이 논문은 자동차 타이밍벨트, 등속조인트부트, 웨더 스트립에 적용되는 고무시스템의 손상이나 내구성 약화에 대한 사례 연구를 하는 것이 목적이다. 첫 번째 사례에서는 신품의 타이밍 벨트를 교환할 때 벨트의 내구성이 떨어진 벨트를 교환하여 타이밍 벨트와 스프로킷의 마찰작용에 의해 비정상적으로 타이밍 벨트 캔버스가 마멸된 것을 확인하였다. 두 번째 사례에서는 등속 조인트에 그리스의 밀봉역할을 하는 고무 부트의 내구성이 떨어져 경화되고 갈라져 이 틈으로 그리스가 누설된 것을 확인하였다. 세 번째 사례에서는 웨더 스트립이 화학적 변화에 따른 균열로 재료 변형이 생겨 웨더 스트립 고무가 찢어졌다. 이러한 현상은 문을 닫을 때 웨더 스트립 고무를 겹쳐지게 해 운행중 외부공기가 유입되어 미세한 소음이 발생되는 것을 확인했다.따라서, 자동차에 적용되는 고무재질의 부품들의 내구성 약화나 손상으로 인한 자동차의 고장사례가 발생하지 않도록 관리하여야 한다.
이 논문은 자동차 타이밍벨트, 등속조인트 부트, 웨더 스트립에 적용되는 고무시스템의 손상이나 내구성 약화에 대한 사례 연구를 하는 것이 목적이다. 첫 번째 사례에서는 신품의 타이밍 벨트를 교환할 때 벨트의 내구성이 떨어진 벨트를 교환하여 타이밍 벨트와 스프로킷의 마찰작용에 의해 비정상적으로 타이밍 벨트 캔버스가 마멸된 것을 확인하였다. 두 번째 사례에서는 등속 조인트에 그리스의 밀봉역할을 하는 고무 부트의 내구성이 떨어져 경화되고 갈라져 이 틈으로 그리스가 누설된 것을 확인하였다. 세 번째 사례에서는 웨더 스트립이 화학적 변화에 따른 균열로 재료 변형이 생겨 웨더 스트립 고무가 찢어졌다. 이러한 현상은 문을 닫을 때 웨더 스트립 고무를 겹쳐지게 해 운행중 외부공기가 유입되어 미세한 소음이 발생되는 것을 확인했다.따라서, 자동차에 적용되는 고무재질의 부품들의 내구성 약화나 손상으로 인한 자동차의 고장사례가 발생하지 않도록 관리하여야 한다.
This paper is to study the examples for rubber damage and weaken reliability of timing belt, constant velocity joint boot and weather strip in vehicle. The first example, when the service man replaced the new timing-belt of rubber material, he assembled the belt that was weaken it's contact surface ...
This paper is to study the examples for rubber damage and weaken reliability of timing belt, constant velocity joint boot and weather strip in vehicle. The first example, when the service man replaced the new timing-belt of rubber material, he assembled the belt that was weaken it's contact surface because of material transform. He knew the abnormally tearing failure by friction action between belt and sprocket. The second example, it certified the fact that the grease is leaked out boot protecting of constant velocity joint by split of rubber surface because of durability badness. The third example, the weather stripe took the minutely tearing because of damage produced the material transform by crack of chemistry change. It certified the production phenomenon of a tiny noise by coming with outside air because of overlapped the rubber of weather stripe when driving after closing the door. Therefore, the driver must always manage the rubber system part of vehicle.
This paper is to study the examples for rubber damage and weaken reliability of timing belt, constant velocity joint boot and weather strip in vehicle. The first example, when the service man replaced the new timing-belt of rubber material, he assembled the belt that was weaken it's contact surface because of material transform. He knew the abnormally tearing failure by friction action between belt and sprocket. The second example, it certified the fact that the grease is leaked out boot protecting of constant velocity joint by split of rubber surface because of durability badness. The third example, the weather stripe took the minutely tearing because of damage produced the material transform by crack of chemistry change. It certified the production phenomenon of a tiny noise by coming with outside air because of overlapped the rubber of weather stripe when driving after closing the door. Therefore, the driver must always manage the rubber system part of vehicle.
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문제 정의
따라서 본 논문은 자동차에 적용하고 있는 타이밍 벨트, 등속조인트 부트, 웨더 스트립 등의 고무부품에 대한 연구를 수행하였다. 최근 고무는 자동차가 운행중 운동을 하는 것에 대한 완충작용을 하는 부품으로 고무소재에 대한 다양한 연구결과가 발표되고 있다.
웨더스트립의 접촉 불량현상이 생기면 도어가 닫혀있는 주행상태에서 웨더스트립 틈새로 바람 및 빗물이 유입될 수 있다. 따라서 이 논문은 타이밍벨트, 등속조인트 부트, 도어 웨더스트립 등에 대한 고무와 접촉부의 마찰에 관련된 트라이볼로지적인 고장 사례를 조사하고, 분석하여 이에 대한 개선 및 연구 방향을 제시하고자 한다.
제안 방법
엔진의 구동력을 전달하는 중요한 부품인 타이밍 벨트의 열 변화에 대한 것으로 타이밍 벨트에 서머커플(thermo-couple)장치를 이용하여 벨트 횡단면(cross-section)의 온도 형상(profile)을 얻은 타이밍 벨트의 열적 해석에 대한 연구결과를 발표하였다[1]. 또한, 타이밍 벨트의 구동 스프로킷(driver sprocket)과 피동 스프로킷(driven sprocket)의 마찰 접촉 특성을 FE(finite element) 방법을 이용하여 모델링 하였다[2].
이론/모형
엔진의 구동력을 전달하는 중요한 부품인 타이밍 벨트의 열 변화에 대한 것으로 타이밍 벨트에 서머커플(thermo-couple)장치를 이용하여 벨트 횡단면(cross-section)의 온도 형상(profile)을 얻은 타이밍 벨트의 열적 해석에 대한 연구결과를 발표하였다[1]. 또한, 타이밍 벨트의 구동 스프로킷(driver sprocket)과 피동 스프로킷(driven sprocket)의 마찰 접촉 특성을 FE(finite element) 방법을 이용하여 모델링 하였다[2].
성능/효과
1) 신품의 타이밍 벨트를 교환할 때 벨트의 내구성이 떨어진 벨트를 교환하여 타이밍 벨트와 스프로킷의 마찰작용에 의해 비정상적으로 타이밍 벨트 캔버스가 마멸된 것을 확인하였다.
2) 드라이브 샤프트의 내부 조인트 부에 주입한 그리스가 밀봉역할을 하는 드라이브 샤프트의 고무 부트가 내구성이 떨어져 경화되고 갈라져 이 틈으로 그리스가 누설된 것을 확인하였다.
3) 도어의 상단에 있는 웨더 스트립 고무가 어떤 화학적인 변화에 의해 재질 변형이 생겨 균열에 의해 미세하게 찢어졌고, 도어를 닫을 때 충격에 의해 살짝 겹쳐져 주행중 압력차에 의해 외부 공기가 유입되면서 미세한 소음을 발생한 것으로 확인되었다.
쇽업소버와 서스펜션의 문제로 판단하여 쇽업소버와 관련부를 확인하였으나 정상으로 확인되었다. 다시, 자동차의 하체를 확인한 결과 변속기에서 동력을 바퀴까지 전달하는 드라이브 샤프트의 부트가 미세하게 경화되었고, 일부 찢어진 틈 사이로 그리스가 누설되어 있는 것을 확인하였다. 회전축과 회전축을 연결하는 부분에는 베어링이 끼워져 회전하는 축을 원활하게 회전시키는 기능을 하는데 이러한 부분에는 반고체성 유체인 그리스를 도포한다.
5는 타이밍벨트의 캔버스 화이버가 마멸된 상태를 보여주는 것이다. 따라서, 이 사례는 신품의 타이밍 벨트를 교환할 때 벨트의 내구성이 떨어진 벨트를 교환하여 타이밍 벨트와 스프로킷의 마찰작용에 의해 비정상적으로 타이밍 벨트 캔버스가 마멸된 것으로 확인되었다.
따라서, 이 사례의 경우에는 드라이브 샤프트의 내부 조인트 부에 주입한 그리스가 밀봉역할을 하는 드라이브 샤프트의 고무 부트가 내구성이 떨어져 경화되고 갈라져 미세하게 찢어진 이 틈으로 그리스가 누설된 것을 확인하였다. 이러한 현상은 초기에는 그리스의 유동성이 낮아 흐르지 않다가 찢어진 부트 사이로 유입된 외부의 공기와 이물질과 결합함으로써 성상이 변화되어 외부로 유출된 것으로 확인되었다.
이 차량은 26,700km를 주행한 차량으로 자동차가 운행중 간헐적으로 60km/h 이상이 되면 조수석 도어 상단에서 미세한 바람소리가 실내로 유입되는 현상이 확인되었다. 바람소리 유입 원인을 찾기 위해 육안으로 점검하여 보았으나 확인을 하지 못하였고, 자동차를 경사진 곳에 위치시키고 차체에 물을 뿌려 확인한 결과 조수석 도어로 미세하게 물이 유입되는 것을 확인하였다. 이것은 도어의 상단에 있는 웨더 스트립 고무가 어떤 화학적인 변화에 의해 재질 변형이 생겨 균열에 의해 미세하게 찢어졌고, 이것이 도어를 닫을 때 충격에 의해 살짝 겹쳐져 주행중 압력차에 의해 외부 공기가 유입되면서 미세한 소음을 발생한 것으로 판단되었다.
이러한 기능을 가진 고무재질의 타이밍 벨트는 스프로킷과 접촉하는 벨트 산의 형상이 파손되거나 마멸되어 접촉상태가 약화 될 경우 피스톤 위치에 따른 밸브 개폐시점이 정확하게 구동되지 못하여 엔진 시동이 꺼지는 문제가 발생하게 된다. 이 사례는 Fig. 4와 같이 확인한 결과 타이밍 벨트의 캔버스(canvas)의 부하를 받는 방향의 이(tooth)의 산이 마멸되어 고무가 닳고, 이가 없어져 캔버스 화이버(fiber)가 없어진 상태로 마멸현상이 발생되었다. 이 자동차의 사례는 확인한 결과 80,000km에서 타이밍 벨트를 교환한 사례가 있으며, 신품 타이밍 벨트를 교환한 후 26,000km를 주행한 자동차로 타이밍벨트와 접촉하는 캠축과 스프로킷, 텐셔너, 아이들러 등의 손상이나 파손은 확인되지 않았다.
이 자동차는 87,600km를 주행한 자동차로 시운전한 결과 자동차가 운행을 시작한 후 웜업이 된 다음 선회할 때 정상적인 상태를 벗어난 거친 상태에서는 소음을 잘 느낄 수가 없었으나 조용한 도로에서 선회할 때 확인하기 어려운 정도의 간헐적인 “끅~끅”하는 마찰음이 발생되는 것을 확인하였다.
4와 같이 확인한 결과 타이밍 벨트의 캔버스(canvas)의 부하를 받는 방향의 이(tooth)의 산이 마멸되어 고무가 닳고, 이가 없어져 캔버스 화이버(fiber)가 없어진 상태로 마멸현상이 발생되었다. 이 자동차의 사례는 확인한 결과 80,000km에서 타이밍 벨트를 교환한 사례가 있으며, 신품 타이밍 벨트를 교환한 후 26,000km를 주행한 자동차로 타이밍벨트와 접촉하는 캠축과 스프로킷, 텐셔너, 아이들러 등의 손상이나 파손은 확인되지 않았다. 또한, 피스톤과 밸브 및 실린더 등의 엔진 작동부품의 손상도 발견되지 않았다.
자동차의 시동을 걸어본 결과 시동이 걸리지 않는 현상이 발생하였다. 이 자동차의 주행거리는 106,000km를 주행한 자동차로 고장현상을 찾기 위해 분해한 결과 타이밍 벨트가 파손된 것을 확인하였다. 타이밍 벨트는 자동차의 연소실로 들어가고 나가는 밸브를 작동하는 캠축과 엔진의 출력을 회전력을 발생시키는 크랭크축을 연결하는 동력전달 장치이다.
이 차량은 26,700km를 주행한 차량으로 자동차가 운행중 간헐적으로 60km/h 이상이 되면 조수석 도어 상단에서 미세한 바람소리가 실내로 유입되는 현상이 확인되었다. 바람소리 유입 원인을 찾기 위해 육안으로 점검하여 보았으나 확인을 하지 못하였고, 자동차를 경사진 곳에 위치시키고 차체에 물을 뿌려 확인한 결과 조수석 도어로 미세하게 물이 유입되는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고무 시스템은 어떤 역할을 수행하는가?
고무 시스템은 자동차 각 시스템의 부품을 조립하는 접촉부에 끼워져 고무의 탄성을 유지하여 충격을 흡수하는 역할을 하며, 상하로 작동하는 도어부에 삽입되어 서로간의 마찰력을 최소화하여 작동하는 데 도움을 주는 역할을 한다. 그러나 고무가 찢어지거나 경화되어 작동하는 탄성을 흡수하지 못하게 되면 소음이 발생되거나 진동이 생기게 된다.
웨더스트립의 접촉 불량현상이 발생하면 어떤 문제가 있는가?
웨더스트립의 접촉 불량현상이 생기면 도어가 닫혀있는 주행상태에서 웨더스트립 틈새로 바람 및 빗물이 유입될 수 있다. 따라서 이 논문은 타이밍벨트, 등속조인트 부트, 도어 웨더스트립 등에 대한 고무와 접촉부의 마찰에 관련된 트라이볼로지적인 고장 사례를 조사하고, 분석하여 이에 대한 개선 및 연구 방향을 제시하고자 한다.
참고문헌 (12)
Shizuo Abe, Masayoshi tokoro, Takehisa Yaegashi and Kazuyoshi Ogawa, "Thermal Analysis of Timing Belt", SAE paper 891988
Michael J. Leamy and Tamer M. Wasfy, "Dynamic Modeling of Timing Belt Frictional Contact Using an Explicit Finite Element Formulation", SAE paper 2005-01-0503
Andy Hamilton, Muhammad Fattah, Felician Campean and Andrew Day, " Analytical Life Prediction Modelling of an Automotive timing Belt", SAE paper 2008-01-1207
Chaitanya Kulkarni and V.S. Aher, "A Method to Calculate the Natural Frequency of the Timing Belt Drive", SAE paper 2011-28-0140
Y. Hayashi, E. Takagi, S. Uchida, N. Ito and M. Umeda, "A Study on Improvement in Durability of Chloroorene Rubber C. V. Joint Boot Seals", SAE paper 900339
Yuksel Gur, Kenneth N. Morman and Niranjan Singh, "Analysis of Door and Glass Run Seal Systems for Aspiration", SAE paper 971902
Park J. C., "Development of New Test Method for Compression Load and Permanent Deformation of Weather Strip", SAE paper 2012-01-0021
Chung S.O., Won T. Y., Kim G. H., Kim D. S., Lee. Y. Z., "Wear Characteristics of Rubber-Seal for Inflow of Dust Particle for Inflow in Automobile Chassis System", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 25, No. 5, pp120-124, (2009)
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