[논문]마멸입자 형태분석에 의한 자동차 트랜스미션 기어의 손상상태 평가

박흥식; 조연상; 배효준; 이상재

doi:10.9725/kstle.2001.17.1.016

문제 정의

본 연구에서는 주행거리에 따른 트랜스미션 기어의 손상과정을 알기 위하여 마멸입자 형태정보로부터 마멸 체적의 추정치를 계산으로 구하였다. 이것은 눈으로 직접 관찰 것이 곤란한 트랜스미션 각 기어들의 주행거리에 따른 손상과정을 평가하는데 극히 유효한 수단이라고 생각된다.
마멸입자에 대하여 영상처리를 하였다. 이를 통하여 각각 주행거리에 따른 마멸입자의 형태적 특징을 관찰하고 마멸량을 추정계산하여 의의 결과를 분석함으로써 트랜스미션의 손상상태를 평가할 수 있는 방법을 제시하고자 하는 것을 목적으로 하였다.

가설 설정

이것은 눈으로 직접 관찰 것이 곤란한 트랜스미션 각 기어들의 주행거리에 따른 손상과정을 평가하는데 극히 유효한 수단이라고 생각된다. 여기서 추정 마멸체적의 계산은 마멸입자의 두께를 Fig. 5의 대표경과 대등하다고 가정하고, 이의 면적에 대표경을 곱하여 입자 하나 하나의 마멸체적을 구하여 전체의 마멸분의 체적을 구하였다. 즉, 마멸분이 분포되어 있는 1 화면내의 하나의 마멸입자 체적을 V라 하고, 1 화면내의 입자개수를 n으로 두었을 때 20화면 전체의 총 마멸체적 V는 식 (2)로부터 구하였다.

제안 방법

4. 마멸입자의 형태분석을 통하여 주행거리에 따른 트랜스미션 기어의 손상상태의 평가방법을 구축하였다.
이것은 마멸입자 채취부분의 filter 직경이 35 mm인 것을 고려하면 모니터 1 화면의 면적은 필터의 17, 302분의 1 이 된다. 각 실험조건은 모두 대물렌즈 40배, 대안렌즈 10배로서 필터내의 랜덤한 위치 20화면에 포함된 마멸분에 대하여 이들의 파라미터를 계산하였다. 그리고 프레임 그레버의 제어 및 데이터의 처리는 모두 C 프로그램(일부는 기계어)에 의하여 행하였다.
3에서 처럼 도형의 경계점을 차례로 추적하여 그 입자의 모양을 코드화하였다. 경계선 추적의 방법에는 정방격자상에 표현되는 디지탈 영상이 상하좌우 4점만을 최근 방으로 생각하는 4근방과 상하좌우 4점과 대각방향의 4점 모두를 최근방이라고 생각하는 8근방의 두 가지의 경우가 흔히 사용[6]되고 있으나 본 연구에서는 8근방을 사용하여 경계선 추적을 행하였다.
그리고 Table 3에서 나타낸 바와 같이 총 주행거리는 주어진 최대 토크조건으로 여러번의 시험과정을 통하여 규정지어 놓은 트랜스미션의 기어가 파손 직전에 이르는 지점인 25, 000km까지로 설정하였으며 이러한 조건으로 주행 중에 14, 000 km, 16, 900 km, 21, 390 km 및 25, 000 km 지점에서 윤활유를 각각 10 m/씩 채취하여 공경 0.45 ㎛인 멤브레인 필터 (membrane filter)가 부착된 마멸입자 채취기구를 통하여 윤활유 내의 마멸입자를 채취하고 이를 영상처리 하였다.
각 실험조건은 모두 대물렌즈 40배, 대안렌즈 10배로서 필터내의 랜덤한 위치 20화면에 포함된 마멸분에 대하여 이들의 파라미터를 계산하였다. 그리고 프레임 그레버의 제어 및 데이터의 처리는 모두 C 프로그램(일부는 기계어)에 의하여 행하였다.
m까지 회전시키는 구동모터를 설치하였고, 출력축에는 출력토크를 측정하기 위한 토크 미터와 실제 차량에 장착하여 주행할 경우에 발생하는 주행저항 및 가속저항을 인위적으로 부가하기 위하여 플라이휠 (fly wheel)을 설치하였다. 또한 트랜스미션의 시험은 길들이기 운전을 행한 후, 윤활유는 깨끗한 신유로 교체하여 실험을 하였다.
본 연구에서 윤활유중의 마멸입자의 형태를 해석하기 위한 컴퓨터 영상처리는 CCD 카메라를 통한 아날로그 영상신호를 ND 변환기를 사용하여 공간적인 격자상에서의 표본화와 농담(濃淡) 레벨의 양자화를 행함으로써 디지털 신호로 변환하게 된다.
본 연구에서는 하나의 시료 샘플에서 20개의 영상을 입력하고 이들 중에서 대표적인 3가지의 영상을 추출하여 이를 만족하는 역치를 입력하여 3가지 영상 모두 만족하는 역치를 구하였다. 이렇게 처리한 2원화 영상에서 입자와 배경의 경계부분을 추적한다.
이때 최초로 만난 입자화소를 다음의 경계화소로서 추적을 진행하며, 최초의 경계점에 도달하면 경계추적을 완료한다. 위와 같이 처리한 경계선 추적을 통하여 대상으로 하는 윤활유내의 마멸입자 형태특징을 구하였다.
5와 같이 정의하였다[7-8]. 이것을 이용하여 50% 체적경, 장단도, 복잡도 및 광택도의 4가지의 형태 파라미터를 영상해석하였다. 여기서 50% 체적경은 전체의 마멸분 체적의 50%가 되는 직경을 의미한다.
이를 위하여 본 연구에서는 트랜스미션 시험을 통하여 주행거리별로 윤활유를 소량으로 채취하고, 윤활유 내의 마멸입자에 대하여 영상처리를 하였다. 이를 통하여 각각 주행거리에 따른 마멸입자의 형태적 특징을 관찰하고 마멸량을 추정계산하여 의의 결과를 분석함으로써 트랜스미션의 손상상태를 평가할 수 있는 방법을 제시하고자 하는 것을 목적으로 하였다.
트랜스미션 기어의 손상상태를 평가하기 위하여 컴퓨터 영상처리의 기법으로부터 마멸입자의 4가지 형태파라미터를 구하여 마멸분의 분포상태와 형태적 특징을 해석하고 마멸체적을 추정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 프레임 그레버는 화소수 640X480, 화소당 분해능은 RGB 각 8 bit(256 grey level)이고, 정방형 1화소의 길이는 0.426이다. 이것은 마멸입자 채취부분의 filter 직경이 35 mm인 것을 고려하면 모니터 1 화면의 면적은 필터의 17, 302분의 1 이 된다.
각단의 기어는 크롬(Cr)강인 SCr420이며, 열처리 방법과 열처리 후의 표면경도의 값을 Table 1 에 나타내었다. 실험을 위하여 신품 트랜스미션을 사용하였고, 실험에 사용된 윤활유는 SHELL SAE75W/85로써 그 물성치는 Table 2와 같다.

이론/모형

주행거리 별로 채취한 마멸입자의 데이터 정보를 얻기 위하여 영상처리 시스템 [7]을 사용하였다. 영상처리시스템의 광학현미경은 투과조명 및 낙사조명의 2가지 할로겐 램프를 가지며 관측된 영상은 상부의 color CCD 카메라에 의하여 PC의 프레임 그레버 (frame grabber)에 저장된다.

성능/효과

주 행거리가 증가함에 따라 산화된 마멸입자의 수가 증가하는 것을 볼 수가 있으며, 주행거리 (c) 21, 390km에서는 (a) 14, 000 km와 (b) 16, 900 km에서 볼 수 있는 산화된 미세한 마멸분 외에 피팅(pitting)에 의하여 탈락된 밝은 금속광택을 가지는 큰 괴상의 금속입자가 나타나 있음을 알 수가 있다. 그리고 (d) 25, 000km에서는 (c) 21, 390km의 주행거리에서 형성된 금속광택의 입자가 산화되어 있고, 생성된 마멸분은 주행시간의 증가에 따라 대체로 모든 입자들은 산화가 된 것을 볼 수 있다.
1. 트랜스미션 기어에서 발생되는 마멸입자의 대표경은 대체로 1〜3Nm에 가장 많이 분포되어 있고, 25, 000 km에서는 3 fjm 이상의 크기를 갖는 비교적 큰크기의 마멸분이 많이 존재하고 있었다.
2. 주행거리가 증가함에 따라 마찰면의 온도상승과 윤활유의 열화변질에 의한 산화의 진행으로 광택 도의값이 감소하였다.
3. 주행거리 21, 390 km까지는 주행거리에 비례하여 마멸량이 증가하지만 25, 000 km에서는 마멸량이 급격히 증가하였다.

후속연구

있으리라 생각된다. 영상처리 기술에 의하여 트랜스마션의 작동시간 별로 윤활유를 채취하여 오일 중의 마멸입자를 조사함으로써 기어들의 작동상태를 주행시간에 따른 손상과정을 정량적으로 해석 및 평가가 가능해지면 트랜스미션의 설계, 제작, 조립 및 윤활 등의 다양한 부분에 있어서 나타날 수 있는 결함을 보다 쉽게 분석 및 평가하기 위한 기술축적이 이루어 지리라 생각된다.

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