KR102037397B1 - 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오링(O-ring)과 같은 실링(sealing)용 부재의 설계방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 종래, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브(groove)에 맞게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우 누기나 누유의 원인이 되는 데 더하여, 실링이 파괴되어 다른 부품까지 고장이 발생하게 되면 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 문제점을 해결하기 위해, 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정하도록 구성됨으로써, 실링의 돌출부와 그루브(groove)의 폭에 대하여 실링의 이탈방지에 가장 적절한 설계조건을 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링의 설계방법이 제공된다.

Description

돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법{Design method of sealing for automobile based on sealing perfomence analysis of protrusion part}

본 발명은 실링(sealing) 부품 및 그 설계방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 오링(O-ring)과 같이, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 밀봉용 부품에 해당하는 실링에 있어서, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브(groove)에 정확하게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우가 빈번히 발생하여 누기나 누유의 원인이 되는 데 더하여, 이로 인해 실링이 파괴되면 높은 확률로 다른 부품까지 고장이 발생하게 되어 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 문제점을 해결하기 위해, 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 설계방안을 제공할 수 있도록 구성되는 실링 설계방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 설계방안을 제공할 수 있도록 하기 위해, 이탈방지를 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정하도록 구성됨으로써, 실링의 돌출부와 그루브(groove)의 폭에 대하여 실링의 이탈방지에 가장 적절한 설계조건을 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 관한 것이다.

종래, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부 및 기밀성능이 요구되는 각종 추진관의 체결 조립부 등에 적용되어 오일이나 가스가 새는 것을 방지하는 역할을 하는 밀봉용 부품으로 오링(O-ring)이 가장 널리 적용되고 있다.

이러한 오링은, 일반적으로, 고무와 같은 탄성중합체로 제작되며, 기본적인 작동원리는 그루브(groove) 안에서 일정한 압축률로 항상 압축되어 압축에 따른 탄성 반발력을 통해 그루브 면에 작동유체의 압력보다 높은 접촉능력을 발생함으로써 기밀성능을 확보하도록 구성되어 있다.

더 상세하게는, 상기한 바와 같은 오링 등의 실링용 부품에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 공개특허공보 제10-2013-0093560호에 따르면, 크림프 연결부에서 제 1 및 제 2 파이프를 밀봉 고정시키는 실링부재로서, 외경과 내경을 가지는 링형 본체; 및 링형 본체상에 형성되어 외경으로부터 외측을 향해 반경방향으로 연장되는 복수 개의 돌출부를 포함하고, 상기 링형 본체는 크림프 연결부를 달성하기 전에는 복수 개의 돌출부들 중 인접한 돌출부 둘레에서 유체가 통과하게 하며, 크림프 연결부를 달성한 후에는 인접한 돌출부 둘레에서 유체의 통과를 억제시키도록 구성됨으로써, 유체 운반 시스템의 파이프들 사이에 사용하도록 구성되는 누출 검출 오링이 제시된 바 있다.

또한, 상기한 바와 같은 오링 등의 실링용 부품에 대한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1486192호에 따르면, 링 형상으로 형성되어 서로 연결되는 플랜지 사이에 삽입되는 플랜지 배관 연결용 가스켓에 있어서, 가스켓의 외측을 따라 매립되는 프레임링; 프레임링의 내측에 관내측을 향해 U자형 홈이 형성되며 관내측으로 향할수록 두께가 증가하는 테이퍼 형상으로 형성된 실링부; 실링부의 양면에 동심원의 형태로 배열된 차단돌기; 및 실링부의 내측에 파이프의 내면을 지지하는 거치대를 구비하며, 상기 거치대는 프레임링 보다 작은 두께를 가지는 수평부재와, 수평부재의 내측단에 수직방향으로 형성되는 파이프의 내면을 지지하는 수직부재를 포함하여, 외측 지지체의 최외측단과 플랜지 사이에 체류홈을 형성하고 내측 지지체의 상면에 차단벽을 형성함으로써 외부로부터 유입되는 이물질을 효과적으로 차단할 수 있도록 구성되는 기밀성과 정렬성능 향상한 플랜지 배관 연결용 가스켓이 제시된 바 있다.

상기한 바와 같이, 종래, 오링과 같은 실링용 부품에 관한 여러 가지 기술내용이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다.

더 상세하게는, 오링은, 일반적으로, 배관이나 구동축의 내경측 또는 외경측에 오링이 삽입될 수 있도록 원주방향을 따라 그루브를 형성하여 조립한 후, 커버로 완벽하게 덮어서 압축, 밀봉작용을 할 수 있는 구조로 설계된다.

이때, 그루브에 삽입된 오링은 내, 외부의 밀봉압력차에 의해 변형거동이 발생하여도 외부로 이탈되지 않도록 고정되어야 하고, 더 중요한 것은 우수한 탄성변형 거동성을 가지도록 하여 항상 밀봉성과 내구 안정성을 확보하고 있어야 한다.

아울러, 오링은 마모, 압축, 부식, 노화 등의 다양한 원인으로 인해 본래의 기능을 발휘하지 못하여 누기, 누유가 일어나는 현상이 발생할 수 있으므로, 수시로 기밀성능을 체크하여 기밀 안정성을 확보해야만 설비와 기술자의 안전이 함께 도모 될 수 있다.

그러나 이러한 경우 이외에도, 제품제작 또는 정비시 오링이 그루브에 정확하게 체결되지 않은 상태에서 조립되어 밀봉기능이 완전히 발휘되지 못하는 경우도 빈번히 일어나고 있다.

즉, 오링 자체의 가격은 비교적 저렴하여 전체 장비 가격에서 차지하는 비율이 낮고, 그로 인해 정적 또는 동적인 접촉상태에서 간편하게 작동유체를 밀봉하기 위하여 각종 기계장치에 널리 사용되고 있으나, 상기한 바와 같이 이러한 오링의 관리나 결합이 적절하게 이루어지지 못하면 가스나 오일이 누출되게 되고, 더욱이, 단순한 누출 정도에 그치지 않고 실링이 파괴되거나 하는 경우는 다른 부분에도 고장이 발생할 확률이 매우 높으므로, 이와 같이 실링의 파손으로 인해 고장부위가 확대되면 수리를 위한 비용 및 시간이 크게 증가하게 된다.

이에, 상기한 바와 같은 종래기술의 실링 부품의 문제점을 해결하기 위하여는, 오링과 같은 실링 부품의 조립시 이탈을 방지하기 위해 실링에 돌출부를 설계하고, 이때, 돌출부의 크기에 따른 유한요소 해석을 통하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 오일이나 가스를 수송하는 배관에 안정성이 확보될 수 있는 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 이탈이 방지될 수 있는 최적의 실링 구조를 도출할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 실링 및 그 설계방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.

[선행기술문헌]

1. 한국 공개특허공보 제10-2013-0093560호 (2013.08.22.)

2. 한국 등록특허공보 제10-1486192호 (2015.01.19.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 실링에 있어서, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브에 정확하게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우가 빈번히 발생하고, 그로 인해 충분한 실링성능이 확보되지 못하여 누기나 누유가 발생하거나 실링이 파괴되면 다른 부품까지 고장이 발생하게 되어 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 종래기술의 오링과 같은 실링들의 문제점을 해결하기 위해, 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 가지는 실링 부품의 설계방법을 제공하기 위해, 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정하도록 구성됨으로써, 안정성이 확보될 수 있는 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 돌출부와 그루브의 폭에 대하여 이탈방지에 가장 최적의 조건을 가지는 실링 구조를 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 밀봉용 실링(sealing) 부품을 설계하기 위한 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어를 통해 수행되도록 구성되는 실링 설계방법에 있어서, 상기 처리과정은, 3D 모델링 작업을 수행하여 실링에 대한 복수의 3D 모델을 구축하는 모델링단계; 상기 모델링단계에서 구축된 각각의 상기 실링의 3D 모델들에 대하여 시뮬레이션 분석을 통해 기밀성능을 비교 분석하는 시뮬레이션 분석단계; 상기 시뮬레이션 분석단계의 분석결과에 근거하여 상기 실링의 설계조건을 결정하는 설계조건 결정단계; 및 상기 설계조건 결정단계에서 결정된 설계조건에 따라 상기 실링의 설계를 수행하는 실링 설계단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 설계방법이 제공된다.

여기서, 상기 모델링단계는, 내측 및 외측에 이탈방지를 위하여 적어도 상기 실링이 삽입되는 플랜지의 그루브보다 크게 형성되는 복수 개의 돌출부를 가지는 오링(O-ring)의 형태로 상기 실링의 3D 모델을 구축하고, 상기 돌출부의 크기와 상기 플랜지의 그루브 폭을 다르게 하여 복수의 3D 모델을 각각 구축하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 시뮬레이션 분석단계는, 상기 모델링단계에서 구축된 각각의 상기 실링의 3D 모델을 이용하여, 유한요소 해석(Finite Element Analysis)을 통하여 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 작용압력(applied pressure)에 따른 접촉응력(contact stress)과 변형률(strain)을 각각 측정하고 비교 분석하는 처리가 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 시뮬레이션 분석단계는, 상기 실링의 3D 모델 전체에 대하여 시뮬레이션 해석을 실시하는 대신에, 복수의 상기 돌출부 중 1곳만 잘라내고 잘린 각각의 단면에 대칭영역(symmetry region)을 설정하여 메쉬 모델(Mesh model)을 각각 구현하고, 각각의 상기 메쉬 모델에 대하여 유한요소 해석을 이용하여 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 작용압력에 따른 응력과 변형률을 각각 측정하고 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 시뮬레이션 분석단계는, 상기 실링이 상기 플랜지의 그루브에 삽입된 상태에서 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 접촉부분의 응력과 변형률을 각각 측정하여 상기 돌출부의 크기에 따른 기밀성능을 비교 분석하는 처리와, 상기 실링과 상기 플랜지가 완전히 결합된 상태에서 각각 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 접촉부분의 응력과 변형률을 각각 측정하여 상기 돌출부의 크기에 따른 기밀성능을 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 설계조건 결정단계는, 상기 시뮬레이션 분석단계에서 상기 플랜지에 상기 실링을 삽입한 경우와 상기 실링과 상기 플랜지가 완전히 결합된 경우에 대하여 각각 상기 돌출부의 크기에 따라 응력과 변형률의 변화를 분석한 결과에 근거하여 상기 돌출부의 크기에 따른 최대 응력과 최대 변형률의 변화를 산출하고, 미리 정해진 기준값 또는 작용압력보다 높은 응력을 가지는 동시에 가장 낮은 변형률을 가지는 상기 돌출부의 크기를 상기 실링에 대한 최적의 설계조건으로 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 실링 설계단계는, 상기 설계조건 결정단계에서 결정된 상기 돌출부의 크기에 따라 상기 실링의 설계를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 실링 설계방법을 이용하여 제작된 것을 특징으로 하는 실링부재가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 실링 제조장치에 있어서, 상기에 기재된 실링 설계방법을 이용하여 실링의 설계를 수행하는 실링 설계부; 및 상기 실링 설계부에 의해 결정된 실링의 구조에 따라 실링의 제작을 수행하는 실링 제작부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 제조장치가 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법이 제공됨으로써, 안정성이 확보될 수 있는 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 돌출부와 그루브의 폭에 대하여 이탈방지에 가장 최적의 조건을 가지는 실링 구조에 대한 설계작업이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 가지는 실링 구조를 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법이 제공됨으로써, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 실링에 있어서, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브에 정확하게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우가 빈번히 발생하고, 그로 인해 충분한 실링성능이 확보되지 못하여 누기나 누유가 발생하거나 실링이 파괴되면 다른 부품까지 고장이 발생하게 되어 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 종래기술의 오링과 같은 실링들의 문제점을 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 적용하기 위해 3D 모델링 작업을 통해 구현된 실링의 3D 모델을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에서 수행되는 시뮬레이션 분석에 적용되는 3D 메쉬 모델을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 플랜지에 실링을 삽입한 상태에서 변형률과 응력을 각각 측정하여 돌출부에 대한 단면해석을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 플랜지와 실링을 완전히 조립한 상태에서 변형률과 응력을 각각 측정하여 돌출부에 대한 단면해석을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 돌출부의 크기에 따른 실링의 최대응력과 최대 변형률의 변화를 그래프로 나타낸 도면이다.
도 6은 그루브의 폭보다 돌출부를 1.0mm 크게 모델링하여 플랜지와 실링을 조립하였을 때의 변형률과 응력의 분포를 각각 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 실링에 있어서, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브에 정확하게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우가 빈번히 발생하고, 그로 인해 충분한 실링성능이 확보되지 못하여 누기나 누유가 발생하거나 실링이 파괴되면 다른 부품까지 고장이 발생하게 되어 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 종래기술의 오링과 같은 실링들의 문제점을 해결하기 위해, 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 가지는 실링 부품의 설계방법을 제공하기 위해, 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정하도록 구성됨으로써, 안정성이 확보될 수 있는 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 돌출부와 그루브의 폭에 대하여 이탈방지에 가장 최적의 조건을 가지는 실링 구조를 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 관한 것이다.

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 구체적인 내용에 대하여 설명하기 전에, 먼저, 실링 부품의 기밀성능 분석에 대하여 설명하면, 일반적으로, 오링의 기밀성능은 최고 접촉응력(peak contact stress)과 작용압력(applied pressure)의 비에 의하여 평가되며, 기존의 실험결과에 의하면 작용압력이 최고 접촉응력보다 클 경우 오링에서 압력누설이 발생하는 것으로 보고된 바 있다.

또한, 이러한 접촉응력은 오링의 압축 및 압력에 의해 발생되며, 최고 접촉응력의 크키는 압축률, 여유간격(clearance gap), 압력 등에 의존하는 것으로 알려져 있다.

이에, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이, 3D 모델링 작업을 통해 오링의 표면에 이탈방지를 위한 복수 개의 돌출부가 형성된 실링의 3D 모델을 구현하고, 이와 같이 하여 돌출부가 형성된 실링의 3D 모델에 대하여 돌출부의 크기와 그루브의 폭을 변경시켜 가면서 각각의 경우에 대한 기밀성능을 시뮬레이션을 통해 분석하여 최적의 설계조건을 도출하였다.

즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 적용하기 위해 3D 모델링 작업을 통해 구현된 실링의 3D 모델을 개략적으로 나타내는 도면이다.

더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 따라 3D 모델링을 통해 구현된 실링(10)에 있어서, 돌출부(11)를 가지는 오링 형태의 실링(10)의 중심원 직경은 17mm이고, 실링(10)의 폭과 높이는 각각 1.7mm, 6.5mm이며, 플랜지(12)에 형성된 그루브의 깊이와 폭은 각각 5mm와 3mm로 설계되었다.

또한, 3D 모델링된 실링(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 단면을 가지고 안쪽과 바깥쪽에 각각 4개씩의 돌출부(11)가 형성되며, 이때, 돌출부(11)의 크기는 제품제작시 실링이 빠지지 않도록 하기 위해 적어도 플랜지(12)의 실링 그루브보다 크게 설계되었다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 있어서, 도 1에 나타낸 돌출부(11)의 크기를 그루브(12)의 폭 보다 각각 0.5mm, 1.0mm, 1.5mm, 2.0mm 크게 하여 총 4종류로 실링(10)을 모델링하였다.

다음으로, 본 발명자들은, 도 1을 참조하여 상기한 바와 같이 하여 구현된 실링(10)의 3D 모델에 대한 시뮬레이션 해석을 수행하였으며, 이를 위해, 도 1에 나타낸 실링(10)의 3D 모델을 이용하여 작용압력(applied pressure)에 따른 최고 접촉응력(peak contact stress)을 유한요소 해석(Finite Element Analysis)을 통하여 계산하였다.

더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에서 수행되는 시뮬레이션 분석작업에 적용되는 3D 메쉬 모델(Mesh model)을 나타내는 도면이다.

즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는, 보다 효율적인 시뮬레이션 해석을 위해, 도 1에 나타낸 실링(10)의 3D 모델 전체에 대하여 시뮬레이션 해석을 실시하는 대신에 돌출부(11) 4곳 중 1곳만 잘라내어 메쉬 모델(Mesh model)을 구현하고 시뮬레이션 해석을 실시하였다.

여기서, 도 2에 있어서, 실링(10)이 잘린 각각의 단면에 대칭영역(symmetry region)을 설정하여 동일한 모델이 있음을 가정하였으며, 메쉬 엘리먼트(Mesh element) 수는 약 1만 4천개이다.

더욱이, 실링(10)의 소재는 하이퍼플라스틱 소재(hyperplastic material)로 가정하여 무니-리블린(Mooney-Rivlin) 5 파라미터(Parameter) 모델을 적용하였고, 플랜지의 소재는 일반적인 구조용 강재(structural steel)로 설정하였다.

또한, 실링(10)과 플랜지(12)의 접촉부분의 마찰계수는 0.14를 적용하였고, 실링(10)이 플랜지(12)의 그루브에 들어갔을 경우와 2개의 플랜지가 체결되었을 경우를 나누어 해석을 각각 실시하였으며, 각각의 경우에 실링(10)의 돌출부(11)와 플랜지(12)의 실링 그루브의 사이를 0.5mm 단위로 크게 하여 접촉부분의 응력과 변형률을 검토하였다.

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 플랜지(12)에 실링(10)을 삽입한 상태에서의 변형률(strain)과 응력(stress)을 측정한 결과를 각각 나타내는 도면으로, 도 3a는 탄성 등가 변형률(Elastic equivalent strain)에 대한 측정결과이고, 도 3b는 본 미세스 응력(Von mises stress)에 대한 측정결과를 각각 나타내고 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 돌출부(11)의 크기가 커짐에 따라서 변형률과 응력이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 응력은 돌출부에서 부하가 많이 걸리는 것을 확인할 수 있다.

여기서, 플랜지(12)에 실링(10) 삽입시 이탈만 되지 않으면 되므로, 이를 감안하면 플랜지(12)의 그루브 폭보다 돌출부(11)의 크기가 1mm 큰 실링이 가장 적절한 것으로 나타났으며, 이때, 플랜지 그루브보다 1mm 큰 실링에서의 최대 변형률은 약 0.180m/m이고, 최대 압력은 약 549Pa 이다.

다음으로, 도 4를 참조하면, 도 4는 플랜지(12)와 실링(10)을 완전히 조립한 상태에서 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정하여 돌출부에 대한 단면해석을 수행한 결과를 각각 나타내는 도면으로, 도 4a는 탄성 등가 변형률(Elastic equivalent strain)에 대한 측정결과이고, 도 4b는 본 미세스 응력(Von mises stress)에 대한 측정결과를 각각 나타내고 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 플랜지(12)와 실링(10)을 완전히 조립한 상태에서도 돌출부(11)가 커짐에 따라 변형률이 높아지는 것은 도 3에 나타낸 해석결과와 마찬가지인 반면, 응력은 돌출부(11)가 커지더라도 거의 동등한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다.

그러나 돌출부(11)가 커짐에 따라 최대응력은 높아지는 것을 알 수 있으며, 이는 도 4b의 빨간색 원부분과 같이 접히기 때문에 집중적으로 응력이 높아지는 것임을 알 수 있다.

더 상세하게는, 도 5를 참조하면, 도 5는 돌출부의 크기에 따른 실링의 최대응력과 최대 변형률의 변화를 그래프로 나타낸 도면으로, 도 5a는 탄성 등가 변형률(Elastic equivalent strain)에 대한 결과이고, 도 5b는 본 미세스 응력(Von mises stress)에 대한 결과를 각각 나타내고 있다.

도 5의 그래프에 나타낸 바와 같이, 전반적으로는 돌출부(11)가 커짐에 따라서 변형률(strain)과 응력(stress)이 상승하는 경향을 나타내고 있으나, 플랜지(12)를 조립했을 경우는 1mm에서 다소 낮은 변형률과 다소 높은 응력이 발생하였음을 확인할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 해석결과로부터, 플랜지 그루브의 폭보다 돌출부를 1mm 더 크게 설계했을 경우에 변형률이 낮으면서도 높은 응력을 발생시키므로 조립시 이탈방지에 가장 적절하다고 할 수 있다.

계속해서, 도 6을 참조하면, 도 6은 그루브의 폭보다 돌출부를 1.0mm 크게 모델링하여 플랜지(12)와 실링(10)을 조립하였을 때의 변형률(strain)과 응력(stress)의 분포를 각각 나타내는 도면으로, 도 6a는 그루브의 폭보다 1.0mm 큰 돌출부를 가지는 실링에서의 변형률(strain) 분포이고, 도 6b는 그루브의 폭보다 1.0mm 큰 돌출부를 가지는 실링에서의 응력(stress) 분포를 각각 나타내고 있다. 이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 그루브의 폭보다 돌출부를 1.0mm 크게 모델링한 결과 실링 몸체와 돌출부의 경계에서 높은 변형률과 응력이 발생하나, 밀봉기능에 있어서는 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법을 구현할 수 있다.

즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법은, 크게 나누어, 3D 모델링 작업을 수행하여 분석하고자 하는 실링에 대한 3D 모델을 구축하는 모델링단계(S10)와, 모델링단계(S10)에서 구축된 실링의 3D 모델에 대하여 유한요소 해석을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하는 시뮬레이션 분석단계(S20)와, 시뮬레이션 분석단계(S20)의 분석결과에 근거하여 최적의 설계조건을 결정하는 설계조건 결정단계(S30) 및 설계조건 결정단계(S30)에서 결정된 설계조건에 따라 실링의 설계를 수행하는 실링 설계단계(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 모델링단계(S10)는, 도 1을 참조하여 상기한 바와 같이 하여, 복수의 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링에 대한 3D 모델을 구현하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기한 시뮬레이션 분석단계(S20)는, 도 2를 참조하여 상기한 바와 같이 하여 구성되는 메쉬모델에 대한 유한요소 해석을 수행하며, 이를 위해, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기한 바와 같이, 플랜지에 실링을 삽입한 경우와 실링과 플랜지가 완전히 결합된 경우에 대하여 각각 돌출부의 크기를 다르게 하면서 작용압력(applied pressure)에 따른 접촉응력(contact stress)과 변형률(strain)을 측정하여 돌출부의 크기에 따른 기밀성능을 분석하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 설계조건 결정단계(S30)는, 도 5 및도 6을 참조하여 상기한 바와 같이 하여, 상기한 시뮬레이션 분석단계(S20)에서 플랜지에 실링을 삽입한 경우와 실링과 플랜지가 완전히 결합된 경우에 대하여 돌출부의 크기에 따른 응력과 변형률을 분석한 결과에 근거하여, 각각의 경우에 대하여 돌출부의 크기에 따른 최대 응력과 최대 변형률의 변화를 각각 비교 분석하여 최적의 설계조건을 결정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기한 최적의 설계조건은, 예를 들면, 미리 정해진 기준값이나 또는 작용압력보다 높은 응력을 가지는 동시에 가장 낮은 변형률을 가지는 돌출부의 크기를 최적의 설계조건으로 결정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

더욱이, 상기한 실링 설계단계(S40), 상기한 설계조건 결정단계(S30)에서 결정된 최적의 설계조건에 따라 실제 실링의 설계를 수행하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법에 따르면, 실링 조립시 이탈방지를 위해 실링 몸체의 안쪽 4곳과 바깥쪽 4곳에 원통형으로 돌출부를 설계하고, 돌출부의 크기를 플랜지 그루브의 폭보다 각각 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2.0mm 크게 설계하여 해석을 실시하였으며, 그 결과, 실링의 돌출부 크기가 플랜지 그루브의 폭보다 1mm 큰 경우에 변형률도 낮으면서 적절한 응력을 갖추고 있어 이탈방지에 가장 적절한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 플랜지 조립시 실링의 몸체와 돌출부의 경계에서 최대응력이 발생하므로 이에 대한 적절한 설계가 필요함을 알 수 있으며, 이러한 과정을 통하여 차후 실링 설계에 유용하게 적용 가능한 유의미한 데이터베이스를 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

여기서, 도 1 내지 도 7을 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에서는 도 1 내지 도 6에 나타낸 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 도 1 내지 도 7을 참조하여 상기에 설명한 경우 이외에도 필요에 따라 당업자가 적절히 변경 및 응용하여 다양하게 적용될 수 있는 것임에 유념해야 한다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법을 구현할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 이탈을 방지하기 위한 돌출부를 가지는 오링 형태의 실링부재에 대한 3D 모델을 구축하고, 유한요소 해석과 같은 시뮬레이션 해석을 통하여 돌출부의 크기에 따른 변형률(strain)과 응력(stress)을 각각 측정한 결과에 근거하여 기밀성능을 분석하는 것에 의해 최적의 설계조건을 결정할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법이 제공됨으로써, 안정성이 확보될 수 있는 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 돌출부와 그루브의 폭에 대하여 이탈방지에 가장 최적의 조건을 가지는 실링 구조에 대한 설계작업이 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 용이하고 정확하게 이루어질 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 충분한 기밀성능을 가지는 동시에 실링의 이탈방지를 위해 가장 적절한 최적의 조건을 가지는 실링 구조를 도출할 수 있도록 구성되는 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법이 제공됨으로써, 고온, 고압의 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 실링에 있어서, 제품제작 및 정비과정에서 실링이 플랜지 등의 그루브에 정확하게 체결되지 않고 이탈된 상태에서 조립되는 경우가 빈번히 발생하고, 그로 인해 충분한 실링성능이 확보되지 못하여 누기나 누유가 발생하거나 실링이 파괴되면 다른 부품까지 고장이 발생하게 되어 불필요한 수리비용이 크게 증가하게 되는 종래기술의 오링과 같은 실링들의 문제점을 해결할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 돌출부 기밀성능 분석을 이용한 실링 설계방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 실링
11. 돌출부
12. 플랜지

Claims (9)

1. 구동부나 동력전달부에서 오일이나 가스가 새는 것을 방지하기 위해 기밀성능이 요구되는 체결부에 적용되는 밀봉용 실링(sealing) 부품을 설계하기 위한 처리과정이 컴퓨터나 전용의 하드웨어를 통해 수행되도록 구성되는 실링 설계방법에 있어서,
   상기 처리과정은,
   3D 모델링 작업을 수행하여 실링에 대한 복수의 3D 모델을 구축하는 모델링단계;
   상기 모델링단계에서 구축된 각각의 상기 실링의 3D 모델들에 대하여 시뮬레이션 분석을 통해 기밀성능을 비교 분석하는 시뮬레이션 분석단계;
   상기 시뮬레이션 분석단계의 분석결과에 근거하여 상기 실링의 설계조건을 결정하는 설계조건 결정단계; 및
   상기 설계조건 결정단계에서 결정된 설계조건에 따라 상기 실링의 설계를 수행하는 실링 설계단계를 포함하고,
   상기 모델링단계는,
   내측 및 외측에 이탈방지를 위하여 적어도 상기 실링이 삽입되는 플랜지의 그루브보다 크게 형성되는 복수 개의 돌출부를 가지는 오링(O-ring)의 형태로 상기 실링의 3D 모델을 구축하고,
   상기 돌출부의 크기와 상기 플랜지의 그루브 폭을 다르게 하여 복수의 3D 모델을 각각 구축하는 처리가 수행되도록 구성되며,
   상기 시뮬레이션 분석단계는,
   상기 모델링단계에서 구축된 각각의 상기 실링의 3D 모델을 이용하여, 유한요소 해석(Finite Element Analysis)을 통하여 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 작용압력(applied pressure)에 따른 접촉응력(contact stress)과 변형률(strain)을 각각 측정하고 비교 분석하는 처리가 구성되고,
   상기 시뮬레이션 분석단계는,
   상기 실링의 3D 모델 전체에 대하여 시뮬레이션 해석을 실시하는 대신에, 복수의 상기 돌출부 중 1곳만 잘라내고 잘린 각각의 단면에 대칭영역(symmetry region)을 설정하여 메쉬 모델(Mesh model)을 각각 구현하고,
   각각의 상기 메쉬 모델에 대하여 유한요소 해석을 이용하여 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 작용압력에 따른 응력과 변형률을 각각 측정하고 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 설계방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 시뮬레이션 분석단계는,
   상기 실링이 상기 플랜지의 그루브에 삽입된 상태에서 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 접촉부분의 응력과 변형률을 각각 측정하여 상기 돌출부의 크기에 따른 기밀성능을 비교 분석하는 처리와,
   상기 실링과 상기 플랜지가 완전히 결합된 상태에서 각각 상기 돌출부의 크기를 다르게 하면서 접촉부분의 응력과 변형률을 각각 측정하여 상기 돌출부의 크기에 따른 기밀성능을 비교 분석하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 설계방법.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 설계조건 결정단계는,
   상기 시뮬레이션 분석단계에서 상기 플랜지에 상기 실링을 삽입한 경우와 상기 실링과 상기 플랜지가 완전히 결합된 경우에 대하여 각각 상기 돌출부의 크기에 따라 응력과 변형률의 변화를 분석한 결과에 근거하여 상기 돌출부의 크기에 따른 최대 응력과 최대 변형률의 변화를 산출하고,
   미리 정해진 기준값 또는 작용압력보다 높은 응력을 가지는 동시에 가장 낮은 변형률을 가지는 상기 돌출부의 크기를 상기 실링에 대한 최적의 설계조건으로 결정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 설계방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 실링 설계단계는,
   상기 설계조건 결정단계에서 결정된 상기 돌출부의 크기에 따라 상기 실링의 설계를 수행하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 설계방법.
   
8. 청구항 1항, 청구항 5항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 실링 설계방법을 이용하여 제작된 것을 특징으로 하는 실링부재.
   
9. 실링 제조장치에 있어서,
   청구항 1항, 청구항 5항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 실링 설계방법을 이용하여 실링의 설계를 수행하는 실링 설계부; 및
   상기 실링 설계부에 의해 결정된 실링의 구조에 따라 실링의 제작을 수행하는 실링 제작부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실링 제조장치.
   

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