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문제 정의
- 이에 본 논문에서는 워셔펌프의 필드고장 중 부식고장에 초점을 두어 통기구의 필요성을 검토하고 통기구를 막을 경우 발생할 수 있는 상태조건들을 근간으로 통기구 유무에 따른 작동내구 특성 및 수명을 분석하여 결과적으로 필드클레임 비율을 줄일 수 있는 방안에 대해 연구하고자 한다.
제안 방법
- 1) 부식을 유발하는 고장모드가 내부 수분 유입이라 판단하였고, 고장메커니즘은 통기구를 통한 수분 유입이라고 분석하였다. 때문에 워셔펌프의 통기구를 막는 것이 필드 클레임을 줄일 수 있는 하나의 방법이라고 추정하였다.
- 전체 시험 장치는 워셔액이 워셔펌프에서 토출되어 압력계를 통과한 뒤 다시 리저버로 순환되도록 구성한다. 또한, 워셔펌프의 전압강하 및 돌입전류 등의 전기적 특성을 분석하기 위해 전류 값도 함께 계측한다.
- KS 표준의 부하내구시험을 참고하면, 저온 조건은 -12℃, 고온 조건은 65℃로 설정한 뒤 5초 동작, 27초 정지 조건으로 워셔펌프를 작동시킨다. 본 논문에서 초점을 두고 있는 것은 워셔펌프의 정량적인 내구 수명이나 성능이 아닌 통기구 막음에 따른 내부온도 및 압력 증가로 내구 특성이 저하되는 현상을 검증하는 것이기 때문에 보다 가혹한 조건에서 온도와 압력이 두드러지게 영향을 끼칠 수 있도록 작동 조건을 설정하였다. 즉, 상온과 고온을 순환하는 온도사이클 환경에서 1초 동작, 3초 정지로 작동시킴으로써 통기구를 막은 시료와 안막음 시료의 내구 특성 비교를 빠르게 확인 할 수 있도록 설정하였다.
- 1에서 정의한 바와 같이 1초 작동, 3초 정지의 조건으로 작동 조건을 설정하였고, 수명판단 기준은 토출압이 0이 되는 시점으로 정하였다. 시료는 제조사가 다른 두 제품에 대하여 통기구를 막은 시료와 안막음 시료로 구분하여 내구수명시험을 실시하였고, 시험 중 작동내구 특성을 2Hz로 계측하여 워셔펌프의 수명과 함께 내구성능 변화 여부를 확인하였다. 시험결과로부터 얻어진 수명 데이터는 수명분포 해석을 위해 신뢰성 통계 프로그램인 MINITAB으로 결과 분석을 수행하였다.
- 대상 시료는 제조사가 다른 두 제품으로 선정하였고, 두 제품 모두 토출구가 2개인 양방향 형태이다. 시험 조건은 상온에서 2분간 연속작동 시키는 것이고, 시험 시 전류값 및 토출압을 계측하여 각각 8개씩 동일한 제품의 토출 성능 편차를 비교하였다.
- 작동사이클에 따른 워셔펌프 성능 열화 추세를 확인하기 위해 각 시료의 고장발생 전까지 일정 사이클 간격으로 토출압을 측정하여 성능 특성을 분석하였다.
- 본 논문에서 초점을 두고 있는 것은 워셔펌프의 정량적인 내구 수명이나 성능이 아닌 통기구 막음에 따른 내부온도 및 압력 증가로 내구 특성이 저하되는 현상을 검증하는 것이기 때문에 보다 가혹한 조건에서 온도와 압력이 두드러지게 영향을 끼칠 수 있도록 작동 조건을 설정하였다. 즉, 상온과 고온을 순환하는 온도사이클 환경에서 1초 동작, 3초 정지로 작동시킴으로써 통기구를 막은 시료와 안막음 시료의 내구 특성 비교를 빠르게 확인 할 수 있도록 설정하였다.
- 토출압 특성 분석에서 얻은 결과를 검증하기 위하여 통기구 유무에 따른 성능 분포 분석을 수행하였고, 그 과정은 아래와 같다. <그림 8>은 결과데이터 분석에 앞서 수명분포의 적합성을 검토하기 위한 분포 ID 플롯을 나타낸다.
- 통기구 유무에 따른 작동내구 특성 분석을 수행하기에 앞서 시험 대상 시료로 선정된 제품의 품질산포 및 작동성능이 어떠한지 확인하기 위해 토출 성능 시험을 수행하였다. 대상 시료는 제조사가 다른 두 제품으로 선정하였고, 두 제품 모두 토출구가 2개인 양방향 형태이다.
대상 데이터
- 통기구 유무에 따른 작동내구 특성 분석을 수행하기에 앞서 시험 대상 시료로 선정된 제품의 품질산포 및 작동성능이 어떠한지 확인하기 위해 토출 성능 시험을 수행하였다. 대상 시료는 제조사가 다른 두 제품으로 선정하였고, 두 제품 모두 토출구가 2개인 양방향 형태이다. 시험 조건은 상온에서 2분간 연속작동 시키는 것이고, 시험 시 전류값 및 토출압을 계측하여 각각 8개씩 동일한 제품의 토출 성능 편차를 비교하였다.
- 주행 중 워셔펌프의 운전자 사용 패턴을 조사해 보면 <그림 4>와 같다. 설문 대상은 하루 평균 30분 이상 주행하는 운전자 10명을 대상으로 하였다.
데이터처리
- 시료는 제조사가 다른 두 제품에 대하여 통기구를 막은 시료와 안막음 시료로 구분하여 내구수명시험을 실시하였고, 시험 중 작동내구 특성을 2Hz로 계측하여 워셔펌프의 수명과 함께 내구성능 변화 여부를 확인하였다. 시험결과로부터 얻어진 수명 데이터는 수명분포 해석을 위해 신뢰성 통계 프로그램인 MINITAB으로 결과 분석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 제시한 시험 조건의 타당성을 검증하기 위해 워셔펌프 관련 기준 및 표준을 참고하였다. 기준 및 표준의 시험 항목 중 내구 성능을 평가하는 부하내구시험은 저온과 고온을 순환하는 온도조건에서 작동과 정지 과정을 반복함으로써 토출 성능 및 작동 유무를 확인하는 시험이다.
성능/효과
- 2) 사용자 작동 패턴을 분석한 결과 실제 필드에서는 워셔펌프의 내부 온도 및 압력을 크게 변화시킬 정도의 작동조건이 아니기 때문에 통기구의 역할이 크게 중요하지 않다고 판단하였다.
- 3) 통기구 막음 시료와 안막음 시료의 작동내구 시험 결과 기능적/성능적인 특성 차이는 확인되지 않았고, 우발고장을 발생시키거나 마모고장을 촉진시키는 현상도 발견할 수 없었다. 즉, 통기구를 막더라도 내구성능 저하 혹은 추가 고장모드 발생이 없다고 판단하였다.
- 내부 온도 및 압력 변화에 의한 모터 탄화나 하우징 녹음과 같은 추가적인 고장모드는 발견되지 않았고, A사 안막음 시료에서 브러쉬 고정 스프링이 파단되는 현상을 발견하였지만 이 또한 내구 저하에 따른 파단으로 예상된다. 고장분석결과, 일반사용조건보다 가혹한 조건임에도 불구하고 통기구에 따른 영향은 발견되지 않았고, 우발고장을 발생시키거나 마모고장을 촉진시키는 현상도 발견할 수 없었다. 즉, 통기구유무는 워셔펌프의 내구 특성에 큰 영향이 없다고 판단된다.
- 그래프 상의 검은색 데이터는 통기구 막음 시료를, 붉은색 데이터는 안막음 시료를 나타낸다. 동일한 형상 모수에 대해 각 제품별 통기구 유무에 따른 시료의 척도모수가 A시료의 경우 86934(유)/871761(무)로 나타났고, B 시료의 경우 253866(유)/260517(무)로 나타났다. 두 제품에서 모두 대체로 동일한 척도모수를 나타내고 있기 때문에 통기구 유무에 대한 내구수명이 동일함을 증명할 수 있다.
- 특성 곡선을 통해 고장발생 전까지는 일정한 토출압 범위를 유지하여 작동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 작동사이클이 가혹한 조건임에도 불구하고 신뢰성 기준에서 제시하는 보증 수명 기준을 충분히 만족시키는 내구 특성을 나타냈다. 작동 사이클 동안 통기구 유무를 구분할 수 있는 구조적인 변형이나 기능적/성능적인 특성 차이는 나타나지 않았다.
- 수명 분포의 적합성은 Anderson Darling(AD) 값을 사용하여 판단하였고, 위 결과에서는 Weibull 분포가 가장 적합하다는 결과를 얻었다. 이러한 결과를 토대로 통기구 유무에 따른 수명 데이터를 동일 형상모수로 Weibull 분포 분석을 수행하면 <그림 9>과 같은 그래프를 도출할 수 있다.
- 시험 결과 분석 시 초기 안정화 시간을 고려하여 안정구간을 정하였고, 안정구간 내에서 토출 성능 시험 결과를 비교해보면, A사 제품의 안정구간에서의 평균 전류값 및 토출압은 5.0A, 2.2kgf/cm2 으로 나타났고, B사 제품의 안정구간에서의 평균 전류값 및 토출압은 4.7A, 1.7kgf/cm2 로 나타났다. 두 제품 모두 평균에서 10% 내의 토출압 성능 편차를 나타내고 있고, 작동 기능상 아무런 문제가 없기 때문에 통기구 유무에 따른 내구 특성 분석 시품질 산포에 대한 영향은 무시하도록 한다.
- 작동 사이클 동안 통기구 유무를 구분할 수 있는 구조적인 변형이나 기능적/성능적인 특성 차이는 나타나지 않았다. 신뢰성 기준에서 시료의 정상품 판단 조건으로 가장 우선시 하는 것은 기능상 이상유무인데, 위의 12개 시료 모두 이에 만족하는 결과를 나타내었다. 즉, 각 시료는 통기구 유무에 관계없이 내구저하에 따른 마모고장이 발생하는 것이다.
후속연구
- 4) 본 연구에서 제시한 시험조건은 워셔펌프의 내부 고온에 의한 영향에 초점을 두었기 때문에 상온과 고온만 고려되었다. 하지만, 국내 기온 특성상 저온 환경에서의 특성 차이도 고려할 필요가 있기 때문에 저온을 고려한 추가 연구가 수행되어야 할 것이다.
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