엔진밸브 축단부의 실가동 모사 피로수명평가 기술 개발 :Development of fatigue life evaluation technology simulating actual operation of engine valve for stem end

박재형

추천

검색

자료유형: 학위논문

저자정보: 박재형 (성균관대학교, 성균관대학교 일반대학원)

지도교수: 석창성

발행연도: 2021

저작권: 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

엔진밸브 축단부의 실가동 모사 피로수명평가 기술 개발

박재형 기계공 2021.01 학위논문

2020

차량용 엔진밸브 축단부의 실 가동조건 모사 내구수명 평가

박재형 , 석창성 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 2020.09 학술대회자료

이 논문의 후속연구가 궁금하신가요?
연관 학술논문 또는 학술발표를 통해 보다 발전된 연구결과를 확인하실 수 있습니다.
이 논문의 연구 히스토리 확인하기

초록· 키워드

오류제보하기

친환경차의 판매량이 증가하고 있지만 2030년 세계 자동차 시장에서 내연기관의 점유율은 여전히 높을 것으로 예상된다. 따라서 많은 자동차 제조업체들이 엔진을 축소하고 엔진의 성능과 효율을 높여 경쟁력을 확보하려 한다. 고효율 엔진에서는 밸브가 큰 가속도와 높은 배기온도에 노출되기 때문에 밸브 제조사는 밸브 내구성능 확보를 위해 노력하고 있다.
엔진밸브의 피로성능 평가는 실차 시험이 가장 정확하다. 그러나 밸브가 아닌 다른 부품의 파손이 먼저 발생할 수 있으며, 엔진 가동 조건을 바꿀 수 없어 가혹 조건에 대한 평가가 불가능하고 비용이 많이 든다. 또한 동일 소재 표준시편이나 밸브만의 시스템으로 평가한 피로성능은 실제 가동을 모사하지 못한다. 이에 따라 밸브의 실 가동을 모사한 피로성능 평가연구가 많이 수행되었으며 배기가스에 직접 노출되는 밸브 목부 중심으로 이루어졌다.
그러나 요즈음 일부 차량에서 밸브 축단부의 필드 불량이 보고되었으며 최근 한 자동차 회사의 파손분석 요청 중 70 %가 밸브 축단부 파손 유형이었다. 이전 연구는 주로 밸브 목부에서 수행되었기 때문에 현재 밸브 축단부의 피로성능에 대한 연구는 체계화되지 못하였다. 따라서 실제 엔진밸브의 운동을 모사하여 밸브 축단부의 피로수명을 평가할 수 있는 기술이 필요하다.
이에 본 연구에서는 차량용 엔진밸브의 축단부 피로시험기를 개발하고 피로수명평가법을 개발하였다. 시험기를 개발하기 위해 밸브의 가동 및 파손원인을 분석하였다. 그리고 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus로 핵심구동부의 유한요소해석을 실시하여 밸브 축단부의 하중단계별 피로시험의 가능성을 검토하였다. 이를 바탕으로 피로시험기를 제작하고 예비시험을 수행하여 실제와 시험기의 밸브 파손 양상, 밸브 응력이력을 비교하였다. 그 결과 시험기와 실제 사례의 밸브 파손 양상과 밸브 응력이력이 유사한 것을 확인하였고 시험기의 실가동 모사가 검증되었다.
개발한 시험기로 밸브 축단부 피로시험을 수행하고 설치하중을 기준으로 S-N 선도를 획득하였으나 설치응력과 피로수명이 일대일 대응되지 않음을 확인하였다. 따라서 밸브 축단부의 피로수명은 충격응력을 기준으로 평가해야하지만 매 시험마다 strain gauge로 응력이력을 측정하는 것은 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 복잡한 하중조건에서의 피로수명평가에 유리한 에너지를 이용하여 탄성에너지라는 새로운 피로수명 평가기준을 제안하였다. 탄성에너지 기준 피로수명평가의 이론적 근거로서 변형률 에너지법으로 피로수명을 평가한 연구들을 참고하여 밸브가 흡수하는 변형에너지가 탄성에너지와 비례함을 보였다. 또한 다양한 설치조건에서 추가 실험을 수행하여 탄성에너지로 밸브 축단부의 피로수명을 평가하는 것이 타당함을 실험적으로 증명하였다.
본 연구는 밸브 축단부의 실가동 모사 피로시험기를 개발하여 실차주행시험 대비 비용을 줄였으며 밸브의 다양한 설치조건을 모두 고려할 수 있는 피로수명평가법을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이는 밸브 제조사의 엔진밸브 축단부 내구성능 향상을 위한 공정 개선이나 소재 개발의 효과를 검증하기 위해 활용될 수 있다.

Although the sales of green cars are increasing, internal combustion engines are expected to remain high in 2030. Therefore, many car manufacturers seek to reduce engine size and increase engine efficiency to be competitive. Because valves are exposed to high acceleration and exhaust temperature in high-efficiency engines, valve manufacturers are trying to secure valve durability.
The onroad test is most accurate to evaluate fatigue life of engine valves. However, it is difficult for onroad test to break target part and it costs a lot. The fatigue evaluation of standard specimen is different to real valve. So, many fatigue evaluation studies have been conducted that mimic the actual operation of the valves, focusing on valve necks directly exposed to exhaust gases.
However, some failure cases are reported for valve stem end these days. Because previous studies mostly conducted at the valve neck, studies and systems for valve stem end are not exist. Therefore, a study is needed to evaluate the fatigue life of the valve stem end.
In this study, fatigue test machine and fatigue life evaluation method for valve stem end are developed. In order to develop the test machine, the valve operation and breakage was analyzed and a finite element analysis of the test machine was done by a finite element analysis program Abaqus. The performance of test machine was verified by comparing failure mode and stress history with a real case.
The fatigue life data of valve stem end were not organized by installation stress in S-N curve. The fatigue life of valve stem end should be evaluated through impact stress, but it is difficult to measure stress history by using strain gauge in every single test. So this study proposed a new method for evaluating fatigue life using elastic energy because energy concept has a advantage in complex stress condition.
This study has the advantage of considering various installation conditions of valves, with lower cost compared to actual test. This study can be used to verify the effectiveness of valve manufacturers'' process improvement or material development to improve valve durability.

#엔진밸브 축단부 #시험기 개발 #유한요소해석 #피로수명평가 #탄성에너지

목차
제1장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 관련 연구 5
1.3 연구 목적 8
1.4 논문의 구성 9
제2장 관련 이론 10
2.1 밸브 트레인 10
2.1.1 밸브 트레인의 구조와 형식 10
2.1.2 밸브 간극 조절방식 HLA와 MLA 12
2.2 캠 13
2.2.1 종동절(Follower)의 변위 선도 13
2.2.2 원판 캠 Follower의 단순 조화 운동 15
2.3 피로시험 17
2.3.1 S-N 선도의 특징 17
2.3.2 피로 파단면의 특징과 정보 19
2.4 에너지 21
2.4.1 탄성에너지 21
2.4.2 변형에너지 밀도 22
제3장 밸브 축단부 피로시험기 개발 25
3.1 엔진밸브의 가동 및 파손원인 분석 25
3.2 핵심 구동부 Dynamic Implicit Analysis 30
3.2.1 핵심 구동부 설계와 유한요소해석 모델 30
3.2.2 전체 해석 개요 32
3.2.3 물성치 및 경계 조건 32
3.2.4 해석 결과 및 고찰 36
3.3 실가동 모사 밸브 축단부 피로시험기 개발 39
3.3.1 시험기 설계 및 제작 39
3.3.2 시험기의 실가동 모사 검증 49
3.4 결론 및 고찰 54
제4장 밸브 축단부 피로시험 56
4.1 밸브 시험편의 사양 56
4.2 시험조건 및 방법 57
4.3 피로시험 결과 60
4.4 피로시험 결과 분석 61
4.5 결론 및 고찰 65
제5장 탄성에너지를 이용한 피로수명평가법 개발 66
5.1 설치하중 기준 S-N 선도의 한계 66
5.2 탄성에너지를 이용한 피로수명평가법 68
5.3 탄성에너지를 이용한 피로수명평가법의 근거 70
5.4 결론 및 고찰 76
제6장 결론 78
참고문헌 80

최근 본 자료

전체보기

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	원문	원문 PDF 파일
AI 학습용 데이터	원문 + 메타 (기본/상세)	원문 PDF 파일 및 서지정보 CSV
대량 구매용 데이터	B2B 구독 방식	특정 자료 한정으로 원문 접근 권한 부여
대량 구매용 데이터	URL 전달 방식	바로 PDF 뷰어를 열람할 수 있는 URL 제공

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	기본 메타	발행기관명, 간행물명, 권호명, 권(vol), 호(issue), 통권, 발행연도, 발행월, 논문명, 저자명, 시작페이지, 종료페이지, 전체페이지, 상세페이지URL
상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
	간행물 메타	부제목, 간행물 유형, ISSN, ISBN, 최초발행연도, 폐간연도, 간행빈도, 발행주기, 등재사항, 이용수, 피인용수, 권호수, 논문수, 표지이미지
	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

구분	그룹	데이터 항목
※ 결합형/맞춤형 메타 데이터는 신청 내용에 따라 다양하게 제공 가능
이용순위 정보	주제분야별 많이 이용된 논문	“인문학”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	이용기관별 많이 이용된 논문	“중고등학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	세부기관별 많이 이용된 논문	“서울대학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	키워드별 많이 이용된 논문	“Chat GPT”에서 많이 이용된 논문 TOP100
키워드 정보	많이 이용된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 이용된 키워드
	많이 발행된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 발행된 키워드
	많이 검색된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 검색된 키워드
	연구 트렌드 키워드	특정 키워드 연관 연구동향 분석 데이터 키워드

논문 기본 정보

이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

목차

최근 본 자료

댓글(0)