여도 및 영향력 분석 결과 또한 동일한 경향을 보이는 것으로 확인되었다.

Case 1 단일 설계 인자별 시험 결과
: Slot Shape > Slot Depth > Slot Length
Case 2 DFSS 시험 결과
: Slot Shape > Slot Depth > Slot Length

즉 나사산부의 유효 단면적을 최대화할수록 항복 축력 향상에 크게 기여하는 것을 알 수 있다.

직교표 시험 결과를 바탕으로 Fig. 10과 같이 캠볼트 최적 형상안 3종을 선정하였으며 선정 사유는 아래와 같다.

Fig. 10 
Optimum specification

• ① DFSS Optimum: 직교표 시험 결과 기준 각 제어 인자별 최적 조합 선정
• ② Second-Best: 직교표 시험 결과 교호 작용을 고려 인자별 조합 중 두 번째 높은 값을 가지는 조합 선정
• ③ Cam-Insert Comparison: 홈 깊이는 캠플레이트 와셔와의 접촉 면적에 직접적으로 영향을 끼쳐 휠 얼라인먼트 조정에 가장 중요한 성능 인자이므로 추후 Slot Depth 축소 사양과 내구 비교 검증을 위해 Slot Depth 현 사양 유지 및 나머지 인자 최적화 사양 선정

DFSS를 통해 선정한 3가지 사양의 최적 형상에 대하여 시제품을 제작해 항복 축력을 계측하고 기존 대비 항복 축력 향상 여부를 검증하였으며 결과는 다음과 같다[6].

※ 캠볼트 기존 형상 항복 축력: 86 kN
① DFSS Optimum: 108 kN (26%↑)
② Second-Best: 104 kN (21%↑)
③ Cam-Insert Comparison: 102 kN (19%↑)

본 실험을 통해 최적 사양 적용 시 Fig. 11에서 확인할 수 있듯 동일 호칭경의 Normal Bolt (M14 10 T)와 동등 수준의 축력 범위가 가용해짐을 확인하였다. 본 최적 형상 캠볼트 적용을 통해 Fig. 12 사례와 같이 필요 축력-항복 축력 간의 간격이 협소한 경우 별도의 호칭경 및 강도 상향 없이 체결부 설계 안정성 확보가 가능해질 것으로 기대된다. 또한 나사산부 유효단면적 및 나사산 접촉 면적이 증가를 통한 항복 축력 향상을 통해 동일 축력에서 Goodman Diagram 기준 피로 내구 성능이 기존 캠볼트 대비 약 30%가량 향상되는 것으로 확인되었다.

Fig. 11 
Yield load by cambolt specification

Fig. 12 
Optimized cambolt required cases