Analysis of Vibration Characteristics of Fuel Pipe and Test Jig for Vehicle

차량 연료공급용 파이프 및 시험용 지그의 진동특성 해석

Abstract

In this study, the natural frequency analysis of the fuel pipe and vibration test jig was performed as a basic study to determine the vibration characteristics of the vehicle's fuel pipe and the stability analysis of fatigue failure of the pipe. The natural frequencies of the fuel pipe and the fuel pipe with the test jig were calculated and the results were compared. As a result of the analysis, it was found that the natural frequency of the fuel pipe and the natural frequency of the test jig differed about 7 times, so that the vibration of the test jig did not affect the vibration of the fuel pipe. In addition, as a result of the natural frequency analysis of the fuel pipe itself and the pipe with the test jig attached, the maximum error is less than about 1%. In the future, it was suggested that the analysis of the design changed fuel pipe may be performed without a test jig.

1. 서론

자동차 엔진의 진동은 빈번한 회전수의 변화와 운동에너지를 가지는 다양한 부품들의 상호작용으로 인하여 복잡한 운동형태를 가진다. 특히, 자동차 엔진은 다양한 소음진동의 발생, 복잡한 전달경로 및 공진현상 등의 총체적인 특성을 가진다고 할 수 있다.

자동차용 연료공급 장치의 진동특성을 분석하여 이를 실차에 적용시켰을 때 발생되는 소음 진동현상을 비교분석하여 개선방안을 제시하고자 하는 연구가 꾸준히 진행되어 지고 있다[1,2]. 다용도 복합 규격의 자동차 연료공급 PVC HOSE의 생산성을 향상 시킬 수 있는 권선장치를 개발하기 위한 연구결과[3]도 발표되어 지고 있으며, 하이브리드 자동차용 가솔린엔진 연료공급에 대한 특성에 대한 연구도 진행되었다[4]. 최근 자동차 성능향상 연구를 위한 자동차 부품의 전용 지그 개발 등에 대한 연구도 활발히 진행되어 지고 있다[5].

엔진에 부착된 다양한 부품 중 Fig. 1과 같이 실린더와 엔진을 연결하는 연료공급용 파이프의 경우 엔진 진동 등에 의하여 연결부분에 피로파괴가 발생할 우려가 있으며, 따라서 연료공급용 파이프의 고정위치, 형상 및 길이에 따른 고유진동 특성을 파악하여 공진회피 설계 등 다양한 개선 대책이 필요한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 차량의 연료공급용 파이프의 진동특성 및 파이프의 피로파괴에 대한 안정성을 판단하기 위한 선행연구로 진동 시험용 지그와 연료공급 파이프의 고유진동수 해석을 유한요소방법을 이용하여 수행하였다.

Fig. 1 Analysis model

이 연구의 목적은 첫 번째 진동시험을 위한 지그가 파이프의 진동특성에 영향을 미치지 않게 설계 되었는지 여부를 검토하는 것이고, 두 번째 목적은 연료 파이프 자체만으로 진동해석을 하는 경우와 시험용 지그와 결합된 파이프를 해석하는 경우 고유진동수 결과를 비교하는 것이다. 이것은 향후 개발 차량에 따라 연료공급용 파이프의 설계변경이 존재하는 경우에 진동 해석시간의 단축 등 용이하게 진동특성을 예측하기 위함이다.

2. 시험용 지그의 진동해석

이 장에서는 이 연구의 첫 번째 연구 목적인 시험용 지그가 파이프의 진동특성에 영향을 미치고 있는지를 판단하기 위하여 설계된 시험용 지그의 고유진동수를 해석하고자 한다. 먼저, Fig. 2와 같이 시험 지그 바디와 파이프를 결합하기 위한 결합부품이 있는 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 구속조건을 변경하여 고유진동수 해석을 수행하였다. Fig. 3은 모달 해석을 위한 유한요소 모델을 나타내고 있으며 Fig. 3(a)의 지그 바디의 경우 노드는 57,628개, 요소수는 16,891개로, 결합 부품이 있는 경우는 노드는 141,536개, 요소수는 88,639개로 하여 해석을 수행하였다.

Fig. 2 Jig shape for modal test

Fig. 3 FE modeling of jig

Fig. 4는 해석을 위한 진동시험용 지그의 구속 조건을 나타내고 있으며, 지그 바닥면 전체를 고정한 경우와 19개의 볼트 구멍을 고정한 경우에 대하여 각각 해석을 수행하여 그 결과를 비교하였다.

Fig. 4 Boundary conditions for analysis

각 구속조건에 따른 시험용 지그의 고유진동수 해석 결과를 Table 1에 나타내었으며, 지그 및 연결 부품의 재질은 알루미늄으로 해석을 진행하였다. 먼저 지그 바디 바닥면을 고정한 경우에 대한 고유진동수는 1차 고유진동수가 약 24,617 Hz, 연결 볼트 구멍을 고정한 경우 약 2,207 Hz의 고유진동수를 보였다. 파이프 연결용 부품을 포함한 시험용 지그의 1차 고유진동수는 바닥 고정인 경우 약 2,650 Hz, 볼트 구멍을 고정한 경우에 약 2,215 Hz를 나타내었다. 지그의 종류와 관계없이 구멍 고정인 경우 더 낮은 고유진동수를 나타내었으며 거의 유사한 고유진동수 값을 보임을 알 수 있다. 실제 진동시험에서 가진기와 지그의 결합은 볼트를 이용하여 수행할 예정이기 때문에 해석에서 구멍 고정의 경계조건에서 구한 1차 고유진동수를 파이프의 고유진동수와 비교하여 지그가 파이프 진동에 영향을 미치는지를 파악하고자 한다.

Table 1. Natural frequencies of test jig

Fig. 5와 6은 각 고정조건에 따른 지그의 모드 형상을 최저차 2개의 모드에 대하여 도시한 것이다. 연결 구멍을 구속한 경우 두 지그의 모드 형상은 거의 유사하며 연결 부품을 가지는 지그의 경우 1, 2차 진동모드는 연결 부품에서 최대 변형이 발생함을 알 수 있다.

Fig. 5 Mode shape of jig body

Fig. 6 Mode shape of jig body with connecting parts

3. 연료공급용 파이프의 고유진동수 해석

이 장에서는 이 연구의 두 번째 목적인 연료공급용 파이프만(case 1)을 해석한 결과와 시험용 지그에 부착한 파이프(case 2)의 고유진동수 해석을 수행하여 그 결과를 비교하고자 한다. 그 이유는 향후 차량 개발에 있어 연료공급용 파이프의 형상 및 길이가 변경되는 경우 시험 전에 해석을 통하여 진동특성을 해석하기 용이하도록 하는데 그 목적이 있다. 즉, 해석결과가 유사한 경우 Fig. 7과 같이 case 1과 같이 파이프 자체만을 해석하는 경우 해석 시간 단축에 있어 매우 효율적이라고 할 수 있기 때문이다.

Fig. 7 Analysis models

Table 2는 해석모델의 기계적 물성치를 도시하였으며, Fig. 8은 두 경우에 대한 유한요소 모델을 나타내고 있다. Case 1의 경우 노드는 15,328개, 요소수는 41,000개, case 2의 노드는 378,171개, 요소수는 171,979개로 하여 해석을 수행하였다.

Table 2. Nodes and elements of model

Fig. 8 FE modeling for analysis

4. 결과 및 고찰

Fig. 9는 연료 공급용 파이프의 고유진동수 해석 결과를 나타낸 것이다. 오직 파이프만을 해석한 case 1의 1차 고유진동수는 약 334.7Hz, 2차 고유진동수는 약 717.7Hz를 가진다. Fig. 9(b)의 case 2의 경우는 해석 모델에서 쉽게 예측할 수 있는 것처럼 고유진동수는 서로 쌍으로 나타나며 case 1과의 비교에 있어 좌표가 동일한 아래쪽 파이프의 고유진동수를 선택하여 비교 하였으며 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

Fig. 9 Natural frequency of case 1 and case 2

Table 3. Modal test results

Table 3에서 오차는 다음 식 (1)을 이용하여 구하였다.

\(\begin{align}\text { error }=\left|\frac{\text { case2-case1 }}{\text { case2 }}\right| \times 100(\%)\end{align}\)       (1)

해석 결과 case 1, 2의 경우 최대 오차는 약 1% 미만으로 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 향후 해석에 있어 시험 지그를 제외하고 해석을 수행하여도 무방하다고 판단된다. 또한 앞서 해석한 지그의 1차 고유진동수와 비교하여 약 7배 이상 작은 값을 가지기 때문에 파이프의 진동 특성에 시험용 지그는 거의 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

Fig. 10과 11은 연료 공급용 파이프의 최저차 3개의 고유 진동 모드형상을 도시하고 있으며, 육안으로 확인할 수 있는 것처럼 진동형상 및 최대 변형의 부위가 서로 유사하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 10 Analysis result for case 1

Fig. 11 Analysis result for case 2

5. 결론

이 연구에서는 차량의 연료공급용 파이프의 진동특성 및 피로파괴에 대한 안정성을 해석하기 위한 선행연구로 시험용 지그와 연료공급 파이프의 고유진동수 해석을 수행하여 파이프의 진동특성에 지그의 진동이 영향을 미치지 않음을 판단하였다. 또한, 연료공급 파이프 자체와 시험용 지그와 결합된 파이프의 고유진동수를 구하여 그 결과를 비교하였다. 해석 결과, 연료공급 파이프의 고유진동수와 시험용 지그의 고유진동수는 약 7배 이상 차이가 있어 시험용 지그는 파이프의 진동에 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

연료공급 파이프 자체와 지그를 부착한 파이프의 고유진동수 해석 결과 최대 오차는 약 1% 미만으로 향후 설계변경된 연료공급 파이프의 해석에 있어 시험 지그를 제외하고 해석을 수행하여도 된다는 근거를 제시하였다.