[논문]자동차 에어컨용 압축기 사판의 표면 형태에 따른 마찰 마모 거동

권윤기; 이건호; 이기천

doi:10.9725/kstle.2011.27.2.088

자동차 에어컨용 압축기 사판의 표면 형태에 따른 마찰 마모 거동
Wear and Friction Behavior on the Surface of Swash Plate of Compressor for Air Condition System of Automobile 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.27 no.2, 2011년, pp.88 - 94

권윤기 (두원공과대학 기계설계과) , 이건호 (두원공과대학 건축설비과) , 이기천 (두원기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The tribological characteristics of the swash plate surface of a compressor which is for automobile were investigated. For surface treatments, PTFE and $MoS_2$ are used as a solid lubricant, together with copper alloy. Test condition is set considering actual driving condition. Wear testing is conducted using pin on disk type tester, and the coefficient of friction and the temperature on friction surface are measured. Also, to determine the wear patterns, cross-section of friction surface is analyzed by SEM(scanning electrode microscope). The $MoS_2$, both at dry and lubricated conditions, friction surface and the coefficient of friction maintained rather stable results. But, the PTFE, at oil less condition, sample resulted in rather unstable condition. In case of copper alloy, quite higher friction coefficients(higher than 0.1) were obtained at dry condition. At the temperature of $125^{\circ}C$, seizure has occurred.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이상의 요인들을 고려한 적절한 윤활조건을 선정하는 것은 압축기의 성능과 구동 안정성을 확보하는데 중요한 사항 중 하나라고 판단된다. 본 연구에서는 현재사용 중인 가장 대표적인 사판의 표면 처리형태인 MoS₂, PTFE 그리고 동합금의 경우에 대해 압축기 구동조건에서의 마찰 마모 특성을 평가하였다.
자동차 에어컨용 압축기에 사용되는 사판의 표면 형태에 따른 마찰 마모 특성을 평가해 본 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

시험조건은 압축기가 실제 자동차에서 구동 되어지는 환경을 최대한 고려하여 결정하였다. 먼저 윤활 조건으로는 오일이 공급되지 않는 무 윤활 상태와 오일의 공급이 충분한 상태에서 시험하였고, 사판의 회전 상태 또한 압축기의 운전 상태를 고려하여 무 윤활의 경우는 1000 rpm(3.67 m/s)과 오일 공급의 경우는 4000 rpm(14.67 m/s)으로 하였다. 사용된 오일은 현재 압축기에서 일반적으로 사용되고 있는 PAG오일을 사용하였고 작용하중 또한 압축기의 운전 조건을 고려하여 결정하였는데 압축기의 압축 부 압력과 사판 실 압력을 고려하여 1000 N으로 하였다.
사용된 오일은 현재 압축기에서 일반적으로 사용되고 있는 PAG오일을 사용하였고 작용하중 또한 압축기의 운전 조건을 고려하여 결정하였는데 압축기의 압축 부 압력과 사판 실 압력을 고려하여 1000 N으로 하였다. 하중 부하시간은 압축기의 운전조건과 내구 평가 기준을 고려하여 무 윤활의 경우는 1차 4분 동안 하중을 부하 한 후 마찰 관련 인자들을 고찰했고 이 후 10분 동안 하중을 부하하며 마찰 표면 온도 변화 및 표면 상태를 관찰했다. 윤활유 공급의 경우에는 하중 부하시간을 30분으로 하였다.

대상 데이터

사용된 시험편은 표면의 처리 방법에 따라 3종류로 하였고 시료정보와 실험방법은 Table 1과 같다. 모재는 실제의 경우와 동일하게 하기위해 구상흑연주철 (GCD700)을 사용하였다. 코팅 전 모재의 표면은 열처리를 통해 경도를 증가 시켰고 코팅 접착력을 증가시키기 위해 샌딩(sand blasting) 작업으로 일정 표면조도를 유지했다.
67 m/s)으로 하였다. 사용된 오일은 현재 압축기에서 일반적으로 사용되고 있는 PAG오일을 사용하였고 작용하중 또한 압축기의 운전 조건을 고려하여 결정하였는데 압축기의 압축 부 압력과 사판 실 압력을 고려하여 1000 N으로 하였다. 하중 부하시간은 압축기의 운전조건과 내구 평가 기준을 고려하여 무 윤활의 경우는 1차 4분 동안 하중을 부하 한 후 마찰 관련 인자들을 고찰했고 이 후 10분 동안 하중을 부하하며 마찰 표면 온도 변화 및 표면 상태를 관찰했다.
코팅 전 모재의 표면은 열처리를 통해 경도를 증가 시켰고 코팅 접착력을 증가시키기 위해 샌딩(sand blasting) 작업으로 일정 표면조도를 유지했다. 사판의 대응 마찰 부인 슈(shoe)의 경우는 실제 사용되고 있는 것을 그대로 사용하였는데 소재는 스테인레스 스틸강 계열로 표면의 경도를 H_RC55정도로 유지 하였다.

성능/효과

1) 무윤활 조건의 경우 PTFE와 MoS₂로 코팅 처리를 한 경우 동 합금을 연마하여 사용한 경우 보다 적은 마찰 계수를 나타냈다. 특히 MoS₂의 경우는 0.
2) 윤활 조건에서는 PTFE, MoS₂, 동합금 모두 0.05 이하의 낮은 마찰계수를 나타냈다. 특히 PTFE의 경우는 0.
3) MoS₂의 경우 무 윤활, 윤활 상태에서 가장 안정화된 코팅 층과 마찰계수를 유지했고, PTFE의 경우는 무 윤활 상태에서 쉽게 코팅 층이 손상되는 현상이 나타났지만 윤활유만 충분히 공급되면 양호한 상태를 유지했다.
4) 동합금의 경우 무 윤활 상태에선 높은 마찰 계수로 급격한 마모와 소착으로 이어질 가능성이 존재 하지만 윤활유만 충분히 공급되면 안정한 상태를 유지할 것으로 판단된다.
04인 동합금의 경우보다도 약간 높게 나타났다. 그러나 세 가지의 경우 모두 매우 작은 마찰계수의 분포를 보였고 특히 동합금의 경우도 윤활유가 공급된 상태에서는 매우 양호한 마찰계수를 유지했다.
동합금의 경우는 무 윤활상태에서 매우 취약한 결과로 나타나고 있는데 하중 부하 시간 6분을 견디지 못하고 마찰 면에서 소착현상(seizure)이 발생하고 있는 것을 확인 할 수 있었다. 온도의 증가가 고체윤활제를 사용했을 때의 경우와 비슷한 형태로 증가 했음에도 불구하고 약 130℃ 부근에서 소착현상(seizure)이 발생하고 있는 것을 볼 수 있다.
4는 1차 무 윤활 실험 후 같은 조건으로 10분 동안 시험했을 때의 결과이다. 마찰계수의 변화는 고체윤활제의 경우 1단계 실험 때와 같이 점진적으로 증가하고 있는데 PTFE의 경우 0.11부근 까지 증가하고 있지만 500 sec를 넘어서는 구간부터 심한 요동 현상이 나타나고 있는 것이 확인 되었다. 이와 같은 현상은 마찰열의 증가로 인해 마찰 표면 온도가 상승하게 되고 마찰 표면에 급격히 산화물을 발생시키게 되어 마찰 면을 악화시킴으로 마모를 촉진하게 된 것에서 기인된다고 판단된다.
초기 마찰계수의 경우는 고체윤활제를 사용한 2가지 경우에 있어 매우 낮은 수준으로 나타나고 있는 것을 확인할 수 있는데 모재와 코팅 층의 접착력만 유지 된다면 매우 양호한 윤활성능을 기대 할 수 있다고 판단된다. 마찰계수의 변화는 이후 마찰시간이 증가함에 따라 완만하게 증가하고 있는 것을 볼 수 있는데 PTFE의 경우 4분 후 0.08까지 증가하고 있고 MoS₂의 경우는 0.065가지 증가하고 있어 PTFE의 경우보다 양호한 결과로 나타나고 있다. 이와 같이 고체윤활제의 경우 PTFE와 MoS₂가 갖고 있는 탁월한 윤활 특성에 기인하여 윤활유가 공급되지 않는 건조 상태에서도 불구하고 매우 낮은 수준의 마찰 계수를 유지하고 있는 것으로 판단된다[4-6].
8은 윤활유가 충분하게 공급된 상태에서 마찰계수의 변화를 나타낸다. 마찰계수의 크기는 PTFE의 경우가 0.03 부근으로 가장 우수했고 MoS₂의 경우는 0.05로 0.04인 동합금의 경우보다도 약간 높게 나타났다. 그러나 세 가지의 경우 모두 매우 작은 마찰계수의 분포를 보였고 특히 동합금의 경우도 윤활유가 공급된 상태에서는 매우 양호한 마찰계수를 유지했다.
본 연구에선 코팅 두께를 PTFE, MoS2 모두 현재 사용 중인 두께인 18 µm를 사용했는데 MoS2의 경우 무 윤활 조건과 윤활 조건에서 상대적으로 양호한 마모 특성으로 인해 코팅 두께를 좀 더 줄일 수 있는 가능성을 확보하였다고 판단된다.
MoS₂의 경우도 마찰계수는 완만히 증가하고 있지만 PTFE의 경우와는 달리 600 sec까지도 심한 요동현상은 나타나지 않았다. 온도 변화에 있어서는 PTFE와 MoS2 두 경우에 있어 비슷한 경향의 증가 형태를 나타냈고 약 160℃까지 증가하고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
온도의 증가가 고체윤활제를 사용했을 때의 경우와 비슷한 형태로 증가 했음에도 불구하고 약 130℃ 부근에서 소착현상(seizure)이 발생하고 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같은 결론은 동합금 사용 시 표면의 온도 관리 범위가 매우 한정적이 될 수 있음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 에어컨용 압축기에 사용되는 사판의 표면 형태에 따른 마찰 마모 특성을 평가해 본 결과는 어떠한가?	1) 무윤활 조건의 경우 PTFE와 MoS2로 코팅 처리를 한 경우 동 합금을 연마하여 사용한 경우 보다 적은 마찰 계수를 나타냈다. 특히 MoS2의 경우는 0.05부근으로 가장 낮았고 동합금의 경우 0.1 이상으로 다소 높게 나타났다. 2) 윤활 조건에서는 PTFE, MoS2, 동합금 모두 0.05이하의 낮은 마찰계수를 나타냈다. 특히 PTFE의 경우는 0.03 이하로 가장 낮게 나타났고 동합금의 경우도 무 윤활 상태와는 달리 0.04 수준으로 유지되었다. 3) MoS2의 경우 무 윤활, 윤활 상태에서 가장 안정화된 코팅 층과 마찰계수를 유지했고, PTFE의 경우는 무 윤활 상태에서 쉽게 코팅 층이 손상되는 현상이 나타났지만 윤활유만 충분히 공급되면 양호한 상태를 유지했다. 4) 동합금의 경우 무 윤활 상태에선 높은 마찰 계수로 급격한 마모와 소착으로 이어질 가능성이 존재 하지만 윤활유만 충분히 공급되면 안정한 상태를 유지할 것으로 판단된다.
	자동차 에어컨 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	자동차 에어컨 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브 등 몇 가지의 구성 품으로 이루어져 있다. 그 중에서도 압축기는 냉매를 시스템이 요구하는 조건으로 압축하여 냉방효과를 지속적으로 유지하는 근원적 소스를 제공하는 역할을 하는 것으로 구성 품 중 가장 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다.
	자동차 에어컨 시스템에서 압축기가 가장 중요한 역할을 한다고 볼 수 있는 이유는 무엇인가?	자동차 에어컨 시스템은 압축기, 응축기, 팽창밸브 등 몇 가지의 구성 품으로 이루어져 있다. 그 중에서도 압축기는 냉매를 시스템이 요구하는 조건으로 압축하여 냉방효과를 지속적으로 유지하는 근원적 소스를 제공하는 역할을 하는 것으로 구성 품 중 가장 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 가솔린을 사용하는 엔진 구동형 자동차 용 압축기는 왕복동식 사판 형 압축기가 주류를 이루고 있는데 그 형태는 Fig.

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원문보기 상세보기
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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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