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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연료펌프의 고장 원인을 분석하고 설계 개선을 통하여 연료펌프의 신뢰성을 확보하고자 한다.
- 본 연구에서는 전투차량 운용 중 발생된 연료펌프 고장에 대한 원인 분석 및 설계 개선을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 2. 모터부 하우징과 고정자의 설계 개선을 추진하여 죔새 크기를 최소값인 0.081mm 보다 약 2.5배 설계 마진을 확보한 0.20 ∼ 0.22mm가 되도록 하였다. 개선 입증을 위해 기본 성능시험 및 고온·진동 복합 시험을 수행하였으며 모든 시험에서 이상 없음을 확인할 수 있었다.
- 고장 메커니즘 분석을 위하여 주위 온도 변화에 의한 연료펌프 고정자 슬립 확인 및 성능 변화 여부 확인을 위한 고장 재현 시험을 수행하였다. 시험 장비는 Fig.
- 고장 원인분석 결과를 바탕으로 따라 하우징 내경 및 고정자 외경을 관리하여 상온에서 죔새 크기가 0.20 ∼ 0.22mm로 되도록 개선을 수행하였다.
- 시험은 50°C, 60°C, 70°C로 설정된 온도 챔버에 연료펌프를 설치한 후 시간 동안 작동시키는 방법으로 수행하였으며 소모 전류, 연료 토출 압력, 모터부 하우징 표면 온도 확인, 연료펌프 ON/OFF시험을 통해 정상작동 여부를 확인하였으며, 제품별 시험결과를 Table 2와 Table 3에 정리하였다 정상 제품은70°C 에서 4시간 경과 후에도 성능에 이상이 없었으나, 고장품은 70°C에서 1시간 30분 경과 시 소모 전류가 약 21A로 상승됨과 동시에 연료 토출 압력이 약 4bar로 하락 되었으며, ON/OFF시험 수행 시 비정상 작동을 하였다.
- 시험은 기본 성능 시험, 고온 시험, 진동 시험, 고온·진동 복합 시험 순으로 진행되었다.
- 연료펌프 고장 원인 분석 결과에 따라 모터부 하우징과 고정자의 죔새 관리를 위해 설계 개선을 추진하였다. 고장 원인분석 결과를 바탕으로 따라 하우징 내경 및 고정자 외경을 관리하여 상온에서 죔새 크기가 0.
- 5와 같이 억지 끼움한 후 하우징을 상온에서 서서히 냉각시켜 고정자를 조립하게 된다. 이 후 회전자를 결합하면 모터부가 완성되며 최종적으로 모터부와 제어부를 연결한 뒤 시험장비를 활용하여 기본 성능확인, 홀센서 초기 셋팅 신호 측정 등 정상작동 여부를 확인한다.
- 따라서 고정자 슬립 현상은 고정자와 하우징의 열간 압입 제작 과정에서 문제가 있음을 예측하게 되었다. 이에 따라 상온에서 정상품 및 고장품의 고정자 외경 및 하우징 구멍 내경 치수를 측정하여 Table 1과 같이 죔새의 크기를 확인하였다. 확인결과 정상 제품은 죔새 크기가 최소 0.
- 죔새가 증대됨에 따라 하우징과 고정자 조립 시 기존 100°C로 가열 후 압착기를 사용한 억지 끼워 맞춤 방법에서 200°C로 가열하여 하우징 내경을 충분히 팽창시킨 후 Fig. 10과 같이 수동 프레스기로 눌러 조립하는 방법으로 개선하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용되는 전투차량용 연료펌프는 차량 주전원 작동 시 작동되며 연료펌프의 토출단에는 압력 감지 센서가 설치되어 연료펌프의 압력과 엔진 요구 압력을 감지하여 연료펌프의 정상작동 여부를 확인할 수 있다 일반적으로 차량의 연료펌프 .는 연료탱크 내에 위치하여 연료 속에 잠기어 작동(습식)하므로 비교적으로 낮은 온도 환경에서 운용이 된다.
- 본 연구에서의 연료펌프는 Fig. 1과 같이 펌프부, 모터부 제어부로 구성되며 연료탱크에서 엔진으로 연료를 공급하는 역할을 한다. 펌프부는 베인형 방식으로 연료에 원심력을 가해 압력에너지를 생성하여 연료를 송출하는 역할을 한다.
- 고장 메커니즘 분석을 위하여 주위 온도 변화에 의한 연료펌프 고정자 슬립 확인 및 성능 변화 여부 확인을 위한 고장 재현 시험을 수행하였다. 시험 장비는 Fig. 6과 같이 펌프 구동을 위한 전원인가 장비, 고온 챔버 등으로 구성하였으며 시험 시료는 정상 제품 1대와 고장 제품 1대 모두 죔새 크기가 가장 작은 시료를 선정하였다. 시험을 위해 Fig.
성능/효과
- 1. 연료펌프 고장은 모터부 하우징과 BLDC 모터의 고정자 죔새가 고온 작동 환경에서 상실됨에 따라 고정자의 슬립 발생 때문임을 알 수 있었다.
- 22mm가 되도록 하였다. 개선 입증을 위해 기본 성능시험 및 고온·진동 복합 시험을 수행하였으며 모든 시험에서 이상 없음을 확인할 수 있었다.
- 전투차량 시동불가 및 시동꺼짐 현상을 확인한 결과 연료펌프 미작동에 의한 것임을 알 수 있었다. 고장이 발생한 연료펌프의 홀센서 신호를 Fig. 2와 같이 시험용 모터를 활용하여 연료펌프의 축을 돌려 확인한 결과 Fig. 3과 같이 홀센서 신호가 정상 신호와 대비하여 천이(shifting)되어 있는 것을 확인하였다. 비정상 신호의 발생 원인은 고정자 또는 회전자, 홀센서 고장 등이 있을 수 있다.
- 따라서 연료펌프 제작 시 상온에서 하우징 구멍내경과 고정자의 죔새 크기는 최소 0.058mm 이상 확보해야 70°C의 고온환경에서 고정자 슬립을 방지할 수 있음을 확인하였다.
- 또한 전류 값이 상승함에 따라 발열이 발생하여 Fig. 8과 같이 모터부 하우징 표면온도가 88°C로 측정되어 비정상적으로 상승함을 확인하였다.
- 모든 시험 결과 소모 전류, 연료 토출압력, ON/OFF 시험에서 이상 없음을 확인하였다.
- 연료펌프는 완성품 출하 시 및 운용 초기에는 정상 작동을 했으나 운용 중에 지속적으로 노출되는 가혹한 환경에 의해 고정자의 슬립 현상이 유발되어 연료펌프의 정상 작동을 저해한 것으로 확인되었다. 따라서 고정자 슬립 현상은 고정자와 하우징의 열간 압입 제작 과정에서 문제가 있음을 예측하게 되었다.
- 전투차량 시동불가 및 시동꺼짐 현상을 확인한 결과 연료펌프 미작동에 의한 것임을 알 수 있었다. 고장이 발생한 연료펌프의 홀센서 신호를 Fig.
- 129mm의 죔새를 가지고 있었다. 하지만 고정자 슬립이 발생한 고장품은 죔새 크기가 평균 0.021mm로 정상품 대비 약 84% 부족한 죔새 크기를 가지고 있음을 알 수 있었다.
- 이에 따라 상온에서 정상품 및 고장품의 고정자 외경 및 하우징 구멍 내경 치수를 측정하여 Table 1과 같이 죔새의 크기를 확인하였다. 확인결과 정상 제품은 죔새 크기가 최소 0.094mm 및 평균 0.129mm의 죔새를 가지고 있었다. 하지만 고정자 슬립이 발생한 고장품은 죔새 크기가 평균 0.
후속연구
- 본 연구를 통해 제품 설계 시 실 사용환경이 고려되어야 함을 강조할 수 있다. 또한 연료펌프의 신뢰성 개선을 통해 전투차량의 기동성 및 운용성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
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