자동차 엔진 커버의 신뢰성향상 지원자동차 엔진 커버의 신뢰성향상 지원자동차 엔진 커버의 신뢰성향상 지원자동차 엔진 커버의 신뢰성향상 지원“ ”“ ”“ ”“ ”

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2006. 7. 10

주관기관 엔브이에이치코리아 주: ( )

위탁기관 자동차부품연구원:

산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하⦁⦁⦁⦁

본 보고서를 자동차 엔진커버에 관한 신뢰성향상지원 개발기간본 보고서를 자동차 엔진커버에 관한 신뢰성향상지원 개발기간본 보고서를 자동차 엔진커버에 관한 신뢰성향상지원 개발기간본 보고서를 자동차 엔진커버에 관한 신뢰성향상지원 개발기간( : 2005. 6.( : 2005. 6.( : 2005. 6.( : 2005. 6.″ ″″ ″″ ″″ ″

과제의 최종보고서로 제출합니다과제의 최종보고서로 제출합니다과제의 최종보고서로 제출합니다과제의 최종보고서로 제출합니다1~2006. 5. 31) .1~2006. 5. 31) .1~2006. 5. 31) .1~2006. 5. 31) .

2006. 7. 10.2006. 7. 10.2006. 7. 10.2006. 7. 10.

주관기관명 엔브이에이치코리아 주주관기관명 엔브이에이치코리아 주주관기관명 엔브이에이치코리아 주주관기관명 엔브이에이치코리아 주: ( ): ( ): ( ): ( )

위탁기관명 자동차부품연구원위탁기관명 자동차부품연구원위탁기관명 자동차부품연구원위탁기관명 자동차부품연구원::::

주관책임자 박봉현주관책임자 박봉현주관책임자 박봉현주관책임자 박봉현::::

지원책임자 정선경지원책임자 정선경지원책임자 정선경지원책임자 정선경::::

연 구 원 김휘우연 구 원 김휘우연 구 원 김휘우연 구 원 김휘우::::

연 구 원 이희복연 구 원 이희복연 구 원 이희복연 구 원 이희복::::

연 구 원 유인철연 구 원 유인철연 구 원 유인철연 구 원 유인철::::

연 구 원 신현동연 구 원 신현동연 구 원 신현동연 구 원 신현동::::

연 구 원 구영모연 구 원 구영모연 구 원 구영모연 구 원 구영모::::

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중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호

사 업 명 자동차 엔진 커버의 신뢰성 향상

키 워 드 엔진커버 안정성 소음 진동 차단/ / / /

사업목표 및 내용 예시( )

최종 목표1.

자동차 부품인 엔진 커버의 신뢰성 향상을 위한 극한 환경에서의 진동내구성 및 내충격

성에 대한 검토를 설계단계에서 고려하여 구조해석 의 활용을 통한 최적의CAE Data

을 확보함으로서 설계 품질의 향상과 개발 단계에서 양산이후까지 잠재적으로 발Design

생할 수 있는 고장형태를 예측하여 사전에 개선 과정을 통하여 최종적으로 제품의 수명

기간 동안 성능이나 최초 품질을 보증할 수 있도록 신뢰성 평가 및 향상기법을 개발함

으로 기술 경쟁력을 확보함으로 원가절감이나 소비자 신뢰 향상 및 대외경쟁력의 확보

에 최종 목표가 있다.

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.

한계 환경 및 지속적인 조건 하에서 소재 선정에 대한 제약 및 제품 설Dynamic Load

계에 대한 기준이 없으며 이에 대한 검증과정이 없어 시 잦은 설계변경Design Review

에 따른 과도한 금형수정에 의한 개발비용 증가 개발기간의 장기화 진동 내구 불만족, ,

에 의한 제품 변형이나 파손시 촉 성능 불만족 및 내구 성능을 예측하지 못한 제품의

생산으로 예상치 못한 반송으로 증가 대외적인 이미지 실추가 예상된다Field Claim .

고장원인분석 및 대처결과3.

환경 진동 부하조건시의 공진에 따른 변위 증가 및 발생 및 추가Crack Rib , Cap

삽입시 지 품의 부의 과도한 응력집중 및 의 외경 변경으mounting Boss Cap mountingㅔ

로 응력 감소 엔진 가진시 받게되는 진동 및 이의 저감을 위한 엔진커버 마운팅 고무의,

경도 조절과 형태 변경 엔진커버 장착 조립시에 발행한 흡집이나 조립, Cap mounting

시 보스브 깨짐 및 이의 방지를 위한 전용 조립지그 제작과 조립공정 개선실시

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( · )

사출 금형 설계에 대한 해석 과 제 품이 받는 내구 진동에 대한 응력을 파악Module ㅣ

하여 구조적으로 안정하며 환경 진동 조건에 내구 수명이 보증되는 부품의 설계가 가ㅣ

능하게 되어 제품 제조시 발생되는 불량품의 발생을 억제하고 고객사의 자동차 수명 보

증과 연계되어 제품 신뢰성 향상 효과가 확보된다.

기대효과 기술적 및 경제적 효과5. ( )

제품 설계에 대한 신뢰성 확보 설계 변경의 최소화로 인한 개발기간 단축 및 금형수정,

비의 절감 내구력 있는 제품의 설계 및 생산으로 경쟁력 확보와 고객 만족 확보,

적용분야6.

엔진 커버 등 자동차 엔진품 부착되는 사출 성형품에 개발 및 생산시 적용할 수sodlp

있으며 그 외 플라스틱을 이용한 사출 전제품에 적용이 가능하다.

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 용도제 절 용도제 절 용도제 절 용도1 Engine Cover1 Engine Cover1 Engine Cover1 Engine Cover

의 명칭의 명칭의 명칭의 명칭1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover

의 특징의 특징의 특징의 특징2. Polyamide2. Polyamide2. Polyamide2. Polyamide

제 절 개발개요제 절 개발개요제 절 개발개요제 절 개발개요2222

의 내구 진동 시험 방법 검토의 내구 진동 시험 방법 검토의 내구 진동 시험 방법 검토의 내구 진동 시험 방법 검토1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover

제 절 최종목표제 절 최종목표제 절 최종목표제 절 최종목표3333

의 신뢰성 평가의 신뢰성 평가의 신뢰성 평가의 신뢰성 평가1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover

의 신뢰성 적용결과의 신뢰성 적용결과의 신뢰성 적용결과의 신뢰성 적용결과2. Engine Cover2. Engine Cover2. Engine Cover2. Engine Cover

제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과2222

제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가1111

플리아미드 수지에 대한 검토플리아미드 수지에 대한 검토플리아미드 수지에 대한 검토플리아미드 수지에 대한 검토1. (PA)1. (PA)1. (PA)1. (PA)

의 진동환경시험의 진동환경시험의 진동환경시험의 진동환경시험2. Engine Cover2. Engine Cover2. Engine Cover2. Engine Cover

의 전개의 전개의 전개의 전개3 Desing FMEA3 Desing FMEA3 Desing FMEA3 Desing FMEA

의 전개의 전개의 전개의 전개4. Process FMEA4. Process FMEA4. Process FMEA4. Process FMEA

제 장 신뢰성 적용결과제 장 신뢰성 적용결과제 장 신뢰성 적용결과제 장 신뢰성 적용결과3333

제 절 엔진커버의 선행 해석 및 시험평가 수행제 절 엔진커버의 선행 해석 및 시험평가 수행제 절 엔진커버의 선행 해석 및 시험평가 수행제 절 엔진커버의 선행 해석 및 시험평가 수행1111

의 초기모델 해석 수행의 초기모델 해석 수행의 초기모델 해석 수행의 초기모델 해석 수행1. EN Engine Cover1. EN Engine Cover1. EN Engine Cover1. EN Engine Cover

엔진커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험평가엔진커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험평가엔진커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험평가엔진커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험평가2. FE Model2. FE Model2. FE Model2. FE Model

제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행2 B10 Life2 B10 Life2 B10 Life2 B10 Life

진동시험 모드의 개발진동시험 모드의 개발진동시험 모드의 개발진동시험 모드의 개발1.1.1.1.

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론4444

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제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 용도제 절 용도제 절 용도제 절 용도1 Engine Cover1 Engine Cover1 Engine Cover1 Engine Cover

엔진카바의 적용은 선진자동차의 에서 적용 확대되어 전 자동차 에서 확maker maker

대 적용되고 있다 초기에는 엔진품에 여러 종류의 엔진부품 및 각종 들이 복. cable

잡하게 위치하고 있어 산만하게 보이는 것을 깨끗하고 정갈하게 보이기 위하여 외

관 부품으로 적용되었으나 차츰 엔진이나 주변 부품의 운전에 의해 발생하는 방사

소음을 흡음하거나 차단하는 성능을 함하는 기능성 부품으로 개발 적용하고 있avh

는 추세이다 이에 따라 엔진부품으로 적용되려면 여러 가지의 요구조건을 만족하.

여야 한다 엔진의 폭발력으로 발생되는 진동 고열 등에도 견딜 수 있는 자동차 부. ,

품에 요구되는 기계적 물성을 만족하여야 하며 이의 상태나 성능을 차량 수명과 같

이 유지되어야 한다 이에따라 엔진커버는 엔진룸의 고온 하에서 견딜 수 있고 내.

열성등을 만족하는 및 를 강화한 폴리아미드 수지를Glass Foam, Mineral Filler (PA)

소재로 사용하고 있다 또한 흡음재 등 을 엔진카바의 하부에. (PU fOAM, G/Wool )

부착하여 엔진에서 발생하는 엔진소음을 줄여 주행 시 엔진에서 발생되는 엔진소음

을 저감하는 부품으로 개발되고 있다.

현재는 외형도 상당히 대형화 추세에 있으며 조립의 단순호 및 여러 가지 기능성,

을 가진 부품으로 개발되고 있는 추세이다 그 한 예로 본 과제로 선정한 엔진커버.

의 모델은 엔진커버의 장착 방식을 기존 조립에서 방BALL JOINT CAP MOUNTING

식으로 변경하여 장착을 위한 형상이 필요치 않아 외관 부품으로서 상BALL JOINT

품성을 향상하였으며 장착시 볼트 조립시 표면 긁힘에 의한 외관불량, BALL JOINT

이 발생하지 않으며 조립시 엔진커버를 엔진측의 브라켓트에 눌러 체결되는 방식으

로 고객의 생산성 증대와 조립성을 개선한 사양이다.

의 명칭1. Engine Cover

본 기술개발 과제에서 최종 목표로 하는 의 형상 및 명칭을 나타낸Engine Cover

것이다.

표 개발 대상 의 명칭표 개발 대상 의 명칭표 개발 대상 의 명칭표 개발 대상 의 명칭1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover1. Engine Cover

구 분 품 명 재질명

사출부문Engine Cover(Main) PA66+GF10+MF28

Mtg Cap PA66+GF10+MF28

방음재 부문 PAD PU FILM+PU FOAM+PU FILM

방음재 고정클립 부분 Speed Nut STKM 11A

고정부문Engine Cover INSULATOR SB610

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그림 엔진카바의 형상 및 명칭1.

소재의 특징2. Engine Cover

가 폴리아미드의 구조적 특징.

폴리아미드 계열의 수지는 내열성 및 성형성이 우수하며 강화가 용이하며FILLER

내약품성등이 우수하며 수지중 를 자동차 의 주원료로PA PA6, PA66 Engine Cover

선택하고 있으며 그 제조법 및 특성은 다음과 같다 표 표. ( 2. 3)

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표 및 의 제조법표 및 의 제조법표 및 의 제조법표 및 의 제조법2. PA6 PA662. PA6 PA662. PA6 PA662. PA6 PA66

의 구조적 특징PA 의 구조적 특징PA66

폴리아마이드의 특징적인 아마이드기

를 가지고 있음(NHCO) .

카프로락탐을 이용하여 개환중합을 통해서

제조

폴리아마이드의 특징적인 아마이드기

를 가지고 있음(NHCO) .

핵사메틸렌다이아민과 아디핀산을 이용하여

증축합 제조

와 은 모두 주사슬이 탄소 개로 구성되어 있지만 각각의 결정구조의 차이로PA6 PA66 (C)6

인해 가 물리적 특성 및 내열성이 우수하다PA66 .

표 및 의 특성표 및 의 특성표 및 의 특성표 및 의 특성3. PA6 PA663. PA6 PA663. PA6 PA663. PA6 PA66

구 분 특 성

PA6

내열성 우수1.

성형성 우수2.

강화 용이3. Filler

내약품성 우수4.

흡수율이 크고 흡수시 물성 및 치수변화가 크다5. .

PA66

내열성 매우 우수1.

자기소화성2.

내마모성 우수3.

와 비슷한 물성 및 특성4. PA6

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나 유리섬유 무기물강화 폴리아미드 수지의 물성 엔진 커버용. , ( )

의 종류(1) PA

자동차 및 를 강화한 롤리아미드 수지에 대하여 규정Glass Fiber Mineral Filler (PA)

한 폴리아미드의 종류는 다음과 같다.

표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류4. PA (MS 211-60)4. PA (MS 211-60)4. PA (MS 211-60)4. PA (MS 211-60)

종 류 상세구분 재료조성 용 도

TYPE-A

A-1 PA 6 + GF 7% + NF 13%

일반용

A-2 PA 6 + NF 20%

TYPE-B - PA 66 + GF 10% + NF 28% 내열용

의 물성(2) PA

자동차 및 를 강화한 롤리아미드 수지에 대하여 규Glass Fiber Mineral Filler (PA)

정한 폴리아미드의 물성은 다음과 같다.

표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류표 자동차 규제 의 종류5. PA (MS 211-60)5. PA (MS 211-60)5. PA (MS 211-60)5. PA (MS 211-60)

구분 시험항목 단위

요구사항

시험

방법TYPE A

TYPE BA-1 A-2

재

료

시

험

비 중 - 1.26~1.30 1.26~1.30 1.44~1.46 항5.1.2

함량ASH % 20±2 20±2 38±2 항5.1.3

인장강도 kgf/㎠ 이상950 이상570 이상1,085 항5.1.4

굴곡강도 kgf/㎠ 이상1,500 이상880 이상1,800항5.1.5

굴곡탄성율 kgf/㎠ 이상44,000 이상33,000 이상61,000

IZOD

충격

강도

23℃ kg,cm/c

m

이상3.0 이상3.5 이상3.8항5.1.6

-30℃ 이상2.5 이상3.0 이상3.3

열변형온도 ℃ 이상180 이상85 이상230 항5.1.7

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의 환경진동시험(3) Engine Cover

완제품 온도조건에서 커버를 아래의 조건으로 진동환경 시험을 실시한다 그림 표.( 2, 6)

24 ×30min 60min 150 ×150min 90min 40 ×120min 30min=1Cycle℃ → → ℃ → → ℃ →

그림2

표 환경진동 가진조건표 환경진동 가진조건표 환경진동 가진조건표 환경진동 가진조건6.6.6.6.

엔진기종가진조건

비 고진동수(Hz) 가속도(G)

가솔린

I4 200 14진동가속도 값은(G)

엔진커버 장착면에서

측정된 값

V6 300 14

V8 400 14

총 시간Cycle: 10 Cycle : 8 )

- 10 -

제 절 개발개요제 절 개발개요제 절 개발개요제 절 개발개요2222

의 환경 진동 내구 시험 검토1. Engin Cover

자동차의 엔진에 장착되어 여러 엔진 부품 및 각종 류를 깨끗하고 정갈하게Cable

보이기 위하여 적용되고 있는 엔진 커버는 차실내로 유입되는 엔진이나 각종 보기

류의 방사 소음을 저감하거나 차량 외부로의 방사 소음을 저감하는 기능을 위하여

흡음재를 부착하여 사용되어진다 이러한 엔진 커버는 자동차의 운행시 주요한 진.

동 가진원이 되는 엔진에 부착되어 사용되므로 차량이 운행되는 기간 동안 엔진의

거동으로 인하여 초기 설계 좌표에 대해 상대적인 움직임이 발생하게 된다 또한.

엔진 운행중 발생하는 고열에 가장 가까운 위치하므로 이로 인하여 다양한 환경 조

건에서 사용되어지고 있다.

따라서 엔진커버는 자동차 부품으로서 본래의 미관 향상으로 위한 목적과 소음을

저감하는 기능을 유지하기 위해서는 자동차의 운행 조건이나 사용되어지는 환경 조

건하에서 변형 파손 및 이탈 등이 없어야 한다 즉 엔진 커버의 변형이 발생하는, .

경우 외관 불량의 발생이나 주변의 엔진 부품과의 간섭 및 이에 따른 소음의 발생,

원인이 될 수도 있다 또한 파손이나 장착 부위에 서의 이탈이 발생하는 경우도. ㅣ

마찬가지로 외관 불량이나 소음 방지 기능의 저하 또는 새로운 소음 발생의 원인이

될 수도 있다.

따라서 엔진 커버는 이러한 자동차의 운행 조건이나 사용 환경하에서 초기의 성능

이나 품질이 유지되어야 하며 이를 위해 엔진 커버 자체의 소재가 이러한 조건에,

적합하여야 할 뿐만 아니라 설계상의 구조나 엔진 장착 형태가 엔진으로부터의 진

동을 절연하며 신뢰성있는 구조로 설계되어야 한다 특히 자동차의 운전 조건시 발.

생하는 엔진의 강제 진동은 차량 운행의 특성상 특정한 주파수가 아닌 다양한 범위

의 주파수 영역에서 발생하므로 엔진커버의 경우에도 일정 범위의 주파수를 갖는

진동 가진원에 노출되게 된다 즉 엔진커버는 자신이 갖고 있는 공진 모드나 장착.

조건이 포함된 시스템상의 공진 모드와 일치하는 가진 주파수에 노출될 수가 있다.

이러한 엔진 커버 혹은 엔진 커버 장착 시스템의 공진 모드와 일치하는 진동 가진

조건은 엔진 커버의 내구에 큰 영향을 주는 인자로서 이에 대한 검토가 필요하다.

현행 엔진커버의 환경 진동 시험 조건은 부품이 차량 운행중 노출되는 극한 환경이

고려되어 있다 즉 엔진 커버에 작용하는 가진원의 진동이 갖는 가장 높은 주파수.

및 진동 레벨하에서 시험이 행하여지거나 가장 높은 온도 및 낮은 온도하에서 시험

이 진행되도록 설계되어져 있다 하나 앞서 기술한 바와 같이 구조물의 진동 내구.

와 관련하여 주요한 인자는 구조물 자체의 공진모드로서 부품이 갖는 진동내구의

신뢰성에 연관이 크다고 할 수 있다.

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따라서 단순한 품질이나 요구 성능의 만족 여부를 판정하는 것이 아닌 에진커버의

초기 성능과 품질 수준을 주어진 사용 환경 조건하에서 일정한 기간동안 유지되는,

특성으로 파악하는 신뢰성 평가 기법의 개발 및 이를 바탕으로 한 신뢰성 향상이

필요하다.

엔진 커버의 환경 진동 조건에 대한 내구성 강화를 통한 신뢰성 향상을 위해서는

신뢰성 평가 기법이 새로이 정립될 필요가 있으며 이의 적용은 실제적인 엔진 커,

버 개발 과정을 통해 그 타당성을 검증하는 것이 필요하다.

본 연구 과제에서 엔진 커버의 신뢰성 향상을 위해서 설계 단계에서 기법으FMEA

로 도출된 엔진 커버의 공진 모드에 의한 고장 요인을 고려하여 설계 개선을 수행

하였으며 특히 이 과정에서 를 활용하여 공진, CAE(Computer Aided Engineering)

점 가진 조건에서의 취약 부위 및 내구 한계를 개선 확인하였으며 이를 시험으로,

확인하여 그 타당성을 입증하고 최종적으로는 실차 주행 조건을 사용조건으로 고려

하여 가속 수명 시험 모드를 개발 및 적용하여 일정 수준이상의 신뢰성을 확보할

수 있도록 한다.

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제 절 최종목표제 절 최종목표제 절 최종목표제 절 최종목표3333

의 신뢰성 평가1. Engine Cover

본 사업에서는 수요기업의 내구성 강화 및 이를 평가하는 신뢰성 시험 조건 강화에

따라서 최적의 자동차 과 공정 설계에 그목적이 있다Engine Cover Design .

가 신뢰성 시험.

기초 물성 및 환경진동 시험을 실시하여 신뢰성에 영향을 주는 인자를 파악하는데

그 목적이 있다.

나 의 전개. D-FMEA (Design Failure Mode and Effect Analysis)

의 전개활동으로 과거에 발생하였던 사례나 앞으로 설계상에서 발생될수D-FMEA

있는 잠재적 고장형태를 파악하여 이를 검증하고 반영하여 최적의 을 하는Design

데 그 목적이 있다.

다 의 전개. P-FMEA (Process Failurt Mode Effect Analysis)

에 대한 전개활동으로 초적의 설계된 제품이 실제 생산시 발생될수 있는D-FMEA

문제점을 파악하고 공정상 발생할수 있는 부적합품의 억제에 그목적이 있다.

의 신뢰성 적용결과2. Engine Cover

내구해석 가진시험 수명예측 통하여 기술경쟁력 향상 및 신뢰성 향Engine Cover , ,

상에 그 목적이 있다.

엔진 커버의 선행 해석 및 시험 평가 수행-

엔진 커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험 평가- FE Model

시험 진동 모드 개발-B10

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제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과제 장 신뢰성 저해요인 분석 및 대처결과2222

제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가제 절 신뢰성 평가1111

폴리아미드 수지에 대한 검토1. (PA)

에 대한 롤리아미드 수지 에 대하여 재료EN Engine Cover (PA66+GF10%+MF28%)

가 가지고 있는 물성적 성질이 자동차에서 규정하고 있는 규격과 대비하여 확인하

는 시험을 진행하였다 표.( 7.)

표 폴리아미드 수지 에 대한 물성시험 결과표 폴리아미드 수지 에 대한 물성시험 결과표 폴리아미드 수지 에 대한 물성시험 결과표 폴리아미드 수지 에 대한 물성시험 결과7. (MS 211-60, Type B)7. (MS 211-60, Type B)7. (MS 211-60, Type B)7. (MS 211-60, Type B)

구 분 시험항목 단 위 규 격 시험결과

재

료

시

험

비 중 - 1.44~1.46 1.45

함량ASH % 38±2 37.5

인장강도 kgf/㎠ 이상1,085 1,315

굴곡강도 kgf/㎠ 이상1,800 2,082

굴곡탄성율 kgf/㎠ 이상61,000 92,060

IZOD

충격강도

23℃

kg/cm/cm

이상3.8 5.2

-30℃ 이상3.3 4.1

열변형 온도 ℃ 이상230 250.4

상기 표의 시험결과 재료가 같은 폴리아미드 수지의 물성결과는 자동차에서 제안하

는 규격을 만족하였다.

- 14 -

의 진동환경시험2. Engine Cover

에 대한 기존 및 개발부품에 대하여 도면상에 규정하는 내열시험 온Engine Cover

도에 맞추어 진동환경 시험을 수행한 예는 아래와 같으며 표 이중 한 모델에, ( 8)

대하여 신뢰성 평가 기법을 적용하여 본 연구결과를 진행하도록 한다.

내열시험 온도(MS211_60:24 ×30min 60min ×150min 90min 40 ×120min℃ → → ℃ → → ℃ →

로 하여30min=1Cycle 10Cycle)

표 환경진동에 대한 결과표 환경진동에 대한 결과표 환경진동에 대한 결과표 환경진동에 대한 결과8.8.8.8.

그림 환경진동 시험결과 자동부품 시험 연구원3. ( )

- 15 -

의 전개3. Design FMEA

고장형태 및 영향분석 예상(D-FMEA: Design - Failure Mode and Effect Analysis)

가능한 모든 고장의 형태가 고객에게 어떠한 영향을 미치며 그 고장원인이 어디에

있는가를 추정하여 설계 및 공정단계에서 모든 문제점을 제거하여 양질의 제품을

고객에게 제공하기 위한 수법을 말한다 를 전개하여 심각도 발생도 검출도. FMEA , ,

를 각각 곱해서 상대적 높은 을 우선대상으로 하되KRQT RPN (Risk Priority

값을 낮툴수 있도록 개선조차 하였다 를 실시한 결과는 다음과Number) . D-FMEA

같다 표. ( 9)

표표표표 9. Desing FMEA9. Desing FMEA9. Desing FMEA9. Desing FMEA

잠재적 고장형태 및 영향분석 설계( FMEA)

- 16 -

가 개선결과. Design FMEA

의 조립성(1) Mounting Cap

가 문제점 과 와의 조립시 깨짐 발생 및 조립후 응력에 의하( ) : Mounting Cap Boss

여 엔진 진동으로 인한 가진시 깨짐의 우려

나 원인 과 의 내경의 차이로 발생( ) : Mounting Cap Groove

다 권고조치 사항 도면형상 에서 실제내경 측정결과 로 수정실시 그림( ) : 43Ø 42.4Ø ( 4)

그림 과 의 내경4. Mounting Cap Groove

엔진카바 탈부착시의 깨짐(2)

가 문제점( ) : 방식이므로 부품의 조립시나 교환시 를Cap Mounting Engine Cover

잡고 탈부착에 의한 깨짐 발생

나 원인 도장 의 형상반영으로 꺽이는 부위의 부족( ) : Parting Line Round

다 권고조치 사항 추가 및 형상변경 그림( ) : Rib Round ( 5)

- 17 -

그림 의 및 형상변경5 Engine Cover Rib Round

응력의 집중(3)

가 문제점 의 가진시 브라켓트에서 오는 진동을 흡수하지 못하여( ) : Insulator

부에 과도한 응력의 집주이나 마모현상Mounting Boss

나 원인 고부 경도 부위 취약( ) : 70, MT G Boss″

다 권고조치 사항 고무경도 으로 경도변경 형상변경 그림( ) : 70 (Shore A) 60 , ( 6)″

그림 의 형상변경6 Insulator

- 18 -

의 전개4. Process FMEA

고장형태 및 영향분석 공(D-FMEA: Design - Failure Mode and Effect Analysis)

정 는 잠재고장 형태 및 관련 원인 메커니즘이 가능한 범위까지 고려 및 지FMEA ,

정됨을 보장하기 위한 수단으로 공정설계 단계에 서 모든 문제점을 제거하여 품질ㅣ

확보된 제품을 고객에게 제공하기 위한 수법을 말한다 를 전개하여 심각. P-FMEA

도 발생도 검출도를 각각 곱해서 상대적 높은 값을 우선대상으로 하되, , RPN (Risk

값을 낮출수 있도록 개선조차 하였다 를 실시한 결과는Priority Number) . P-FMEA

다음과 같다 표. ( 10)

표표표표 10. Process FMEA10. Process FMEA10. Process FMEA10. Process FMEA

잠재적 고장형태 및 영향분석 공정( FMEA)

- 19 -

조립불량(1) Mounting Cap

가 문제점 과 부위 조립시 가압력 부족으로 맞춤상태가 되지( ) : Mounting Cap Boss

않음

나 원인 과 의 조립시 많은 힘이 필요함( ) : Mounting Cap Groove

다 권고조치 사항 조립지그를 제작하여 를 지그위에서( ) : Engine Cover Mounting

조립 및 조립을 실시하여 가압력 만족으로 개선실시Cap Pad

조립시 외관불량(2) Mounting Cap

가 문제점 과 부위 조립시 가압력 과다로 작업다이의 마찰에( ) : Mounting Cap Boss

의한 도장면 표면흠집 발생으로 인한 외관불량

나 원인 과 의 조립시 많은 힘이 필요함 작업다이의 부적( ) : Mounting Cap Groove ,

절

다 권고조치 사항 조립지그를 제작하여 를 지그위에서( ) : Engine Cover Mounting

조립 및 조립을 실시Cap Pad

그림 조립지그7

- 20 -

제 장 신뢰성 적용 결과제 장 신뢰성 적용 결과제 장 신뢰성 적용 결과제 장 신뢰성 적용 결과3333

제 절 엔진 커버의 선행 해석 및 시험 평가 수행제 절 엔진 커버의 선행 해석 및 시험 평가 수행제 절 엔진 커버의 선행 해석 및 시험 평가 수행제 절 엔진 커버의 선행 해석 및 시험 평가 수행1111

의 초기 모델 해석 수행1. EN Engine Cover

본 연구는 엔브이에이치코리아 주 에서 생산하고 있는 자동차 엔진 컵에 대하여 내( )

구 진동 측면에서 부품에 대한 신뢰성 및 성능을 확보함으로써 경쟁사와의 기술 경

쟁력을 확보하기 위함이다 따라서 초기 설계 디자인을 바탕으로 내구 진동 해석을.

수행하여 취약 예상 부위를 강건 설계하는데 그 목적이 있다.

가 의 진동 특성 평가. EN Engine Cover

엔진 커버의 진동해석을 수행함에 있어 를 이용하여 모델링을CATIA HYPER MESH

하였으며 진동 해석은 를 이용하였다, ABAQUS .

엔진 커버의 소재 물성은 으로 구성되어 있고 표Ultramid 5267-PA66+MF/GF38% ,

과 같이 소재 물성 를 이용하여 및 내구 가진 피로 해석을11 DATA Normal Mode

수행 하였다.

표 해석 수행 물성표 해석 수행 물성표 해석 수행 물성표 해석 수행 물성11. DATA11. DATA11. DATA11. DATA

Specific Gravity 1.48

Tensile Strength 70MPa (RH50%)

Tensile Modulus 4860MPa (RH50%)

Allowable Stress for Fatigue 영구수명38MPa ( )

Weight 해석 모델로 측정 오차 수준1700g ( ±10% )

엔진 커버에 대한 마운팅 위치는 그림 과 같이 엔진 커버의 중심점 위치에서 안쪽8

으로 전방으로 비교적 치우쳐 있는 형태이며 은 이에 비해 후방으로 위치/ , MTG 3

하고 있어 엔진 커버의 전반적인 회전 진동 모드를 유발한다 이때 회전 중심은.

근방이며 이로 인하여 부근 집중 진동에 의한 최대 응력이 발생할MTG 3 , MTG 3

우려가있다.

그림 엔진 커버 마운팅 위치8.

- 21 -

분석(1) Normal Mode

를 분석하기 위하여 각 경계 조건은 조건으로 수행하Nodel Parameter MTG Fixed

였으며 각 는 아래 는 아래 그림, Modal Mode Frequency Modal Mode Frequency 9

와 같다.

해석 결과 엔진 커버의 이하에서 비틀림 및 굽힘 주파수 모드는 개가 존재50Hz 7

하며 이는 엔진 가진력에 의하여 영향에 미칠수 있다 따라서 엔진 커버 강, SOR .

성을 높이기 위한 방안으로 다음과 같이 보강을 계획하여 고유 진동 해석을 재 수

행 하였다 그림 과 같이 비틀림 강성 보강안으로는 중심부의 및. 10 MTG x-rib

부의 추가하고 두께 및 높이도 변경하였다 그리고 측 굽힘 강성Flnage rib , rib . LH

보강을 위해 전후의 개 을 연결하는 개의 병렬 를 추가하였으며2 MTG 2 rib , Cover

설치시 의 파단을 회피하기 위하여 에 연결되는 의 끝단은 높MTG MTG rib Groove

이보다 최소 미만에서 끝이 나도록 설계하여 해석 수행 결과 표 에서와5mm 12.

같이 보강 전 후 고유 진동수 결과값을 얻을수 있었다/ .

그림 9. Modal Mode Frequency

그림 엔진 커버 보강안10. rib

- 22 -

표 보강 전 후 고유 진동수 결과값표 보강 전 후 고유 진동수 결과값표 보강 전 후 고유 진동수 결과값표 보강 전 후 고유 진동수 결과값12. /12. /12. /12. /

Mode 1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th

보강전 Frequency (Hz) 25.3 28.8 29.3 35.4 36.9 38.3 47.4

보강후 Frequency (Hz) 27.5 30 32.2 36.6 38.4 39.8 50

보강 전 후 은 크게 변하지 않았으나 표 에서와 같이 각rib / Mode Shape , 12 Mode

별 고유 진동수는 정도의 주파수 향상 기대 결과를 나타내었다2-3Hz .

추가적 보강안으로 그림 과 같이 길이 축소에 따른 강성의 분담 효과를 고11. MTG

려하여 해석해 보았으나 표 과 같이 고유 진동수 변화에는 큰 영향이 없는 결과13.

를 보였다.

그림 높이 변경11. MTG

표 높이 축소에 따른 고유 진동수 결과값표 높이 축소에 따른 고유 진동수 결과값표 높이 축소에 따른 고유 진동수 결과값표 높이 축소에 따른 고유 진동수 결과값13. MTG13. MTG13. MTG13. MTG

Mode 1st 2nd 3rd 4th 5th 6th 7th

Original MTG 27.5 30 32.2 36.6 38.4 39.8 50

Modigied MTG

높이 축소( 10mm )27.5 30.5 32.1 36.5 39.4 39.9 49.6

내구 진동 해석(2)

본 해석은 보강된 엔진 커버에 대한 가진력을 주었을때 진동 변위 형가 및 최대 응

력을 평가하여 내구 문제 발생 여부를 예상하기 위함이다 진동 변위에 대한 해석.

은 좌우 진동 특성도 고려하여 해석을 수행하였고 각 를 기준으로 부, MTG Corner

분의 최대 변위를 해석함과 동시에 진동이 전달되는 부위의 최대 응력을 해석MTG

수행하였다.

- 23 -

가 진동 변위 해석( ) Forced Vibration - Displacement ( )

보강된 엔진 커버에 대하여 의 가진력을 주어 해석 수행 결과 그림 의 그래1G 12.

프와 같이 측 전방 및 측 후방에 최대 변위가 발생하며 두 부위 공히 좌우LH RH , ,

상하 가진 조건에 대하여 약 의 진동 변위를 보였으며 만약 의 가속1G 0.6mm 10G

도로 엔진커버를 가진할 경우 약 정도의 변위 발생으로 설계 기준 을6mm (25mm)

만족할 것으로 예측된다.

그림 진동 변위 해석 그래프12.

나 최대 응력 해석( ) Forced Vibration - Durability ( )

보강된 엔진 커버에 대하여 상하 그리고 좌우 가속도로 가진시 엔진 커버에 발1G

생하는 최대 응력을 평가하여 내구 문제 여부를 평가 하였다 상하 가진시 그. 1G

림 과 같이 전방부 에 설치된 에서 수준의 최대 응력이 발생13. LH MTG rib 1.3MPa

하며 좌우 로 가진 할 경우도 그림 와 같이 전방부 부위에서, 1G 14. LH MTG rib

수준의 좌우 최대 응력 발생이 예상되었다 엔진 커버의 부위별 응력은 가1.5MPa .

진력 및 가지 주파수마다 다를수 있으며 엔진 커버의 특성상 높은 열에 노출되어,

있기 때문에 상온 및 냉온 조건에서도 추가 해석 수행이 요구된다.

그림 상하 가진 최대 응력13. 1G

- 24 -

그림 좌우 가진 최대 응력14. 1G

다 외력 하중에 의한 응력 분포 해석( )

본 해석은 엔진 커버의 파손 원인중 비이상적인 조건 즉 엔진 커버를 작업자나 기,

타 탈 부착시 외력 하중이 작용하는 경우에 대하여 발생한 응력을 해석 하기 위하,

여 엔진 커버 조립시 예상되는 부위를 일정한 하중으로 양쪽 하방향으로 가압시 외

력에 대한 해석 수행 실시 하였고 실제 보강안에 대한 검토도 이루어 졌다 해석에, .

사용한 하중 외력은 그림 과 같은 부위에 로 양쪽 방향에서 가압 조건으로21. 30kgf

하였다 보강전 엔진 커버 해석 결과 그림 와 같이 도장 에서 최대. 22 Parting Line

응력이 로 발생 우려가 예상 되어졌다23MPa Crack .

그림 해석 하중 외력 부위 그림 도장 최대 응력15. 16. Parting Line

- 25 -

외력 하중을 고려해 설계 디자인 할 경우 최대 응력 부위 도장 에 대Parting Line

한 보강이 필요로 하다 이를 해석적 접근을 하고자 추가 보강을 실시하였다 도장. .

의 두께 보상은 그림 과 같이 꺽이는 부위의 와Parting Line 17. Round Parting

안쪽에 충분한 두께 보강을 실시하였고 추가로 보강으로 최대 응력을 주이Line rib

고자 하였다 보강안은 엔진 커버에 대한 설계 반영을 고려해 이루어 졌고 부. rib ,

품 성형이 가능한 범위내에서 보강안 해석을 추진하였다rib .

그림 17. 보상Parting Line

최대 응력이 집중 되는 부위만 두께를 보상하면 어느정도 값을Parting Line Stress

낮출수 있으나 두께를 높일수 있는 범위가 한계가 있으므로 을 가로, , Parting Line

지르는 를 보강하였다 형상에 따라 해석 결과는 그림 과 같다1mm rib . rib 18. . rib

보강과 두께 보상으로 인하여 기존 모델 최대 응력 대비 의 경23MPa Modified#1

우 최대 로 낮출수 있었으며 최대 배 정도의 강도 효과가 있다 하지만6.5MPa , 4 . ,

로 설계 변경하여도 기존 모델 강도 대비 배 정도 향상된 결과가 기Modified #2 3

대된다.

따라서 엔진커버를 하중 응력을 검토 고려할 경우 을 설계Modified #2 rib Pattern

디자인 하는게 유리하다.

- 26 -

그림 에 따른 최대 응력 해석 결과18. rib Pattern

엔진 커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험 평가2. FE Model

지금까지 앞절에서 언급한 내용은 엔진 커버 초기 설계 디자인이 대한 구조CAEㅔ

진동 해석을 통하여 신뢰성 문제가 초기에 발생될 수 있는 취약 부위를 고려하여

이를 설계에 반영한 내용이다 그리하여 보강 개선된 제품을 제작하여 이이 대한. ㅔ

내구 진동 해석과 시험을 장착 조건에서 수행하였다 엔진 커버에 대한 해석모JIG .

델의 신뢰성 향상을 위하여 실제 장착 조건하의 에서 공진Mounting JIG Global

시험을 수행하여 그 분석 결과를 통하여 상호 을 수행하였Modal Mode Correlation

고 이때 공진 문제가 발생할 가능성 있는 주파수에 대하여 엔진커버의 진동 해석,

적 최대 응력 값의 분포를 예측해 보았다(Max Stress) .

또한 엔진 커버의 상온 조건외에 저온 및 고온 조건에서의 재질특성 변화 해석을

수행하였다.

가 엔진 커버 의 신뢰성 확보를 위한 해석 및 시험 평가. FE Model

엔진 커버 에 대한 해석 수행은 설계 강성 보강된 제품을 바탕으로 수행FE Model

하였고 기본적 엔진 커버 물성치 는 변동이 없다 또한 경계 조건, Data . (Boundary

에 대해서는 그림 와 같이 경계 조건과 경계Condition) 19. Free-Free MTG Fixed

조건 두가지로 해석 및 시험을 실시하였다 에 대한 방법 및 은 표 과. Test Setup 14.

같다.

- 27 -

그림 시험 및 해석 경계 조건19. Modal

표 시험 방법에 대한표 시험 방법에 대한표 시험 방법에 대한표 시험 방법에 대한14. Modal Test Setup14. Modal Test Setup14. Modal Test Setup14. Modal Test Setup

Analysis Software LMS Test lab 6AmODAL Analysis Module (SD 305 Driver)

Measurement Parameter Frequency Range: 128Hz, Spectral Line: 512Hx

Excitation & Resp. Condition Vertical(Z-dir) Impact Hammer, Response Axis (Z-dir)

Measurtment Node Point Total 30pount (Horizontal: 5, Vertical: 6)

MTG Boundary Condition 경도Free-Free & EN Jig MTG Fixed (Rubber : 70)

시험 및 해석 분석 결과(1) Normal Modal Mode

진동 내구 시험에 필요한 주파수의 해석 결과와 시험 결과치를 표 와 같Mode 15.

이 비교분석 하였다 에 진 커버의 진동절연용 로 장착한 조건에. Mounting Rubber

서 이하에서 해석 주파수는 개가 존재하며 주파수는100Hz Mode 8 , Test Mode 5

개가 존재한다 개 중 를 제외한 오차 범위는 이내이. Test Mode 5 54.7Hz Error 5%

다 따라서 해석 의 신뢰성이 검증됨을 보여준다. FE Model .

그림 는 경계 조건에서 주요 주파수에 대하여 시험과 해석의20. MTG Fixed Mode

을 보여주고 있다Mode Shape .

- 28 -

표 시험 및 해석 결과치 비교15. Modal Table

그림 시험 해석20. Modal Mode Shape ( / )

- 29 -

엔진 커버의 주파수 온도 영향에 따른 내구 진동 민감도 해석 분석(2) /

앞서 에 대한 해석 결과를 근거로 주요 공진 주파수 그리고 온도FE Model Modal

에 영향에 따라 내구 진동 해석을 수행하였다 내구 가진 주파수 선정은. Modal

그래프에서 갑이 있는 지점을 선정하였다 또한 엔진 커버 온도에 따른FRF Peak .

공진 주파수 변동이 있으므로 이에 따른 해석 평가도 병행 진행 되었다, .

먼저 온도 영향에 따라 엔진 커버 공진 주파수 변동을 그림 과 같이 보여 주고21.

있다 온도 조건에서는 강성의 증가로 인한 차 고유 진동수는 상온 로. -40 1 39Hz℃

약 증가하며 고유 진동 모드는 변하지 않는다 상온 온도 조건에서는10% , . 150℃

강성의 감소로 인한 차 고유 진동수는 로 상온 상태 차 모드 대비 약1 30Hz 1 39Hz

감소되며 고유 진동 모드 형상은 크게 변하지 않는다24% , .

그림 온도 영향에 따른 공진 주파수 변화21.

- 30 -

내구 진동 해석에 있어 상온 조건에서 최대 응력 값을 예측해 보았다(Max Stress) .

가진력은 상하 로 가진시 그림 와같이 부위별 최대 응력 분포 밒 수치를 보14g 22.

여 주고 있다 먼저 차 공진 주파수 에서 사이 끝단에서 발생하며. 1 39Hz MTG rib ,

최대 의 응력 수치를 보이고 있다 차 공지 주파수 서의 응력은10MPa . 2 45Hz MTG

끝단에서 발생하며 최대 의 응력 수치를 보인다 그리고 차 공진Boss rib , 13MPa . 3

주파수 와 차 공진 주파수 에 대해서는 역시 끝단 부위에서50Hz 4 59Hz MTG Boss

최대 과 의 최대 응력 수치를 보이고 있다 따라서 상온 조건에서는18MPa 15MPa .

차 모드 와 차 모드 의 주파수에서 최대 응력이 발생함을 볼 수 있다3 50Hz 4 59Hz .

그림 상온 조건에서 공진 주파수에 따른 최대 응력22.

- 31 -

상온 온도 조건에서 엔진 커버 최대 응력은 차 모드 에서 로 가23 3 50Hz 18MPa℃

장 크게 해석되었다 실제 엔진 커버는 엔진룸에 장착되어 있어 차량이 운행 또는. ,

정차시 높은 열에 노출되어 있으므로 이 또한 고려하여야 하며 아울러 낮은 온도,

에서도 최대 응력 수치를 해석해 보았다 가진력은 상온 조건과 마찬가지로 상하.

조건으로 해석하였다 저온 온도 조건에서는 차 모드에서14g . -40 60Hz 4℃

로 최대 응력 수치를 보이며 상온 온도 조건에서는 차 모드에17MPa , 150 40Hz 3℃

서 로 최대 응력이 발생하였다 그리고 최대 응력이 발생하는 부위는 상온17MPa .

조건과 마찬가지로 부위에 집중되고 있었다 그림 참조MTG Boss . ( 23. )

따라서 엔진 커버에 작용하는 최대 응력은 온도 변화에 큰 영향이 없음을 볼 수 있다.

그림 온도 영향에 따른 최대 응력23.

엔진 커버의 내구 가진 시험(3)

앞서 엔진 커버에 대한 최대 응력을 다각도로 해석해 보았다 이를 근거로 실지. ㅔ

내구 가진기를 이용하여 가진 시험을 진행 하였다 가진 시험에 앞서 실제 차량에.

서 엔진 커버 각 지점에 대한 진동 레벨이 어느 정도인지 실차 시험을 하였다MTG .

주행 조건은 엔진이 급격히 부하가 걸릴수 있는 조건에서 실시하였으며 진동 측정,

방향은 상하 방향에서 측정하였다 그림 는 엔진 커버 각 지점에 대한 진. 24. MTG

동 레벨을 표현하고 있다 엔진 커버 각 부위에서의 진동 레벨은 최대. MTG 10g

정도 수준이므로 그보다 약간 높은 해석 내구 진동 가진 조건 부터 가진기 용, 14g

량의 최대 가진력 까지 가진하여 피로 파단 여부를 평가해 보았다 또한 가진50g .

주파수 조건은 에서 분석한 최대 주파수와 해석 최대 응력 수치를Test Modal Peak

감안하여 와 로 선정하였다, 54Hz 61Hz .

- 32 -

그림 엔진 커버 실차 주행 진동 레벨24. MTG

내구 진동 가진기를 이용하여 주파수에 대한 피로 파단 여부를 평가54Hz, 61Hz

하였다 표 은 가진 주파수에 대한 가진기의 가속도 속도. 17. (Acceleration),

변위 에 대한 정보이며 가진 시간은 조건에서 시(Velocity), (Dispiacement) , 14g 1

간 조건에서 시간씩 분 간격으로 엔진 커버에 대한 변형 및 파손을 검사, 50g 1 , 10

실시 하였다 또한 가진 주파수에 대한 엔진 커버 거동을 보기 위해서 그림 과. 25.

같이 시험을 수행 하였다 시험은 해O.D.S(Operational Keflection Shape) . O.D.S

석상이나 고정된 장착 조건에서 수행된 엔진 커버의 공진 주파수나 공진 모드Jig

분석 시럼 결과와 달리 실제 진동 가진기상에서 내구 수명 시험이 진행될 때 엔진

커버의 실제 거동을 파악하기 위한 시험이며 이상화된 조건상의 해석이나 시험 대,

비 실제적인 공진 주파수나 공진 모드 특성을 보여준다.

- 33 -

표 내구 진동 가진기 가진력표 내구 진동 가진기 가진력표 내구 진동 가진기 가진력표 내구 진동 가진기 가진력17.17.17.17.

그림 25. ODS Mode Shape

시험 결과를 보면 엔진 커버 최대 응력 부위 및 끝단에서ODS Mode Shape

가 크게 나타나지만 엔진 커버의 마모 또는 크랙 발생은 없었다Amplitude , (Crack) .

최대 가진력 는 해석 가진 조건보다 배 정도 가혹 조건에서 시험하였50g 14g 3~4

으나 엔진 커버 강성이 충분히 확보됨으로써 엔진 커버 공진점에 대한 내구 강도,

측면에서 문제 될 소지가 없어 보인다 따라서 최종적 실차 내구 신뢰성 수명 보증.

을 위해 에서 제안되는 가속 수명 조건에 해당하는 가진 조건하에서도 공B10 Life

진 모드에 의한 엔진 커버의 고장 발생이 없음을 확인할 수 있다.

- 34 -

제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행제 절 기법의 수행2 B10 Life2 B10 Life2 B10 Life2 B10 Life

진동시험 모드의 개발1.

초기 자동차 부품에 대한 진동시험은 그 부품이 사용되는 환경에서 스트레스에 의

한 피로파손에 그 초점이 맞추어져 있어 주로 공진 점 검출과 고정주파수 스위프,

사인시험 등의 사인 시험으로 그 시험 스펙이 제정되었고 지금까지도 많이 사용되

고 있다 사인파시험이 기계적인 공진점의 입증과 피로 시험을 수행하는데 유용하.

긴 하지만 실제 필드의 데이터를 재현하는 데는 적절하지 않고 사용 환경에서의,

신뢰성과 수명에 대하여 고려한 시험 스펙이라고 보기는 어렵다 랜덤진동은 주어.

진 대역의 모든 주파수에서 랜덤하게 변화하는 진폭 가속도 을 갖고 동시에 발생된( )

다 랜덤진동은 다른 사인 진동과 달리 적용되는 스펙트럼 내에서 모든 시험시료를.

그 공진점에서 가진시킨다 사인 시험과 비교할 때 실제의 필드 진동과 유사하며. ,

이런 이유에 의해서 대부분의 시험 스펙이 사인시험에서 랜덤 시험으로 변화해 가

고 있다 실제 필드에서 측정한 데이터를 사용하여 실험실에서 제품을 평가할 수.

있는 완벽한 시험 스펙을 개발하는 것이 타당하며 이 측정값을 토대로 가속수명시,

험의 모드를 개발함으로써 제품에 대한 최적설계와 그 설계의 적합성을 입증할 수

있다 필드의 실사용 조건에서의 제품이 받는 스트레스를 사용하여 시험을 하는 것.

은 명백하며 자동차 제조업체가 막대한 시험 장비를 동원하여 전체 자동차의 전반,

적인 부품에 대하여 시험을 수행해 오고 있다 과도한 시험 장비를 동원하여 전체.

자동차의 전반적인 부품에 대하여 시험을 수행해 오고 있다 과도한 설계로 인한.

제조원가의 상승 방지와 필드의 고장발생으로 인한 클레임의 방지를 위해서는 이러

한 실제의 사용 환경을 고려한 시험 스펙의 개발이 필수적이다.

가 필드 데이터)

시험차량 및 도로주행 조건-

실제 차량에 장착된 엔진커버가 받는 진동을 측정하기 위하여 하기 시험 차량을 이

용하여 엔진커버의 마운팅 부스가 장착되는 개의 지점에 대하여 포터블 진동측정4

장비를 사용하여 주행 시의 진동톡성을 측정하였다.

먼저 외국의 도로 조건과 국내의 도로조건을 비교한 표 을 보면 비포장로를 제외18

하고 대부분의 도로가 포장이 되어 있는 것을 고려하면 도로의 여건은 거의 유사하

다 표 의 도로비율중 비포장도로를 제외하고 고속도로 국도 지방도 및 시내도. 18 , ,

로에 대하여 차량의 운전에 따른 진동특성을 측정하였으며 각 주행도로별 누적 거,

리 및 비율을 표 과 같다19 .

- 35 -

표 도로 비율표 도로 비율표 도로 비율표 도로 비율18181818

표 주행도로별 누적 거리 및 비율표 주행도로별 누적 거리 및 비율표 주행도로별 누적 거리 및 비율표 주행도로별 누적 거리 및 비율19191919

그림 가속도계의 장착위치26

- 36 -

나) PSD(Power Spectral Density)

고속도로(1) g²/Hz

표 고속도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 고속도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 고속도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 고속도로 주행시의 진동특성 누적주행거리20 ( 23km)20 ( 23km)20 ( 23km)20 ( 23km)

그림 센서 위치별 진동특성 고속도로 누적주행거리27 ( - 23km)

- 37 -

시내도로(2)

표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리21 ( 34km)21 ( 34km)21 ( 34km)21 ( 34km)

그림 센서 위치별 진동특성 시내도로 누적주행거리28 ( - 34km)

- 38 -

표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리22 ( 14km)22 ( 14km)22 ( 14km)22 ( 14km)

그림 센서 위치별 진동특성 시내도로 누적주행거리29 ( - 14km)

- 39 -

표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리표 시내도로 주행시의 진동특성 누적주행거리23 ( 64km)23 ( 64km)23 ( 64km)23 ( 64km)

그림 센서 위치별 진동특성 시내도로 누적주행거리30 ( - 64km)

- 40 -

국도(3)

표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리24 ( 42km)24 ( 42km)24 ( 42km)24 ( 42km)

그림 센서 위치별진동특성 국도 누적주행거리31 ( - 42km)

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표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 국도 주행시의 진동특성 누적주행거리25 ( 82km)25 ( 82km)25 ( 82km)25 ( 82km)

그림 센서 위치별 진동특성 국도 누적주행거리32 ( - 82km)

- 42 -

지방도(4)

표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리26 ( 15km)26 ( 15km)26 ( 15km)26 ( 15km)

그림 센서 위치별 진동특성 지방도 누적주행거리33 ( - 15km)

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표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리표 지방도 주행시의 진동특성 누적주행거리27 ( 75km)27 ( 75km)27 ( 75km)27 ( 75km)

그림 센서 위치별 진동특성 지방도 누적주행거리34 ( - 75km)

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측정된 데이터의 중첩(5)

표 각 센서별 최고 값 및 최대 값표 각 센서별 최고 값 및 최대 값표 각 센서별 최고 값 및 최대 값표 각 센서별 최고 값 및 최대 값28 PSD PSD28 PSD PSD28 PSD PSD28 PSD PSD

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그림 각 센서별 최고 값 및 외대 그래프35 PSD PSD

그림 최대 그래프36 PSD

다 가속시험 모드 개발.

가속계수의 산정 실 도로 주행에서 측정한 진동 값을 사용하여 시험실에(1) : PSD

서 짧은 시간에 그 신뢰성을 검증하기 위해서는 가속시험을 통한 가속시험이 불가

피하다 가속시험에 대한 이론은 여러 가지가 있지만 이 경우는 에. MIL STD 810F

따라서 다음식을 사용하여 가속계수를 산출하였다.

실 사용시간 의 산정 가속화된 진동시험 모드를 구성하기 위해(2) (Real duration) :

서는 실제 사용시간에 대한 산정이 매우 중요하다 시험 평가를 위한 소요시간은.

실제 차량이 주행되는 시간과 이 주행 중에 부품이 사용되는 빈도를 고려하여야 한

다 엔진카바의 경우는 자동차가 운행되는 전 신간을 고려하여야 한다. .

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국가별 연간평균 주행거리는 통계자료를 보면 연간 약 이다 평균 주행 속16 197km .

도는 각국의 도로여건과 교통흐름에 따라서 각기 달라 주행 평균속도를 구하는 것

은 불가능하여 선진국에서 사용하고 있는 공인연비 시험모드의 주행속도 평균치를

사용하는 것이 타당성이 있다고 판단된다 유럽의 연비인증모드에 사용되는.

모드의 평균속도는 이다 이중 좀더 가혹한 조건인ECE-15+EUDC 34.1 km/h .

를 시험시간 산정을 위한 평균 주행 속도로 채택하였다33.8 km/h .

시험시간 의 적용 현재 사용되고 있는 엔진커버의 진동시(3) (Reduced duration) :

험은 적용되는 엔진의 종류와 기통 중 따라서 다르나 진동시험 중 가해지는 열 사,

이클은 같다 따라서 열 사이클에 대한 시험시간을 고려하여 현재 적용되고 있는.

시험시간 시간을 적용하였다80 .

표 엔진커버의 온도복합 진동시험방법29

가속계수의 산출 및 가속 시험(4) PSD

식 에 의거하여 실 사용시간 시간에 대해 실제 시험시간 시간에 해당하는1 5,000 80

가속계수를 구하면

이 된다 이 값을 각 도로별로 중첩한 에 곱하면 실제 가속시험에 사용되는 가. PSA

속 시험 가 된다PSD .

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표 가속시험 값30 PSD

그림 가속시험 그래프37 PSD (80hr test)

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라 엔진커버의 수명시험.

신뢰성 샘플링(1)

와이블 분포에서 소비자 위험 종 오류 이(2 ) 합격 판정 개수가, C 일 때 샘플 수

은 다음과 같다.

식( 3)

수명을 보증할 경우 위치 모수 이고 누적 고장률이 적을 때 이하 누= 0 (20% ))

적 고장를 는 식 와 같고 샘플 수(2) 은 식 과 같다(3) .

식( 4)

식( 5)

이때 샘플 수는 시험 시간 보증하고자하는( 과 형상 모수 신뢰 수준 합격 판정, ,

개수에 의하여 정하여진다 또한 샘플 수를 정하고 이에 대한 시험 시간을 정할 수.

도 있다 와이블 해석을 하려면 개 이상의 데이터가 필요하므로 시료 수는 개로. 5 6

하였다 와이블 분포에서 형상 모수. 을 로 가정하고 신뢰수준5 , 90%( 합=0.1),

격 판정계수 일 때 샘플수가 개이면 시험 시간은 다음과 같다=0 6 .

식( 6)

즉 형상 모수 을 로 가정하고 개의 샘플로 보증하고자 하는, m 5 , 6 수명의 배1.3

시험을 하여 고장이 개도 없으면1 수명을 의 신회 수준으로 보증할 수 있90%

다.

수명 데이터로부터 형상 모수를 추정하므로 고장이 발생할 때까지 시험을 하여야

하며 추정된 형상모수가 가 아닐 경우 식 를 이용하여 시험시간을 다시 계산하5 (6)

고 개의 수명 데이터가 모두 시험시간을 초과할 경우에 신뢰 수준 로, 6 90% 수

명을 보증한다.

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표 형상모수와 시험시간과의 관계표 형상모수와 시험시간과의 관계표 형상모수와 시험시간과의 관계표 형상모수와 시험시간과의 관계31313131

형상 모수 시험 시간 보충하고자하는( 수명과의 비)

2 1.91

3 1.54

4 1.38

5 1.30

수명 데이터로부터 형상 모수를 추정하므로 고장이 발생할 때까지 시험을을 하여야

하며 추정된 형상모수가 가 아닐 경우 식 를 이용하여 시험시간을 다시 계산하5 (4)

고 개의 수명 데이터가 모두 시험시간을 초과할 경우에 신뢰 수준 로, 6 90% 수

명을 보증한다.

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제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론4444

최근 자동차의 외관뿐만이 아니라 소비자의 내구성에 대한 차량구입의 관심이 점점

높아지고 있으며 이에 발맞추어 자동차 메이커끼리의 경쟁으로 운행거리와 보증기

간의 확대가 증가되는 추세이다 아울러 자동차 부품은 지구상의 열대에서 한 대까.

지 가혹한 환경에서 운행되어도 이상의 없어야 하며 년 만 마일 운행 이전에10 10

고장이 발생하면 물상수리를 실시한다는 공격적 마케팅으로 소비자의 구매결정을

끌어들고자 자동차 메이커사에서 경쟁적으로 공표하고 있는 상황이다 따라서 자동.

차에서 부품업체에 요구하는 년 만 마일이상 내구성을 갖는 제품의 설계 및10 10

생산기술의 확보가 업체의 경쟁력 및 생존으로 직결되는 실정이다.

이에 따라 자동차의 진동 가진원인 엔진에 부착되는 부품인 엔진 카바에 대하여 공

진점 및 내구 진동상의 해석을 통하여 엔진카바 구조의 응력값을 예측하고 이를 분

산하고자 하는 구조의 반영 및 를 통하여 과거의 잠재적 위험을D-FMEA,P-RMEA

대비하는 제품설계 및 공정설계의 기법활용 년 만 마일을 보증하고자 하는 진, 10 10

동시험 모드의 개발 및 제품의 검증을 실시하였으며 본 자동차 엔진커버 신뢰성 향

상 기술지원 사업의 연구결과를 정리하면 다음과 같다.

자동차 엔진 카바의 재질로 사용되고 있는 및 를 강화1. Glass Fiber Mineral Filler

한 폴리아미드 에 대하여 재료가 가지고 있는 물성적 성질(PA66+GF10%+MF28%)

이 자동차에서 규정하고 있는 규격과 대비하여 요구하는 특성이 적합함을 확인하는

시험을 진행하였다.

의 전개 및2. D-FMEA (Desigh Failure Mode and Effect Analysis)

전개를 통하여 과거에 발생P-FMEA(Process Failure Mode and Effect Analysis) ㅣ

하였던 유사제품의 실패사례를 동하여 발생할 수 있는 설계상이나 공정 설계상의

문제를 파악하고 예방 및 억제를 도모하였고 깨짐 방지를 위한 형상반영 및 응력분

산을 위하여 의 형상변경 및 경도 변경 완제품 조립시 발생할 수 있는 불Insulator ,

량유형에 대하여 조립지그의 제작 등 제품신뢰성을 높일 수 있는 자동차 부품의 개

발상의 개선기법을 적용하여 설계 및 생산의 준비를 실시하였다.

를 통한 잠재적 고장 원인인 엔진커버의 공진 모드를 고려할 수 있는 신뢰3. FMEA

성 평가 기법 개발의 필요성을 검토하였으며 이에 따라 기법을 활용한 고장, CAE

부위 예측 및 신뢰성 검증 시험 절차를 수립하였다.

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초기 설계 디자인을 바탕으로 내구 진동 해석을 수행하여 마운팅에 집중되는 으4.

엵부위 파악 및 피로도의 분석과 각 제품이 가지고 있는 비틀림 및 굽힘 주파수 모

드를 파악하여 설계상의 반영을 위한 보강계획 수립 및 반영을 실시하였으며 진동

변위 평가 및 최대 응력을 평가하여 내구 문제 발생 여부를 해석상에서 예측할 수

있는 기법을 사용하였다.

외력 하중에 의한 보강 해석을 실시하여 설계반영을 실시하였으며5. Rib Pattern

에 따른 최대 응력 해석을 적용하였다.

엔진 커버 초기 설계 디자인에 대한 구조 진등해석을 통하여 신뢰성 문제6. CAE

가 초기에 발생될 수 있는 취약 부위를 고려하여 이를 설계에 반영한 수 보강 개선

된 제품을 제작하여 이에 대한 내구 진동 해석과 시험을 수행하여 상호간 Mode

을 통하여 해석 모델의 신뢰성을 향상하였고 이때 문제 주파수에 대한Correlation ,

해석적 최대 응력 값의 예측 및 엔진 커버 상온 조건외에 저온 및 고(Max Stress)

온 조건에서의 내구 진동 해석을 분석 하였다.

엔진 커버에 대한 최대 응력을 다각도로 해석해 보았다 이를 근거로 실제 내구7. .

가진기를 이용하여 가진 시험을 진행 하였다 가진 시험이 앞서 실제 차량에서 엔.

진커버 각 지점에 대한 진동 레벨이 어느 정도인지 실차 시험을 하였다 주행MTG .

조건은 엔진이 급격히 부하가 걸릴수 있는 조건에서 실시하엿으며 진동 측정 방향,

은 상하 방향에서 측정하였다 엔진 커버 각 지점에 대한 진동 레벨은 최대. MTG

정도이나 높은 해석 내구 진동 가진 조건 부터 가진기 용량의 최대 가진력10g 14g

까지 가진하여 피로 파단 여부를 평가해 보았으며 엔진 커버 강성이 충분히 확50g

보됨을 확인할 수 있었다.

이 과제를 통하여 개발된 엔진커버가 년 마일 보증 을 만족하는 것을8. B10(10 10 )

보증하기 위하여 기법의 시험모드를 개발하였다 이에 대한 결과로 엔진커B10 Life .

버의 최대 응력이 발생하는 공진모드에서 가속 수명 조건을 부여한 최대 가진력이

작용하는 환경 진동 내구시험에서도 엔진 커버의 손상이나 파손과 같은 고장이 없

음을 확인하여 신뢰성 평가 및 제품의 향상이 기대된다.

본 과제에서 검증된 해석 및 진동 시험을 활용하여 보다 구체적이고 체계적9. CAE

인 제품 개발 기법이 확립되었으며 이러한 절차로 개발된 제품에 대해 내구 수명,

개선 및 보증을 통하여 신뢰성 확보에 따른 기술 경쟁력의 확보와 국내외 시장의

확대 기여가 기대된다.

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