The Korean Society Of Automotive Engineers

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 10

[ Article ]
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 10, pp.777-784
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Oct 2019
Received 04 Jul 2019 Revised 13 Aug 2019 Accepted 15 Aug 2019
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.10.777

자동차 공조 시스템에서 중량 저감을 위하여 1.2t 두께를 갖는 AHU의 개발
이대웅* ; 윤정훈
한온시스템 연구본부 APIC

Development of AHU with 1.2 t Housing for Weight Down in the Automotive HVAC System
Daewoong Lee* ; Junghoon Yun
APIC, Research Division, Hanon Systems, 95 Sinilseo-ro, Daedeok-gu, Daejeon 34325, Korea
Correspondence to : *E-mail: dlee6@hanonsystems.com


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 167-05
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Abstract

Recent trends in vehicle development have gradually been focused on fuel consumption and tailpipe emission. The greenhouse gas(GHG) regulations require a reduction in emission of roughly 30 % for the next 10 years. As a result, the automotive industry has a major challenge to enhance the fuel economy each year. In order to improve fuel economy, one of the solutions is to reduce the weight of the vehicle not only in the chassis parts, but also in the cabin components. Therefore, an attempt has been made to meet those requirements by developing an air handling unit(AHU) housing with a thickness of 1.2. For successful tooling, CAE analysis to implement an AHU housing with a thickness of 1.2 has been performed, taking into account both dynamic stiffness and injection mold flow analysis. Meanwhile, AHU housing mold for mass production was developed as optimized, taking into account the gate number, filling time, injection pressure and temperature, clamping force, volumetric shrinkage and deformation, and the mass product of AHU. Subsequently, the product made from mold met the engineering specification and design criteria through a radiated sound experiment. In this study, an AHU with a thickness of 1.2 was successfully developed by optimizing the mold structure and injection molding conditions, and attained the same dynamic stiffness and radiation sound as the current AHU housing with a thickness of 1.7 while reducing the weight by approximately 20 %.


Keywords: Air handling unit, Dynamic stiffness, Fuel economy, Injection molding, Mold flow analysis, Radiated sound, Stress, Weight down
키워드: 공기 분배장치, 동 강성, 연비, 사출 성형, 유동해석, 방사음, 강도, 중량 저감

1. 서 론

소비자들의 요구가 다양해짐에 따라 점점 전자화, 고급화되고 있는 자동차 산업은 부가장치의 증가로 중량은 계속 증가하고 있으며, 또한 환경규제가 강화되면서 차량의 연비개선 및 배기가스 감소가 전 세계적으로 요구되고 있다.1)

자동차의 연비개선 방안으로는 엔진 및 구동계의 효율 향상, 주행 저항을 줄이는 공기역학적인 차체 설계 그리고 소형화 및 경량화 등이 있다. 이중 경량화 기술은 상대적으로 적용이 용이하고 기존 내연기관 자동차뿐만 아니라 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 이르기까지 모두 적용이 가능하다는 장점이 있다.2)

자동차에서 공기 분배장치(AHU, Air Handling Unit, 이하 AHU)은 탑승자의 요구에 따라 더운 공기 또는 차가워진 공기를 직접 차 실내로 공급하거나, 또는 이들 더운 공기와 차가운 공기를 적절히 혼합하여 온도조절을 한 후 각각 얼굴 방향(Face mode), 발 방향(Foot mode), 제상 방향(Defrost mode)으로 단독 혹은 복합적으로 송풍하여 승객에게 쾌적한 환경을 제공한다. 이러한 AHU은 인간과 직접 접촉하는 부분으로 좁은 공간에서의 답답함을 극복하고 보다 편안한 환경을 제공하기 위하여 여러 연구들이 진행되고 있다.3)

성명호 등4)은 승용차의 진동 소음에 대하여 200 Hz 이하의 주파수가 중요하다는 특성을 해석으로 밝혔으며, 구조 진동과 음향 진동과의 상관성에 대하여 연구를 하였다.

이상권5)은 소음 전달을 진동의 전달 경로로 예측하여 차 실내에서의 소음을 저감하고자 연구를 하였으며, 송문성 등6)은 복잡한 구조물인 자동차의 소음 전달 경로를 규명하기 위하여 음압 전달 함수를 이용하여 공기에 기인하는 소음 예측법에 대하여 연구를 하였다.

차량용 AHU은 각종 열교환기와 송풍기를 포함하고 있으며, 이들 외곽은 플라스틱 하우징으로 감싸져 있다. 통상 AHU 하우징의 성형에는 RTM성형(Resin Transfer Modeling), SMC성형(Sheet Molding Compound), 사출 성형(Injection Molding)으로 구분되며, 이중에서 사출 성형은 수지가 스프루(Sprue), 러너(Runner), 게이트(Gate)를 지나 캐비티(Cavity)까지 채워지는 충진 과정(Filling), 캐비티까지 충진 후 고분자 재료의 수축을 보상하기 위해 높은 압력으로 고분자 재료를 부가적으로 채워주는 보압과정(Packing), 마지막으로 제품이 무리 없이 탈형(Ejecting)이 될 수 있도록 고화시키는 냉각과정(Cooling)으로 이루어진다.7)

이들 AHU의 하우징은 주로 폴리프로필렌(Polypropylene) 수지에 활석(Talc)을 첨가한 고분자 복합재료가 사용된다. PP+Talc 수지는 성형시 치수변화가 적어서 정밀한 치수 형상물의 제작에 적합하며, 활석의 혼합비율에 따라 재료의 강도와 탄성률이 달라지기 때문에 사용하는 환경과 목적에 따라 혼합비를 조절한다. 또한 AHU의 하우징은 차량의 다양한 환경 및 작동조건을 고려하여 내진동성, 열충격, 복합 진동내구 시험 등을 통하여 신뢰성 기준을 만족해야 한다. 이러한 요구 조건을 달성하기 위해서는 하우징의 두께를 증대하여 견고하게 설계하면 되겠지만, 중량 증가 및 원자재 비용 상승을 초래하므로 하우징의 두께를 얇게 만들어 중량을 저감하면서 강성과 소음기준을 만족하는 기술에 대한 연구가 필요하다.

듀폰(Dupont)에서는 차량의 중량 저감을 위하여 금속이 사용되는 부품에 대하여 고 기능을 갖는 폴리머(Polymers)를 사용하여 중량을 감소하였다. 이 고 기능성 폴리머 소재는 뜨거운 오일이나, 뜨거운 공기 및 도로의 염화칼슘 등 어떠한 화학적인 환경에도 적용이 가능하다고 발표하였다.8)

김영수 등9)은 자동차의 조향 장치(Steering system)부품 중 기존의 금속재료(SM45C)를 사용하는 타이 로드 앤드(Tie rod end)를 플라스틱 재료로 대체하기 위하여 성형 공법, 성형 재료, 금형구조 등을 해석으로 최적화 하였고, 최종 사출된 부품을 시험하여 인장강도와 경량화를 모두 만족할 수 있었다.

델파이(Delphi)는 고분자 수지 사출에 뮤셀 공법(Mucell method)을 이용하여 차량 공조 시스템과 AHU 부품들의 중량을 약 10 % 저감하였고, 제품의 생산 주기(Cycle time)도 약 30 % 정도 향상하여 제품의 경쟁력을 확보하였다.10)

산덴(Sanden)은 초 저 중량 밀집형 AHU(Ultra light and compact)에 대하여 연구를 하였다. 필름 형태의 공기분배 도어(Air mixing door) 및 온도조절 도어(Temperature door)를 사용하였고, 하우징은 폴리프로필렌에 글라스 버블(Glass bubbles)을 추가하여 기존의 AHU보다 중량을 저감하였다.11)

윤정훈 등12)은 차량용 공기 분배장치의 두께를 얇게 하면, 발생할 수 있는 진동과 소음전달을 최소화하기 위하여 강성 최적설계를 제안하였다.

본 연구에서는 차량용 AHU의 중량 저감을 위하여 1.2 t 두께를 가지는 AHU 하우징의 개발과정을 소개하고자 한다. 기존보다 두께가 얇아지기 때문에 변형과 강성을 고려한 설계가 무엇보다 중요하므로 강성, 금형구조와 성형 사출 조건에 대하여 해석으로 최적화 하였고, 사출된 AHU의 방사음을 평가하여 기존의 1.7 t AHU과 동등한 성능을 가지는 것을 확인하였다.


2. AHU 하우징의 해석
2.1 차량용 AHU

자동차에서 AHU은 히터 코아(Heater core)와 증발기(Evaporator)를 감싸고 있는 플라스틱 하우징(Plastic housing)으로 구성되어 있으며, 내부에는 여러 개의 공기분배 도아와 온도조절 도아를 설치하여 공기를 혼합하고, 토출한다. 하우징 외측에는 암(Arm)과 레버(Lever), 캠(Cam)이 설치되어 도아를 구동할 수 있도록 되어 있다.13)

Fig. 1은 차량에서 엔진 및 압축기의 진동이 AHU으로 전달되는 경로에 대하여 나타내었다. AHU은 에어컨 배관(Plumbing parts) 또는 히터 호스(Heater hose)를 통하여 AHU로 전달되고 실내로 소음이 방사되기 때문에 AHU의 하우징 형상 및 구조는 차체 프레임에 조립되는 부위가 견고하여야 하며, 엔진으로부터 전달되는 진동은 차단하고, 주행 등 여러 환경에서 견딜 수 있도록 AHU 하우징은 견고하게 설계되어야 한다.


Fig. 1 
Schematic diagram of cabin noise transmission path to engine vibration in vehicle

이러한 요구를 만족하기 위하여 기존 AHU의 하우징은 2.0 t ~ 2.5 t로 설계 되었으나, 최근 차량의 경량화 개발 추세와 맞물려 AHU도 중량을 저감하기 위하여 하우징 두께가 1.7 t로 설계되고 있다. 두께가 얇아지면 하우징의 강성은 감소하고 방사음은 증가할 수밖에 없으며, 얇아진 하우징 금형 내에서 수지의 흐름도 문제가 될 수 있다. 따라서 AHU의 하우징을 얇게 하면서도 강성을 유지하고, 수지의 흐름을 고려하여 하우징이 사출되도록 하는 것이 중요하다.

여기서는 더욱 거세진 중량저감의 압박에 대응하기 위하여 하우징 두께를 1.2 t로 현격하게 줄인 AHU에 개발과정에 대하여 소개를 하고자 한다.

2.2 동 강성 해석
2.2.1 동 강성 해석 조건

진동과 소음을 규명하기 위하여 동 강성 분석법은 이미 오래전부터 자동차의 여러 분야에서 사용되어 왔다. 동 강성은 단위 진동 변위에 대한 가진력의 크기로 입력점에서의 강성을 의미한다. 이와 같은 해석법은 차체를 가진시키는 새시 부품 또는 구조물이 장착되는 엔진 마운팅(Engine mounting), FRT suspension, FRT sub frame, 차체 패널 등에 주로 사용된다.14)

AHU의 동 강성 해석은 열교환기, 공기분배 도아, 온도조절 도아 및 송풍기의 전동 모터를 감싸고 있는 하우징이 조립된 상태에서 AHU이 충분한 강성을 가지는지를 살펴보았다. 해석은 하우징이 1.2 t로 설계된 AHU의 3D CAD 모델링에서 메쉬(Mesh)를 추출하여 해석을 하고 강성 취약부를 찾아 다시 해석을 하는 방법으로 최적화를 하였다.

물체가 탄성한계 이내에서 힘을 받아 생기는 변형량은 작용하는 외력의 크기에 비례하는 Hook's 법칙에 따르면, 스프링 상수 k식 (1)과 같이 표현된다.

k=Fx(1) 

강제 진동 모델에서 주파수 응답 함수 FRT (Frequency Response Function)는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.

FRF=Aω=aF=-ω2kx=2πf2k=-4π2f2k(2) 
k=-4π2f2Aω(3) 

관성은 가해진 힘에 대한 가속도이므로 힘과 가속도를 알면 A(ω)를 구할 수 있다.

Fig. 2는 AHU의 동 강성 해석의 모델링을 보여준다. 실제 차량에 AHU가 장착되는 조건을 모사하여 AHU의 장착 브라켓(Bracket)을 구속한 조건으로 하고(6군데), 총 14군데에서 강성을 해석하였다. 측정위치는 구조적으로 취약할 것으로 예상되는 부위들이다.


Fig. 2 
Analysis conditions of AHU dynamic stiffness

해석에 사용된 프로그램은 상용 툴인 ANSYS를 이용하였고, 고분자 재료의 물성 값은 폴리플로필렌 수지에 첨가제로 활석을 20 % 혼합한 복합수지에 대하여 탄성계수(Modulus of elasticity), 밀도(Density), 포아송비(Poisson's ratio)를 사용하였다. 경계조건은 구속이 없는 Free-Free 조건이고, 20 Hz~200 Hz 대역의 주파수 응답에 대하여 최소오차 자승평균값으로 해석하였다. CAD 모델로부터 추출한 테트라 매쉬(Tetra mesh)는 2nd Order를 사용하였고, 해석 Modal 추출은 Block Lanczos 방법을 이용하였다.

2.2.2 동 강성 해석 결과

차량에서 엔진이나, 에어컨 시스템의 압축기 진동에 의하여 차 실내에서 발생되는 구조기인 소음(Structure bone noise) 저감을 위하여 AHU의 강성 해석을 진행하였다. 차 실내 소음은 200Hz 이하의 주파수가 대부분 기여하기 때문에 AHU도 주파수 20 Hz ~ 200 Hz 대역에서 각 측정 점에서의 강성이 높은쪽으로 설계를 하는 것이 필요하다.

Table 1에 각 위치에서 해석한 AHU의 동 강성 결과를 정리 하였다. 해석은 Base AHU 모델에서 수차례 개선 모델로 변경하면서 진행되었고, 강성이 취약하게 나타나는 부위는 하우징의 형상, 리브(Rib)의 위치, 길이나 폭 및 하우징들 간의 체결 위치의 변경 등으로 개선을 하였다.

Table 1 
Analysis results of dynamic stiffness at each position of AHU (Unit : kgf/mm)
Base AHU Pt1 Pt2 Pt3 Pt4 Pt5 Pt6 Pt7 Pt8 Pt9 Pt10 Pt11 Pt12 Pt13 Pt14
15.7 2.8 5.9 6.9 2.2 3.5 1.5 1.3 8.1 6.8 1.4 1.4 0.8 1.2
Final AHU Pt1 Pt2 Pt3 Pt4 Pt5 Pt6 Pt7 Pt8 Pt9 Pt10 Pt11 Pt12 Pt13 Pt14
17.7 3.6 9.6 8.2 3.3 8.9 3.9 4.7 10.9 7.6 2.2 2.5 1.4 1.5

Fig. 3은 일례로 하단부 하우징과 히터 코아 파이프 고정 지지대 구조의 형상을 보여주고 있다. Fig. 3(a)는 AHU 하우징 진동이 전달되는 것을 줄이기 위하여 하우징 아래쪽의 형상을 기존의 면 리브(Surface rib) 구조에서 전체적으로 선 리브를 추가하고 리브 간에 서로 이어지는 구조로 형상을 변경하였다. Fig. 3(b)는 히터 코아 파이프를 고정할 수 있도록 한 지지대 형상을 리브의 높이와 길이를 증대하고, 견고히 고정될 수 있도록 지지대 구조를 변경하였다. 이와 같이 리브가 이어지는 구조로 변경하면 하우징 단면에 대하여 y방향의 관성 모멘트 증가로 강성이 개선되었다.


Fig. 3 
Comparison of analysis results for AHU dynamic stiffness

수차례 해석을 거쳐 최종 개선된 AHU의 응답력은 위치에 따라 약간씩 다르지만 대략 Base AHU 대비 0.3 kgf/mm ~ 5.4 kgf/mm 강성이 향상되었다.

2.3 사출 성형 해석
2.3.1 사출 성형 해석 조건

1.2 t와 같은 얇은 하우징 설계를 위하여 MFA(Mold Flow Analysis)를 진행하였다. MFA는 고분자 재료의 수지 흐름을 고려하여 금형에 수지가 채워지는 과정을 미리 살펴볼 수 있으므로, 금형을 개발하지 않고도 사전에 우수한 품질을 확보할 수 있다. 1.2 t 하우징의 사출을 위하여 적절한 게이트의 위치, 수량, 사출 온도, 압력 등 다양한 조건으로 해석을 진행하였다.

해석 대상은 히터 유닛(Heater unit)과 송풍기 유닛(Blower unit)의 하우징으로 3D CAD 데이터(Data)에서 추출하여 약 200만개의 메쉬가 사용되었고, 수지 유동 안정성, 수지의 주입 압력, 사출 온도, 부피 수축, 사출 후 변형 등에 대하여 해석하여 1.2 t AHU 하우징을 사출할 수 있는 최적의 조건을 찾고자 하였다.

MFA의 상세 조건은 Table 2에 나타나 있다. 고분자 재료의 사출 성형에서 유동 밸런스, 압력, 온도 분포, 체적 수축, 변형 상태 등은 제품 품질에 큰 영향을 미치므로 양산공정에 맞는 조건의 설정이 필요하다. 특히 AHU의 하우징 사출 성형은 주로 시간, 압력 및 온도와 관련이 많기 때문에 MFA로 금형설계 및 사출 두께, 게이트 위치, 공기 트랩이나, 싱크 마크(Sink mark), 웰드 라인(Weld line) 등과 같이 금형의 잘못된 부분이나, 수정부위를 사전에 방지하여 제조 공정을 최적화 할 수 있다.

Table 2 
Analysis conditions of AHU housing for MFA
Material description Conditions
Material PP+20 % Talc filled Mold temperature 40°C ( 20°C ~ 60°C)
Viscosity index (199) 0088 Melt temperature 200°C (80°C ~ 220°C)
Melt flow rate 16 g/10 min (T=230 °C↓, L=2.16 kg↓) Filling control 2 sec
Solid density 1.0308 g/cm3 Velocity/pressure switch-over By 99 % volume filled

2.3.2 사출 성형 해석 결과

해석 대상인 히터와 송풍기 유닛의 하우징에 대하여 게이트 위치와 숫자를 결정하였다.

히터 유닛의 경우, 오른쪽 하우징(Right housing)과 왼쪽 하우징(Left housing) 모두 3개의 게이트를 가지는 기존 사출 조건보다는 게이트가 4개일 때의 주입 압력이 감소하고 형 체력(Clamping force)이 증가하였다. 또한, x, y, z 방향의 사출 후 변형이 기존 대비 오른쪽 하우징은 10.1 %, 왼쪽 하우징은 4.7 % 감소하였다. 히터 유닛 하단 하우징(Lower housing)도 게이트를 1개에서 2개로 변경하면 형 체력은 동일하나 주입 압력이 16 % 증가하였고, 사출 후 변형의 평균 변이는 3.7 % 감소하였다.

송풍기 유닛의 흡기 하우징(Intake housing)은 게이트를 1개에서 2개로 변경 하였을 때 수지 충진 시간이 약 20 % 감소하였고, 사출 압력도 감소하였다. 평균 변이 변화는 0.1 % 감소하여 사출 후 변형의 차이는 크지 않았다. 송풍기 상부 하우징(Upper housing)과 하부 하우징(Lower housing)은 기존 2개에서 3개로 게이트를 변경하면, 수지의 충진 시간이 16 % 감소하고, 사출 압력도 감소하였지만, 사출 후 변형은 평균 5.6 % 증가하여 양산시 품질이 우려되었다.

Fig. 4는 수지 충전율(Fill factor)에 대한 해석결과로 각 해석 모델별로 수지가 충전되는 것을 비교해 볼 수 있다. 대표적으로 히터 유닛의 왼쪽 하우징에 대하여만 나타내었다. 수지 충전율은 수지가 금형 내에서 얼마나 잘 흘러가는가를 나타내는 척도로써 수지가 빠른 시간내에 금형에 고르게 흘러들어가야만 미 성형을 방지하고 파단경계면을 방지할 수 있다.


Fig. 4 
Comparison of fill factor analysis results for various model (Heater unit left housing)

각 하우징 금형의 크기와 형상에 따라 수지의 충전시간은 다르지만 수지 충전시간을 0.8초, 1.6초, 2.0초, 2.5초로 나누어서 살펴보았다. 해석 모델은 모델 1과 모델 3은 게이트가 3개이고, 모델 2와 모델 4는 게이트가 4개이다. 각 해석 모델별로 사출 시작부터 완료까지 수지의 흐름을 보면, 모델 4의 경우 게이트가 4개임에도 불구하고, 수지 충전율이 가장 좋지 않아 2.5초가 지난 후에도 일부에서는 완전히 수지가 흘러가지 못하는 것을 볼 수 있다. 모델 1과 모델 3은 게이트가 3개이므로 역시 수지 충진율이 좋지 않다. 반면 모델 2의 경우 게이트가 4개이고, 적절한 위치의 선정으로 수지 충전율이 가장 우수하게 나타났다. 수지 충전율 해석 결과를 보면 게이트는 4개가 적정하며, 위치는 모델 2가 가장 우수하였다.

Fig. 5는 사출 후 변형을 보여주고 있다. 수지가 복잡한 금형 내에서 형체로 굳은 후 얼마나 변형이 발생할 것인지에 대한 해석 결과로 Fig. 4와 동일하게 그림은 히터 유닛의 왼쪽 하우징에 대하여만 나타내었다. 일반적으로 사출에 의해 성형되는 제품의 두께는 유동 평면의 특성길이에 비해 매우 작아 평면의 열전도량은 금형 벽면으로의 열전도량에 비해 상대적으로 적기 때문에 무시할 만 하다. 하지만 수지는 복잡한 금형으로 흘러가면서 수지흐름의 수직한 방향으로 변형이 발생하며 이는 금형에서 적절한 게이트 위치와 수량 그리고 수지의 흐름과 관련된 사출조건에 따라 다르게 나타난다. 모델 4가 변형량이 가장 크고, 이는 Fig. 4에서 살펴본 바와 같이 수진 충전량에서 가장 불리하게 나타난 부분이 변형도 크게 나타났다. 모델 2와 모델 3의 경우도 모델 4보다는 변형량이 작지만, 최대 4.62 mm, 4.23 mm 로 각각 변형되었다. 모델 2가 가장 적게 변형되었으며, 이는 사출후 변형이 수지의 흐름성과도 매우 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.


Fig. 5 
Comparison of deformation analysis results for various model (Heater unit left housing)

Table 3에 각 해석 모델별로 게이트의 수량과 사출 성형 해석 결과를 정리하였다. 모델 2가 주입 압력과 시간이 낮고, 형 체력은 크며, 변형 정도는 비교적 작게 나타나 모델 2를 최적 조건으로 선정하였다.

Table 3 
Comparison of MFA analysis results for various models (Heater unit left housing)
Model 1 Model 2 Model 3 Model 4
Gate number 3 4 3 4
Filling stability Possible to fill the part completely
Filling patten 2.6 sec 2.5 sec 2.4 sec 2.5 sec
Injection pressure 81 MPa 80 MPa 84 MPa 90 MPa
Clamping force 284 ton 302 ton 298 ton 352 ton

이와 같이 히터 유닛의 3개의 하우징과 블로워 유닛의 3개 하우징에 대하여 각각 해석한 결과를 Table 4에 정리하였다.

Table 4 
Analysis results of AHU housing optimized by MFA
Heater unit Blower unit
Left Right Lower Intake Upper Lower
Gate number 4 2 ~ 3
Filling patten 2.1 ~ 2.6 sec 1.5 ~ 2.3 sec
Injection pressure 79 ~ 80 MPa 21 ~ 35 MPa
Clamping force 298 ~ 367 ton 117 ~ 165 ton
Pressure at V/P switch-over 52 ~ 87 MPa 21 ~ 35 MPa
Pressure at end of fill 42 ~ 66 MPa 17 ~ 23 MPa
Temperature at flow front 201.4°C 230.1°C
Volumetric shrinkage 27.3 ~ 28.4 sec 19.3 ~ 21.4 sec


3. AHU의 방사음 시험
3.1 방사음 시험조건

AHU 하우징의 강성과 사출 조건을 해석으로 최적화한 제품을 사출하여 방사음 시험을 하였다. 실제로는 차량에서 엔진 진동이 에어컨 배관을 통하거나 히터 호스를 통하여 실내에 위치한 AHU으로 전달되는 소음을 측정해야겠지만, 차량에서의 복잡한 환경인자와 주변부품들에 대한 영향을 배제하고자 AHU 단품으로 시험을 진행하였다.

Fig. 6은 AHU의 방사음 시험 장비를 보여주고 있다. AHU는 주변으로부터의 구속 조건이 없도록 고무줄로 매달아 자유로운 상태를 유지하였다. 단, 이때 위치는 실제 차량에서의 장착에 준한 상태이다. 다음으로 AHU가 가진될 때 방사음을 측정하기 위하여 AHU 하우징 표면에서 300 mm 떨어진 위치에 6개의 마이크로폰(Microphone)을 설치하여 방사음을 측정한다. 마이크로폰은 AHU의 가운데와 좌우로 각각 240 mm에 위치하며 120 mm 높이로 2열로 설치하였다. 입력 조건은 히터 코아 파이프와 증발기 파이프에서 x, y, z 방향으로 임팩트 해머(Impact hammer)로 가진을 한다. 이 때 히터 코아 파이프에서는 400 ~ 1000 Hz, 증발기 파이프에서는 100 ~ 500 Hz 대역이 될 수 있도록 가속도계를 설치하고 가진을 하였다. 방사음을 평가하는 기준이 음압레벨이 아닌 음향 감도로써 음압을 가진력의 크기로 평준화(Normalization) 하여 표현되므로 임팩트 해머의 가진력으로(Dirac delta function) 전달계 특성을 보는 방법은 AHU의 영향성만을 볼 수 있을 것이다.


Fig. 6 
Experimental apparatus and method for AHU's radiated sound

측정된 신호는 LMS 장비를 통하여 FFT(Fast Fourier Transform)로 변환하여 FRF(Frequency Response Function)값으로 환산되며, 방사음은 6개의 마이크로폰에서 측정된 소음의 평균인 RMS(Root Mean Square)값을 사용한다. 시험에 사용된 임팩트 해머는 PCB사의 Piezotronicx 모델이고, FFT는 LMS사의 Scadas 16Ch. 모델이며 분석 소프트웨어는 LMS사의 Impact Testing을 사용하였다. 가속도계는 Kistler사의 3축 가속도계로, ±500 g, -54 ~ 120 °C까지 사용이 가능하며, 방사음 측정에 사용된 마이크로폰은 Gras사 제품으로 20 Hz ~ 20000 Hz 대역에서 140 dB까지 측정이 가능하다.

시험은 하우징이 1.7 t로 설계된 기존 AHU과 1.2 t AHU에 대하여 각각 측정하였다.

3.2 방사음 시험 결과

Fig. 7에 방사음 평가 결과를 정리하였다. 증발기 파이프 플랜지(Pipe flange)와 히터 코아 입구와 출구 파이프(Inlet and outlet pipe)에서의 가진에 따라 조금씩 다르지만, 기존 AHU 보다 1.2 t로 설계된 AHU가 전 시험영역에서 약 0.5 dB ~ 6.3 dB 소음이 감소하였다. 방사음의 경우 엔진으로부터 히터호스, 에어컨 시스템의 배관을 통하여 AHU로 전달되는 진동이 차 실내로 전달되는 차량의 구조-음향간의 상관관계로, 여기서는 1.7 t와 1.2 t AHU의 형상이 다르기 때문에 각 하우징의 구조나 조립 위치 등이 서로 상이하며 이러한 부분도 방사음에 영향을 미칠 수 있다. 하지만, 동일한 차급에서(A-segment)의 AHU에 대하여 방사음을 평가하였으므로 1.2 t AHU은 1.7 t AHU 대비 방사음이 악화되지는 않았다.


Fig. 7 
Experimental results of radiation sound of x, y and z direction for AHU

결론적으로 하우징의 두께가 얇아진 1.2 t AHU 개발을 위하여 상대적으로 취약한 강성의 보완 설계와 적절한 사출 성형 해석으로 방사음도 기존 1.7 t AHU과 동등이상의 경쟁력을 가지면서 중량도 절감할 수 있었다.


4. 결 론

차량용 공조 시스템에서 중량 저감을 위하여 1.2 t 두께를 가지는 AHU을 개발하였다. AHU가 얇아짐에 따라 취약한 구조를 극복하기 위하여 해석으로 최적 설계를 하였고, 방사음 시험으로 타당성을 검토하여 아래의 결론을 얻었다.

  • 1) AHU의 동 강성해석으로 최소의 중량으로 강도를 확보할 수 있는 최적 1.2 t 하우징의 형상 설계를 하였다.
  • 2) 1.2 t의 얇은 AHU의 하우징의 금형개발과 사출 성형성을 확보하기 위하여 다양한 모델에 대하여 MFA로 수지 흐름, 사출 후 변형, 사출 압력, 형 체결력을 확보 하였다.
  • 3) 사출된 AHU으로 방사음을 시험하여 기존 AHU 대비 0.5 dB ~ 6.3 dB 소음이 감소하였고 중량은 약 20 % 저감할 수 있었다.

자동차용 저 중량 AHU 개발을 위하여 하우징 두께를 축소하는 설계 과정을 동 강성 해석과 MFA로 최적화 하였고, 방사음 시험으로 1.2 t AHU을 개발할 수 있었다.


Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2017 Spring Conference


Nomenclature
f : frequency, Hz
F : force, N
k : spring constant, N/mm
L : load, kg
T : temperature, °C
x : length deformation, mm

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