본 연구에서는 비석면 FCM(Fiber-elastomer Coated Metal) 가스켓의 강건 설계를 수행하였다. 이를 위하여 직교배열표를 사용한 실험계획법에 따라 전단력을 측정하는 실험을 수행하고 다구찌 기법을 사용하여 망대SN비를 산출하여 영향을 미치는 제어인자를 파악하고 분산 분석을 수행하였다. 전단력에 영향을 미치는 제어인자로 온도, 압력, 시간 및 습도를 선택하였으며 각 제어인자에 대하여 3수준을 고려하여 $L_9(3^4)$ 직교배열표를 작성하였고, 이에 근거하여 측정 실험을 수행하였다. 다구찌 기법을 사용하여 망대 SN비를 산출하고 델타 통계량을 계산하였다. 시간의 델타 통계량이 0.93으로, 시간이 전단력에 가장 큰 영향을 미치는 결과를 얻었다. 다음으로 온도, 압력, 습도 순으로 영향을 미쳤다. 또한 시간 80초, 온도 $200^{\circ}C$, 압력 90 $kgf/cm^2$, 습도 60 %RH의 조건에서 전단력이 최대가 됨을 보였다. 이에 대한 분산 분석을 수행한 결과 시간과 온도는 각각 p값 0.037, 0.098을 보여 신뢰수준 95%와 90%에서 유의함을 밝혔다.
본 연구에서는 비석면 FCM(Fiber-elastomer Coated Metal) 가스켓의 강건 설계를 수행하였다. 이를 위하여 직교배열표를 사용한 실험계획법에 따라 전단력을 측정하는 실험을 수행하고 다구찌 기법을 사용하여 망대 SN비를 산출하여 영향을 미치는 제어인자를 파악하고 분산 분석을 수행하였다. 전단력에 영향을 미치는 제어인자로 온도, 압력, 시간 및 습도를 선택하였으며 각 제어인자에 대하여 3수준을 고려하여 $L_9(3^4)$ 직교배열표를 작성하였고, 이에 근거하여 측정 실험을 수행하였다. 다구찌 기법을 사용하여 망대 SN비를 산출하고 델타 통계량을 계산하였다. 시간의 델타 통계량이 0.93으로, 시간이 전단력에 가장 큰 영향을 미치는 결과를 얻었다. 다음으로 온도, 압력, 습도 순으로 영향을 미쳤다. 또한 시간 80초, 온도 $200^{\circ}C$, 압력 90 $kgf/cm^2$, 습도 60 %RH의 조건에서 전단력이 최대가 됨을 보였다. 이에 대한 분산 분석을 수행한 결과 시간과 온도는 각각 p값 0.037, 0.098을 보여 신뢰수준 95%와 90%에서 유의함을 밝혔다.
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...
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 $L_9(3^4)$ 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, temperature $200^{\circ}C$, pressure 90 $kgf/cm^2$, humidity 60 %RH. P values of duration time and temperature as a results of the analysis of variance are 0.037 and 0.098. Therefore the analysis has significant each with 95% and 90% confidence level.
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 $L_9(3^4)$ 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, temperature $200^{\circ}C$, pressure 90 $kgf/cm^2$, humidity 60 %RH. P values of duration time and temperature as a results of the analysis of variance are 0.037 and 0.098. Therefore the analysis has significant each with 95% and 90% confidence level.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 실험 계획법으로 FCM 가스켓의 전단력을 측정하고 다구찌 방법을 이용하여 실험 결과를 분석하여 FCM 가스켓의 최적 접합조건을 구하는 것이다.
고무층의 두께가 증가하면 초기 기밀성은 좋은 반면 시간이 지나면서 고무의 열화에 의해 점차 기밀성이 나빠지는 특성을 보임에 따라 고무층을 일정한 높이만큼 도포해야 한다. 이러한 문제점을 해결하고자 얇은 금속판 위에 고무 대신 고무에 고분자 섬유 탄성중합체(fiber elastomer)를 섞은 섬유 탄성중합체 코팅 금속(FCM: fiber-elastomer coated metal) 소재 가스켓을 개발하였다[2].
제안 방법
1. 가스켓 전단력 측정장치를 설계·제작하고 통계 소프트웨어를 사용하여 실험계획법을 적용한 가스켓 설계 시스템을 구축하였다.
FCM 가스켓의 전단력을 측정하기 위하여 실험 장치를 설계하고 제작하였다.
본 실험 장치는 가스켓에 수직력을 가하는 유압펌프와 수직력의 상하 방향을 조절하기 위한 유압 실린더와 유압 밸브, 수직력을 측정하기 위한 로드 셀(Load cell)로구성되어 있다. 또한 블록을 수평으로 이동시켜 전단력을 발생시키기 위한 서보 모터와 이를 측정하기 위해 로드 셀(Load cell), 전단력에 따른 변위를 측정하기 위해 LVDT(Linear variable differential transformer)를 설치하였으며 Labview 8.5를 이용하여 데이터를 취득하였다.
본 실험 장치는 가스켓에 수직력을 가하는 유압펌프와 수직력의 상하 방향을 조절하기 위한 유압 실린더와 유압 밸브, 수직력을 측정하기 위한 로드 셀(Load cell)로구성되어 있다. 또한 블록을 수평으로 이동시켜 전단력을 발생시키기 위한 서보 모터와 이를 측정하기 위해 로드 셀(Load cell), 전단력에 따른 변위를 측정하기 위해 LVDT(Linear variable differential transformer)를 설치하였으며 Labview 8.
본 연구에서는 정특성 실험을 수행하였고 FCM 가스켓의 성능을 결정하는 가장 중요한 물리량은 전단력이며 이것에 영향을 주는 제어 인자로 가스켓 성형 시에 설정하는 온도, 압력, 시간 및 습도를 선택하였으며, 각 제어인자에 대한 수준은 3 으로 하여 Table 2와 같이 설정하였다[8].
대상 데이터
본 연구에 사용된 가스켓은 FCM을 사용한 것이며, 주로 자동변속기의 밸브 가스켓으로 사용된다. 이러한 FCM 제조 시 접착조건에 따라 다른 물리적인 특성을 가진다.
이론/모형
Table 8은 전단력의 SN비에 대한 분산 분석의 결과이다. Minitab의 분산 분석 중 일반선형모형을 사용하였다. 분산 분석표에서 변동이 작은 압력과 습도의 변동을 오차 변동으로 처리하였다.
기계 부품 사이의 누설을 방지하기 위하여 사용되는 비석면 FCM 가스켓 설계에 다구찌 기법을 적용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
다구찌 방법에서 개선을 위한 정도를 나타내는 측정치로 SN비(ratio of signal to noise)를 사용한다. SN비는 잡음에 대한 제어 인자의 비를 나타내며 식 (1)과 같이 정의된다[7].
본 연구에서 사용한 가스켓은 전단력의 크기가 크면 클수록 좋기 때문에 망대특성(larger-the-better characteristics)을 이용했다. 망대특성은 인장, 전단력 등과 같이 특성치가 크면 클수록 좋은 경우에 사용된다.
전단력 측정 실험은 GM PSA 시험 방법[9]에 따라 Fig. 4과 같이 일정한 크기의 블록 사이에 가스켓을 위치시킨다. 가스켓의 크기는 가로, 세로, 높이 15.
직교배열표에 근거한 실험계획법에 따라 Fig. 2와 같은 실험장치를 이용하고 GM PSA 실험방법으로 실험을 수행하였다.
성능/효과
2. 직교배열표를 이용하는 실험계획법에 근거하여 실험을 수행하고 다구찌 기법에 따라 망대 SN비를 산출하여 시간과 온도가 전단력에 큰 영향을 미치며, 압력과 습도는 상대적으로 작은 영향을 미치는 것을 밝혔다.
3. 망대 SN비에 대하여 분산분석을 수행하여 시간과 온도는 신뢰수준 95%와 90%에서 유의한 결과를 보이고 있음을 보였다.
4. 이러한 직교배열표를 이용한 실험계획법과 다구찌 기법을 사용하여 실험 횟수를 줄이고 전단력이 최대로 되는 가스켓의 강건 설계가 가능함을 보였다.
037이다. 따라서 온도는 90% 신뢰수준에서, 그리고 시간은 95% 신뢰수준에서 유의함을 보여주고 있다.
후속연구
기계적인 조작으로 이론을 잘 모르는 경우에도 일부실시법, 교락법, 분할법 등의 실험 배치를 수립할 수 있다. 또한 요인변동의 계산이 쉬우므로 분산분석표 작성이 용이하며, 실험의 수를 확대시키지 않고 많은 인자에 대한 실험을 수행할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
다구찌 방법이란 무엇인가?
다구찌 방법[4]은 품질 최적화 개념을 도입한 일본의 다구찌 겐이찌(田口玄一)에 의해 개발된, 직교 배열표를 이용한 실험 계획법이며 다양한 최적화 강건 설계[5,6]에 성공적으로 사용되었다.
직교 배열표를 이용한 실험 계획의 장점은 무엇인가?
직교 배열표를 이용한 실험 계획은 다음과 같은 장점이 있다. 기계적인 조작으로 이론을 잘 모르는 경우에도 일부실시법, 교락법, 분할법 등의 실험 배치를 수립할 수 있다. 또한 요인변동의 계산이 쉬우므로 분산분석표 작성이 용이하며, 실험의 수를 확대시키지 않고 많은 인자에 대한 실험을 수행할 수 있다.
초기 가스켓의 특징은 무엇인가?
초기 가스켓을 만드는 재질의 경우 대부분 석면 재질로 만들어졌으며, 이러한 석면 재질로 가스켓을 만들 경우 생산 가격이 저렴하다는 이점은 있지만 석면 재질의 인체에 대한 유해성이 알려짐[1]에 따라 비석면 재질로 만들어진 가스켓의 사용이 꾸준히 늘고 있는 추세이다. 그러나 비석면 원자재만으로는 엔진의 고온․고압에서 가스켓이 엔진의 기밀성을 유지할 수 없어, 얇은 금속판 위에 고무층을 도포하는 형식인 고무 코팅 금속(RCM: rubber coated metal) 소재을 사용하고 있다.
참고문헌 (10)
H. K. Chung, "Hazard of asbestos and effects on the human body", Journal of Industrial Safety, Vol. 72, pp. 84-87, 1990.
D. E. Czernik, Gaskets Design, Slection, and Testing, pp.153-187, McGraw-Hill, 1996
S. Banerji, "Orthonal Array Approach for Test Case Optimization," Int. Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engeering, Vol. 1, Issue 9, 2012
G. S. Peace, Taguchi Methods, Addison-Wesley Publishing Co., pp.1-5, 1993.
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.1990-1995, 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.5.1990
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.1171-1177, 2010 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2010.11.4.1171wv
G. Taguchi, Introduction to Quality Engineering, Kraus International Publications, pp.104-105, 1986
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. 40-48, 2008
GMNA(General Motors North America) 9985912, GM Factory Fill, 2004
S. B Lee, Application of Taguchi Method using the MINITAB, Eretec Publishing Co., pp.30-32, 2009
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