자동차용 클램셸형 배기매니폴드의자동차용 클램셸형 배기매니폴드의자동차용 클램셸형 배기매니폴드의자동차용 클램셸형 배기매니폴드의

형상설계 개선에 의한 신뢰성향상 지원형상설계 개선에 의한 신뢰성향상 지원형상설계 개선에 의한 신뢰성향상 지원형상설계 개선에 의한 신뢰성향상 지원

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2005. 5.2005. 5.2005. 5.2005. 5.

주관기관 주 지엔에스주관기관 주 지엔에스주관기관 주 지엔에스주관기관 주 지엔에스( )( )( )( )

위탁기관 자동차부품연구원위탁기관 자동차부품연구원위탁기관 자동차부품연구원위탁기관 자동차부품연구원

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 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 하ㆍㆍㆍㆍ

본 보고서를 자동차용 크램셸용 배기매니폴드의 형상설계 개선에 관한 신뢰성 향“

상지원 개발기간 과제의 최종보고서로 제출합니다”( : 2004. 6 .~2005. 5.) .

2005. 5.2005. 5.2005. 5.2005. 5.

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명ːːːː 주 지엔에스주 지엔에스주 지엔에스주 지엔에스( )( )( )( )

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자ːːːː 공 문 규공 문 규공 문 규공 문 규

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원ːːːː 이 철외 명이 철외 명이 철외 명이 철외 명3333

위탁기관명위탁기관명위탁기관명위탁기관명ːːːː 자동차부품연구원자동차부품연구원자동차부품연구원자동차부품연구원

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자ːːːː 원 종 필원 종 필원 종 필원 종 필

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원ːːːː 허 형 석외 명허 형 석외 명허 형 석외 명허 형 석외 명5555

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중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호 0400-RB1-054

사 업 명 자동차용 클램셸형 배기매니폴드의 형상설계 개선에 의한 신뢰성향상

키 워 드 배기매니폴드 클램셸 열충격시험 진동시험 열응력해석/ / / /

사업목표 및 내용

최종목표1.

배기매니폴드의 고내구성 확보 및 신뢰성 향상-

고신뢰성 플렌지 및 브렌치 형상개선 현 수준대비 이상 향상( 20% )

조립 공정개선 현 수준대비 불량률 이상 감소Stud/Bolt ( 20% )

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.

플렌지 및 브렌치부 형상불량-

스터드볼트 조립 불량-

고장원인분석 및 대처결과3.

플렌지 및 브렌치부 금형수정 및 열응력 열유동해석을 통한 형상변경- ,

스터드볼트 조립 변경을 통한 조립 공정개선- Tool

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( )ㆍ

클랙발생 사업전 사업후- : - 592ppm, - 76ppm

스터드조립 불량 사업전 조립공정의 사업후 조립공정의- : - 11%, - 3%

기대효과 기술적 및 경제적 효과5. ( )

기술적 효과 선진국 수준의 고신뢰 내구성 배기매니폴드 설계 기술 확보 불량률 감- : ,

소로 인한 생산비용 절감 고신뢰 배기매니폴드의 수충 증대 극한 조건에서의 열유동, ,

및 열응력 해석 기술 확보

경제적 효과 매출액 상승- : 22%

적용분야6.

의 매니폴드 기술개발- Maniverter, tubular type

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목 차목 차목 차목 차

제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론1111

제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요1111

제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황2222

제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향3333

제 장제 장제 장제 장2222 배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석

제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상1111

제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석2222

제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석3 CAE3 CAE3 CAE3 CAE

배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석3. 1 CAE3. 1 CAE3. 1 CAE3. 1 CAE

배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석3. 23. 23. 23. 2

지배방정식지배방정식지배방정식지배방정식3. 2. 13. 2. 13. 2. 13. 2. 1

해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD

배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과3. 2. 33. 2. 33. 2. 33. 2. 3

배기매니폴드의 열응력 해석배기매니폴드의 열응력 해석배기매니폴드의 열응력 해석배기매니폴드의 열응력 해석3. 33. 33. 33. 3

해석 모델 개발해석 모델 개발해석 모델 개발해석 모델 개발3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM

지배 방정식지배 방정식지배 방정식지배 방정식3. 3. 23. 3. 23. 3. 23. 3. 2

재질의 특석재질의 특석재질의 특석재질의 특석3. 3. 33. 3. 33. 3. 33. 3. 3

배기매니폴드의 열응력 해석조건배기매니폴드의 열응력 해석조건배기매니폴드의 열응력 해석조건배기매니폴드의 열응력 해석조건3. 3. 43. 3. 43. 3. 43. 3. 4

열응력 해석 결과열응력 해석 결과열응력 해석 결과열응력 해석 결과3. 3. 53. 3. 53. 3. 53. 3. 5

제 절 배기매니폴드의 형상개선제 절 배기매니폴드의 형상개선제 절 배기매니폴드의 형상개선제 절 배기매니폴드의 형상개선4444

배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선4. 14. 14. 14. 1

개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과4. 24. 24. 24. 2

형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교4. 34. 34. 34. 3 ㆍㆍㆍㆍ

- 5 -

제 장제 장제 장제 장3333 배기매니폴드의 공정개선배기매니폴드의 공정개선배기매니폴드의 공정개선배기매니폴드의 공정개선

제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경1111

제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선2222

제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험3333

제 절제 절제 절제 절4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론4444

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

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제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론제 장 연구 개발의 개요 및 서론1111

제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요제 절 배기매니폴드의 개요1111

오늘날 계속해서 엄격해지는 배기가스 규제와 연비향상을 위한 엔진의 고성능화는

배기시스템 소재의 고괌화 고기능화 뿐 아니라 배기계의 설계 변경과 가총기술의,

개발에 따른 신뢰성 향상을 지속적으로 요구하고 있다.

자동차 연비향상은 자동차의 가장 큰 과제이기 때문에 엔진의 성능은 지속적으로

향상될 것이며 그에 따른 배기매니폴드의 온도는 계속 상승할 것이므로 신뢰성 개

선의 요구는 더욱 증대될 것이다.

배기가스 규제 강화에 따라 배기가스 정화 효율을 개선하기 휘해 촉매컨버터를 엔,

진에 가깝게 하거나 배기매니폴드와 촉매컨버터를 일체형으로 하는 경우도 있다, .

또한 자동차의 경량화를 위해 소재의 두께도 지속적으로 감소하는 경향을 나타내고

있다.

배기매니폴드의 경우 점차 가혹해지는 배기가스 규제에 대응하기위한 대표적인 기

술은 배기 포트 에 세라믹 라이너 를 삽입하는 방법 열부하를(Exhaust Port) (Liner) ,

줄이기 위하여 배기 매니폴드를 종전의 주철 재에서 두께가 얇은 스테인레스 관재

로 제작하여 부착하는 방법 배기 매니폴드와 메인 촉매장치 사이의 배기관을 공기,

보온 층의 에어 갭 을 가진 이중 배기관으로 삽입하여 제작 설치하는 방법(Air Cap)

등이 있다.

- 7 -

배기매니폴드는 다기통 엔진의 각 실린더로부터 배출되는 배기가스를 집합하여 배

기관으로 유도하는 부품으로 엔진과 직결하여 900℃에 가까운 배기가스에 노출되

므로 내산화성 고온강도 뛰어난 열피로특성이 요구되며 형상이 매우 복잡해지므, , ,

로 뛰어난 성형성도 요구된다.

형 배기매니폴드의 형상과 명칭은 그림 에 나타낸 것과 같다 일반Clamshell ( 1-1) .

적으로 배기매니폴드의 구조는 배기가스가 통과하는 러너부와 엔진과 배기관으로

배기매니볼드를 연결하도록 하는 입 출구 플렌지부의 세부분으로 구성되어있으며· ,

러너부는 과 의 두 부분을 용접하여 하나의 몸체Upper Clamshell Lower Clamshell

로 구성되어있다.

그림 형 배기매니폴드의 형상 및 명칭( 1-1) Clamshell

기존에는 그림 에 표시한 바와 같이 개소에 집합하는 싱글 포트 타입이( 1-2) (a) 1

많았으나 배기 간섭을 피하기 위해 나 에 보이는 듀얼 타입이 널리 쓰이게 되(b) (c)

어 왔다.

- 8 -

재질 또 한 주철로 만들어지는 것이 일반적이었는데 배기가스 규제 강화에 따른,

배기가스의 정화성능과 경량화에 따라느 연비향상 엔진 고출력화에 따른 고온특성,

등의 관점에서 고내열성이고 고내식성인 스테인레스 강관제의 배기 매니폴드의 채

용이 점차 일반화 되었다 스테인리스 재질의 매니폴드의 장점은 다음과 같다. .

매니폴드의 두께를 얇게할 수 있어 경량화가 가능1)

러너부 형상의 자유도를 살려 각 러너의 길이 조절이 용이함으로써 배기 효율을2)

개선에 따른 출력 성능 향상이 용이

열용량의 감소에 의해 배기 온도의 상승을 빠르게 하고 촉매의 활성화를 빠르게3)

함에 의해 배기의 점화 성능 향상

직렬 기통 싱글포트타입(a) 4

- 9 -

직력 기통 듀얼포트타입(b) 4

직렬 기통 듀얼 포트타입(c) 6

그림 배기 매니폴드의 종류( 1-2)

배기매니폴드는 -40℃의 외기온도 조건으로부터 엔진작동시 900℃까지 반복적인

열충격환경에서 작동하며 배기가스의 저감을 위해 설치되는 촉매 컨버터부와, NOx

배기가스소음 저감을 위한 소음기등 배기시스템의 상단에 위치하므로 열충격

에 의한 크랙 발생은 전체 배기시스템에 지대한 영향을 미친다.

- 10 -

특히 배기 매니폴드와 컨버터를 용접 체결하는 경우 매니폴드의 누설발생시 앙품의

컨버터까지 교체해야하는 등 막대한 경제적 손실이 발생하므로 배기매니폴드의 신

뢰성확보는 매우 중요하다 이러한 배기매니폴드의 내구신뢰성 향상을 위해서는 플.

렌지와 러너의 최적형상 설계 기술과 컨버터부와 체결시 완벽한 을 위한Sealing

조립 공정기술이 핵심요소기술이다STUD/BOLT .

본 사업의 목표는 배기매니폴드의 플렌지 및 러너 부 형상개선과 조립Stud/Bolt

공정 개선을 통한 고장율 개선과 배기매니폴드 플렌지 및 브렌치부의 열충격시험,

진동시험 내구성능시험을 포함한 신뢰성 평가로 요약할 수 있다.

- 11 -

제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황제 절 배기매니폴드 부품의 신뢰성 현황2222

신뢰성이란 부품이나 시스템이 주어진 환경에서 고장 없이 일정기간 동안 요구되는

기능을 수행하는 특성을 말한다 기술의 진보로 더욱 다양하고 복잡한 제품이 생산.

되고 제품의 가격은 물론 고장 발생 시 비용이나 손실도 크게 증가함에 따라 신뢰,

성의 중요성이 더욱 커지고 있다 더불어 인터넷이 발달로 인하여 기업들이 해외진.

출이 용이해진 반면 소비자가 품질 신뢰성을 비롯한 제품의 관한 정보를 더욱 손, ,

쉽게 접할 수 있게 됨에 따라 기업간의 경쟁도 더욱 치열해 지고 있다 따라서 기.

업이 국제경쟁력을 갖춘 세계일류제룸을 개발 생산하기 위해서는 신뢰성기술 화보,

가 필수적이라 할 수 있다 과거에는 품질활동의 한 영역으로서 신뢰성 활동이 수.

행되어 왔으나 이제는 신뢰성 그 자체가 제품의 핵심 품질이며 오늘날 신뢰성 기, ,

술수준은 선진국과 후진국의 기술경쟁력을 비교하는 주요 척도 중 하나로 인식되고

있다.

년 국제표준화기구 에서 시리즈 제정 보급하1987 (ISO) ISO 9000 (9001,9002, 9003)

면서부터 여러 국가에서 인증 제도를 시작하였고 우리나라에서도ISO 9000 , 1994

년부터 인증제도를 도입하여 제조업을 중심으로 많은 기업들이 인증을ISO 9000

취득하였으며 또한 특정 분야에서는 에 그 분야의 특성을 반영한 품질시ISO 9000

스템을 제정하여 보급하면서 인증이 활발하게 이루어지고 있는데 자동차 분야의

및 가 그 예가 될 수 있겠다 이런 시스템의 특징은 고객의 요QS 9000 TS 16949 .

구사항을 매우 중시하고 따라서 인증을 획득하기 위해서는 무엇보다도 고객의 요,

구사항을 만족시키는 것이 필수적이라 할 수 있으며 요구사항 중에는 신뢰성과 관

련된 사항들이 포함되어 있어 기업들은 각자의 특성에 적절하게 신뢰성에 대한 요

구사항을 만족시켜야 한다.

- 12 -

현재 국내의 배기매니폴드는 신뢰성 설계 기술의 부족으로 인해 신뢰성을 고려한

설계가 이루어지지 못하며 크레임 발생시에 임기응변적인 대처만이 이루어지고 있,

는 실정이다.

벤틀러 등의 해외선진국에서는 열유동 및 열응력해석에 기초한 자체 설계 기술과

수명예측 등의 신뢰성 평가 기법을 기 보유하고 있으며 이를 통하여 고신뢰 내구,

성의 배기매니폴드를 개발하여 실용화 하고 있다.

본연구의 수행을 통해 기대되는 기술적 파급효과는 다음과 같다.

선진국 수준의 고신뢰내구성 배기매니폴드 설계 기술확보1)

불량률 감소로 인한 생산비용절감2)

고신뢰 배기매니폴드의 수출증대3)

극한 조건에서의 열유동 및 열응력 해석 기술확보4)

- 13 -

제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향제 절 배기매니폴드방열기의 기술 동향3333

본 연구에서는 배기 매니폴드의 신뢰성 향상 설계를 위한 기반구축을 위하여 국내

외 자동차 메이커에서 현재까지 개발 된 기술의 현황과 그 사례를 특허 기술 조사

및 설계 기술 자료를 통한 분석을 실시함으로써 라디에이터의 신뢰성 개선에 참조

할 수 있도록 하였다 본 연구에서 수행한 대표적인 기술 개발 분석 사례는 다음과.

같다.

기술개발사례 공개 특허1 : 10-2004-0100454《 》

특허명 자동차의 배기매니폴드 구조:

개발업체 현대자동차:

러너들이 모이는 합구부상에 요철부를 형성하여 열응력에 의한 열변형을 감쇄 하는

구조 고온의 배기가스가 여러 돌출 부로 분산되어 과도한 응력과 변형을 방지하며, ,

과열과 냉각이 반복되는 경우 최대 압축 인장의 부위가 이동하여 동일 위치에서의ㆍ

피로 응력 발생에 의한 파손이 방지되도록 함

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-3) 10-0482871

- 14 -

기술개발사례 공개 특허2 : 10-0444851《 》

특허명 배기매니폴드 구조:

개발업체 현대자동차:

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-4) 10-0482871

배기매니폴드의 러너와 합류부까지를 하나로 하고 합류부로부터 촉매 결합부까1-4

지를 또 하나의 부분으로 하여 두 부분으로 분리되는 매니폴드 엔진 결합시에 용,

이하며 균열 발생시 해당부만을 교체 교체비용 절감이 가능하며 러너들이 수평하, .

게 제작되어 내구성을 충분히 보강함

- 15 -

기술개발사례 공개 특허3 : 10-2004-0100454《 》

특허명 자동차의 배기매니폴드 구조:

개발업체 현대자동차:

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-5) 10-2004-0100454

러너중 러너를 연결하는 제 콜렉터 러너를 연결하는 제 콜렉터1~4 1-4 1 , 2-3 2

가 구성되고 각각 보강 플렌지를 장착하여 열에 의한 피로응력을 감소함으로써 내

구성을 향상함

기술개발사례 공개 특허4 : 10-0340105《 》

특허명 브이형 엔진의 배기 장치:

개발업체 현대자동차:

엔진룸의 레이아웃성을 제한하지 않고 동일한 길이를 갖는 효과를 가져와 배기소음

감쇠 효과가 높으며 배기파스의 합류 흐름이 나란한 방향이 되어 서로 충돌하지,

않으며 배기 저항을 감소하는 구조의 형 엔진 배기장치를 제공함V

- 16 -

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-6) 10-0340105

기술개발사례 공개 특허5 : 10-0398226《 》

특허명 엔진의 배기매니폴드 구조:

개발업체 현대자동차:

러너와 러너가 공유면을 형성하도록 접합하고 러너와 러너가 공유면을 형성1 2 , 3 4

하도록 접합하며 러너와 러너 하류 끝단부와 러너와 러너의 하류끝단부가 공동, 2 3 4

의 접합부의 상측 중앙부로 접합되어 배기관으로 연결되도록 구성함으로써 열손실

을 최소화하고 촉매의 라이트오프시간을 감소 하며 효율적인 정화 수행과 시동초, ,

기의 배기가스 정화를 효율적으로 할수 있도록 함

- 17 -

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-7) 10-0398226

기술개발사례 공개 특허6 : 10-00482874《 》

특허명 촉매컨버터의 정화효율 및 수명향상을 위한 배기매니폴드:

개발업체 현대자동차:

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-8) 10-00482874

각 기통의 배출가스를 촉매 전체 면적에 고르게 분배하여 정화 효율을 향상하고 수

명을 연장시키는 구조의 배기매니폴드

- 18 -

기술개발사례 공개 특허7 : 10-2005-0032148《 》

특허명 이중 배기 파이프 구조:

개발업체 현대자동차:

배기 매니폴드와 결합되는 플렌지의 구멍으로 내부파이프의 일측 끝단이 끼워져 결

합되도록 하고 플렌지의 배면 외주면에 돌출 형성된 용접돌기에 외부 파이프를 끼

워 용접 결합하여 내 외부 파이프 사이에 일정간극을 유지하도록 함 내 외부 간극, .

유지 및 내부 파이프 지지를 위한 스틸 와이어 매트를 적용하여 용접최소화를 통한

플렌지의 용접 열변형 방지 및 이를 통한 프렌지의 결합면이 평평한 상태를 유지

배기 가스 유출현상을 줄이며 플렌지 가공면을 최소화 하여 원가 절감 및 플렌지,

내에 용접비드가 없어 직경을 줄일 수 있음

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-9) 10-2005-0032148

- 19 -

기술개발사례 공개 특허8 : 10-2004-0033882《 》

특허명 엔진의 배기매니폴드:

개발업체 현대자동차:

그림 공개 특허 의 주요 도면( 10-10) 10-2004-0033882

배기포트로부터 상방으로 굴곡 되는 배기관을 구비하고 콜렉터가 인접된 순번에,

열소가 일어나지 않는 연소실로 연결되는 배기관들이 각각 합류되도록 곁벽으로 차

단된 공간을 구비하여 배기 간섭이 발생하지 않도록 함

엔진의 저속 중속 성능을 충분히 화보하고 가 요구하는 엔진과의 근접도를· WCC

충족함으로써 차량의 단가를 저감함

기술개발사례 공개 특허9 : 10-2004-0000081《 》

특허명 엔진 성능 향상을 위한 배기매니폴드 구조:

개발업체 현대자동차:

기존의 배기매니폴드는 러너 배출가스가 믹싱 파이프로 모이므로 배기밸브 개방으

로 인해 믹싱 파이프로 배출될 때 배기압의 반사파와 배기의 간섭이 발생하여 신속

한 배기 배출에 장애를 일으키는 요인이 되며 흡기 밸브가 열릴 때 연소실내 배기,

가스가 흡기 포트로 순간 적으로 역류하여 흡기의 유입량

- 20 -

이 감소함으로써 엔진의 출력이 현저하게 감소하게 된다 본 연구에서는 각 러너의.

길이를 동일하게 하고 러너와 러너가 우선적으로 각각 합쳐지도록 하고 합, 1-4 2-3

류부들이 다시 배출 파이프로 합쳐지도록 하여 배기압의 반사파 생성과 배기의 간

섭을 방지함으로써 흡기시 배기가스의 역류를 최소화 하고 공기의 홉입력을 증가,

함으로써 엔진의 중저속 구동구간에서 토크와 출력을 향상 시키도록 함

그림 공개 특허 의 주요 도면( 1-11) 10-2001-0000081

기술개발사례 10 : US 5706655《 》

특허명 : Thin-Walled Double Pipe Exhaust Manifold

개발업체 : Calsonic (japan)

얇은 벽의 이중관 배기매니폴드는 비교적 얇은 내부튜브와 비교적 두꺼운 외부 튜

브로 구성되어있다 이러한 튜브 간에 정의된 틈으로 단열이 되도록 서로간의 공간.

을 구성하도록 분리되어있다 내부 관은 내부 관에 일어난 열응력을 감소 하기위해.

하나의 이상의 비드 부분을 구성하고 있으며 열팽창 또는 수축에 의한 열응력을,

효과적으로 감소시키기 위해 각 열점 의 온도분포를 서로 간에 비슷하도록 하는,

비드부를 구성한다.

이러한 비드부에 의해 열응력을 감소시킴으로써 내구성을 향상하도록 함

- 21 -

그림 의 주요 도면( 1-12) US 5706655

기술개발사례 11 : US 4663934《 》

특허명 : Manifold Exhaust Processor

그림 의 주요 도면( 1-13) US 4663934

한 쌍의 담체를 포함한 매니볼드 배기 처리기 담체는 배기매니폴드의 케이스의 내,

부에 장착되고 각 담체가 근접하여 정렬되며 각 담체는 다른 엔진실린더 그룹으로, ,

부터 배출된 배기물을 처리하도록 하며 외력 표면과 담체의 중심선의 온도를 같게,

할 수 있도록 하여 열응력을 감소시킨다.

- 22 -

연소 발생물을 배기할 수 있도록 공통의 출구가 구성된다 차 담체는 차 담체의. 1 1

측변 벽 방향으로 차 챔버 내에 유입된 연소발생물이 담체 주변과 측면 벽의 접선1

유동을 촉진 시킬 수 있도록 차 입구에 근전하여 매니폴드 외곽의 차 챔버 내에1 1

위치된다 이와 마찬가지로 차 담체는 차 담체와 한쪽 끝과 다른 쪽이 이어져 공. 2 1

간을 두고 떨어져 차 챔버에 장착되며 차 담체와 동일하게 접선방향 유동을 촉2 , 1

진할 수 있도록 차 챔버의 입구 측에 장찬된다2 .

기술개발사례 12 : US 4662173《 》

특허명 : Exhaust Manifold For Opposed cylinder engines

다기통 대칭형 피스톤 엔진의 매니폴드는 각각의 배기포트를 실린더에서 수집구로,

연곁하는 복수의 관과 수집구를 포함한다 각관은 엔진 몸체와 실제로 더 뜨거운.

배기관 사이에 다양한 열팽창을 허용하는 열 팽창 조인트를 포함한다 따라서 관로.

에서 의도하지 않은 응력을 피할수 있다 오히려 팽창 조인트는 축방향뿐만아니라.

방사상의 공차를 포함하고 있는 관로 단면의 중복된 부분에 의해 형성된다 결국.

엔진은 터보과 급이 되며 매니폴드는 열적 블랭킷에 쌓여 배기시스템으로 부터의,

열손실을 방지할 수 있다.

- 23 -

그림 의 주요도면( 1-14) US 4662173

기술개발사례 13 : EP 0829624《 》

특허명 : Exhaust Manifold

배기 매니폴트 은 실린더 헤드와 배기 파이프 간에 장착 되도록 적용되었다 그10 .

리고 실린더 헤드의 세로 방향으로 놓여진 브랜치 파이프가 장착된12, 14, 16, 18

다 배기 매니폴드 은 브랜치 파이프 하류에 있는 합류점 또한 구. 10 12, 14, 16, 18

성하고 있다 브랜치 파이프 은 합류부 과 결합된다 이 합류부는 교. 12,14,16,18 20 .

차점 을 갖는다 배기매니폴드 은 열적 팽창에 의한 압축 응력을 견22, 24, 26 . 10

수 있으며 더 경량화 될 수 있다elf .

- 24 -

그림 의 주요 도면( 1-15) EP 0829624

기술개발사례 14 : US 2002153667《 》

특허명 : Exhaust Manifold Gasket with Intergral Heat Sleeve

그림 의 주요 도면( 1-16) US 2002153667

실린더 헤드 포트와 플렌지 결합된 배기 매니폴의 사이의 실링을 개선한 내연기관

의 배기 매니폴드 가스켓 가스켓은 가스켓 몸체와 실린더 헤드포트상의 열응력을.

감소하기 위해 필 수적인 단열 늘괴건를 장착하고 있으며 단일면을 따라 함께,

- 25 -

고정된 일차 텐 이차 금속 층으로 구성된다 가스켓을 통과하는 틈은 고온 배기가.

스가 통과하는 통로로 제공되며 일차와 이차의 금속충은 틈의 원주주변에 배열된,

최소한 하나의 실링 비드로 정의 된다 슬리브는 배기포트의 내부 원주와 외부 원.

주 사이의 단열 공기층을 형성한다.

기술개발사례 15 : JP 2002-77932《 》

특허명 : -排氣 求エンジンの マニ ルド

브랜치 관을 집합시킨 개의 중간관로에 촉매컨버터를 장착한 배기매니폴드(branch) 2

에 있어서의 집합부 근방의 파손을 방지하기위한 배기매니폴드구조 직렬 실린더. 4

엔진용의 배기매니볼드에 대해 실린더의 브랜치 관 로 실린더의 브, #1 (branch) 12 #4

랜치 관을 집합시킨 제 의 중간관로에 제 의 촉매컨버터 이 실린더의(branch) 1 1 20 , #2

브랜치 관 으로 실린더의 브랜치 관 를 집합시킨 제 의 중간(branch) 13 #3 (branch) 14 2

관로에 제 의 촉매컨버터 가 설치되고 있다 헤드 플랜지 으로 평행하게 배치2 22 . 10

된 제 의 촉매컨버터 에 대해 제 의 촉매컨버터 은 경사져있다 이와같은 입2 22 . 1 20 .

체교차에 의해 서로 다른 경로를 취하는 각 브랜치관을 변곡점을 일으키는 일 없이

제 과 제 의 중간관로에 합류할 수 있기 때문에 응력 집중이 방지되고 엔진의 고1 2 . ,

온이나 진동에 기인하는 파손을 감소한다.

- 26 -

그림 의 주요 도면( 1-17) JP 2002-77932

기술개발사례 16 : JP 2001-32712《 》

특허명 : - -エキヅ ストマニホ ルド

열응력에 의한 내구성의 저하가 적으며 컴펙트해 설치작업이 용이한 한편 경량인,

다기통용 엔진매니폴드 전체를 하나의 상자 모앙으로 형성해 표면에 얼응력이 집.

중하는 부나 요철을 줄여 내부를 복수의 배기통로에 나누는 것과 동시에 각 실R .

린더 헤드에 부착되는 플랜지에 형성된 장착부 볼트공간에 엔진매니볼드를 형성 한

다.

그림 의 주요 도면( 1-18) JP 2001-32712

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기술개발사례 17 : JP 2002-295252《 》

특허명 : - 求 集合部構造エキノ ストマニ ルド

그림 의 주요 도면( 1-19) JP 2002-295252

강도상의 신뢰성을 향상하기 위해 집합부의 강도글 확보할 수 있는 엔진 매니폴드

집합부 구조를 제공함 복수체의 파이프 를 용접 조립하고 엔진 매니폴드. 6 7, 8, 9 ,

을 집합관 에 삽입 해 직접 또는 간접적으로 용접 접합한 엔진 매니폴드 집합10 11

부 구조에 대해 복수체의 파이프 를 중간 부재 에 삽입 용접하고. 6 7, 8, 9 27 ,①

중간 부재 을 집합관 에 삽입하여 용접하는 것으로써 집합부의 용접부에 전리27 11

는 옅응격을 완화 할 수 있다 분리벽 의 한편만을 곡면벽으로 하는 것 에. 32. 33

의해 유선 의 외주측의 강성을 올린다R .

기술개발사례 18 : JP 2002-225031《 》

특허명 : - 求 構准エキノ ストマニ ルドの

배기매니볼드의 구조에서 설치 볼트에 걸리는 열응력을 완화해 볼트 보스부의 주.

변강도 및 배기매니폴드의 씰 성능을 저하시키는 원인을 없애 배기매니폴드의 형.

태의 변경 등이 불필요하여 비용과 공정수를 감소시킴, .

- 28 -

배기 매니폴드를 설치하는 볼트를 삽입 하는 볼트 구멍부분을 길게 형성해 배기매

니폴드의 팽창 중심이 볼트 긴 구멍의 중심을 통과하는 연결선상에 배피하여 볼트

에 걸리는 응럭을 감소하도록 함.

그림 의 주요 도면( 1-20) JP 2002-225031

기술개발사례 19 : JP 2004-301132《 》

특허명 : - 集含部構造エキゾ ストマニホルド

복수의 파이프 를 용접 조립해 배기 매니볼드 을 집합관 에 삽입 해6, 7, 8, 9 10 11

중간 부재 을 개입시켜 간접적으로 집합관 에 용접 접합한 태기 매니폴드 집27 11

합부 구조에 대해 복수체의 파이프 를 중간 부재 에 삽입 용접하여. 6, 7, 8, 9 27 .

중간 부재 을 집합관 에 삽입해 배기매니폴드 집합부의 하류단보다 상류측에27 11 .

용접하는 것으로써 집합부의 용접부에 걸리는 열응력을 완화한다.

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그림 의 주요 도면( 1-21) JP 2004-301132

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제 장 배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석제 장 배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석제 장 배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석제 장 배기매니폴드의 신뢰성 저하 원인 분석2222

제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상제 절 배기매니폴드방열기의 고장현상1111

실제 필드에서 발생하는 배기매니폴드의 고장현상은 크게 세 가지로 구분할 수 있

으며 크램셸 러너 및 브랜치 부분의 표면에서 발생하는 크랙과(Clamshell), (Runner)

플렌지 및 크램셸 용접부의 크랙 그리고 조립 불(Flange) Upper/Lower Stud/Bolt

량에 의한 고장으로 구분되며 이 세 가지의 고장유형이 전체 고잠의 를 차지, 99%

하고 있다.

러너부가 합류하는 브랜치 표면에서 발생하는 크랙에 의한 고장 현상은 그림( 2-1)

에 나타낸 것과 같다 러너부 표면과 브랜치부에서 밭생하는 크랙의 원인은 열응력.

집중에 의한 옅피로 크랙과 크램셀 성형시 두께 변화로 인해 발생하며 그림, ( 2-2)

는 용접라인에서 발생하는 고장현상을 나타낸 것으로 크램셀 성형시Upper/Lower

의 불량 또는 용입량의 불균일에 의한 용접불량이 그 원인이 된다 그Ar Weld'g . (

림 은 조립시 발생하는 고장현상으로 조립시 툴 에 의한2-3) Stud/Bolt , (Tool)

의 나사산 손상 툴 접합부 및 나사부 충격에 의한 툴 손상 및Stud/Bolt , Stud/Bolt

조립 완료후 툴 이탈시의 이탈등의 세가지 유형이 있으며 이Stud/Bolt Stud/Bolt

는 툴과 의 형상 불량이 가장 큰 원인으로 생각된다Stud/Bolt .

- 31 -

그림 러너부 표면의 고장부위( 2-1)

그림 용접부위 고장부위( 2-2) Upper/Lower Clamshell

- 32 -

그림 의 고장부위( 2-3) Stud/Bolt

- 33 -

제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석제 절 배기매니폴드의 고장 현상 분석2222

배기매니폴드의 신뢰성 향상을 위해는 고장의 원인을 규명 하는 것이 우선이다 본.

연구에서는 라디에이터 고장의 원인을 규명하기 위하여 유한요소해석 방법을 이용

한 배기매니폴드의 구조해석을 수행함으로써 배기매니폴드의 구조적인 취약부를 예

측함으로써 고신뢰성 배기매니콜드의 신뢰성 설계를 위한 기포 기반을 구축하고자

하였다.

현재의 배기매니폴드 개발은 배기매니폴드의 시작품을 제작하고 내구 성능 시험기

를 이용하여 제품의 신뢰성을 작동 회수에 따른 파괴지점으로 규명하는 식의 시행

착오를 반복 하여 수정 개선하는 방식으로 진행되어 왔다 이러한 방법은 개발 기.

간 및 개발비용이 과다하게 소요되고 방법의 일관성이 유지되지 않아 매우 어러운

시행착오방법의 설계 개발 과정으로 이루어진다.

이러한 단순 시행착오방법의 제품의 반복 제자 개선 보완을 통한 신뢰성 평가 방법

의 경우 값비싼 금형의 제작과 적합한 재질의 선택을 위한 여러 가지 조성에 대한,

시행착오적인 시험을 반복해야하므로 비용과 시간의 막대한 손실이 불가피 하다.

본 연구에서는 이러한 시행 착오법에 의한 배기매니폴드의 개발 방법의 결점을 개

선하기 위해 상업용 구조해식 전용 코드인 를 이용하여 자동차 라디에이터, ANSYS

의 모델을 구성하고 유한요소해석을 수행함으로써 이러한 제작비와 시간 노CAE , ,

력의 손실을 절감하기 위한 실계 해식 방법의 개발을 시도하였다.

- 34 -

방법을 통한 시제품의 구조해석은 제품의 신뢰성을 확보하고 최적 설계를 수CAE

행하기 위해 선진국에서 널리 사용되는 방법이지만 국내에서는 기술력의 부족으로

제품의 성능 평가 및 최적설계에 대한 의 적용은 미흡한 실정이다CAE .

본 연구에서는 라디에이터 설게기법의 화 도입을 위하여 자동차용 라디에이터CAE

의 구조 형상에 내한 구조 강도 해석을 수행하여 분석하도록 하였다FEM .

- 35 -

제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석제 절 배기매니폴드의 해석3 CAE3 CAE3 CAE3 CAE

배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석배기매니폴드의 해석3. 1 CAE3. 1 CAE3. 1 CAE3. 1 CAE

배기매니폴드는 엔진의 배기에 직접 노출피어 옅팽창과 수축을 반복적으로 수행하

게 되어 내구성에 문제가 발생하게 된다 본 연구에서는 상용 유한요소해석 코드를.

이용하여 형 배기매니폴드의 유한요소 구조 해석을 수행하였으며 배기Clam Shell ,

매니폴드의 신뢰성을 배기매니폴드의 열팽창에 의해 발생 하는 응력을 예측함으로

써 정성적인 해석에 의한 구조적인 취약 부를 예측하였다.

그림 는 배기매니폴드의 형상을 나타낸 그림이다 본 연구에서 해석을 수행한( 2-4) .

배기매니폴드는 기통형 엔진에 장착되는 제품으로 그림에서 나타낸 바2500cc, 6 ,

와 같이 상 하 두개의 스탬핑된 로 구성되어 있으며 두 부를Clamshell , Clamshellㆍ

용접하여 매니폴드의 몸체를 구성하게 된다 또한 매니폴드의 몸체에는 배기가스가.

유입되는 엔진과 배기가스가 유출되는 배기관으로 연결되는 플렌지가 용접된다 그.

림에서 플렌지 부분은 의 재질로 구성되어있으며 배기가스가 통과하는S20C

부분은 의 재질로 구성되어있다Clamshell YUS450-MS .

배기매니폴드의 열응력해석을 위해서는 배기매니폴드에 발생하는 온도분포를 정확

히 구하는 것이 중요하다 본 해석에서는 열응력해석에 사용하기위한 온도분포를.

예측하기 위하여 배기매니폴드의 열유동 해석을 수행하고 그 결과로써 얻어진CFD

온도분포를 열응력해석에 적용하였다FEA .

- 36 -

(a) L. H.

(b) R. H.

그림 배기매니폴드의 형상( 2-4) 3-D

- 37 -

배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석배기매니폴드의 열유동 해석3. 23. 23. 23. 2

지배방정식지배방정식지배방정식지배방정식3. 2. 13. 2. 13. 2. 13. 2. 1

본 연구에서 배기매니폴드 내부 배기가스의 유동에 대한 옅유동 해석은 상용코드인

을 이용하였다 해석하고자 하는 배기가스의 지배방정식Fluent 6.0 . (governing

은 차원 방정식에 거를 둔 것으로 배기매니폴드 내의 배equation) 3 Navier-Stokes

기가스 온도장 압력장 및 속도장 특성을 해석하는데 사용되었다 또한 배기 매니폴, .

더 내 난류에 의한 영향을 고려하기 위하여 Standard k-ε 모델을 사용하였다.

배기 매니폴드 내의 열유동 해석을 위한 지배방정식은 차인 방정3 Navier-Stokes

식으로 보존형 텐서 형으로 표현하면 다음과 같다(conservative form) (tensor) .

Standard k-ε 모델에서 사용되는 난류 운동 에너지 와(turbulent kinetic energy) k

소산율(dissipation rate) ε에 관한 식은 다른 유동 변수들과 유사하게 다음과 같이

보존형 수송 방정식으로 나타낼 수 있다.

- 38 -

여기서

Standard k- 모델에서 난류 점성계수는 다음과 같이 표현된다.ε

여기서

실험에 의하면 대수영역과 점성저충에서 다음과 같은 관계가 있는 것으로 알려져 있

다.

- 39 -

여기서

또한 무차원 거리 y+ 와 벽면 마찰 속도 u*는 다음과 같이 정의된다.

따라서 대수 영역으로 불리우는 영역내의 점을 벽면의 제 격자점으로 취하면 다음과1

같은 벽면에서의 경계조건을 얻게 된다.

지배방정식에 쓰인 상수 는 다음과 같다(f1 , f2) .　

f1 = f2 = 1

따라서 벽법칙 을 이용한 모델은 대수 영역 내의 점을 벽면의 제 격자점(wall funrtion) 1

으로 취함으로써 격자의 개수를 줄여 계산시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

- 40 -

해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD3. 2. 2 CFD

본 연구에서 해석하고자 하는 배기매니폴드의 기본 사양은 표 과 같다 본 배기< 2-1> .

매니폴드는 배기량 급 기통 대형 승용 차량에 적용되며 엔진 점화 순서2500 6 (Engine

는 이므로 열유동 해석시 이와 같은 엔진 점화 순서Ignition Sequence) 1-5-3-9-2-4

를 고려하여 입구 경계 조건을 부여하였다 또한 모든 입구 경계 조건에서 배기가스 입.

구 온도는 로 일정하게 입력 하였다90 .℃

표 엔진 기본 사양 개요< 2-1>

CYLINDER VOLUME LITER 2.500

NUMBER OF CYLINDER EA 6

MAX. POWER KW(PS) 125

RPM RPM 5600

IGNITION SEQUENCE - 1-5-3-6-2-4

EXHAUST GAS TEMP. MAX POWER ℃ 900

그림 는 배기 매니폴드의 수치해석에 필요한 전체 표면 격자를 나타낸 그림( 2-5) CFD

이다 배기 포트 순서는 의 가장 좌측 포트를 기준으로 하여 의 세. (exhaust port) LH LH

포트를 번에서 번으로 정하였고 의 세 포트를 번에서 번으로 정하였다 열유1 3 , RH 4 6 .

동 해석에 있어서 불필요한 입구 및 출구 플랜지 를 생략 했으며 크램셸(flange)

방식의 전합 부위와(cramshell) O2 센서 결합부위는 해석의 편의상 그림과 같이 단순

화 하였으며 전체격자수는 개이다 배기 매니폴더 벽 근처에서 양질의 격자를, 130.481 .

얻기 위해 층 의 프리즘 격자로 재구성하였다3 (layer) (prism) .

- 41 -

(a) L. H.

(b) R. H.

그림 배기매니폴드의 유동해석 모델( 2-5) CFD

- 42 -

열유동 해석에 필요한 배기가스는 질소(N2 이산화탄소, 85%), (CO2 일산화 탄소,14%),

물(CO,0.9%), (H2 의 혼합가스 물성치를 계산하여 사용했으며 배기 매니폴더O,0.1%)

외벽의 물성치는 값을 이용하였다NSC YUS 450-MS .

표 배기 매니폴드 해석을 위한 배기가스 및 외벽 물성치< 2-2>

Material p( / )㎏ ㎥ Cp(J/ K)㎏ㆍ k(W/m K)ㆍ t(mm)

WallNSC

YUS450-MS7700 460 22 2

Exhaust

GasPolynomoal Equation : N2-85%,CO2-14%,CO-0.9%, H2O-0.1%

배기가스의 온도에 대한 물성치를 정리하면 다음과 같다.

- 43 -

점성계수- (viscosity)

엔진 에 따른 배기 매니폴더 입구 경계조건은 실험으로부터 확인된 질량 유량을RPM ,

출구 경계조건은 대기압을 부여하였다 외부와의 열전달 및 복사 열전달에 필요한 외.

기온도는 엔진 룸 온도를 고려하여 약 로 가정했다 외벽에서의 표면 열전달 계수70 .℃

는 동일한 직경의 원형 파이프의 자연 대류 값인 약(h) 20W/ K㎡ 을 사용하였고 복사에

의한 방사율 은 약 이다( ) 0.28 .ε

배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과배기매니폴드 표면에서의 온도 분포 결과3. 2. 33. 2. 33. 2. 33. 2. 3

그림 은 에서 각 포트 즉 엔진 점화 순서 에 따른 배기( 2-6) 5600 RPM , (1-5-3-6-2-4)

매니폴드 표면에서의 온도 분포를 나타낸 그림이다 이 해석 결과들은 지속적인 배기.

작용으로 의한 온도 표면 온도 상승은 고려하지 않은 정상 상태의 해석결과를 의미한

다 해석결과 각 배기 포트로부터의 고온의 배기가스가 지나가는 해당 러너 간의 브랜.

치부 매니볼드 표면 온도가 악 까지 상승하는 것을 알 수 있으며 각 포트가 개방700℃

했을 경우 각 러너들이 모이는 목 부분에서 맞은편 외벽으로 배기가스가 충돌함으로써

외벽 온도가 상승하는 것을 확인 할 수 있다 닫혀있는 배기 포트의 경우 매니폴드 입.

구는 엔진 외벽과 열전도를 통해 국부적으로 온도가 상승하는 것을 알 수 있다.

- 44 -

그림 온도분포해석결과( 2-6) CFD

- 45 -

배기매니폴드의 옅응럭 해석배기매니폴드의 옅응럭 해석배기매니폴드의 옅응럭 해석배기매니폴드의 옅응럭 해석3. 33. 33. 33. 3

해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발해석 모델개발3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM3. 3. 1 FEM

배기 매니폴드의 유한요소해석 이하 을 위해 구성된(Finite Element Methods : FEM)

모델은 그럼 와 같다 플렌지는 노드의 요소를 이용하머 모델링하였고 배( 2-7) . 8 Hexa ,

기 매니폴드의 벽면부는 해석의 벽면 온도 분포해석곁과를 이용하기CFD

위하여 에서와 동일하게 노드를 갖는 요소를 사용하여 구성 하였다CFD 4 Tet. .

그림( 2-7) Finite Element Model for Exhaust Manifold

- 46 -

지배 방정식지배 방정식지배 방정식지배 방정식3. 3. 23. 3. 23. 3. 23. 3. 2

해석 대상의 구조물에 대한 차원적인 열적인 변형을 포함한 응력과 변형의 관계는3

에 따라 다음과 같은 식으로 표현된다 물체 표면에서 각 응력 성분은 주Hooke's Law .

어진 외력과 평행을 이루어야 하므로 물체 내부에서 응력은 일반화된 평형 방정식을

적용하여 하여 아래와 같이 표현할 수 있다

평형조건 관계식 :

여기서, 와 는 각 방향의 수직 응력과 전단응력을 나타내고 는 카 방향에 대X, Y, Z

한 단위 체적당 체력 를 나타낸다(Body Force)

와력에 의해 발생된 변위는 주어진 구조물의 물리적인 조건에서 기하학적 경계 조건을

만족해야 하고 변형율 성분이 분포하는 물체내의 점에 연속함수이어야 함으로 이를 다

음과 같이 표현할 수 있다.

- 47 -

기하학적 적합성 조건 :

여기서 는 각 방향의 변위이고, u, v, w , 과 는 방향의 수지변형율과 전단 병형 율이

다.

변형율과 온도영향을 고려한 응력 변형율 온도 관계- - :

- 48 -

여기서 는 종탄성 계수 는 열팽창 계수 는 횡탄성 계수, E , a , C , 는 프와송비를 나타내

고 등방성 재료인 경우에는 G=E/2(1+ 의 관계를 갖는다) .

해석할 대상의 구조물인 배기매니폴드에 대해 위의 식들을 조합한 모델을 만들면 개6

의 음력성분 개의 변형율 성분 개의 변위성분 등 개의 미지수에 대하여 퐁 개, 6 , 3 15 15

의 변형을 변위 방정식 응력 변형을 온도 관계식들을 가지게 되어 경계 조건들이 주- , - -

어지게 되면 열변형 및 응럭에 대한 특정 해를 구할 수 있게 된다.

재질의 특성재질의 특성재질의 특성재질의 특성3. 3. 33. 3. 33. 3. 33. 3. 3

배기 매니폴드의 해석을 위해 사용된 재질은 플렌지부는 탄소강의 재질을FEM S20C

적용하였으며 벽면부는 이 적용되었다 벽면부의 두께는YUS450-MS Stainless Steel .

이며 해석을 위해 적용된 물성치는 표 에 나타내었다2mm , < 2-3> .

- 49 -

표< 2-3> Material Properties for Exhaust Manifold

MaterialElastic Modulus

(GPa)

Thermal

Conductivity

(W/m )℃

Thermal Expansion

Coefficient

(um/m )℃

NSC YUS450-MS200 at 20 ℃

82.7 at 900 ℃22

11.3E-6 at 540℃

12.4E-6 at 815℃

S20C200at 30 ℃

66 at 871 ℃51.9

13.9E-6 at 500℃

14.8E-6 at 700℃

배기매니볼드의 열응력 해석조건배기매니볼드의 열응력 해석조건배기매니볼드의 열응력 해석조건배기매니볼드의 열응력 해석조건3. 3. 43. 3. 43. 3. 43. 3. 4

벽면 부분의 열응력 해석을 위해 사용된 온도 조건은 앞서 실명한 바와 같이 그림(

의 해석 결과로 얻은 온도 분포를 사용하였으며 입력플렌지와 출력플렌지의2-6) CFD ,

온도 조건은 각각 로 하였다350 , 300 .℃ ℃

배기 매니폴드의 변형경계조건은 크게 두 부분으로 구분할 수 있다 첫째는 입구부 플.

렌지와 엔진 실린더 헤드의 체결이며 두 번째는 배기 매니폴드의 출구부 플렌지와 배,

기 매니폴드 후류 배기 시스템 구성요소의 결합이다.

배기 매니폴드의 입력부 를렌지는 엔진 실린더 헤드에 볼트를 통해 고정괸다 본 해석.

에서는 볼트 체결부의 변형을 실린더 헤드에 결합되는 면에 수직한 방향으로 고정하

고 좌우로의 팽창은 자유롭도록 하였다 또한 배기 매니폴드의 출구부 플렌지와 매니, .

폴드 이후의 후류 배기 시스템 구성요소의 결합 부는 차량 설계상 그 변형의 구속이 거

의 없으므로 출구부 플렌지의 경우 자유 팽창하는 것으로 가정하였다.

- 50 -

열응력 해석 결과열응력 해석 결과열응력 해석 결과열응력 해석 결과3 3. 53 3. 53 3. 53 3. 5

열응력 해석은 매니폴드가 상온으로부터 로 예측된 온도 경계 조건으로 증가하는CFD

것으로 해석하였으며 사용된 변형 경계 조건은 에 설명한 것과 동일하게 하였2. 3. 4

다 각각 의 연소 순서에 따라 폭발공성시 배기 매니폴드 온도분포에 의. 1-5-3-6-2-4

해 발생한 열응력 분포근 그림 부터 그림 에 도시하였다 번 실린너( 2-8) ( 2-13) 1, 3, 2

의 배기가스는 파트를 통과 하며 번 실린더 연소시의 배기가스는 파L.H. , 5, 6, 4 R.H.

트를 통과 하게 된다

그림 는 가장 첫 번째 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니폴드의 발생응( 2-8)

력을 도시한 것이다 첫 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치. 1 2

에서 최대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다, 2 3 .

전면 부에서도 후면부와 유사하게 과 러너 사이에서 최대응력이 발생하며 와 리1 2 2 3

너 사이의 브랜치에서도 응력이 집중되는 것을 잘 나타내고 있다.

그림 은 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니쫄드의 발생응력을 도( 2-9) 5

시한 것으로 두 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치에서 최, 5 6

대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면, 4 5 .

부에서는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의 브랜치에서도 응력이 집중되는 것을4 5 5 6

잘 나타내고 있다.

- 51 -

그림 은 번 실런더에서 폭발이 발생한 경우의 배기매니폴드 발생응력을 도시( 2-10) 3

한 것으로 세 번째 폭발공정의 경우 후면에서는 과 러너사이의 브랜치에서 최대, 1 2

응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면 부에, 2 3 .

서는 과 러너 및 와 러너 집합부에서 응력이 집중되는 것을 잘 나타내고 있다1 2 2 3 .

그림 은 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기매니폴드의 발생응력을 도( 2-11) 6

시한 것으로 네 번째 폭발공정의 경우 두 번째 폭발공정과 유사하게 후면부에서는, 5

과 러너사이의 브랜치에서 최대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집6 , 4 5

중되는 것을 알 수 있다 전면 부에서는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의 브랜치. 4 5 5 6

에서 응력이 집중되는 것을 알 수 있다.

그림 는 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기매니폴드 발생응럭을 도시( 2-12) 2

한 것으로 다섯 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치에서 최, 1 2

대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면, 2 3 .

부에서는 과 러너 및 와 러너 집합부에서 응력이 집중되는 것을 알 수 있다1 2 2 3 .

그림 은 번 실린더에서 폭발이 밭생한 경우의 배기매니폴드의 발생응력을 도( 2-13) 4

시한 것으로 여섯 번째 폭발공정의 경우 후변부에서는 과 러너사이에서 최대 응, , 5 6

력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면 부에서, 4 5 .

는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의 브랜치에서 응력이 집중되는 것을 잘 나타내4 5 5 6

고 있다.

- 52 -

해석결과를 종합하여 볼 때 응력이 발생되는 부위는 각각의 브랜치 사이에서 발생하며

과 러너 사이의 브랜치의 전 후 면부에서 주로 큰 응력이 발생되는 것을 알 수 있1 2 ㆍ

다.

또한 폭발공정 중 치대 응력은 파트의 첫 번째 러너와 두 번째 러너가 만나는 부분L.H.

에서 발생하며 그 크기가 로써 재짙의 강도를 고려할 경우 반복203Mpa YUS450-MS

적인하중을 받게 되면 파단의 가능성이 높은 것으로 판명되었다.

즉 배기매니폴드의 고장원인은 반복적인 열응력으로 인하여 러너 사이의 브랜치에 응

력이 집중되기 때문인 것으로 판단되었고 이러한 반복적인 응력 집중으로 인해 배기,

매니폴드 표면에 크랙이 발생하는 것으로 판단할 수 있었다.

- 53 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-8) 1

- 54 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-9) 5

- 55 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-10) 3

- 56 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-11) 6

- 57 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-12) 2

- 58 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-13) 4

- 59 -

제 절 배기매니볼드의 형상개선제 절 배기매니볼드의 형상개선제 절 배기매니볼드의 형상개선제 절 배기매니볼드의 형상개선4444

배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선배기매니폴드의 형상개선4. 14. 14. 14. 1

의 열응력 해석 결과를 살펴볼 때 배기매니폴드 각각의 러너는 하나의 입구 플렌3. 3 ,

지에 용접되어 고정되므로 러너의 열팽창과 플랜지의 열팽창은 서로 영향을 미치게,

된다.

또한 러너부는 고온인데 반해 플렌지부는 상대적으로 저온이며 재질이 상이하여 서로,

다른 옅팽창 계수를 갖게 된다 따라서 배기매니폴드의 러너의 열팽창은 입구 플렌지.

에 의해 억제되면 배기매니볼드 러너의 접합부인 브랜치에 열응력이 집중되게 된다, .

이와 같은 플렌지에 의한 러너 브랜치부 열응력 집중현상을 감소하기 위해 플렌지를

각각 러너에 대해 독립적으로 구성하고 개선된 플렌지의 형강에 대한 열응력 변화를

해석 하였다 그림 과 그림 는 플렌지의 개선 형상에 대한 열응력 해석 모. ( 2-14) ( 2-15)

델을 나타낸 것이다 그림 에서 파트와 파트 모두 일체형이었던 입구 플렌지. L.H. R.H.

를 각각의 러너에 대해 독립적으로 구성하였다.

- 60 -

플렌지 형상 개선후(b)

그림 파트의 플렌지 형상 개선 열응력 해석 모델( 2-14) L.H.

- 61 -

그림 파트의 플렌지 형상 개선 열응력 해석 모델( 2-15) R.H.

- 62 -

개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과개선형상 배기매니폴드의 열응력 해석결과4. 24. 24. 24. 2

개선형 모델의 경우 열응력 해석 방법은 피존 모델의 열응력 해석과 동일하며 매니폴,

드가 상온으로부터 해석을 통해 얻은 온도 경계 조건으로 증가하는 것으로 가정CFD

하였으며 사용된 변형 경계 조건은 절에 설명한 것과 동일하게 하였다2. 3. 4 .

배기 매니폴드의 총 변형은 그림 부터 그림 에 도시한 것으로 각각( 2-16) ( 2-2)

의 연소순서에 따라 발생하는 열응력해석 걸과를 나타낸 것이다1-5-3-6-24 .

그림 은 첫 번째 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니폴드의 발생응력을( 2-16)

도시한 것이다 첫 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치의 하. 1 2

부에서 최대 응력이 발생되며 와 브랜치 하부에서도 응력이 집중 되는 것을 알 수, 2 3

있다 전면 부에서도 후면부와 유사하게 과 러너 사이에서 최대응력이 발생하며. 1 2 2

와 러너 사이의 브랜치에서도 응력이 집중되는 것을 잘 나타내고 있다3 .

그림 는 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기매니폴드의 발샌응력을 도( 2-17) 5

시한 것으로 두 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치에서 최, 4 5

대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있나 전면, 5 6 .

에서는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의 브랜치에서도 응력이 집중되는 것을 잘5 6 4 5

나타내고 있다.

- 63 -

그림 는 번 실런더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니폴드 발생응럭을 도시( 2-18) 3

한 것으로 세 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치 하부에서, 1 2

최대 응력이 발생되며 와 브랜치의 하부에서도 응력이 집중되는 것 을 알 수 있다, 2 3 .

전면 부에서는 과 러너 및 와 러너 집합부에서 응력이 집중되는 것을 잘 나타내1 2 2 3

고 있다.

그림 은 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니쫄드의 발생응력을 도( 2-19) 6

시한 것으로 네 번째 폭발공정의 경우 두 번째 폭발공정과 유사하게 후면부에서는, 5

과 러너사이의 브랜치 하부에서 최대 응력이 발생되며 와 의 브랜치 하부에서도6 , 4 5

응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면 에서는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의. 5 6 4 5

브랜치에서 응력이 집중되는 것을 알 수 있다.

그림 은 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니폴드 발생응럭을 도시( 2-20) 2

한 것으로 다섯 번째 폭발공정의 경우 후련부에서는 과 러너사이의 브랜치 하부에, 1 2

서 최대 응력이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다, 2 3 .

전면 부에서는 과 러너 및 와 러너 집합부에서 응력이 집증되는 것을 알 수 있1 2 2 3

다.

그림 은 번 실린더에서 폭발이 발생한 경우의 배기 매니폴드의 발생응력을 도( 2-21) 4

시한 것으로 여섯 번째 폭발공정의 경우 후면부에서는 과 러너사이의 브랜치에서, , 5 6

최대 응럭이 발생되며 와 러너 사이에서도 응력이 집중되는 것을 알 수 있다 전면, 4 5 .

부에서는 과 러너 사이 및 와 러너 사이의 브랜치에서 응력이 집중되는 것을 잘4 5 5 6

나타내고 있다.

- 64 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-16) 1

- 65 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-17) 5

- 66 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-18) 3

- 67 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-19) 6

- 68 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-20) 2

- 69 -

그림 실린더 연소시 열응력 해석 결과( 2-21) 4

- 70 -

형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교형상 개선 전 후 열응력 해석 결과의 비교4. 3 ·4. 3 ·4. 3 ·4. 3 ·

그림 에서 그림 는 개선 전헝상과 개선후 형상의 열응력 해석 결과를 도( 2-22) ( 2-27)

시한 것이다 해석 결과를 종합하여 볼 때 클렌지 형상 개선시 응력이 발생되는 부위는.

개선전 형상과 비교하여 배기 매니폴드 전체에 분산되는 형상을 나타내고 응력 집중,

부위는 각 러너의 브랜치 하부에서 발생하며 후면부의 과 러너 사이의 브랜치에서1 2

주로 큰 응력이 발생 되는 것을 알 수 있다 이는 플랜지에 의해 변형이 제한되었던 브.

랜치 상부가 플렌지를 서로 독립시킴에 따라 좀더 자유롭게 변형됨으로써 열응력이 감

소하고 있는 것으로 보인다.

또한 개선 전형상의 경우 번 실린더 연소시 최대응력이 발생하는데 비해 개선 후 형상1

의 경우는 번 실린더 연소시에 최대 응력이 발생하며 그 위치도 파트의 과 러2 , L.H. 1 2

너 사이 브랜치의 하부에서 발생하고 있다.

그림 는 각 실린더 연소시에 발생하는 최대응력값을 개선전형상과 개선후 형상( 2-28)

에 대해 비교한 깃이다 형상 개선시 최대응력의 크기는 로써 형상 개선전에. 162Mpa

비해 최대 감소함을 알수 있다 결국 플렌지의 형상개선을 통해 매니폴드에 발20.2% . ,

생하는 열응력을 감소 시킬 수 있음을 증명하였으며 열응력 감소에 따라 내구성이 크,

게 개선될 것으로 판명 되었다.

- 71 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응력 해석 비교( 2-22) 1 ㆍ

- 72 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응력 해석 비교( 2-23) 2 ㆍ

- 73 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응력 해석 비교( 2-24) 3 ㆍ

- 74 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응혁 해석 비교( 2-25) 4 ㆍ

- 75 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응력 해석 비교( 2-26) 5 ㆍ

- 76 -

그림 실린더 연소시 설계 개선 전 후 열응력 해석 비교( 2-27) 6 ㆍ

- 77 -

그림 플렌지 설계 개선 전 후 열응력 비교( 2-28) ㆍ

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제 장 배기매니폴드의 공정개선제 장 배기매니폴드의 공정개선제 장 배기매니폴드의 공정개선제 장 배기매니폴드의 공정개선3333

제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경제 절 클랙 발생 브랜치 부 형상변경1111

내구 중 에 이 발생 하는 것 을 볼 수 있test(B.A.E MODE) clamshell crack (345 CYCLE)

었다 이는 작업시 성형성을 좋게 하기위해 윤활유 도포에 따른. press draw'g porosity

발생과 금항 베면 굴곡 개선을 위한 금형 수정시 부위 재료clamshell LWR(RH) crotch

두께 감소 및 성형 불량에 인한 것으로 판단되었다 그림(40%) . ( 3-1)

그림 중 발생 사진( 3-1) Thermal test pin hole(crack)

개선안으로 먼저 부품 을 변경하여 부위 금형을 수, design clamshell LWH(RH) crotch

정하였고 세척설비 를 설치하여 후 세척, (conveyertype) press stamping (140 wate.)℃

하여 발생을 해결 하였다crark .

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그림 브렌치부 형상변경 전 후와 도( 3-2) , Section

제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선제 절 스터드 볼트 조립 공정 개선2222

조립완료 후 의 역회전 후진시 가 제품에서 이탈되어 에 감Stud bolt tool stud bolt tool

겨 딸려 올라오는 현상과 제품의 마모로 규정 이하로 조립되어, tapping hole torque

불량이 발생하였다 그리고 당사 라인에서의 조립 실패로 인한 불량 폐기가. studbolt

증가 평균 조립 불량 발생률 하였다( 11% ) .

타사의 경우 육각 형상과 일자 형상의 가 가장 많이 사용되고 있다 육각형상studbolt .

의 경우 의 부 형상이 육각으로 형성되어 있outlet flange, Egr flange stud tool attach

어 조립시 이 안정적으로 진입 되며 조립 완료 후 후진이 용이하다tool .

일자형상의 경우도 조립부의 부 형상이 둥근사각 양면 면취 으로axle stud tool attach ( )

형성되어 있어 육각형상과같이 조립 시 이 안정적으로 진입 되며 조립 완료 후 후tool

진이 용이하다 그림. ( 3-3)

- 80 -

그림 스터드 볼트 업체별 사양 및 조립된 후의 모습( 3-3)

공정 개선안으로 위 두 가지 방법 육각 형상 일자 형상 의 경우 소재 비용의Studbolt ( , )

상승 배 으로 픈 문세가 됨으로 소재 형상의 변형보다 조립 의 변경에 주안점을(1.5 ) tool

두어 개선하였다 현재의 문제점은 조립 과 사이의 마찰에 의해 조립 후. tool studbolt

가 의 후진과 함께 딸려 올라오는 것이고 이로 인해 부족 현상이studbolt tool , torque

나타남으로 조립 과 사이의 마찰을 줄이기 위해 조립 의 길이를 짧게, tool studbolt tool

하고 조립 과 부위에 스프링 볼을 설치하여 마찰을 최소화 하여, tool studbolt attach

공정을 개선하였다 그림studbolt ( 3-4).

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그림 공정 개선 전 후의 조립 의 모습( 3-4) / tool

- 82 -

제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험제 절 진동내구시험3333

배기매니폴드의 진동내구시험은 자동차 부품 진동시험 방법 에 준하여 실KS R 1304( )

시하였다.

실험은 에서 상하 시간 에서 좌우 시간8.44G, 20~2500Hz 20 ,11.64G, 20~2500Hz 8 ,

에서 전후 시간동안 진동을 주어 변형이 있는지를 육안검사 하여5.91, 20~2500Hz 8

외관의 균열 파손 및 부품의 이탈이 발생되지 않는가를 확인 하였다, .

그림 진동시험의 모습( 3-5)

실험 결과 아래 그림에서 보는 바와 같이 균열 파손 및 부품의 이탈이 발생되지 않음,

을 확인 할 수 있었다.

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그림 진동실험 후의 제품 모습( 3-6)

제 절제 절제 절제 절4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test4 Thermal Shock Test

배기매니폴드의 열충격시험은 현 자동차 업체의 시험 조건에 준하여 실시하였다.

실험조건은 매니폴드에 까지 열을 가한 후 분동안 를 유지하고 까900 6 900 , 100℃ ℃ ℃

지 냉각하는 형태를 로 하여 풀 을 실시하였다1cycle(10min) 600cycle .

- 84 -

그림 열충격 실험 조건( 3-7) (1cycle)

그림 열충격 실험도( 3-8)

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그림 열충격 실험의 모습( 3-9)

실험 결과 플렌지와 플렌지 브렌치부 표면의 균열 및 파손 등이 발생되자innet outnet ,

않음을 확인 할 수 있었다.

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론4444

본 연구에서는 상용 코드를 이용하여 배기 매니폴더의 구조적 취약부를 예측하였FEM

으며 기존모델과 수정된 모델에 대한 열응력 해석을 수행하였다 그리고 형상변경 및, .

공정개선을 통하여 매니폴드의 불량률들 최소화 하였고 진동내구 시험 및 열충격 시,

험을 통하여 신뢰성을 향상 시켰고 그 결과는 다음과 같다.

엔진 과 각 입구 포트 개방에 따른 배기 매니폴드 표면에서의 온도 분포를1. RPM

해석을 통해 게산하고 로부터 얻은 온도 분포를 경계 조건으로 하여 배기 매CFD , CFD

니폴드의 열응력 분포 및 변형 예측을 수행하였다.

배기매니폴드의 구조해석결과 각 입구 포트 개방에 따른 온도 증가로 인하여 열응력2.

이 발생하게 되고 파트의 첫 번째와 두 번째 러너의 교차점인 브랜치에서 응력이, L. H.

주로 집중되는 것을 알 수 있었다.

해석 결과 배기매니폴드의 각 러너는 하나의 입구 플랜지에 용접되어 고정되므3. FEA

로 러너의 열팽창과 플랜지의 열팽창은 서로 영향을 미치며 러너부와 플랜지부의 상,

대적인 온도차와 재질에 의한 열팽창계수차이 등으로 인해 러너의 열팽창이 입구 플,

렌지에 의해 엑제되며 러너의 접합부인 브랜치에 열응력이 집중되는 것으로 판명되었,

다.

- 87 -

플랜지를 각각의 러너에 대해 독립적으로 구성한 수정 모델의 열응력 해석 결과 기4. ,

존 모델의 해석 결과로 나타난 최대 응력에 비해 약 최대응력 감소효과를 나타20.2%

냈으며 최대응력 감소로 인한 신뢰성 향상을 기대할 수 있다, .

브렌치부 형상개선을 통하여 두께 감소로 인한 성형불량 및 발생을 최소화 하5. crack

여 불량발생율을 이상 감소 시켰다85% .

스터드볼트 조립 의 길이를 짧게 하고 스터드볼트 부위에 스프링 볼을6, tool , attach

설치하여 스터드볼트 조립 공정 불량률을 에서 로 현저히 감소 시켰다11% 3% .

진동내구시험 및 열충격 시험등 제품의 성능시험을 통하여 제품의 신뢰성을 확보하7.

였다.

- 88 -

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