중형 자동차의 배기매니폴드 형상에 따른 내구성에 관한 융합 연구
최계광
1
, 조재웅2*
1공주대학교 금형설계공학과 교수, 2공주대학교 기계자동차공학부 교수
A Convergent Study on Durability over the Exhaust Manifold Shape of Medium-sized Car
Kye-Kwang Choi
1
, Jae-Ung Cho2*
1Professor, Department of Metal Mold Design Engineering, Kongju national University
2Professor, Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University
요 약 본 연구에서는 엔진 배기 매니폴드 두 가지 모델의 형상을 설계하고 이 모델들에 대한 구조 해석 및 고유진동수 해석을 통하여 강도 및 내구성을 해석하였다. 구조 해석의 결과로서 Model B의 응력과 변형량이 Model A의 최대의 응력과 변형량보다 각각 9배 및 39배 이상으로 상당히 더 크기 때문에 Model A의 강도가 Model B보다 훨씬 더 양호 하다고 볼 수 있다. 또한 Model A의 최대 진동수가 Model B의 고유 진동수보다 더 크고 그 최대 변형량은 Model A가 Model B보다 작기 때문에 Model A의 내구성이 Model B보다 더 양호하다는 것을 확인할 수 있다. 본 연구 결과 를 이용하면 실제 실험을 하지 않아도 중형 자동차의 배기매니폴드 형상에 따른 내구성을 조사할 수 있다. 또한 소형 자동차의 머플러의 미적인 융합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다.
주제어 : 중형 자동차, 배기 매니폴드, 구조 해석, 고유 진동수, 내구성, 융합
Abstract In this study, the configurations of the two engine exhaust manifolds were designed. And the strengths and durabilities were analyzed through the structural analysis and natural frequency analyses of these models. As the result of structural analysis, the strength of model A is much better than that of model B because the maximum stress and deformation of model B are considerably greater than those of model A by more than 9 and 39 times, respectively. It can also be confirmed that model A has the durability better than model B because the maximum frequency of model A is greater than the natural frequency of model B and its maximum deformation is smaller than model B. The result of this study can be used to investigate the durability due to the exhaust manifold shape of medium-sized car without actual test. It also seems to be helpful in the aesthetic convergent design of small car muffler.
Key Words : Medium-sized car, Exhaust manifold, Structural Analysis, Natural frequency, Durability, Convergence
*Corresponding Author : Jae-Ung Cho([email protected])
Received September 2, 2020 Revised October 5, 2020
Accepted January 20, 2021 Published January 28, 2021
1. 서론
배기 매니폴드는 엔진의 성능, 배기가스, 연비, 소음 등 여러 가지 분야의 설계가 필요한 엔진 부품이며 자동 차 엔진의 각 기통의 연소실과 연결되어 실린더와 피스 톤의 연소과정을 통하여 발생한 고온의 배기가스를 원활 하게 배기장치 및 배기관으로 보내주는 역할을 한다. 이 처럼 배기 매니폴드는 배기가스를 정화시키고 엔진의 성 능을 향상시키는 데에 영향을 미치는 매우 중요한 역할 을 한다. 배기 간섭을 예방하기 위해 배기 매니폴드를 길 게 하거나 배기관의 각도를 조절하는 방법, 실린더의 배 기 순서에 따른 배기관의 길이를 다양하게 하고 연소실 을 그룹으로 나누어 배기관을 모으는 형태를 가지기도 하는 등 여러 방법들로 연구되어지고 있다. 본 연구에서 는 구조해석을 통하여 각 모델들의 변형량을 확인하였다 [1-5]. 구조 강도가 좋은 것은 어느 모델인지, 그리고 고 유 진동수 해석을 통하여 내구성이 좋은 모델을 파악하 고 등가 응력과 전변형량이 어떻게 나타나는지를 분석하 였다[6-10]. 또한 본 연구에서의 결과는 배기 매니폴드 를 설계하는 데에 도움이 될 것으로 사료가 된다[11-15].
본 연구에서의 해석 결과를 활용하면 실제로 중형 자동 차의 배기매니폴드 형상에 따른 내구성 시험을 하지 않 고서도 그 유동을 조사할 수 있다고 보인다. 그리고 본 연구의 결과는 중형 자동차의 배기매니폴드의 미적 융합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다[4-9].
2. 연구 모델 및 구속 조건
본 연구에서는 중형차 엔진과 연결되어 사용되는 2가 지 Type의 엔진 배기 매니폴드를 CATIA 설계 프로그 램으로 설계의 형상들은 Fig. 1과 같다. 또한 ANSYS 해 석 프로그램을 사용하여 구조 및 고유 진동수해석을 하 였다. 해석을 위한 Model A의 메시는 절점수와 요소수 가 각각 30360개, 14913개이다. Model B의 메시는 정 점수와 요소수가 각각 30830개, 14904개이다.
해석을 하기 위한 물성치는 구조용강으로 되어 있으며 Table 1과 같다. 본 연구에서의 Model A와 B에 대한 구조 해석의 경계조건들을 Fig. 1과 Fig. 2와 같이 적용 하였다. Fig. 1과 같이 엔진과 연결되어 있는 4개의 입구 와 머플러 부분과 연결되어 있는 반대쪽 입구 1개를 고 정하였다. 그리고 Fig. 2와 같이, 실린더에서의 폭발 후 배기가스를 배출하는 4개의 통로가 받는 압력에 100MPa을
주었다.
Young's Modulus 200GPa
Poisson's Ratio 0.3
Density 7850 kg/m
3Tensile Yield Strength 250 MPa
Compressive Yield Strength 250 MPa
Tensile Ultimate Strength 460 MPa
Table 1. Material property
(a) Model A (b) Model B
Fig. 1. Fixed support conditions(a) Model A (b) Model B
Fig. 2. Pressure conditions3. 해석 결과
Fig. 3과 Fig. 4는 배기 매니폴드가 엔진과 연결된 부분에서부터 실린더 폭발 후 배출되는 가스의 압력을 받았을 때 생기는 등가 응력과 최대 변형량을 나타냈다.
Fig. 3은 Model A의 최대 등가 응력은 12609MPa이고 Model B에서의 최대의 등가 응력은 118748MPa임을 나타냈다. Fig. 4는 Model A의 최대 변형량은 7.0807mm이고 Model B의 최대 변형량은 277.24mm 임을 나타낸다. 따라서 이러한 구조 해석의 결과로서 Model B의 응력과 변형량이 Model A의 응력과 변형량 보다 각각 9배 및 39배이상으로 상당히 더 크기 때문에 Model A의 강도가 Model B보다 훨씬 더 양호하다고 볼 수 있다.
(a) Model A
(b) Model B
Fig. 3. Equivalent stresses at structural analysis
(a) Model A
(b) Model B
Fig. 4. Total deformations at structural analysis 고유진동수를 구하기 위하여 구조 해석과 같은 구속 조건으로 하여 Model A와 B에 대하여 3차까지의 고유 진동수 해석을 하였다. 각 모드에서의 진동수와 변형량을 Model A와 B에 대하여 각각 Fig. 5와 Fig. 6과 같이 나 타났다. Model A의 2차 모드에서는 진동수가 2670.2Hz에서 최대 전변형량이 45.846mm이고 Model B에서도 역시 2차 모드에서 진동수가 1844Hz에서 최대 전변형량이 103.97mm이다. 따라서 Model A와 Model B에서 2차모드가 가장 변형량의 응답이 가장 크다고 예 측할 수 있다.
(a) 1'st mode
(b) 2'nd mode
(c) 3'rd mode
Fig. 5. Total deformations at natural frequencies of model A
(a) 1'st mode
(b) 2'nd mode
(c) 3'rd mode
Fig. 6. Total deformations at natural frequencies of model B
따라서 Model A의 최대 진동수가 Model B의 고유 진동수보다 더 크고 그 최대 변형량은 Model A가 Model B보다 작기 때문에 Model A의 내구성이 Model B보다 더 양호하다는 것을 확인할 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는 엔진 배기 매니폴드 두가지 모델의 형 상을 설계하고 이 모델들에 대한 구조 해석 및 고유 진동 수 해석을 통하여 강도 및 내구성을 평가하였다. 이에 대 한 연구 결과는 다음과 같다.
1. 구조 해석의 결과로서 Model B의 응력과 변형량 이 Model A의 응력과 변형량보다 각각 9배 및 39
배이상으로 상당히 더 크기 때문에 Model A의 강 도가 Model B보다 훨씬 더 양호하다고 볼 수 있다.
2. Model A의 최대 진동수가 Model B의 고유 진동 수보다 더 크고 그 최대 변형량은 Model A가 Model B보다 작기 때문에 Model A의 내구성이 Model B보다 더 양호하다는 것을 확인할 수 있다.
3. 구조 강도를 해석한 본 연구 결과를 통하여 내구성 이 있는 배기 매니폴드를 효율적으로 설계하는데 도움이 될 것으로 사료가 된다. 그리고 본 연구의 결과는 중형 자동차의 배기매니폴드의 미적 융합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다.
REFERENCES
[1] J. R. Koo & O. S. Song. (2019). Vibration Analysis of Transmission Line with Stockbridge Dampers.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 29(4), 470-476.
DOI : 10.5050/KSNVE.2019.29.4.470
[2] W. B. Lee & H. H. Yoo. (2019). Modeling and Vibration Analysis of an Inward Cantilever Beam Undergoing Translational and Rotational Motion. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 29(1) , 107-113.
DOI : 10.5050/KSNVE.2019.29.1.107
[3] S. J. Park & B. J. Kim. (2017). Vortex-Induced Vibration Analysis of Deep-Sea Riser. Journal of Ocean Engineering and Technology, 31(5), 364-370 DOI : 10.26748/KSOE.2017.10.31.5.364
[4] D. H. Lee & J. U. Cho. (2018). Convergence Study on Damage of the Bonded Part at TDCB Structure with the Laminate Angle Manufactured with CFRP. Journal of the Korea Convergence Society, 9(12), 175-180.
DOI : 10.15207/JKCS.2018.9.12.175
[5] J. H. Lee & J. U. Cho. (2015). Study on the Convergent Life Evaluation due to the Bumper Configuration of Multipurpose Vehicle. Journal of the Korea Convergence Society, 6(5), 85-90.
DOI : 10.15207/JKCS.2015.6.5.085
[6] J. U. Cho. (2014). Analytical Study on Durability due to the Load of Artificial Knee Joint. Journal of the Korea Convergence Society, 5(2), 7-11.
DOI : 10.15207/JKCS.2014.5.2.007
[7] J. W. Park & J. U. Cho. (2017). Convergence Study on Composite Material of Unidirectional CFRP and SM 45C Sandwich Type that Differs in Stacking Angle.
Journal of the Korea Convergence Society, 8(7), 231-236.
DOI : 10.15207/JKCS.2017.8.7.231
[8] J. U. Cho. (2015). Study on Convergence Technique through Strength Analysis of Stabilizer Link by Type.
Journal of the Korea Convergence Society, 6(1), 57-63.
DOI : 10.15207/JKCS.2015.6.1.057
[9] Y. K. Park & B. G. Lee. (2018). A Study on the Structural Analysis of the Spindle of Swiss Turn Type Lathe for Ultra Precision Convergence Machining.
Journal of the Korea Convergence Society, 9(5), 145-150.
DOI : 10.15207/JKCS.2018.9.5.145
[10] Y. T. Oh. (2017). Study on the Structural Analysis of SCARA Industrial Robot. Journal of the Korean Society of Mechanical Technology, 19(6), 866-871.
DOI : 10.17958/ksmt.19.6.201712.866
[11] Y. S. Lee & Y. J. Yang. (2017). Study on Structural Analysis of Variable Roll Unit for Drawing Process of SUS Hexagonal Bar. Journal of the Korean Society of Mechanical Technology, 19(6), 827-833.
DOI : 10.17958/ksmt.19.6.201712.827
[12] S. W. Choo & S. H. Jeong. (2017). Structural and Dynamic Characteristic Analysis of a Feeder for an Automatic Assembly System of an LED Convergent Lighting Module. Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 16(1), 124-133.
DOI : 10.14775/ksmpe.2016.16.1.124
[13] J. Y. Kim, K. J. You, J. C. Gao & Y. S. Jung. (2017). A Study on the Structural Analysis of Fiber Guide accept to 4C MM Optical Fiber. Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 16(6), 75-80.
DOI : 10.14775/ksmpe.2017.16.6.075
[14] J. S. Lim. (2019). A Design of Small Size Sensor Data Acquisition and Transmission System. Journal of Convergence for Information Technology, 9(1), 136-141.
[15] K. S. Ahn, J. G. Oh, T. H. Yang & G. T. Yeo. (2019).
An analysis of the Factors of Moving in and Activation Strategies for Incheon Cold-Chain Cluster using LNG cold energy. Journal of Digital Convergence, 17(2), 101-111.
최 계 광(Kye-Kwang Choi) [정회원]
․ 1993년 2월 : Pusan University of Technology Metalmold Engineering (공학사)
․ 1995년 8월 : 국민대학교 대학원 기 계설계학과 (공학석사)
․ 2005년 2월 : 국민대학교 대학원 기 계설계학과 (공학박사)
․ 2005년 8월 : (주) 현대배관 기술부장
․ 2006년 5월 ~ 현재 : 공주대학교 금형설계공학과 교수
․ 2013년 1월 ~ 현재 : 공주대학교 글로벌 금형 기술 연구소 소장
․ 관심분야 : 3D CAD, CAM Programing
․ E-Mail : [email protected]
조 재 웅(Jae-Ung Cho) [종신회원]
