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정화 증
6 years ago
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 7 pp , 다구찌기법을이용한 FCM 가스켓의강건설계에관한연구 정진은 1*, 안중규 2 1 한국기술교육대학교기계공학부, 2 한국기술교육대학교대학원기계공학과 A Study of Robust Design of FCM Gasket Using Taguchi Method Jin-Eun Chung 1* and Jueng-Kyu Ahn 2 1 School of Mechanical Engineering, Korea University of Technology & Education 2 Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Korea University of Technology & Education 요약본연구에서는비석면 FCM(Fiber-elastomer Coated Metal) 가스켓의강건설계를수행하였다. 이를위하여직교배열표를사용한실험계획법에따라전단력을측정하는실험을수행하고다구찌기법을사용하여망대 SN비를산출하여영향을미치는제어인자를파악하고분산분석을수행하였다. 전단력에영향을미치는제어인자로온도, 압력, 시간및습도를선택하였으며각제어인자에대하여 3수준을고려하여 직교배열표를작성하였고, 이에근거하여측정실험을수행하였다. 다구찌기법을사용하여망대 SN비를산출하고델타통계량을계산하였다. 시간의델타통계량이 0.93으로, 시간이전단력에가장큰영향을미치는결과를얻었다. 다음으로온도, 압력, 습도순으로영향을미쳤다. 또한시간 80초, 온도 200 oc, 압력 90 kgf/cm 2, 습도 60 %RH의조건에서전단력이최대가됨을보였다. 이에대한분산분석을수행한결과시간과온도는각각 p값 0.037, 0.098을보여신뢰수준 95% 와 90% 에서유의함을밝혔다. Abstract This paper deals with the robust design of the non-asbestos FCM(Fiber-elastomer Coated Metal) gasket. In order to this, the measurement of the shear stress based on the design of experimet using the orthogonal table was carried out and the control factors for shear stress using the larger-the-better SN ratios with the Taguchi method were evaluated. In addition, the analysis of variance for SN ratios was conducted. The temperature, pressure, duration time and humidity were selected as the control factors. The orthogonal table was made of 3 levels for each factor and the measurement of shear stress was acomplished on the base of the table. Delta statistics of time is the highest value 0.93 and therefore the time affect the largest effect on the shear stress of gasket. Also from the analysis, the shear stress shows maximun at the duration time 80 sec, temeratue 200 oc, pressure 90 kgf/cm 2, humidity 60 %RH. P values of duration time and temperature as a results of the analysis of variance are and Therefore the analysis has significant each with 95% and 90% confidence level. Key Words : Robust Design, Fiber-elastomer Coated Metal Gasket, Taguchi Method 1. 서론 자동차엔진은하나의블록으로구성되어있는것이 아니라수많은부품들로이루어져있다. 또한이때사용된부품은대부분금속재질로만들어졌으며, 엔진과같이내부에유체가흐르는장치의경우유체의기밀이엔 * Corresponding Author : Jin-Eun Chung(Korea University of Technology & Education) Tel: jechung@koreatech.ac.kr Received April 23, 2013 Revised (1st May 24, 2013, 2nd July 2, 2013) Accepted July 11,

한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 진의성능에많은영향을미친다. 따라서각부품을조립할때엔진의기밀성을향상시키기위해가스켓 (gasket) 을사용해왔다. 이러한가스켓의경우, 엔진기술이발전함에따라엔진의작동온도및압력이높아졌으며, 따라서가스켓에사용되는재질또한엔진의작동영역에맞추어더불어발전되어왔다.

2 한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 진의성능에많은영향을미친다. 따라서각부품을조립할때엔진의기밀성을향상시키기위해가스켓 (gasket) 을사용해왔다. 이러한가스켓의경우, 엔진기술이발전함에따라엔진의작동온도및압력이높아졌으며, 따라서가스켓에사용되는재질또한엔진의작동영역에맞추어더불어발전되어왔다. 초기가스켓을만드는재질의경우대부분석면재질로만들어졌으며, 이러한석면재질로가스켓을만들경우생산가격이저렴하다는이점은있지만석면재질의인체에대한유해성이알려짐 [1] 에따라비석면재질로만들어진가스켓의사용이꾸준히늘고있는추세이다. 그러나비석면원자재만으로는엔진의고온 고압에서가스켓이엔진의기밀성을유지할수없어, 얇은금속판위에고무층을도포하는형식인고무코팅금속 (RCM: rubber coated metal) 소재을사용하고있다. 이러한고무코팅금속소재의경우얇은고무층이금속접촉면과면사이에기밀 (sealing) 을유지할수있도록한다. 하지만고무코팅금속소재는고무의특성상사용온도에제약을받고있으며, 금속판위에고무층을높이는데한계가있어, 상대블록의조도에영향을받을수있다. 고무층의두께가증가하면초기기밀성은좋은반면시간이지나면서고무의열화에의해점차기밀성이나빠지는특성을보임에따라고무층을일정한높이만큼도포해야한다. 이러한문제점을해결하고자얇은금속판위에고무대신고무에고분자섬유탄성중합체 (fiber elastomer) 를섞은섬유탄성중합체코팅금속 (FCM: fiber-elastomer coated metal) 소재가스켓을개발하였다 [2]. 일반적으로품질의분산을작게하기위하여실험을실시할때고려하여야할인자수가많다. 이때많은인자에대하여실험횟수를작게하면서실험계획을수립할수있도록만들어놓은표가직교배열표이다 [3]. 직교배열표를이용한실험계획은다음과같은장점이있다. 기계적인조작으로이론을잘모르는경우에도일부실시법, 교락법, 분할법등의실험배치를수립할수있다. 또한요인변동의계산이쉬우므로분산분석표작성이용이하며, 실험의수를확대시키지않고많은인자에대한실험을수행할수있다. 다구찌방법 [4] 은품질최적화개념을도입한일본의다구찌겐이찌 ( 田口玄一 ) 에의해개발된, 직교배열표를이용한실험계획법이며다양한최적화강건설계 [5,6] 에성공적으로사용되었다. 본연구에사용된가스켓은 FCM을사용한것이며, 주로자동변속기의밸브가스켓으로사용된다. 이러한 FCM 제조시접착조건에따라다른물리적인특성을가 진다. 여러가지물리적특성중가장중요한물리량은전단력이다. 따라서본연구에서는실험계획법으로 FCM 가스켓의전단력을측정하고다구찌방법을이용하여실험결과를분석하여 FCM 가스켓의최적접합조건을구하는것이다. 2. FCM 가스켓의구성 FCM 가스켓은 4개의층으로, 제일안쪽면은두께가 1.0mm인스테인레스강 (SUS301) 으로되어있으며그다음으로접착제 (bonding agent) 섬유탄성중합체 (fiber elastomer), 코팅면 (anti-stick coating surface) 으로구성되어있다. 접착제는일정량이상의열과압력을가해야지만접착이가능한열경화성접착제이며, 섬유탄성중합체의경우고무에고분자섬유를섞은비석면섬유질이다. Fig. 1에가스켓의단면구조를나타내었다. [Fig. 1] Construction of FCM gasket 3. 다구찌강건설계 다구찌방법은직교배열표를이용한실험계획법으로유일한해를찾으려는것보다는품질과비용의최적해를구하려는의도에서출발한것으로, 제품설계에서가장저렴한비용으로안정적이고신뢰성이높은성능을나타내는인자의조합을찿는데이용된다 [7]. 기존의방법과다른점은실험계획에수반되는이론과노력이상당히단순화도며경제적인방법으로많은인자들을고려할수있는직접적인방법이다. 또한교호작용이상대적으로크지않은경우에는주효과분석만으로도최적조건과우수한재현성이보장된다. 기존의 3178

3 다구찌기법을이용한 FCM 가스켓의강건설계에관한연구 실험계획은실험실에서잡음인자를고정하고실험한결과를사용했다. 이런결과는실험실에서는정확하지만, 현장에서사용할때는잡음조건이바뀌어성능이떨어진다. 그러나다구찌방법에서는실험할때실제사용하는조건과똑같이잡음조건을바꾸어가면서실험하여최적조건을찾는데, 이점이기존의실험계획법과커다란차이점이다 [7]. 어떤인자가품질특성의분산에영향을미치는지를결정함으로써분산을줄일수있는통제가능한인자에대한조건을설정할수있으며, 품질특성이통제불가능한인자의변화에대해서는둔감하도록할수있다. 이런조건의제조공정에서는보다일관성있는제품을생산해낼수있고, 제품역시도일관성있는성능을발휘할수있다. 그리고품질특성의목표값을유지하면서, 분산을줄이는인자에대해설정값을추출할수있다. 따라서다구찌방법은제어가능하고영향력이강한인자를찾아내어이인자들의영향력을최대로하고제어할수없는잡음의영향력을최소로하는강건설계 (robust design) 를할수있다. 다구찌방법에서개선을위한정도를나타내는측정치로 SN비 (ratio of signal to noise) 를사용한다. SN비는잡음에대한제어인자의비를나타내며식 (1) 과같이정의된다 [7]. 신호가산출물에전달한힘 비 잡음이산출물에전달한힘 모평균제곱의추정값 분산의추정값 본연구에서사용한가스켓은전단력의크기가크면클수록좋기때문에망대특성 (larger-the-better characteristics) 을이용했다. 망대특성은인장, 전단력등과같이특성치가크면클수록좋은경우에사용된다. 망대특성을갖는전단력에대한 SN비는식 (2) 와같다 [7]. 망대특성 비 (1) (2) 다구찌방법에서제어인자 (control factor) 는최적설계조건또는최적공정조건을찾기위하여사용되는인자로서온도, 압력등과같이가장영향이큰모수인자로분산을줄이기위해비용을크게상승시키지않고품질개선을할수있는인자다. 제어인자가설정되면다음엔수준을결정한다. 수준은각인자별로기술적으로의미가있는최대의폭으로수준간의간격을설정해서좋은결과와나쁜결과를명확하게비교되게하고개선할수있도록폭을넓힌다. 수준간격을크게취하게하는것이다구찌방법의특성으로수준간격이클수록출력에큰변화를줄수있기때문이다. 잡음인자 (noise factor) 는특성치에영향을주고있으나그요인의상태를파악할수없으며, 이유는알수없으나품질분산에나쁜영향을주는인자다. 신호인자 (signal factor) 는주어진목표를달성하기위하여신호형태로취급되는모수인자이며동특성에서만사용한다. 4개의제어인자에대한 3수준계표준형직교배열표 는위의 Table 1과같다. [Table 1] orthogonal array Inner array Outer array NO. C1 C2 C3 C4 R1 R 직교배열표선정은제어인자의수, 제어인자의수준수, 교호작용의존재여부를고려한다. 내측배열은제어인자와각수준을보여주고있고, 외측배열은신호인자, 잡음인자등의조합으로전체실험의반복수를나타낸다. 동특성에서는신호인자와잡음인자를같이고려하고, 정특성에서는신호인자를고려하지않는다. 본연구에서는정특성실험을수행하였고 FCM 가스켓의성능을결정하는가장중요한물리량은전단력이며이것에영향을주는제어인자로가스켓성형시에설정하는온도, 압력, 시간및습도를선택하였으며, 각제어인자에대한수준은 3 으로하여 Table 2와같이설정하였다 [8]. 3179

한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 [Table 2] Levels of the control factors Control Factor Level Temperature ( ) 190 200 210 Duration Time (sec) 70 80 90 Pressure (kgf/cm 2 ) 70 80 90 Humidity (%RH) 40 50

또한블록을수평으로이동시켜전단력을발생시키기위한서보모터와이를측정하기위해로드셀 (Load cell), 전단력에따른변위를측정하기위해 LVDT(Linear variable differential transformer) 를설치하였으며 Labview 8.5를이용하여데이터를취득하였다. 실험장치구성도와장치사진은 Fig. 2와 Fig.

4 한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 [Table 2] Levels of the control factors Control Factor Level Temperature ( ) Duration Time (sec) Pressure (kgf/cm 2 ) Humidity (%RH) 실험결과및분석 4.1 실험장치의구성 FCM 가스켓의전단력을측정하기위하여실험장치를설계하고제작하였다. 본실험장치는가스켓에수직력을가하는유압펌프와수직력의상하방향을조절하기위한유압실린더와유압밸브, 수직력을측정하기위한로드셀 (Load cell) 로구성되어있다. 또한블록을수평으로이동시켜전단력을발생시키기위한서보모터와이를측정하기위해로드셀 (Load cell), 전단력에따른변위를측정하기위해 LVDT(Linear variable differential transformer) 를설치하였으며 Labview 8.5를이용하여데이터를취득하였다. 실험장치구성도와장치사진은 Fig. 2와 Fig. 3과같고, 구성품의상세제원을 Table 3에나타내었다. [Table 3] Specifications of shear tester Components Model Specifications Electric motor 2HP-AC220/380V-4P-Ø3-60Hz Servo motor HC-KFS43 400W, 1.3N Vane pump Pmax:45kg/cm 2, Qmax:20L/min Load cell YK43-5T 5tonf, mv/v, 0.5% Load cell YC60-2T 2tonf, mv/v, 0.1% LVDT DP mm, Ø8 Temperature sensor RTD Pt-100, 3-wire, Tmax:150 Cylinder DHH-S-FC mm (D Stroke) 4.2 실험방법 전단력측정실험은 GM PSA 시험방법 [9] 에따라 Fig. 4과같이일정한크기의블록사이에가스켓을위치시킨다. 가스켓의크기는가로, 세로, 높이 mm 며수직력은 kn (8,000 lbf) 정도가하며실험시의블록의온도는 60 로설정하였다. 수평방향으로가운데블록을밀어주는모터의속도는 56 rpm 으로설정하였으며변위가 2 mm 밀릴때까지전단력을측정하였다. [Fig. 2] Configuration of shear test bench [Fig. 4] Gasket specimen with blocks [Fig. 3] Photo of the shear tester 4.3 실험결과및분석직교배열표에근거한실험계획법에따라 Fig. 2와같은실험장치를이용하고 GM PSA 실험방법으로실험을수행하였다. Table 4와같은 4개제어인자에대한 3수준의직교배열표 을사용하였으며, 교호작용이없다는전제하에실험의배열을지정하였다. 3180

[Table 6] Response of the SN ratios Level Temperature Pressure Time Humidity 1 60.48 60.43 60.09 60.37 2 60.95 60.59 61.02 60.65 3 60.29 60.70 60.61 60.70 Delta 0.65 0.28 0.93 0.

5 다구찌기법을이용한 FCM 가스켓의강건설계에관한연구 [Table 4] Orthogonal array with control factors and levels Inner array NO. Temperature ( ) Pressure (kgf/cm 2 ) Time (sec) Humidity (%RH) [Table 6] Response of the SN ratios Level Temperature Pressure Time Humidity Delta Rank Table 5의외측배열 R1, R2은 2회반복하여측정된전 단력이며이측정자료와통계분석용소프트웨어 Minitab 의실험계획법-다구찌설계 [10] 를이용하여산출된망대 특성 SN 비를보여주고있다. [Table 5] Values of shear force and SN ratio Outer array : Shear Force(kgf) NO. R1 R2 SN ratio [Fig. 5] Response of the SN ratios for temperature, pressure, time and humidity Table 7은전단력평균에대한반응표로서델타통계량을사용하여순위를나타내었다. 여기서도시간이가장큰영향을주는인자이며, 압력이가장작은영향을주는인자이다. 이러한결과는 Table 6과동일하다. Fig. 6은 Table 7의결과를그림으로보여준다. [Table 7] Response of the mean values of shear force Level Temperature Pressure Time Humidity Delta Rank Table 6은 4개제어인자에대한 SN비의반응표이며효과의상태적인크기를비교하여델타통계량을기준으로순위를표시하였다. 델타통계량은각각의인자로부터가장큰평군값과각각의인자로부터가장작은평균값의차이이다. 순위는델타값을기준으로정한다. 델타값이가장큰것을순위 1로정하고, 델타값이 2번째큰값을순위 2로정하였다. 이러한관점에서전단력의 SN 비에는시간이가장큰영향을주는인자이며, 온도가그다음, 그리고습도가그다음영향을주는인자이다. 마지막으로압력이가장작은영향을주는인자이다. Fig. 5는이러한결과를그림으로보여준다. [Fig. 6] Response of the mean values of shear force for temperature, pressure, time and humidity 3181

한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 Table 8은전단력의 SN비에대한분산분석의결과이 다. Minitab의분산분석중일반선형모형을사용하였다. 분산분석표에서변동이작은압력과습도의변동을오 차변동으로처리하였다. F 검정의결과, 온도와시간의 F o 값이각각 4.39, 8.39이다. 그리고온도와시간의 p값 이각각 0.098, 0.037이다.

6 한국산학기술학회논문지제 14 권제 7 호, 2013 Table 8은전단력의 SN비에대한분산분석의결과이 다. Minitab의분산분석중일반선형모형을사용하였다. 분산분석표에서변동이작은압력과습도의변동을오 차변동으로처리하였다. F 검정의결과, 온도와시간의 F o 값이각각 4.39, 8.39이다. 그리고온도와시간의 p값 이각각 0.098, 0.037이다. 따라서온도는 90% 신뢰수준 에서, 그리고시간은 95% 신뢰수준에서유의함을보여주 고있다. [Table 8] Analysis of variance for SN ratio Source DF SS MS F o P Temper-ature Time Error Total 결론 기계부품사이의누설을방지하기위하여사용되는비석면 FCM 가스켓설계에다구찌기법을적용하여다음과같은결론을도출하였다. 1. 가스켓전단력측정장치를설계 제작하고통계소프트웨어를사용하여실험계획법을적용한가스켓설계시스템을구축하였다. 2. 직교배열표를이용하는실험계획법에근거하여실험을수행하고다구찌기법에따라망대 SN비를산출하여시간과온도가전단력에큰영향을미치며, 압력과습도는상대적으로작은영향을미치는것을밝혔다. 3. 망대 SN비에대하여분산분석을수행하여시간과온도는신뢰수준 95% 와 90% 에서유의한결과를보이고있음을보였다. 4. 이러한직교배열표를이용한실험계획법과다구찌기법을사용하여실험횟수를줄이고전단력이최대로되는가스켓의강건설계가가능함을보였다. References [1] H. K. Chung, Hazard of asbestos and effects on the human body, Journal of Industrial Safety, Vol. 72, pp , [2] D. E. Czernik, Gaskets Design, Slection, and Testing, pp , McGraw-Hill, 1996 [3] S. Banerji, "Orthonal Array Approach for Test Case Optimization," Int. Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engeering, Vol. 1, Issue 9, 2012 [4] G. S. Peace, Taguchi Methods, Addison-Wesley Publishing Co., pp.1-5, [5] H. Y. Yoo, "A Study on the Forming Conditions of a Forging Piston by using the Finite Element Simulation and the Taguchi Method," Journal of Korea Acadedia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 5, pp , 2012 DOI: [6] J. C. Park, K. M. Kim, K. H. Kim, " Minimization of Warpage in Plastic Injection-Molded Parts Based on the Pick-the-Winner' Rule and Design Space Reduction Method," Journal of Korea Cooperation Society, Vol. 11, No. 4, pp , 2010 DOI: [7] G. Taguchi, Introduction to Quality Engineering, Kraus International Publications, pp , 1986 [8] J. M. Yang, D. Y. Jeong, J. E. Chung, "Optimization of Bonding Conditions of Fiber Elastomer Coating Matter using Design of Experiments," Journal of Korea University of Technology and Education, Vol. 15, No. 1, pp , 2008 [9] GMNA(General Motors North America) , GM Factory Fill, 2004 [10] S. B Lee, Application of Taguchi Method using the MINITAB, Eretec Publishing Co., pp.30-32, 2009 정진은 (Jin-Eun Chung) [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 서울대학교대학원기계공학과 ( 공학사 ) 1990 년 8 월 : 서울대학교대학원기계공학과 ( 공학박사 ) 1982 년 3 월 ~ 1991 년 2 월 : 한국과학기술연구원연구원 1992 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교기계공학부교수 < 관심분야 > 열유체시스템, 동력장치, 시스템신뢰성 3182

7 다구찌기법을이용한 FCM 가스켓의강건설계에관한연구 안중규 (Jueng-Kyu Ahn) [ 정회원 ] 2012 년 2 월 : 한국기술교육대학교기계공학부 ( 공학사 ) 2012 년 3 월 ~ 현재 : 한국기술교육대학교대학원기계공학과석사과정 < 관심분야 > 열유체시스템, HEV, 시스템제어 3183

<35335FBCDBC7D1C1A42DB8E2B8AEBDBAC5CDC0C720C0FCB1E2C0FB20C6AFBCBA20BAD0BCAE2E687770>

<35335FBCDBC7D1C1A42DB8E2B8AEBDBAC5CDC0C720C0FCB1E2C0FB20C6AFBCBA20BAD0BCAE2E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 2 pp. 1051-1058, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.2.1051 멤리스터의 전기적 특성 분석을 위한 PSPICE 회로 해석 김부강 1, 박호종 2, 박용수 3, 송한정 1*