[논문]환경 온도변화에 대한 자동차용 엔진마운트의 수명 예측

김형민; 위신환; 윤신일; 신익재; 김규로

문제 정의

일반적으로 통계적인 분석을 위해서는 각 도로별 사용자의 운행 비율 등을 고려하는 방법이 있으나, 이 경우 다양한 사용자를 대상으로 해서 장기간에 걸친 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 국토해양부의 국내의 각 주행도로별 상황을 고려하여 산출한다. 즉 일반사용자의 각 도로별 운행비율은 각 도로 비율과 같다는 전제하에 산출된 것이다.
본 연구에서는 자동차용 엔진마운트의 정량적인 목표수명의 향상을 위해서 기존 엔진마운트의 고장 메커니즘 분석과 현 수준의 신뢰성 수준 즉, 목표수명을 정량적으로 분석하였다. 또한 사용 환경을 고려한 수명평가시험을 통해 엔진마운트의 수명분석 및 수명-스트레스의 상관 식으로 엔진마운트의 수명을 예측하여, 자동차용 엔진마운트의 고온에 의한 열화 문제의 해결과 수요기업의 보증수준의 강화에 따른 목표수명의 증대에 기여하고자 한다 (에나인더스트리(2012)).
본 연구에서는 자동차용 엔진마운트의 신뢰성 수준을 분석하기 위하여 엔진룸 환경을 고려하여 가속수명시험을 실시하고 이에 대한 수명분석을 실시하였다. <그림 2>는 엔진 마운트 단품의 수명시험 장치를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 자동차용 엔진마운트의 정량적인 목표수명의 향상을 위해서 기존 엔진마운트의 고장 메커니즘 분석과 현 수준의 신뢰성 수준 즉, 목표수명을 정량적으로 분석하였다. 또한 사용 환경을 고려한 수명평가시험을 통해 엔진마운트의 수명분석 및 수명-스트레스의 상관 식으로 엔진마운트의 수명을 예측하여, 자동차용 엔진마운트의 고온에 의한 열화 문제의 해결과 수요기업의 보증수준의 강화에 따른 목표수명의 증대에 기여하고자 한다 (에나인더스트리(2012)).
엔진마운트 주 고장모드는 고온의 분위기 온도에 따른 엔진마운트 고무의 열화와 하중에 의한 피로파괴이다. 본 연구의 핵심은 엔진 배기관과 엔진 마운트가 인접함에 따른 고온에 의한 열화 문제의 해결과 보증수준의 강화에 따른 목표 수명의 증대이다. 시료는 모두 10개로 시험하였으며, 고온내구와 상온내구를 각각 5개씩 시험을 실시하였다.

제안 방법

(2) 사용 환경온도를 고려한 수명 평가 시험 결과를 토대로 수명 데이터를 획득하여, 수명과 온도의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 수명 분포는 Weibull 분포가 가장 적합하며, 활성화에너지(E=0.
이러한 시료별 수명시험 결과의 차이는 시료별 품질 및 신뢰성 편차에 의해 발생되는 것으로 당연한 결과이다. 따라서 상기의 결과로부터 수명을 분석하기 위하여 통계적 분석을 실시한다.
본 연구에서는 자동차용 엔진마운트에 대해 하중 및 온도에 따른 가속 시험을 수행하였으며, 수명데이터에 대한 통계적 분석을 통해 보증 수명 분석하였다. 그 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
상기의 수명분석의 결과로부터 상온(23℃)에서 고온(95℃)로 분위기 온도가 70℃정도 상승함에 따라 제품의 수명은 68만회에서 31만회로 54% 정도 급격히 감소함을 알 수 있다. 상기와 같이 제품의 수명이 동일한 하중임에도 불구하고 온도에 따라 현저히 차이가 나는 것은 온도에 의한 가속성이 있음을 나타내는 것으로 온도에 따른 가속성을 검증하였다. 상온(23℃)과 고온(95℃)의 분위기 온도에서의 수명시험 결과를 와이블 분포 및 동일한 형상 모수로 설정하여 확률지에 도시하고 사용자 환경에서의 수명을 추정한 결과를 <그림 7>에 나타낸다.
상온(23℃)과 고온(95℃)의 분위기 온도에서의 수명시험 결과를 와이블 분포 및 동일한 형상 모수로 설정하여 확률지에 도시하고 사용자 환경에서의 수명을 추정한 결과를 에 나타낸다.
상온에서의 시험 결과로부터 와 같이 수명 분포의 적합성을 검토하였다.
시험 하중은 완성차의 요구수준인 ±3,500 N, 시험주기는 시험시간을 고려하여 2 Hz의 조건으로 수행하였으며, 수명데이터의 분석을 위하여 분위기 온도는 상온 및 95℃에서 수명시험을 진행하였다.
그림에서 보는 바와 같이 온도환경에서 시험할 수 있는 온도 챔버와 피로 시험기가 결합된 복합 피로시험기, 하중 피로 시험기를 볼 수 있다. 엔진 마운트의 피로 수명은 직접적으로 엔진마운트 고무의 열화 및 하중 피로에 의한 파손이므로, 시험을 용이하게 하기 위하여 엔진마운트에서 엔진 브라켓이 제거된 몰디드 어셈블리 형태로 시험을 수행한다. 엔진마운트는 이너 인서트, 아웃터 인서트, 러버로 구성된다.
엔진마운트 고무에 대한 상온 및 고온 수명 시험 결과로 얻은 수명시험 데이터로부터 수명 분포를 수명 편차를 고려하여 다음과 같이 통계적으로 해석하였다. 상온에서의 시험 결과로부터 <그림 3, 4>와 같이 수명 분포의 적합성을 검토하였다.
고장은 엔진마운트 내의 마운트 러버의 크랙으로 정의한다. 엔진마운트의 사용 환경 변화에 따른 수명분포를 파악하기 위해 각 온도 수준별 한계 내구시험을 각 온도조건 별 5개의 시료로 모두 고장이 발생할 때 까지 시험을 실시하였다. 시험 하중은 완성차의 요구수준인 ±3,500 N, 시험주기는 시험시간을 고려하여 2 Hz의 조건으로 수행하였으며, 수명데이터의 분석을 위하여 분위기 온도는 상온 및 95℃에서 수명시험을 진행하였다.
엔진마운트의 수명을 절대적으로 좌우하는 엔진 마운트 러버에 대한 수명시험 결과로부터, 엔진마운트의 수명에 미치는 온도의 영향을 분석하였다. 엔진마운트의 상온과 고온 내구에서의 형상모수는 17.
이러한 여러 가지 환경적 요인 중 엔진마운트의 주 고장메커니즘은 고온의 분위기 온도에 따른 엔진마운트 고무의 열화와 하중에 의한 피로파괴이다. 이는 엔진룸의 고온 환경이 주원인이며, 온도상승에 대한 영향측면을 고려하여 온도에 의한 열화 즉, 엔진마운트 고무의 노화에 대해 분석하였다. 따라서 엔진마운트의 필드고장원인에 따른 고장모드 및 메커니즘을 알아보면 <표 1>과 같다.

대상 데이터

본 연구의 핵심은 엔진 배기관과 엔진 마운트가 인접함에 따른 고온에 의한 열화 문제의 해결과 보증수준의 강화에 따른 목표 수명의 증대이다. 시료는 모두 10개로 시험하였으며, 고온내구와 상온내구를 각각 5개씩 시험을 실시하였다. <표 2>에서 보는 바와 같이 수명시험을 실시하여 모두 엔진마운트 고무의 크랙 파손을 재현하였다.
엔진 마운트의 피로 수명은 직접적으로 엔진마운트 고무의 열화 및 하중 피로에 의한 파손이므로, 시험을 용이하게 하기 위하여 엔진마운트에서 엔진 브라켓이 제거된 몰디드 어셈블리 형태로 시험을 수행한다. 엔진마운트는 이너 인서트, 아웃터 인서트, 러버로 구성된다.
여기서 수명분포의 해석에 사용된 수명 데이터는 의 수명데이터를 사용하였다.

데이터처리

<그림 3, 4>에서의 그래프 양상 및 AD 값의 크기로부터 엔진마운트의 수명 분포를 해석 하는데 Weibull 분포가 가장 적합함을 알 수 있다. 따라서 엔진 마운트 고무의 수명해석을 하는데 있어, 상온 내구 시험결과로부터 통계적 수명해석을 위한 수명분포는 Weibull 분포로 해석하였다.
여기서 수명분포의 해석에 사용된 수명 데이터는 <표 3, 4>의 수명데이터를 사용하였다. 수명 분포의 적합성은 상용 수명 해석 프로그램인 MINITAB을 사용하였으며, 수명 분포로는 Weibull, Lognormal, Exponential, normal 분포에 대해서 검토하였다. 수명 분포의 적합성을 나타내는 척도로는 Anderson Darling (AD)값을 사용하였다.
온도에 따른 엔진마운트 러버의 수명에 대한 가속성 검증을 정량적인 통계 값으로 확인하기 위하여 2 수준 스트레스에서의 형상 모수 βi에 대한 동일성 검정을 실시하였다.

이론/모형

수명 분포의 적합성은 상용 수명 해석 프로그램인 MINITAB을 사용하였으며, 수명 분포로는 Weibull, Lognormal, Exponential, normal 분포에 대해서 검토하였다. 수명 분포의 적합성을 나타내는 척도로는 Anderson Darling (AD)값을 사용하였다. 이 AD 값은 분석자에게 관측된 자료가 어떤 분포에 가장 잘 적합한지를 판단하는 정보를 제공해주며 동일한 수명 자료를 다수의 분포에 적합 시켰을 때 AD 값이 가장 작은 값을 갖는 분포가 가장 적합하다는 것을 의미한다 (위신환 외(2007)).

성능/효과

(1) 자동차용 엔진마운트의 필드 고장 유형은 크게 5가지 정도이며, 마운트 러버(Rubber)의 파손, 국부적인 찢어짐, 마운트 브라켓의 파손, Inner shaft의 처짐, 마운트 러버의 탄성 저하 등이 발생되고 있다. 또한 주요 고장원인에 대하여 분석결과 주 고장모드는 고온의 분위기 온도에 따른 엔진마운트 고무의 열화와 하중에 의한 피로파괴이다.
(3) 자동차용 엔진마운트에 대한 도로별 대표 사용한경 온도조건과 와이블 분석 결과를 토대로 엔진마운트의 B₁₀ 수명은 약 50만회 정도 인 것으로 분석되었다. 이는 상기와 유사한 자동차용 방진고무 제품 등과 같은 고무류 기계부품의 가속 시험 설계 시 유용한 정보로 사용될 수 있을 것이다.
또한 신뢰수준(Confidence level)은 상기 수명에 대한 신뢰할 수 있는 확률로 일반적으로 70% 또는 90%가 통상적으로 사용되며, 60% 또는 50%도 시료수와 시험기 및 시험시간의 제약으로 사용되기도 한다.⁽⁵⁾ 백분위 표로부터 엔진마운트의 B₁₀수명은 신뢰수준 90%수준에서 상온 68만 사이클, 고온 31만 사이클 수준임을 알 수 있었다.
즉 일반사용자의 각 도로별 운행비율은 각 도로 비율과 같다는 전제하에 산출된 것이다. 그 결과 대표 도로의 평균 온도는 약 43 ℃ 정도이며, 최고 온도는 56 ℃ 정도이다. 상기의 결과는 외기온도가 (29±2) ℃에 측정한 결과로 전국 18개 시의 월 평균온도 26.
그 결과 수명식 의 미지항인 엔진마운트의 활성화에너지(E=0.10eV)와 특정 상수(A=1.32×104)로 해석되었다.
(2) 사용 환경온도를 고려한 수명 평가 시험 결과를 토대로 수명 데이터를 획득하여, 수명과 온도의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 수명 분포는 Weibull 분포가 가장 적합하며, 활성화에너지(E=0.10eV)와 특정 상수(A=1.32×10⁴)로 해석되었다. 또한 제품의 형상 모수는 18.
9 ℃는 물론 최고 온도를 보인 제주시 또는 목포시의 28 ℃보다 높은 온도에서 측정된 값으로 충분한 대표성을 보이는 것으로 볼 수 있다. 따라서 대표도로의 최고 온도인 56 ℃와 시내 도로의 최고 온도 65.7 ℃를 사용 환경의 온도의 대표 값으로 설정해도 충분할 것으로 판단된다. 각 도로별 평균 온도는 주행 속도가 낮아 상대적으로 외기 유입 공기가 적은 시내 도로의 경우가 가장 높고, 대표 도로는 지방도와 시내도로의 중간정도 임을 알 수 있다.
상기의 결과는 외기온도가 (29±2) ℃에 측정한 결과로 전국 18개 시의 월 평균온도 26.9 ℃는 물론 최고 온도를 보인 제주시 또는 목포시의 28 ℃보다 높은 온도에서 측정된 값으로 충분한 대표성을 보이는 것으로 볼 수 있다.
05보다 크므로 각 두 수준의 스트레스에서의 형상 모수가 동일하다고 볼 수 있으며, 엔진마운트의 시험 결과는 온도에 따른 가속성이 성립한다고 볼 수 있다. 상기의 결과로부터 상온 내구 시험 결과와 고온수명시험결과에 대한 형상모수를 동일하게 추정한 결과 형상모수는 18.4로 동일한 것을 알 수 있다. 상기의 수명분석의 결과로부터 상온(23℃)에서 고온(95℃)로 분위기 온도가 70℃정도 상승함에 따라 제품의 수명은 68만회에서 31만회로 54% 정도 급격히 감소함을 알 수 있다.
4로 동일한 것을 알 수 있다. 상기의 수명분석의 결과로부터 상온(23℃)에서 고온(95℃)로 분위기 온도가 70℃정도 상승함에 따라 제품의 수명은 68만회에서 31만회로 54% 정도 급격히 감소함을 알 수 있다. 상기와 같이 제품의 수명이 동일한 하중임에도 불구하고 온도에 따라 현저히 차이가 나는 것은 온도에 의한 가속성이 있음을 나타내는 것으로 온도에 따른 가속성을 검증하였다.
<그림 1>은 필드고장 현황을 분석한 결과이다. 엔진마운트의 고장원인 중 마운트 러버의 찢어짐의 고장이 42%로 가장 많았으며, Inner shaft의 처짐이 26%, 마운트 러버의 탄성저하가 18%, 마운트 러버의 파손이 13%, 브라켓 파손이 1% 정도를 차지함을 알 수 있다. 대부분의 고장이 마운트 러버에 집중되어 발생되고 있음을 알 수 있다.

후속연구

수명은 약 50만회 정도 인 것으로 분석되었다. 이는 상기와 유사한 자동차용 방진고무 제품 등과 같은 고무류 기계부품의 가속 시험 설계 시 유용한 정보로 사용될 수 있을 것이다.
최근 일류화를 지향하는 선진 제품의 경우 기본적인 기능 외에 저진동, 저소음화 및 작동감 향상 등을 통한 고품질, 고품위, 고 신뢰성 달성을 위해 자동차를 비롯한 대부분의 기계제품에 고무류 부품의 사용이 날로 증가하고 있는 추세이며, 고무류 기계부품에 대한 고도의 해석 및 설계기술이 요구되고 있다. 자동차용 엔진마운트를 포함한 고무류 기계부품의 해석 및 평가에 대한 연구개발 투자는 자동차 방진고무 업계를 중심을 부품설계 시스템 구축과 내구성 및 신뢰성 향상을 목적으로 진행되어 왔으며, 그간 이 분야에 대한 국내 연구개발 투자는 다른 기술 분야에 비해 상대적으로 미비하였으나 세계 일류화를 지향하는 제품에 고무류 부품의 사용이 날로 증가하고 품질 및 성능저하에 꼭 필요한 핵심기술이므로 향후 몇 년간의 연구개발 투자는 지속적으로 증가하리라 전망된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진마운트의 내구성과 관계된 주요특성에는 무엇이 있는가?	엔진마운트의 내구성과 관계된 주요특성을 알아보면 다음과 같다. 첫째로 열의 영향이다. 고무의 기능 저하는 열에 의하여 촉진되므로 사용가능온도에는 한계가 있고, 사용시간, 고무형상 등에 따라 다르다. 고무의 종류에 따라 그 계략적인 허용 온도의 범위도 현격하게 다르다. 두 번째로 정적 변형의 영향이며, 이로 인한 기능저하로는 처짐현상(영구변형, creep)을 들 수 있다. 피지지체의 위치 변동에 의해 간섭, 스프링 특성의 변화 등 문제가 발생된다. 처짐 현상은 변형량, 온도 등에 지배되고, 그 크기는 경과 시간의 대수 값과 대략 비례관계가 있다. 세 번째로 동적 변형의 영향이다. 엔진마운트 고무에 균열을 발생시키는 주원인이며 변형을 최소로 할 필요가 있다. 네 번째로 오존의 영향이 있으며, 이에 의해서 인장의 직각방행으로 국부적인 균열이 발생한다. 이 균열은 대기 중의 오존농도, 인장응력의 크기, 일광, 습도의 영향을 받는다. 마지막으로 기름이나 약품을 고무를 팽윤시켜 수명을 저하시키거나 고무와 금속의 접착면에 침투해서 박리시킬 위험성 등이 있다. 엔진마운트의 잠재적 고장형태와 그 영향을 분석해보면 고장 요인으로는 엔진마운트에 계속적인 피로하중으로 방진고무의 기능이 저하되어 방진고무의 탄성의 저하가 발생되며, 요철이 심한 도로를 장시간 고속주행 할 경우 엔진룸의 온도가 상승되어 방진고무의 노화를 촉진하게 되어 마운트 러버의 탄성저하나 찢어짐이 발생하게 된다. 이러한 여러 가지 환경적 요인 중 엔진마운트의 주 고장메커니즘은 고온의 분위기 온도에 따른 엔진마운트 고무의 열화와 하중에 의한 피로파괴이다.
	자동차용 엔진마운트란 무엇인가?	자동차용 엔진마운트는 엔진 및 미션의 차체 고정 및 지지를 하는 부품으로 엔진 실린더 내 연소 폭발 및 크랭크 기구의 회전 시 발생되는 진동 및 소음의 흡수 또는 절연 기능을 수행한다. 또한 불규칙한 노면 등으로 인한 충격으로 인하여 차체에서 엔진 및 미션으로의 전달을 최소화화며, 진동에 대한 전달률 및 변위 감소로 인한 차량 NVH 특성 향상을 통한 승차감 및 주행 안정성을 높이는 기능성 부품이다.
	자동차용 방진고무 부품은 왜 높은 내구성이 필요한가?	자동차용 방진고무 부품은 차량의 수명기간동안 정숙성 및 승차감을 유지하고, 부품의 보증 기간을 확보하기 위하여 높은 내구성이 요구되고 있다. 자동차용 엔진마운트는 방진고무로 이루어져 있고, 이러한 고무부품 대부분은 정적 또는 동적하중을 지속적으로 받고 있다.

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