자동차용 에어벤트 덕트바디 성능 개선에 관한 연구
최 병 희*, 유 재 용**, 김 정 호†
*조선이공대학교, 자동차과
**현대자동차, 광주서비스센터
†조선이공대학교, 자동차과
A Study on Performance Improvement of Air Vent Duct Body for Automobile Byung-Hui Choi*, Jae-Young Yoo
**, Jung-Ho Kim
†
*Department of Automobiles, Chosun College of Science ＆ Technology, Korea
**Hyundai Motor Company, Gwangju Service Center, Korea
†Department of Automobiles, Chosun College of Science ＆ Technology, Korea (Received : Apr. 04, 2019, Revised : May. 15, 2019, Accepted : Jun. 19, 2019)
Abstract : In this study, a integral type air vent duct body was proposed and flow analysis of injection molding using FEM was performed to improve performance deterioration caused by leakage defect of air vent duct body for automobile. The integral type of air vent duct body was developed in a new shape to be applied to new vehicles in domestic automobile manufacturing company. The leakage test was performed for performance evaluation and the flow analysis of injection molding was performed for new product. The proposed integral type air vent duct body was possible to eliminate the product defects caused by leakage in air vent duct body joint and to optimize the product injection molding process and to make multi product injection molding by the flow analysis. In addition, it was possible to provide application data for predicting feasibility of newly developed products and securing reliability.
Keyword : Integral Type Air Vent, Duct Body, Flow Analysis, Injection Molding, Leakage Defect
1. 서 론
1)
자동차용 냉난방장치를 통해 생성된 냉․온기는 차 량 내부에 장착된 에어벤트(Air Vent)를 통해 덕트에 서 차량의 실내로 토출된다. 에어벤트는 차량 내부에서 바람이 나오는 통풍구를 의미하는 것으로 운전자의 호 흡과 매우 밀접한 관계를 가진 장치중의 하나이다. 이 장치는 운전자가 차량 내에서 쾌적한 실내 환경을 만들 기 위해 자주 조작하는 관계로 사용자의 사용 중 불만 또한 빈번하게 발생하고 있는 제품 중의 하나이다 [1].
†Corresponding Author 성 명 : 김 정 호
소 속 : 조선이공대학교 자동차과 주 소 : 광주 동구 필문대로 309-1 전 화 : 062-230-8330
E-mail : shedhim@cst.ac.kr
또한 공기유입량을 조절하는 조절장치와 개폐장치를 필수적으로 탑재하여 차량 운전자 및 동승자가 빈번하 게 조작하는 장치이기 때문에 조절력 및 사용자의 요 구에 민감하게 작동해야 하는 장치이다.
에어벤트 관련 제품은 차량의 버전 업그레이드와 신 차개발 등에 있어서 디자인이 매우 빈번하게 바뀌는 특성을 갖고 있고, 차량내부의 분위기를 주도하는 부 품의 하나로 인체공학적 디자인과 정밀한 금형기술, 사출관련 제조 기술을 필요로 하고 있다. 즉, 차량 실 내 인테리어의 핵심부품으로 인식되고 아주 작은 치수 불량에도 고객의 불만을 발생시킬 수 있는 부품으로 고도의 제작기술이 요구된다 [2, 3]. 그러나 에어벤트 생산을 위한 금형들은 실제 사출시 발생되는 여러 가 지 불량 현상 등을 심도 있게 고려하지 않고 제작되는 경우가 매우 많기 때문에 각종 치수오차와 사출과정에 서 제품의 수축 등으로 인한 작동 부품들 간의 링크가 부조화를 이루면서 치수 정밀도의 오류로 에어벤트로 유입되는 공기의 누기가 발생됨에 따라 고객 불만이
매우 높게 발생되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 형태의 에어벤트를 고안하여 신규 차량에 적용하고자 노력하고 있으나 에어벤트 관련 제품 제작 을 위한 금형은 정밀한 기술과 높은 투자비가 요구되 어 자체 해결보다는 협력사 또는 외국계 회사들에서 금형을 제공받아 제품을 생산하는데 주력하고 있는 실 정이다. 뿐만 아니라, 에어벤트 덕트와 관련하여 근본 적으로 누기현상을 제어하기 위해 선행된 연구는 거의 찾아볼 수 없는 상황이다 [4-6].
따라서 본 연구에서는 에어벤트 덕트바디 결합부에 서 누기불량으로 인한 제품 결함에 대한 원인을 근본 적으로 해결하여 제품의 성능을 개선하기 위해 국내 자동차 제작사에서 SUV 신규 차량에 적용할 목적으 로 일체형 에어벤트 덕트바디를 제안하여 연구를 진행 하였다. 이를 위해 제안된 일체형 에어벤트 덕트바디 의 형상 설계, 시제품 사출 및 누기테스트를 실시하였 고, 시제품 사출과정에서 최적의 사출성형 공정을 확 보하기 위해 유동해석을 진행하여 고품질의 에어벤트 를 제작할 수 있는 기술력을 확보하고자 하였다.
2. 실험 및 유동해석 방법
본 연구에서는 신규 에어벤트 관련 제품 개발을 위 해 전담 업체로부터 기존의 FRT 덕트와 RR 덕트가 각각 제작, 조립되었던 에어벤트 덕트바디를 일체형으 로 적용하여 제시한 모델을 토대로 CATIA 프로그램 을 사용하여 Figure 1과 같이 적용모델을 설계도면화 하였다. Figure 1에서 제시된 모델은 예비설계에 해 당하는 것으로, 실험 및 유동해석을 수행하는 과정에 서 결과에 따라 치수 및 국부형상 변경이 반영되어 최 종모델을 토대로 연구를 진행하였다.
Figure 1의 3D 설계 모델을 토대로 제품의 시사 출을 위한 최적의 조건을 파악하고 확보하기 위해 유 동해석을 진행하였다. 본 연구에서는 유동해석을 위하 여 몰드플로우(Moldflow)를 사용하였고, Figure 2 는 유동해석을 위해 일체형 에어벤트 덕트바디를 모델 링한 결과를 나타낸 것이다. 해석을 위한 조건으로는 금형온도 약 40℃, 기준수지온도는 약 230℃이고, 해 석에 적용된 소재는 수지를 사용하였으나 구체적인 소 재의 종류 및 물성 값은 업체 비공개 요청에 의해 생 략하였다.
한편, 시제품의 사출을 위해서는 소재가 주입되는 게이트(Gate)의 위치를 선정하는 것이 중요하게 작용 하기 때문에 사출을 위한 게이트 위치는 6가지 조건으 로 해석을 진행하였으며, 게이트 위치를 Figure 3에 나타내었다. 이를 토대로 충진시간(Fill Time), 충진 최대 압력(Pressure at V/P Switchover), 유동선 단 온도분포 및 변형량을 각각 해석을 통해 확인하고 최적의 사출조건을 분석하였다.
유동해석을 통한 해석결과를 토대로 일체형 에어벤 트 덕트바디의 시제품 사출성형을 통해 본 연구에서 개선하고자 하는 누기불량을 최소화하기 위해 누기테 스를 실시하였다. 누기테스트는 사용자가 댐퍼를 작동
하여 완전 밀폐 상태로 레버를 작동하였을 때 시제품 의 내부가 완전하게 밀폐가 되는가를 확인하는 시험이 다. 본 연구에서 개발하여 적용하고자 하는 신규 에어 벤트 덕트바디의 누기테스트는 국내 자동차 제작사에 의뢰하여 제품검사를 실시하였다.
(a) Top View (b) ISO View
(c) Front View (d) Side View Figure 1. New design of air vent duct body
Figure 2. Flow analysis model of new air vent duct body
(a) Gate-A (b) Gate-B (c) Gate-C
(d) Gate-D (e) Gate-E (f) Gate-F Figure 3. Gate positions of new air vent duct body
for injection molding
3. 결과 및 고찰 3.1 유동해석 결과
일체형 에어벤트 덕트바디의 최적 형상 및 사출성형 과정에서 최적의 성형조건을 얻어내기 위해 해석모델 을 토대로 유동해석을 실시하였다.
먼저, Figure 3에서 제시한 바와 같이 제품의 사출 을 위해 6가지의 게이트 조건을 선정하여 각 모델별 충진시간에 따른 패턴과 충진 압력 관련 유동해석을 수행하였고 해석결과 이미지를 Figure 4와 Figure 5 에 각각 나타내었고, 해석결과 데이터를 Table 1에 제시하였다. 유동해석 해석결과를 토대로 사출품 생산 량과 웰드 라인(Weld Line)을 제거하는 효과는 게이 트가 1개일 때 유리하겠지만 충진압력 측면에서 부적 합하여 적용할 수 없었고, 사출품 외측에 1개의 게이 트가 있는 경우보다 내측에 2개의 게이트가 있을 때 충진압력에 유리함은 확인되었으나 제품 생산을 위한 충진은 모든 과정에서 불량으로 나타났기 때문에, 이 를 보완해야 할 필요성을 확인하였다.
따라서 2개의 게이트가 있는 경우에서 충진압력이 유리함을 토대로 해석모델 Gate - E와 Gate - F를 추 가 유동해석 모델로 확정하고, 충진 부족문제를 해결 하기 위해 선행연구 자료를 토대로 기존의 유동해석과 동일한 조건하에서 보압 적용, 충진 압력 변화 그리고 게이트 입구지름 변경의 3가지 추가조건을 설정하여 해석을 수행하였다.
먼저, 보압(Packing Pressure)이란 일반적으로 게이트가 고화될 때까지 일정한 압력을 유지하고 약간 전진하면서 수지를 주입시키는 단계를 말하는 것으로, 본 연구에서 보압의 적용은 80%로 하여 10초 간 해 석을 수행하였으며 해석결과 데이터를 Table 2에 제 시하였다. 해석결과를 토대로, 보압을 80%, 10초간 적용하여도 사출품의 충진은 미비함을 확인할 수 있었 다. 따라서 2차적으로 보압을 80%, 20초간 적용하여 해석을 다시 수행하였고 그 결과를 Table 3에 나타내 었다. 해석결과는 1차 보압적용 해석결과와 마찬가지 로 보압을 적용하여도 충진효과는 크게 향상되는 것을 확인할 수 없음을 알 수 있었다.
앞의 보압 추가에 따른 해석결과로 부터, 기존의 사 출압력 120㎫에서 압력을 150㎫로 증가시키고 보압 을 최대 사출압력의 80%로 적용하여 동일한 조건으 로 유동해석을 수행하였고, 그 해석결과를 Figure 6 과 Figure 7에 도시하였으며, 해석결과 데이터를 Table 4에 나타내었다. 사출압력을 증가시킨 후 유동 해석을 실시한 결과를 살펴보면, ‘Gate–E’의 경우에 서는 충진이 완료되면서 사출이 제대로 이루어졌음을 확인할 수 있었으나, ‘Gate–F'의 경우에는 여전히 충 진이 미비함을 확인할 수 있었다.
(a) Gate-A (b) Gate-B (c) Gate-C
(d) Gate-D (e) Gate-E (f) Gate-F Figure 4. Results of fill time in new air vent duct
body under the conditions of gate position
(a) Gate-A (b) Gate-B (c) Gate-C
(d) Gate-D (e) Gate-E (f) Gate-F Figure 5. Results of pressure at V/P switchover in new air vent duct body under the conditions of gate position
이러한 앞의 유동해석 결과들을 종합해 볼 때, 사출 이 제대로 이루어진 Gate–E 타입에서 사출압력을 150㎫로 하여 사출성형을 실시하였을 때 충진이 완료 되는 것을 토대로 본 연구에서는 제품생산을 위해 다 품 성형공정을 진행할 때 가장 효과적인 방안이 무엇 인가를 확인해 보고자 유동해석을 실시하였다.
Table 1. Results data of fill time & pressure Gate position Fill time [sec] Pressure [㎫]
A 1.27 32.6
B 1.15 30.5
C 1.27 32.0
D 1.40 32.5
E 1.03 22.2
F 1.27 25.2
Table 2. Results data of fill time & pressure in case of packing pressure at 80% & 10sec
Gate position & condition Fill time
[sec] Pressure [㎫]
E without packing pressure 1.03 22.2 with packing pressure 1.02 21.7 F without packing pressure 1.27 25.2 with packing pressure 1.27 24.7 Table 3. Results data of fill time & pressure in case
of packing pressure at 80% & 20sec Gate position & condition Fill time
[sec] Pressure [㎫]
E without packing pressure 1.03 22.2 with packing pressure 1.03 21.9 F without packing pressure 1.27 25.2 with packing pressure 1.26 24.8 Table 4. Results data of fill time & pressure in case
of injection pressure conditions Gate position & condition Fill time [sec]
Pressure [㎫]
E Injection pressure at 120㎫ 1.03 22.2 Injection pressure at 150㎫ 1.01 23.6 F Injection pressure at 120㎫ 1.27 25.2 Injection pressure at 150㎫ 1.27 24.7 Table 5. Results data of fill time & pressure in case
of injection gate diameter Gate position & condition Fill time
[sec]
Pressure [㎫]
E Gate diameter at 2㎜ 1.03 22.2 Gate diameter at 3㎜ 1.02 18.67 F Gate diameter at 2㎜ 1.27 25.2
Gate diameter at 3㎜ 1.27 21.8
(a) Fill time (b) Pressure Figure 6. Results of fill time & pressure at V/P switchover
in new air vent duct body under the Gate-E position
(a) Fill time (b) Pressure Figure 7. Results of fill time & pressure at V/P switchover
in new air vent duct body under the Gate-F position
Figure 8. Flow analysis model of multi product molding
(a) Fill time (b) Pressure
(c) Temperature (d) weld-line Figure 9. Results of fill time, pressure, temperature &
weld-line in new air vent duct body under the Gate-E position
Table 6. Results data of multi product molding Result items Unit Value
Fill time sec 1.05 Pressure at V/P switchover ㎫ 43.3 Dynamic point temperature ℃ 226.3
Deformation
Total ㎜ 0.29 ~ 1.07 X-axial ㎜ -0.84 ~ 0.17 Y-axial ㎜ -0.91 ~ 0.91 Z-axial ㎜ -0.64 ~ 0.58 유동해석을 위해 해석모델을 Figure 8과 같이 제시 하고 앞서 수행하였던 유동해석과 동일한 조건에서 사 출압력을 150㎫, 사출게이트 입구 지름을 2㎜로 하여 충진시간과 충진압력, 온도분포 및 변형량 등을 해석 하여 해석결과 이미지를 Figure 9에 나타내었고, 해 석결과 데이터를 Table 6에 정리하여 제시하였다. 결 과를 살펴보면, 충진시간은 1.05초에 충진이 완료됨을 확인하였고, 충진압력은 43.3㎫로 다소 높았으나, 전 체 변형량은 0.29 ～ 1.07㎜로 사출이 잘 되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 해석결과를 바탕으로
’Gate-E' 타입을 적용하여 사출 성형 조건을 선정 후 제품으로 생산하였을 때 다품 사출 성형이 가능하다는 결과를 얻을 수 있었다.
마지막으로, 사출게이트 입구의 직경을 2㎜에서 3
㎜로 변경하고 사출압력을 150㎫로 설정하여 유동해 석을 수행해 보았으며, 유동해석 결과데이터를 각각 정리하여 Table 5에 제시하였다. 해석결과를 살펴보 면 게이트 입구 직경을 변경하여 사출과정을 진행하더 라도 충진시간은 거의 변화가 없고, 충진압력은 오히 려 더 낮게 나타나는 것으로 확인되었으며 결국 게이 트 입구 직경을 확대하여도 충진이 미흡하다는 것을 확인하였다.
3.2 누기테스트 결과
앞의 3.1에서 얻은 결과를 토대로 최종 선정된 해 석모델을 적용하여 실제 사출품 제작을 진행하고 시제 품을 활용하여 제품의 누기테스트를 진행하였다. 누기 테스트 시험조건은 일체형 덕트바디 인렛(Inlet) 압력 을 38㎜Aq, 아웃렛 압력을 0㎜Aq로 하고, 관여 공기 유출량은 총 4.6㎥/h를 초과하지 않도록 하였다. 또한 유출량은 한곳에 집중되지 않게 하고, 전체 실링 (Sealing) 부위에 분포하게 하였다. 첫 번째 누기테스 트에서는 일체형 덕트바디 및 내부 댐퍼가 닫힌 경우 밀폐성 미세 부족 현상이 발생하여 유출 초과량이 1.5
~ 3.4까지 높게 나타났으며, 이는 Figure 10에서 보 는 바와 같이 일체형 덕트바디의 모서리 두 곳에서 누 수가 발생되어 불량이 발생되는 것으로 조사되었다.
이는 사출성형 후 부품의 두께가 얇아서 미세하게 변 형이 발생하고 일체형 에어덕트바디에 변형이 발생하 여 밀폐성이 부족함으로 인해 누기불량이 발생한 것으 로 분석되었다.
따라서 변형 방지용 리브(Rib)를 변형발생 부위에 추가 적용하였고, 이를 해석모델의 설계에 적용하여 변경된 모델을 토대로 사출성형을 통해 시제품을 제작 한 후, 동일한 방법으로 2차 누기테스트를 실시하였 다. 최종 누기테스트 결과는 앞서 언급한 바와 같이 국내 자동차 제작사에 본 연구에서의 시제품의 누기테 스트 분석을 의뢰하였고, 그 결과데이터를 Table 7과 같이 제공받았으며, 누기가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.
Figure 10. The problem positions after leak test Table 7. Leakage test data at test conditions &
converted results
SUV. No. 1 2 3 4 5
Rel. Hum. [%] 43.94 43.95 43.95 43.95 43.95 Amb. Temp. [℃] 26.76 26.75 26.69 26.66 26.76 Atm. Press. [mbar] 997.79 997.75 997.7 997.72 997.7
Amb air. Density
[kg/m3] 1.156718 1.156587 1.156877 1.157037 1.156584 Nozzle Area. [cm2] 0.41053 0.41053 0.41053 0.41053 0.41053
Nozzle Temp. [℃] 21.261 21.257 21.269 21.266 21.274 Nozzle Press. [㎜Aq] 38.2039 38.3347 38.2263 38.2357 38.2636
Diff. Press. [㎜Aq] 2.02859 2.10817 2.07508 2.05851 2.08091 Stagn. Press [㎜Aq] 36.7183 36.776 36.7113 36.7308 36.7391 Test Press. [㎜Aq] 38.0288 38.0928 38.0163 38.0312 38.0547
Volume Flowrate
[m3/h] 0.79674 0.81235 0.80569 0.80237 0.80701 Mass Flowrate [g/s] 0.256 0.26099 0.25891 0.25788 0.25927 Outlet Velocity [m/s] 0.00021 0.00022 0.00022 0.00022 0.00022
4. 결론
본 연구에서는 에어벤트 덕트바디 결합부에서 누기 불량으로 인한 제품 결함에 대한 원인을 근본적으로 해결하고 제품의 성능을 개선하기 위해 일체형 에어벤 트 덕트바디의 형상 설계와 유동해석을 통해 최적의 시제품 사출을 진행하고 최종적으로 누기테스트를 실 시하여 고품질의 에어벤트를 제작할 수 있는 기술력을 확보하고자 하였으며, 이와 관련된 결론을 요약하면 다음과 같다.
1. 일체형 에어벤트 덕트바디 형상을 설계하여 유동 해석을 수행한 결과 사출성형을 위한 게이트의 위치는
“Gate – E”와 “Gate – F” 타입이 유리한 것을 확인 할 수 있었다.
2. 그러나 충진 문제에 있어서 선정된 “Gate – E”
와 “Gate – F” 타입에 별도의 추가 조건이 적용되어 야 함을 확인하고, 보압 적용, 충진압력 변경 및 게이 트 입구 지름의 변경을 통해 해석을 수행한 결과, 충 진압력을 120㎫에서 150㎫로 증가시켰을 때 “Gate – E” 타입에서 완전 충진을 이루어지고 사출성형이 정상적으로 진행되는 것을 확인하였다.
3. 사출이 정상적으로 완료된 “Gate – E” 타입으 로 2개의 게이트를 적용하여 다품 성형을 위한 유동해 석을 진행하였을 때 다품 성형도 가능함을 확인하였 다.
4. 최종적으로 시제품 사출을 통해 누기테스트를 수 행한 결과로부터, 누기불량이 발생하지 않았고 완전한 일체형 에어벤트 덕트바디를 얻을 수 있었으며, 이와 같은 유동해석 방법을 적용한 본 연구는 향후 다양한
형태의 에어벤트 덕트바디 개발에 있어서 제품의 신뢰 성 예측 및 타당성을 검증하는데 중요한 기초연구자료 로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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