[논문]자동차용 에어컨 클러치 코일의 수명평가 기준과 고장해석

최만엽; 위신환; 김정식; 정해성

[국내논문] 자동차용 에어컨 클러치 코일의 수명평가 기준과 고장해석
Lifetime Assessment Criteria and Failure Analysis for the Clutch Coil in an Automotive Air Conditioner 원문보기

신뢰성응용연구 = Journal of the applied reliability, v.11 no.2 = no.34, 2011년, pp.111 - 126

최만엽 (자동차부품연구원) , 위신환 (자동차부품연구원) , 김정식 (충주대학교 산업경영공학과) , 정해성 (서원대학교 멀티미디어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The clutch coil mounted on the automotive air conditioner is an important part which actuates the clutch to connect or disconnect the pulley and the compressor according to the climate control condition in an automobile. Here, it is generally required that the clutch coil should ensure the long term durability requirement, such as a warranty for the 10 years of field operation or 160,000 km driving, especially in a brand new item, and so forth. However, some difficulties have arisen in restoring its credibility, since domestic specifications for the part have not been yet unified. In order to ensure the reliability, test methods and assessment criteria should be standardized. Moreover, assessed lifetime under specific conditions and potential failure analysis would be important. In this study, lifetime test specifications for the clutch coil have been reviewed and methodological suggestions are provided to ensure reliability, utilizing a quality function deployment through the potential failure mode effect analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 클러치 코일에 대한 성능 및 내구성에 대한 신뢰성 변화에 대하여 신품 상태에서 시작하여 사용이력 까지 가해가는 과정을 파악 해석 할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 자동차용 클러치 코일에서 품질시험 및 수명시험에 대관 시험기준을 제안하고 고장해석을 통해 정확한 고장요인 파악을 하고자 한다.
본 논문에서는 자동차의 에어컨용 압축기에 장착되어 에어컨 동작여부에 따라 풀리와 압축기 사이의 클러치를 자력으로 동작시키는 코일의 신뢰성 평가에 대한 규정을 범위로 한다.
수명평가시험은 자동차용 에어컨 클러치 코일의 고장 메커니즘에 대하여 성능, 내구성의 변화를 신품 상태에서 시작하여 사용 이력을 가하여 가는 과정에서 관련되는 신뢰성을 파악하고, 신뢰성으로서 요구하는 허용 가능한 최저한도를 나타내는 것을 목적으로 한다.
클러치 코일에 대하여 성능 및 내구성에 대한 신뢰성 변화를 신품 상태에서 시작하여 사용이력 등을 가해 가는 과정에서 파악하고 해석함으로써 보다 정확한 고장요인을 파악하고 평가하는 것을 목적으로 한다. 이 기준의 작성에는 국내외 자동차용 제작사 및 자동차용 클러치 코일 제작사 규격을 참고하여 기준의 구성을 검토 하였다.
특기하지 않은 경우 해당부품 형식(제조자명, 형식번호, 로트 번호), 시험 일자, 시험 장소, 시험자, 시험실 온도, 시료의 수량, 시험장비의 교정일자, 시험의 내용을 파악할 수 있는 사진, 시험결과 및 각부 관찰 결과를 기록하여 보고한다.
시험 후 육안 검사를 통해 변형 및 파손의 여부를 육안으로 확인한다. 특히 수지의 부풀음 및 크랙의 발생 여부를 확인한다. 이때 수지의 부풀음이 코어 상단 면을 넘는 것은 허용하지 않는다.

가설 설정

b) 주행 평균 속도는 국가별 도로상황에 따른 달라진다. 따라서 대표적으로 사용되는 미국과 유럽의 연비 모드를 통해 산정한다.

제안 방법

클러치 코일은 기본적으로 자장을 발생시키는 코일의 대전류 입력에 의해 자기 발열에 의해 수십 ℃의 온도 상승을 유발한다. PA66 또는 epoxy와 같은 융착층의 열화를 발생시키기에 충분한 온도인지를 파악하기 위하여 필드 주행 품을 회수하여 자기발열온도 및 입력 전류를 측정하였다. <그림 3>은 클러치 코일의 자기 발열온도의 측정을 위한 온도측정 지점을 나타낸 것이다.
그래서 국제 규격 및 선진 외국규격을 참고하고 관련된 업체의 규격을 참고하여 신뢰성 시험을 위한 유효한 시험 기준을 제공하였다. 그리고 해당 부품에 관련된 제조자나 사용자가 해당 부품의 품질이나 특성을 고려하여 일부조건에 대한 사항을 추가하거나 변경할 때 이 기준을 사용하면 효과를 거둘 수 있도록 하였다.
따라서 국내 도로를 대상으로 여름철 고속도로, 국도, 지방도, 시내도로를 대상으로 클러치 코일의 주변온도를 측정하였으며 그 결과는 과 같다.
따라서 본 논문에서 자동차용 에어컨 클러치 코일의 제안된 신뢰성 평가기준은 합리적인 시험방법, 시험조건, 판정기준 시료수를 제안하였고, 수명시험을 보증하거나 고장해석을 통해 효과적인 시험항목을 결정 할 수 있도록 하였다.
상기의 활성화 에너지 및 사용온도 및 가속 시험 온도 조건으로부터 가속 시험시 요구되는 시험시간을 와 같이 산출하였다.
시험 온도 및 시험 시간은 중 어느 하나의 조건으로 시험하되, 온도 상승 시험 결과인자기 발열온도와 의 가속 시험 온도의 합이 해당 시료의 과열 방지를 위한 열 퓨즈(thermal fuse)의 끊어짐이 발생되는 온도 이내에서 시험을 실시한다.
또한 시료에 시험 전압을 입력하고 시험을 실시한다. 시험 후 육안 검사를 통해 변형 및 파손의 여부를 육안으로 확인한다. 특히 수지의 부풀음 및 크랙의 발생 여부를 확인한다.
이때 수지의 부풀음이 코어 상단 면을 넘는 것은 허용하지 않는다. 시험 후 코일저항시험 및 누설전류시험을 실시하여 그 결과를 기록한다.
상기의 활성화 에너지 및 사용온도 및 가속 시험 온도 조건으로부터 가속 시험시 요구되는 시험시간을 <표 5>와 같이 산출하였다. 여기서 활성화 에너지는 1.0 eV, 사용 온도는 60 ℃, 가속시험온도는 70, 75, 80, 85 ℃로 선정하였다. 클러치 코일의 자체 발열에 의한 자기발열온도는 85 ℃로 선정하였다.
온도상승시험에서 측정한 온도 상승 값으로부터 코일의 자기발열온도를 산출하여 상기의 가속 시험 온도와 합하여 온도를 산출하고 그 결과가 열 퓨즈의 끊어짐 온도 이내에서 으로 부터 가속 시험온도 및 전압에 따른 시험 시간을 설정한다.
클러치 코일에 대하여 성능 및 내구성에 대한 신뢰성 변화를 신품 상태에서 시작하여 사용이력 등을 가해 가는 과정에서 파악하고 해석함으로써 보다 정확한 고장요인을 파악하고 평가하는 것을 목적으로 한다. 이 기준의 작성에는 국내외 자동차용 제작사 및 자동차용 클러치 코일 제작사 규격을 참고하여 기준의 구성을 검토 하였다. 자동차용 에어컨 클러치 코일은 에어컨용 압축기에 장착되어 에어컨의 동작 여부에 따라 풀리와 압축기 사이의 클러치를 동작하는 역할을 수행하는 부품이다.
<표 4>에서 보는 바와 같이 각 도로별 평균 온도는 주행 속도가 낮아 상대적으로 외기 유입 공기가 적은 시내 도로의 경우가 가장 높은 온도를 보인다. 이를 통해 각 도로별 온도치를 대표할 수 있는 대표도로를 산출하였다. 그 결과 대표 도로의 평균 온도는 약 43 ℃ 정도이며, 최고 온도는 56 ℃ 정도이다.
자동차용 에어컨 클러치 코일의 수명 보증은 시험방법과 신뢰성 해석을 위해서 고장모드 영향 분석과 품질기능전개를 통해 정확한 고장요인을 파악하고 평가하여 합리적인 시험항목을 설정하도록 하였다.

대상 데이터

시험실 환경은 특별한 지시가 없는 한 KS A 0006(2001)의 상온, 상습으로 한다.
자동차용 클러치 코일은 특별한 지시가 없는 경우 센서 및 케이블로 구성된 단품 상태로 시험한다.

성능/효과

c) 일일 평균 차량 운행시간은 1일 평균 주행거리(44.4 km/일)를 주행평균속도 (33.8 km/h)로 나누면 1.3 h/일이 된다.
d) 에어컨 클러치 코일의 사용시간 산정: 총 운행시간의 50 %가 가동된다고 할 때 10년 기준 작동시간은 1일 평균 차량운행시간 (1.3 h/일)에서 1년(365일/년)을 곱하고 10년을 곱하고 가동시간 (0.5)을 곱하면 2 390 h/10년 된다. 그리고 160 000 km 기준 작동시간 계산은 160 000 km에서 주행평균속도(33.
이를 통해 각 도로별 온도치를 대표할 수 있는 대표도로를 산출하였다. 그 결과 대표 도로의 평균 온도는 약 43 ℃ 정도이며, 최고 온도는 56 ℃ 정도이다. 국내 주요 도시별 월 평균/ 최고/ 최소 온도는 <그림 2>와 같다.
9 ℃는 물론 최고 온도를 보인 제주시 또는 목포시의 28 ℃보다 높은 온도에서 측정된 값으로 충분한 대표성이 있다고 본다. 따라서 대표도로의 최고 온도인 56 ℃와 시내 도로의 최고 온도 65.7 ℃의 중간인 60 ℃ 정도를 사용 환경 온도의 대표 값으로 설정해도 충분할 것으로 판단된다.
이러한 단락 및 단선의 고장 원인은 자체 발열에 의한 자기발열온도와 엔진 룸 내 외부 환경 온도의 결합에 의해 발생된다. 또한 구성 부품별 잠재적 고장형태 및 영향 분석 결과, 자동차용 에어컨 클러치 코일에서 발생되는 고장 모드 및 메커니즘은 코일 단락 및 단선, 수지의 부풀음, 크랙 절연 저하 등임을 알 수 있다.
상기의 결과는 외기온도가 (29±2) ℃에 측정한 결과로 전국 18개 시의 월 평균온도 26.9 ℃는 물론 최고 온도를 보인 제주시 또는 목포시의 28 ℃보다 높은 온도에서 측정된 값으로 충분한 대표성이 있다고 본다.
시료 8개를 의 분위기 온도 하에서 규정된 시험 시간 동안의 동작을 통한 자체 발열하에서 시험을 수행하여 단선 및 단락 등의 고장이 1개 이하로 발생하면 신뢰수준 90 %에서 B1 수명으로 10년 또는 160 000 km를 보증한다고 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어컨 클러치코일은 무엇인가?	자동차용 에어컨 클러치코일은 승객의 감성과 직접적으로 관계되어 신뢰성 측면에서 중요한 의미가 있다. 에어컨 클러치코일은 에어컨용 압축기에 장착되어 에어컨의 동작 여부에 따라 풀리와 압축기 사이의 클러치를 동작하는 부품이다. 여기서 사용하고 있는 코일은 원자재 가격상승으로 구리(Cu)에서 알루미늄(Al) 도선을 이용한 개발이 가속화 되고 있다.
	에어컨 클러치 코일의 필드 수명 및 국내 보증기간은?	알루미늄은 열전도 특성 및 열팽창 계수가 구리와 현저히 달라 소재변경에 따른 신뢰성에 대한 영향 검증이 매우 중요하다. 또한 에어컨 클러치 코일의 필드 수명 및 국내 보증기간은 신뢰수준 90%로 10년 또는 160,000km에서 B1 수명을 보증해야한다. 그러나 국내 업체 간의 규격이 서로 달라 국내실정에 맞는 제품의 신뢰성 보증에 어려움이 있다.
	자동차용 클러치 코일의 신뢰성 시험 방법 중 기본 성능 시험의 항목은 무엇이 있는가?	기본 성능 시험 항목은 제품의 최소 요구 조건은 물론 내환경 시험과 수명 평가 시험 후 고장 판단의 기준이 된다. 기본 성능 시험 항목으로는 코일 저항 시험, 절연저항시험, 누설전류시험, 돌입전류시험, 소비전류시험, 온도상승시험이 있다. 내환경성 시험 항목으로는 저온방치시험, 열충격시험, 진동시험, 자유낙하시험, 염수분무시험, 과전압 시험 등이 있다.

참고문헌 (4)

김범철 (2007), "코일의 가속수명시험 및 신뢰성 개선", 가속수명예측 논문대회, 두산인프라코어.
EPRI NP-6408 (1992), Guidelines for Establishing, Maintaining and Extending the Shelf Life Capability of Limited Life Items (NCIG-13).
KS A 0006 (2001), 시험장소의 표준상태.
KS D 9502 (2009), 염수분무 시험방법.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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