Abstract
An automotive ball joint connects the suspension system to the steering system and helps to enable rotational and linear motion between the two elements for steering. This study examines a ball joint used in medium and large-sized pickup trucks. Ball joints consist of a stud, socket, bearing, and plug. The main structural performance metrics of ball joints are the pull-out strength and push-out strength. These structural parameters must meet certain criteria to avoid serious accidents. Test and simulation methods are used to investigate the design requirements, but tests are time-consuming and costly. In this study, we modeled ball joints in SolidWorks and performed a finite element analysis in Abaqus to predict structural performance. The analysis was used to obtain the structural performance required for the static analysis of a 2D axisymmetric model. The uncertainties in the manufacturing of the ball joint were assumed to be the manufacturing tolerances, and the dimensional design variables were identified through case studies. The manufacturing tolerances at each level were defined, and the results were compared with experimental results.
자동차용 볼 조인트는 현가계와 조향계를 연결하는 부품으로 두 요소 사이에서 조향을 위해 회전 운동 및 직선운동이 가능하도록 돕는 기계 부품이다. 본 연구의 대상은 중대형 픽업 트럭에 사용되는 볼 조인트이다. 각 단품으로는 스터드(Stud), 소켓(Socekt), 시트(Bearing), 플러그(Plug)로 구성되어 있다. 볼 조인트의 주요 구조적 성능으로는 풀-아웃 강도 및 푸시-아웃 강도를 고려해야 한다. 이 구조적 성능들은 정해진 기준을 만족해야 하며 이를 만족시키지 못하면 보다 큰 사고를 유발할 수 있다. 볼 조인트의 설계 요구조건 만족 여부를 확인하기 위한 방법으로는 실험과 시뮬레이션 방법이 있으나 실험은 많은 시간과 비용이 소요된다. 본 연구에서는 볼조인트의 구조적 성능 예측을 위하여 모델링 소프트웨어로서 솔리드웍스(Solid Works)를, 유한요소해석 소프트웨어로서 아바쿠스(Abaqus)를 사용하였다. 유한요소해석은 2D 축대칭 모델의 정적 해석을 이용하여 요구되는 구조적 성능을 구하였다. 볼 조인트의 제작 시 발생되는 불확실한 요소를 제작 공차로 가정하였으며, 이에 따라 구조적 성능에 영향을 미치는 치수 설계 변수를 사례 연구를 수행해 파악하였다. 그리고 제작 공차를 수준 별로 정의 한 후, 사례연구를 이용해 구한 유한요소해석 결과값과 실험값을 비교하였다.
